天基重力测量的解析理论及其编队实现方法

发布时间：2017-09-30 01:06

  本文关键词：天基重力测量的解析理论及其编队实现方法

  更多相关文章： 天基重力场测量 天基引力敏感器 绝对轨道摄动重力场测量 相对轨道摄动重力场测量 统一描述方法 卫星编队 载荷性能匹配 构形优化设计

【摘要】：高精度重力场模型是国家重要的战略信息,对科学研究、资源勘探、国防建设至关重要。作为获取全球重力场模型的最有效手段,天基重力场测量得到了广泛重视。同时,欧美竞相开展了下一代天基重力场测量研究,为进一步提高重力场测量精度开辟了新的途径。天基重力测量在改善重力场模型精度的同时,也面临着一系列理论问题亟待解决。本文建立了天基重力测量的解析理论体系,并结合卫星编队飞行技术,开展了编队重力场测量解析理论与实现方法研究。首先,从天基重力场测量的基本原理出发,提出了天基引力敏感器的科学概念,据此将天基重力场测量分为三种方式,分别是绝对轨道摄动重力场测量、长基线相对轨道摄动重力场测量、短基线相对轨道摄动重力场测量,从而确立了天基重力场测量的研究体系。然后,分别针对三种天基重力场测量方式,研究了轨道参数、载荷指标等任务参数对重力场测量性能的影响规律,进而基于频谱分析法建立了重力场测量阶误差方差与任务参数之间的解析模型,从而得到了重力场测量的有效阶数、大地水准面误差和重力异常误差。进一步,根据该解析模型,提出了轨道参数优化设计方法和载荷性能匹配设计方法,为重力场测量任务最优设计提供了理论基础。随后,研究了三种天基重力场测量方法的内在联系,并建立了不同测量方式中任务参数之间的等效转换关系,如果不同测量方式中的任务参数满足等效转换关系,则它们具有相同的重力场测量性能,并验证了等效转换关系的正确性,由此证明了三种测量方式在物理机理上的一致性,从而得到了天基重力场测量的统一描述体系。进一步,基于径向、法向短基线相对轨道摄动重力场测量概念,根据等效转换关系提出了径向、法向长基线相对轨道摄动重力场测量的理论概念,突破了传统长基线相对轨道摄动重力场测量仅有迹向跟踪测量的局限,从而扩展了天基重力场测量的范畴,为不同重力场测量方式的综合应用提供了分析工具。最后,结合卫星编队动力学理论和天基重力场测量理论,建立了卫星编队重力场测量解析模型,分析了轨道参数、编队构形参数、载荷指标对重力场测量的影响规律,提出了卫星编队重力场测量的基本构形,建立了编队构形优化设计方法和载荷性能匹配设计方法,为编队重力场测量任务优化设计提供了理论支撑。本文建立了天基重力场测量的解析理论体系以及卫星编队重力场测量实现方法,将为我国重力卫星任务的顶层规划与设计提供理论指导。
【关键词】：天基重力场测量 天基引力敏感器 绝对轨道摄动重力场测量 相对轨道摄动重力场测量 统一描述方法 卫星编队 载荷性能匹配 构形优化设计
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V520;V412.4
【目录】：

• 摘要13-14
• Abstract14-16
• 第一章 绪论16-41
• 1.1 天基重力场测量概述16-23
• 1.1.1 地球重力场测量的意义16-18
• 1.1.2 地球重力场的测量方法18-19
• 1.1.3 天基重力场测量的基本方式19-23
• 1.2 天基重力场测量的发展历程与任务研究方法综述23-39
• 1.2.1 绝对轨道摄动重力场测量研究23-26
• 1.2.2 长基线相对轨道摄动重力场测量研究26-30
• 1.2.3 短基线相对轨道摄动重力场测量研究30-32
• 1.2.4 天基重力场测量的发展趋势32-39
• 1.3 论文研究内容和组织结构39-41
• 第二章 绝对轨道摄动重力场测量机理建模与任务设计方法41-76
• 2.1 地球重力场测量的性能指标41-43
• 2.2 绝对轨道摄动重力场测量的基本原理43-45
• 2.3 绝对轨道摄动重力场测量性能的解析建模45-50
• 2.4 利用大规模数值模拟验证重力场测量解析模型50-59
• 2.4.1 绝对轨道摄动重力场测量性能数值模拟50-54
• 2.4.2 绝对轨道摄动重力场测量性能的解析模型校正54-56
• 2.4.3 校正后的绝对轨道摄动重力场测量性能解析模型验证56-59
• 2.5 绝对轨道摄动重力场测量的任务优化设计方法59-64
• 2.5.1 重力场测量任务参数的影响规律59-62
• 2.5.2 绝对轨道摄动重力场测量任务参数的优化设计方法62-64
• 2.6 引力敏感器非引力干扰的建模、分析与抑制64-75
• 2.6.1 辐射计效应和气体阻尼的耦合建模与分析64-72
• 2.6.2 基于金铱合金验证质量设计的电磁干扰力抑制研究72-75
• 2.7 小结75-76
• 第三章 长基线相对轨道摄动重力场测量机理建模与任务设计方法76-98
• 3.1 长基线相对轨道摄动重力场测量机理76-77
• 3.2 长基线相对轨道摄动重力场测量的解析建模77-90
• 3.2.1 长基线相对轨道摄动重力场测量的能量守恒方程77-79
• 3.2.2 两个引力敏感器地心距之差与相对距离变化率的关系79-82
• 3.2.3 两个引力敏感器相对距离变化率的数学表达式82-84
• 3.2.4 长基线相对轨道摄动重力场测量性能的解析模型84-89
• 3.2.5 长基线相对轨道摄动重力场测量解析模型的验证89-90
• 3.3 长基线相对轨道摄动重力场测量任务轨道与载荷匹配设计方法90-96
• 3.3.1 轨道高度的优化选择90-91
• 3.3.2 引力敏感器相对距离的优化选择91-94
• 3.3.3 相对距离变化率测量误差、非引力干扰和定轨误差的设计方法94-95
• 3.3.4 观测数据采样间隔的选择95-96
• 3.3.5 总任务时间的确定96
• 3.4 小结96-98
• 第四章 短基线相对轨道摄动重力场测量机理建模与任务设计方法98-114
• 4.1 局部指北坐标系下的重力梯度表示98-100
• 4.2 径向短基线相对轨道摄动重力场测量的解析建模100-104
• 4.3 迹向短基线相对轨道摄动重力场测量的解析建模104-105
• 4.4 轨道面法向短基线相对轨道摄动重力场测量的解析建模105-107
• 4.5 短基线相对轨道摄动重力场测量的解析模型107
• 4.6 短基线相对轨道摄动重力场测量任务优化设计方法107-113
• 4.6.1 短基线相对轨道摄动重力场测量任务参数的影响规律108-113
• 4.6.2 短基线相对轨道摄动重力场测量任务参数的优化设计方法113
• 4.7 小结113-114
• 第五章 三种天基重力场测量方法的内在联系及统一描述114-137
• 5.1 概述114
• 5.2 绝对和迹向长基线相对轨道摄动重力场测量的内在联系114-121
• 5.2.1 绝对和长基线相对轨道摄动重力场测量内在联系的定性分析114
• 5.2.2 长基线相对轨道摄动到绝对轨道摄动重力场测量参数的变换114-119
• 5.2.3 绝对轨道摄动到长基线相对轨道摄动重力场测量参数的变换119-121
• 5.3 长基线和短基线相对轨道摄动重力场测量的内在联系121-134
• 5.3.1 迹向长基线、短基线相对轨道摄动重力场测量参数的转换121-130
• 5.3.2 法向长基线、短基线相对轨道摄动重力场测量参数的转换130-131
• 5.3.3 径向上长基线、短基线相对轨道摄动重力场测量参数的转换131-134
• 5.4 径向和迹向上短基线相对轨道摄动重力场测量的内在联系134-135
• 5.5 天基重力场测量的统一描述体系135-136
• 5.6 小结136-137
• 第六章 卫星编队重力场测量解析建模与性能最优设计方法137-173
• 6.1 卫星编队重力场测量的基本概念137-138
• 6.2 卫星编队重力场测量性能的解析模型138-144
• 6.2.1 重力场测量卫星编队构形的五要素描述法138-140
• 6.2.2 卫星编队重力场测量性能的解析模型140-144
• 6.3 重力场测量卫星编队构形优化设计与载荷匹配设计方法144-160
• 6.3.1 卫星编队任务参数对重力场测量性能的影响规律144-155
• 6.3.2 卫星编队重力场测量的约束条件155-156
• 6.3.3 重力场测量卫星编队构形优化设计方法156-159
• 6.3.4 重力场测量卫星编队载荷匹配设计方法159-160
• 6.4 重力场测量卫星编队构形长期自然维持策略160-163
• 6.5 卫星编队重力场测量的基本构形163-164
• 6.6 算例：面向地震研究的卫星重力场测量任务设计164-171
• 6.6.1 重力场测量任务的目标165
• 6.6.2 重力场测量任务的工程约束165-166
• 6.6.3 综合多种观测手段的重力场测量任务优化设计166-171
• 6.6.4 卫星编队重力场测量任务设计结果171
• 6.7 小结171-173
• 第七章 结论与展望173-177
• 7.1 结论173-175
• 7.2 展望175-177
• 致谢177-178
• 参考文献178-188
• 作者在学期间取得的学术成果188-190
• 附录 缔合勒让德函数一阶和二阶导数去奇异性计算公式190-192

【参考文献】

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 王庆宾;动力法反演地球重力场模型研究[D];解放军信息工程大学;2009年

，

本文编号：945239