GRACE卫星精密轨道确定与一步法恢复地球重力场

发布时间：2017-08-29 00:32

  本文关键词：GRACE卫星精密轨道确定与一步法恢复地球重力场

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【摘要】：地球重力场作为反映地球物质分布与运动规律的基本物理场,在地球科学及相关学科的研究中具有极其重要的作用。近十几年来,随着CHAMP、GRACE、GOCE等重力卫星的相继发射,卫星重力测量技术成为中低阶全球重力场及其时变探测的重要手段。获取高精度的地球重力场及其时变,星载GPS数据质量控制、卫星动力学模型精化、大规模参数估计、高性能计算等都是必须要克服的技术难题。本文紧紧围绕着低轨卫星精密定轨与地球重力场恢复的理论与算法展开研究,自主开发了卫星精密定轨定位与重力场恢复系统(Satellite Precise Orbit Determination And Gravity Field Recorvey System, SPODAGRS),实现了GRACE卫星厘米级精密定轨,完成了一步法恢复地球重力场。本文的主要工作和贡献如下：1.研究并实现了时间系统、坐标系统的转换。基于 IERS 2010和SOFA,实现了卫星精密定轨中常用的时间系统、坐标系统及参考框架的转换。2.系统阐述了低轨卫星精密定轨理论与算法。深入研究了动力法定轨和配置积分器的基本原理,基于矢量求导法则详细推导了各种动力学模型对卫星位置、速度和力学参数的偏导数,尤其是基于数学归纳法详细推导了地固系下地球引力、引力梯度及引力对位系数偏导数的递推公式,避免了地球引力在两极附近的奇异性。3.提出了一种高效的低轨卫星精密定轨算法。针对低轨卫星定轨中分段力学参数过多,执行效率较低的问题,分析了待估参数与设计矩阵、法矩阵的映射关系。通过引入分段初轨变量并执行对力学参数的参数变换,在定轨过程中适时将过期的力学参数消掉,从而降低了积分器和法方程的维数,大幅提高了计算效率。实验结果表明：高效算法与传统算法相比,耗时最多节省了78%。4.分析了GRACE卫星星间测距数据KBR的基本观测模型,提出了一种基于KBR数据一阶、二阶导数的KBR数据周跳探测方法,实现了双星约化动力法定轨。利用星载GPS双频伪距和载波数据并附加KBR数据,基于伪随机脉冲和9参数经验力模型实现了双星约化动力法定轨。实验结果表明：双星定轨在R、T、N三个方向RMS均不超过0.03m,与单星定轨相比,最大提高了0.003m,大部分都提高了0.001m。5.针对GRACE卫星非保守力难以精确建模的问题,研究了卫星加速度计数据用作非保守力的基本原理,利用星载GPS双频伪距和载波数据并附加KBR数据,实现了双星动力法定轨。实验结果表明：R方向RMS基本不超过0.01m,T方向RMS不超过0.03m,N方向RMS基本不超过0.04m。6.针对动力法恢复地球重力场需要多天观测数据联合求解的问题,研究了卫星多天数据联合解算的基本原理,提出了一种基于高效定轨算法的广义轨道综合方法,推导了相关参数变换公式并给出了具体实施步骤。7.利用GRACE卫星精密轨道数据恢复地球重力场,分别基于9参数经验力模型、伪随机脉冲和加速度计数据得到了3个60阶地球重力场模型GR-EMP-2-1、GR-PLU-2-1和GR-ACC-2-1。与GFZ精密轨道相比,最终轨道RMS分别不超过0.002m、0.000m和0.006m；与DIR_R5重力场模型相比可以看出,GR-PLU-2-1和GR-EMP-2-1模型精度较高,全球大地水准面标准差分别为0.28m和0.44m,相应的高程异常与实测值标准差分别为0.22m和0.27m。8.针对两步法恢复地球重力场理论不够严密的问题,深入研究并实现了理论更加严密的一步法恢复地球重力场。该方法采用15天的GRACE双星星载GPS数据并附加KBR数据,分别利用9参数经验力模型、伪随机脉冲和加速度计数据代替非保守力,得到了3个重力场模型GR-EMP-1-2-KBR、GR-PLU-1-2-KBR和GR-ACC-1-2-KBR,其中前两个模型精度相对较高,全球大地水准面高与DIR—R5模型相比,标准差分别为0.54m,0.55m,相应的模型高程异常与实测值相比,标准差分别为0.58m和0.56m；如果只采用星载GPS数据,得到的重力场模型GR-EMP-1-2、GR-PLU-1-2对应的全球大地水准面高与DIR_R5模型相比,标准差分别为0.91m,0.79m,相应的模型高程异常与实测值相比,标准差分别为1.26m和1.40m。上述结果表明：KBR观测量对恢复地球重力场的影响十分显著,能够大幅提高所恢复的地球重力场模型的精度。9.针对恢复地球重力场中运算量大、单机计算耗时较长的问题,提出了并行计算的解决方案。该方案充分利用现有计算机硬件优势,将多线程并行计算、多进程并行计算和基于网络环境下的多计算机分布式计算有机组合起来,实现了基于网络环境的分布式计算方法恢复地球重力场,大大提高了计算效率。10.自主开发了卫星精密定轨定位与重力场恢复系统。基于标准C++编程语言和SOCKET网络编程API,独立开发了一套卫星精密定轨定位与重力场恢复系统SPODAGRS。该系统作为一个综合软件平台,实现了GPS卫星轨道动力学平滑、低轨卫星轨道动力学平滑、低轨卫星几何法定轨、动力法定轨、约化动力法定轨、两步法恢复地球重力场和一步法恢复地球重力场等功能。
【关键词】：低轨卫星 GRACE 星载GPS 精密轨道确定 约化动力法 分布式计算 地球重力场
【学位授予单位】：解放军信息工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P223
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第一章 绪论14-30
• 1.1 研究背景与意义14-16
• 1.2 卫星轨道确定技术的发展16-20
• 1.3 星载GPS技术的发展20-23
• 1.4 卫星重力技术的发展23-28
• 1.5 主要研究内容28-30
• 第二章 时间系统与坐标系统30-50
• 2.1 IERS简介30-32
• 2.2 系统、框架及转换32-45
• 2.2.1 GCRS和ITRS坐标之间的转换33-37
• 2.2.2 参考框架及转换37-39
• 2.2.3 时间系统及转换39-41
• 2.2.4 卫星定轨中常用的局部坐标系41
• 2.2.5 基于SOFA和混合编程技术的坐标变换41-45
• 2.3 矢量求导规则及约定45-49
• 2.4 本章小结49-50
• 第三章 卫星精密轨道确定基本理论与算法50-98
• 3.1 基本观测模型50-52
• 3.1.1 基本观测量50-51
• 3.1.2 消电离层线性组合51
• 3.1.3 消几何距离组合51-52
• 3.1.4 伪距窄巷组合与相位宽巷组合52
• 3.1.5 Melbourne-Wubbena组合52
• 3.2 基本周跳探测方法52-58
• 3.2.1 电离层残差法探测周跳53
• 3.2.2 L_4拟合法探测周跳53-54
• 3.2.3 TurbuEdit周跳探测方法54-56
• 3.2.4 相位平滑伪距基本原理56-58
• 3.3 基本动力学模型58-93
• 3.3.1 地球引力58-77
• 3.3.2 N体摄动77-78
• 3.3.3 光压模型78-86
• 3.3.4 大气阻力模型86-88
• 3.3.5 9参数经验力模型88-90
• 3.3.6 相对论效应90-92
• 3.3.7 伪随机脉冲92-93
• 3.4 动力法定轨基本原理93-96
• 3.4.1 动力方程93-94
• 3.4.2 状态转移矩阵94
• 3.4.3 敏感矩阵94-95
• 3.4.4 观测方程与参数估计95-96
• 3.5 本章小结96-98
• 第四章 基于高效算法的卫星轨道动力学平滑98-124
• 4.1 参数化方法98-100
• 4.2 参数的变换与消元100-104
• 4.2.1 参数与法矩阵的映射关系100-102
• 4.2.2 参数变换基本原理102-103
• 4.2.3 参数消元基本原理103-104
• 4.3 配置积分器的基本原理104-109
• 4.3.1 基本原理104-106
• 4.3.2 配置积分器的起步106-107
• 4.3.3 算法的优化107-109
• 4.4 基于参数变换的高效定轨算法109-116
• 4.5 卫星轨道动力学平滑算例分析116-123
• 4.5.1 GPS卫星精密轨道动力学平滑116-117
• 4.5.2 GRACE卫星精密轨道动力学平滑117-121
• 4.5.3 传统算法与高效算法计算效率的比较121-123
• 4.6 本章小结123-124
• 第五章 GRACE卫星精密轨道确定124-142
• 5.1 GRACE卫星几何法定轨及动力学平滑124-129
• 5.1.1 几何法定轨基本原理124-125
• 5.1.2 几何法定轨精度分析125-128
• 5.1.3 几何轨道的动力学平滑128-129
• 5.2 GRACE卫星约化动力法精密定轨129-132
• 5.2.1 基本原理129-130
• 5.2.2 约化动力法定轨算例分析130-132
• 5.3 KBR观测量在双星精密定轨中的应用132-137
• 5.3.1 基本观测模型132-134
• 5.3.2 KBR观测量的周跳探测134-136
• 5.3.3 双星精密定轨算例分析136-137
• 5.4 星载加速度计数据在精密定轨中的应用137-141
• 5.4.1 基本原理137-139
• 5.4.2 动力法双星精密定轨算例分析139-141
• 5.5 本章小结141-142
• 第六章 GRACE卫星一步法恢复地球重力场142-176
• 6.1 基于高效算法的广义轨道综合142-148
• 6.1.1 单天解法方程表达式142-143
• 6.1.2 初轨参数的综合143-144
• 6.1.3 力学参数和模糊度参数的综合144-145
• 6.1.4 轨道综合步骤和详细参数变换公式145-148
• 6.2 KBR观测量对恢复地球重力场模型的影响分析148-151
• 6.3 恢复地球重力场参数设置与精度评估方法151-153
• 6.4 利用精密轨道数据恢复地球重力场精度分析153-161
• 6.4.1 轨道精度的比较154-158
• 6.4.2 重力场内符合精度的比较158-161
• 6.4.3 重力场外符合精度的比较161
• 6.5 利用星载GPS单星数据恢复地球重力场精度分析161-166
• 6.5.1 轨道精度的比较162-163
• 6.5.2 内符合精度的比较163-165
• 6.5.3 外符合精度的比较165-166
• 6.6 附加KBR双星星载GPS数据恢复地球重力场精度分析166-174
• 6.6.1 轨道精度的比较166-168
• 6.6.2 内符合精度的比较168-172
• 6.6.3 外符合精度的比较172-174
• 6.7 本章小结174-176
• 第七章 SPODAGRS软件设计与实现176-192
• 7.1 软件开发环境176-177
• 7.2 主要功能概述177-179
• 7.3 面向对象的方法179-187
• 7.3.1 核心类的功能设计179-184
• 7.3.2 非核心类功能设计184-185
• 7.3.3 多索引变量的排序算法185-187
• 7.4 SPODAGRS高性能计算187-190
• 7.4.1 SPODAGRS高性能计算概述187-188
• 7.4.2 SPODAGRS高性能计算基本策略188-190
• 7.5 本章小结190-192
• 第八章 结论与展望192-196
• 8.1 本文主要工作及贡献192-194
• 8.2 后续工作与展望194-196
• 致谢196-198
• 参考文献198-214
• 作者简介214

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本文编号：750392