技术领域
[0001] 本
发明涉及大地测量技术领域,具体涉及一种基于张量不变理论的卫星引力梯度数据精度的验证方法。
背景技术
[0002] 卫星引力梯度数据对于确定地球重力场中短波精细结构至关重要。卫星引力梯度的数据精度高低是制约地球重力场中短波
频谱精度的重要前提。为此,卫星引力梯度测量需要进行校准和精度验证。卫星引力梯度观测值的精度验证是确保校准结果稳定、可靠的重要评价过程,是观测值
质量检核的关键步骤。目前卫星外部校准前和校准后的精度验证是基于卫星引力梯度观测张量的迹无关特性展开,该特性只能对对
角线分量的整体精度进行验证,无法对整个梯度张量和其他非对角线分量进行精度验证,从而导致采用该验证方法得到的卫星引力梯度数据的精度偏低,卫星数据的使用性能差,甚至无法使用。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种卫星引力梯度数据精度的验证方法,用以解决目前卫星引力梯度数据的精度偏低而导致的卫星数据的使用性能差乃至无法使用的问题。
[0004] 本发明提供一种基于张量不变理论的卫星引力梯度数据精度的验证方法,包括以下步骤:
[0005] 步骤A:卫星引力梯度张量的整体精度验证;
[0006] 步骤B:卫星引力梯度张量的分量独立精度验证。
[0007] 在上述
实施例中,所述步骤A包括以下步骤:
[0008] 步骤A1:校准前的引力梯度数据精度验证;
[0009] 步骤A2:校准后的引力梯度数据精度验证。
[0010] 在上述实施例中,所述步骤A1包括以下步骤:
[0011] 步骤A1-1:建立张量不变系统{I1,I2,I3},
[0012] 所述张量不变系统{I1,I2,I3}的表达式为:
[0013] I1=V11+V22+V33 (式14-1)
[0014]
[0015]
[0016] 式中:I1为张量不变系统的第一不变量;I2为张量不变系统第二不变量;I3为张量不变系统第三不变量;V11为xx方向的卫星引力梯度分量;V12为xy方向的卫星引力梯度分量;V13为xz方向的卫星引力梯度分量;V22为yy方向的卫星引力梯度分量;V23为yz方向的卫星引力梯度分量;V33为zz方向的卫星引力梯度分量;
[0017] 步骤A1-2:计算真值引力梯度值
[0018] 利用先验校准重力场模型计算真值引力梯度值 先验校准重力场模型的表达式为:
[0019]
[0020] 式中:GM为地心引力常数,r、θ、λ分别为地心向径、地心余纬和地心经度,R为地球平均半径,n、m为球谐模型展开的阶和次, 为引力梯度分量值,λij、为引力梯度张量,i=1,2,3分别表示i=x,y,z方向,j=1,2,3分别表示j=x,y,z方向;
[0021] 步骤A1-3:计算真值张量不变量
[0022] 利用真值引力梯度值 计算真值张量不变量 所述真值张量不变量的表达式为:
[0023]
[0024]
[0025]
[0026] 式中: 为张量不变系统第一不变量的真值, 为张量不变系统第二不变量的真值, 为张量不变系统第三的不变量的真值, 为xx方向的卫星引力梯度分量真值, 为xy方向的卫星引力梯度分量真值, 为xz方向的卫星引力梯度分量真值, 为yy方向的卫星引力梯度分量真值, 为yz方向的卫星引力梯度分量真值, 为zz方向的卫星引力梯度分量真值;
[0027] 步骤A1-4:校准前张量不变量 的计算:
[0028] 将校准前的引力梯度观测值 代入张量不变系统{I1,I2,I3}的计算公式中计算,分别得到校准前不变量 的大小,其中校准前张量不变系统
的表达式分别为:
[0029]
[0030]
[0031]
[0032] 式中: 为校准前的张量不变系统第一不变量, 为校准前的张量不变系统第二不变量, 为校准前的张量不变系统第三不变量, 为校准前的xx方向的卫星引力梯度分量观测值, 为校准前的xy方向的卫星引力梯度分量观测值, 为校准前的xz方向的卫星引力梯度分量观测值, 为校准前的yy方向的卫星引力梯度分量观测值, 为校准前的yz方向的卫星引力梯度分量观测值, 为校准前的zz方向的卫星引力梯度分量观测值;
[0033] 卫星引力梯度数据的外部校准:
[0034] 先通过卫星引力梯度观测值与先验重力场模型计算的引力梯度模型值之间的比对进行分析,再利用最小二乘估计求得卫星引力梯度观测值的外部校准模型参数;
[0035] 步骤A1-5:校准前张量不变系统第二不变量 和校准前张量不变系统第三不变量的相对误差的计算
[0036] 分别计算校准前张量不变系统第二不变量 的相对误差 和张量不变系统第三不变量 的相对误差 其中,
[0037] 的计算公式为:
[0038]
[0039] 的计算公式为:
[0040]
[0041] 在上述实施例中,所述步骤A2包括以下步骤:
[0042] 步骤A2-1:校准后张量不变量 的计算
[0043] 将校准后的卫星引力梯度观测值 代入张量不变系统{I1,I2,I3}的计算公式中计算,分别得到校准后张量不变系统第一不变量 校准后张量不变系统第二不变量 校准后张量不变系统第三不变量 其中张量不变系统第一不变量 张量不变系统第二不变量 张量不变系统第三不变量 的计算表达式分别为:
[0044]
[0045]
[0046]
[0047] 式中: 为校准后的xx方向的卫星引力梯度分量观测值, 为校准后的xy方向的卫星引力梯度分量观测值, 为校准后的xz方向的卫星引力梯度分量观测值, 为校准后的yy方向的卫星引力梯度分量观测值, 为校准后的yz方向的卫星引力梯度分量观测值,为校准后的zz方向的卫星引力梯度分量观测值;
[0048] 步骤A2-2:校准后张量不变系统第二不变量 和张量不变系统第三不变量 的相对误差的计算
[0049] 分别计算校准后张量不变系统第二不变量 的相对误差 和校准后张量不变系统第三不变量 的相对误差
[0050] 其中 的计算公式为:
[0051]
[0052] 的计算公式为:
[0053]
[0054] 由此,通过校准前后张量不变系统第二不变量的相对误差 与 以及校准前后张量不变系统第三不变量 与 的相对误差的比较,实现了对卫星引力梯度张量的整体精度验证。
[0055] 在上述实施例中,所述步骤B包括以下步骤:
[0056] 步骤B1:校准前卫星引力梯度张量每个分量的独立精度验证;
[0057] 步骤B2:校准后卫星引力梯度张量每个分量的独立精度验证。
[0058] 在上述实施例中,所述步骤B1包括以下步骤:
[0059] 步骤B1-1:按照所述步骤A1-2计算校准前卫星引力梯度张量真值引力梯度值[0060] 步骤B1-2:按照所述步骤A1-2计算校准前卫星引力梯度张量真值引力梯度值[0061] 步骤B1-3:校准前卫星引力梯度观测值xx方向V11分量的张量不变评价因子的计算
[0062] 将校准前卫星引力梯度观测值 分量和真值引力梯度值 分量代入如下公式:
[0063]
[0064]
[0065]
[0066] 据此计算校准前的V11分量的张量不变评价因子
[0067] 步骤B1-4:校准前卫星引力梯度观测值yy方向V22分量的张量不变评价因子的计算
[0068] 将校准前卫星引力梯度观测值 分量和真值引力梯度值 分量代入如下公式:
[0069]
[0070]
[0071]
[0072] 据此计算校准前的张量不变评价因子
[0073] 步骤B1-5:校准前卫星引力梯度观测值zz方向V33分量的张量不变评价因子的计算
[0074] 将校准前卫星引力梯度观测值 分量和真值引力梯度值 分量代入如下公式:
[0075]
[0076]
[0077]
[0078] 据此计算校准前的张量不变评价因子
[0079] 步骤B1-6:校准前卫星引力梯度观测值xy方向V12分量的张量不变评价因子的计算
[0080] 将校准前卫星引力梯度观测值 分量和真值引力梯度值 分量代入如下公式:
[0081]
[0082]
[0083] 据此计算校准前的张量不变评价因子
[0084] 步骤B1-7:校准前卫星引力梯度观测值xz方向V13分量的张量不变评价因子的计算
[0085] 将校准前卫星引力梯度观测值 分量和真值引力梯度值 分量代入如下公式:
[0086]
[0087]
[0088] 据此计算校准前的张量不变评价因子
[0089] 步骤B1-8:校准前卫星引力梯度观测值yz方向V23分量的张量不变评价因子的计算
[0090] 将校准前卫星引力梯度观测值 分量和真值引力梯度值 分量代入如下公式:
[0091]
[0092]
[0093] 据此计算校准前的张量不变评价因子
[0094] 步骤B1-9:校准前卫星引力梯度观测值各个分量张量不变评价因子的相对误差的计算
[0095] 分别计算校准前卫星引力梯度观测值各个分量张量不变评价因子和 的相对误差 和
其中 的计算公式为:
[0096]
[0097] 的计算公式为:
[0098]
[0099] 的计算公式为:
[0100]
[0101] 在上述实施例中,所述步骤B2包括以下步骤:
[0102] 步骤B2-1:按照所述步骤A1-2计算校准前卫星引力梯度张量真值引力梯度值[0103] 步骤B2-2:按照所述步骤A1-2计算校准前卫星引力梯度张量真值引力梯度值[0104] 步骤B2-3:校准后卫星引力梯度观测值xx方向V11分量的张量不变评价因子的计算
[0105] 将校准后卫星引力梯度观测值 分量和真值引力梯度值 分量代入如下公式:
[0106]
[0107]
[0108]
[0109] 据此计算校准后的张量不变评价因子
[0110] 步骤B2-4:校准后卫星引力梯度观测值yy方向V22分量的张量不变评价因子的计算
[0111] 将校准后卫星引力梯度观测值 分量和真值引力梯度值 分量代入如下公式:
[0112]
[0113]
[0114]
[0115] 据此计算校准后的张量不变评价因子
[0116] 步骤B2-5:校准后卫星引力梯度观测值zz方向V33分量的张量不变评价因子计算
[0117] 将校准后卫星引力梯度观测值 分量和真值引力梯度值 分量代入如下公式:
[0118]
[0119]
[0120]
[0121] 据此计算校准后的张量不变评价因子
[0122] 步骤B2-6:校准后卫星引力梯度观测值xy方向V12分量的张量不变评价因子的计算
[0123] 将校准后卫星引力梯度观测值 分量和真值引力梯度值 分量代入如下公式:
[0124]
[0125]
[0126] 据此计算校准后的张量不变评价因子
[0127] 步骤B2-7:校准后卫星引力梯度观测值xz方向V13分量的张量不变评价因子的计算
[0128] 将校准后卫星引力梯度观测值 分量和真值引力梯度值 分量代入如下公式:
[0129]
[0130]
[0131] 据此计算校准后的张量不变评价因子
[0132] 步骤B2-8:校准后卫星引力梯度观测值yz方向V23分量的张量不变评价因子的计算
[0133] 将校准后卫星引力梯度观测值 分量和真值引力梯度值 分量代入如下公式:
[0134]
[0135]
[0136] 据此计算校准后的张量不变评价因子
[0137] 步骤B2-9:校准后卫星引力梯度观测值各个分量的相对误差的计算
[0138] 分别计算校准后卫星引力梯度观测值各个分量张量不变评价因子和 的相对误差 和
其中 的计算公式为:
[0139]
[0140] 的计算公式为:
[0141]
[0142] 的计算公式为:
[0143]
[0144] 由此,通过校准前后卫星引力梯度观测值各个分量张量不变评价因子相对误差和的比较,实现了对卫星引力梯度张量的分量独立精度验证。
[0145] 本发明的有益效果是:
[0146] 本发明公开的基于张量不变理论的卫星引力梯度数据精度的验证方法,以张量不变理论为
基础,将卫星引力梯度观测值的张量不变特性应用于重力梯度测量卫星重力梯度仪校准前后的精度验证中,实现了引力梯度张量六个分量的整体精度、可靠性和
稳定性的验证;通过引入先验的校准用重力场模型,可实现引力梯度张量主对角线和非对角线六个分量的精度、可靠性和稳定性的独立验证。
具体实施方式
[0147] 以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的保护范围。
[0148] 实施例1
[0149] 实施例1提供一种基于张量不变理论的卫星引力梯度数据精度的验证方法,该验证方法包括以下步骤:
[0150] 步骤A:卫星引力梯度张量的整体精度验证。
[0151] 其中,所述步骤A包括以下步骤:
[0152] 步骤A1:校准前的引力梯度数据精度验证;
[0153] 具体地,所述步骤A1包括以下步骤:
[0154] 步骤A1-1:建立张量不变系统{I1,I2,I3},该张量不变系统{I1,I2,I3}的表达式为:
[0155] I1=V11+V22+V33(式14-1)
[0156]
[0157]
[0158] 式中:I1为张量不变系统第一不变量;I2为张量不变系统第二不变量;I3为张量不变系统第三不变量;V11为xx方向的卫星引力梯度分量;V12为xy方向的卫星引力梯度分量;V13为xz方向的卫星引力梯度分量;V22为yy方向的卫星引力梯度分量;V23为yz方向的卫星引力梯度分量;V33为zz方向的卫星引力梯度分量。
[0159] 步骤A1-2:计算真值引力梯度值
[0160] 利用先验校准重力场模型可计算得到真值引力梯度值 其计算表达式为:
[0161]
[0162] 式中:GM为地心引力常数,r、θ、λ分别为地心向径、地心余纬和地心经度,R为地球平均半径,n、m为球谐模型展开的阶和次, 为利用先验的校准所用的重力场模型计算得到的引力梯度分量值,λij、 为引力梯度张量,其表达式参见表1,i=1,2,3分别为i=x,y,z方向,j=1,2,3分别为j=x,y,z方向。
[0163] 表1局部指北
坐标系下的引力梯度分量表达式
[0164]
[0165] 表1中: 为完全规格化缔合勒让德函数, 为重力场模型的完全规格化的引力位球谐系数, 和 为勒让德函数 对地心余纬θ的一、
二阶导数。
[0166] 步骤A1-3:计算真值张量不变量
[0167] 利用真值引力梯度值 计算真值张量不变量{I1,I2,I3},该真值张量不变量{I1,I2,I3}的表达式为:
[0168]
[0169]
[0170]
[0171] 式中: 为张量不变系统第一不变量的真值; 为张量不变系统第二不变量的真值; 为张量不变系统第三不变量的真值; 为xx方向的卫星引力梯度分量真值; 为xy方向的卫星引力梯度分量真值; 为xz方向的卫星引力梯度分量真值; 为yy方向的卫星引力梯度分量真值; 为yz方向的卫星引力梯度分量真值; 为zz方向的卫星引力梯度分量真值。
[0172] 步骤A1-4:校准前张量不变量 的计算:
[0173] 将校准前的引力梯度观测值 代入张量不变系统{I1,I2,I3}的计算公式中计算,分别得到校准前不变量 的大小,所述校准前不变量 的计
算表达式为:
[0174]
[0175]
[0176]
[0177] 式中: 为校准前的张量不变系统第一不变量、 为校准前的张量不变系统第二不变量、 为校准前的张量不变系统第三不变量、 为校准前的xx方向的卫星引力梯度分量观测值、 为校准前的xy方向的卫星引力梯度分量观测值、 为校准前的xz方向的卫星引力梯度分量观测值、 为校准前的yy方向的卫星引力梯度分量观测值、 为校准前的yz方向的卫星引力梯度分量观测值、 为校准前的zz方向的卫星引力梯度分量观测值。
[0178] 在进行卫星引力梯度数据的精度验证前,卫星引力梯度数据的外部校准一般基于先验重力场模型进行,即通过卫星引力梯度观测值与先验重力场模型计算的引力梯度模型值之间的比对进行,校准模型如下:
[0179]
[0180] 式中:E是期望算子,y是真实的卫星引力梯度值,这里用先验重力场模型值ym代替。λ是校准的尺度因子,ys是卫星引力梯度观测值,Δy是校准的偏差因子,y'为趋势,ω=2πt/T,t为时间,T为平均轨道周期,ak和bk是傅里叶系数。模型参数有3+2K个,即尺度因子、偏差、趋势和2K个傅里叶系数。
[0181] 再利用最小二乘估计即可求得卫星引力梯度观测值的外部校准模型参数。
[0182] 步骤A1-5:校准前张量不变系统第二不变量 和校准前张量不变系统第三不变量的相对误差的计算
[0183] 分别计算校准前张量不变量I2和I3的相对误差 和 其中 的计算公式为:
[0184]
[0185] 的计算公式为:
[0186]
[0187] 步骤A2:校准后的引力梯度数据精度验证。
[0188] 其中,所述步骤A2包括以下步骤:
[0189] 步骤A2-1:校准后张量不变量 的计算:
[0190] 将校准后的卫星引力梯度观测值 代入张量不变系统{I1,I2,I3}的计算公式中计算,分别得到校准后张量不变系统第一不变量 校准后张量不变系统第二不变量 校准后张量不变系统第三不变量 其中所述校准后不变量 的计算
表达式为:
[0191]
[0192]
[0193]
[0194] 式中: 为校准后的张量不变系统第一不变量, 为校准后的张量不变系统第二不变量, 为校准后的张量不变系统第三不变量, 为校准后的xx方向的卫星引力梯度分量观测值, 为校准后的xy方向的卫星引力梯度分量观测值, 为校准后的xz方向的卫星引力梯度分量观测值, 为校准后的yy方向的卫星引力梯度分量观测值, 为校准后的yz方向的卫星引力梯度分量观测值, 为校准后的zz方向的卫星引力梯度分量观测值。
[0195] 步骤A2-2:校准后张量不变系统第二不变量 和张量不变系统第三不变量 的相对误差的计算
[0196] 分别计算校准后张量不变系统第二不变量 的相对误差 和校准后张量不变系统第三不变量 的相对误差 其中 的计算公式为:
[0197]
[0198] 的计算公式为:
[0199]
[0200] 由此,通过校准前后张量不变系统第二不变量的相对误差 与 以及校准前后张量不变系统第三不变量 与 的相对误差的比较,实现了对卫星引力梯度张量的整体精度验证。
[0201] 步骤B:卫星引力梯度张量的分量独立精度验证。
[0202] 其中,所述步骤B包括以下步骤:
[0203] 步骤B1:校准前卫星引力梯度张量每个分量的独立精度验证;
[0204] 具体地,所述步骤B1包括以下步骤:
[0205] 步骤B1-1:按照所述步骤A1-2计算校准前卫星引力梯度张量真值引力梯度值[0206] 利用先验校准重力场模型可计算得到真值引力梯度值 计算表达式为:
[0207]
[0208] 式中:GM为地心引力常数,r,θ,λ为地心向径、地心余纬和地心经度,R为地球平均半径,n、m为球谐模型展开的阶和次, 为利用先验的校准所用的重力场模型计算得到的引力梯度分量值,符号λij、 的表达式如表1所示,i,j=1,2,3
为i,j=x,y,z方向。
[0209] 步骤B1-2:按照所述步骤A1-2计算校准前卫星引力梯度张量真值引力梯度值[0210] 步骤B1-3:校准前卫星引力梯度观测值xx方向V11分量的张量不变评价因子的计算
[0211] 将校准前卫星引力梯度观测值 分量和真值引力梯度值分量代入如下公式:
[0212]
[0213]
[0214]
[0215] 得到校准前卫星引力梯度观测值xx方向V11分量的张量不变评价因子
[0216] 步骤B1-4:校准前卫星引力梯度观测值yy方向V22分量的张量不变评价因子的计算
[0217] 将校准前卫星引力梯度观测值 分量和真值引力梯度值 分量代入如下公式:
[0218]
[0219]
[0220]
[0221] 得到校准前卫星引力梯度观测值yy方向V22分量的张量不变评价因子
[0222] 步骤B1-5:校准前卫星引力梯度观测值zz方向V33分量的张量不变评价因子的计算
[0223] 将校准前卫星引力梯度观测值 分量和真值引力梯度值 分量代入如下公式:
[0224]
[0225]
[0226]
[0227] 得到校准前卫星引力梯度观测值zz方向V33分量的张量不变评价因子
[0228] 步骤B1-6:校准前卫星引力梯度观测值xy方向V12分量的张量不变评价因子的计算
[0229] 将校准前卫星引力梯度观测值 分量和真值引力梯度值 分量代入如下公式:
[0230]
[0231]
[0232] 得到校准前卫星引力梯度观测值xy方向V12分量的张量不变评价因子
[0233] 步骤B1-7:校准前卫星引力梯度观测值xz方向V13分量的张量不变评价因子的计算
[0234] 将校准前卫星引力梯度观测值 分量和真值引力梯度值 分量代入如下公式:
[0235]
[0236]
[0237] 得到校准前卫星引力梯度观测值xz方向V13分量的张量不变评价因子
[0238] 步骤B1-8:校准前卫星引力梯度观测值yz方向V23分量的张量不变评价因子的计算
[0239] 将校准前卫星引力梯度观测值 分量和真值引力梯度值 分量代入如下公式:
[0240]
[0241]
[0242] 得到校准前卫星引力梯度观测值yz方向V23分量的张量不变评价因子
[0243] 步骤B1-9:校准前卫星引力梯度观测值各个分量的精度的验证
[0244] 分别计算校准前卫星引力梯度观测值各个分量张量不变评价因子和 的相对误差 和
其中 的计算公式为:
[0245]
[0246] 的计算公式为:
[0247]
[0248] 的计算公式为:
[0249]
[0250] 步骤B2:校准后卫星引力梯度张量每个分量的独立精度验证。
[0251] 其中,所述步骤B2包括以下步骤:
[0252] 步骤B2-1:按照所述步骤A1-2计算校准前卫星引力梯度张量真值引力梯度值[0253] 步骤B2-2:按照所述步骤A1-2计算校准前卫星引力梯度张量真值引力梯度值[0254] 步骤B2-3:校准后卫星引力梯度观测值xx方向V11分量的张量不变评价因子的计算
[0255] 将校准后卫星引力梯度观测值 分量和真值引力梯度值 分量代入如下公式:
[0256]
[0257]
[0258]
[0259] 得到校准后卫星引力梯度观测值xx方向V11分量的张量不变评价因子
[0260] 步骤B2-4:校准后卫星引力梯度观测值yy方向V22分量的张量不变评价因子的计算
[0261] 将校准后卫星引力梯度观测值 分量和真值引力梯度值 分量代入如下公式:
[0262]
[0263]
[0264]
[0265] 得到校准后卫星引力梯度观测值yy方向V22分量的张量不变评价因子
[0266] 步骤B2-5:校准后卫星引力梯度观测值zz方向V33分量的张量不变评价因子计算
[0267] 将校准后卫星引力梯度观测值 分量和真值引力梯度值 分量代入如下公式:
[0268]
[0269]
[0270]
[0271] 得到校准后卫星引力梯度观测值zz方向V33分量的张量不变评价因子
[0272] 步骤B2-6:校准后卫星引力梯度观测值xy方向V12分量的张量不变评价因子的计算
[0273] 将校准后卫星引力梯度观测值 分量和真值引力梯度值 分量代入如下公式:
[0274]
[0275]
[0276] 得到校准后卫星引力梯度观测值xy方向V12分量的张量不变评价因子
[0277] 步骤B2-7:校准后卫星引力梯度观测值xz方向V13分量的张量不变评价因子的计算
[0278] 将校准后卫星引力梯度观测值 分量和真值引力梯度值分量代入如下公式:
[0279]
[0280]
[0281] 得到校准后卫星引力梯度观测值xz方向V13分量的张量不变评价因子
[0282] 步骤B2-8:校准后卫星引力梯度观测值yz方向V23分量的张量不变评价因子的计算
[0283] 将校准后卫星引力梯度观测值 分量和真值引力梯度值 分量代入如下公式:
[0284]
[0285]
[0286] 得到校准后卫星引力梯度观测值yz方向V23分量的张量不变评价因子
[0287] 步骤B2-9:校准后卫星引力梯度观测值各个分量的相对误差的计算
[0288] 分别计算校准后卫星引力梯度观测值各个分量张量不变评价因子和 的相对误差 和
其中 的计算公式为:
[0289]
[0290] 的计算公式为:
[0291]
[0292] 的计算公式为:
[0293]
[0294] 由此,通过校准前后卫星引力梯度观测值各个分量张量不变评价因子相对误差和的比较,实现了对卫星引力梯度张量的分量独立精度验证。
[0295] 虽然,上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之作一些
修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。