本文關(guān)鍵詞：探測(cè)地球重力場(chǎng)的衛(wèi)星重力梯度指標(biāo)研究與分析

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【摘要】：地球重力場(chǎng)信息是重要的測(cè)繪地理信息。確定高精度地球重力場(chǎng)是建立全球統(tǒng)一的高程基準(zhǔn)、區(qū)域性測(cè)繪垂直基準(zhǔn)的重要基礎(chǔ),是實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)繪應(yīng)用和服務(wù)的重要內(nèi)容。中、長(zhǎng)波大地水準(zhǔn)面在地球重力場(chǎng)譜結(jié)構(gòu)中絕對(duì)占優(yōu)(大于95%),全球中、長(zhǎng)波段重力場(chǎng)的誤差仍然是制約全球高程基準(zhǔn)統(tǒng)一和進(jìn)一步提高大地水準(zhǔn)面精度的瓶頸問(wèn)題。本世紀(jì)物理大地測(cè)量學(xué)研究的主要科學(xué)目標(biāo)是確定厘米級(jí)的大地水準(zhǔn)面和發(fā)展超高階地球重力場(chǎng)模型,其中的關(guān)鍵問(wèn)題是需要進(jìn)一步提高地球重力場(chǎng)以及大地水準(zhǔn)面的中、長(zhǎng)波分量的準(zhǔn)確度,同時(shí)盡可能獲取更加海量的地球重力場(chǎng)觀測(cè)信息。衛(wèi)星重力梯度測(cè)量技術(shù)作為目前最有價(jià)值和應(yīng)用前景的高效重力探測(cè)技術(shù)之一,具有全球、快速、低成本、高精度、高分辨率等技術(shù)特點(diǎn),是高效、穩(wěn)定測(cè)定地球重力場(chǎng)中短波精細(xì)結(jié)構(gòu)的重要手段。我國(guó)已經(jīng)明確要發(fā)展民用衛(wèi)星重力梯度測(cè)量技術(shù),服務(wù)測(cè)繪基準(zhǔn)維護(hù)等應(yīng)用。重力梯度測(cè)量衛(wèi)星系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜度高、精度要求高、工藝水平要求高的系統(tǒng)工程。除了需要對(duì)衛(wèi)星關(guān)鍵載荷等相關(guān)硬件設(shè)備的研制和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行攻關(guān)和改進(jìn)外,研究衛(wèi)星重力梯度測(cè)量系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)技術(shù),提升仿真技術(shù)的完備性和科學(xué)量化度,對(duì)于明確衛(wèi)星平臺(tái)及載荷攻關(guān)方向具有重要意義。本文系統(tǒng)開(kāi)展了重力梯度測(cè)量衛(wèi)星的系統(tǒng)仿真關(guān)鍵技術(shù)研究,量化設(shè)計(jì)與分析了國(guó)產(chǎn)重力梯度測(cè)量衛(wèi)星系統(tǒng)的總體主要技術(shù)指標(biāo)和有效載荷主要技術(shù)指標(biāo),并形成了具有數(shù)值模擬、重力場(chǎng)恢復(fù)、指標(biāo)分析等多項(xiàng)功能的原型軟件系統(tǒng)。本文的主要研究?jī)?nèi)容和貢獻(xiàn)包括以下幾個(gè)方面：1.對(duì)靜態(tài)全球重力場(chǎng)模型的解算和發(fā)布情況進(jìn)行簡(jiǎn)要概述,然后利用GPS/水準(zhǔn)等內(nèi)、外符合方法對(duì)國(guó)際代表性的衛(wèi)星地球重力場(chǎng)模型進(jìn)行了頻譜和精度分析,結(jié)果表明,EIGEN-6C3stat模型在中國(guó)西部地區(qū)精度要明顯優(yōu)于EGM2008,以CHAMP、 GRACE和GOCE衛(wèi)星為代表的高-低衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星、低-低衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星和衛(wèi)星重力梯度測(cè)量模式分別對(duì)地球重力場(chǎng)600公里波長(zhǎng)以上的長(zhǎng)波和中長(zhǎng)波、300公里波長(zhǎng)以上的中波、200公里至350公里波長(zhǎng)之間的中短波部分具有顯著提升作用。2.深入研究了解析法和半解析法開(kāi)展重力梯度測(cè)量衛(wèi)星系統(tǒng)指標(biāo)分析的基礎(chǔ)理論和方法,并詳細(xì)探討了衛(wèi)星軌道的設(shè)計(jì)與計(jì)算方法,包括地面軌道、軌道傾角、重力場(chǎng)恢復(fù)對(duì)衛(wèi)星軌道的要求等。3.從中短波地球重力場(chǎng)的高精度確定、全球參考框架建設(shè)與維護(hù)、精密高程基準(zhǔn)面建立以及衛(wèi)星精密定軌等方面對(duì)衛(wèi)星重力梯度測(cè)量技術(shù)的測(cè)繪應(yīng)用情況進(jìn)行了論述和分析,明確了重力梯度測(cè)量衛(wèi)星的測(cè)繪應(yīng)用輸入。4.基于解析法指標(biāo)設(shè)計(jì)方法,對(duì)重力梯度測(cè)量衛(wèi)星的總體技術(shù)指標(biāo),包括重力梯度測(cè)量衛(wèi)星高度、定軌精度、主要載荷精度水平等進(jìn)行了分析論證,對(duì)衛(wèi)星的軌道參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算,研究表明：》對(duì)于高-低衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星測(cè)量系統(tǒng)而言,軌道高度和加速度計(jì)精度是影響地球重力場(chǎng)分辨率和精度的兩個(gè)主要因素。當(dāng)軌道高度為400km或者500km時(shí),加速度計(jì)精度的提升可有效改善大地水準(zhǔn)面的精度,但對(duì)大地水準(zhǔn)面空間分辨率的提升并不明顯。軌道高度越低,加速度計(jì)精度的提升對(duì)大地水準(zhǔn)面反演精度的改善越明顯。當(dāng)衛(wèi)星軌道高度固定時(shí),加速度計(jì)精度的提高與大地水準(zhǔn)面精度的提高大致成比例。對(duì)于衛(wèi)星重力梯度測(cè)量系統(tǒng)而言,軌道高度和重力梯度儀精度是影響地球重力場(chǎng)分辨率和精度的兩個(gè)主要因素。隨著軌道高度的降低,重力梯度徑向分量精度的提升對(duì)大地水準(zhǔn)面反演精度和分辨率的改善越明顯。當(dāng)軌道高度固定時(shí),重力梯度徑向分量精度的提高與大地水準(zhǔn)面精度的提高大致成正比。5.基于衛(wèi)星重力梯度數(shù)據(jù)確定地球重力場(chǎng)的半解析法,通過(guò)地球重力場(chǎng)模型的仿真計(jì)算分析,研究了軌道高度、軌道傾角等參數(shù)與重力場(chǎng)精度的關(guān)系,就重力梯度觀測(cè)量、高-低衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星觀測(cè)量精度與重力場(chǎng)反演精度的關(guān)系進(jìn)行了仿真分析,并對(duì)重力梯度觀測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)中的殘余非保守力控制和質(zhì)心控制進(jìn)行了分析。研究表明：當(dāng)大地水準(zhǔn)面反演精度在100km空間分辨率上達(dá)到1-2cm時(shí),在軌道確定精度為3cm/(?)和引力梯度張量對(duì)角線三分量均為3mE/(?)的精度條件下,則軌道高度需要小于250kmn；當(dāng)軌道高度為300km時(shí),則Vxx, Vyy, Vzz的觀測(cè)精度需要優(yōu)于1mE/(?)�？紤]到低軌衛(wèi)星的軌道控制水平和軌道控制對(duì)地球重力場(chǎng)反演精度的影響,重力梯度測(cè)量衛(wèi)星的初始軌道高度設(shè)定為250km為優(yōu),最高不能超過(guò)300km。高-低衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星的觀測(cè)精度應(yīng)優(yōu)于3cm/(?),重力梯度觀測(cè)值的精度應(yīng)保持在3mE/(?)左右。考慮極空白對(duì)地球重力場(chǎng)反演的影響,重力梯度測(cè)量衛(wèi)星軌道傾角選擇90°到93。為佳。6.利用數(shù)值模擬方法對(duì)半解析法估計(jì)重力場(chǎng)模型的精度進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明,對(duì)圓形、嚴(yán)格重復(fù)、常數(shù)采樣的近極軌道,數(shù)值模擬方法和半解析法得到的結(jié)果完全一致。7.首次對(duì)一種新型重力測(cè)量衛(wèi)星系統(tǒng)(高-低衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星、低-低衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星和重力梯度測(cè)量相結(jié)合的測(cè)量模式)進(jìn)行了指標(biāo)分析。結(jié)果表明,與高-低衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星和重力梯度測(cè)量相結(jié)合的測(cè)量模式相同,在相同的觀測(cè)精度條件下,軌道高度仍是決定重力場(chǎng)反演精度的最關(guān)鍵因素；若用模型最高階次累積大地水準(zhǔn)面誤差評(píng)價(jià)不同觀測(cè)值對(duì)聯(lián)合解算模型的貢獻(xiàn),則星間距離變率或重力梯度觀測(cè)量占據(jù)主要貢獻(xiàn)。8.深入研究了衛(wèi)星重力梯度數(shù)據(jù)確定地球重力場(chǎng)的理論和衛(wèi)星軌道仿真方法,重點(diǎn)突破了解析法和半解析法用于指標(biāo)分析的算法,研制了一套衛(wèi)星重力梯度測(cè)量系統(tǒng)仿真軟件包,具備軌道模擬、觀測(cè)量模擬和指標(biāo)分析等功能,為我國(guó)重力梯度測(cè)量衛(wèi)星技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)與分析建立了原型平臺(tái)支撐。
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：P223

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本文編號(hào)：1275011