基于激光测距的卫星重力反演方法

<正>1研究背景及意义高精度高时空分辨率地球重力场模型的确定历来是大地测量学及相关地球学科的重要研究课题之一,它在大地水准面精化、全球高程基准统一、全球气候变化、军事航天等方面发挥着巨大作用(宁津生和罗志才,2000;许厚泽等,2012;Rummel et al,2002;李建成等,2003)。重力探测方式经历了从传统的地面重力测量、航空重力测量、地面跟踪卫星轨道摄动、卫星测高一直到目前的卫星重力测量。本世纪发射成功的专用     

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。     

由测高大地水准面密合平面拟合法确定垂线偏差

提出了一种利用卫星测高资料计算海洋垂线偏差的新方法,用以提高由卫星测高资料解算海洋垂线偏差和重力异常的分辨率.首先,从卫星测高平均海平面高数据中扣除海面地形的影响,得到测高大地水准面,再将数据换算到由参考椭球的密切平面和参考椭球法线组成的直角坐标系中.然后,根据最小二乘原理拟合网格区域内大地水准面的密合平面,进而确定出该区域垂线偏差东西分量和南北分量的平均值.最后,通过在南海区域的仿真试验分析,方法计算的垂线偏差东西分量和南北分量的精度分别为±0.89"和±0.84",与其他方法计算的精度相当.     

基于卫星测高的孟加拉湾海洋时变重力研究

针对GRACE卫星仅能探测到大空间尺度的重力变化,提出利用卫星测高数据反演高空间分辨率的海洋时变重力.首先将CryoSat-2卫星测高数据按月分组,基于每组海面高数据计算沿轨剩余大地水准面梯度和格网剩余垂线偏差,然后利用逆Vening-Meinesz公式反演月重力异常,最后基于全部月重力异常数据计算格网大小为3′的CryoSat-2时变重力.以孟加拉湾及其周边海域为例,在2011年2月—2020年4月间,CryoSat-2时变重力的周年振幅和周年相位分别为(0.10±0.03)μGal和98.84°±0.43°,同期GRACE数据的周年振幅和周年相位分别为(0.66±0.05)μGal和93.52°±0.08°,两者的周年信号基本一致;CryoSat-2和GRACE时变重力的线性趋势分别为(0.02±0.01)和(0.09±0.01)μGal/a,均表现为增长.结果表明：3′×3′格网的CryoSat-2时变重力能够反映出研究海域重力变化的季节性信号和长期趋势,验证了利用卫星测高数据反演高空间分辨率海洋时变重力的可行性.     

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．     

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．     

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。     

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.     

区域似大地水准面精化及水利工程应用前景

为了从由GPS观测的高程信息中获得GPS观测点的正常高,利用某区域平均分辨率优于5.0′×5.0′的重力数据和GPS/水准数据,EGM96全球重力场模型以及该区域30″×30″数字高程模型并采用移去-恢复技术计算了该区域2.5′×2.5′分辨率似大地水准面模型.该模型内、外符合精度均优于0.060 m,与GPS观测数据相结合可以得到四等及四等以下几何水准精度要求的正常高,真正实现GPS技术在几何和物理意义上的三维定位功能.最后对似大地水准面在水利工程中的应用前景进行了展望,认为GPS平面与高程一体工程控制网为水利工程水准施测困难区域高程测量提供了新的途径.     

基于验潮数据的全球平均海面高模型精度分析

高精度高分辨率的全球平均海面高模型的建立一直是海洋测绘的研究重点。目前大部分的全球平均海面高模型在大洋区域均达到了较高的精度,而近海卫星测高回波受复杂地理环境的综合影响,数据精度大大降低甚至无法使用。对WHU2013、DTU13和CLS15(MSS_CNES_CLS15)三种全球平均海面高模型进行比较,分析差异原因。并从全球选取89个验潮站,利用GPS观测统一验潮数据基准。通过参考椭球和参考框架转换,将三种模型海面高与验潮站得到的海面高在同一基准下进行比较,分析了三种全球平均海面高模型在全球范围内的近海精度。结果表明,WHU2013模型的近海精度高于DTU13和CLS15模型,CLS15模型的近海精度略高于DTU13模型。     

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。     

长距离高精度GPS跨障碍高程传递的进一步研究

基于垂线偏差与高程基准无关的性质,由GPS水准实施垂线偏差的低通滤波,并精确估计其二次变化率,最终实现无重力数据的长距离、高精度跨障碍高程传递.对新方法的滤波及拟合过程进行数值分析,并将其截断误差转换为频域表达形式,再通过球谐函数建立代表误差与重力场阶方差的关系式.考虑到局部重力场的高频甚高频差异,根据GraaffHunfer经验公式和不同地形类别的代表误差统计值,将Tscherning-Rapp模型改造为区域阶方差模型,以精确估计具体地形条件下的代表误差.杭州湾大桥跨海高程控制测量的实验结果与模拟分析一致:31 km跨海高程传递成果与独立的一等几何水准比较,最大较差19mm,优于二等几何水准精度.     

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.     

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。     

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．     

基于EGM2008区域似大地水准面精度分析

青海省绝大多数单位采用EGM96模型进行高程拟合,EGM2008全球重力场模型并未被采用。文中利用软件为载体,分别导入EGM96和EGM2008地球重力场模型,计算得到所选点位模型正常高,然后利用正常高和大地高间的关系,得到高程异常,进而求得似大地水准面精度,通过比较,EGM2008地球重力场模型所得区域似大地水准面的精度明显高于EGM96,具有一定的参考价值。     

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。     

基于积分方程正则化的重力异常超定问题解法

地球重力场的观测信息越来越丰富，求稳重力异常的超定模型将具有实用价值，据此给出了基于第一类Fredholm型积分方程离散型解法求解重力异常的超定模型，建立了地面重力、测高数据、重力梯度和垂线偏差求解重力异常的观测方程，并给出求解病态观测方程的正则化算法。     

珠峰测量: 一部测绘科技进步史

8848.86米!珠峰新高程 8848.86米!2020年12月8日,中国、尼泊尔两国向全世界正式宣布,珠穆朗玛峰的最新高程为8848.86米. 珠峰高程即珠峰海拔高,是峰顶到"大地水准面"的距离.地球表面地形起伏巨大,科学家们假设静止的海水面向大陆延伸,把地球包裹起来形成"大地水准面".然而,大地水准面无法直接测量,需要根据珠峰地区现势性强、分辨率高、数量庞大的重力数据、水准数据、地形数据和卫星定位数据综合计算得到.