基于GOCE衛(wèi)星重力測(cè)量技術(shù)確定地球重力場(chǎng)的研究

鐘 波

1.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北武漢430079；2.武漢大學(xué)地球空間環(huán)境與大地測(cè)量教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430079

基于GOCE衛(wèi)星重力測(cè)量技術(shù)確定地球重力場(chǎng)的研究

鐘 波1，2

1.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北武漢430079；2.武漢大學(xué)地球空間環(huán)境與大地測(cè)量教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430079

隨著GOCE衛(wèi)星的成功發(fā)射，圍繞GOCE數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用研究已成為目前地學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。本文研究基于GOCE衛(wèi)星重力測(cè)量技術(shù)確定地球重力場(chǎng)的理論和方法，研制相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件包與仿真模擬平臺(tái)。論文的主要工作如下：

（1）研究基于高低衛(wèi)－衛(wèi)跟蹤技術(shù)（SST－h(huán)l）確定地球重力場(chǎng)的加速度法原理和實(shí)用解算模型，在分析衛(wèi)星加速度誤差的有色噪聲特性基礎(chǔ)上，提出采用去相關(guān)濾波抑制衛(wèi)星加速度的高頻誤差，并構(gòu)造了基于三點(diǎn)差分的白化濾波器和ARMA模型的白化濾波器。采用不同噪聲背景的GOCE模擬軌道進(jìn)行解算，結(jié)果表明去相關(guān)濾波法比傳統(tǒng)等權(quán)方法求解的重力場(chǎng)模型精度高。

（2）推導(dǎo)基于衛(wèi)星瞬時(shí)加速度或均值加速度同時(shí)求解加速度計(jì)參數(shù)和重力場(chǎng)位系數(shù)的平差模型，提出一整套利用加速度法恢復(fù)重力場(chǎng)的數(shù)據(jù)處理方案及流程。采用46d的CHAMP數(shù)據(jù)恢復(fù)了60階次的重力場(chǎng)模型WHUCHAMP－ACC60KP和WHUCHAMP－ACC60KA，結(jié)果表明兩個(gè)模型的精度相當(dāng)，并且優(yōu)于EIGEN－1S模型，與EIGEN－2模型精度接近，驗(yàn)證了加速度法的有效性。基于加速度法提出利用抗差估計(jì)控制粗差或異常值對(duì)重力場(chǎng)解算結(jié)果的影響，以98d的CHAMP數(shù)據(jù)為例，采用IGG3等價(jià)權(quán)迭代解算了70階次的重力場(chǎng)模型WHUCHAMP－ACC70K，其精度優(yōu)于EIGEN－1S和EIGEN－2模型，驗(yàn)證抗差估計(jì)的有效性。

（3）討論GOCE重力場(chǎng)嚴(yán)密求解的空域最小二乘法原理和實(shí)用解算模型，模擬研究病態(tài)法方程的Tikhonov正則化方法，結(jié)果表明一次Tikhonov正則化（FOT）和Kaula正則化矩陣的實(shí)際處理效果差別較小，兩者均能達(dá)到穩(wěn)定求解的目的。設(shè)計(jì)了GOCE重力梯度測(cè)量有色噪聲的AR時(shí)域去相關(guān)濾波器，數(shù)值模擬結(jié)果表明該濾波器實(shí)用有效。

（4）研究并完善基于球諧分析方法確定GOCE重力場(chǎng)模型的數(shù)據(jù)處理方案，給出球諧分析方法恢復(fù)地球重力場(chǎng)所涉及的數(shù)據(jù)歸算、格網(wǎng)化和極空白（PG）等關(guān)鍵問(wèn)題的解決途徑，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了GOCE沿軌重力梯度測(cè)量有色噪聲的Wiener濾波預(yù)處理方法，并通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)其有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

（5）基于時(shí)域最小二乘誤差分析方法，設(shè)計(jì)衛(wèi)星重力梯度測(cè)量（SGG）關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)仿真分析的計(jì)算方案與流程。模擬分析軌道高度、傾角、采樣間隔、時(shí)間跨度、重力梯度測(cè)量精度等指標(biāo)參數(shù)、以及不同梯度分量組合與重力場(chǎng)恢復(fù)精度的響應(yīng)關(guān)系，研究結(jié)果可為重力梯度衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的設(shè)計(jì)與論證提供參考。

（6）推導(dǎo)SST－h(huán)l和SGG兩類(lèi)觀測(cè)值的最小二乘聯(lián)合平差模型，探討觀測(cè)值最優(yōu)加權(quán)的方差分量估計(jì)（VCE）和參數(shù)協(xié)方差方法（PCA）。基于加速度法和空域最小二乘法，采用30d、5s采樣的GOCE模擬軌道和SGG（Vxx，Vyy，Vzz）數(shù)據(jù)聯(lián)合求解200階次的重力場(chǎng)模型，結(jié)果表明：①等權(quán)求解并不能得到最優(yōu)結(jié)果，VCE和PCA方法得到的加權(quán)因子與理論最優(yōu)值存在一定的偏差，但VCE優(yōu)于PCA方法；②在緯度±83°范圍內(nèi)，SGG（Vxx，Vyy，Vzz）與SST－h(huán)l最優(yōu)聯(lián)合解算模型的大地水準(zhǔn)面和重力異常精度分別為3.81cm和1.056mGal（1mGal＝10－5m／s2），它比僅采用Vzz分量與SST－h(huán)l最優(yōu)聯(lián)合求解模型的大地水準(zhǔn)面和重力異常精度分別提高1.0cm和0.280mGal。

（7）研究衛(wèi)星重力邊值問(wèn)題的隨機(jī)邊值解法，導(dǎo)出球近似下以GOCE軌道面擾動(dòng)位T和徑向重力梯度Trr為邊界條件的超定邊值問(wèn)題隨機(jī)邊值解。同時(shí)，以地面重力異常Δg為約束邊界條件，導(dǎo)出了以軌道面和地面邊界條件組成的二界面超定邊值問(wèn)題的隨機(jī)邊值解。

（8）從最小二乘譜組合的基本原理出發(fā)，推導(dǎo)多種重力觀測(cè)數(shù)據(jù)聯(lián)合處理的譜權(quán)及其譜組合的一般公式。基于球諧分析方法推導(dǎo)出GOCE軌道面擾動(dòng)位T和徑向重力梯度Trr譜組合對(duì)應(yīng)的譜權(quán)函數(shù)，理論上證明譜組合方法與衛(wèi)星重力邊值問(wèn)題隨機(jī)邊值解法的等價(jià)性。

（9）自主研發(fā)了GOCE衛(wèi)星重力測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件包與仿真模擬平臺(tái)，為衛(wèi)星重力梯度測(cè)量技術(shù)仿真和GOCE實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理提供了試驗(yàn)平臺(tái)。

StudyonDeterminationoftheEarth’sGravityFieldfromSatelliteGravimetryMissionGOCE

ZHONGBo1，2
1.School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Wuhan 430079，China；2.Key Laboratory of Geospace Environment and Geodesy，Ministry of Education，Wuhan University，Wuhan 430079，China

1001－1595（2011）04－0535－01

P223

D

國(guó)家自然科學(xué)基金（40874002）；國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目（2008AA12Z105）；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目（NCET－07－0635）

2011－04－28

鐘波（1980—），男，2010年6月獲武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院大地測(cè)量學(xué)與測(cè)量工程專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位（指導(dǎo)教師：寧津生院士，羅志才教授），研究方向?yàn)樾l(wèi)星重力學(xué)。

Author：ZHONG Bo（1980—），male，PhD in Geodesy and Surveying Engineering，School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，majors in satellite gravimetry.

E－mail：bzhong＠sgg.whu.edu.cn