专利名称：基于双星相邻能量差分原理的星载加速度计数据标校方法
技术领域：
本发明涉及卫星大地测量学、地球物理学、空间科学等交叉技术领域，特别是涉及一种利用全球重力场模型的先验信息，基于新型双星相邻能量差分原理对星载加速度计非保守力数据进行精确标校的方法。
背景技术：
21世纪是人类利用卫星跟踪卫星(SST)和卫星重力梯度(SGG)技术提升对“数字地球”认知能力的新纪元。如
图1所示，重力卫星CHAMP (Challenging Minisatellite Pay load) > GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment)禾口 GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer)的相继成功发射昭示着人类将迎来一个前所未有的高精度卫星重力探测技术时代。地球重力场及其随时间的变化反映地球表层及内部物质的空间分布、运动和变化，同时决定着大地水准面的起伏和变化，因此确定地球重力场的精细结构及其时变不仅是大地测量学、地球物理学、海洋学、地震学、空间科学等的需求，同时也将为全人类寻求资源、保护环境和预测灾害提供重要的信息资源。无论是由卫星轨道摄动技术反演地球重力场，还是基于地球重力场反演技术精化卫星轨道，非保守摄动力(如大气阻力、太阳光压、地球辐射压、轨道高度和姿态控制力等) 从卫星合外力中的精确扣除历来是大地测量学、地球物理学、空间科学等交叉研究领域关注的热点问题和关键技术。过去，通过建立非保守摄动加速度模型，测量分辨率仅为10_7m/ s2，但随着本世纪相关学科的快速发展以及对反演高精度和高空间分辨率地球重力场的迫切要求，低精度的非保守摄动加速度模型已无法满足现阶段科学应用、工业技术、国民经济等领域的需求；当前，新一代重力卫星携带的高精度星载加速度计可精确扣除作用于卫星的非保守摄动加速度的影响(如图2所示)。星载加速度计非保守力数据仅在特定频带宽度内测量精度较高，而测量频带宽度外系统误差较大。由于卫星观测方程中的耗散能差分表现为积分形式，因此导致了观测方程存在能量差漂移。虽然可使用统一的尺度因子标校参数和以简化儒略日为变量的偏差因子计算公式，但由于加速度计的尺度、偏差等系统误差是随时间变化的，因此统一标校参数仅是总体非保守力数据标校的平均值，不能正确反映每天加速度计系统偏差的实际变化。由于地球重力场反演精度敏感于加速度计的系统误差，因此反演高精度和高空间分辨率地球重力场的关键是解决星载加速度计非保守力数据带来的系统误差问题。目前国内外研究机构对星载加速度计非保守力数据系统误差的标校主要包括2 种方法。(1)动力学标校法优点是星载加速度计数据标校精度较高；缺点是观测数据运算量较大，求解过程复杂程度较高，且需高性能并行计算机支持。( 单星能量守恒标校法 优点是观测方程物理含义明确；缺点是仅适用于标校CHAMP等单颗重力卫星的加速度计数据，而且标校精度相对较低。基于已有星载加速度计数据标校方法的不足之处，本发明首次利用全球重力场模型的先验信息，基于新型双星相邻能量差分原理对星载加速度计非保守力数据进行精确标校。优点是星载加速度计数据标校精度较高(标校精度等同于动力学标校法，但高于单星能量守恒标校法)，同时适用于单星(如CHAMP)和双星(如GRACE)加速度计数据的标校(适用范围优于单星能量守恒标校法)，观测方程简单且计算速度快(计算速度优于动力学标校法和单星能量守恒标校法)。
发明内容
本发明的目的是扣除星载加速度计非保守力数据的系统误差，进而实质性提高地球重力场的反演精度。为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案基于双星相邻能量差分原理的星载加速度计非保守力数据的标校方法，包含下列步骤步骤一对卫星数据进行预处理，具体包括1. 1)采集双频GPS接收机得到的轨道数据为了保证轨道数据的精度和连续性， 去除卫星轨道存在的重叠期，进行轨道数据的拼接；截掉由于定轨弱约束造成的卫星轨道数据的开始和结束时段处精度较低的数据；基于3 ο准则即莱以特准则，剔除轨道数据中存在的粗大误差；1. 2)采集K波段测量仪得到的星间速度数据基于t检验准则即罗曼诺夫斯基准则，剔除星间速度数据中存在的粗大误差；基于9阶Lagrange多项式，插值获得间断的星间速度数据；1. 3)采集恒星敏感器得到的四元数姿态数据基于t检验准则即罗曼诺夫斯基准则，剔除四元数姿态数据中存在的粗大误差；基于9阶Lagrange多项式，插值获得间断的四元数姿态数据；1. 4)采集星载加速度计得到的非保守力数据基于t检验准则即罗曼诺夫斯基准则，剔除非保守力数据中存在的粗大误差；基于9阶Lagrange多项式，插值获得间断的非保守力数据；步骤二 对星载加速度计非保守力数据进行标校，具体包括根据步骤一中预处理后的恒星敏感器四元数姿态数据，实施星载加速度计的非保守力数据在地心惯性坐标系和加速度计坐标系之间的相互转换，其中将步骤一中预处理后的星载加速度计非保守力数据由卫星坐标系转换到加速度计坐标系
权利要求
1. 一种基于双星相邻能量差分原理的星载加速度计非保守力数据的标校方法，包含下列步骤步骤一对卫星数据进行预处理，具体包括1. 1)采集双频GPS接收机得到的轨道数据为了保证轨道数据的精度和连续性，去除卫星轨道存在的重叠期，进行轨道数据的拼接；截掉由于定轨弱约束造成的卫星轨道数据的开始和结束时段处精度较低的数据；基于3 ο准则即莱以特准则，剔除轨道数据中存在的粗大误差；1.2)采集K波段测量仪得到的星间速度数据基于t检验准则即罗曼诺夫斯基准则， 剔除星间速度数据中存在的粗大误差；基于9阶Lagrange多项式，插值获得间断的星间速度数据；1. 3)采集恒星敏感器得到的四元数姿态数据基于t检验准则即罗曼诺夫斯基准则， 剔除四元数姿态数据中存在的粗大误差；基于9阶Lagrange多项式，插值获得间断的四元数姿态数据；1. 4)采集星载加速度计得到的非保守力数据基于t检验准则即罗曼诺夫斯基准则， 剔除非保守力数据中存在的粗大误差；基于9阶Lagrange多项式，插值获得间断的非保守力数据；步骤二 对星载加速度计非保守力数据进行标校，具体包括根据步骤一中预处理后的恒星敏感器四元数姿态数据，实施星载加速度计的非保守力数据在地心惯性坐标系和加速度计坐标系之间的相互转换，其中星载加速度计非保守力数据由卫星坐标系转换到加速度计坐将步骤一中预处理后的标系aXay二 B<a-_ Z-AF其中，[ ay az]\vWx a)表示位于卫速度计坐标系的转换矩阵XJ 2 C"0 1 0 B=OOl 1 0 01的转换关系表示如下
全文摘要
本发明涉及卫星大地测量学、地球物理学、空间科学等交叉技术领域的一种基于新型双星相邻能量差分原理的星载加速度计非保守力数据精确标校的方法；在建立无参考扰动位的双星扰动位差观测方程的基础上，利用全球重力场模型的先验信息，并基于相邻能量差分原理建立了新型相邻能量差分观测方程，拟合出标校参数的尺度因子和偏差因子，实现对星载加速度计非保守力数据的精确标校；本方法标校精度高，同时适用于单星和双星加速度计数据的快速标校，能有效提高地球重力场反演精度。
文档编号G01P21/00GK102323450SQ20111013044
公开日2012年1月18日 申请日期2011年5月19日 优先权日2011年5月19日
发明者刘成恕, 熊熊, 许厚泽, 郑伟, 钟敏 申请人:中国科学院测量与地球物理研究所