2005 徐厚泽 卫星重力测量
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2005 年,欧洲空间局发射的载有高精度重力梯度 计的 GOCE 卫星,将进行卫星重力梯度测量,其轨道高 度约 250~260 km( 5~7 个月的观测时间>,倾角 97 ,偏 心率小于 0.00l,靠近两极的纬度 7 范围以内无观测数 据 星载设备有 GRAS(GPS / GLONASS>接收机~卫星 重力梯度仪和补偿大气阻力装置 卫星重力梯度仪的
力场球函数系数的组合O 要确定不同阶次的重力场系 数必须有多颗不同倾角的卫星(卫星越多越好 O然而 实际情况是早期的资料精度太差以至于不可用 而高
精度的观测资 料 卫 星 人 卫 激 光 Doppiel 卫 星 测 高 太少O 其二是恢复重力场的时间太长O 如上述 要收集 不同倾角的卫星资料需要几十年 最终导致资料的精
# 重力卫星发展现状
利用卫星测定地球重力场 主要有卫星地面跟踪 技术 卫星对地观测技术 卫星跟踪卫星技术和卫星 重力梯度技术
当前 静态地球重力场的确定主要依靠地面重力 观测 卫星测高和低轨卫星跟踪三种资料的综合模 式 其中长波长重力场的信息主要由地面对空间多颗 不同倾角人造卫星的跟踪资料恢复提取 中短波长的 重力场信息则来自地面重力观测和卫星测高资料 如 人们广泛使用的 EGM96 模型即由此构建 动态地球 重力场的研究一直是技术上十分困难的难题 自 80 年代中期才开始利用人造激光测距技术测定 6 阶以 下的地球重力场带谐系数的时变量 包括地心的变 化 地球扁率项的变化等 近十年来 有关地球重力场 的研究表明 继续沿用经典的地球重力场恢复模式 对于静态部分 无论是在空间分辨率还是精度上都难 以有明显改善 尤其是中长波长的信息部分 而时变 部分由于利用力学模型来顾及大气对低轨卫星影响 以提高定轨精度也达到了极限 必须寻找更有效的途 径 早在 70 年代初 利用卫星技术及星载重力仪研究 重力场的概念就已提出 进入 80 年代 许多欧美学者 开始针对不同的专用重力卫星观测方案开始了数值 模拟计算 同时专用重力观测的卫星系统设计和卫星 的试验也逐步开始 经前后二十多年的反复论证和试 验 最终卫卫跟踪和卫星重力梯度两种观测模式为国 际大地测量界普遍接受
图 S 重力梯度卫星! !!GOCE 由于利用卫星重力观测资料恢复地球重力场将大
大提高其时空分辨率及精度, 能直接描述地球动力学 系统的物质变化,具有从重力场到固体地球物理~海洋 学~冰川学~水文学~大地测量和海平面测定等广泛的 应用前景,对大地测量及地球物理学~海洋学及全球环 境变化等有重要的科学意义, 对我国的基础测绘服务 和国防建设有重要的实用价值
摘 要!确定高精度和高分辨率地球重力场模型是现代大地测量的基本目标之一!卫星重力计划就是基于这一目标实施的" 文章简单地评述了卫星重力的发展现状!介绍了三颗专用的重力卫星!给出了卫星重力测量的基本原理!最后比较了几种由 重力卫星资料得到的地球重力场模型" 关键词!卫星重力# 地球重力场# 重力测量
Satellite Gravity Measurement
图 2 低低卫卫跟踪卫星! !!GRACE
2002 年 3 月 l8 日由美国为主,美欧合作的低低卫 卫跟踪的重力卫星 GRACE 发射升空 其轨道高度约 500 km 采用近极园轨道设计,寿命约 3~5 年 GRACE 主要搭载的设备有:星载 GPS 接收机,进行低星与 GPS 高星之间的跟踪测量;三轴加速度计,用以测量非保守 力;K 波段微波仪,进行低低卫卫跟踪测量,其预期目标 是:(l>测定中长波地球重力场,5 000 km 长大地水准面 精度达 0.0l mm 500~5 000 km 波长大地水准面精度 为 0.0l~0.l mm, 比 CHAMP 的精度提高两个数量级; (2> 监测 l5~30 天或更长时间尺度长波重力场的时间 变化,预期大地水准面年变化的测定精度为 0.0l mm / 年;(3>探测大气~电离层环境 由于 GRACE 是由两个 相同的 CHAMP 卫星组成, 均由星载 GPS 接收机准确 确定其轨道位置,在同一轨道平面内运动,前后间距约 为 220 km,沿轨迹方向两颗卫星的距离变化,由 K 波 段微波测量装置以微米级精度实时测得(精度约为 !m 级>,可以测定中长波地球重力场的静态部分 GRACE 研究内容涉及到海平面变化及海洋环流~ 陆地水储量 变化~冰盖变化等方面 1." 重力梯度卫星! !!GOCE
球谐函数展开式系数(称为位系数>的函数,由最小二 乘法或正则化算法直接求解位系数 该方法的优点是 精度较高,它不需要对数据作网格化处理;缺点是重力 位球谐函数展开式阶次较高时,求解的未知数太多 时 域法的算法有线性摄动法, 卫星运动变分方程的数值 积分法和数值差分法等 空域法利用卫星跟踪数据导 出在卫星高度处的扰动重力或重力异常观测值, 将它 们在以卫星平均轨道高度为半径的球面上进行网格化 处理,将问题转化为某个类型的边值问题的解,可大大 减轻计算量 可基于时域法和空域法的不同特点,在卫 卫跟踪模式的重力恢复中选择合适的方法
图 $ 高低卫卫跟踪卫星" ""CHAMP
~2~
地理空间信息
2005 年
CHAMP 卫 星 尽 管 其 定 位 技 术 采 用 了 新 Turbo Rogue 接收仪~ 利用加速度计测量非保守力和轨道低 等优点, 但重力场的衰减问题阻碍了其高空间分辨 率,据估计,CHAMP 卫星恢复重力场的空间分辨率可 达 500 km,在此分辨率下将比现有重力场模型的精度 提高 l~2 个量级,即大于 l 000 km 的中长波大地水准 面测定精度可达到 l cm 1.! 低低卫卫跟踪卫星! !!GRACE
2 卫星重力测量基本原理
2.# 卫星观测资料反演地球重力场原理 地球重力场在地球外部空间一点产生的引力位可
用球谐级数的展开来表示,因此,给定球谐展开的系数 (称作位系数),就确定出地球的重力场 根据重力场对 卫星轨道摄动原理可知, 在考虑了非保守力的模型或 直接测量出非保守力的影响, 并选定某参考的地球重 力场, 可以理论计算出卫卫间距离~ 距离变化和梯度 量 根据实际重力卫星测量值和理论计算值之差,人们 可求介出重力场位系数改正量, 把参考重力场系数加 上该改正即为所求的重力场 其原理如图 4 所示
XU HOU-ze, ZHOU XU-hUa, PENG Bi-bO (Institute of Geodesy & Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430077, China)
Abstract:One of the fundamentai scientific objectives of modern geodesy is to determine the high precision and high resoiution earth gravity fieid. The sateiiite gravity project is just for this object. In the paper, we discussed simpiy the deveiopment of sateiiite gravity measurement, and introduced three styies of gravity sateiiites, de! scribed the theory of sateiiite gravity measurement, and compared severai different gravity fieid modeis obtained from the sateiiite gravity data in the end. Key words: sateiiite gravity; earth gravity fieid; gravity measurement
精度大约 l~3 mE/!Hz (lE=l0-9S-2>,带宽 5>l0-3 Hz0.l Hz 对于 l00 km 波长,确定重力场精度 l~2 毫伽, 大地水准面精度小于 l cm
卫卫跟踪的重力场恢复,国际上主要采用时域法 或空域法 时域法以卫星运动方程为基础,将卫星在 时空中运行时的轨道摄动观测值直接表示成重力位
低和低低卫星跟踪技术可以通过单一卫星计划一次性
确定不同阶次的地球重力场 可以在几周至几月内完
成确定重力场任务 卫星梯度计划可在一年内完成O由 于现代卫星重力计划设计中有利用高 精 度 的 GPS 技 术 微波测距测速和星载加速度计测量 克服了大气非
保守力影响 卫星设计高度可降至 400 km 左右 大大 提高了对重力场的敏感性O Z~2 卫星重力测量的观测量
非保守力
参考重力场
低轨卫星定轨
距离 "O
距离变化"' O
重力场参数估计 #(Clm,Slm>
梯度 TO
图 4 卫星观测资料反演地球重力场原理 从广泛的意义上讲, 基于卫星观测资料确定地球
重力场均可称为卫星重力测量 从上世纪 60 年代,可 用于确定地球重力场的观测技术包括早期的地面光电
卫星跟踪技术~Doppler 地面跟踪技术~ 人造卫星激光 测距技术和卫星测高技术 而现代的卫星重力测量技
度差异太大 系统不统一O并且无法了解重力场随时间
变化的特征O其三是卫星轨道高度受定轨精度影响 早
期的卫星高度通常都在 800 km 以上 由于地球重力
1+1
! " 场的信号按 a R
递减 原则上卫星高度应尽可能
低 以提高重力场的敏感性O而现代的卫星重力测量技
术已基本上克服了原有卫星技术的上述三大缺点 高
2005 年 2 月 第 3 卷第 1 期
中图分类号 P223
地理空间信息 GEOSPATIAL INFORMATION
文献标识码 A
Feb. 2005 Voi.3 No.1
文章编号!1672-4623 2005 01-0001-03
卫星重力测量
许厚泽! 周旭华! 彭碧波
(中国科学院 测量与地球物理研究所 湖北 武汉 430077)
第 3 卷第 1 期
许厚泽等!卫星重力测量
wenku.baidu.com
~3
术通常特指卫卫跟踪技术和卫星重力梯度技术O 从观测技术和卫星计划的设计方面 现代的卫星
重力测量与上世纪的技术有三点重要的不同之处O 其 一是早期的技术均是地基跟踪技术 利用卫星的观测
资料确定卫星轨道 通过重力场对卫星轨道的摄动谱
反演地球重力场O 该方法的缺点是对单一卫星轨道来 说 地球重力场对卫星轨道的摄动只可表达为一组重
当今 全球重力场研究的热点是将中 低频重力
收 稿 日 期 !!""5-01-13
位模型提高到厘米级 三颗专用的地球重力场探测卫 星 CHAMP GRACE 和 GOCE 就是为这一目标服务 1.! 高低卫卫跟踪卫星$ $$C-AMP
2000 年 7 月 15 日德国发射了高低卫卫跟踪的重 力卫星 CHAMP 是由德国地球科学中心 GFZ 独 立研制的 它的成功发射迈出了卫星重力学研究的重 要一步 其设计寿命 5 年 圆形近极轨道 倾角 83" 偏 心率 0.004 近地点约 470 km 主要目的为 1 确定全 球中长波长静态重力场和随时间的变化 2 测定全球 磁场和电场 3 大气和电离层探测 作为重力场的测 定 低轨卫星上的星载双频 GPS 接收机 以接收 高 轨 GPS 卫星信号精密确定低轨卫星的轨道 利用卫星的 质量中心安装了三轴加速度计测量非保守力 如大气 阻力 太阳光压等 其测量精度在卫星轨道的切向可达 5#10-9 m/s2 在轨道径向和法向为 5#10-8 m/s2 星载设 备还有 SLR 反射棱镜和地磁探测仪
重力卫星测量确定地球重力场其本质是把在轨运
行的卫星轨道视为重力场的敏感器O 由于在轨运行的 卫星上所有的测量仪器均处于失重状态 不可能在卫
星上直接测量重力加速度O 而卫星本身的位置和速度 向量在重力场的摄动下随时间变化 基于此采用卫卫
跟踪测量方法 高精度地测量出与卫星的位置和速度
矢量有关的 ! 和!! 即可反演重力场O 星载加速计作为 辅助技术可测出低轨卫星的非保守力的摄动O 与卫卫 跟踪不同 卫星梯度技术可以直接测出卫星在轨的重
力场球函数系数的组合O 要确定不同阶次的重力场系 数必须有多颗不同倾角的卫星(卫星越多越好 O然而 实际情况是早期的资料精度太差以至于不可用 而高
精度的观测资 料 卫 星 人 卫 激 光 Doppiel 卫 星 测 高 太少O 其二是恢复重力场的时间太长O 如上述 要收集 不同倾角的卫星资料需要几十年 最终导致资料的精
# 重力卫星发展现状
利用卫星测定地球重力场 主要有卫星地面跟踪 技术 卫星对地观测技术 卫星跟踪卫星技术和卫星 重力梯度技术
当前 静态地球重力场的确定主要依靠地面重力 观测 卫星测高和低轨卫星跟踪三种资料的综合模 式 其中长波长重力场的信息主要由地面对空间多颗 不同倾角人造卫星的跟踪资料恢复提取 中短波长的 重力场信息则来自地面重力观测和卫星测高资料 如 人们广泛使用的 EGM96 模型即由此构建 动态地球 重力场的研究一直是技术上十分困难的难题 自 80 年代中期才开始利用人造激光测距技术测定 6 阶以 下的地球重力场带谐系数的时变量 包括地心的变 化 地球扁率项的变化等 近十年来 有关地球重力场 的研究表明 继续沿用经典的地球重力场恢复模式 对于静态部分 无论是在空间分辨率还是精度上都难 以有明显改善 尤其是中长波长的信息部分 而时变 部分由于利用力学模型来顾及大气对低轨卫星影响 以提高定轨精度也达到了极限 必须寻找更有效的途 径 早在 70 年代初 利用卫星技术及星载重力仪研究 重力场的概念就已提出 进入 80 年代 许多欧美学者 开始针对不同的专用重力卫星观测方案开始了数值 模拟计算 同时专用重力观测的卫星系统设计和卫星 的试验也逐步开始 经前后二十多年的反复论证和试 验 最终卫卫跟踪和卫星重力梯度两种观测模式为国 际大地测量界普遍接受
图 S 重力梯度卫星! !!GOCE 由于利用卫星重力观测资料恢复地球重力场将大
大提高其时空分辨率及精度, 能直接描述地球动力学 系统的物质变化,具有从重力场到固体地球物理~海洋 学~冰川学~水文学~大地测量和海平面测定等广泛的 应用前景,对大地测量及地球物理学~海洋学及全球环 境变化等有重要的科学意义, 对我国的基础测绘服务 和国防建设有重要的实用价值
摘 要!确定高精度和高分辨率地球重力场模型是现代大地测量的基本目标之一!卫星重力计划就是基于这一目标实施的" 文章简单地评述了卫星重力的发展现状!介绍了三颗专用的重力卫星!给出了卫星重力测量的基本原理!最后比较了几种由 重力卫星资料得到的地球重力场模型" 关键词!卫星重力# 地球重力场# 重力测量
Satellite Gravity Measurement
图 2 低低卫卫跟踪卫星! !!GRACE
2002 年 3 月 l8 日由美国为主,美欧合作的低低卫 卫跟踪的重力卫星 GRACE 发射升空 其轨道高度约 500 km 采用近极园轨道设计,寿命约 3~5 年 GRACE 主要搭载的设备有:星载 GPS 接收机,进行低星与 GPS 高星之间的跟踪测量;三轴加速度计,用以测量非保守 力;K 波段微波仪,进行低低卫卫跟踪测量,其预期目标 是:(l>测定中长波地球重力场,5 000 km 长大地水准面 精度达 0.0l mm 500~5 000 km 波长大地水准面精度 为 0.0l~0.l mm, 比 CHAMP 的精度提高两个数量级; (2> 监测 l5~30 天或更长时间尺度长波重力场的时间 变化,预期大地水准面年变化的测定精度为 0.0l mm / 年;(3>探测大气~电离层环境 由于 GRACE 是由两个 相同的 CHAMP 卫星组成, 均由星载 GPS 接收机准确 确定其轨道位置,在同一轨道平面内运动,前后间距约 为 220 km,沿轨迹方向两颗卫星的距离变化,由 K 波 段微波测量装置以微米级精度实时测得(精度约为 !m 级>,可以测定中长波地球重力场的静态部分 GRACE 研究内容涉及到海平面变化及海洋环流~ 陆地水储量 变化~冰盖变化等方面 1." 重力梯度卫星! !!GOCE
球谐函数展开式系数(称为位系数>的函数,由最小二 乘法或正则化算法直接求解位系数 该方法的优点是 精度较高,它不需要对数据作网格化处理;缺点是重力 位球谐函数展开式阶次较高时,求解的未知数太多 时 域法的算法有线性摄动法, 卫星运动变分方程的数值 积分法和数值差分法等 空域法利用卫星跟踪数据导 出在卫星高度处的扰动重力或重力异常观测值, 将它 们在以卫星平均轨道高度为半径的球面上进行网格化 处理,将问题转化为某个类型的边值问题的解,可大大 减轻计算量 可基于时域法和空域法的不同特点,在卫 卫跟踪模式的重力恢复中选择合适的方法
图 $ 高低卫卫跟踪卫星" ""CHAMP
~2~
地理空间信息
2005 年
CHAMP 卫 星 尽 管 其 定 位 技 术 采 用 了 新 Turbo Rogue 接收仪~ 利用加速度计测量非保守力和轨道低 等优点, 但重力场的衰减问题阻碍了其高空间分辨 率,据估计,CHAMP 卫星恢复重力场的空间分辨率可 达 500 km,在此分辨率下将比现有重力场模型的精度 提高 l~2 个量级,即大于 l 000 km 的中长波大地水准 面测定精度可达到 l cm 1.! 低低卫卫跟踪卫星! !!GRACE
2 卫星重力测量基本原理
2.# 卫星观测资料反演地球重力场原理 地球重力场在地球外部空间一点产生的引力位可
用球谐级数的展开来表示,因此,给定球谐展开的系数 (称作位系数),就确定出地球的重力场 根据重力场对 卫星轨道摄动原理可知, 在考虑了非保守力的模型或 直接测量出非保守力的影响, 并选定某参考的地球重 力场, 可以理论计算出卫卫间距离~ 距离变化和梯度 量 根据实际重力卫星测量值和理论计算值之差,人们 可求介出重力场位系数改正量, 把参考重力场系数加 上该改正即为所求的重力场 其原理如图 4 所示
XU HOU-ze, ZHOU XU-hUa, PENG Bi-bO (Institute of Geodesy & Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430077, China)
Abstract:One of the fundamentai scientific objectives of modern geodesy is to determine the high precision and high resoiution earth gravity fieid. The sateiiite gravity project is just for this object. In the paper, we discussed simpiy the deveiopment of sateiiite gravity measurement, and introduced three styies of gravity sateiiites, de! scribed the theory of sateiiite gravity measurement, and compared severai different gravity fieid modeis obtained from the sateiiite gravity data in the end. Key words: sateiiite gravity; earth gravity fieid; gravity measurement
精度大约 l~3 mE/!Hz (lE=l0-9S-2>,带宽 5>l0-3 Hz0.l Hz 对于 l00 km 波长,确定重力场精度 l~2 毫伽, 大地水准面精度小于 l cm
卫卫跟踪的重力场恢复,国际上主要采用时域法 或空域法 时域法以卫星运动方程为基础,将卫星在 时空中运行时的轨道摄动观测值直接表示成重力位
低和低低卫星跟踪技术可以通过单一卫星计划一次性
确定不同阶次的地球重力场 可以在几周至几月内完
成确定重力场任务 卫星梯度计划可在一年内完成O由 于现代卫星重力计划设计中有利用高 精 度 的 GPS 技 术 微波测距测速和星载加速度计测量 克服了大气非
保守力影响 卫星设计高度可降至 400 km 左右 大大 提高了对重力场的敏感性O Z~2 卫星重力测量的观测量
非保守力
参考重力场
低轨卫星定轨
距离 "O
距离变化"' O
重力场参数估计 #(Clm,Slm>
梯度 TO
图 4 卫星观测资料反演地球重力场原理 从广泛的意义上讲, 基于卫星观测资料确定地球
重力场均可称为卫星重力测量 从上世纪 60 年代,可 用于确定地球重力场的观测技术包括早期的地面光电
卫星跟踪技术~Doppler 地面跟踪技术~ 人造卫星激光 测距技术和卫星测高技术 而现代的卫星重力测量技
度差异太大 系统不统一O并且无法了解重力场随时间
变化的特征O其三是卫星轨道高度受定轨精度影响 早
期的卫星高度通常都在 800 km 以上 由于地球重力
1+1
! " 场的信号按 a R
递减 原则上卫星高度应尽可能
低 以提高重力场的敏感性O而现代的卫星重力测量技
术已基本上克服了原有卫星技术的上述三大缺点 高
2005 年 2 月 第 3 卷第 1 期
中图分类号 P223
地理空间信息 GEOSPATIAL INFORMATION
文献标识码 A
Feb. 2005 Voi.3 No.1
文章编号!1672-4623 2005 01-0001-03
卫星重力测量
许厚泽! 周旭华! 彭碧波
(中国科学院 测量与地球物理研究所 湖北 武汉 430077)
第 3 卷第 1 期
许厚泽等!卫星重力测量
wenku.baidu.com
~3
术通常特指卫卫跟踪技术和卫星重力梯度技术O 从观测技术和卫星计划的设计方面 现代的卫星
重力测量与上世纪的技术有三点重要的不同之处O 其 一是早期的技术均是地基跟踪技术 利用卫星的观测
资料确定卫星轨道 通过重力场对卫星轨道的摄动谱
反演地球重力场O 该方法的缺点是对单一卫星轨道来 说 地球重力场对卫星轨道的摄动只可表达为一组重
当今 全球重力场研究的热点是将中 低频重力
收 稿 日 期 !!""5-01-13
位模型提高到厘米级 三颗专用的地球重力场探测卫 星 CHAMP GRACE 和 GOCE 就是为这一目标服务 1.! 高低卫卫跟踪卫星$ $$C-AMP
2000 年 7 月 15 日德国发射了高低卫卫跟踪的重 力卫星 CHAMP 是由德国地球科学中心 GFZ 独 立研制的 它的成功发射迈出了卫星重力学研究的重 要一步 其设计寿命 5 年 圆形近极轨道 倾角 83" 偏 心率 0.004 近地点约 470 km 主要目的为 1 确定全 球中长波长静态重力场和随时间的变化 2 测定全球 磁场和电场 3 大气和电离层探测 作为重力场的测 定 低轨卫星上的星载双频 GPS 接收机 以接收 高 轨 GPS 卫星信号精密确定低轨卫星的轨道 利用卫星的 质量中心安装了三轴加速度计测量非保守力 如大气 阻力 太阳光压等 其测量精度在卫星轨道的切向可达 5#10-9 m/s2 在轨道径向和法向为 5#10-8 m/s2 星载设 备还有 SLR 反射棱镜和地磁探测仪
重力卫星测量确定地球重力场其本质是把在轨运
行的卫星轨道视为重力场的敏感器O 由于在轨运行的 卫星上所有的测量仪器均处于失重状态 不可能在卫
星上直接测量重力加速度O 而卫星本身的位置和速度 向量在重力场的摄动下随时间变化 基于此采用卫卫
跟踪测量方法 高精度地测量出与卫星的位置和速度
矢量有关的 ! 和!! 即可反演重力场O 星载加速计作为 辅助技术可测出低轨卫星的非保守力的摄动O 与卫卫 跟踪不同 卫星梯度技术可以直接测出卫星在轨的重