探测地球重力场的卫星重力梯度指标研究与分析

发布时间：2017-12-10 15:30

  本文关键词：探测地球重力场的卫星重力梯度指标研究与分析

  更多相关文章： 地球重力场 重力梯度测量卫星 轨道设计 半解析法 重力梯度仪 指标设计

【摘要】：地球重力场信息是重要的测绘地理信息。确定高精度地球重力场是建立全球统一的高程基准、区域性测绘垂直基准的重要基础,是实现高精度测绘应用和服务的重要内容。中、长波大地水准面在地球重力场谱结构中绝对占优(大于95%),全球中、长波段重力场的误差仍然是制约全球高程基准统一和进一步提高大地水准面精度的瓶颈问题。本世纪物理大地测量学研究的主要科学目标是确定厘米级的大地水准面和发展超高阶地球重力场模型,其中的关键问题是需要进一步提高地球重力场以及大地水准面的中、长波分量的准确度,同时尽可能获取更加海量的地球重力场观测信息。卫星重力梯度测量技术作为目前最有价值和应用前景的高效重力探测技术之一,具有全球、快速、低成本、高精度、高分辨率等技术特点,是高效、稳定测定地球重力场中短波精细结构的重要手段。我国已经明确要发展民用卫星重力梯度测量技术,服务测绘基准维护等应用。重力梯度测量卫星系统是一个复杂度高、精度要求高、工艺水平要求高的系统工程。除了需要对卫星关键载荷等相关硬件设备的研制和技术指标进行攻关和改进外,研究卫星重力梯度测量系统仿真与设计技术,提升仿真技术的完备性和科学量化度,对于明确卫星平台及载荷攻关方向具有重要意义。本文系统开展了重力梯度测量卫星的系统仿真关键技术研究,量化设计与分析了国产重力梯度测量卫星系统的总体主要技术指标和有效载荷主要技术指标,并形成了具有数值模拟、重力场恢复、指标分析等多项功能的原型软件系统。本文的主要研究内容和贡献包括以下几个方面：1.对静态全球重力场模型的解算和发布情况进行简要概述,然后利用GPS/水准等内、外符合方法对国际代表性的卫星地球重力场模型进行了频谱和精度分析,结果表明,EIGEN-6C3stat模型在中国西部地区精度要明显优于EGM2008,以CHAMP、 GRACE和GOCE卫星为代表的高-低卫星跟踪卫星、低-低卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测量模式分别对地球重力场600公里波长以上的长波和中长波、300公里波长以上的中波、200公里至350公里波长之间的中短波部分具有显著提升作用。2.深入研究了解析法和半解析法开展重力梯度测量卫星系统指标分析的基础理论和方法,并详细探讨了卫星轨道的设计与计算方法,包括地面轨道、轨道倾角、重力场恢复对卫星轨道的要求等。3.从中短波地球重力场的高精度确定、全球参考框架建设与维护、精密高程基准面建立以及卫星精密定轨等方面对卫星重力梯度测量技术的测绘应用情况进行了论述和分析,明确了重力梯度测量卫星的测绘应用输入。4.基于解析法指标设计方法,对重力梯度测量卫星的总体技术指标,包括重力梯度测量卫星高度、定轨精度、主要载荷精度水平等进行了分析论证,对卫星的轨道参数进行了设计和计算,研究表明：》对于高-低卫星跟踪卫星测量系统而言,轨道高度和加速度计精度是影响地球重力场分辨率和精度的两个主要因素。当轨道高度为400km或者500km时,加速度计精度的提升可有效改善大地水准面的精度,但对大地水准面空间分辨率的提升并不明显。轨道高度越低,加速度计精度的提升对大地水准面反演精度的改善越明显。当卫星轨道高度固定时,加速度计精度的提高与大地水准面精度的提高大致成比例。对于卫星重力梯度测量系统而言,轨道高度和重力梯度仪精度是影响地球重力场分辨率和精度的两个主要因素。随着轨道高度的降低,重力梯度径向分量精度的提升对大地水准面反演精度和分辨率的改善越明显。当轨道高度固定时,重力梯度径向分量精度的提高与大地水准面精度的提高大致成正比。5.基于卫星重力梯度数据确定地球重力场的半解析法,通过地球重力场模型的仿真计算分析,研究了轨道高度、轨道倾角等参数与重力场精度的关系,就重力梯度观测量、高-低卫星跟踪卫星观测量精度与重力场反演精度的关系进行了仿真分析,并对重力梯度观测卫星系统中的残余非保守力控制和质心控制进行了分析。研究表明：当大地水准面反演精度在100km空间分辨率上达到1-2cm时,在轨道确定精度为3cm/(?)和引力梯度张量对角线三分量均为3mE/(?)的精度条件下,则轨道高度需要小于250kmn；当轨道高度为300km时,则Vxx, Vyy, Vzz的观测精度需要优于1mE/(?)。考虑到低轨卫星的轨道控制水平和轨道控制对地球重力场反演精度的影响,重力梯度测量卫星的初始轨道高度设定为250km为优,最高不能超过300km。高-低卫星跟踪卫星的观测精度应优于3cm/(?),重力梯度观测值的精度应保持在3mE/(?)左右。考虑极空白对地球重力场反演的影响,重力梯度测量卫星轨道倾角选择90°到93。为佳。6.利用数值模拟方法对半解析法估计重力场模型的精度进行了验证,结果表明,对圆形、严格重复、常数采样的近极轨道,数值模拟方法和半解析法得到的结果完全一致。7.首次对一种新型重力测量卫星系统(高-低卫星跟踪卫星、低-低卫星跟踪卫星和重力梯度测量相结合的测量模式)进行了指标分析。结果表明,与高-低卫星跟踪卫星和重力梯度测量相结合的测量模式相同,在相同的观测精度条件下,轨道高度仍是决定重力场反演精度的最关键因素；若用模型最高阶次累积大地水准面误差评价不同观测值对联合解算模型的贡献,则星间距离变率或重力梯度观测量占据主要贡献。8.深入研究了卫星重力梯度数据确定地球重力场的理论和卫星轨道仿真方法,重点突破了解析法和半解析法用于指标分析的算法,研制了一套卫星重力梯度测量系统仿真软件包,具备轨道模拟、观测量模拟和指标分析等功能,为我国重力梯度测量卫星技术指标设计与分析建立了原型平台支撑。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P223

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