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。     

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。     

基于天琴一号观测数据反演地球重力场模型

天琴一号卫星搭载了静电悬浮加速度计、GNSS接收机和星象仪,可实现地球重力场探测的高低卫星跟踪卫星技术．这里利用自主研制的动力法反演软件,采用天琴一号(TQ-1:Tianqin-1)30 h观测数据反演了截断至15阶次的静态地球重力场模型,计算结果表明:TQ-1卫星数据反演的地球重力场模型在15阶次内的信噪比均大于1,说明利用TQ-1数据具备实现15阶次地球重力场的反演能力;通过与包含8 a高低卫星跟踪卫星观测信息的AIUB-CHAMP03S模型对比可知,利用TQ-1卫星数据反演的地球重力场模型位系数误差整体优于10^-8量级;通过与包含13 a低低卫星跟踪卫星观测信息的HUST-Grace2016s模型对比可知,利用TQ-1卫星数据反演的地球重力场模型可获取全球格网重力异常和全球格网大地水准面信息,二者空间分布特征较为一致．计算结果为采用我国自主研发的高低卫星跟踪卫星技术获得的首个地球重力场模型,表明我国具备了采用该技术获取地球重力场模型的能力,可为发展我国自主研发的重力卫星提供重要技术参考．     

地球卫星重力场模型及其应用研究进展

本文在简述地球重力场模型发展历程的基础上,对地球卫星重力场模型及其应用的研究进展进行综述。第一,回顾了卫星重力测量技术的发展历程,并对CHAMP、GRACE、GOCE和GRACE-FO任务进行了详细介绍。第二,阐述了目前主要的卫星重力反演方法及其改进现状。第三,介绍了目前国际上主要机构反演的地球卫星重力模型,并分别对CHAMP-Only、GRACE-Only和GOCE-Only的系列模型进行对比分析。第四,综述了地球卫星时变重力场场模型的应用研究进展。第五,对钱学森空间技术实验室天空海一体化导航与探测团队在地球卫星重力场模型及其应用的研究进展进行了概述。最后,对未来地球卫星重力场模型研究进行了展望,提出了研究建议。     

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.     

高分辨率重力数据改进区域高阶重力场模型

研究如何从有限的数据改进现有的全球重力场模型,主要讨论了利用剪切法改进高阶模型．并利用中国及周边地区的高分辨率重力数据,求得一个720阶的全球重力场模型,经内外精度检核,它比初始模型更为符合局部的重力场．     

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。     

全球垂直基准网的建立方法

论述了联合多种数据建立全球垂直基准网的方法和意义，论证了联合卫星摄动重力场模型，地面重力数据，地面重力扰动，卫星测高数据建立全球垂直基准网的新方法，提出了采用视重力场参数为非随机量的确定性解法，用这种方法获得的全球垂直网的精度可望比靠海洋潮汐测量联接的全球“水准网”高一个量级。     

全球垂直基准网的建立方法

论述了联合多种数据建立全球垂直基准网的方法和意义，论证了联合卫星振动重力场模型、地面重力数据、地面重力扰动、卫星测高数据建立全球垂直基准网的新方法，提出了采用视重力场参数为非随机量的确定性解法．用这种方法获得的全球垂直网的精度可望比靠海洋潮汐测量联接的全球“水准网”高一个量级．     

卫星重力梯度精化局部重力场的径向基函数法

针对球谐函数方法构建全球重力场模型不能顾及重力场局部特征差异的问题,提出了一种基于卫星重力梯度数据精化局部重力场的径向基函数方法及数据处理方案．以北美地区为例,采用GOCE(地球重力场与静态海洋环流探测)卫星重力梯度数据和ITG-GRACE2010S模型法方程反演的全球重力场为背景模型,通过频域内定权的级联滤波方法抑制重力梯度低频系统误差和有色噪声,基于球面样条核函数和分区正则化策略构建了更符合区域特征的局部重力场模型．利用高精度的GOCO06S模型和GPS(全球定位系统)水准数据进行检核,结果表明:构建的局部重力场模型比同期数据解算的全球重力场模型精度更高,并且新版GOCE数据的解算精度明显优于旧版．     

同波束VLBI在采样返回式多目标探测器精密测轨测位中的应用

同波束VLBI即用射电望远镜的主波束同时观测角距很小的两个探测器发出的巧妙配置的多频点信标,据此得到两探测器在两个测站间的误差为皮秒量级的差分相位时延．在月球卫星SELENE的两个小卫星Rstar和Vstar的测定轨中,利用40多分钟的同波束VLBI和测速测距数据数小时的短弧定轨精度已显著提高,而一年多的定轨结果表明弧长数天的长弧定轨精度已达10m左右,充分证明了同波束VLBI在多目标卫星精密测定轨中的作用．本文在介绍SELENE同波束VLBI观测、多普勒数据处理和定轨结果的基础上,以用于月球采样返回探测任务中的多目标探测器如轨道器、着陆器和返回器为例,给出各探测器搭载电波源的信标设计方案及设计原则,并分析S频段多频点同波束VLBI技术在轨道器和着陆器绕月飞行、着陆器月球软着陆、着陆器月球采样、返回器从月面上升、返回器多次变轨、特别是轨道器和返回器交会对接等各个测控段的高精度测定轨或测定位及月球重力场探测中的应用．     

卫星轨道摄动与地球重力场之间的关系

本文描述了地球重力场对卫星的非球形摄动影响的基本原理,以高轨道GPS卫星和低轨CHAMP卫星为例,给出了数值计算结果与分析.     

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°.     

地球重力模型及中国大陆重力场的计算

融多颗卫星数据、地面重力值和其它资料一起的地球重力模型EGM96,为研究中国大陆的重力场及相关问题提供了一个高精度360阶的球谐系数。在分析EGM96的基础上,计算并简单解释了中国大陆的自由空气异常和布格重力异常。计算所得重力场的精度和分辨率大大高于常用的1：1400000自由空气异常图及布格重力图。     

嫦娥一号绕月卫星对月球重力场模型的优化

月球重力场是揭示月球内部结构和物质组成的重要信息,探测月球重力场仍然是绕月探测任务中的重要科学目标之一．在已有月球重力场模型基础上,利用嫦娥一号探测数据,并结合“月女神”一号探测器、月球勘察者（LP）及早期月球探测器轨道跟踪数据,本文解算得到了高精度月球重力场模型CEGM02（100阶次）,在CEGM01月球重力场模型基础上对模型进行了优化．对新模型的分析结果表明,嫦娥一号卫星轨道跟踪数据的融入,使得对月球重力场长波长部分的解算精度有显著提高,相比于SGMl00h模型在5阶以内精度提高约2倍,在10阶以内有明显贡献,在20阶内都有贡献．初步判断这是由于嫦娥一号卫星轨道动量轮卸载的频度不足“月女神”的1／4,而同时轨道相对较高所导致．文中结合CEGM02和激光测月观测结果解算了月球平均转动惯量0．393446（±0．000006）,对月球内部构造研究提供了更强的约束．     

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.     

GRAIL月球重力场模型对嫦娥卫星定轨精度的改进

从阶方差以及大地水准面自由空气重力异常两个方面分析了"重力恢复与内部实验室"(Gravity Recovery and Interior Laboratory,GRAIL)月球重力场420阶模型(GL0420A)的特点,并通过与月球勘探者(Lunar Prospector,LP)重力场165阶模型(LP165P)分析结果比较发现,该重力场极大地提高了月球重力场的阶数及误差精度,在全月面都有明显的重力异常正负交替现象.本文使用GL0420A重力场对"嫦娥"系列探测器的绕月测轨数据进行轨道解算,对比LP165P重力场模型解算结果,在定轨弧段内有10m量级的精度提升,可将该重力场用于高精度的月球探测器精密定轨.     

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。     

应用卫卫跟踪数据恢复地球重力场的模拟分析

探讨了应用卫卫跟踪(SST)卫星星历、星间距离和星间距离变率数据来恢复地球重力场的数学模型和算法,利用卫星动力学法恢复了直到40阶的地球重力场模型.结果表明:在仅模拟5 cm轨道误差、10μm星间距离误差及1μm.s-1星间距离变率误差的情况下,采用星间距离恢复的结果比采用星间距离变率恢复的结果精度要高,说明SST距离测量比SST距离变率测量对重力场的扰动更敏感.     

基于滤波因子的病态方程解法

给出了基于滤波因子解算病态方程的谱分解公式，在均方误差最小的准则下，导出了滤波因子的计算公式并用该公式模拟计算了CHAMP卫星（德国2000年发射的重力卫星）5天数据恢复的重力场模型系数．结果表明公式明显改善了45阶次以上部分的位系数精度．