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联合多类卫星重力数据反演地球重力场的研究

周浩  
【摘要】:CHAMP、GRACE和GOCE卫星计划的成功实施为重力测量开辟了新途径,为探究地球重力场精细结构及其时变提供了重要的技术支撑。随着人们对重力卫星观测数据误差特性认知的深入以及先验背景地球物理场模型的不断更新,如何进一步挖掘多类重力卫星数据的有效信息,并全面提升地球重力场中长波静态以及时变信息的表征能力,是现阶段卫星重力学的研究热点之一。在此背景下,本文重点分析多类重力卫星原始观测数据的频谱特性,以动力积分法和空域最小二乘法为基础,分别反演GRACE静态及时变重力场模型和GOCE静态地球重力场模型;采用最小二乘联合平差法和最小二乘谱组合法,实现基于多类重力数据的高精度高分辨率地球重力场联合反演;分析现阶段已成功发射重力卫星的固有缺陷,以期为国内外下一代重力卫星计划设计积累经验。本文的主要研究内容及贡献如下:(1)在详细论述动力积分法反演地球重力场模型基本原理的基础上,重点研究了不同坐标系下各方向观测值与地球重力场的频谱响应关系,并在此基础上构建了顾及多方向观测值权比的动力积分法,最终采用GOCE HL-SST实测数据对该方法进行了验证,结果表明:不同坐标系下各方向观测值与地球重力场模型的频谱响应关系各不相同,但等权情况下IRF、EFRF和LNOF系下的解算结果相同;顾及多方向观测权比的加权解优于等权解,且LNOF系下的加权解最优。(2)针对地球重力场模型解算过程中面临的大规模线性方程组求解问题,分析了最小二乘直接解解算过程中的密集型解算任务,并联合OpenMP.MPI和Intel MKL分别实现了设计矩阵构建、法方程形成及求解等计算热点的并行算法,为联合多类重力卫星数据快速求解高阶次地球重力场模型提供了有效工具。(3)深入研究了联合HL-SST和LL-SST技术反演高精度高分辨率地球重力场模型的动力积分法,利用模拟观测数据验证了本文解算方法和软件系统的可靠性,采用5年的GRACE实测数据反演了截断至150阶次的静态地球重力场模型WHU-GRACE2015S.计算结果表明:本文解算的WHU-GRACE2015S模型精度与GGM05S.Tongji-GRACE01S和AIUB-GRACE03S等国内外已发布的高精度重力场模型精度相当。(4)研究了基于重力梯度数据反演地球重力场模型的空域最小二乘法,采用高通滤波器和AR滤波器组成的级联滤波器完成了GOCE SGG有色噪声白化处理,引入Kaula正则化解决了法方程阵病态问题,最终联合GOCE HL-SST和SGG数据解算了截断至210阶次的地球重力场模型WHU-GOCE2015s,其解算精度在30阶次之后优于第一代空域解,且在全频段优于第一代时域解。(5)研究了联合多类数据反演地球重力场模型的最小二乘联合平差法和最小二乘谱组合法,并分别基于模拟观测数据和实测数据对上述两种联合定权方法进行了比较,最终选用最小二乘联合平差法反演了包含GRACE和GOCE观测信息的静态地球重力场模型WHU-GOGRA2015 S,截断阶次为210,该模型与GOCO01S模型精度相当。(6)推导了预先解算经验参数(PPS)和同时求解经验参数和位系数(PSS)等两种处理KBRR低频噪声策略的实用计算公式,并在此基础上提出了滤波设计矩阵的处理策略(FPS和FSS),采用模拟和实测数据评估了上述四种不同的低频噪声处理策略,结果表明:PPS方法将导致法方程条件数增加,低阶次位系数解算精度降低,且最终导致解算的时变信号亏损明显;PSS. FPS和FSS处理策略的精度相当,综合考虑计算精度与解算效率,最终建议选择本文提出的FPS方法处理KBRR低频噪声。(7)深入分析了仅采用LL-SST技术确定时变重力场过程中法方程系数阵秩亏的原因,在此基础上给出了求解仅包含KBRR观测信息的动力积分法,并解算了一组截断至60阶次的WHU-Grace01s模型。由于仅包含KBRR观测信息,WHU-Grace01s模型受到的轨道共振影响较小,且在位系数高阶次部分解算精度较高。(8)重点分析了截断阶次、积分弧长、加速度计校准参数和迭代次数等重要参数对动力积分法反演时变重力场模型的影响,在此基础上联合HL-SS T和LL-SST技术反演了一组时变重力场模型、VHU-Grace2015m,截断阶次为60。通过时域和频域的检核结果可知,该模型与CSR, JPL、GFZ的RL05模型精度相当。(9)推导了轨道重复周期计算的新公式,给出了基于轨道基准频率选取最优轨道高度的快速算法,并综合分析了轨道重复周期、GRACE及Pendulum等卫星编队和Bender卫星星座对重力场模型解算精度的影响。结果表明:合理选取轨道倾角和轨道高度,可有效回避部分星下点轨迹较为稀疏的轨道,而采用Pendulum卫星编队或者Bender卫星星座可同时获取多方向观测信息;综合考虑重复周期和卫星编队等轨道特性的影响,更利于时变信号的反演。(10)采用控制变量方法研究了GRACE时变重力场模型南北条带误差的形成原因,并重点分析了海潮模型和非大气海洋潮汐模型对重力场模型解算精度的影响。结果表明:GRACE轨道特性、载荷观测噪声和先验背景地球物理场是形成南北条带误差的主要因素;其中,先验背景地球物理场对现阶段重力场模型解算精度的影响较小,而随着载荷精度的提升,需要进一步提高先验背景地球物理场的精度。(11)采用e2.motion卫星任务模拟观测数据反演了一组截断至120阶次的月重力场模型。由于载荷精度较高,且卫星星座构造合理,相比于现阶段的GRACE时变重力场模型,e2.motion解可以更加精确的反映时变信号变化范围及空间位置,在全球大型流域内的反演精度可提高约60%至90%。


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