专利名称：基于功率谱半解析的卫星重力梯度反演方法
技术领域：
本发明涉及卫星重力梯度学、大地测量学、空间科学、宇航学等交叉技术领域，特别是涉及一种基于功率谱原理精确建立卫星重力梯度反演半解析误差模型和开展GOCEFollow-On需求论证研究的方法。
背景技术：
卫星重力梯度测量(SGG)技术的实现是继美国全球定位系统(GPS)星座成功构建之后在大地测量领域的又一项创新和突破，被国际大地测量学界公认为是当前地球重力场探测研究中最高效、最经济和最有发展潜力的方法之一。欧空局(ESA)独立研制的GOCE重力梯度卫星已于2009年3月17日成功发射升空。GOCE采用近圆、极地和太阳同步低轨道，轨道倾角96. 5°，轨道离心率O. 001，轨道高度250km。为了最大程度减少空间环境扰动导致卫星姿态的变化，GOCE设计为严格对称的八角形棱柱体。GOCE卫星采用卫星跟踪卫星高低(SST-HL)和卫星重力梯度的结合模式，除基于高轨道的GPS/GL0NASS卫星对低轨道的GOCE卫星进行精密跟踪定位，利用定位于卫星质心处的重力梯度仪高精度测量卫星轨道高度处引力位的二阶导数，同时利用非保守力补偿技术(Drag-free)精密屏蔽作用于卫星体的大气阻力、太阳光压、地球辐射压、以及轨道高度和姿态控制力等。由于地球重力场信号随卫星轨道高度的增加而急剧衰减(Re/(Re+H))1+1，基于卫星跟踪卫星模式(SST)仅适合于精密确定地球中长波重力场，而卫星重力梯度测量是直接测定地球引力位的二次微分，其结果是将球谐系数放大了 I2倍，因此卫星重力梯度测量可抑制地球引力位随高度的衰减效应，进而高精度感测地球中短波重力场信号。目前国内外科研机构采用的卫星重力梯度反演法主要包括空域法、时域法、时空域混合法、直接法等。(I)空域法是指不直接处理空间位置相对不规则的卫星轨道采样点的观测值，而将卫星观测值归算到以卫星平均轨道高度为半径的球面上利用快速傅立叶变换(FFT)进行网格化处理，将问题转化为某类型边值问题的解。优点因网格点数固定从而方程维数一定，且可以利用FFT方法进行快速批量处理，因此极大地降低了计算量；缺点在进行网格化处理中作了不同程度的近似计算，且不能对色噪声进行处理。(2)时域法是指将卫星观测数据按时间序列处理，卫星星历值直接表示成引力位系数的函数，由最小二乘等方法直接反求引力位系数。优点直接对卫星观测数据进行处理，不需作任何近似，求解精度较高且能有效处理色噪声；缺点随着卫星观测数据的增多，观测方程数量剧增，极大地增加了计算量。(3)时空域混合法是指联合空域法的快速性和时域法的精确性反演地球重力场。优点在保证地球重力场解算精度的前提下，有效改善了计算速度；缺点相对于单独的空域法和时域法，计算过程较复杂。(4)直接法是指将卫星精密定轨和地球重力场反演合二为一，基于各种卫星观测值同时求解卫星轨道、地面站坐标、地球自转参数、海潮模型和地球重力场模型、以及其它动力学和非动力学参数，通过综合卫星运动学、卫星动力学、大地测量学、地球物理学等多学科的知识建立的一种合乎自然规律的解算方法。优点不依赖于任何先验的地球重力场模型，理论框架严密，各种地球重力场参数求解精度较高；缺点整体解算过程较复杂，需要高性能的并行计算机支持。为了满足本世纪科学和国防对地球重力场精度进一步提高的迫切需求，以及由于GOCE重力梯度卫星的工作寿命预期于2014年前结束，因此目前国内外科研机构正积极开展更高精度的GOCE Follow-On卫星重力梯度测量计划的需求分析和载荷研制。由于现有卫星重力梯度反演法的计算过程较复杂和计算速度较慢，因此，本发明首次建立了卫星重力梯度仪的重力梯度张量误差和GPS/GL0NASS复合接收机的轨道位置误差影响累计大地水准面精度的单独和联合半解析误差模型，进而精确和快速地开展了 GOCE Follow-On重力梯度卫星的需求论证研究。

发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于功率谱半解析的卫星重力梯度反演方法，包含以下步骤
步骤1，通过星载重力梯度仪采集卫星重力梯度测量数据SVxyz，基于星载GPS/GL0NASS复合接收机采集卫星轨道位置测量数据δ Γ ；步骤2，建立卫星重力梯度的信号功率谱分析模型，并对所采集的卫星重力梯度测量数据进行信号功率谱敏感度分析；步骤3，通过卫星重力梯度张量误差的功率谱分析和卫星轨道位置误差的功率谱分析建立卫星重力梯度反演半解析误差模型；其中，所述步骤3包括步骤3. 1，通过卫星重力梯度仪的重力梯度张量误差对累计大地水准面精度的影响建立卫星重力梯度张量的半解析误差模型；步骤3. 2，通过GPS/GL0NASS复合接收机的轨道位置误差对累计大地水准面精度的影响建立卫星轨道位置的半解析误差模型；步骤3. 3，通过卫星重力梯度张量的半解析误差模型和卫星轨道位置的半解析误差模型，建立卫星重力梯度和轨道位置的联合半解析误差模型，以此作为卫星重力梯度反演半解析误差模型；步骤4，使用所述卫星重力梯度反演半解析误差模型，以及采集得到的卫星重力梯度测量数据S Vxyz和卫星轨道位置测量数据Sr反演累计大地水准面误差。本发明还提供了一种对基于功率谱半解析的卫星重力梯度反演方法中所使用的卫星重力梯度反演半解析误差模型进行验证的方法，包括如下步骤步骤5，使用所述卫星重力梯度反演半解析误差模型确定300阶GOCE地球重力场精度，并通过与国际公布的G0_C0NS_GCF_2_HM_R2地球重力场模型精度对比，验证所述卫星重力梯度反演半解析误差模型的准确性。本发明还提供了一种使用基于功率谱半解析的卫星重力梯度反演方法来确定GOCE Follow-On重力梯度卫星参数需求的方法,包括如下步骤步骤6，根据地球科学各相关学科需求确定所需的地球重力场反演精度；通过所述卫星重力梯度反演半解析误差模型，依据地球重力场需求精度对GOCEFollow-On重力梯度卫星的关键载荷精度指标和轨道参数进行需求分析。本发明取得了以下技术效果建立卫星重力梯度仪的重力梯度张量误差和GPS/GL0NASS复合接收机的轨道位置误差影响累计大地水准面精度的单独和联合半解析误差模型，进而精确和快速反演GOCEFollow-On地球重力场。其优点是I)卫星重力梯度反演精度高；2)地球重力场解算速度快；3)卫星观测方程物理含义明确；4)较大程度简化了计算过程；5)易于开展重力梯度卫星系统需求分析。


·
图1表示卫星重力梯度张量功率谱的敏感度系数表。图2表示卫星重力梯度张量的敏感度系数|Aab|海阶)。图3表示卫星重力梯度张量的信号幅度谱(每阶)。图4表示基于GOCE关键载荷匹配精度指标分别估计累计大地水准面精度。图5表示基于不同卫星重力梯度测量精度估计累计大地水准面精度。图6表示基于不同卫星轨道位置测量精度估计累计大地水准面精度。图7表示基于不同卫星轨道高度估计累计大地水准面精度。
具体实施例方式为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式
对本发明作进一步的详细描述。基于功率谱半解析的卫星重力梯度反演方法包含下列步骤步骤一重力梯度卫星数据采集( I)通过重力梯度卫星的星载重力梯度仪采集卫星重力梯度测量数据δ Vxyz ；(2)基于重力梯度卫星的星载GPS/GL0NASS复合接收机采集卫星轨道位置测量数据Sr。步骤二 建立卫星重力梯度张量的信号功率谱分析模型在球坐标系中，地球引力位按球谐函数展开的表达式为
CjM R , ---
^ Υ^{( 'hu cos/r/A + sin ml) P//)；(cos6^),、I ;
^ m=0其中，GM表示地球质量M和万有引力常数G之积，Re表示地球的平均半径，L表示地球引力位按球函数展开的最大阶数；r = Jx2+ /+Z2表示卫星的地心半径，X, y, z分别表示卫星位置矢量r在直角坐标系中的三个分量，Θ和λ表示地心余纟韦度和经度；
表示规格化的Legendre函数，I表示阶数，m表示次数Γ,和&表示待求的规格化引力位系数。球坐标系(r，θ，λ )和直角坐标系(X，y, ζ)的互换公式表示为，
权利要求
1.一种基于功率谱半解析的卫星重力梯度反演方法，其特征在于包含以下步骤步骤1，通过星载重力梯度仪采集卫星重力梯度测量数据S Vxyz，基于星载GPS/GL0NASS复合接收机采集卫星轨道位置测量数据δ Γ ；步骤2，建立卫星重力梯度的信号功率谱分析模型，并对所采集的卫星重力梯度测量数据进行信号功率谱敏感度分析；步骤3，通过卫星重力梯度张量误差的功率谱分析和卫星轨道位置误差的功率谱分析建立卫星重力梯度反演半解析误差模型；其中，所述步骤3包括步骤3. 1，通过卫星重力梯度仪的重力梯度张量误差对累计大地水准面精度的影响建立卫星重力梯度张量的半解析误差模型；步骤3. 2，通过GPS/GL0NASS复合接收机的轨道位置误差对累计大地水准面精度的影响建立卫星轨道位置的半解析误差模型；步骤3. 3，通过卫星重力梯度张量的半解析误差模型和卫星轨道位置的半解析误差模型，建立卫星重力梯度和轨道位置的联合半解析误差模型，以此作为卫星重力梯度反演半解析误差模型；步骤4，使用所述卫星重力梯度反演半解析误差模型，以及采集得到的卫星重力梯度测量数据S Vxyz和卫星轨道位置测量数据Sr反演累计大地水准面误差。
2.如权利要求1所述的基于功率谱半解析的卫星重力梯度反演方法，其特征在于所述步骤2为在球坐标系中，地球引力位按球谐函数展开的表达式为
3.如权利要求2所述的基于功率谱半解析的卫星重力梯度反演方法，其特征在于所述步骤3.1为基于公式(4)和(6)以及球函数的正交归一性，卫星重力梯度张量误差SVab的功率谱表示如下
4.如权利要求3所述的基于功率谱半解析的卫星重力梯度反演方法，其特征在于所述步骤4具体包括以下步骤步骤4. 1，首先确定网格分辨率为O. 1° X0. 1°，在地球表面的经度和纬度范围内绘制网格；步骤4. 2，按照重力梯度卫星轨道在地球表面的轨迹点位置依次加入重力梯度卫星关键载荷的总误差S η；步骤4. 3，将分布于地球表面的δ η平均归算于划分的网格点δ η(φ，λ)处；步骤4. 4,将δ η (φ , λ )按球谐函数展开为
5.如权利要求1-4所述的基于功率谱半解析的卫星重力梯度反演方法，其特征在于 所述重力梯度卫星为GOCE重力梯度卫星或者GOCE Follow-On重力梯度卫星。
6.一种对如权利要求1-5中任意一项所述的基于功率谱半解析的卫星重力梯度反演方法中所使用的卫星重力梯度反演半解析误差模型进行验证的方法，其特征在于还包括如下步骤步骤5，使用所述卫星重力梯度反演半解析误差模型确定300阶GOCE地球重力场精度， 并通过与国际公布的G0_C0NS_GCF_2_HM_R2地球重力场模型精度对比，验证所述卫星重力梯度反演半解析误差模型的准确性。
7.如权利要求6所述的对卫星重力梯度反演半解析误差模型进行验证的方法，其特征在于在所述步骤5中还包括，使用卫星重力梯度和卫星轨道位置的单独半解析误差模型计算GOCE卫星关键载荷匹配精度指标，将计算得到的该指标与欧空局GOCE-Level-1B实测精度指标进行对比，验证卫星重力梯度和卫星轨道位置的单独半解析误差模型。
8.一种使用如权利要求1-5中任意一项所述的基于功率谱半解析的卫星重力梯度反演方法来确定GOCE Follow-On重力梯度卫星参数需求的方法，其特征在于还包括如下步骤步骤6，根据地球科学各相关学科需求确定所需的地球重力场反演精度；通过所述卫星重力梯度反演半解析误差模型，依据地球重力场需求精度对GOCEFollow-On重力梯度卫星的关键载荷精度指标和轨道参数进行需求分析。
9.如权利要求8所述的确定GOCEFollow-On重力梯度卫星参数需求的方法，其特征在于所述步骤6包括步骤6. 1，分析卫星重力梯度测量精度需求基于不同卫星重力梯度测量精度3X 10_12/s2、3X 10_13/s2、3X ΙΟ—14/ 和3X 10_15/s2，使用卫星重力梯度反演半解析误差模型分别估计300阶GOCE Follow-On累计大地水准面精度，通过卫星重力梯度测量精度与累计大地水准面精度的关系确定星载重力梯度仪的测量精度；步骤6. 2，分析卫星轨道位置测量精度需求分别基于卫星轨道位置测量精度10_2m、 10-3m、10_4m和10_5m，使用卫星重力梯度反演半解析误差模型估计300阶GOCE Follow-On 累计大地水准面精度，通过卫星轨道位置测量精度与累计大地水准面精度的关系确定GOCE Follow-On卫星重力梯度计划的定轨精度； 步骤6. 3，分析卫星轨道高度需求基于不同卫星轨道高度200km、250km、300km和 350km,使用卫星重力梯度反演半解析误差模型估计300阶GOCEFoIIow-On累计大地水准面精度，根据卫星轨道高度与累计大地水准面精度之间的关系以及卫星轨道高度与卫星所遇空气阻力之间的关系确定GOCEFollow-On重力梯度卫星的轨道高度。
全文摘要
本发明涉及一种基于功率谱半解析的卫星重力梯度反演方法；建立了卫星重力梯度仪的重力梯度张量误差和GPS/GLONASS复合接收机的轨道位置误差影响累计大地水准面精度的单独和联合解析误差模型。同时还提出了对卫星重力梯度反演半解析误差模型进行验证的方法；以及基于该卫星重力梯度反演半解析误差模型，通过卫星重力梯度测量精度、卫星轨道位置测量精度和卫星轨道高度对累计大地水准面的影响确定下一代GOCE Follow-On重力梯度卫星参数需求的方法。该卫星重力梯度反演方法精度高，地球重力场解算速度快，卫星观测方程物理含义明确，较大程度简化了计算过程，以及易于开展下一代重力梯度卫星系统需求分析。
文档编号G01V7/00GK102998713SQ201210594280
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月30日 优先权日2012年12月30日
发明者不公告发明人 申请人:中国科学院测量与地球物理研究所