专利名称：基于残余星间速度原理反演地球重力场的方法
技术领域：
本发明涉及卫星重力学、空间大地测量学、地球动力学、宇航学等交叉技术领域，特别是涉及一种通过将星载激光干涉测距仪的高精度残余星间速度观测量(测量精度10_9m/s)引入GPS接收机的残余轨道速度差分矢量的视线分量建立新型残余星间速度观测方程，进而精确和快速建立高阶次地球重力场模型的方法。
背景技术：
地球重力场及其时变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、地球动力学、海洋学、空间科学等的需求，同时也将为寻求资源、保护环境和预测灾害提供重要的信息资源。基于GRACE (Gravity Recovery and ClimateExperiment)卫星精密探测地球中长波静态和长波时变重力场的突出贡献，美国宇航局(NASA)提出了用于高精度探测地球中短波静态和中长波时变重力场的GRACE Follow-On卫星重力测量计划。GRACE Follow-On双星采用近圆(轨道离心率O. 001)、近极(轨道倾角89° )和低轨道(轨道高度250km)设计，利用激光干涉测距仪精确测量星间距离(10_8m)和星间速度(10_9m/s)，基于高轨GPS卫星确定轨道位置和轨道速度，通过星载加速度计感测作用于卫星的非保守力(10_13m/s2)，以及依靠非保守力补偿系统(DFCS)平衡非保守力(大气阻力、太阳光压、地球辐射压、轨道高度和姿态控制力等)。基于较低的卫星轨道高度和较高的关键载荷测量精度，利用GRACE Follow-On计划反演地球重力场精度较当前GRACE计划至少提高10倍。Wolff于1969年首次提出了利用卫星跟踪卫星低低技术(SST-LL)测量地球重力场的新思想。自此以后，国内外众多学者积极投身于地球重力场反演的技术研究和数值计算之中。地球重力场模型是指地球引力位系数的集合。当前，国际通用的卫星重
力反演方法主要包括动力学法、能量守恒法、卫星加速度法、解析/半解析法等。美国宇航局喷气推进实验室(NASA-JPL)、美国德克萨斯州立大学空间研究中心(CSR)、以及德国波兹坦地学研究中心(GFZ)等研究机构采用动力学法建立了全球重力场模型GGM01S/02S，EIGEN-GRACE01S/02S, EIGEN-CG01C/03C, EIGEN-GL04C/04S1, EIGEN-5C 等。但动力学法的主要缺点是随着卫星轨道弧长的增加，动力模型的误差将快速累积，而且计算过程较复杂，需要高性能并行计算机支持。为了有效克服动力学法的缺点以及进一步提高地球重力场的反演精度，本发明首次通过将星载激光干涉测距仪的高精度残余星间速度观测量(测量精度10_9m/s)引入GPS接收机的残余轨道速度差分矢量的视线方向建立了新型残余星间速度法，进而精确和快速反演了 GRACE Follow-On地球重力场。
发明内容
本发明的目的是通过将星载激光干涉测距仪的高精度残余星间速度观测量引入GPS接收机的残余轨道速度差分矢量的视线分量，建立新型残余星间速度观测方程，进而精确和快速建立高阶次地球重力场模型的方法。为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案:基于残余星间速度原理反演地球重力场的方法包含下列步骤:步骤一:卫星观测数据采集(I)通过星载激光干涉测距仪获取星间速房广，通过星载GPS接收机获取双星轨道位置G1A2)和双星轨道速度(^r2 )，通过星载加速度计获取作用于双星的非保守力(fl, f2)。(2)利用9阶Runge-Kutta线性单步法和12阶Adams-Cowell线性多步法数值模拟公式获取双星参考轨道位置(<，< )和双星参考轨道速度(r,°,r2° )。(3)参考星间速度通过参考轨道速度)计算获得為°2 =T^ex其中，
=片- < 表示相对参考轨道速度矢量，<2 =<2/|<|表示第一颗参考卫星指向第二颗参
考卫星的参考单位矢量1 = <_<表示相对参考轨道位置矢量，<和|.表示双星的参考轨道位置矢量。(4)参考非保守力(/°,/2° )通过DTM2000阻力温度模型计算获得。(5)通过国际公布模型DE-405、IERS96和CSR4.0联合计算获取作用于双星的保守力(F1, F2)和参考保守力(Fi F20).
步骤二:残余星间速度观测方程建立在地心惯性系中，基于牛顿插值原理，单星轨道速度f的泰勒展开表示如下
权利要求
1.一种基于残余星间速度原理反演地球重力场的方法，其特征如下: 步骤一:卫星观测数据采集 (1)通过星载激光干涉测距仪获取星间速度P1，通过星载GPS接收机获取双星轨道位置(^，r2)和双星轨道速度(r\,r2 )，通过星载加速度计获取作用于双星的非保守力(f1; f2)； (2)利用9阶Runge-Kutta线性单步法和12阶Adams-Cowell线性多步法数值模拟公式获取双星参考轨道位置(
全文摘要
本发明涉及一种基于残余星间速度原理反演地球重力场的方法；通过将星载激光干涉测距仪的高精度残余星间速度观测量引入GPS接收机的残余轨道速度差分矢量的视线分量建立新型残余星间速度观测方程，进而精确和快速反演地球重力场的方法；该方法地球重力场计算精度高，卫星重力反演速度快，计算机性能要求低，敏感于重力场中高频信号，易于卫星重力反演误差分析；残余星间速度法是建立高精度和高空间分辨率全球重力场模型的关键技术。
文档编号G01V7/00GK103076639SQ20121058129
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者不公告发明人 申请人:中国科学院测量与地球物理研究所