利用GOCE和GRACE卫星数据确定全球重力场模型

发布时间：2019-01-02 13:59

【摘要】：航天时代的到来,极大地促进了地球重力场模型理论和实践的发展,随着CHAMP (CHAllenging Minisatellite Payload)、GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment)和GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer)三代专用重力卫星任务的成功实施,基于重力卫星观测数据确定全球重力场模型的理论及其应用方兴未艾。本文主要针对GOCE和GRACE卫星数据恢复地球重力场模型的理论和方法进行研究,通过联合两代重力卫星的多类观测数据恢复全球重力场模型,同时提出了一种基于重力卫星观测数据探测全球质量变化的新方法。论文主要工作及创新如下：1.详细叙述了卫星重力测量中涉及的时间和坐标系统,分析并实现了基于IERS2010规范的地固系和惯性系坐标转换算法,分析了GOCE和GRACE卫星受到的各种保守力摄动加速度。完整介绍了引力梯度张量在各个坐标系中的表达式。2.详细分析了地球重力场模型球谐位系数的排列规则,给出了十种典型的球谐位系数排列方式,完整给出了这十种球谐位系数排列方法的各位系数索引计算算法,并以此为基础分析了各球谐位系数排列方式对应法方程矩阵的特点。分析比较了各种计算缔合Legendre函数及其一阶、二阶导数算法的精度和特点,推导了一种计算缔合Legendre函数二阶导数的快速稳定递推算法,新的算法计算精度与传统算法相当,而计算效率提高了一倍以上。3.详细分析了球谐分析和球谐综合算法,并推导了一种适用范围更广泛的基于快速傅里叶变换(FFT)算法的球谐分析和综合算法,新的算法不再要求格网数据必须从零经度开始,避免了格网内插的精度损失,数值实验结果表明新算法的计算效率与传统算法相当。详细推导了含一类和二类局部未知参数时最小二乘法方程的建立方法,并完整给出了消一类和二类局部未知参数时的单位权中误差计算方法,介绍了几种常用的处理病态问题的正则化方法。4.采用能量守恒法、平均加速度法和短弧长积分法解算了GOCE卫星轨道重力场模型,分析了三种方法用于求解GOCE轨道重力场模型时的精度和适用性,同时分析了各自对应的最优正则化方法。采用傅里叶级数的思想解决了利用能量守恒法求解GOCE轨道重力场模型时耗散能和能量常数的计算问题。分析认为平均加速度法和短弧长积分法更适合处理GOCE卫星轨道数据,解算的重力场模型精度较高,而能量守恒法的精度较低,并认为GOCE卫星轨道数据不适合恢复超过120阶次以上的重力场模型。详细论述了GOCE梯度观测数据的处理流程,采用向前向后的零相位有限脉冲带通数字滤波器和移去-恢复法相结合处理梯度数据中的有色噪声,并利用12个月的梯度数据恢复了210阶次的SWJTU-GO01G梯度模型,验证了梯度数据处理的正确性。5.利用12个月左右的GOCE卫星轨道和梯度数据恢复了210阶次的地球重力场模型SWJTU-GO01S,其在210阶次相对EGM2008模型的大地水准面误差和累计误差分别为2.1cm和13.7cm,优于第二代官方模型的精度。采用3年左右的GOCE梯度数据恢复了210阶次的SWJTU-GO02G梯度模型,并联合采用7年左右GRACE数据解算的ITG-Grace2010s模型的法方程,恢复了210阶次的全球重力场模型SWJTU-GOGR01S,其在210阶次的大地水准面误差和累计误差分别为1.3cm和5.7cm,整体精度到了欧空局第三代至第四代模型之间的精度。6.利用恢复的GOCE重力场模型SWJTU-GO01S和CNES-CLS 2010平均海面高模型计算了全球稳态海面地形和海表地转流,并将其与多源数据同化模型CNES-CLS09、海洋浮标观测数据和GRACE重力场模型的结果进行比较,利用SWJTU-GO01S模型计算的精度与第四代官方模型的精度相当,优于GRACE模型的精度。7.推导了一种新的基于低轨重力卫星数据监测全球质量变化的三维加速度点质量模型法,该算法不同于传统的球谐位系数法和MASCON法,不必将球谐位系数作为中间计算量；同时该算法也不同于引力位点质量模型法和径向加速度点质量模型法仅采用标量或一维矢量观测信息,而是完整利用重力卫星的三维观测信号。三维加速度点质量模型法使用灵活,既可采用时变重力场模型推求全球地表质量变化,亦可直接采用重力卫星观测数据计算全球地表质量变化。
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【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P223

【参考文献】