GRACE地球重力卫星相关资料

GRACE卫星
1简介：
GRACE是德国和美国联合研制和发射的重力卫星，重要科学目标是提供高精度和高空间分辨率的静态及时变地球重力场，是两颗卫星的组合，于2002
年3月17日发射升空，通过K波段微波系统精确测定出两颗星之间的距离及速率变化来反演地球重力场，设计寿命为5年，圆形近极轨卫星，倾角为89°，
初始平均高度为500Km，两颗星之间的距离为220Km。

美国的CSR（Center for Space Reserach of the University Texas in Austin）及德国的GFZ（GeoForschungsZentrum）是最早获得GRACE地球重力场的研究机构，其中CSR发布了第一个GRACE地球重力场模型GGM01，该模型在半波长为300Km尺度上，确定大地水准面精度约为0.02m；德国GFZ早期也发布与GGM01模型精度相近的GRACE地球重力场模型——EIGEN-GRACE01S，这两种模型都没有采用地面、海洋、航空重力测量数据及其他卫星跟踪资料，但中长波部分精度却有明显的提高，证实了GRACE实现其预期科学目标的可行性，随着GRACE卫星观测资料的日益增多，处理卫星资料方法的进一步完善，国际上一些研究机构又推出了一系类更高精度的GRACE产品，比如EIGEN-GRACE02S是GFZ的2004年产品，在半波长为1000km的空间分辨率确定的大地水准面精度好于0.001m，而且此模型计算的海洋重力异常能和重力异常数据（NIMA数据）符合得很好。

2 GRACE卫星的一些显著特点：
卫星轨道低，对地球重力场敏感度高；利用差分观测方式，抵消了测量中的
许多公共误差；星载GPS接收机能同时接收到多颗GPS卫星，使确定的卫星轨道精度提高；星载三轴加速度仪直接测量了非保守力摄动加速度，不再需要把大气阻力、太阳光压等非保守力模型化；卫星上的K波段微波测距和测速系统实现了两颗星之间速率变化的测定精度好于10（-6）m/s；卫星上装有激光发射镜，实现了人卫激光测距的辅助定轨和轨道的检核；卫星上还装载了确定卫星方位的恒星照相机阵列及其他设备，给出了高精度的卫星姿态，星载加速度数据的正确解释。

2004年8月底，GRACE资料全球公开，极大地推动了GRACE卫星观测资料的研究，其主要研究内容集中在以下几方面：利用GRACE资料确定高精度地球重力场，研究大地水准面和重力异常，利用GRACE时变重力场研究地球表面流体质量的季节性分布变化，特别是全球水质量分布变化。

3卫星的构造：
为保证两颗卫星的星载测量系统不受卫星形变的影响,GRACE卫星的所有科学仪器都安置在热膨胀系数非常低的弹性高压碳纤材料制成的平台上。

GRACE卫星装载了多种先进精密的测控设备,由此组成完成不同任务的测量系统,主要包括：
①超稳定振荡器系统(USO):提供K波段测距系统与GPS接收机的频率生
成和时间标定;
②BJGPS接收机系统:跟踪GPS卫星星座的GPS信号并进行数字信号处
理,同时提供GPS掩星大气探测试验数据;
③恒星敏感器系统(SCA):利用每颗卫星的双恒星敏感器精密测定卫星在
惯性坐标系中的姿态;
④三轴稳定姿态控制系统(ACs):利用恒星敏感器、惯性敏感器和一个冷
燃气推进姿态粗校系统(一个推进系统由若干个微推进器组成),以及卫星姿态精校磁力矩装置组成;
⑤质心调节装置(CMT):精密测量卫星质心与加速度计检测质量中心的偏
差并进行校正;
⑥加速度计系统(ACC):利用位于每颗卫星质量中心的加速度计精密测定
作用于卫星的非保守力;
⑦K波段测距系统(KBR):精密测定两颗GRACE卫星之间距离及其变率;
⑧激光反射器系统(LRR):地面激光跟踪网对GRACE卫星的激光测距,通
过与GPS数据的联合实现卫星的精密轨道确定;
⑨S波段数据发射天线(SB):将存储在卫星上的数据传回地面数据接收
站。

GRACE卫星利用上述的星载系统完成各种数据的采集,由卫星装载的1750一A微处理器操控轨道和姿态控制子系统、供电子系统、温控子系统的监测数据处理与日常维护,并在一定程度上执行粗差的探测、分离和恢复操作,完成卫星姿态校正和数据实时传输的任务。

为了完成应用于地球重力场的探测,GRACE主要搭载的星上设备包括:
①星载GPS接收机,可实现GPS星座对GRACE卫星轨道的连续跟踪;
②高精度星载加速度计,用于精密测定卫星的非保守力影响;
③K波段微波测距系统,用于两颗GRACE卫星之间的精密跟踪测距;
④恒星敏感器,用于精密测量GRACE卫星的姿态。

GRACE卫星计划的实施目标为:
(l)测定中长波地球重力场的静态部分。

其中,长波5000km分辨率的大地水准面期望精度为0.0lmm,中波500km到500Okm分辨率的大地水准面期望精度为0.0lmm到0.lmm:比CHAMP的测定精度提高2个数量级。

(2)监测15~30天或更长时间尺度长波重力场的时变特征。

大地水准面
年变化的期望精度为0.0lm耐year到0.00lmm/year。

(3)探测和研究大气、电离层环境。

利用GPS/GRACE掩星技术,特别是两颗GRACE卫星的GPS载波相位差信息,可以精密测量大气的水汽含量与温度梯度;利用GPS/GRACE散射技术可以确定电离层电子密度分布;利用星载加速度计的非保守力测量以确定大气密度及其随时间变化,但是需要考虑对加速度计测量结果施加除大气阻力外的其它非保守力改正。

4相关GRACE的网站:
/grace/dataportal.html这个网站是GRACE入门分析的：
2 /grace/需要注册
注册后数据下载这里下载的是level-2的数据
下载下来的数据用notpad打开的
5 GRACE数据的下载：
1、浏览器中打开：http://icgem.gfz-potsdam.de/ICGEM/ICGEM.html 这个
网址：静态重力场
2.然后点击左侧Models from Dedicated Time Periods
3分别点开相应处理机构发布的自己感兴趣版本的数据即可，以CSR-RL05为例。

4、gfc可以用记事本或notepad2打开。

这是用记事本打开后然后点击自动
换行显示的结果
这里是用notepad2打开的显示的代码窗口，
显然用notepad2打开的更有规律，看的也比较清晰。

（注：这其中L M C S 分别代表的是阶、次、C系数、S系数。

）
6 GRACE科学数据产品分类：
GRACE科学数据产品分为四类:Level一0、Level一1A、Level一1B和Level一2
Level一0数据产品主要由原始数据中心,以一天为一个文件的处理方式,按拟定的格式和管理要求分别对接收到的重力卫星各种仪器的观测数据进行归档。

Level一lA数据是在不破坏Level一0数据的处理结果的原则下获得的。

实现技术是:将二进制编码的测量结果转换到工程应用单位制,数据根据各自卫星接收机的钟加上时间标记,同时对数据增加编辑和质量控制标记,并重新统一数据输出格式。

Level一1B数据是通过处理Level-1A和Level一0数据而得到的,这级数据处理是通过改正时标和降低数据采样率等技术实现的。

在这级数据处理中,除了对各仪器的观测数据进行处理,同时还要结合地面跟踪站数据(如IGS站、地面激光跟踪网数据等),以提高重力卫星的后处理精密定轨精度和对处理结果进行检核。

Level一1B数据提供了计算地球平均重力场模型以及研究重力场时变所必需的所有输入数据,同时,它也被用于GRACE卫星精密轨道的确定。

它主要包括以下七类数据:双频单通道测距数据、恒星敏感器数据、加速度计数据、GPS跟踪数据、卫星辅助管理数据、时间数据、卫星轨道数据。

Level一1B数据在处理过程中考虑了短周期大气和海洋的质量变化影响,有效的抑制了某些高频的混叠噪声。

Level一1B数据的获取是由JPL与GFZ共同完成的。

其中Level一2科学数据产品包括了GRACE卫星的精密轨道数据,地球重力场模型的球谐系数以及由掩星数据得到的多路径延迟/折射数据。

其是由Level 一1B和其它辅助数据解算得到的,它通过利用GPS、KBR及结合地面数据对重力卫星进行精密定轨和卫星间距离变化的精确求定,计算出地球时变重力场和平均重力场球谐系数,同时结合掩星数据等得到路径延迟/折射数据,温度和水汽等副
产品。

Level一2数据产品的解算是由UTCSR在GFZ协助下完成的,其中,JPL参与了部分产品的解算工作,以便用于验证产品的正确性。

7研究的主要步骤：
1）对主要的GRACE地球重力场模型进行精度分析，地球重力场模型可以以两种方式提供:一是格网化的平均重力异常,另一种是地球重力场模型的球谐展开系数。

利用重力卫星数据恢复地球重力场,球谐系数表示的优点在于所有重力场参数都可用引力位的带微分算子的线性泛函表达,特别是包含重力场信息的卫星轨道摄动也是引力位的泛函,这有利于对各种卫星观测量利用相应的泛函关系建立观测方程。

假定地球外部无质量,则地球外部引力场是一个
调和场,任意一点的引力位V满足Laplace方程,在球坐标系(r，θ，λ)下的形式为采用分离变量法得到该方程的一般解：
V(r，θ，λ)=GM
r
{1+∑∑[
a
r
]
l
l
m=0
∞
l=2
(C̅lm cos mλ+S̅lm sin mλ)P̅lm(cosθ)}
探讨陆地水储量变化的反演过程中,高斯平滑半径以及位模型截断阶数的选择等问题。

a：地球平均半径
r，θ，λ：地心球坐标半径,地心余纬(θ=90一地心纬度φ),地心经度;
l,m:球谐函数的阶,次;
C̅lm，S̅lm：完全规格化球谐系数,即位系数
P̅lm(cosθ):完全规格化Legendre缔合函数
式中的位系数是一个无穷集合{C̅lm，S̅lm},实用中,根据给定的,或要求的分辨率(对应给定的波长或频率),通常将此球谐展式截止到一个最高阶Imax,则位系数的这个有限集合{C̅lm，S̅lm} 其中(l=2,3,…,lmax;m=0,l,…,l)就称为一个Imax阶地球重力场模型。

在大地测量中将引力位表达为地球正常位U和扰动位T的和,即V=U+T:在研究卫星轨道摄动中,通常又将引力位表示为地球中心位GM
r
与摄动位R之和,即V=GM
r
+R
方法与原理：
8 应用：
.监测地表和地下水变化;
.监测冰川变化和全球海平面变化;
.研究海洋环流和海洋波动;
.监测固体地球内部变化等。