基于GRACE卫星重力测量资料监测中国大陆及邻区陆地水储量变化

利用GRACE卫星重力测量数据反演了2003年1月至2007年12月的中国大陆及周边地区陆地水储量的月变化,并结合CPC陆地水文模型进行了比较分析。结果表明,GRACE可有效监测到陆地水储量的周年变化与季节性变化,且GRACE反演的水储量变化与CPC水文模型符合得较好,两者周年振幅和相位分别为（3.4cm,257°）和（4.5cm,267°）。     

基于Cryosat-2数据的南海2'×2'重力异常计算与分析

利用Cryosat-2数据计算南海高空间分辨率高精度重力异常,对Cryosat-2 level 2 SIR_GDR-2A数据进行轨迹分析和交叉点分析。基于测高数据集(第1~4周期),借助加权最小范数最小二乘解计算网格剩余垂线偏差分量,然后计算中国南海海域(4°~24°,105°~120°)2'×2'重力异常。结果表明,Cryosat-2数据轨迹密度高且分布均匀规则,交叉点不符值均方根值为15.9 cm,略高于同步时间段的Jason-2 GDR数据。与船测重力相比,中国南海海域(4°~24°,105°~120°)2'×2'重力异常误差为4.5×10-5m·s-2。     

GRACE时变重力信号反演方法研究的进展和展望

为了解决GRACE时变重力研究全球或区域质量迁移中信号失真问题,学者们多采用信号反演方法,以恢复地表真实质量迁移信息．时变重力信号反演是卫星时变重力研究中最核心的关键技术之一．然而,目前反演方法众多,如单一尺度因子法、变尺度因子法、Forward Modeling、频率域反演方法、空间域最小二乘反演法等,它们之间的共性、差异性及适用性尚不十分清晰,是有待解决的重要科学与技术问题．为此总结了常用的GRACE重力信号反演方法研究的进展与现状,讨论了目前存在的问题,对比了不同反演方法的优缺点、应用领域差异,提供了反演方法选择的思路,并展望了未来重力卫星发展趋势,为卫星时变重力应用研究提供科学参考和依据．     

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。     

基于Cryosat2与船载重力测量数据反演我国近海海域重力异常

基于Cryosat-2三年半的卫星测高GDR(geophysical data records)数据,使用海面高梯度,依据最小二乘配置方法得到了南海部分海域垂线偏差格网,结合移去-恢复技术采用逆Vening-Meinesz的球面一维傅里叶变换算法快速计算我国近海海域测高重力异常CASM_GRA.与船载重力测量数据融合后,重力场精度在2.75~5.38mgal之间,平均偏差在-0.21~0.45mgal之间.与DTU13重力场模型相比,平均值最大改进为12.98mgal,标准差最大降幅近3.40mgal.与Sandwell V23.1模型相比,平均值最大改进为13.58 mgal,标准差最大降幅为1.09mgal.     

联合测高重力异常与ETOPO5海深数据求解南海海深模型

利用卫星测高重力异常,基于非补偿板块模型,反演了南海海域海底地形.考虑向下延拓容易导致的高频分量剧烈震荡,引入统计学中的统计相关理论,采用线性回归模型,对得到的海深模型进行了新的计算,反演结果与LDEO船测深数据相比较,两者之差的RMS为253.3m,较ETOPO5海深模型精度和分辨率均有明显的提高.     

两种不同深度的海底地形反演精度对比研究

不同深度海域的海底地形反演精度不尽相同,而反演精度的高低决定了反演方法的适用范围.首先在远海选取深浅不同的海域作为研究对象,对两区域的测高重力数据与船测水深数据进行线性回归分析和Pearson相关性分析,然后计算两区域的重力异常和海深数据的相关系数,最后采用重力地质法对两区域海底地形反演,并评估精度.结果表明:在距离海岸和岛屿较远的海域,浅海和深海区的重力异常与海底地形近似线性相关且相关性相同,两区域海底地形反演精度相近.这说明在距离海岸和岛屿较远的海域,基于重力地质法的海底地形反演精度受海水深度的变化影响较小.     

利用重力卫星监测尼泊尔Ms8.1地震前后重力变化

利用重力恢复与气候实验(Gravity Recovery and Climate Explorer, GRACE)卫星时变重力场数据获取尼泊尔地震震源区周缘震前震后重力变化。根据地震发生前后震源区及周边重力变化的时空分布特征,探求地震孕震机制及地表物质迁移情况,详细分析了震前5年和震后2年年际变化和季度变化,并提取了5个重力变化显著的特征点和震中点进行时间序列分析。结果表明：正负重力变化信号以震中为中心呈现出明显的出四象限分布特征,同时地震通常发生在重力变化的零值线处。通过对5个特征点及震中点重力变化时间序列的分析发现：每个点在震后1-2个月内均出现了较大的跃迁现象,其振幅有所不同,这可能是震后地球内部物质均衡调整造成的。     

联合重力卫星数据及气候水文模型监测西南地区陆地水储量变化

利用GRACE重力卫星观测数据和GLDAS水文模型资料反演我国西南地区陆地水储量变化,并结合该区域月平均降水资料进行分析。结果表明,GRACE重力卫星观测数据和GLDAS水文模型资料反演的西南地区陆地水储量变化相关系数为0.95,平均偏差为0.58 cm,具有良好的相关性;陆地水储量变化呈总体逐渐增加的趋势,受降雨量变化影响明显,且在时间上相对降雨量变化具有延迟性,与降水量变化的总体趋势一致,并具有显著的季节性变化特性,尤其是周年变化明显。     

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．     

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。     

基于卫星测高技术的浙江近海平均海面高模型建立

利用Jason-2卫星与SARAL/Alti Ka卫星的Waveform数据,研究一种新的测高数据粗差剔除方法,即剔除不在预定轨迹的海面高后,参考拟合各Pass每个Cycle的海面高值,对测高数据分段剔除粗差,以提高近海卫星数据的可用性;经过交叉点平差,进一步削弱径向轨道误差和海平面时变信号;采用"移去-恢复"法得到较高精度的离散海面高;采用径向基函数法格网化离散海面高,建立2.5'×2.5'格网分辨率的平均海面高模型;将所得模型与验潮站提供的海面高比较,均方根为±0.017 m,与MSS-CNES-CLS11比较,标准差为±0.070 m。研究结果表明,采用本文方法建立的浙江近海平均海面高模型精度可靠。     

2013年度执行情况报告

高程基准作为国家重要基础设施,其现代化的核心是用数字化高程基准模型,取代用高程控制水准网作为国家高程基准的传统模式,以及实现用卫星定位技术测定海拔高,满足我国社会经济快速发展对国家高程基准现代化的迫切需求。项目针对我国高程基准现代化的需求,紧紧围绕课题的八个任务进行研究:GRACE和GOCE重力卫星数据产品的预处理、全球近海区域卫星测高数据处理、重力场调和分析理论与超高阶全球重力场模型的构建、多类重力场信息融合处理理论与高分辨率格网垂线偏差的精密确定方法、高分辨率高精度全球海面高模型的构建、我国厘米级(似)大地水准面模型的构建、全球高程基准与我国高程基准差的确定、陆海高程/深度基准统一计算方法展开研究。在课题实施的第一年度,完成的研究内容成果包括:确定了更适合我国的2160阶次的超高阶地球重力场模型;初步开展了重力垂线偏差方法的研究,提出了基于重力异常和地形的现代重力边值问题实用解式的改进模型;基于GOCE观测数据确定了一个与国际同类模型精度相当的220阶次的卫星重力模型GOWHU01S;分析了近海测高数据的误差,制定了测高数据编辑准则;确定了2′×2′中国近海及邻海海域平均海平面高模型,精度与国际同类模型相当;采用Stokes-Helmert方法确定了2′×2′中国重力和1985国家高程基准似大地水准面数值模型(CNGG2011),模型全国的精度为12.6 cm;在GRS80框架下,计算了与全球平均海面最佳弥合的大地水准面位常数为,为全球高程基准统一奠定了基础;对陆海高程基准统一方法开展了研究,搜集到了陆海高程/深度基准所需的验潮站等观测资料。此外,项目组成员发表了论文11篇,指导毕业研究生9人,完成年课题第一年度的研究任务与目标。     

利用重力卫星探测近16年中国大陆地区陆地水储量长期变化趋势

为了更全面地分析区域陆地水储量长期变化趋势,利用2002年4月—2017年6月近16年的重力恢复与气候实验(gravity recovey and climate explorer, GRACE)时变重力场数据反演中国大陆地区陆地水储量变化,并与全球陆地资料同化系统(global land data assimilation system, GLDAS)水文模型结果进行比较分析。同时,通过扣除季节性信号研究近16年来中国大陆地区陆地水储量的异常变化。研究结果表明:在2002—2017年间,中国大陆地区北方以减少为主,而南方以增加为主,其中青藏高原南部、新疆北部和华北地区减少趋势最为显著,并呈现出加速趋势。GRACE时变重力场和GLDAS模型得到的关于加速度项时空分布基本相符,加速度项与长期趋势项的结合更好地反演区域陆地水储量变化。     

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°.     

云南流动重力测网数据质量及场源分辨能力评估

首先对云南流动重力测网2018～2020年陆地时变重力数据进行精细化处理,基于测期准同步的绝对重力数据,引入贝叶斯重力平差方法对多台CG-5型相对重力仪的格值系数进行优化估计,同时获取了多台仪器的非线性漂移特征;其次,利用重力段差、段差残差及互差相关性分析来评估数据质量,开展绝对重力交叉检验,量化了仪器漂移率变化及格值系数不准引起的误差;最后,在设定场源异常体参数情况下,采用球面六面体单元构建不同分辨率的重力异常扰动模型进行检测板测试,并通过等效源反演方法对场源体进行恢复,进而评估了测网的场源分辨能力．结果表明:贝叶斯平差方法能有效降低CG-5型相对重力仪的非线性漂移及格值系数偏差带来的不确定性,进而提高平差数据精度;测网在主要块体边界带及断裂附近的场源分辨能力以0.50°×0.50°为主,而在测点密集的小江断裂带、红河断裂带北段等区域,其场源分辨能力达0.25°×0.25°．研究结果能提供高精度的陆地时变重力数据,优化测网布局,且有助于更好地研究地震重力监测、地壳垂直运动、地下水变化和地球内部物质运移等地球物理学问题．     

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.     

MEMS重力仪温度、倾斜和气压扰动影响机制及其抑制方法研究

从理论上分析了温度、倾斜、气压效应对微机电系统(MEMS)重力仪的影响机制,以5μGal的零偏稳定性为目标量化环境扰动控制需求,并分别提出三层主动温度控制、机械调平和数据补偿及真空腔封装方案抑制温度、倾斜及气压效应影响.实验结果表明：24 h内重力敏感单元温度波动小于1.6 mK,测温电路漂移0.08 mK,两轴倾斜角度均小于±0.07 mrad,气压波动变化小于0.3 mPa.MEMS重力仪敏感探头集成环境抑制系统后静态本底噪声在1 Hz处为1μGal·Hz^-1/2,是国际精度最高的MEMS相对重力仪之一.     

基于武汉超导数据的非潮汐信息信号提取方法研究

随着超导重力仪观测精度的提高,重力潮汐信号中非潮汐信号的提取更为方便.对武汉国际重力潮汐基准台GWR-C032型超导重力仪记录的1998年1～6月的重力潮汐数据,采用傅里叶变换、别尔采夫滤波和日均值3种方法提取重力非潮汐信号,提取的非潮汐信号幅值变化分别为-38～+37,-46～+43,-50～+48 nm/s~2,幅值变化范围均小于10μGal,并在此基础上对3种方法所提取的结果在频率域内进行功率谱分析,其分析结果与时间域分析结果一致.     

南极埃默里冰架"松动牙齿"冰裂缝内冰雪填充物监测

冰架裂缝的冰雪填充物（Mélange）分布和变化受冰架变化的影响，同时会影响冰架的稳定性．2019年9月25日，东南极埃默里冰架“松动牙齿”裂缝系统发生崩解，形成了面积>1 600 km2的冰山，裂缝内的填充物出现部分流失．采用Landsat-8卫星光学数据和哨兵1号卫星SAR影响数据，结合CryoSat-2卫星测高数据和南极参考高程模型计划（REMA) 8 m分辨率DEM产品，对埃默里冰架“松动牙齿”裂缝L1、T1、T2的填充物表面形态特征及其变化进行了定量评估．结果显示:T1裂缝填充物的高程平均高于T2裂缝，表面起伏变化更明显；2016—2018年L1裂缝系统填充物高程逐年降低；在诸多影响因素中，冰流缝合区的存在对填充物冰厚度的影响不容忽视；裂缝中填充物的存在很可能促进裂缝的延伸发育．