GOCE实测数据反演高阶重力场模型的Torus方法
发布时间：2021-06-30 20:21
不同于当前广泛使用的空域法、时域法、直接解法,本文尝试采用Torus方法处理GOCE实测数据,利用71 d的GOCE卫星引力梯度数据反演了200阶次GOCE地球重力场模型,实现了对参考模型的精化。首先,采用Butterworth零相移滤波方法加移去—恢复技术,处理引力梯度观测值中的有色噪声,并利用泰勒级数展开和Kriging方法对GOCE卫星引力梯度数据进行归算和格网化,计算得到了名义轨道上格网点处的引力梯度数据。然后,利用2D-FFT技术和块对角最小二乘方法处理名义轨道上数据,获得了200阶次的GOCE地球重力场模型GOCETorus。利用中国和美国的GPS/水准数据进行外部检核结果说明,GOCETorus与ESA发布的同期模型的精度相当;GOCETorus模型与200阶次的EGM2008模型相比,在美国区域精度相当,但在中国区域精度提高了4.6 cm,这充分体现了GOCE卫星观测数据对地面重力稀疏区的贡献。Torus方法拥有快速高精度反演卫星重力场模型的优势,可以在重力梯度卫星的设计、误差分析及在轨快速评估等方面得到...
【文章来源】：测绘学报. 2020,49(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
Torus方法精化GOCE地球重力场模型的主要流程
以利用EGM2008模型(前250阶次的系数)模拟的卫星引力梯度值为准确信号(图2)分析了2009年11月1日—2009年11月10日GRF下GOCE卫星引力梯度数据的精度,如图3所示。低频部分(约5 mHz以内),观测值误差为有色噪声,随着频率的降低,误差迅速增大,呈现1/f的变化特点;5～200 mHz测量带宽内,误差近似白噪声,Vxy和Vyz精度较差,噪声水平在几百mE的量级,远大于信号,另外4个分量的精度较高,Vxx和Vyy的噪声水平约10 mE,Vzz、Vxz的噪声水平约20 mE,大于GOCE卫星的设计指标5 mE,相比图2中相应分量信号的大小,Vxz的信噪比较低;高频部分(>200 mHz),误差表现为有色噪声。Torus方法要求使用LORF下的卫星引力梯度值,直接将GRF下的卫星引力梯度观测值转换至LORF下,精度较差的Vxy和Vyz分量会影响其他分量的精度,且低频有色噪声可能会泄露到测量带宽内的信号中[16-17],因此在坐标转换之前,需要对GRF下的引力梯度观测值进行处理。本文利用EGM2008模型前250阶次的系数计算GRF下的引力梯度值,替换观测精度较低的分量Vxy和Vyz;对于其他4个分量中有色噪声的滤波方法,根据GOCE卫星引力梯度观测值中噪声的特性,本文采用带通滤波器,并设计了无限长单位脉冲响应(infinite impulse response,IIR)带通滤波器和有限长单位脉冲响应(finite impulse response,FIR)带通滤波器。对IIR带通滤波器,分别比较了Butterworth、Chebyshev TypeⅠ、Chebyshev Type Ⅱ和Elliptic等不同滤波器原型的滤波效果;对FIR带通滤波器,分别比较了Kaiser、Hamming、Gaussian、Chebyshev、Blackman、Blackman-Harris等不同滤波器原型的滤波效果。为提高滤波的精度,采用移去—恢复策略,为消除相移的影响,对数据进行了零相移滤波。结果表明,采用Butterworth零相移滤波和移去—恢复技术对低频、高频部分的噪声都具有良好的抑制效果[18],GRF下Vxx、Vyy、Vzz和Vxz分量观测值残差的滤波结果见图4。
因在地球重力场反演中引力梯度分量Vzz的影响较大,故以该分量为例,利用无噪声的模拟卫星引力梯度数据分析了顾及移去—恢复技术的Kriging方法的格网化效果[12],结果表明该方法的格网化误差在0.110 mE以内,远小于GOCE实测引力梯度观测值中的噪声水平,所以本文利用顾及移去—恢复技术的Kriging方法(EGM2008前200阶次系数作为参考模型)进行格网化,得到名义轨道格网上的引力梯度残差。对引力梯度残差格网进行球谐分析,利用式(1)和式(2)计算球谐系数改正值,结合参考模型得到高精度GOCE地球重力场模型。图4 GRF下Vxx、Vyy、Vzz和Vxz分量残差的Butterworth零相移滤波效果
【参考文献】：
期刊论文
[1]GOCE卫星引力梯度数据滤波方法研究[J]. 刘焕玲,赵永奇,文汉江,徐新禹. 测绘科学. 2019(06)
[2]由GOCE引力梯度张量不变量确定卫星重力模型的半解析法[J]. 李建成,徐新禹,赵永奇,万晓云. 武汉大学学报(信息科学版). 2016(01)
[3]利用GOCE模拟观测反演重力场的Torus法[J]. 刘焕玲,文汉江,徐新禹,朱广彬. 测绘学报. 2015(09)
[4]利用短弧积分法和GOCE轨道数据确定地球重力场模型[J]. 苏勇,范东明. 地球物理学进展. 2014(05)
[5]Recovery of the gravity field from GOCE data by using the invariants of gradient tensor[J]. YU JinHai,WAN XiaoYun. Science China（Earth Sciences）. 2013(07)
[6]GOCE引力梯度的频谱分析及滤波[J]. 万晓云,于锦海,曾艳艳. 地球物理学报. 2012(09)
[7]GOCE卫星重力测量中有色噪声滤波器设计[J]. 刘晓刚,吴杉,王献民,蒲亭汀. 地球物理学进展. 2012(03)
[8]Tikhonov正则化方法在GOCE重力场求解中的模拟研究[J]. 徐新禹,李建成,王正涛,邹贤才. 测绘学报. 2010(05)
本文编号：3258427
【文章来源】：测绘学报. 2020,49(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
Torus方法精化GOCE地球重力场模型的主要流程
以利用EGM2008模型(前250阶次的系数)模拟的卫星引力梯度值为准确信号(图2)分析了2009年11月1日—2009年11月10日GRF下GOCE卫星引力梯度数据的精度,如图3所示。低频部分(约5 mHz以内),观测值误差为有色噪声,随着频率的降低,误差迅速增大,呈现1/f的变化特点;5～200 mHz测量带宽内,误差近似白噪声,Vxy和Vyz精度较差,噪声水平在几百mE的量级,远大于信号,另外4个分量的精度较高,Vxx和Vyy的噪声水平约10 mE,Vzz、Vxz的噪声水平约20 mE,大于GOCE卫星的设计指标5 mE,相比图2中相应分量信号的大小,Vxz的信噪比较低;高频部分(>200 mHz),误差表现为有色噪声。Torus方法要求使用LORF下的卫星引力梯度值,直接将GRF下的卫星引力梯度观测值转换至LORF下,精度较差的Vxy和Vyz分量会影响其他分量的精度,且低频有色噪声可能会泄露到测量带宽内的信号中[16-17],因此在坐标转换之前,需要对GRF下的引力梯度观测值进行处理。本文利用EGM2008模型前250阶次的系数计算GRF下的引力梯度值,替换观测精度较低的分量Vxy和Vyz;对于其他4个分量中有色噪声的滤波方法,根据GOCE卫星引力梯度观测值中噪声的特性,本文采用带通滤波器,并设计了无限长单位脉冲响应(infinite impulse response,IIR)带通滤波器和有限长单位脉冲响应(finite impulse response,FIR)带通滤波器。对IIR带通滤波器,分别比较了Butterworth、Chebyshev TypeⅠ、Chebyshev Type Ⅱ和Elliptic等不同滤波器原型的滤波效果;对FIR带通滤波器,分别比较了Kaiser、Hamming、Gaussian、Chebyshev、Blackman、Blackman-Harris等不同滤波器原型的滤波效果。为提高滤波的精度,采用移去—恢复策略,为消除相移的影响,对数据进行了零相移滤波。结果表明,采用Butterworth零相移滤波和移去—恢复技术对低频、高频部分的噪声都具有良好的抑制效果[18],GRF下Vxx、Vyy、Vzz和Vxz分量观测值残差的滤波结果见图4。
因在地球重力场反演中引力梯度分量Vzz的影响较大,故以该分量为例,利用无噪声的模拟卫星引力梯度数据分析了顾及移去—恢复技术的Kriging方法的格网化效果[12],结果表明该方法的格网化误差在0.110 mE以内,远小于GOCE实测引力梯度观测值中的噪声水平,所以本文利用顾及移去—恢复技术的Kriging方法(EGM2008前200阶次系数作为参考模型)进行格网化,得到名义轨道格网上的引力梯度残差。对引力梯度残差格网进行球谐分析,利用式(1)和式(2)计算球谐系数改正值,结合参考模型得到高精度GOCE地球重力场模型。图4 GRF下Vxx、Vyy、Vzz和Vxz分量残差的Butterworth零相移滤波效果
【参考文献】：
期刊论文
[1]GOCE卫星引力梯度数据滤波方法研究[J]. 刘焕玲,赵永奇,文汉江,徐新禹. 测绘科学. 2019(06)
[2]由GOCE引力梯度张量不变量确定卫星重力模型的半解析法[J]. 李建成,徐新禹,赵永奇,万晓云. 武汉大学学报(信息科学版). 2016(01)
[3]利用GOCE模拟观测反演重力场的Torus法[J]. 刘焕玲,文汉江,徐新禹,朱广彬. 测绘学报. 2015(09)
[4]利用短弧积分法和GOCE轨道数据确定地球重力场模型[J]. 苏勇,范东明. 地球物理学进展. 2014(05)
[5]Recovery of the gravity field from GOCE data by using the invariants of gradient tensor[J]. YU JinHai,WAN XiaoYun. Science China（Earth Sciences）. 2013(07)
[6]GOCE引力梯度的频谱分析及滤波[J]. 万晓云,于锦海,曾艳艳. 地球物理学报. 2012(09)
[7]GOCE卫星重力测量中有色噪声滤波器设计[J]. 刘晓刚,吴杉,王献民,蒲亭汀. 地球物理学进展. 2012(03)
[8]Tikhonov正则化方法在GOCE重力场求解中的模拟研究[J]. 徐新禹,李建成,王正涛,邹贤才. 测绘学报. 2010(05)
本文编号：3258427
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dizhicehuilunwen/3258427.html
