第七章：卫星重力发展现状

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3-4.Atmosphere/Ionosphere Profiling Systems (SOS-AP/IP)

CHAMP 卫 星 数 据 产 品 （ ） 3


level-1: GPS-CHAMP radio occultation measurements, GPS ground station phase and code tracking observations, level-2: list of occultation events per day; characterizing information of the occultation atmospheric excess path; time tagged atmospheric excess path of the occultation, link annotated with SNR and orbit information of CHAMP and the occulting GPS satellite for each occultation event, level-3: Atmosphere: vertical profiles of atmospheric bending angle and geopotential,Abel-inverted profiles of refractivity, dry air-density, -pressure and-temperature, and, adopting temperature from global analyses, specific and relative humidity, partial pressure and mixing ratios of water vapour in the troposphere, along with total atmospheric pressure, temperature and geopotential, Ionosphere: link related TEC data and vertical profiles of electron density.
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CHAMP 卫 星 数 据 处 理 系 统
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CHAMP 卫 星 数 据 处 理 系 统 不同的预期任务产生了不同的数据处理系统： 1.Orbit and Gravity Field Processing System (SDS-OG)轨道和重力场处理系统 2.Magnetic and Electric Field Processing Systems (SDS-ME)电磁场处理系统 3.Neutral Atmosphere Profiling System （SDS-AP）大气层探测系统 4.Ionosphere Profiling System (SDS-IP) 电离层探测系统
Accelerometer (inside the spacecraft at center of mass)
Digital Ion Driftmeter(风压计) and Langmuir Probe
Overhauser Magnetometer
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CHAMP 卫 星 技 术 参 数
轨道技术参数 物理参数 522.5 kg 0.00398 质量 偏心率 轨道倾角 87.272° 750 mm 高 429 km 近地点高度 长（顶部） 8333 mm 476 km 远地点高度 长（底部） 4044 mm 升交点经度 150.089° 1621 mm 宽 近点角距 323.038° 面质比 0.00138 m2/kg 每天运行圈数 15.3885
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以上数据产品均可从GFZ数据中心免费下载： http://isdc.gfz-potsdam.de/ CHAMP 卫 星 数 据 下 载
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模型 EIGEN-CHAMP3S 阶数 140 时间 33个月 分辨率 333km CHAMP 卫 星 重 力 场 模 型 成 果
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CHAMP 卫 星 在 轨 示 意 图
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CHAMP 卫 星 轨 道 示 意 图


Global network of the International Laser Ranging Service (ILRS) (yellow) CHAMP downlink station coverage (blue)
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CHAMP 卫 星 数 据 产 品 （ ） 1
1.Orbit and Gravity Field Processing System (SOS-OG)：




level-1: GPS CHAMP satellite-to-satellite phase and code tracking observations; GPS ground station phase and code tracking observations , level-2: preprocessed accelerometer observations, linear and angular accelerations with attitude information and thruster firing time events, level-3: rapid science orbits of CHAMP and the GPS satellites in the ConventionalTerrestrial System, and processed with a short time delay after data download, level-4: postprocessed precise orbits of CHAMP and the GPS satellites and, derived from these, global Earth gravity field models, represented by the adjusted coefficients of a spherical harmonic expansion of the gravitational geopotential: period solutions and progressively accumulated solution.
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CHAMP 卫 星 工 作 原 理 图
GPS卫星
GPS Ground Station
3轴加速度计
地球
异常体
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CHAMP 卫 星 工 作 原 理

用星载GPS接收机,连续不断地、精确地确定 CHAMP卫星的位置,用轨道摄动的数据推算 引力异常。这种用高空卫星来追踪低空卫星 以导出地球引力异常的方案称为SST-hl （satellite-to-satellite tracking in the
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重力卫星的发展及应用
1.卫星发展现状
利用卫星技术进行动态地球重力场 的研究经历了近30年的发展,目前已进入 了实施阶段。同时也标志着卫星重力学 研究也随之进入了一个全新的阶段。它 们在地球科学中的应用将是广泛的,其影 响将是深远的。特别对于固体地球物理 学、海洋学以及大地测量学等领域,重力 卫星将会带来革命性的变化,其意义不亚 于GPS。
high-low mode）。


用三轴加速度计来测量作用于卫星的非引力 加速度,如空气阻力、地球反照和太阳辐射等, 以获得仅仅由地球引力异常导致的轨道偏移。 用一组星光仪确定卫星相对于惯性参考系的 姿态。
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CHAMP 卫 星 预 期 任 务
通过卫星轨道扰动分析得到中、长期地球重 力场的静态和动态模型(至l=50,m=50;或者 4000~1000 km的空间解析度),该模型可以应 用于地球物理学、大地测量学和海洋学。 全球电磁场分布图及其在地球物理学和日地 物理学中的应用。 大气层和电离层探测及其在全球气候研究、 天气预报、灾害研究和导航中的应用。
1.卫星发展现状(续)
已经发射的卫星：
CHAMP卫星（2000/07/15） GRACE卫星（2002/03/17） GOCE卫星（2009年3月17日发射）
CHAMP 卫 星
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研究背景 地球是一个由固态、流体和气态物质构成的复杂 系统。其中发生的相互作用是在相差悬殊的时标下 进行的。客观描述这种复杂系统必须有全球性的、 长期的观测资料积累,而通过近地卫星观测是系统地 获取全球性观测数据的有效途径。在1994年之前,除 了1979—1980年期间的MAGSAT磁场计划,几乎没 有实施过专门针对地球磁场、重力场研究的空间飞 行项目。 正是在这种情况下,1994年,德国的波茨坦地球科 学研究中心(GFZ——GeoForschungsZentrum Potsdam)提出实施CHAMP（Challenging
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EIGEN-CHAMP03S解算的全球重力异常
CHAMP 卫 星 成 果 （ ） 3
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GRACE 卫 星Fra bibliotekGRACE卫星简介
GRACE 卫 星 重 力 计 划



GRACE重力卫星计划由美国国家宇航署 (NASA)和德国空间飞行中心(DLR)联合开发， 旨在获取地球重力场的中长波部分及全球重 力场的时变特征，并可用于探测大气和电离 层环境。 GRACE重力卫星计划的工程管理由美国喷气 动力实验室(JPL)负责。 科学数据处理、分发与管理由美国喷气动力 实验室(JPL)、德克萨斯大学空间研究中心 (CSR)和德国地学研究中心(GFZ)共同承担.
Minisatellite Payload的简称,即富有挑战性的小型卫 星有效载荷）卫星计划。
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CHAMP 卫 星 结 构 示 意 图
S-band Antenna GPS POD Antenna Star Sensors Optical Bench with Fluxgate Magnetometers and Star Sensors
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CHAMP 卫 星 数 据 产 品 （ ） 2 2.Magnetic and Electric Field Processing System (SOS-ME)


level-2: magnetic field; both scalar and vector field; the latter as well in sensor system as in local coordinates (North, East, Down), all at 1 Hz rate;precise attitude derived from Advanced Stellar Compass for the boom instrumentation at a 1 Hz rate, level-4: main field models; spherical harmonic expansion to degree and order 13 derived from spacecraft data and its secular variation coefficients from space and groundbased observations; updates of the model about every three months.
EIGEN-CG01C
360
*
30’ ×30’
*表示CHAMP和GRACE及卫星测高和地面数据联合解
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EIGEN-CHAMP03S 解算的全球大地水准面
CHAMP 卫 星 成 果 （ ） 1
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EIGEN-CG01C解算的全球自由空气重力异常
CHAMP 卫 星 成 果 （ ） 2