《测绘学报》

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卫星跟踪卫星技术确定地球重力场的加速度法研究

吴汤婷

东华理工大学测绘工程学院, 江西 南昌 330013

收稿日期：2019-06-21

基金项目：国家自然科学基金（41574019；41774020；41804020）；创新研究群体项目（41721003）；民用航天“十三五”技术预先研究项目；高分辨率对地观测系统重大专项支持项目；地球空间环境与大地测量教育部重点实验室开放基金资助项目（16-02-08）

第一作者简介：吴汤婷(1990-), 女, 2019年6月毕业于武汉大学, 获工学博士学位(指导教师:李建成教授), 研究方向为卫星重力学。E-mail:ttwu@whu.edu.cn

Study on acceleration approach for earth's gravity field modelling based on satellite-to-satellite tracking technique

WU Tangting

First author: WU Tangting(1990—), female, received her doctoral degree from Wuhan University on June 2019, majors in satellite gravimetry. E-mail:ttwu@whu.edu.cn.

地球重力场是地球的基本物理场，表征着地球物质空间分布、运动和变化，一直是大地测量学科的核心科学任务之一。随着卫星重力测量技术的飞速发展，21世纪初国际卫星重力探测计划，CHAMP、GRACE和GOCE先后成功实施，提供了大量高低卫星跟踪卫星、低低卫星跟踪卫星以及卫星重力梯度观测数据，为研究地球重力场精细结构和构建高精度全球重力场模型提供精确的长波信息。其中，基于卫星跟踪卫星观测值恢复高精度中长波重力场被各国学者广泛而深入地研究。在此背景下，本文研究由卫星跟踪卫星技术利用加速度法确定地球重力场模型的理论与方法。

论文的主要研究内容及成果如下：

(1) 阐述了卫星跟踪卫星测量的基础理论，研究了加速度法确定全球卫星重力场模型的理论与方法，给出了由高低卫星跟踪卫星和低低卫星跟踪卫星观测值基于加速度法恢复重力场的函数模型，详细研究和分析了分别基于卫星轨道观测值和GPS载波相位观测值确定沿轨卫星点加速度的方法，提出了基于载波相位微分加速度确定卫星重力场的新思路，并给出了重力场模型的数值解算方法、模型精度评定方法等。

(2) 研究了基于位置微分加速度确定卫星重力场模型的定权方法。利用位置微分计算加速度值，会导致高频误差的放大，且具有有色噪声特性，采用延展微分滤波器细致分析了不同采样间隔对重力场模型解算精度的影响；研究基于参考模型加速度域的残差分析定权方法，直接利用残差加速度自相关序列构造对称Toeplitz协方差阵快速定权。数值分析结果表明，该方法可整体提高重力场模型的解算精度。

(3) 分别基于ESA、Graz以及论文给出的PKI轨道，采用了八阶九点数值微分算法，利用30 s采样间隔确定了GOCE卫星71 d 1 s的沿轨道加速度，并由公开发布的GOCE卫星GPS载波相位观测值确定了沿轨加速度观测值。采用ESA发布的PRD轨道微分的加速度作为真值，对这四类观测值在频域和时域内进行了精度评估。结果表明，载波相位法解算的加速度精度整体优于轨道微分法，RTN方向的精度均在mGal级；载波相位法得到的加速度精度较ESA轨道微分加速度在沿轨、法向和径向上分别提高了12.75%、13.89%和14.24%，较Graz轨道微分加速度分别提高了20.33%、5.10%和5.55%。此外，径向方向的精度最差，误差是沿轨和法向方向对应值的2倍；两极地区精度较其他区域差。

(4) 基于轨道微分和载波相位微分确定的71 d卫星运动加速度，采用点加速度法分别反演了4个130阶次的卫星重力场模型，将EIGEN-6C4作为参考模型对反演的模型开展了精度分析。反演模型的累积大地水准面误差结果表明，载波相位微分反演的重力场模型计算至70和130阶累积大地水准面误差分别为5.33和36.17 cm，在130阶处对比分析ESA轨道微分解、Graz轨道微分解和本文轨道微分解，分别提高了7.02%、21.03%、20.50%。反演模型的阶误差RMS(删除m < 5)曲线说明，基于载波相位微分解在高于100阶精度最优，Graz轨道微分解在低于70阶精度最优。

(5) 利用GRACE卫星2008年1月至12月实测数据利用卫星跟踪卫星技术基于加速度法反演至100阶纯卫星重力场模型，结果表明论文解算结果几乎在整个频段内精度均优于EIGEN-GRACE01S模型。这主要是因为在分离时变重力信号时背景模型精度高；80阶以后计算结果明显优于AIUB-GRACE01S模型，20阶以前较EIGEN-GRACE02S模型精度略高。

(6) 研制了利用卫星跟踪卫星观测数据基于加速度法确定地球重力场模型的软件平台，包括时空基准转换、摄动力数值分析、载体运动加速度精确确定、快速定权、重力场建模、重力场模型精度分析等模块，可实现GOCE高低跟踪和GRACE低低跟踪数据的预处理与卫星重力场建模。

【引文格式】吴汤婷. 卫星跟踪卫星技术确定地球重力场的加速度法研究. 测绘学报，2020，49(1)：134-134. DOI: 10.11947/j.AGCS.2020.20190257

书讯 | 王家耀院士：地图制图数据处理的模型与方法

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