卫星重力测量

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重力测量简介

重力测量简介

二、重力基准
中国的重力基准网:在全国范围内提供各种目的
重力测量的基准和最高一级控制
中国曾在1957年建成第一个国家57重力基本网,它的平均 联测精度为: 1985年中国又新建了国家85重力基本网,其平均联测
5 2 20 10 ms 精度较之“57网”提高一个数量级,达到
0.2 105 ms 2
一台是用于大地测量的一台是用于大地测量的gpsglonassgpsglonass接收机接收机确定轨道的精度为几个厘米确定轨道的精度为几个厘米glonassglonass是全球导航卫星系统是全球导航卫星系统globalnavigationsatellitesystemglobalnavigationsatellitesystem的英文缩写文缩写是苏联研制的导航系统是苏联研制的导航系统非常类似于非常类似于gpsgps由轨道的摄动可由轨道的摄动可换算出中长波长的引力场换算出中长波长的引力场最高球谐约最高球谐约6060阶次一台引力梯度仪一台引力梯度仪由三对伺服控制电容加速度计组成由三对伺服控制电容加速度计组成每一对加速每一对加速度计的距离为m测量测量33个坐标轴方向引力位的二阶导数个坐标轴方向引力位的二阶导数换算换算出引力场的中短波长成分出引力场的中短波长成分其噪声水平低于其噪声水平低于3me3me3101012s12s2me

CHAMP卫星结构示意图
星载设备: GPS接受机; 加速度计; 恒星敏感器; SLR反射棱镜; 地磁场探测仪;
CHAMP卫星轨道示意图

Global network of the International Laser Ranging Service (ILRS) (yellow) CHAMP downlink station coverage (blue)

卫星重力测量中加速度计在轨参数校准方法研究

卫星重力测量中加速度计在轨参数校准方法研究
速 度 差 ,则 有
F / m 一 F / 瑚 m。
因此 ,作用 在检 验质量 上 的静 电反馈控 制 力可 以反 映作用 在卫 星上 的非保 守力 ,这 正是 静 电悬 浮加速 度计 工作 的基本 原理 。 静 电悬 浮加速 度计 可 以实现 6个 自由度 ( 3个平 动 自由度 和 3个转 动 自由度 ) 的加速 度 测量 。对 于第 个 自由度 而 言 ,加 速度 计输 出加速 度 a 和 该 自由度输 入 加 速度 … 以及 垂 直该 方 向输 入加
本文首 先简 要叙述静 电悬 浮加速 度计 的工作原 理 ,概述 了 目前 3颗重力 卫星 中加速 度计参 数的
在轨 校准方 法 。 目前对 于 CHAMP和 G RAC E卫 星而 言 ,都是 采 取在 轨 外部 校 准方 法 来 校准 加 速
度计 在轨参 数 ] 。为 了提 高加 速 度 计在 轨 参数 校 准 的置 信 水 平 ,特 别 是 在轨 实 时 评估 加 速 度 计
摘 要 文章介 绍 了静 电悬浮 加速度计 的基 本工作 原理 ,概述 了 目前 卫星重 力测量 中加
速度 计参数 的在轨 外部校 准方 法,讨论 了利 用推 进 器推 力 、卫星旋 转产 生的 离心 力 、引力
开展 加 速 度 计 标 度 因数 在 轨 实 时 标 定 的 可 行 性 。
守 力 ; 。和 分 别表 示检验 质量 和卫 星 的质量 ,这里 忽 略 了检 验质 量受 到 的扰动加 速度 影响 。
对 于静 电悬浮 加速 度计 而言 ,在控 制误 差范 围 内 ,检 验质量 和卫 星始 终保 持相 对位置 不动 ,这
意味着 在静 电控制 条件 下检 验质 量和 卫星具 有相 同的加速 度 ,如果 二者保 持质 心重 合 ,忽略 引力加

卫星重力测量

卫星重力测量

卫星重力测量-基础、模型化方法与数据处理算法作者简介:张传定,男,1966年04月出生,1996年09月师从于解放军信息工程大学陆仲连教授,于2000年12月获博士学位。

摘要论文的中心内容是卫星重力测量中如何由星载传感器获得的观测数据恢复地球重力场这一过程的模型化问题。

旨在吸取前人的研究成果,提出更加合理的数据处理模型。

论文最突出的贡献是,改造并完善了大地重力学、空间大地测量、卫星轨道力学等学科模型化的理论与方法以适应卫星重力测量这一新型观测技术。

作者的主要工作和创新点有:1.在综合卫星重力测量有关最新研究成果的基础上,系统地论述了动态加速度测量、卫星重力梯度测量的基本原理;论证了它们的测量精度与姿态角加速度的关系以及卫星重力测量系统最终恢复地球重力场能力的判定准则;深入理解并掌握了现行SST、SGG卫星CHAMP、GRACE、GOCE各项指标及恢复地球重力场各频段的精度指标。

2.简要介绍了卫星重力测量中所涉及到的曲线坐标系下矢量、张量与曲线坐标之间的微分关系、坐标系之间的变换关系以及它们的矩阵表示。

详细研究了在地球重力场确定中常用的关于研究点P和流动点Q相互关联的球极坐标系,给出了球极坐标系下地球引力位V关于P点和关于Q点的微分公式以及它们与球坐标系下局部微分算子的关系。

深入研究了关于P和Q两点局部导数算子的相互作用问题,得到了扰动场元之间核函数和协方差函数的解析与级数展开式,首次给出了较为实用的明晰表达式。

此结果是对物理大地测量学关于这一论题的补充和完善。

这项工作是本文的一个创新点。

3.详细推导了地球、卫星、加速度传感器检验荷载这一特殊限定性三体问题的运动方程;指出星载加速度传感器的输出就是卫星所受非引力加速度和检验荷载相对于卫星中心地球引力的潮汐力之差;进而得到了由星载加速度传感器的比力测量和GPS跟踪测量数据直接恢复地球引力矢量的理论公式。

4.通过对扭秤、旋转梯度仪工作原理的考察和Molodensky关于垂线偏差推求高程异常的论述以及目前业已发现水平梯度分量的某种组合是球面正交函数系的事实,作者明确指出,在地球重力场的研究中,水平方向观测量的组合应作为复数使用。

重力场引力势的计算与测量方法

重力场引力势的计算与测量方法

重力场引力势的计算与测量方法引力是宇宙中最基本的力之一,它影响着物体的运动和相互作用。

为了更好地理解引力的本质和影响,科学家们一直在努力研究重力场引力势的计算和测量方法。

本文将探讨一些常见的方法和技术,以及它们在实际应用中的意义。

一、引力势的计算方法引力势是描述重力场强度的物理量,它表示单位质点在重力场中所具有的势能。

计算引力势的方法有多种,其中最常见的是使用牛顿引力定律和万有引力定律。

牛顿引力定律是描述质点间引力作用的经典定律,它指出两个质点之间的引力与它们的质量成正比,与它们之间的距离的平方成反比。

根据牛顿引力定律,可以计算出在给定位置的引力势。

万有引力定律是描述质点间引力作用的更为普适的定律,它指出任意两个质点之间的引力与它们的质量和它们之间的距离有关。

根据万有引力定律,可以计算出整个重力场的引力势分布。

除了这些经典的计算方法外,还有一些更为复杂的方法,如引力势的数值模拟和微分方程求解等。

这些方法在研究引力场的更精细结构和动态变化时非常有用。

二、引力势的测量方法测量引力势是了解重力场分布和变化的重要手段,科学家们通过不同的技术和仪器来进行测量。

以下是一些常见的引力势测量方法:1. 弹簧测力计:这是一种基于弹簧的测力仪器,通过测量受力弹簧的伸缩来确定物体所受的引力。

它常用于实验室中对小范围引力的测量。

2. 重力仪:重力仪是一种专门用于测量引力势的仪器,它利用重力的作用来测量物体的质量。

重力仪通常由一个悬挂的质量块和一个测量装置组成,通过测量质量块的振动周期或悬挂线的伸长来确定引力势。

3. 重力梯度测量:重力梯度是描述重力场变化率的物理量,通过测量重力梯度可以获得引力势的空间分布信息。

重力梯度测量通常使用重力梯度计,它利用多个重力传感器的阵列来测量重力场的微小变化。

4. 卫星测量:卫星测量是一种用于大范围引力势测量的技术,通过卫星携带的重力仪器和测量设备来获取引力势的全球分布。

这种方法被广泛应用于地球重力场的研究和测量。

卫星重力测量技术在地球物理中的应用

卫星重力测量技术在地球物理中的应用

卫星重力测量技术在地球物理中的应用地球物理研究是一门涉及地球内部结构和物质运动等方面的学科,同时也具有广泛的应用价值。

然而,由于地球的表面与内部相距甚远,地球物理学研究往往受到观测技术的限制。

而随着卫星重力测量技术的发展,这一局面正在得到颠覆,卫星重力测量技术正在成为地球物理研究中一项重要的手段。

1.卫星重力测量技术概述卫星重力测量技术基于万有引力定律,通过卫星通过地球上空进行重力测量,获得地球重力场的分布情况。

这项技术的主要优势在于,通过卫星精密的轨迹控制和重力测量仪器的装备,对地球重力场的测量达到了高度的准确性和精度。

同时,卫星重力测量技术还具有全球性和连续性的特点,能够提供地球重力场全球范围内的准确数据。

2.2.1 地球形态研究地球的形态呈现为不规则的椭球体,由于地球的离心率和自转引起的地球扁率等因素,地球的形态会受到一定程度的变形。

而卫星重力测量技术能够获得高精度的地球重力场数据,并且能够计算出来地球的形态和动力学变化。

这项技术对于研究地球的形态、内部构造和地震等问题都有重要意义。

2.2 地壳构造研究地球重力场的分布受到地球内部密度分布的影响,在地壳结构复杂的地区,地表重力场会受到下方地壳和上方地表地物的影响。

卫星重力测量技术通过测量地球重力场的变化,能够测定地球内部的密度结构,推测地下的岩石体积和形状,从而揭示地球地壳和上地幔的构造特征和动力学性质,例如板块构造等。

2.3 大地水文研究在地球物理研究中,大地水文是一个十分重要的研究领域。

大地水文的研究目标主要是了解大气、地表、地下之间的水循环以及水在地球系统中的作用。

其中,地下水的分布和运动十分复杂,而卫星重力测量技术提供了一种新的方法来研究地下水的分布以及地下水与地表水之间的关系。

例如,在水资源的开发和管理方面,卫星重力测量技术可以为水文模型提供和验证数据,优化水资源的利用方式。

3.结语随着卫星重力测量技术的不断发展与完善,它在地球物理方面的应用也将更加广泛和深入。

卫星重力测量技术的原理和数据解读方法

卫星重力测量技术的原理和数据解读方法

卫星重力测量技术的原理和数据解读方法随着现代科学技术的不断发展,卫星重力测量技术逐渐成为地球科学领域的重要研究方法之一。

本文将重点讨论卫星重力测量技术的原理和数据解读方法。

一、卫星重力测量技术的原理卫星重力测量技术是利用卫星携带的高精度重力仪器测量地球表面重力场的变化,从而推断地球内部的密度分布和地壳运动等信息。

1.1 重力测量原理重力,是指地球或其他天体表面对物体吸引的力。

在地球表面上,重力的大小和方向不是一致的,而是会因地球内部的密度分布不均匀而变化。

通过卫星重力测量技术,我们可以获取地表某一点的重力值,并通过对比多个点上的重力值差异,推算出地球内部的密度变化。

1.2 卫星重力测量仪器为了实现卫星重力测量,科学家们研发了一系列高精度的重力测量仪器。

目前常用的卫星重力测量仪器主要有超导量子干涉仪(SQUID),绝对重力仪以及光学干涉测量仪(GIM)。

这些仪器可以测量地球表面的重力值,并将数据传输至地面控制中心进行分析和解读。

二、卫星重力测量数据解读方法卫星重力测量数据是复杂且海量的信息集合,需要进行合理的解读才能获得有价值的地质和地球物理学指标。

下面将介绍几种常见的卫星重力测量数据解读方法。

2.1 重力异常解读重力异常是指相对于参考表面(通常是椭球面)的重力场的偏差。

通过对大量重力异常的分析,可以揭示地球内部的密度梯度。

高重力异常通常对应着密度较大的区域,反之亦然。

这些异常主要与地壳构造、岩石性质和地球动力学等因素相关。

2.2 重力梯度解读在卫星重力测量中,不仅可以获取重力值,同时还可以计算重力的梯度,即重力在空间中的变化率。

重力梯度可以提供更加详细的地下密度变化信息,有助于研究构造和地壳运动等问题。

通过对重力梯度的解读,科学家们可以推测地壳运动引起的地震活动、地热流动以及岩浆活动等。

2.3 反演方法卫星重力测量数据的解读过程中,还常常需要借助反演方法。

反演方法是通过调整模型参数,使得模型产生的重力数据与实测数据拟合得最好。

用于卫星重力梯度测量的加速度计性能参数分析

用于卫星重力梯度测量的加速度计性能参数分析
b sc unto r vt r d o tr,wh s e f r n e dr cl fe t h e e fg a i ed r c v r n p c a i i fg a i g a imee y o e p ro ma c ie t afc s t e lv l o r vt f l e o e y a d s a e y yi r s l to e o u in. Co i e t e a i o e ain rn i l t t e e l d t o h s tlie r d o t miso mb n d h b sc p r to p i c p e wi h h r a L1 b a a f t e a elt g a i mer y s in GOCE ,t e ef cso h e o u in,s a e fco n ua r tc fc o fa c l r mee s a e s e i e n t i p r h fe t ft e r s l t o c l a tra d q d ai a tro c ee o t r r p cf d i h spa e . i On t e b ss o nay i e u t fn l we p o o e t tt ihe e stv c e e o tr n h e — xs d a —r e h a i fa lss r s ls, al i y, r p s ha he h g rs n iie a c lr mee sa d t r e a i r g fe c n r lt c oo i ss o l e e o e n p le n o t e f t r aelt r d o ty miso o to e hn l ge h u d be d v lp d a d a p id i t h u u e s tlie g a imer s in.

基线法在卫星重力数据处理中的应用

基线法在卫星重力数据处理中的应用

基线法在卫星重力数据处理中的应用引言:卫星重力数据处理是地球物理学中的一个重要领域,它通过测量卫星与地球之间的距离变化来推断地球重力场的分布情况。

基线法是卫星重力数据处理中常用的一种方法,它能够有效地处理卫星重力数据,并提取出地球的重力场信息。

本文将介绍基线法在卫星重力数据处理中的应用,并分析其优缺点。

一、基线法的原理基线法是基于卫星与地面测点之间的距离变化来计算重力场的方法。

在卫星重力测量中,卫星与地面测点之间的距离变化是由于地球重力场的不均匀引起的。

基线法通过测量卫星与地面测点之间的距离变化,并利用数学模型来计算地球的重力场分布。

二、基线法的应用1. 卫星重力场建模基线法可以用于卫星重力场的建模。

通过测量卫星与地面测点之间的距离变化,可以推断地球的重力场分布情况,并建立相应的数学模型。

这些模型可以用于研究地球的重力场特征,如地球的重力异常、地球内部的密度结构等。

2. 地球形状测量基线法还可以用于地球形状的测量。

地球的形状是由地球重力场的分布情况决定的,而基线法可以通过测量卫星与地面测点之间的距离变化来推断地球的形状。

这对于研究地球的地壳运动、地壳变形等具有重要意义。

3. 地下水资源调查基线法在地下水资源调查中也有着广泛的应用。

地下水是地球内部的一种重要水资源,而地下水的分布与地球的重力场密切相关。

基线法可以通过测量卫星与地面测点之间的距离变化来推断地下水的分布情况,从而为地下水资源的开发和利用提供科学依据。

三、基线法的优缺点1. 优点基线法在卫星重力数据处理中具有以下优点:(1)不受地面测量点分布的限制,可以在任意地点进行测量;(2)测量精度高,可以提取出地球重力场的细节信息;(3)数据处理简单,计算速度快。

2. 缺点基线法在卫星重力数据处理中也存在一些缺点:(1)对于卫星与地面测点之间的距离变化的测量要求较高;(2)在地球表面的地形、地貌等因素的影响下,测量结果可能存在一定的误差;(3)对于地球重力场的不均匀性和复杂性,基线法的处理能力还有待提高。

卫星重力探测技术的发展

卫星重力探测技术的发展

卫星重力探测技术的发展杨婕;占惠【摘要】在地球物理勘探领域中, 人造地球卫星的发射为重力测量提供了新的途径. 与以往探测重力的手段相比, 重力卫星的发射大大改善了人们对地球重力场的认识, 随着CHAMP、 GRACE和GOCE卫星的发射, 将把现有静态中长波部分重力场的精度提高1-2个数量级, 并提供长波部分重力场随时间变化的信息. 卫星重力学对我国的基础测绘服务和国防建设有着重要的实用价值.【期刊名称】《国际地震动态》【年(卷),期】2008(000)005【总页数】5页(P23-27)【关键词】卫星重力;探测技术;CHAMP;GRACE;GOCE【作者】杨婕;占惠【作者单位】福建省地震局厦门地震台,厦门,361003;厦门地震勘测研究中心,厦门,361021【正文语种】中文【中图分类】P312.1地球重力场是地球的基本物理场之一,重力场及其时变反映了地球表层及内部的密度分布和物质运动状态,同时决定着大地水准面的起伏和变化,因此,重力场的研究历来是大地测量学的热点之一[1]。

高精度重力观测是研究固体潮及地震前兆的一种重要手段。

在地球物理勘探领域中,重力测量也是一种重要的方法。

但是,对于重力的观测,无论是用振摆、自由落体,还是用光学干涉仪都很难获得高精度的绝对重力值,相反,重力差的相对测量要比绝对测量容易得多,以致可以达到很高的精度[5]。

我国的重力固体潮观测开始于20世纪60年代末期,早期使用加拿大Scintrex公司的CG-2型金属弹簧重力仪,采用光记录(目前,这些仪器已经完全淘汰),之后陆续引进GS型金属弹簧重力仪[4]。

相对重力观测仪器,从毫伽级重力仪发展到微伽级重力仪,可以对地球内部构造的细节取得更进一步的了解。

但是,虽然地面重力测量工作是传统大地测量工作中最方便和功效最高的一种测量工作,毕竟还是耗时多、劳动强度大,特别是有许多难以到达的地区,致使重力测量数据的地面覆盖率和分辨率受到极大的限制,这是在确定地球重力场模型,包括推算大地水准面时提高其精度和分辨率的最大障碍。

GRACE卫星重力观测在强震监测中的应用及分析

GRACE卫星重力观测在强震监测中的应用及分析
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1 引言
重力 测量 是 中国地壳 运动 观测 网络 中的重要 内 容 , 以服 务 于地震 监测 为主 、 是 兼顾其 他 领域 应用 的 综 合 性科 学 工 程 , 要 手 段 为 绝 对 和 相 对 重 力 测 主
变 化检 测是 进行 地壳 形 变监 测及 地震 预报 研究 工作
e s d so a in t e r nd up c n i u t n t c i e, t e c r c e itc f d e tucu e f L n m e ha a l l , il c t h o y a o tn a i e hnqu o o h ha a trsi s o e p sr t r s o o g ns n f u t r g o e p y i a o d to o to g e rhq a c u r nc r e e ld. e in g o h sc lc n iin f rsrn at u ke o c re e ae r v a e K e r s: y wo d GRACE ;sr n a t q k to g e rh ua e;g a i ty; s t l t r vt r v me r ael e g a i i y;g a iy c a g r vt h n e
gravitychange引言重力测量是中国地壳运动观测网络中的重要内容是以服务于地震监测为主兼顾其他领域应用的综合性科学工程主要手段为绝对和相对重力测目前高精度fg5绝对重力测量精度可达相对重力测量经网平差后各重力点精度平均不低于15重力段差联测精度优于10重力测量特别是重力变化检测是进行地壳形变监测及地震预报研究工作的重点祝意青利用流动重力监测手段不仅观测到了区域重力场变化且做了一定程度的地震预以震中附近的绝对重力值为基准利用地震前后的3期流动重力观测资料分析了震中周围地区局部重力场在大震前后的动态变化发现地震前震中周围地区的重力场发生了巨大的负向变化有些点位的重力值变化大于100利用fg5绝对重力仪检测青藏高原拉萨点收稿日期

一种重力测量卫星质心在轨标定改进算法

一种重力测量卫星质心在轨标定改进算法

一种重力测量卫星质心在轨标定改进算法辛宁;邱乐德;张立华;刘乃金【摘要】针对重力测量卫星质心在轨标定算法中存在的陀螺精度不高且易失效的问题,提出了一种应用星敏感器和静电加速度计的质心标定改进算法.在该算法中,将一个明显大于干扰力矩的周期性磁力矩,作用于卫星上;将星敏感器观测量代入预测滤波器中,估计卫星的角速度及角加速度;利用静电加速度计信息设计扩展卡尔曼滤波,从而实现卫星质心的标定.数学仿真结果表明:此算法能够对卫星的角速度及质心位置进行实时估计,卫星质心三轴最佳标定精度均优于0.05 mm,可实现陀螺失效情况下卫星质心较为精确的标定.【期刊名称】《航天器工程》【年(卷),期】2015(024)004【总页数】7页(P44-50)【关键词】重力测量卫星;质心在轨标定;预测滤波;扩展卡尔曼滤波;星敏感器【作者】辛宁;邱乐德;张立华;刘乃金【作者单位】中国空间技术研究院通信卫星事业部,北京 100094;中国空间技术研究院通信卫星事业部,北京 100094;航天东方红卫星有限公司,北京 100094;中国空间技术研究院通信卫星事业部,北京 100094【正文语种】中文【中图分类】P228为得到高精度的地球重力场数据,重力测量卫星要利用静电加速度计测量非重力因素对卫星轨道的影响[1]。

静电加速度计中检验质量块的质心与卫星质心的位置偏差,将直接影响非重力因素的测量精度。

产生上述偏差的主要因素包括:地面卫星质心校准存在的误差;卫星质量的损失,如卫星在轨飞行中燃料的消耗,卫星在空间真空电离环境中长期运行时部分物质的蒸发等;其他因素的影响,如卫星发射段振动[2]。

因此,开展卫星质心的在轨标定算法研究,为质心在轨修正任务提供依据,具有重要的意义[3]。

目前,重力测量卫星质心的在轨标定算法,必须利用陀螺来获取卫星的角速度信息,且存在一定的局限性。

陀螺的误差漂移特性会使测量精度降低,而且陀螺有可能失效,从而导致质心在轨标定算法无法应用。

卫星测地知识点总结

卫星测地知识点总结

卫星测地知识点总结卫星测地学的知识点非常丰富,涉及卫星轨道测量、重力场测量、形状测量、大地测量、地壳运动、地球形状测量等多个方面。

本文将从这些方面进行详细的总结,帮助读者更好地了解卫星测地学的基本知识和应用。

一、卫星轨道测量卫星轨道测量是卫星测地学的基础,它主要用于确定卫星的位置和速度,以及测量地球上不同地点的形状和重力场。

卫星轨道测量可以通过地面测量站和卫星搭载的测量仪器来实现,主要包括跟踪测量、星载测量和卫星激光测量等方式。

1. 跟踪测量跟踪测量是通过地面测量站对卫星进行定位跟踪,以确定卫星的位置和速度。

地面测量站通常采用全球定位系统(GPS)或者干涉测量仪器来进行跟踪测量,通过与卫星交换信号来确定卫星的位置和速度信息。

2. 星载测量星载测量是通过卫星搭载的测量仪器来实现卫星轨道测量,主要包括星载GPS测量、星载微波测量、星载激光测量等方式。

这些测量仪器可以实时获取卫星的位置和速度信息,为地球形状和重力场测量提供基础数据。

3. 卫星激光测量卫星激光测量是通过搭载在卫星上的激光测距仪器来测量地球表面的高程和形状,它可以实现高精度的地表高程测量,并且可以克服传统地面测量的局限性,对于建立数字高程模型和地球形状测量具有重要意义。

二、重力场测量地球的重力场分布对地球的形状和内部结构具有重要影响,因此重力场测量是卫星测地学的重要内容。

重力场测量主要包括重力梯度测量、大地水准测量、卫星引力梯度测量等多种方式,它可以帮助我们了解地球的重力场分布规律,对地质勘探、地震预测等领域具有重要意义。

1. 重力梯度测量重力梯度测量是通过地面重力测量仪器来测量地球不同地点的重力场强度和方向,从而确定地球重力场的分布规律。

重力梯度测量可以帮助我们了解地球的内部结构和矿产资源分布,对于地质勘探和资源开发具有重要意义。

2. 大地水准测量大地水准测量是通过测量地表的高程变化来确定地球重力场的分布规律,它可以帮助我们了解地球上不同地点的垂直形变和地壳运动情况,对于地震预测和环境监测具有重要意义。

火星观测与卫星测量

火星观测与卫星测量

火星观测与卫星测量火星,这个神秘而富有诱惑力的行星,一直以来都吸引着人类的注意。

自从人类开始探索太空以来,火星一直是一个重要的研究对象。

随着科技的进步,火星观测与卫星测量成为了揭开火星面纱的重要手段。

本文将介绍火星观测与卫星测量的方法和应用,进而展示人类对火星的深入研究。

一、火星观测的方法火星观测是指通过地球上的望远镜等设备对火星进行观测和研究。

观测方法多种多样,下面将介绍几种常用的方法。

1. 光学观测光学观测是使用地面望远镜对火星进行观测的方法。

这种观测方法可以直接观测到火星的表面特征,如卡普尔和其他区域的大峡谷、巨大的火山等。

同时,通过观测火星大气层的颜色变化和云层的运动,可以研究火星的气候变化和大气环境。

2. 射电观测射电观测是利用射电望远镜对火星进行观测和研究。

射电观测可以获得火星的无线电信号,通过分析这些信号的频谱和强度变化,可以了解火星的磁场、电离层以及可能存在的生命迹象等信息。

3. 红外观测红外观测是利用红外望远镜对火星进行观测的方法。

红外观测可以探测到火星的热辐射,通过观测火星的红外辐射谱线,可以了解火星地表和大气层的温度分布、矿物组成以及可能存在的地下水等信息。

二、卫星测量的应用卫星测量是指通过搭载在航天器或者卫星上的测量仪器对火星进行测量和观测的方法。

卫星测量在火星探索中发挥着重要作用,下面将介绍几种常见的卫星测量应用。

1. 影像测量卫星搭载的摄像仪可以从空间俯瞰整个火星表面,并拍摄高分辨率的火星影像。

通过影像测量,科学家可以制作出火星全球地形图,研究火星的地质构造、火山分布等特征。

此外,通过对不同时间拍摄的影像进行比对,还可以观察火星表面的变化,如撞击坑的形成和消失等。

2. 磁场测量卫星上的磁力计可以测量火星的磁场强度和方向。

通过磁场测量,科学家可以了解火星内部的磁性构造,进而推测火星的地核和岩石圈结构。

此外,对火星磁场的研究还可以揭示火星大气层的演化过程和电离层的性质。

3. 重力测量卫星上的重力仪可以测量火星的重力场。

重力卫星测量概要

重力卫星测量概要
0.2、根据轨道摄动求解地球重力场的扰动位:
将地球当做匀质圆球,产生的重力场只是真实重力场的 零阶近似,卫星在这种正常重力场中的运动轨道是一个 与地球相对位置不变的平面椭圆。 由于真实的地球形状不规则,质量分布不均匀,而且不 停地自传,真实的地球不能当做一个质点。 将正常椭球看成是真实地球的近似,根据位理论可精确 导出其所产生的正常重力场。 由卫星轨道理论可精确计算卫星在正常重力场中的运动 轨道,轨道相比于一个简单的平面椭圆有差异,其轨道 面与地球的相对位置也会变化(进动)。
第七章、重力卫星测量
目录: 一、引言 二、卫星重力测量原理 三、重力卫星与观测数据精化技术 四、卫星重力测量的应用
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一、引言
背景
卫星重力探测技术出现于上世纪50年代末60年 代初,最早采用天文光学经纬仪摄影交会的方法 跟踪测量卫星的轨道摄动。 70年代开始,激光测距(SLR)跟踪取代了光 学观测,由轨道摄动观测量反算扰动重力场参数 ,建立了早期低阶(<24阶)全球重力场模型系 列,满足了当时人造卫星定轨和建立全球地心大 地坐标系的迫切需求。 这一时期的卫星重力模型用于确定全球大地水准 面的精度为米级水平。
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二、卫星重力测量原理
例:测பைடு நூலகம்离地面500km高处一点的重力,必需观测在此 高度处卫量在飞行轨道上的运动参数来间接反求重力值 g (r ) GM / r 2 , r X 。 将卫星和地球都当做质点,并忽略地球的自传,其所在 空间内无其他质量。则地球产生一均匀重力场。 卫星绕地球作圆周运动,引力提供向心力,则有:
新一代卫星重力技术的优点: 其测量信号不经过大气对流层,卫星处于大气层的 暖层(F层)与散逸层(G层)之间,、大气密度只 有海平面的百亿分之一,信号传播几乎不存在大气 延迟误差的影响 其卫星轨道都是偏心率很小的近极近圆轨道,轨道 构成几乎包围整个地球的交叉(菱形)格网,可实 现全弧段的连续高采样率的SST跟踪测量或SGG逐 点测量,这是其获得高精度的最大优势。

如何使用卫星测高技术进行测绘

如何使用卫星测高技术进行测绘

如何使用卫星测高技术进行测绘卫星测高技术在现代测绘领域拥有广泛应用。

使用卫星测高技术进行测绘可以有效地获取地表高程数据,并辅助各行各业进行规划和决策。

本文将探讨卫星测高技术的原理、应用和未来发展趋势,以及如何有效地利用卫星测高技术进行测绘。

一、卫星测高技术的原理和方法卫星测高技术主要通过卫星搭载的测高仪器来测量地球表面的高程信息。

目前常用的卫星测高技术包括全球定位系统(GPS)、雷达测高(InSAR)和重力测量等。

全球定位系统是一种基于卫星导航和测量原理的测高技术。

通过接收卫星发射的信号,接收器可以计算出其与卫星之间的距离差,从而推断出地表的高程信息。

全球定位系统测高技术具有高精度、实时性强的特点,广泛应用于地理测量、地质灾害监测等领域。

雷达测高技术则是利用雷达波束对地表进行扫描,通过测量波束与地表的反射信号的时间差,计算出地表的高程信息。

雷达测高技术具有高精度、全天候性的特点,适用于地下水位监测、土壤沉降等领域的测量。

重力测量是一种通过测量地球的引力场来计算地表高程的方法。

重力测量利用重力仪测量地表上不同点的重力加速度,通过比较重力加速度的差异,可以推断出地表的高程信息。

重力测量技术适用于地质探测、地下水资源评估等领域。

二、卫星测高技术在测绘中的应用卫星测高技术在测绘领域具有广泛应用。

首先,卫星测高技术可以用于数字高程模型(DEM)的生成。

DEM是地表高程离散化表示的一种模型,可以用于土地利用规划、水资源管理等方面。

通过卫星测高技术获取的高程数据可以用于DEM 的生成,辅助各行各业的规划和决策。

其次,卫星测高技术可以应用于海洋地质测绘。

海洋地质测绘需要获取海底地形等信息,以支持海洋工程和资源勘探等活动。

卫星测高技术可以通过测量海面高度和重力场来获取海底地形数据,为海洋地质测绘提供数据支持。

另外,卫星测高技术还可以应用于城市规划和土地利用监测。

城市规划和土地利用监测需要对地表高程和变化进行监测和分析。

卫星内编队重力场测量关键技术

卫星内编队重力场测量关键技术

l7 3
对 于单 位 质 量 内编 队重 力 测 量 系 统 , 于 外 卫 星 的 屏 由 蔽 , 以 认 为 内 卫 星 不 受 大 气 阻 力 、 阳 光 压 等 非 保 守 力 可 太 的作 用 。外 卫 星 对 内卫 星 的 万 有 引 力 加 速 度 可 以 通 过 内
摘要 : 结合当前典型重力卫 星任务 , 介绍了重力卫 星发展概况 , 阐述 了内编 队卫星重力场 测量原理及 系统工程实 践 的关 键 技 术 , 后 就 我 国开 展 相 关 研 究 提 出 建 议 。 最
关 键 词 : 力 场模 型 ; 星 重 力 场 测 量 ; 重 卫 内编 队 卫 星 中 图分 类 号 :2 3 P2 文献标识码 : A 文 章 编 号 :0 6— 77 2 1 )2— 16— 3 10 0 0 (0 0 1 0 3 0
为 5 0k 2颗卫 星 之 间 的距 离 为 2 0k 沿 同 一 轨 道 编 0 m, 0 m, 队 飞行 , 星 轨 道 设 计 如 图 2所 示 。通 过 星上 K 波 段 微 波 卫
和技术体系。经 过 2 0多年的反复论证和试验 , 2种探测 后 模式 已成为国际上普遍认 可的先进技 术 -j 目前 , 有 3。 具 代表性 的重 力 测 量 卫 星 包 括 德 国 独 立 发 射 的 C A H MP ( hl nigMiiaei al d 卫 星 , 、 C aegn n— tlt Py a ) l s le o 美 德合作成 功发
在国防建设 、 地球科学及其 相关学科 的研究 中都 有极其重 要的作 用 。然而 , 传统重力探测技 术获取全球 均匀分 布
的高精 度重 力 场信息 的能力有 限 , 切需要 新 的技 术 突 迫 破 。卫星重力场测 量是 目前 全球重 力场模 型 改进最 有效

卫星重力测量发展及应用

卫星重力测量发展及应用

卫星重力测量发展及应用2010286190128 张璇摘要:卫星重力测量在恢复地球重力场方面具有全球高覆盖率、高空间分辨率、高精度和高时间重复率等优点, 为大地测量和地球物理学科的发展开辟了新的途径。

本文简要回顾了卫星重力测量的发展历程, 介绍了四种卫星重力探测技术的原理和发展状况, 最后对卫星重力测量在地球科学中的的应用情况进行了简要总结。

关键词:重力场;地球重力场;重力测量一、研究背景地(月)球重力场及其时变反映地(月)球表层及内部物质的空间分布、运动和变化,同时决定着大地水准面的起伏和变化。

因此,确定地(月)球重力场的精细结构及其时变不仅是大地测量学、海洋学、地震学、空间科学、天文学、行星科学、深空探测、国防建设等的需求,同时也将为全人类寻求资源、保护环境和预测灾害提供了重要的信息资源。

人造卫星是在地(月)球重力场作用下在空间绕地(月)球运动的,要精密定轨,必须知道精确的地(月)球重力场参数,反之,精确测定卫星轨道的摄动,利用这些摄动的跟踪观测数据,又可以提高地(月)球重力场参数的精度,两者相辅相成。

地球重力场是固体地球物理学、海洋动力学、地球动力学、冰川学、海平面变化与分析所需的基本物理量。

在大地测量领域, 地球重力场对研究地球形状和精确求定地面控制点的三维坐标起着重要作用;在固体地球物理学中,基于地球重力场可以研究地球的内部构造和板块运动;在海洋学中,为了研究海面地形,揭示洋流和环流的活动规律也需应用地球重力场数据;在国防建设领域,远程武器的发射和飞行,必须知道精细的局部重力场和全球重力场。

月球重力场的精密测量是国际探月计划的重要组成部分,它不仅决定着月球探测器的轨道优化设计和载人登月飞船月面理想着陆点的合适选取,同时将为全人类开展月体地形地貌和内部结构研究、月壤新能源和资源探测、月面宇宙环境分析(电磁、微粒子、高能等)、月球和地月系统起源和演化历史论证等提供丰富的信息资源。

地(月)球重力场起着双重作用:第一,通过比较实际重力场和理想重力场的差可以得到重力异常,重力异常表明地(月)球内部的质量不平衡状态,并提供地球(月)动力学的重要信息;第二,确定大地水准面(和静止平均海平面相重合的等位面) ,大地水准面是所有地貌(如陆地、冰川、海洋等) 的参考面,而大地水准面仅仅是由重力场来定义的,它可以通过重力场的精化而改善。

2003 刘经南 重力测量卫星的作用与意义

2003  刘经南  重力测量卫星的作用与意义

重力测量卫星的作用与意义刘经南。

刘品雄。

李建成。

徐文霞。

(①武汉大学测绘学院,武汉430070)(⑦中国空间技术研究院总体部,北京100086)摘要国际上重力测量卫星项目的实施,是空间技术、军事测绘,大地测量学、地球科学的一次重大跨越.本文介绍了重力测量卫星在国家经济建设,社会发展、国防建设、以及推动科技进步等方面的主要作用和意义。

关键词卫星重力测量应用引言地球重力场信息在地球物理学、大地测量学、海洋学和国防科学等领域具有重大的实用价值。

随着科学技术的发展,探测地球重力场的手段业已由过去的离散点值观测(早期的梯度测量,近代的绝对、相对重力测量)发展为区域测线观测(海洋、航空重力测量),到对地球连续扫描的卫星重力测量技术(卫星测高、卫星跟踪卫星和卫星重力梯度)。

经过近三十年的理论和硬件技术准备,在卫星测高技术日臻完善、星载GPS精密定轨技术试验成功之后,卫星跟踪卫星测量技术取得了突飞猛进的发展,相继于2000年7月15日成功发射了CHAMP高低ssT(卫星跟踪卫星)卫星、2002年3月16日发射了GRACE低低SST卫星。

近两年来,国际众多研究机构瞄准这一大地测量前沿技术,开展广泛的研究,取得了重要的成果,代表性成果有:GFZ于2002年lO月发布的EIGEN.1S卫星重力模型,之后又发布了EIGEN.CHAMP02S模型;CSR于2003年7月2l目发布的GRACEGravityModelGGM01系列(完全至120阶次的纯卫星模型GGM01S和完全至200阶次的组合重力场模型GGM01C),2003年7月25日发布E1GEN.GRAcE01s(约140阶,1000km半波长)纯卫星重力模型。

在所刻画的频段上比己有的最精确模型高10~50倍。

尽管比预期设计的精度要低,但是这一进步已全部囊括了人类对地球重力场的认识,是质变而非量变。

卫星重力测量技术是今后一段时间内也可能是很长一段时间内人类认识地球重力场、监测地球重力场变化的重要手段之一。

GOCE卫星重力梯度测量误差分析及其模拟研究

GOCE卫星重力梯度测量误差分析及其模拟研究

GOC 卫 星 重 力 梯 度 测 量 误 差 分 析 及 其 模 拟 研 究 E
徐新 禹 王正涛 ’ 邹贤才 朱广彬 ’ 。 ’
\ 大地空环与地量育重实室武 39 ( 汉学球间境大测教部点 , 0) 2 ) 武 验 汉47 汉 0
摘 要 论述 G C 卫星重力梯度测量误差的来源及其特性, OE 提出采用 A R模型基于先验的误差 PD模拟卫星 S
重力梯度仪有色 噪声 时间序列 , 给出 A R模 型构造平稳随机过程 的基本原理 和数学模 型。根据两类解析形式的重
力梯度仪观测噪声 P D分别模拟相应的有色噪声时 间序列 , S 模拟 的噪声时 间序 列对应 的 P D与解 析形式 P D 比 S S 较的结果验证了 A R模型用于模 拟 G C O E卫星重力梯度测量有色噪声的可行性 和有效性 。
前处在第一测量任务期 , 该任务 自19 99年起由欧洲
me h d o i a ig t e tme s re fc l r d n ie b s d o h t o fsmult h i e so oo e o s a e n t e AR d lwi h ro ie o SD ft e g a - n i mo e t t e p r r rP h i o h rdi o t ri r p s d.T et e r b u e e a ig t e sai n r tc a tc p o e sb s d o h mee sp o o e h h o y a o tg n r t h tto a so h si r c s a e n t e AR d li tt d n y mo e ssae . W e smu ae o s i e e a e n t e AR de c o d n o t y e fa ay ia n tu n ro D. i ltd n ie t me s r sb s d o h i mo la c r i g t wo t p s o n l t li sr me te rPS c Th o a s n b t e h n ltc lPS a d te PS fo t e smu ae os ss o h tt e AR d lc n b e c mp r o ewe n t e a a yia D n h D r m h i lt d n ie h wst a h i mo e a e u e o i ltn h o s i e e fg a iy g a o ty o s d frsmu ai g t e n ie t me s r so r vt r dimer fGOCE s tli . i ae l e t

goce卫星重力梯度数据恢复地球重力场理论与方法

goce卫星重力梯度数据恢复地球重力场理论与方法

goce卫星重力梯度数据恢复地球重力场理论与方法contents•GOCE卫星及其重力梯度测量简介•地球重力场恢复理论基础目录•GOCE卫星重力梯度数据恢复地球重力场方法•重力场恢复结果评估与应用CATALOGUEGOCE卫星及其重力梯度测量简介重力场探测任务先进技术GOCE卫星任务概述GOCE卫星通过高精度的加速度计测量卫星自身受到的重力加速度变化,结合卫星的精确轨道数据,反演出地球的重力场信息。

重力梯度测量原理测量原理重力梯度的定义高精度:GOCE卫星的重力梯度数据具有极高的精度,对于地球重力场的细节特征有出色的表现力。

全球覆盖:GOCE卫星数据覆盖全球,能够一致、准确地描述地球重力场的全球分布。

多尺度特性:GOCE卫星重力梯度数据包含了从大到小的不同空间尺度的重力场信息,为地球科学研究提供了丰富素材。

以上是对GOCE卫星及其重力梯度测量的简要介绍,通过深入了解GOCE卫星的任务概述、重力梯度测量原理以及GOCE卫星重力梯度数据的特性,我们可以更好地理解和应用这些数据,为地球科学研究提供有力支持。

GOCE卫星重力梯度数据特性CATALOGUE地球重力场恢复理论基础重力场定义重力势重力加速度030201地球重力场的基本概念重力位与地球形状重力位确定方法重力位与重力加速度关系重力位与重力场的关系球谐分析重力梯度张量最小二乘方法谱方法重力场恢复的数学物理方法CATALOGUEGOCE卫星重力梯度数据恢复地球重力场方法基于Stokes定理的重力场恢复方法球谐函数展开•球谐分析是将地球重力场表示为球谐函数级数的方法。

通过将重力梯度数据展开成球谐函数,可以方便地进行重力场的频谱分析和空间分辨率研究。

球谐函数的系数可以通过最小二乘等方法进行估计,从而得到地球重力场的球谐展开表达式。

数据融合算法•为了充分利用GOCE卫星重力梯度数据和地面重力数据各自的优势,可以采用数据融合算法将两者进行融合。

常用的数据融合算法包括加权平均、卡尔曼滤波、最小二乘等。

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卫星重力测量-基础、模型化方法与数据处理算法作者简介:张传定,男,1966年04月出生,1996年09月师从于解放军信息工程大学陆仲连教授,于2000年12月获博士学位。

摘要论文的中心内容是卫星重力测量中如何由星载传感器获得的观测数据恢复地球重力场这一过程的模型化问题。

旨在吸取前人的研究成果,提出更加合理的数据处理模型。

论文最突出的贡献是,改造并完善了大地重力学、空间大地测量、卫星轨道力学等学科模型化的理论与方法以适应卫星重力测量这一新型观测技术。

作者的主要工作和创新点有:1.在综合卫星重力测量有关最新研究成果的基础上,系统地论述了动态加速度测量、卫星重力梯度测量的基本原理;论证了它们的测量精度与姿态角加速度的关系以及卫星重力测量系统最终恢复地球重力场能力的判定准则;深入理解并掌握了现行SST、SGG卫星CHAMP、GRACE、GOCE各项指标及恢复地球重力场各频段的精度指标。

2.简要介绍了卫星重力测量中所涉及到的曲线坐标系下矢量、张量与曲线坐标之间的微分关系、坐标系之间的变换关系以及它们的矩阵表示。

详细研究了在地球重力场确定中常用的关于研究点P和流动点Q相互关联的球极坐标系,给出了球极坐标系下地球引力位V关于P点和关于Q点的微分公式以及它们与球坐标系下局部微分算子的关系。

深入研究了关于P和Q两点局部导数算子的相互作用问题,得到了扰动场元之间核函数和协方差函数的解析与级数展开式,首次给出了较为实用的明晰表达式。

此结果是对物理大地测量学关于这一论题的补充和完善。

这项工作是本文的一个创新点。

3.详细推导了地球、卫星、加速度传感器检验荷载这一特殊限定性三体问题的运动方程;指出星载加速度传感器的输出就是卫星所受非引力加速度和检验荷载相对于卫星中心地球引力的潮汐力之差;进而得到了由星载加速度传感器的比力测量和GPS跟踪测量数据直接恢复地球引力矢量的理论公式。

4.通过对扭秤、旋转梯度仪工作原理的考察和Molodensky关于垂线偏差推求高程异常的论述以及目前业已发现水平梯度分量的某种组合是球面正交函数系的事实,作者明确指出,在地球重力场的研究中,水平方向观测量的组合应作为复数使用。

扰动场元观测量的复数表达是本文立论和各种模型化(建模)工作的思想基础,也是本文最为突出的创新点。

5.在§2.7中,直接由体球谐函数水平梯度的复表示定义并证明了描述地球引力位直到二阶水平梯度所需的球面正交函数系。

它们关于纬度的函数是Legender函数及其导数的拟线性组合,可由目前熟知有关Legender函数及其导数的递推公式给予赋值。

连同球谐函数构成了描述引力矢量、引力梯度张量所需的正交函数系。

因而,利用它们可将引力矢量、引力梯度张量的复分量表达成一致的形式。

6.利用卫星重力测量数据恢复地球重力场,若从边值问题理论上可将其归结为平均轨道面上卫星重力测量超定边值问题。

通常又将利用单个边值条件确定扰动位问题称为单定问题。

在§3中,先以重力异常为例,类比依次给出直到二阶梯度球域单定连续边值问题恢复地球引力位系数的理论公式及其外部解析解和向下延拓截断核函数解;接着导出离散网格平均重力异常对应的简单调和分析公式和最小二乘调和分析公式;然后推广得到广义梯度调和分析公式和超定边值问题的最小方差解、最小二乘解。

并证明了最小方差解等价于单定边值问题调和分析解的频域加权平均;最小二乘解等价于单定离散边值问题最小二乘调和分析解法方程相加所得的解。

广义调和分析方法所需的有关勒让德函数及其导数的积分递推公式在§3.6中给出。

7.首次定义并推导出了水平一阶和二阶梯度平滑因子、。

在概念上澄清了它们与熟知的面球谐函数平滑因子是不同的。

尽管、与相差不大,但在实践上应严格区分它们,这样逻辑上才是严格的。

与观测量的对应关系是使用时应按格网均值数据类型,采用相应的平滑因子。

8.由于水平扰动场元之间的协方差并非各向同性,导致协方差矩阵结构复杂(子矩阵不是Toeplitz循环阵),不能利用变换矩阵将其降阶,无法付诸实践,迄今尚无最小二乘配置理论应用于水平扰动场元观测量的模型化公式和数据处理方法。

作者研究发现,利用水平梯度的复组合,即复数表示后,扰动重力场元复组合之间的协方差函数尽管还是各向异性,但它们对应的协方差矩阵却具有分块Toeplitz循环阵的结构,因而水平分量复组合的配置问题与重力异常的配置问题相似,可以利用傅立叶变换矩阵进行降阶处理。

这表明,必须将最小二乘配置理论拓展,以适应复数信号的配置问题,本文将其称为最小二乘复配置。

作者将最小二乘配置理论拓展为既能处理复信号又能处理实信号的配置模型,得到了最小二乘复配置解所需的公式。

结合卫星重力测量观测量,详细研究了重力场元复分量之间协方差函数的级数展开式、扰动引力位系数与复分量间的协方差关系。

然后,利用最小二乘复配置理论和重力场复分量之间协方差函数表示,得到了与重力异常配置解接近于一致的各类单定离散边值问题的最小二乘复配置广义调和分析解和超定离散边值问题的最小二乘复配置广义调和分析解。

利用复数表示,解决了最小二乘配置理论难以用于重力场水平观测量这一瓶颈问题。

9.基于摄动力的S、T、W分解,首次给出了卫星受摄运动方程的反解公式。

它只需对轨道根数求一次时间微分,便可求得摄动力的S、T、W分解(不含中心引力)。

与由卫星的地心位置矢量求二次导数得卫星所受力(含中心引力)的直接方法相比,该方法因自然扣除中心引力且只需求时间一次导数,理论上精度要高一些,它具有Hill方程类似的作用,可用S、T、W的时间序列与非心引力矢量的S、T、W分解建立联系,得到时域观测方程。

10.成功地将高斯型求积公式用于常微分方程的数值解中,得到了高斯型隐式龙格库塔方法(GRK),4级7阶GRK法的精度已与目前较为常用的10级8阶RK法的精度相当。

任意级GRK法的权系数恒为正值,这就是GRK法精度高的本质所在。

利用Legender多项式的零点可以得到任意阶GRK法的权系数,而传统高阶RK法的权系数只能手工推算,而且同牛顿柯斯特积分一样,高阶公式是不稳定的。

11.通过地面跟踪动力法观测方程的建立,得到了SST观测的动力法观测方程。

指出尽管SST测量是地面跟踪的空间拓展,但SST测量因增加了非引力摄动比力加速度观测量,其观测方程与地面跟踪观测方程相比,具有质的差异,这正是SST能以较高精度恢复地球重力场的优势所在。

12.利用最小二乘调和分析公式推导了确定恢复重力场最高阶次的理论准则,其水平敏感度准则系作者给出,利用累积代表误差和截断误差曲线的交点,即可求定各类观测量敏感地球重力场的最高阶次。

13.简要论述了卫星重力梯度测量数据向下延拓的截断核谱组合解及其截断阶次和频域加权准则。

假定梯度测量数据各分量间以及相邻采样点间独立不相关,则频域加权与阶次无关,只与独立观测量的个数有关。

14.配置方法的缺陷是,在数据范围和分辨率一定时,增加观测量类型,意味着协方差矩阵的维数升高。

若是全张量梯度测量数据,则协方差矩阵的维数将是单个分量协方差矩阵的5倍。

为解决矩阵降阶问题,在§7.3中,阐述了最小二乘矢量、张量配置的思想及其算法公式,为利用卫星重力测量数据逼近局部重力场提供了可用于实践的数据处理方法。

关键词:地球重力场,卫星重力测量,Toeplitz矩阵,正交函数系,复数表示,边值问题,调和分析,平滑因子,最小二乘配置,最小二乘复配置,最小二乘矢量配置,最小二乘张量配置,摄动运动方程ABSTRACTThis dissertation is mainly focused on the modeling process of the recovery of the earth's gravity field from observations acquired by sensors onboard satellites, with the aim of summarizing the works done before the author and establishing still more appropriate data processing models. The most important contribution this dissertation presents is that the modeling theories and methods of geodetic gravimetry, space geodesy and satellite orbit dynamics have been reconstructed and perfected so as to adapt to the new surveying techniques of satellite-borne gravimetry. The main work and innovations done by the author are presented as follows:1. On the basis of the generalization of the latest studies of satellite-borne gravimetry, the author discusses the principles of dynamic acceleration measurement and satellite-borne gradiometry systematically, and demonstrates both the relationship between accuracy and angle acceleration and the determinant rules of the ability of the earth's gravity field recovery from satellite-borne gravimetry. Then the author has a deep inquiry into the targets of the current SST and SGG satellites such as CHAMP, GRACE and GOCE as well as the accuracy targets of different frequencies of the earth's gravity field recovery.2. The author then introduces the differential relationship between vectors as well as tensors in a curve coordinate system and curve coordinates, and the transformation relationship between coordinate systems and their matrix expressions. After studying the frequently used spherical polar coordinate system concerning the calculating point P and the mobile point Q in detail, the author presents the differential formulae of the earth's gravitational potential V with respect to the points P and Q and their relationship with partial differential operators in a spherical coordinate system. Then after the author researches the interaction problem of the partial derivative operators with respect to the two points P and Q, analytical expressions as well as series expansions of the kernel function within disturbing gravity field elements are determined, and their explicit expressions which can be applied practically are given for the first time. This achievement, being an innovation of the dissertation, is a supplement and perfection of the topic in physical geodesy.3. The author deduces the motion equation of the specially restricted three-body problem that consists of the earth, satellite and acceleration sensor test payload in detail, and points out that the output of the acceleration sensor onboard the satellite is the very difference of the non-gravitation acceleration acting on the satellite and the tidal forces of the test payload relative to the gravitation at the center of the satellite, and thus obtains the theoretical formula of the earth's gravity vector recovery from measurement of the acceleration sensor onboard satellite and the GPS tracking observations.4. The author points out that the combination of horizontal observable should be used in the form of the complex number in the study of gravity field through an inspection of theprinciples of torsion balance and rotational gradiometer and the discussion of the acquisition of height anomaly from vertical deflections according to Molodensky's, as well as the fact that some combination of horizontal gradient components are orthogonal functions on a spherical surface. The complex expression of the observations of disturbing gravity elements is the basis of the argument of this dissertation and all kinds of modeling processes and it is also the most prominent innovation.5. In section 2.7, according to the complex expression of the horizontal gradient of spherical harmonic, the spherical orthogonal function family needed for the description of the earth's gravity potential up to 2 degree horizontal gradients is defined and proved directly. The functions, latitude being parameter, are the quasi linear combination of the Legender functions and their derivatives, which can be evaluated by the recursive formulae of the Legender function and its derivatives. Therefore, with these functions, the complex components of the gravity vector and the gravity gradient tensor can be expressed in a consistent form.6. When it comes to the gravity field recovery from satellite-borne gravimetry observations through the theory of the boundary value problem, this problem can be reduced to the over-determined boundary value problem of satellite-borne gravimetry on an average orbital plane. Usually the determination of the disturbing gravity potential with a single boundary value condition is called a single-determined problem. In section 3, taking the gravity anomaly for example firstly, the author presents theoretical formulae of the recovery of the earth's gravity potential coefficients, and its external analytical solution as well as the truncated kernel solution of downward continuation from up to two degree gradient by analogy, as to the single-determined continuous boundary value problem in sphere region. The author also presents simple harmonic analysis formulae and least squares harmonic analysis formulae corresponding to discrete grid mean gravity anomaly. Then these formulae are generalized to obtain what is called the generalized gradient harmonic analysis method in the dissertation. This step is followed by the minimum variance solution and least squares solution to the over-determined boundary value problem. It is also proved that the minimum variance solution is equivalent to the weighted average in frequency domain of the harmonic analysis solution to the single determined boundary value problem, and that the least squares solution is equivalent to the summation of the normal equations of the least squares harmonic analysis solution to the single determined discrete boundary value problem. The recursive formulae of the Legender and its derivatives requisite for the generalized harmonic analysis method are given in section 3.6.7. It is for the first time that the horizontal one- and two- degree gradient smoothing factors , are defined and deduced. And the conceptional difference between , and the well-known surface spherical harmonic is clarified. Although there is small difference between , and , yet they should be strictly distinguished in practice so as to keep strict in logic. The corresponding relation of and observable is shown as follows:In application, the selection of the smoothing factors should be based on the type of the grid mean values.8. On the ground that the covariance between the disturbing gravity field elements is notisotropic, the covariance matrix has a complicated structure (its submatrix being not repetitive Toeplitz matrix) and thus its degree cannot be degraded with transformation matrix method, so it cannot be put into practice. So far, the application of least squares collocation to the modeling and data processing of the horizontal disturbing gravity field observations has not been found in literature. After studying this phenomenon, the author finds that, the covariance matrix of the complex expressions of horizontal gradients of the disturbing gravity field elements has a structure of blockwise repetitive Toeplitz matrix, though the covariance within the disturbing gravity field elements is still anisotropic. Therefore, the collocation problem of the complex combination of horizontal components is similar to that of gravity anomaly, which makes the degradation be able to be completed by FFT transformation matrix. This indicates that the least squares collocation theory must be developed so as to adapt to the collocation of complex signals. And this is what is called the complex least squares collocation in the dissertation. The author develops the least squares collocation into the collocation model which can deal with both complex and real signals, thus obtaining formulae for complex least squares collocation. In reference to the satellite-borne gravimetry observations, the author studies the series expansion of covariance between the gravity field elements' complex components and the covariance relation between the disturbing gravity potential coefficients, and the complex components in detail. Then, through applying the complex least squares collocation theory and the covariance expressions between the complex components of the gravity field, the author acquires the generalized harmonic analysis solution of the complex least squares collocation of all kinds of single determined discrete boundary value problems and such solution to over-determined discrete boundary value problems. The solution is nearly consistent with the result of gravity anomaly collocation. By means of the complex expression, the author overcomes the bottleneck problem that it is hard to apply the least squares collocation theory to the horizontal observations of the gravity field.9. Based on the S, T and W decomposition of perturbing forces, the formulae of the reverse solution to the satellite's perturbed motion equation is given for the first time. As long as the first differential of the orbital elements with respect to time is made, the S, T, and W decomposition of perturbing forces (excluding the earth's central gravitation) can be obtained. Compared with the direct method of acquiring the forces exerted on satellite(containing the earth's central gravitation) from the second derivative of the satellite's geocentric position vector, this method is still more accurate theoretically in that it excludes the earth's central gravitation and just needs the first derivative with respect to time. And this method works like the Hill's equation, so the observation equation in time domain can be obtained by relating the time sequence of S,T and W with the S,T and W decomposition of non-central gravitation.10. The author successfully applies the Gauss-type integral formula to the numerical solution to the constant differential equation and creates the Gauss-type implicit Runge-Kutta Method(GRK) of which the accuracy of order 4 and degree 7 is already equivalent to that of the RK method with order 10 and degree 8 that is in common use. The GRK method of any order has a positive weight coefficient, which leads to its higher accuracy. The weight coefficients of GRK of any order can be acquired through the zero points of the Legender polynomial, whereas the weight coefficients of the traditional RK of higher orders can only be solved manually and,like the Newton-Coast Integral, the formula of higher order is unstable.11. Through the establishment of observation equation of ground tracking dynamic method,the dynamic observation equation of SST is obtained. The author points out that there is one more observable, that is to say, the acceleration of non-gravitational perturbing forces in the SST measurement, though the SST measurement is the extension of ground tracking. Therefore, the observation equation of the SST measurement is essentially different from that of the ground tracking, which is the advantage of the SST's recovery of the earth's gravity field with higher accuracy.12. By means of the least squares harmonic analysis formulae, the theoretical rule in the determination of the highest order and degree of the earth's gravity field recovery is deduced, in which the horizontal sensitivity rule is the author's. The highest order and degree of the gravity field sensed by all kinds of observations can be determined via the intersections of the accumulated representative error curve and the truncation error curve.13. The author discusses the solution of the truncated kernel spectral combination of the downward continuation of the satellite gravity gradiometry observations and the determinant rule of its truncation order and degree as well as weighting in frequency domain. Assuming that the components of gradient observation and the neighboring sampling points are independent of each other, the weighting in frequency domain has nothing to do with order and degree, only depending on the amount of independent observable.14. The limitation of the collocation method is that, the increment of observable types may cause the increase of the dimension of covariance matrix when the range and resolution of data are fixed. If it happens to be the full-tensor gradient observation data, then the dimension of covariance matrix will be five times that of single component covariance matrix. In order to solve this problem, the author discusses the practical computing method in applying the least squares collocation of vector and tensor, thus providing a data processing method that can be put into practice of the approximation of the local gravity field from satellite-borne gravimetric observations.Keywords: earth's gravity field, satellite-borne gravimetry, Toeplitz matrix, orthogonal function family, complex expression, boundary value problem, spherical harmonic analysis, smoothing factor, least squares collocation, least squares complex collocation, least squares vector collocation, least squares tensor collocation, perturbed motion equation。

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