一種低低星星跟蹤衛星重力場測量性能解析計算方法
【專利摘要】一種低低星星跟蹤衛星重力場測量性能解析計算方法，獲取低低星星跟蹤重力衛星系統參數；計算重力衛星載荷測量誤差對地球引力非球形攝動位功率譜的影響，進而得到反演重力場模型的位系數階誤差方差；與Kaula準則給出的位系數階方差比較；計算反演重力場模型的大地水準面階誤差及其累積誤差、重力異常階誤差及其累積誤差；將計算得到的重力場測量有效階數、大地水準面階誤差及其累積誤差、重力異常階誤差及其累積誤差匯總，即為低低星星跟蹤重力場測量性能。本發明可以快速、定量評估重力場測量效果，獲取重力衛星系統參數對重力場測量性能的影響規律，避免了衛星重力場測量數值模擬所帶來的計算時間長、無法獲取系統參數影響規律等缺陷。
【專利說明】一種低低星星跟蹤衛星重力場測量性能解析計算方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于衛星重力場測量【技術領域】，涉及解析計算低低星星跟蹤衛星重力場測量性能，用于低低星星跟蹤重力場測量衛星系統的參數設計。
【背景技術】
[0002]重力場是地球的基本物理場，在地球科學研究、國土資源勘探和地質災害預報等方面具有重要應用，歷來是大地測量學研究的核心問題。隨著航天技術的發展，衛星重力場測量以其全球高覆蓋率、全天候、不受地緣政治和地理環境影響等獨特優勢，受到了越來越多的重視，在理論研究和工程實踐上均取得了長足發展，已成為獲取全球重力場模型的最有效手段[1’2]。
[0003]根據觀測數據的不同，衛星重力場測量可以分為軌道攝動、低低星星跟蹤和重力梯度三種原理[3]。其中，軌道攝動原理適宜于低階重力場測量，它的主要觀測數據是衛星攝動軌道；低低星星跟蹤原理適宜于中高階重力場測量，它的主要觀測數據是兩個低軌衛星之間的距離及其變化率；重力梯度原理適宜于高階重力場測量，它的主要觀測數據是重力梯度值。已成功實施或正在研制的重力衛星均采用了以上測量原理或其組合，如CHAMP衛星利用軌道攝動原理恢復低階重力場，GRACE、GRACE Fo 11ow-on、NGGM衛星同時利用了軌道攝動和低低星星跟蹤原理恢復中高階重力場，GOCE衛星分別利用軌道攝動和重力梯度原理恢復低階和高階重力場。雖然這三種原理適宜于不同的重力場測量頻段，但是重力場測量有效階數和精度最終要取決于重力衛星的載荷指標。在針對中高階重力場測量的低低星星跟蹤和重力梯度方式下，以目前的載荷性能指標分析可知，低低星星跟蹤測量完全可以達到甚至超過重力梯度的測量水平。為此，2007年在荷蘭召開的“未來重力衛星測量”專題研討會上決定，目前國際重力衛星繼續采用低低星星跟蹤重力場測量方式，同時考慮提高改善系統參數以提高重力場測量性能。
[0004]針對低低星星跟蹤重力場測量系統軌道參數和載荷指標設計，傳統上主要采用數值模擬法分析系統參數對重力場測量性能的影響，進而確定系統設計參數。但是，重力場測量數值模擬對計算機性能要求非常高，計算時間非常長，不利于分析系統參數對重力場測量的影響規律，不便于進行系統參數的優化設計。為克服這一缺陷，本發明從能量守恒原理出發，建立了分析低低星星跟蹤重力場測量性能的解析方法，可以快速獲取重力場測量有效階數、大地水準面誤差和重力異常誤差等重力場測量性能，確定系統參數對重力場測量的影響規律，對低低星星跟蹤重力衛星系統參數設計具有重要指導意義。
[0005]引用的文獻
[0006][I]寧津生.跟蹤世界發展動態致力地球重力場研究.武漢大學學報信息科學版，2001，26 (6):471-474.[0007][2]寧津生.衛星重力探測技術與地球重力場研究.大地測量與地球動力學，2002,22(1):1-5.[0008][3]谷振豐，劉紅衛，王兆魁，張育林.基于引力位系數相對權重的衛星重力場測量分析.地球物理學進展，2013，28 (I):17-23.
【發明內容】
[0009]本發明的目的在于，針對低低星星跟蹤重力場測量衛星系統，建立了重力場測量有效階數、大地水準面誤差和重力異常誤差等重力場測量性能與衛星軌道高度、星間距離、星間距離變化率測量精度、定軌精度、非引力干擾、測量數據采樣間隔、任務周期等衛星系統參數之間的解析關系，可以快速計算低低星星跟蹤重力場測量性能，分析系統參數對重力場測量性能的影響規律，指導低低星星跟蹤重力場測量衛星系統參數優化設計。
[0010]為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下 :
[0011]一種低低星星跟蹤衛星重力場測量性能解析計算方法，包括步驟如下:
[0012]步驟1:獲取低低星星跟蹤重力衛星系統參數；
[0013]步驟2:根據低低星星跟蹤重力衛星系統參數，計算重力衛星載荷測量誤差對地球引力非球形攝動位功率譜的影響，進而得到反演重力場模型的位系數階誤差方差；
[0014]步驟3:將得到的反演重力場模型位系數階誤差方差與Kaula準則給出的位系數階方差比較；隨著重力場模型階數的增加，位系數階誤差方差逐漸增加，而位系數階方差則逐漸減小，當階誤差方差等于階方差時，認為達到重力場測量的最高有效階數；
[0015]步驟4:根據反演重力場模型的階誤差方差，計算反演重力場模型的大地水準面階誤差及其累積誤差、重力異常階誤差及其累積誤差；
[0016]步驟5:將計算得到的重力場測量有效階數、大地水準面階誤差及其累積誤差、重力異常階誤差及其累積誤差匯總，即為低低星星跟蹤重力場測量性能。
[0017]優選的，步驟I中的所述低低星星跟蹤重力衛星系統參數，包括但不限于重力衛星系統軌道參數和所述重力衛星系統載荷指標；
[0018]所述衛星重力場測量性能指標包括重力場反演的最高有效階數Nmax、n階對應的大地水準面階誤差△?、η階對應的大地水準面累積誤差△、!!階對應的重力異常誤差△8?和η階對應的重力異常累積誤差Ag中的一種或幾種；
[0019]所述重力衛星系統軌道參數，包括重力衛星軌道高度h和兩星的地心矢量夾角
θο；
[0020]所述重力衛星系統載荷指標，包括星間距離變化率測量誤差、衛星定軌位置誤差(Ar)m、非引力干擾AF、星間距離變化率數據采樣間隔(Δ/)ν,*衛星軌道位置數據采
樣間隔(At) &、非引力干擾數據間隔(八0〃和重力場測量任務壽命1'。
[0021 ] 優選的，步驟2具體包括:
[0022]建立關于低低星星跟蹤重力場測量位系數階誤差方差δ σ η2滿足的解析關系式:
【權利要求】
1.一種低低星星跟蹤衛星重力場測量性能解析計算方法，其特征在于，包括步驟如下: 步驟1:獲取低低星星跟蹤重力衛星系統參數； 步驟2:根據低低星星跟蹤重力衛星系統參數，計算重力衛星載荷測量誤差對地球引力非球形攝動位功率譜的影響，進而得到反演重力場模型的位系數階誤差方差； 步驟3:將得到的反演重力場模型位系數階誤差方差與Kaula準則給出的位系數階方差比較；隨著重力場模型階數的增加，位系數階誤差方差逐漸增加，而位系數階方差則逐漸減小，當階誤差方差等于階方差時，認為達到重力場測量的最高有效階數； 步驟4:根據反演重力場模型的階誤差方差，計算反演重力場模型的大地水準面階誤差及其累積誤差、重力異常階誤差及其累積誤差； 步驟5:將計算得到的重力場測量有效階數、大地水準面階誤差及其累積誤差、重力異常階誤差及其累積誤差匯總，即為低低星星跟蹤重力場測量性能。
2.根據權利要求1所述的低低星星跟蹤衛星重力場測量性能解析計算方法，其特征在于，步驟I中的所述低低星星跟蹤重力衛星系統參數，包括但不限于重力衛星系統軌道參數和所述重力衛星系統載荷指標； 所述衛星重力場測量性能指標包括重力場反演的最高有效階數Nmax、n階對應的大地水準面階誤差Λη、η階對應的大地水準面累積誤差Λ、η階對應的重力異常誤差Λ gn和η階對應的重力異常累積誤差Ag中的一種或幾種； 所述重力衛星系統軌道參數，包括重力衛星軌道高度h和兩星的地心矢量夾角Θ。； 所述重力衛星系統載荷指標，包括星間距離變化率測量誤差、衛星定軌位置誤差(Ar)m、非引力干擾AF、星間距離變化率數據采樣間隔、衛星軌道位置數據采樣間隔(Δ t) &、非引力干擾數據間隔(Λ t) aF和重力場測量任務壽命T。
3.根據權利要求2所述的低低星星跟蹤衛星重力場測量性能解析計算方法，其特征在于，步驟2具體包括: 建立關于低低星星跟蹤重力場測量位系數階誤差方差δ ο η2滿足的解析關系式:
4.根據權利要求3所述的低低星星跟蹤衛星重力場測量性能解析計算方法，其特征在于，系數K和相位ζ的取值分別為:
5.根據權利要求3所述的一種低低星星跟蹤衛星重力場測量性能解析計算方法，其特征在于，對于非引力干擾數據間隔(At) aF，如果低低星星跟蹤重力衛星系統對非引力干擾進行測量，那么(At) μ指非引力干擾的測量間隔；如果低低星星跟蹤重力場測量系統對非引力干擾進行抑制，那么(At)”指非引力干擾的抑制間隔。
6.根據權利要求1所述的一種低低星星跟蹤衛星重力場測量性能解析計算方法，其特征在于，步驟3具體包括建立的關于重力場測量最高有效階數Nmax滿足解析關系式:
7.根據權利要求1所述的一種低低星星跟蹤衛星重力場測量性能解析計算方法，其特征在于，步驟4具體包括: 建立的關于η階對應的大地水準面階誤差為:
【文檔編號】G01V13/00GK103513294SQ201310454595
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月29日 優先權日:2013年9月29日
【發明者】張育林, 王兆魁, 劉紅衛, 范麗 申請人:清華大學