專利名稱：基于功率譜半解析的衛星重力梯度反演方法
技術領域：
本發明涉及衛星重力梯度學、大地測量學、空間科學、宇航學等交叉技術領域，特別是涉及一種基于功率譜原理精確建立衛星重力梯度反演半解析誤差模型和開展GOCEFollow-On需求論證研究的方法。
背景技術：
衛星重力梯度測量(SGG)技術的實現是繼美國全球定位系統(GPS)星座成功構建之后在大地測量領域的又一項創新和突破，被國際大地測量學界公認為是當前地球重力場探測研究中最高效、最經濟和最有發展潛力的方法之一。歐空局(ESA)獨立研制的GOCE重力梯度衛星已于2009年3月17日成功發射升空。GOCE采用近圓、極地和太陽同步低軌道，軌道傾角96. 5°，軌道離心率O. 001，軌道高度250km。為了最大程度減少空間環境擾動導致衛星姿態的變化，GOCE設計為嚴格對稱的八角形棱柱體。GOCE衛星采用衛星跟蹤衛星高低(SST-HL)和衛星重力梯度的結合模式，除基于高軌道的GPS/GL0NASS衛星對低軌道的GOCE衛星進行精密跟蹤定位，利用定位于衛星質心處的重力梯度儀高精度測量衛星軌道高度處引力位的二階導數，同時利用非保守力補償技術(Drag-free)精密屏蔽作用于衛星體的大氣阻力、太陽光壓、地球輻射壓、以及軌道高度和姿態控制力等。由于地球重力場信號隨衛星軌道高度的增加而急劇衰減(Re/(Re+H))1+1，基于衛星跟蹤衛星模式(SST)僅適合于精密確定地球中長波重力場，而衛星重力梯度測量是直接測定地球引力位的二次微分，其結果是將球諧系數放大了 I2倍，因此衛星重力梯度測量可抑制地球引力位隨高度的衰減效應，進而高精度感測地球中短波重力場信號。目前國內外科研機構采用的衛星重力梯度反演法主要包括空域法、時域法、時空域混合法、直接法等。(I)空域法是指不直接處理空間位置相對不規則的衛星軌道采樣點的觀測值，而將衛星觀測值歸算到以衛星平均軌道高度為半徑的球面上利用快速傅立葉變換(FFT)進行網格化處理，將問題轉化為某類型邊值問題的解。優點因網格點數固定從而方程維數一定，且可以利用FFT方法進行快速批量處理，因此極大地降低了計算量；缺點在進行網格化處理中作了不同程度的近似計算，且不能對色噪聲進行處理。(2)時域法是指將衛星觀測數據按時間序列處理，衛星星歷值直接表示成引力位系數的函數，由最小二乘等方法直接反求引力位系數。優點直接對衛星觀測數據進行處理，不需作任何近似，求解精度較高且能有效處理色噪聲；缺點隨著衛星觀測數據的增多，觀測方程數量劇增，極大地增加了計算量。(3)時空域混合法是指聯合空域法的快速性和時域法的精確性反演地球重力場。優點在保證地球重力場解算精度的前提下，有效改善了計算速度；缺點相對于單獨的空域法和時域法，計算過程較復雜。(4)直接法是指將衛星精密定軌和地球重力場反演合二為一，基于各種衛星觀測值同時求解衛星軌道、地面站坐標、地球自轉參數、海潮模型和地球重力場模型、以及其它動力學和非動力學參數，通過綜合衛星運動學、衛星動力學、大地測量學、地球物理學等多學科的知識建立的一種合乎自然規律的解算方法。優點不依賴于任何先驗的地球重力場模型，理論框架嚴密，各種地球重力場參數求解精度較高；缺點整體解算過程較復雜，需要高性能的并行計算機支持。為了滿足本世紀科學和國防對地球重力場精度進一步提高的迫切需求，以及由于GOCE重力梯度衛星的工作壽命預期于2014年前結束，因此目前國內外科研機構正積極開展更高精度的GOCE Follow-On衛星重力梯度測量計劃的需求分析和載荷研制。由于現有衛星重力梯度反演法的計算過程較復雜和計算速度較慢，因此，本發明首次建立了衛星重力梯度儀的重力梯度張量誤差和GPS/GL0NASS復合接收機的軌道位置誤差影響累計大地水準面精度的單獨和聯合半解析誤差模型，進而精確和快速地開展了 GOCE Follow-On重力梯度衛星的需求論證研究。
發明內容
為了解決上述技術問題，本發明提供了一種基于功率譜半解析的衛星重力梯度反演方法，包含以下步驟
步驟1，通過星載重力梯度儀采集衛星重力梯度測量數據SVxyz，基于星載GPS/GL0NASS復合接收機采集衛星軌道位置測量數據δ Γ ；步驟2，建立衛星重力梯度的信號功率譜分析模型，并對所采集的衛星重力梯度測量數據進行信號功率譜敏感度分析；步驟3，通過衛星重力梯度張量誤差的功率譜分析和衛星軌道位置誤差的功率譜分析建立衛星重力梯度反演半解析誤差模型；其中，所述步驟3包括步驟3. 1，通過衛星重力梯度儀的重力梯度張量誤差對累計大地水準面精度的影響建立衛星重力梯度張量的半解析誤差模型；步驟3. 2，通過GPS/GL0NASS復合接收機的軌道位置誤差對累計大地水準面精度的影響建立衛星軌道位置的半解析誤差模型；步驟3. 3，通過衛星重力梯度張量的半解析誤差模型和衛星軌道位置的半解析誤差模型，建立衛星重力梯度和軌道位置的聯合半解析誤差模型，以此作為衛星重力梯度反演半解析誤差模型；步驟4，使用所述衛星重力梯度反演半解析誤差模型，以及采集得到的衛星重力梯度測量數據S Vxyz和衛星軌道位置測量數據Sr反演累計大地水準面誤差。本發明還提供了一種對基于功率譜半解析的衛星重力梯度反演方法中所使用的衛星重力梯度反演半解析誤差模型進行驗證的方法，包括如下步驟步驟5，使用所述衛星重力梯度反演半解析誤差模型確定300階GOCE地球重力場精度，并通過與國際公布的G0_C0NS_GCF_2_HM_R2地球重力場模型精度對比，驗證所述衛星重力梯度反演半解析誤差模型的準確性。本發明還提供了一種使用基于功率譜半解析的衛星重力梯度反演方法來確定GOCE Follow-On重力梯度衛星參數需求的方法,包括如下步驟步驟6，根據地球科學各相關學科需求確定所需的地球重力場反演精度；通過所述衛星重力梯度反演半解析誤差模型，依據地球重力場需求精度對GOCEFollow-On重力梯度衛星的關鍵載荷精度指標和軌道參數進行需求分析。本發明取得了以下技術效果建立衛星重力梯度儀的重力梯度張量誤差和GPS/GL0NASS復合接收機的軌道位置誤差影響累計大地水準面精度的單獨和聯合半解析誤差模型，進而精確和快速反演GOCEFollow-On地球重力場。其優點是I)衛星重力梯度反演精度高；2)地球重力場解算速度快；3)衛星觀測方程物理含義明確；4)較大程度簡化了計算過程；5)易于開展重力梯度衛星系統需求分析。
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圖1表示衛星重力梯度張量功率譜的敏感度系數表。圖2表示衛星重力梯度張量的敏感度系數|Aab|海階)。圖3表示衛星重力梯度張量的信號幅度譜(每階)。圖4表示基于GOCE關鍵載荷匹配精度指標分別估計累計大地水準面精度。圖5表示基于不同衛星重力梯度測量精度估計累計大地水準面精度。圖6表示基于不同衛星軌道位置測量精度估計累計大地水準面精度。圖7表示基于不同衛星軌道高度估計累計大地水準面精度。
具體實施例方式為了便于本領域普通技術人員理解和實施本發明，下面結合附圖及具體實施方式
對本發明作進一步的詳細描述。基于功率譜半解析的衛星重力梯度反演方法包含下列步驟步驟一重力梯度衛星數據采集( I)通過重力梯度衛星的星載重力梯度儀采集衛星重力梯度測量數據δ Vxyz ；(2)基于重力梯度衛星的星載GPS/GL0NASS復合接收機采集衛星軌道位置測量數據Sr。步驟二 建立衛星重力梯度張量的信號功率譜分析模型在球坐標系中，地球引力位按球諧函數展開的表達式為
CjM R , ---
^ Υ^{( 'hu cos/r/A + sin ml) P//)；(cos6^),、I ;
^ m=0其中，GM表示地球質量M和萬有引力常數G之積，Re表示地球的平均半徑，L表示地球引力位按球函數展開的最大階數；r = Jx2+ /+Z2表示衛星的地心半徑，X, y, z分別表示衛星位置矢量r在直角坐標系中的三個分量，Θ和λ表示地心余纟韋度和經度；
表示規格化的Legendre函數，I表示階數，m表示次數Γ,和&表示待求的規格化引力位系數。球坐標系(r，θ，λ )和直角坐標系(X，y, ζ)的互換公式表示為，
權利要求
1.一種基于功率譜半解析的衛星重力梯度反演方法，其特征在于包含以下步驟步驟1，通過星載重力梯度儀采集衛星重力梯度測量數據S Vxyz，基于星載GPS/GL0NASS復合接收機采集衛星軌道位置測量數據δ Γ ；步驟2，建立衛星重力梯度的信號功率譜分析模型，并對所采集的衛星重力梯度測量數據進行信號功率譜敏感度分析；步驟3，通過衛星重力梯度張量誤差的功率譜分析和衛星軌道位置誤差的功率譜分析建立衛星重力梯度反演半解析誤差模型；其中，所述步驟3包括步驟3. 1，通過衛星重力梯度儀的重力梯度張量誤差對累計大地水準面精度的影響建立衛星重力梯度張量的半解析誤差模型；步驟3. 2，通過GPS/GL0NASS復合接收機的軌道位置誤差對累計大地水準面精度的影響建立衛星軌道位置的半解析誤差模型；步驟3. 3，通過衛星重力梯度張量的半解析誤差模型和衛星軌道位置的半解析誤差模型，建立衛星重力梯度和軌道位置的聯合半解析誤差模型，以此作為衛星重力梯度反演半解析誤差模型；步驟4，使用所述衛星重力梯度反演半解析誤差模型，以及采集得到的衛星重力梯度測量數據S Vxyz和衛星軌道位置測量數據Sr反演累計大地水準面誤差。
2.如權利要求1所述的基于功率譜半解析的衛星重力梯度反演方法，其特征在于所述步驟2為在球坐標系中，地球引力位按球諧函數展開的表達式為
3.如權利要求2所述的基于功率譜半解析的衛星重力梯度反演方法，其特征在于所述步驟3.1為基于公式(4)和(6)以及球函數的正交歸一性，衛星重力梯度張量誤差SVab的功率譜表示如下
4.如權利要求3所述的基于功率譜半解析的衛星重力梯度反演方法，其特征在于所述步驟4具體包括以下步驟步驟4. 1，首先確定網格分辨率為O. 1° X0. 1°，在地球表面的經度和緯度范圍內繪制網格；步驟4. 2，按照重力梯度衛星軌道在地球表面的軌跡點位置依次加入重力梯度衛星關鍵載荷的總誤差S η；步驟4. 3，將分布于地球表面的δ η平均歸算于劃分的網格點δ η(φ，λ)處；步驟4. 4,將δ η (φ , λ )按球諧函數展開為
5.如權利要求1-4所述的基于功率譜半解析的衛星重力梯度反演方法，其特征在于 所述重力梯度衛星為GOCE重力梯度衛星或者GOCE Follow-On重力梯度衛星。
6.一種對如權利要求1-5中任意一項所述的基于功率譜半解析的衛星重力梯度反演方法中所使用的衛星重力梯度反演半解析誤差模型進行驗證的方法，其特征在于還包括如下步驟步驟5，使用所述衛星重力梯度反演半解析誤差模型確定300階GOCE地球重力場精度， 并通過與國際公布的G0_C0NS_GCF_2_HM_R2地球重力場模型精度對比，驗證所述衛星重力梯度反演半解析誤差模型的準確性。
7.如權利要求6所述的對衛星重力梯度反演半解析誤差模型進行驗證的方法，其特征在于在所述步驟5中還包括，使用衛星重力梯度和衛星軌道位置的單獨半解析誤差模型計算GOCE衛星關鍵載荷匹配精度指標，將計算得到的該指標與歐空局GOCE-Level-1B實測精度指標進行對比，驗證衛星重力梯度和衛星軌道位置的單獨半解析誤差模型。
8.一種使用如權利要求1-5中任意一項所述的基于功率譜半解析的衛星重力梯度反演方法來確定GOCE Follow-On重力梯度衛星參數需求的方法，其特征在于還包括如下步驟步驟6，根據地球科學各相關學科需求確定所需的地球重力場反演精度；通過所述衛星重力梯度反演半解析誤差模型，依據地球重力場需求精度對GOCEFollow-On重力梯度衛星的關鍵載荷精度指標和軌道參數進行需求分析。
9.如權利要求8所述的確定GOCEFollow-On重力梯度衛星參數需求的方法，其特征在于所述步驟6包括步驟6. 1，分析衛星重力梯度測量精度需求基于不同衛星重力梯度測量精度3X 10_12/s2、3X 10_13/s2、3X ΙΟ—14/ 和3X 10_15/s2，使用衛星重力梯度反演半解析誤差模型分別估計300階GOCE Follow-On累計大地水準面精度，通過衛星重力梯度測量精度與累計大地水準面精度的關系確定星載重力梯度儀的測量精度；步驟6. 2，分析衛星軌道位置測量精度需求分別基于衛星軌道位置測量精度10_2m、 10-3m、10_4m和10_5m，使用衛星重力梯度反演半解析誤差模型估計300階GOCE Follow-On 累計大地水準面精度，通過衛星軌道位置測量精度與累計大地水準面精度的關系確定GOCE Follow-On衛星重力梯度計劃的定軌精度； 步驟6. 3，分析衛星軌道高度需求基于不同衛星軌道高度200km、250km、300km和 350km,使用衛星重力梯度反演半解析誤差模型估計300階GOCEFoIIow-On累計大地水準面精度，根據衛星軌道高度與累計大地水準面精度之間的關系以及衛星軌道高度與衛星所遇空氣阻力之間的關系確定GOCEFollow-On重力梯度衛星的軌道高度。
全文摘要
本發明涉及一種基于功率譜半解析的衛星重力梯度反演方法；建立了衛星重力梯度儀的重力梯度張量誤差和GPS/GLONASS復合接收機的軌道位置誤差影響累計大地水準面精度的單獨和聯合解析誤差模型。同時還提出了對衛星重力梯度反演半解析誤差模型進行驗證的方法；以及基于該衛星重力梯度反演半解析誤差模型，通過衛星重力梯度測量精度、衛星軌道位置測量精度和衛星軌道高度對累計大地水準面的影響確定下一代GOCE Follow-On重力梯度衛星參數需求的方法。該衛星重力梯度反演方法精度高，地球重力場解算速度快，衛星觀測方程物理含義明確，較大程度簡化了計算過程，以及易于開展下一代重力梯度衛星系統需求分析。
文檔編號G01V7/00GK102998713SQ201210594280
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月30日 優先權日2012年12月30日
發明者不公告發明人 申請人:中國科學院測量與地球物理研究所