低轨重力卫星现状及其重力场模型精度分析

文章介绍了低轨重力卫星探测理论及技术的发展,目前已经发射的低轨卫星CHAMP、GRACE、GOCE的状况,以及各重力卫星的搭载、主要探测应用目标。介绍了地球重力场模型的发展,并介绍了利用已有的低轨重力卫星数据反演的重力场模型,对部分低轨重力卫星所获取的重力场模型的精度进行了分析。我们认为低轨重力技术还有很大的发展空间,低轨重力卫星重力场模型高阶项的系数阶方差是逐渐增大的,其精度有限,低阶的位系数精度是比较可靠的。而在南北极地区,应用高阶次的球谐系数是可行的。     

月球重力场模型研究进展及展望

第一,整理了自人类开始探月以来所有和月球重力相关的探测卫星,以及自学者开始研究月球重力场以来所有重要的月球重力场模型。第二,根据探月跟踪模式的发展过程,详细介绍了各阶段跟踪模式的原理,并以示意图的形式展现,同时列举了各阶段跟踪模式下的重力场模型。第三,对月球重力场反演方法进行了介绍,主要包括短弧积分法和天体力学法。第四,对各个探月阶段具有代表性的重力场模型进行介绍,主要包括：8×4重力场模型、Lun60D、LP165P、SGM100i和GL0420,并进行了精度对比,发现最新一代模型精度比之前提高了4个数量级。第五,介绍了本团队在月球重力探索方向研究进展。第六,介绍了月球重力场模型在探究月球内部构造和卫星定轨方面的应用,并结合现代技术以及目前重力场反演的不足,提出以后可以改进的方案：应用重力梯度仪和获取月球表面真实重力数据。     

利用重力卫星数据恢复地球质量迁移方法的研究

利用卫星重力数据反演地球质量迁移一直是地球物理研究领域的重要课题。主要讨论了基于重力场球谐函数反演地球表面质量变化的基本理论,推导了反演模型的基本理论公式。利用GRACE月重力场数据对反演模型公式进行了试算;并将试算结果与CPC和GLDAS模型数据进行了比较。比较结果表明:该反演模型能很好地反映某区域水储量变化,具有较好的适用性和精确性。     

应用CHAMP卫星轨道和加速度数据恢复地球重力场

介绍了重力卫星CHAMP,GRACE,GOCE和利用卫星观测数据解算地球重力场的方法以及加速度数据的处理方法,探讨了基于能量守恒方法恢复地球重力场模型的原理.将基于能量守恒方法利用CHAMP卫星星历数据恢复的地球重力场模型与EGM 96重力场模型进行比较,结果验证了CHAMP卫星对地球中、长波重力场的敏感性,以及能量守恒方法恢复低阶地球重力场位系数的有效性.     

地球主惯性矩的精密确定及三轴分层地球自转动力学研究

该研究目标是利用重力场模型精确确定地球主惯性矩及其时变性,基于高精度地球主惯性矩建立三轴分层地球自转理论,更精确地描述地球自转状态,研究地球自转规律,特别是三轴分层地球自转及其对物质迁移的响应,揭示地球自转、物质迁移与全球变化、地球动力学事件和重大自然灾害的关联,为精化地球参考系、航天器高精度定位定向以及相关学科研究提供支持,揭示地球系统物质迁移动力学机理。根据任务计划安排及研究进展的实际情况,该年度取得的主要研究进展有:基于GRACE重力卫星观测数据,利用短弧长法成功解算出全球时变重力场模型(IGG-CAS系列模型),优于RL04模型,但比RL05略差;进一步完善了确定地球主惯性矩的理论模型,并利用重力场模型及时变重力场模型精确确定了地球主惯性矩及其时变性;建立了一组联合大气、海洋和陆地水模型(数据),显著改进了大气、海洋和陆地水对极移的激发作用;在地球极移激发中考虑了地球的频率依赖响应,计算结果表明,考虑了频率依赖响应和滞弹性之后可以更好地解释地球的极移激发。     

潜器水下重力匹配导航研究进展

由于水下重力匹配导航是提高潜器水下导航精度的重要手段,因此本文对海洋重力场、重力仪、重力梯度仪的研究进展进行综述。首先,总结了海洋重力场国内外研究进展,回顾了SS系列、KMS-DNSC-DTU系列全球重力场模型的发展历程;其次,重点介绍了重力仪/重力梯度仪种类、精度水平、国内外研究进展,列出了不同类型重力仪/重力梯度仪的代表型号;最后,简述了钱学森空间技术实验室天空海一体化导航与探测团队阶段性研究成果。     

小型化量子重力仪高精度重力测量

重力场是地球的一个基本物理场,它携带和反映了地球的诸多信息,对基础研究和实际应用都非常重要.由于地球重力场是随空间、时间变化的,需要可移动的高精度重力仪进行测量.量子重力仪是近年发展起来的一种基于原子干涉的新型高精度重力测量设备.和传统重力仪相比,量子重力仪具有更好的稳定性和准确性,可以精密地勘测地球的重力场分布.本文对量子重力仪的基本原理、实验及其应用进行了综述,主要包括国内外小型化量子重力仪方面的最新研究成果;介绍了小型化量子重力仪的基本原理、小型化量子仪核心单元(真空系统、光路系统、隔振系统和野外测量保障系统)的研制以及在重力比对、地震监测和重力场测绘等领域的应用.最后,本文介绍了量子重力仪的精度限制因素(拉曼相位噪声、振动噪声和探测噪声)以及在其他基础物理研究领域(万有引力常数测量和弱等效原理检验)的应用.量子重力仪作为量子传感器中较为成熟的技术,尤其在动态测量方面表现出明显的优势.未来,随着量子重力仪的不断发展,还可能在地球物理、资源探勘、惯性导航和太空重力观测等领域发挥重要作用.     

加速度计移植误差来源及对重力场建模影响分析

星载加速度计是低低卫星跟踪卫星技术探测地球重力场的核心载荷,由于加速度计载荷设计复杂且精细度要求高,GRACE和GRACE Follow-On等低低卫星跟踪卫星均存在仅有单加速度计工作的情况,为保障重力卫星任务顺利实施,须要在单加速度计观测条件下完成数据移植工作,现阶段尚无关于加速度计移植算法误差来源的研究.这里详细分析了移植算法的噪声来源,并评估了移植误差对重力场建模精度的影响.结果表明：移植误差主要来源于双星重复飞行的位置差异、姿态差异、时间延迟和卫星自身参数误差;当移植误差小于1×10^-9 m/s²时,地球重力场的反演精度与双加速度计同时工作时的反演精度差异较小,对应需求为双星重复飞行的位置差异小于1 000 m、姿态差异小于1°.     

重力场源正交分解的有关问题评注

通过给出重力场源正交分解定理的各种数学表示及其几何图示以及对其物理内涵的深入剖析,推及至对物理大地测量学反问题研究的相关进展、主要理论方法及存在的问题进行评注.着重分析了正交分解定理的具体实现、调和性场源的实际应用中的不确定性等问题.从场源正交分解在物理大地测量学与地球物理学结合中的作用角度,论证了如下结论:1.重力场源正交分解的存在性及可行性;2.Newton算子相当于一单通滤波器;3.任何形式的引力场源或扰动场源对外部重力场的贡献等效于调和性场源对外部场的贡献;4.外部重力场并非只能反演调和性场源;5.正交分解定理为外部场赋值提供了一种简单的赋值转换元素;6.正交分解为地球物理重力反演提供了一个重要约束.     

基于新一代GNSS-R星座海面测高原理提高水下惯性/重力组合导航精度研究进展

紧跟国际卫星测高反演和水下组合导航的最新热点,以满足中国迫切提出的科学和国防需求为导向,介绍了基于GNSS-R卫星海面测高原理提高水下惯性/重力组合导航精度研究进展。第一,介绍了GNSS-R测高精度研究进展、GNSS-R测高沿轨迹空间分辨率研究进展、GNSS-R反射点轨迹间空间分辨率研究进展、基于卫星测高反演海洋重力场研究进展、水下重力匹配导航研究进展等。第二,在GNSS-R海面测高方面,提出了新型大地水准面静态高程镜面反射点修正定位法、海洋潮汐时变高程镜面反射点修正定位法、法向投影镜面反射点修正定位法、GNSS-R星载下视天线接收信噪比模型构建法、GNSS-R星载下视天线可用镜面反射点筛选算法等,旨在提高卫星测高精度和空间分辨率;在水下重力匹配导航方面,提出了新型主成分加权平均归一化法、测地线周期性航向控制法、分层邻域阈值搜索法、先验递推迭代最小二乘误匹配修正法等,旨在提高水下重力匹配导航精度、匹配效率及可靠性。第三,预期提出新型二阶不动点时延提取法,旨在提高GNSS-R卫星海面测高精度;预期提出新型反射信号分解法,旨在提高GNSS-R卫星海面测高沿轨迹空间分辨率;预期提出新型海面粗糙度误差校正法,旨在提高GNSS-R卫星海面测高轨迹间空间分辨率;预期提出新型正则化稳健算法,旨在提高海洋重力场反演精度和空间分辨率;预期融合星载GNSS-R模拟测高数据、岸/空基GNSS-R验证测高数据等多源信息,联合几何配准收敛速度快和直接概率准则定位精度高的优点,构建新型几何配准-直接概率准则混合法,旨在提高水下惯性/重力组合导航精度和速度。     

重力卫星串联编队仿真分析

现有重力卫星任务存在时空分辨率不足、时空混频以及重力场信号各向异性等局限性.分别对重力卫星串联编队的轨道高度、轨道倾角、星间距离等指标进行仿真分析,就重力卫星串联编队星座模式对重力场时空分辨率的影响进行了数值分析.结果表明,卫星轨道高度的选择需要兼顾重力场信号衰减和卫星寿命等因素,以维持在300～400 km为优;轨道倾角选择应充分考虑极空白问题的影响,极空白区大小不宜超过6°;星间距离大于250 km时,重力场精度的提升并不明显,重力卫星串联编队星间距离设为50～100 km为优.重力卫星串联编队星座模式可同时有效提升地球重力场时空分辨率,实现时变重力场的各向同性探测.     

高分辨率地球重力场模型DQM

地球扰动位的球谐展开式表示是地球重力场模型应用最广泛的一种表示方法。目前通用的位系数模型的分辨率是0.5°，最高完全阶次为360。由于全球重力数据覆盖的密度和数据精度差别较大，所以已知的重力场模型的实际分辨率及其精度也因地区而异，故重力场模型的精化是一个漫长的过程，局部积分谱权综合法是改善已知重力场模型的有效而简便的方法。基于重力场模型OSU91A及EGM96，利用我国15′×15′及5′×5′重力异常，我们解算了更高阶次的地球重力场模型DQM99A、B、C、D四个模型，给出了精度比较分析结果。     

地球自转对地球重力场时变特征影响的理论研究

 精密和详细测定地球重力场及其时间变化,是目前卫星重力测量的主要课题.地极移动和日长变化导致地球引力位系数产生时变特性并引起重力的摄动.根据理论力学的基本概念,详细推导了由于地球自转引起的地球引力位系数变化、重力摄动和垂线偏差的表达式,并定量地研究了极移和日长变化对测站重力观测值的影响.同时基于EGM96地球引力位模型,给出了地球引力位系数C₂¹和S₂¹的理论公式.研究表明在高精度的空间大地测量中要顾及到地球自转变化引起的一系列效应.     

云南省重力基本网的设计及其精度状况的分析

地球重力场作为地球本身的一种特性,是大地测量重要的研究对象,而国家重力基准网提供重力测量基准和尺度,是一切重力测量的基础。高精度的国家重力基准网在研究地球重力场、空间技术、地球动力学、海洋开发、地质勘探、地震预报和国防建设等方面都发挥着重要的作用。通过对云南省重力基本网的设计,采用等权精度评定以及加权精度评定的方法对其进行精度分析,并分析2种精度评定的方法的使用范围。     

基于冷原子干涉的重力精密测量技术与应用

重力场是地球的一个基本物理场,它反映出地球的诸多信息,不仅可以用于探测地下的矿产、石油,还可以用于地球物理的动力学过程研究,如地震的探测等,对地球物理等领域的基础研究和实际应用有着重要意义,经过15年的潜心研究,浙江工业大学林强团队在冷原子干涉核心技术上取得重大突破,实现了地球重力场分布的精密勘测."基于冷原子干涉的重力精密测量技术与应用"项目成果,荣获2020年度浙江省技术发明奖一等奖.     

基于捷联惯导系统/差分全球定位系统的航空重力测量技术

地球重力场资源对促进大地测量学、空间科学、地球物理学、地球动力学、海洋学、资源勘探以及现代军事学的发展具有重要作用。在阐述了航空重力测量基本原理基础上,详细分析了基于捷联惯导系统的航空重力测量原理及其关键技术,以及我国航空重力测量技术发展的技术基础。     

经验模态分解滤波法用于时变重力场去噪研究

GRACE重力卫星的时变重力场数据在陆地水储量变化监测和分析中广泛应用,其应用效果与时变重力场滤波方法的特性息息相关,因此时变重力场滤波方法研究成为一个热点.引入经验模态分解滤波法,对时变重力场数据进行滤波处理,并与成熟的P3M6、Duan滤波法比较分析该方法的有效性.结果表明:经验模态分解滤波法结果的信噪比为3.14,而P3M6、Duan滤波法的结果信噪比分别为2.90和3.01,相比而言,经验模态分解滤波法有较好的保留真实信号能力.进一步将三种滤波方法用于研究亚马逊流域、密西西比河流域和长江流域的水储量变化,并与GLDAS反演的水储量变化结果比较,结果表明经验模态分解滤波法反演结果与GLDAS结果相关性最高,相关系数大于0.86,充分验证该方法的可靠性和有效性.     

基于多种位场数据及3D反演结果的综合解释方法

近期位场梯度数据在勘探地球物理观测数据解释中的作用日益增加,随着计算机等硬件设施的进步,处理大型数据能力的增强,重力数据3D反演方法也越来越多的应用到重力数据解释工作中。本文提出结合重力数据、梯度数据及重力数据3D反演结果的综合解释方法,并将此解释方法应用到虎林盆地观测数据、梯度数据及3D反演结果的综合解释工作中。本文首先讨论单个棱柱体的重力数据、梯度数据的计算方法以及重力数据3D反演方法;然后,编制了matlab程序计算重力数据、梯度张量数据并处理重力数据的3D反演;最后,根据计算的数据详细讨论了梯度九分量之间的关系及重力数据反演结果的数值特征,提出结合梯度九分量数据及重力数据3D反演方法联合解释方法。模型试算及解释结果表明重力梯度数据对进一步提高勘探地球物理观测数据的解释精度及确定埋深较浅的异常源位置及水平尺寸等信息起到重要的作用,将其与重力数据3D反演方法联合解释可更准确的刻画异常源的分布特征。最后经过此综合解释方法将虎林盆地划分为8个构造单元。     

K波段测距仪基带信号跟踪处理研究

为了精确解算星间距离及距离变化率,从而恢复地球重力场,介绍了一种在K波段测距系统中的基带信号跟踪处理方法,这种方法依据数字锁相理论,给出了环路的结构框图及KBR基带信号模型,同时给出了KBR基带信号跟踪环设计方法和仿真参数的具体确定,最后以图和表格的形式给出了Matlab仿真结果,结果表明这种方法能很好地跟踪重力卫星动态,精确地提取载波相位,可使得静态相位跟踪误差小于10^-4Hz,动态情况下能保持稳定跟踪,对恢复地球重力场有重要意义。     

基于卫星红外遥感的云顶高度反演算法综述

针对近年来利用卫星可见和红外波段遥感数据反演云顶高度的算法,对国内外研究进展和存在的问题进行综述。首先,主要介绍以红外窗区和CO_2吸收技术为主的红外波段反演算法;在此基础上,进一步介绍目前相关国家和地区的业务算法,对这些方法在实际应用中的优缺点予以评述,提出针对中国地区云顶高度反演的解决方案。将来,有发展前途的方法为基于红外分裂窗的查算表法,利用静止卫星的分裂窗数据及极轨卫星云廓线雷达数据,建立基于分裂窗亮温差和11μm通道亮温的云顶高度查算表,根据分裂窗亮温差和11μm亮温查表得到云顶高度。