基于功率譜半解析的衛(wèi)星重力梯度反演方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種基于功率譜半解析的衛(wèi)星重力梯度反演方法；建立了衛(wèi)星重力梯度儀的重力梯度張量誤差和GPS/GLONASS復(fù)合接收機(jī)的軌道位置誤差影響累計(jì)大地水準(zhǔn)面精度的單獨(dú)和聯(lián)合解析誤差模型。同時(shí)還提出了對(duì)衛(wèi)星重力梯度反演半解析誤差模型進(jìn)行驗(yàn)證的方法；以及基于該衛(wèi)星重力梯度反演半解析誤差模型，通過衛(wèi)星重力梯度測(cè)量精度、衛(wèi)星軌道位置測(cè)量精度和衛(wèi)星軌道高度對(duì)累計(jì)大地水準(zhǔn)面的影響確定下一代GOCE?Follow-On重力梯度衛(wèi)星參數(shù)需求的方法。該衛(wèi)星重力梯度反演方法精度高，地球重力場(chǎng)解算速度快，衛(wèi)星觀測(cè)方程物理含義明確，較大程度簡(jiǎn)化了計(jì)算過程，以及易于開展下一代重力梯度衛(wèi)星系統(tǒng)需求分析。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及衛(wèi)星重力梯度學(xué)、大地測(cè)量學(xué)、空間科學(xué)、宇航學(xué)等交叉
，特別是涉及一種基于功率譜原理精確建立衛(wèi)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。
技術(shù)介紹
衛(wèi)星重力梯度測(cè)量(SGG)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是繼美國(guó)全球定位系統(tǒng)(GPS)星座成功構(gòu)建之后在大地測(cè)量領(lǐng)域的又一項(xiàng)創(chuàng)新和突破，被國(guó)際大地測(cè)量學(xué)界公認(rèn)為是當(dāng)前地球重力場(chǎng)探測(cè)研究中最高效、最經(jīng)濟(jì)和最有發(fā)展?jié)摿Φ姆椒ㄖ弧W空局(ESA)獨(dú)立研制的GOCE重力梯度衛(wèi)星已于2009年3月17日成功發(fā)射升空。GOCE采用近圓、極地和太陽(yáng)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(huán)境擾動(dòng)導(dǎo)致衛(wèi)星姿態(tài)的變化，GOCE設(shè)計(jì)為嚴(yán)格對(duì)稱的八角形棱柱體。GOCE衛(wèi)星采用衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星高低(SST-HL)和衛(wèi)星重力梯度的結(jié)合模式，除基于高軌道的GPS/GL0NASS衛(wèi)星對(duì)低軌道的GOCE衛(wèi)星進(jìn)行精密跟蹤定位，利用定位于衛(wèi)星質(zhì)心處的重力梯度儀高精度測(cè)量衛(wèi)星軌道高度處引力位的二階導(dǎo)數(shù)，同時(shí)利用非保守力補(bǔ)償技術(shù)(Drag-free)精密屏蔽作用于衛(wèi)星體的大氣阻力、太陽(yáng)光壓、地球輻射壓、以及軌道高度和姿態(tài)控制力等。由于地球重力場(chǎng)信號(hào)隨衛(wèi)星軌道高度的增加而急劇衰減(Re/(Re+H))1+1，基于衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星模式(SST)僅適合于精密確定地球中長(zhǎng)波重力場(chǎng)，而衛(wèi)星重力梯度測(cè)量是直接測(cè)定地球引力位的二次微分，其結(jié)果是將球諧系數(shù)放大了 I2倍，因此衛(wèi)星重力梯度測(cè)量可抑制地球引力位隨高度的衰減效應(yīng)，進(jìn)而高精度感測(cè)地球中短波重力場(chǎng)信號(hào)。目前國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)采用的衛(wèi)星重力梯度反演法主要包括空域法、時(shí)域法、時(shí)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(duì)不規(guī)則的衛(wèi)星軌道采樣點(diǎn)的觀測(cè)值，而將衛(wèi)星觀測(cè)值歸算到以衛(wèi)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(jìn)行網(wǎng)格化處理，將問題轉(zhuǎn)化為某類型邊值問題的解。優(yōu)點(diǎn)因網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)固定從而方程維數(shù)一定，且可以利用FFT方法進(jìn)行快速批量處理，因此極大地降低了計(jì)算量；缺點(diǎn)在進(jìn)行網(wǎng)格化處理中作了不同程度的近似計(jì)算，且不能對(duì)色噪聲進(jìn)行處理。(2)時(shí)域法是指將衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)按時(shí)間序列處理，衛(wèi)星星歷值直接表示成引力位系數(shù)的函數(shù)，由最小二乘等方法直接反求引力位系數(shù)。優(yōu)點(diǎn)直接對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)隨著衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的增多，觀測(cè)方程數(shù)量劇增，極大地增加了計(jì)算量。(3)時(shí)空域混合法是指聯(lián)合空域法的快速性和時(shí)域法的精確性反演地球重力場(chǎng)。優(yōu)點(diǎn)在保證地球重力場(chǎng)解算精度的前提下，有效改善了計(jì)算速度；缺點(diǎn)相對(duì)于單獨(dú)的空域法和時(shí)域法，計(jì)算過程較復(fù)雜。(4)直接法是指將衛(wèi)星精密定軌和地球重力場(chǎng)反演合二為一，基于各種衛(wèi)星觀測(cè)值同時(shí)求解衛(wèi)星軌道、地面站坐標(biāo)、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)、海潮模型和地球重力場(chǎng)模型、以及其它動(dòng)力學(xué)和非動(dòng)力學(xué)參數(shù)，通過綜合衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)學(xué)、衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)、大地測(cè)量學(xué)、地球物理學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)建立的一種合乎自然規(guī)律的解算方法。優(yōu)點(diǎn)不依賴于任何先驗(yàn)的地球重力場(chǎng)模型，理論框架嚴(yán)密，各種地球重力場(chǎng)參數(shù)求解精度較高；缺點(diǎn)整體解算過程較復(fù)雜，需要高性能的并行計(jì)算機(jī)支持。為了滿足本世紀(jì)科學(xué)和國(guó)防對(duì)地球重力場(chǎng)精度進(jìn)一步提高的迫切需求，以及由于GOCE重力梯度衛(wèi)星的工作壽命預(yù)期于2014年前結(jié)束，因此目前國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)正積極開展更高精度的GOCE Follow-On衛(wèi)星重力梯度測(cè)量計(jì)劃的需求分析和載荷研制。由于現(xiàn)有衛(wèi)星重力梯度反演法的計(jì)算過程較復(fù)雜和計(jì)算速度較慢，因此，本專利技術(shù)首次建立了衛(wèi)星重力梯度儀的重力梯度張量誤差和GPS/GL0NASS復(fù)合接收機(jī)的軌道位置誤差影響累計(jì)大地水準(zhǔn)面精度的單獨(dú)和聯(lián)合半解析誤差模型，進(jìn)而精確和快速地開展了 GOCE Follow-On重力梯度衛(wèi)星的需求論證研究。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為了解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)提供了一種，包含以下步驟 步驟1，通過星載重力梯度儀采集衛(wèi)星重力梯度測(cè)量數(shù)據(jù)SVxyz，基于星載GPS/GL0NASS復(fù)合接收機(jī)采集衛(wèi)星軌道位置測(cè)量數(shù)據(jù)δ Γ ；步驟2，建立衛(wèi)星重力梯度的信號(hào)功率譜分析模型，并對(duì)所采集的衛(wèi)星重力梯度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)功率譜敏感度分析；步驟3，通過衛(wèi)星重力梯度張量誤差的功率譜分析和衛(wèi)星軌道位置誤差的功率譜分析建立衛(wèi)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(wèi)星重力梯度儀的重力梯度張量誤差對(duì)累計(jì)大地水準(zhǔn)面精度的影響建立衛(wèi)星重力梯度張量的半解析誤差模型；步驟3. 2，通過GPS/GL0NASS復(fù)合接收機(jī)的軌道位置誤差對(duì)累計(jì)大地水準(zhǔn)面精度的影響建立衛(wèi)星軌道位置的半解析誤差模型；步驟3. 3，通過衛(wèi)星重力梯度張量的半解析誤差模型和衛(wèi)星軌道位置的半解析誤差模型，建立衛(wèi)星重力梯度和軌道位置的聯(lián)合半解析誤差模型，以此作為衛(wèi)星重力梯度反演半解析誤差模型；步驟4，使用所述衛(wèi)星重力梯度反演半解析誤差模型，以及采集得到的衛(wèi)星重力梯度測(cè)量數(shù)據(jù)S Vxyz和衛(wèi)星軌道位置測(cè)量數(shù)據(jù)Sr反演累計(jì)大地水準(zhǔn)面誤差。本專利技術(shù)還提供了一種對(duì)中所使用的衛(wèi)星重力梯度反演半解析誤差模型進(jìn)行驗(yàn)證的方法，包括如下步驟步驟5，使用所述衛(wèi)星重力梯度反演半解析誤差模型確定300階GOCE地球重力場(chǎng)精度，并通過與國(guó)際公布的G0_C0NS_GCF_2_HM_R2地球重力場(chǎng)模型精度對(duì)比，驗(yàn)證所述衛(wèi)星重力梯度反演半解析誤差模型的準(zhǔn)確性。本專利技術(shù)還提供了一種使用來(lái)確定GOCE Follow-On重力梯度衛(wèi)星參數(shù)需求的方法,包括如下步驟步驟6，根據(jù)地球科學(xué)各相關(guān)學(xué)科需求確定所需的地球重力場(chǎng)反演精度；通過所述衛(wèi)星重力梯度反演半解析誤差模型，依據(jù)地球重力場(chǎng)需求精度對(duì)GOCEFollow-On重力梯度衛(wèi)星的關(guān)鍵載荷精度指標(biāo)和軌道參數(shù)進(jìn)行需求分析。本專利技術(shù)取得了以下技術(shù)效果建立衛(wèi)星重力梯度儀的重力梯度張量誤差和GPS/GL0NASS復(fù)合接收機(jī)的軌道位置誤差影響累計(jì)大地水準(zhǔn)面精度的單獨(dú)和聯(lián)合半解析誤差模型，進(jìn)而精確和快速反演GOCEFollow-On地球重力場(chǎng)。其優(yōu)點(diǎn)是I)衛(wèi)星重力梯度反演精度高；2)地球重力場(chǎng)解算速度快；3)衛(wèi)星觀測(cè)方程物理含義明確；4)較大程度簡(jiǎn)化了計(jì)算過程；5)易于開展重力梯度衛(wèi)星系統(tǒng)需求分析。附圖說(shuō)明·圖1表示衛(wèi)星重力梯度張量功率譜的敏感度系數(shù)表。圖2表示衛(wèi)星重力梯度張量的敏感度系數(shù)|Aab|海階)。圖3表示衛(wèi)星重力梯度張量的信號(hào)幅度譜(每階)。圖4表示基于GOCE關(guān)鍵載荷匹配精度指標(biāo)分別估計(jì)累計(jì)大地水準(zhǔn)面精度。圖5表示基于不同衛(wèi)星重力梯度測(cè)量精度估計(jì)累計(jì)大地水準(zhǔn)面精度。圖6表示基于不同衛(wèi)星軌道位置測(cè)量精度估計(jì)累計(jì)大地水準(zhǔn)面精度。圖7表示基于不同衛(wèi)星軌道高度估計(jì)累計(jì)大地水準(zhǔn)面精度。具體實(shí)施例方式為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實(shí)施本專利技術(shù)，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對(duì)本專利技術(shù)作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。包含下列步驟步驟一重力梯度衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集( I)通過重力梯度衛(wèi)星的星載重力梯度儀采集衛(wèi)星重力梯度測(cè)量數(shù)據(jù)δ Vxyz ；(2)基于重力梯度衛(wèi)星的星載GPS/GL0NASS復(fù)合接收機(jī)采集衛(wèi)星軌道位置測(cè)量數(shù)據(jù)Sr。步驟二 建立衛(wèi)星重力梯度張量的信號(hào)功率譜分析模型在球坐標(biāo)系中，地球引力位按球諧函數(shù)展開的表達(dá)式為 CjM R , --- 本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于功率譜半解析的衛(wèi)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(wèi)星重力梯度測(cè)量數(shù)據(jù)δVxyz，基于星載GPS/GLONASS復(fù)合接收機(jī)采集衛(wèi)星軌道位置測(cè)量數(shù)據(jù)δr；步驟2，建立衛(wèi)星重力梯度的信號(hào)功率譜分析模型，并對(duì)所采集的衛(wèi)星重力梯度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)功率譜敏感度分析；步驟3，通過衛(wèi)星重力梯度張量誤差的功率譜分析和衛(wèi)星軌道位置誤差的功率譜分析建立衛(wèi)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(wèi)星重力梯度儀的重力梯度張量誤差對(duì)累計(jì)大地水準(zhǔn)面精度的影響建立衛(wèi)星重力梯度張量的半解析誤差模型；步驟3.2，通過GPS/GLONASS復(fù)合接收機(jī)的軌道位置誤差對(duì)累計(jì)大地水準(zhǔn)面精度的影響建立衛(wèi)星軌道位置的半解析誤差模型；步驟3.3，通過衛(wèi)星重力梯度張量的半解析誤差模型和衛(wèi)星軌道位置的半解析誤差模型，建立衛(wèi)星重力梯度和軌道位置的聯(lián)合半解析誤差模型，以此作為衛(wèi)星重力梯度反演半解析誤差模型；步驟4，使用所述衛(wèi)星重力梯度反演半解析誤差模型，以及采集得到的衛(wèi)星重力梯度測(cè)量數(shù)據(jù)δVxyz和衛(wèi)星軌道位置測(cè)量數(shù)據(jù)δr反演累計(jì)大地水準(zhǔn)面誤差。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：不公告發(fā)明人，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：