专利名称：利用星间距离插值建立全球重力场模型的方法
技术领域：
本发明涉及卫星大地测量学、地球物理学、空间科学等交叉技术领域，特别是涉及一种通过将星载K波段测量仪的精确星间距离引入双星相对轨道位置矢量的星星连线分量，构建新型星间距离插值卫星观测方程，进而快速建立高精度和高空间分辨率的全球重力场模型的技术领域。
背景技术：
如

图1所示，重力卫星在地球重力场作用下绕地球作近圆极轨运动，若精密定轨必须知道精确的地球重力场参数；反之，精确测定卫星轨道摄动，利用摄动跟踪观测数据又可以提高地球重力场参数的精度，两者相辅相成。在大地测量领域，地球重力场对研究地球形状和精确求定地面控制点的三维坐标起着重要作用；在固体地球物理学中，基于地球重力场可以研究地球的内部构造和板块运动；在海洋学中，为了研究海面地形，揭示洋流和环流的活动规律也需应用地球重力场数据。因此，本世纪地球重力场反演精度的进一步提高不仅是大地测量、地球物理、地震预报、海洋勘探、空间技术、航空航天等相关学科发展的迫切需求，同时也将为全人类寻求资源、保护环境和预测灾害提供重要的地球空间信息。在利用重力卫星观测数据反演地球重力场的众多方法中，按引力位系数解算方式的差异可分为空域法和时域法。1、空域法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，而将这些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)技术进行网格化处理，将问题转化为某类型边值问题的解，常见的准解析法、最小二乘配置法等属于空域法的范畴。优点是因网格点数固定从而方程维数一定，且可以利用快速傅立叶变换技术进行快速批量处理，因此极大地降低了计算量；缺点是在进行网格化处理中作了近似处理，且不能对色噪声进行处理。2、时域法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。优点是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；缺点是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。过去由于地球重力场反演方法的历史局限性和当时计算机技术发展的限制，为了减少计算量，因此空域法较为盛行。然而，由于空域法做了许多人为性的假设，存在许多潜在的弊端且随着近年来计算机技术的飞速发展及各种快速算法的广泛应用，计算量的大小不再是制约地球重力场反演精度的重要因素，时域法的优点正逐渐体现于地球重力场反演之中。时域法主要包括四种类型(I)Kaula线性摄动法； (2)基于加速度观测值的数值微分法；C3)基于数值积分的轨道动力学法；(4)基于能量守恒定律的能量法。国内外研究表明，Kaula线性摄动法和基于加速度观测值的数值微分法只适合于求解低阶地球重力场且计算精度较低，现在最为盛行的是轨道动力学法和能量守恒法。轨道动力学法的优点是求解精度较高；缺点是观测数据运算量较大、求解过程复杂程度较高且反演较高阶重力场时需要高性能的并行计算机支持；能量守恒法的优点是观测方程物理含义明确且易于地球重力场的敏感度分析，在保证求解精度的前提下计算量大大降低，通常采用PC计算机可完成高阶地球重力场的快速求解；缺点是对卫星速度的测量精度要求较高。 不同于国内外已有的卫星重力反演法，本发明首次通过在相对轨道位置的星星连线分量中引入星载K波段测量仪(如图2所示)的高精度星间距离，利用新型和精确的星间距离插值卫星重力反演法构建了全球重力场模型。基于美国宇航局喷气推进实验室(NASA-JPL)公布的GRACE Level-IB实测数据建立了新型全球重力场模型 WHIGG-GEGMOIS(GRACE Earth， s Gravity Model from WuHan Institute of Geodesy and Geophysics)，进而验证了新型星间距离插值卫星重力反演法的正确性和有效性。由于我国自主研制和正在建设的首期地球重力卫星系统预计于国家“十二五”规划末期发射升空，因此星间距离插值法以其独特的优越性将成为我国高精度和高空间分辨率地球重力场反演的优选方法之一。

发明内容
过将邏新型· 型。为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案 1、一种利用星间距离插值建立全球重力场模型的方法，包含下列步骤 步骤一对GRACE卫星观测数据进行预处理，具体包括1. 1)采集星载K波段测量仪得到的星间距离P 12数据基于t检验准则即罗曼诺夫斯基准则，剔除星间距离数据中存在的粗大误差；基于9阶Lagrange多项式，插值获得间断的星间距离数据。
本发明的目的是由于当前GPS全球定位系统的卫星轨道位置精度相对较低，通 L载K波段测量仪的精确星间距离引入双星相对轨道位置矢量的星星连线分量构建 L间距离插值卫星观测方程，进而快速建立高精度和高空间分辨率的全球重力场模1. 2)采集星载双频GPS接收机得到的卫星轨道数据，包括轨道位置r和轨道速度广 为了保证卫星轨道数据的精度和连续性，去除卫星轨道存在的重叠期，进行卫星轨道数据的拼接；截掉由于定轨弱约束造成的卫星轨道数据的开始和结束时段处精度较低的数据； 基于3 σ准则即莱以特准则，剔除卫星轨道数据中存在的粗大误差。1. 3)采集星载加速度计得到的卫星非保守力f数据基于t检验准则即罗曼诺夫斯基准则，剔除卫星非保守力数据中存在的粗大误差；基于9阶Lagrange多项式，插值获得间断的卫星非保守力数据。步骤二 构建星间距离插值观测方程在地心惯性坐标系中，基于Newton插值模型，单星轨道位置r的泰勒展开表示如下
权利要求
1. 一种利用星间距离插值建立全球重力场模型的方法，包含下列步骤步骤一对GRACE卫星观测数据进行预处理，具体包括1. 1)采集星载K波段测量仪得到的星间距离(P12)数据基于t检验准则即罗曼诺夫斯基准则，剔除星间距离数据中存在的粗大误差；基于9阶Lagrange多项式，插值获得间断的星间距离数据；1.2)采集星载双频GPS接收机得到的卫星轨道数据，包括轨道位置(r)和轨道速度 (V ):为了保证卫星轨道数据的精度和连续性，去除卫星轨道存在的重叠期，进行卫星轨道数据的拼接；截掉由于定轨弱约束造成的卫星轨道数据的开始和结束时段处精度较低的数据；基于3 σ准则即莱以特准则，剔除卫星轨道数据中存在的粗大误差；1.3)采集星载加速度计得到的卫星非保守力(f)数据基于t检验准则即罗曼诺夫斯基准则，剔除卫星非保守力数据中存在的粗大误差；基于9阶Lagrange多项式，插值获得间断的卫星非保守力数据；步骤二 构建星间距离插值观测方I、王在地心惯性坐标系中，基于Newton插值模型，单星轨道位置r的泰勒展开表示如下
全文摘要
本发明公开了一种利用星间距离插值建立全球重力场模型的方法，通过将星载K波段测量仪的精确星间距离引入双星相对轨道位置矢量的星星连线分量，构建星间距离插值卫星观测方程，进而建立高精度和高空间分辨率的全球重力场模型。该方法卫星重力反演精度高，易于感测中高频重力场信号，利于重力卫星系统误差分析，观测方程物理含义明确，计算机性能要求低。
文档编号G01V7/00GK102305949SQ201110184980
公开日2012年1月4日 申请日期2011年6月30日 优先权日2011年6月30日
发明者刘成恕, 熊熊, 许厚泽, 郑伟, 钟敏 申请人:中国科学院测量与地球物理研究所