专利名称：基于星间距离误差模型的地球重力场恢复方法
技术领域：
本发明涉及卫星重力学、大地测量学、空间科学等交叉技术领域，特别是涉及一 种基于星载激光干涉测距仪的星间距离误差影响累计大地水准面精度的关系来建立激光 干涉测距仪星间距离误差模型，进而使用这种星间距离误差模型来精确和快速恢复当前 GRACE和下一代GRACE-1I地球重力场的方法。
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、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。重力恢复和气候实验卫星(GRACE)的成功发射以及下一代GRACE-1I卫星的即 将发射昭示着人类将迎来一个前所未有的卫星重力探测新时代。基于GRACE双星高精度感 测中长波地球重力场的优秀表现，美国宇航局(NASA)提出了又一项专用于中短波地球重力 场精密探测的GRACE-1I未来卫星计划。如图1所示，GRACE-1I双星预期采用近圆、近极地 和低轨道设计，利用激光干涉测距仪高精度感测星间距离(测量精度10_8m)。因此，下一代 GRACE-1I得到的静态和时变地球重力场精度比目前GRACE至少高一个数量级。
在卫星重力恢复的众多方法中，按引力位系数解算方法的差异可分为空域法和时 域法。空域法是指不直接处理空间位置相对不规则的卫星轨道采样点的观测值，而将这些 观测值归算到以卫星平均轨道高度为半径的球面上利用快速傅立叶变换(FFT)进行网格化 处理，将问题转化为某类型边值问题的解，如准解析法、最小二乘配置法等属于空域法的范 畴。优点是因网格点数固定从而方程维数一定，且可以利用FFT方法进行快速批量处理，因 此极大地降低了计算量；缺点是在进行网格化处理中作了不同程度的近似计算，且不能对 色噪声进行处理。时域法是指将卫星观测数据按时间序列处理，卫星星历值直接表示成地 球引力位系数的函数，由最小二乘等方法直接反求引力位系数。优点是直接对卫星观测数 据进行处理，不需作任何近似，求解精度较高且能有效处理色噪声；缺点是随着卫星观测数 据的增多，观测方程数量剧增，极大地增加了计算量。过去由于地球重力场恢复方法的历 史局限性和当时计算机技术发展的限制，为了减少计算量，因此空域法较为盛行，Colombo (1989)、Sanso (1995)、Reguzzoni (2003)、Sharifi (2006)等在此方面开展了广泛研究。 然而，由于空域法做了许多人为性的假设，存在许多潜在的弊端且随着近年来计算机技术 的飞速发展及各种快速算法的广泛应用，计算量的大小不再是制约地球重力场恢复精度的 重要因素，时域法的优点正逐渐体现于卫星重力反演之中，Han et al. (2002)、Reigber (2002)、Schwintzer and Reigber (2002)等学者直接利用时域法反演了高精度的地球重 力场。时域法主要包括=Kaula线性摄动法、数值微分法、动力学法、能量守恒法、卫星加速 度法等。国内外研究表明，Kaula线性摄动法和数值微分法只适合于求解低阶地球重力场 且计算精度较低，因此目前基本上已无人问津，现在最为盛行的是动力学法和能量守恒法。 动力学法的优点是求解精度较高；缺点是观测数据运算量较大、求解过程复杂程度较高且反演较高阶重力场(L>100阶)时需要高性能的并行计算机支持；能量守恒法的优点是观测方程物理含义明确且易于地球重力场的敏感度分析，在保证求解精度的前提下计算量大大降低，通常采用PC计算机可完成高阶地球重力场的快速求解；缺点是对卫星速度的测量精度要求较高。
为了有效综合已有卫星重力恢复方法的优点，本发明提出了基于星间距离误差模型精确和快速恢复当前GRACE和下一代GRACE-1I地球重力场的新技术，并精确和快速地恢复了 120阶GRACE和360阶GRACE-1I全球重力场。发明内容
本发明的目的是基于星间距离误差模型法较大程度加快计算速度，而且进一步提高当前GRACE和下一代GRACE-1I地球重力场恢复的精度。
为达到上述目的，本发明提供了一种星间距离误差模型的地球重力场恢复方法， 包括如下步骤
步骤1:采集重力恢复和气候实验卫星的关键载荷数据通过星载测距仪获取星间距离误差数据δ P 12，通过星载GPS接收机获取轨道位置数据r ；
步骤2 :通过星间距离误差数据δ P 12与累计大地水准面精度6 \i2的关系，建立星间距离误差模型；
步骤3 :基于所述星间距离误差模型，通过所采集的卫星关键载荷数据，对地球重力场进行恢复；其中，所述步骤3包括
步骤3.1 :利用9阶Runge-Kutta线性单步法结合12阶Adams-Cowell线性多步法数值积分公式模拟卫星的星历；
步骤3. 2 :确定参考球面网格分辨率，在地球表面的经度λ和纬度φ范围内按所确定的参考球面网格分辨率绘制网格，按照卫星轨道在地球表面的轨迹点位置依次加入星间距离误差δ ρ12(φ，λ);
步骤3. 3 :基于所述星间距离误差模型和星间距离误差数据δ P 12恢复地球重力场。
本发明是基于激光干涉测距仪星间距离误差模型法有利于精确和快速恢复下一代GRACE-1I地球重力场的特点而设计的，优点是
I)地球重力场恢复精度高；
2 )较大程度提高解算速度；
3)易于开展高阶重力场误差分析；
4)卫星观测方程物理含义明确；
5)计算机性能要求低。
图1为下一代GRACE-1I卫星重力计划的测量原理图。
图2 表示
权利要求
1.一种基于星间距离误差模型的地球重力场恢复方法，其特征在于包括如下步骤 步骤1:采集卫星关键载荷数据，通过星载测距仪获取星间距离误差数据δ P12，通过星载GPS接收机获取轨道位置数据r ；步骤2:通过星间距离误差数据δ P12与累计大地水准面精度的关系，建立星间距离误差模型；步骤3 :基于所述星间距离误差模型，通过所采集的卫星关键载荷数据，对地球重力场进行恢复；其中，所述步骤3包括步骤3.1 :利用9阶Runge-Kutta线性单步法结合12阶Adams-Cowell线性多步法数值积分公式模拟卫星的星历；步骤3.2 :确定参考球面网格分辨率，在地球表面的经度λ和纬度φ范围内按所确定的参考球面网格分辨率绘制网格，按照卫星轨道在地球表面的轨迹点位置依次加入星间距离误差 δ P 12(φ，λ );步骤3. 3 :基于所述星间距离误差模型和星间距离误差数据δ P12恢复地球重力场。
2.如权利要求1所述的基于星间距离误差模型的地球重力场恢复方法，其特征在于 所述步骤2为将地球扰动位T (r，Φ，λ)按球谐函数展开表示为
3.如权利要求2所述的基于星间距离误差模型的地球重力场恢复方法，其特征在于 所述步骤3. 3为基于星间距离误差模型，通过星间距离误差数据δ P12，恢复地球重力场的过程如下将星间距离误差δ ρ12(φ，λ)按球谐函数展开为
4.如权利要求3所述的基于星间距离误差模型的地球重力场恢复方法，其特征在于所述步骤3. 3中所确定参考球面网格分辨率为O. 1° Χ0.Γ 10° Χ10°，优选为0.5。Χ0. 5°。
5.如权利要求1-4中任一项所述的基于星间距离误差模型的地球重力场恢复方法，其特征在于所述卫星为GRACE卫星或者下一代GRACE-1I卫星。
6.如权利要求5所述的基于星间距离误差模型的地球重力场恢复方法，其特征在于 当所述卫星为GRACE卫星时，采用星载K波段测距仪获取星间距离误差数据δ P12;当所述卫星为下一代GRACE-1I卫星时，采用星载激光干涉测距仪获取星间距离误差数据δ P120
7.如权利要求6所述的基于星间距离误差模型的地球重力场恢复方法，其特征在于 当所述卫星为下一代GRACE-1I卫星时，所述步骤2还包括使用所述星间距离误差模型并利用GRACE卫星所采集的实测数据进行地球重力场恢将地球重力场恢复结果与EIGEN-GRACE02S地球重力场模型的实测精度进行对比； 根据对比结果对所述星间距离误差模型进行检验。
全文摘要
本发明涉及一种地球重力场精密测量方法，特别是一种基于星间距离误差模型原理的地球重力场恢复方法；该方法基于星间距离误差影响累计大地水准面精度的关系建立星间距离误差模型，进而使用该星间距离误差模型来精确和快速恢复当前GRACE和下一代GRACE-II地球重力场。该方法对地球重力场恢复精度高，较大程度提高解算速度，易于开展高阶重力场误差分析，卫星观测方程物理含义明确，计算机性能要求低。因此，星间距离误差模型法是恢复高精度和高空间分辨率地球重力场的有效方法。
文档编号G01V7/02GK103064128SQ20131000349
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月6日 优先权日2013年1月6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