专利名称：基于星间速度插值原理的卫星重力反演方法
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，特别是涉及一种通过将GRACE型卫星K波段测量仪的高精度星间速度引入双星相对轨道速度矢量的星星连线分量建立新型星间速度插值观测方程，进而精确和快速反演地球重力场的方法。
背景技术：
如图1所示，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、地球物理、海洋勘探、地震预报、空间科学、惯性导航、航天技术、 工业应用等的需求，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。第一，重力变化决定于地质构造和矿产资源(如煤炭、石油、天然气等)分布的不均勻性。由于我国远景资源储备中有78%的石油和93%的天然气亟待开发，因此精密重力测量有利于我国将来的资源勘探。第二，由于地震(如2005年3月印尼苏门答腊8. 5级地震、 2008年5月中国汶川8. 0级地震、2010年2月智利8. 8级地震、2011年3月日本福岛9. 0 级地震等)、火山、海啸、龙卷风、泥石流等自然灾害发生前后，地球重力场将发生明显的变化和异常，因此精密重力测量能帮助我们预测自然灾害的发生，进而降低经济损失和保障人员安全。早在20世纪60年代，Baker首次提出了利用卫星跟踪卫星测量技术(SST)确定地球重力场的重要思想(如图2所示)。自此以后，国际大地测量学界的许多学者都积极投身于地球重力场反演的方法与算法的理论研究和数值计算之中。在利用卫星重力测量数据反演地球重力场的众多方法中，按引力位系数解算方式的差异可分为空域法和时域法。时域法主要包括5种类型(1)轨道摄动法；( 动力学法；C3)能量守恒法；(4)半解析法；( 卫星加速度法。但直到2000年以后，专用于地球重力场精密探测的重力卫星 CHAMP(Challenging Minisatellite Payload)、GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)禾口GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulaion Explorer)的成功发射及实际观测数据的有效处理应用，上述方法与算法才真正进入实际操作阶段(如图3所示)。卫星加速度法包括轨道加速度法和星间加速度法，是指以卫星轨道加速度或星间加速度为观测量建立卫星观测方程，基于最小二乘法、预处理共轭梯度法(PCCG)等解算大型线性超定方程组，进而恢复地球引力位系数，最终目的是反演高精度和高空间分辨率的地球重力场。卫星轨道加速度法通常用于解算CHAMP单星地球重力场。Reubelt et al. (2003)基于牛顿插值的轨道加速度法确定了 CHAMP地球重力�。籇itmar et al. (2006) 提出了基于3点插值加权平均加速度法计算地球重力场的思想，并利用1年的CHAMP卫星数据建立了 DEOS CHAMP-OIC 70地球重力场模型。星间加速度法适于确定GRACE双星地球重力�。诺闶枪鄄夥匠绦问郊虻�、物理含义明确、易于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计算机可完成高阶重力场的快速求解；缺点是解算了 GRACE地球重力场。在以往研究建立的卫星观测方程中，由于引入了星载K波段测量仪的高精度星间距离、星间速度和星间加速度观测量，因此地球重力场反演的精度得到了较大程度的改善。由于星载K波段测量仪星间速度是地球重力场精度提高的关键因素，同时也是主要误差源，因此开展星载K波段测量仪星间速度对地球重力场精度影响因素的分析研究是进一步提高地球重力场精度的关键。不同于前人提出的卫星重力反演法，本发明首次通过在相对轨道速度的星星连线分量中引入星载K波段测量仪的高精度星间速度，建立了新型星间速度插值观测方程，并通过与德国地学研究中心(GFZ)公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型精度的符合性验证了其正确性和可靠性。由于我国自主研制和正在建设的首期卫星跟踪卫星测量模式的地球重力卫星系统预计于国家“十二五”规划末期发射升空，因此，星间速度插值法(IRRI)以其独特的优越性将成为我国将来高精度和高空间分辨率地球重力场反演的优选方法之一。
发明内容
本发明的目的是通过将星载K波段测量仪的高精度星间速度引入双星相对轨道速度矢量的星星连线分量，建立新型星间速度插值观测方程，进而精确和快速反演地球重力场。为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案基于星间速度插值原理的精确和快速卫星重力反演方法包含下列步骤(1)利用GRACE型卫星观测数据并进行预处理，具体包括1. 1)采集星载K波段测量仪得到的星间速度Λ2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. 2)采集星载双频GPS接收机得到的卫星轨道位置r和卫星轨道速度Z数据为了保证卫星轨道数据的精度和连续性，去除卫星轨道存在的重叠期，进行卫星轨道数据的拼接；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 σ准则即莱以特准则，剔除卫星轨道数据中存在的粗大误差；1. 3)采集星载加速度计得到的卫星非保守力f数据基于t检验准则即罗曼诺夫斯基准则，剔除卫星非保守力数据中存在的粗大误差；基于9阶Lagrange多项式，插值获得间断的卫星非保守力数据。(2)通过将GRACE型卫星K波段测量仪的高精度星间速度引入双星相对轨道速度矢量的星星连线分量，建立新型星间速度插值观测方程。(3)利用预处理后的GRACE型卫星观测数据，对比论证2点、4点、6点和8点星间速度插值公式对地球重力场反演精度的影响。(4)利用最小二乘原理解算6点星间速度插值公式矩阵，获得地球引力位系数，进而反演120阶地球重力场。本发明是基于新型星间速度插值法有利于快速反演高精度和高空间分辨率地球重力场的特点而设计的，优点是1)卫星重力反演精度高；幻卫星观测方程物理含义明确；3)易于重力卫星系统敏感度分析；4)利于感测中短波重力场信号；5)对计算机性能要求低。
四
图1表示由于地球内部、表面和空间质量(陆地、海洋、大气等)的迁移引起地球重力场的变化。图2表示卫星跟踪卫星高低/低低观测模式的测量原理；不仅以高轨GPS卫星对低轨重力双星实时精密跟踪定轨(SST-HL)，同时以差分原理测定低轨双星之间的相互运动 (SST-LL)。图3表示国际成功发射的三颗重力卫星CHAMP (德国航天局，2000-07-15)、 GRACE (美国宇航局和德国航天局，2002-03-17)和GOCE (欧洲空间局，2009-03-17)。图4表示论证2点、4点、6点和8点星间速度插值公式对地球重力场精度的影响， 其中横坐标表示地球引力位按球函数展开的阶数，纵坐标表示大地水准面累积误差(单位m)。图5表示基于新型星间速度插值法反演地球重力场的精度，其中横坐标表示地球引力位按球函数展开的阶数，纵坐标表示大地水准面累积误差(单位m)。
五具体实施例方式以下结合附图，对本发明的具体实施方式
作进一步的说明。基于星间速度插值原理的卫星重力反演方法包含下列步骤步骤一获取GRACE型卫星观测数据1. 1采集星载K波段测量仪得到的星间速度Λ2数据(1)基于t检验准则(罗曼诺夫斯基准则)，有效剔除星间速度数据中存在的粗大
误差；(2)基于9阶Lagrange多项式，插值获得间断的星间速度数据。1. 2采集星载双频GPS接收机得到的卫星轨道位置r和轨道速度纟数据(1)为了保证卫星轨道数据的精度和连续性，有效去除卫星轨道存在的重叠期，进而完成卫星轨道数据的拼接；(2)有效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；(3)基于3 σ准则(莱以特准则)，有效剔除卫星轨道数据中存在的粗大误差。1. 3采集星载加速度计得到的卫星非保守力f数据(1)基于t检验准则(罗曼诺夫斯基准则)，有效剔除卫星非保守力数据中存在的粗大误差；(2)基于9阶Lagrange多项式，插值获得间断的卫星非保守力数据。步骤二 由于目前GPS卫星轨道速度测量精度相对较低，因此通过将GRACE型卫星 K波段测量仪的高精度星间速度引入双星相对轨道速度矢量的星星连线分量，建立新型星间速度插值观测方程。在地心惯性坐标系中，基于Newton插值模型，单星轨道速度Ii的泰勒展开表示如一轨道上两个
单颗CHAMP卫星相互跟踪，对地球重力场反演精度的提高没有本质贡献。因此，引入GRACE 型卫星K波段测量仪的高精度星间速度々12是大幅度提高地球重力场反演精度的关键。基于以上原因，可将⑷式等号右边的e12·、改写为
权利要求
1. 一种基于星间速度插值原理的卫星重力反演方法，其特征如下 步骤一获取GRACE型卫星观测数据，具体包括1.1)通过星载K波段测量仪采集得到星间速度/>12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. 2)通过星载双频GPS接收机采集得到卫星轨道位置r和卫星轨道速度^数据去除卫星轨道存在的重叠期，进行卫星轨道数据的拼接；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，剔除卫星轨道数据中存在的粗大误差；1.3)通过星载加速度计采集得到卫星非保守力f数据基于t检验准则即罗曼诺夫斯基准则，剔除卫星非保守力数据中存在的粗大误差；基于9阶Lagrange多项式，插值获得间断的卫星非保守力数据；步骤二 将GRACE型卫星K波段测量仪的高精度星间速度引入双星相对轨道速度矢量的星星连线分量，建立星间速度插值观测方程 由GRACE型卫星双频GPS接收机的卫星轨道位置r计算由GRACE-A卫星指向GRACE-B 卫星的单位矢量e12 = r12/ I r121，其中r12 = T2-T1表示双星相对轨道位置矢量，巧和r2分别表示双星绝对轨道位置矢量；由GRACE型卫星K波段测量仪的高精度星间速度和卫星轨道速度^联合计算双星相对轨道速度矢量
全文摘要
本发明涉及一种地球重力场精密测量的方法，特别是一种基于星间速度插值原理的卫星重力反演方法；通过将高精度的星间速度引入双星相对轨道速度矢量的星星连线分量，建立星间速度插值观测方程，进而精确和快速反演地球重力�。桓梅椒ㄎ佬侵亓Ψ囱菥雀撸佬枪鄄夥匠涛锢砗迕魅罚子谥亓ξ佬窍低趁舾卸确治觯谔讲庵卸滩ㄖ亓Τ⌒藕牛约扑慊阅芤蟮停恍羌渌俣炔逯捣ㄊ墙馑愀呔群透呖占浞直媛实厍蛑亓Τ〉挠行Х椒�。
文档编号G01V7/00GK102313905SQ20111020143
公开日2012年1月11日 申请日期2011年7月18日 优先权日2011年7月18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
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