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《西南交通大学》 2011年
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应用低轨卫星数据反演地球重力场模型的理论和方法

游为  
【摘要】:随着CHAMP(CHAllenging Minisatellite Payload、GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)、GOCE(Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer)等低轨重力卫星的相继发射,卫星重力研究已成为大地测量学中继全球定位系统(GPS, Global Positioning System)之后又一次具有革命性突破的研究。虽然利用GRACE卫星跟踪数据能反演出高精度高分辨率的地球重力场模型,但目前GRACE卫星星间观测值所蕴含的地球重力场信息并没有完全被挖掘出来,本文主要研究了利用GRACE卫星轨道及星间观测数据反演地球重力场模型的理论和方法,比较了现有的数值计算方法,提出了几种改进的反演方法。论文主要内容及创新点概述如下: 1.分析了卫星重力测量的重要意义,概述了目前地球重力场的研究现状,研究了利用卫星重力数据解算地球重力场模型的3种方法:直接法、时域法及空域法。 2.详细给出了基于IERS2003规范的惯性坐标系统与地固坐标系统的坐标转换公式,计算了GRACE卫星所受的各种摄动力模型,比较了数值积分的几种方法,研究了基于移动窗口的多项式内插法,提出了一种消去局部未知参数的QR分解法,给出了预条件共轭梯度法解算法方程的详细计算步骤,讨论了地球重力场模型内外符合精度评定的方法。 3.详细研究了基于GRACE卫星数据解算地球重力场模型的Kaula线性摄动法、点加速度法、短弧长积分法、平均加速度法、能量守恒法及动力学积分法的计算原理,分析了各种方法的优缺点,给出了星间距离或距离变率的观测方程。采用1个月GRACE卫星模拟星间距离数据解算80阶次地球重力场模型,验证了动力学积分法的有效性和可靠性。 4.给出了一种基于卫星轨道扰动的严密重力反演方法,基于移动窗口的多项式内插公式首次推导了该方法的严密数值计算公式。采用1个月的模拟数据计算100阶次地球重力场模型验证了该方法的有效性、可靠性及实用性。 5.在短弧长积分法的基础上,对力模型梯度改正,给出了梯度改正短弧长积分法的计算原理,分析了力模型梯度改正对轨道位置改正的影响。采用1个月的模拟数据计算120阶次的地球重力场模型,分析验证了该方法的精度。 6.在短弧长积分法原理的基础上,通过采用另外一种力模型梯度改正的思想,首次提出了改进短弧长积分法,导出了该方法的严密数值计算公式,并采用1个月模拟数据计算表明该方法优于短弧长积分法;采用改进短弧长积分法,基于GRACE Follow-on卫星模拟数据分析了重力场模型的解算精度;研究了改进短弧长积分法中移动窗口多项式次数的选择问题。 7.研制了卫星重力反演的一套软件系统SWJTU-GRS.该软件可进行GRACE卫星模拟数据计算、观测数据预处理、各种方法的模拟及实测数据解算、各种模型的内外符合精度检核计算。讨论了改进短弧长积分法中轨道与星间观测值的权重及弧段长度的优化等关键问题。 8.通过理论分析及GRACE卫星1个月(2008.1.1-2008.1.31)的实测数据计算比较了几种方法的精度。结果表明弧段长度选择为30min,当只采用轨道观测值时,改进短弧长积分法与短弧长积分法、动力学积分法、梯度改正短弧长积分法的精度相当;但当采用星间观测数据时,改进短弧长积分法优于其它三种方法。 9.分别采用梯度改正短弧长积分法及改进短弧长积分法基于近200天(2008.1.1~2008.8.1)的GRACE卫星轨道及星间观测数据,反演了两组120阶次的地球重力场模型SWJTU2010S1及SWJTU2010S2,模型分辨率为167km(半波长)。两组模型所表示的大地水准面精度分别为±14.00cm和±11.63cm,总体精度优于EIGEN-GRACE02S、EIGEN-GRACE01S模型,但低于EIGEN-CGO1C模型。 10.给出了GOCE卫星精密轨道数据预处理的方法,推导了消去2类局部参数的法方程建立方法。采用短弧长积分法基于GOCE卫星61天(2009.11.2~2010.1.2)的精密轨道数据反演了110阶次地球重力场模型,其在106阶次的大地水准面误差为±9.6cm,且带谐位系数精度偏低;通过GOCE与GRACE卫星轨道联合反演了110阶次地球重力场模型,其在106阶次的大地水准面误差为±6.9cm,明显改善了带谐位系数精度。
【学位授予单位】:西南交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:P223

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【引证文献】
中国期刊全文数据库 前3条
1 苏勇;范东明;贺全兵;;利用平均加速度法恢复GOCE地球重力场模型[J];大地测量与地球动力学;2013年06期
2 黄强;范东明;;短弧长积分法与平均加速度法的比较分析[J];西南交通大学学报;2013年03期
3 黄强;范东明;游为;;利用GOCE卫星轨道数据反演地球重力场模型[J];武汉大学学报(信息科学版);2013年08期
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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9 周旭华;许厚泽;吴斌;彭碧波;陆洋;;用GRACE卫星跟踪数据反演地球重力场[J];地球物理学报;2006年03期
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中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 王正涛;卫星跟踪卫星测量确定地球重力场的理论与方法[D];武汉大学;2005年
2 罗佳;利用卫星跟踪卫星确定地球重力场的理论和方法[D];武汉大学;2003年
3 张兴福;应用低轨卫星跟踪数据反演地球重力场模型[D];同济大学;2007年
【共引文献】
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8 张捍卫,刘学谦,马国强;液核弹性地球自转动力学理论的研究进展[J];测绘科学;2004年04期
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1 唐晓梅;;浅析卫星多媒体宽带应用中的信息安全技术[A];2011年通信与信息技术新进展——第八届中国通信学会学术年会论文集[C];2011年
2 肖云;孙中苗;庞振兴;梁海鸥;;卫星重力发展现状与未来趋势[A];第二届“测绘科学前沿技术论坛”论文精选[C];2010年
3 宋雷;赵曰瑕;王成华;;CHAMP卫星历元间能量差分法恢复地球重力场[A];第二届“测绘科学前沿技术论坛”论文精选[C];2010年
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5 肖云;夏哲仁;王兴涛;孙中苗;;一种改进的卫星重力测量数据处理方法-基线法[A];《测绘通报》测绘科学前沿技术论坛摘要集[C];2008年
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7 肖云;夏哲仁;;低低卫卫跟踪中基线参数的估计[A];中国测绘学会2006年学术年会论文集[C];2006年
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10 郑伟;许厚泽;钟敏;员美娟;周旭华;彭碧波;;利用国际卫星跟踪卫星高低测量模式恢复CHAMP地球重力场[A];中国测绘学会九届四次理事会暨2008年学术年会论文集[C];2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 曹学伟;基于大地测量资料的区域构造应力场反演及模型研究[D];山东科技大学;2010年
2 刘凤鸣;重力梯度辅助导航定位技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
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6 王建强;弹道学中的地球重力场若干理论问题研究[D];武汉大学;2010年
7 方荣新;高采样率GPS数据非差精密处理方法及其在地震学中的应用研究[D];武汉大学;2010年
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10 包欢;大型建筑物实时形变监测系统理论及应用研究[D];解放军信息工程大学;2009年
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1 黄鹏;市级大地水准面精化的研究与应用[D];山东科技大学;2010年
2 杨书大;基于垂线偏差的区域大地水准面精化研究[D];山东科技大学;2010年
3 李艳;基于ArcGIS的重力图构建及其可导航性分析方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 邬小波;基于GPS水准数据和地球位模型的局部大地水准面精化方法研究[D];昆明理工大学;2010年
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6 许幼成;海洋重力仪精确测量研究及测控平台开发[D];浙江大学;2011年
7 杨帅;高精度陀螺仪测定地球自转参数的理论与方法研究[D];长安大学;2011年
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10 杨洪国;地球重力场模型在工程控制网中的应用[D];西南交通大学;2011年
【同被引文献】
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1 徐新禹;李建成;姜卫平;邹贤才;;基于空域最小二乘法求解GOCE卫星重力场的模拟研究[J];测绘学报;2011年06期
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1 钟波;基于GOCE卫星重力测量技术确定地球重力场的研究[D];武汉大学;2010年
【二级参考文献】
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1 赵东明;卫星跟踪卫星任务的引力谱分析和状态估计方法[D];解放军信息工程大学;2004年
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3 王正涛;卫星跟踪卫星测量确定地球重力场的理论与方法[D];武汉大学;2005年
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5 肖荣健;地球重力场模型及其在隧道测量中的应用[D];西南交通大学;2007年
6 李冲;基于CQG2000的区域似大地水准面精化理论与应用研究[D];长安大学;2007年
7 李晓燕;扰动引力对弹道导弹落点影响分析[D];解放军信息工程大学;2008年
8 张皞;快速逼近弹道扰动引力的算法研究[D];解放军信息工程大学;2007年
9 米建;基于月球运动理论的GEO卫星线性摄动理论与精密定轨方法研究[D];解放军信息工程大学;2008年
10 周睿;GOCE卫星SGG数据处理及空域法恢复地球重力场模型研究[D];解放军信息工程大学;2013年
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