专利汇可以提供利用不同轨道倾角卫星联合反演地球重力场的方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种地球重 力 场精密测量方法,特别是一种利用不同轨道倾 角 卫星联合反演地球重力场的方法;基于扰动星间 加速 度法,利用GRACE卫星K波段测距仪的星间距离、星间速度和星间加速度测量数据、GPS接收机的卫星轨道 位置 测量数据和卫星轨道速度测量数据、以及 加速度计 的非保守力测量数据,通过不同轨道倾角卫星最优组合,进而精确和快速反演地球重力场;该方法卫星重力反演 精度 高,同时敏感于引力位带谐项和田谐项系数精度,地球重力场解算速度快,卫星观测方程物理含义明确,计算机性能要求低;因此,不同轨道倾角卫星联合法是反演高精度和高空间 分辨率 地球重力场的优选方法。,下面是利用不同轨道倾角卫星联合反演地球重力场的方法专利的具体信息内容。
1.一种利用不同轨道倾角卫星联合反演地球重力场的方法,其特征在于包括如下步骤:
步骤1:采集GRACE双星的关键载荷数据从而获得双星测量数据,通过GRACE双星的星载K波段测距仪采集星间距离ρ12、星间速度 和星间加速度 通过星载GPS接收机采集双星轨道位置(r1,r2)和双星轨道速度 通过星载加速度计获取作用于双星的非保守力(f1,f2);
步骤2:通过残余地心引力差、残余地球扰动引力差、残余保守力差和残余非保守力差对扰动轨道加速度差的影响,建立扰动星间加速度观测方程,将步骤1中所获得的双星测量数据代入扰动星间加速度观测方程,使用最小二乘法反演获得地球引力位系数 和步骤3:基于扰动星间加速度观测方程,利用不同轨道倾角卫星的测量数据进行地球重力场反演,将反演得到的地球引力位系数精度进行对比,进而分析不同轨道倾角的GRACE双星测量数据分别对地球引力位带谐项、扇谐项、田谐项系数精度的影响;
步骤4:基于不同轨道倾角的双星测量数据联合反演地球重力场,其中不同轨道倾角的双星测量数据至少包括一组89°高轨道倾角的GRACE双星测量数据和另一组82°~84°低轨道倾角的GRACE双星测量数据。
2.如权利要求1所述的利用不同轨道倾角卫星联合反演地球重力场的方法,其特征在于:所述步骤1还包括如下步骤:
利用9阶Runge-Kutta线性单步法和12阶Adams-Cowell线性多步法数值模拟公式获取双星参考轨道位置 和双星参考轨道速度
通过参考轨道位置 和参考轨道速度 计算获得参考星间距离 参考
星间速度 和参考星间加速度
通过DTM2000阻力温度模型计算获得参考非保守力
通过国际公布模型DE-405、IERS96和CSR4.0联合计算获取作用于双星的保守力(F1,F2)和参考保守力
3.如权利要求2所述的利用不同轨道倾角卫星联合反演地球重力场的方法,其特征在于:所述步骤2具体包括如下步骤:
在地心惯性系中,将GRACE双星的星间距离ρ12表示为
ρ12=r12·e12 (1)
其中,r12=r2-r1表示GRACE双星的相对轨道位置矢量,r1和r2分别表示双星的绝对轨道位置矢量;e12=r12/|r12|表示GRACE双星中由GRACE-A指向GRACE-B的单位矢量;
将GRACE双星的参考星间距离 表示为
其中, 表示GRACE双星的相对参考轨道位置矢量, 和 分别表示双星的
绝对参考轨道位置矢量;
通过公式(1)-公式(2),GRACE双星的扰动星间距离δρ12表示为
δρ12=δr12·e12 (3)
其中,
在公式(3)两边同时对时间t求导数,可得GRACE双星的扰动星间速度
其中, 表示GRACE双星的相对扰动轨道速度矢量, 和 表示相对轨道
速度和相对参考轨道速度矢量, 表示垂直于GRACE双星连线的单位矢量
因为 所以公式(4)简化为
在公式(6)两边同时对时间t求导数,可得GRACE双星的扰动星间加速度其中, 表示GRACE双星的相对扰动轨道加速度矢量
其中, 表示除地球引力之外的残余保守力差,F1和
F2表示作用于双星的保守力, 和 表示参考保守力;
表示残余非保守力差,f1和f2表示作用于双星的非保守力, 和 表示参考非保守力;
表示残余地心引力差,g1和g2表示双星的地心引力, 和
表示参考地心引力
其中,GM表示地球质量M和万有引力常数G的乘积, 分别表
示双星的地心半径,x1(2),y1(2),z1(2)表示轨道位置矢量r1(2)的3个分量;
基于公式(5)~公式(8),扰动星间加速度观测方程表示为
其中, 表示残余地球扰动位的一阶梯度,V1和V2表示
地球扰动位, 和 表示参考地球扰动位
其中,r,θ,λ分别表示地心半径、地心余纬度和地心经度,Re表示地球平均半径,L表示地球引力位按球谐函数展开的最大阶数; 表示正规化的缔合Legendre函数,l表示阶数,m表示次数; 和 表示待估的地球引力位系数;
最后,通过将步骤1中所获得的双星测量数据代入扰动星间加速度观测方程(10),利用最小二乘法反演获得地球引力位系数 和
4.如权利要求3所述的利用不同轨道倾角卫星联合反演地球重力场的方法,其特征在于:所述步骤3具体包括如下步骤:
基于扰动星间加速度观测方程,采用GRACE卫星公布的关键载荷精度指标:星间速度-6 -2 -5 -10 2
1×10 m/s、轨道位置3×10 m、轨道速度3×10 m/s、非保守力3×10 m/s,利用不同轨道倾角85°、87°和89°卫星的测量数据反演地球引力位系数,并将其结果与德国地学研究中心公布的120阶EIGEN-GRACE02S地球重力场模型的引力位系数的实测精度进行对比;
分析不同轨道倾角的GRACE双星测量数据对地球引力位带谐项系数精度的影响;
分析不同轨道倾角的GRACE双星测量数据对地球引力位扇谐项系数精度的影响;
分析不同轨道倾角的GRACE双星测量数据对地球引力位田谐项系数精度的影响;
分析不同轨道倾角的GRACE双星测量数据对地球引力位带谐项、扇谐项、田谐项系数精度的整体影响。
5.如权利要求4所述的利用不同轨道倾角卫星联合反演地球重力场的方法,其特征在于:所述步骤4中的基于不同轨道倾角的双星测量数据联合反演大地水准面精度包括如下步骤:
采用两组GRACE双星对地球重力场进行测量,两组GRACE双星分别采用89°和
0°~89°轨道倾角,两组GRACE双星的测量数据联合反演120阶GRACE地球重力场的引力位系数表示为
其中, 和 分别表示基于89°轨道倾角和0°~89°轨道倾角的GRACE双星测量数据所反演的地球引力位系数向量; 和 分别表示地球引力位
系数 和 的权系数向量, 和 分别表示基于89°轨道倾角和0°~89°轨道倾角的GRACE双星测量数据所反演地球引力位系数的方差向量,可由各自的最小二乘协方差阵的对角线元素得到
其中, 表示卫星测量数据单位权方差的无偏估值, 表示
卫星观测方程的残差向量,Gt×1表示卫星测量数据向量,At×n表示t行n列的测量数据和待求引力位系数之间的转换矩阵,t表示卫星轨道测量数据的数量, 表示
待求引力位系数的个数,xn×1表示待求的引力位系数向量;正规矩阵 是一个块对角占优结构的稠密阵,对于反演120阶GRACE地球重力场而言,直接求逆较为困难,因此基于Nn×n的块对角占优性,选取Nn×n的块对角部分作为预处理阵Mn×n,形成的Mn×n阵为主对角线上按次数m排列,其余部分为0的块对角方阵,不仅保留Nn×n阵的主要特征,而且较 易于计算;因此,将公式(12)表示为
基于公式 来量化分析89°轨道倾角和不同轨道倾角组合
89°和0°~89°反演引力位系数阶误差之比的平均值,其中, 表示基于89°轨道倾角的GRACE双星测量数据所反演地球引力位系数的阶误差向量, 表示基于89°和
0°~89°轨道倾角的GRACE双星测量数据所组合反演引力位系数的阶误差向量。
6.如权利要求1-5中任一项所述的利用不同轨道倾角卫星联合反演地球重力场的方法,其特征在于:所述低轨道倾角的GRACE双星优选采用83°轨道倾角。
7.如权利要求1-6中任一项所述的利用不同轨道倾角卫星联合反演地球重力场的方法,其特征在于:所述GRACE双星为两组;其中一组沿高轨道倾角运行,获得高轨道倾角的双星测量数据;同时另一组沿低轨道倾角运行,获得低轨道倾角的双星测量数据。
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