本文關(guān)鍵詞：GRACE衛(wèi)星精密軌道確定與一步法恢復(fù)地球重力場(chǎng)

  更多相關(guān)文章： 低軌衛(wèi)星 GRACE 星載GPS 精密軌道確定 約化動(dòng)力法 分布式計(jì)算 地球重力場(chǎng)

【摘要】：地球重力場(chǎng)作為反映地球物質(zhì)分布與運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基本物理場(chǎng),在地球科學(xué)及相關(guān)學(xué)科的研究中具有極其重要的作用。近十幾年來(lái),隨著CHAMP、GRACE、GOCE等重力衛(wèi)星的相繼發(fā)射,衛(wèi)星重力測(cè)量技術(shù)成為中低階全球重力場(chǎng)及其時(shí)變探測(cè)的重要手段。獲取高精度的地球重力場(chǎng)及其時(shí)變,星載GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)模型精化、大規(guī)模參數(shù)估計(jì)、高性能計(jì)算等都是必須要克服的技術(shù)難題。本文緊緊圍繞著低軌衛(wèi)星精密定軌與地球重力場(chǎng)恢復(fù)的理論與算法展開(kāi)研究,自主開(kāi)發(fā)了衛(wèi)星精密定軌定位與重力場(chǎng)恢復(fù)系統(tǒng)(Satellite Precise Orbit Determination And Gravity Field Recorvey System, SPODAGRS),實(shí)現(xiàn)了GRACE衛(wèi)星厘米級(jí)精密定軌,完成了一步法恢復(fù)地球重力場(chǎng)。本文的主要工作和貢獻(xiàn)如下：1.研究并實(shí)現(xiàn)了時(shí)間系統(tǒng)、坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。基于 IERS 2010和SOFA,實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星精密定軌中常用的時(shí)間系統(tǒng)、坐標(biāo)系統(tǒng)及參考框架的轉(zhuǎn)換。2.系統(tǒng)闡述了低軌衛(wèi)星精密定軌理論與算法。深入研究了動(dòng)力法定軌和配置積分器的基本原理,基于矢量求導(dǎo)法則詳細(xì)推導(dǎo)了各種動(dòng)力學(xué)模型對(duì)衛(wèi)星位置、速度和力學(xué)參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù),尤其是基于數(shù)學(xué)歸納法詳細(xì)推導(dǎo)了地固系下地球引力、引力梯度及引力對(duì)位系數(shù)偏導(dǎo)數(shù)的遞推公式,避免了地球引力在兩極附近的奇異性。3.提出了一種高效的低軌衛(wèi)星精密定軌算法。針對(duì)低軌衛(wèi)星定軌中分段力學(xué)參數(shù)過(guò)多,執(zhí)行效率較低的問(wèn)題,分析了待估參數(shù)與設(shè)計(jì)矩陣、法矩陣的映射關(guān)系。通過(guò)引入分段初軌變量并執(zhí)行對(duì)力學(xué)參數(shù)的參數(shù)變換,在定軌過(guò)程中適時(shí)將過(guò)期的力學(xué)參數(shù)消掉,從而降低了積分器和法方程的維數(shù),大幅提高了計(jì)算效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：高效算法與傳統(tǒng)算法相比,耗時(shí)最多節(jié)省了78%。4.分析了GRACE衛(wèi)星星間測(cè)距數(shù)據(jù)KBR的基本觀測(cè)模型,提出了一種基于KBR數(shù)據(jù)一階、二階導(dǎo)數(shù)的KBR數(shù)據(jù)周跳探測(cè)方法,實(shí)現(xiàn)了雙星約化動(dòng)力法定軌。利用星載GPS雙頻偽距和載波數(shù)據(jù)并附加KBR數(shù)據(jù),基于偽隨機(jī)脈沖和9參數(shù)經(jīng)驗(yàn)力模型實(shí)現(xiàn)了雙星約化動(dòng)力法定軌。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：雙星定軌在R、T、N三個(gè)方向RMS均不超過(guò)0.03m,與單星定軌相比,最大提高了0.003m,大部分都提高了0.001m。5.針對(duì)GRACE衛(wèi)星非保守力難以精確建模的問(wèn)題,研究了衛(wèi)星加速度計(jì)數(shù)據(jù)用作非保守力的基本原理,利用星載GPS雙頻偽距和載波數(shù)據(jù)并附加KBR數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了雙星動(dòng)力法定軌。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：R方向RMS基本不超過(guò)0.01m,T方向RMS不超過(guò)0.03m,N方向RMS基本不超過(guò)0.04m。6.針對(duì)動(dòng)力法恢復(fù)地球重力場(chǎng)需要多天觀測(cè)數(shù)據(jù)聯(lián)合求解的問(wèn)題,研究了衛(wèi)星多天數(shù)據(jù)聯(lián)合解算的基本原理,提出了一種基于高效定軌算法的廣義軌道綜合方法,推導(dǎo)了相關(guān)參數(shù)變換公式并給出了具體實(shí)施步驟。7.利用GRACE衛(wèi)星精密軌道數(shù)據(jù)恢復(fù)地球重力場(chǎng),分別基于9參數(shù)經(jīng)驗(yàn)力模型、偽隨機(jī)脈沖和加速度計(jì)數(shù)據(jù)得到了3個(gè)60階地球重力場(chǎng)模型GR-EMP-2-1、GR-PLU-2-1和GR-ACC-2-1。與GFZ精密軌道相比,最終軌道RMS分別不超過(guò)0.002m、0.000m和0.006m；與DIR_R5重力場(chǎng)模型相比可以看出,GR-PLU-2-1和GR-EMP-2-1模型精度較高,全球大地水準(zhǔn)面標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.28m和0.44m,相應(yīng)的高程異常與實(shí)測(cè)值標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.22m和0.27m。8.針對(duì)兩步法恢復(fù)地球重力場(chǎng)理論不夠嚴(yán)密的問(wèn)題,深入研究并實(shí)現(xiàn)了理論更加嚴(yán)密的一步法恢復(fù)地球重力場(chǎng)。該方法采用15天的GRACE雙星星載GPS數(shù)據(jù)并附加KBR數(shù)據(jù),分別利用9參數(shù)經(jīng)驗(yàn)力模型、偽隨機(jī)脈沖和加速度計(jì)數(shù)據(jù)代替非保守力,得到了3個(gè)重力場(chǎng)模型GR-EMP-1-2-KBR、GR-PLU-1-2-KBR和GR-ACC-1-2-KBR,其中前兩個(gè)模型精度相對(duì)較高,全球大地水準(zhǔn)面高與DIR—R5模型相比,標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.54m,0.55m,相應(yīng)的模型高程異常與實(shí)測(cè)值相比,標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.58m和0.56m；如果只采用星載GPS數(shù)據(jù),得到的重力場(chǎng)模型GR-EMP-1-2、GR-PLU-1-2對(duì)應(yīng)的全球大地水準(zhǔn)面高與DIR_R5模型相比,標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.91m,0.79m,相應(yīng)的模型高程異常與實(shí)測(cè)值相比,標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.26m和1.40m。上述結(jié)果表明：KBR觀測(cè)量對(duì)恢復(fù)地球重力場(chǎng)的影響十分顯著,能夠大幅提高所恢復(fù)的地球重力場(chǎng)模型的精度。9.針對(duì)恢復(fù)地球重力場(chǎng)中運(yùn)算量大、單機(jī)計(jì)算耗時(shí)較長(zhǎng)的問(wèn)題,提出了并行計(jì)算的解決方案。該方案充分利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)硬件優(yōu)勢(shì),將多線程并行計(jì)算、多進(jìn)程并行計(jì)算和基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的多計(jì)算機(jī)分布式計(jì)算有機(jī)組合起來(lái),實(shí)現(xiàn)了基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的分布式計(jì)算方法恢復(fù)地球重力場(chǎng),大大提高了計(jì)算效率。10.自主開(kāi)發(fā)了衛(wèi)星精密定軌定位與重力場(chǎng)恢復(fù)系統(tǒng)。基于標(biāo)準(zhǔn)C++編程語(yǔ)言和SOCKET網(wǎng)絡(luò)編程API,獨(dú)立開(kāi)發(fā)了一套衛(wèi)星精密定軌定位與重力場(chǎng)恢復(fù)系統(tǒng)SPODAGRS。該系統(tǒng)作為一個(gè)綜合軟件平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了GPS衛(wèi)星軌道動(dòng)力學(xué)平滑、低軌衛(wèi)星軌道動(dòng)力學(xué)平滑、低軌衛(wèi)星幾何法定軌、動(dòng)力法定軌、約化動(dòng)力法定軌、兩步法恢復(fù)地球重力場(chǎng)和一步法恢復(fù)地球重力場(chǎng)等功能。
【關(guān)鍵詞】：低軌衛(wèi)星 GRACE 星載GPS 精密軌道確定 約化動(dòng)力法 分布式計(jì)算 地球重力場(chǎng)
【學(xué)位授予單位】：解放軍信息工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：P223
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第一章 緒論14-30
• 1.1 研究背景與意義14-16
• 1.2 衛(wèi)星軌道確定技術(shù)的發(fā)展16-20
• 1.3 星載GPS技術(shù)的發(fā)展20-23
• 1.4 衛(wèi)星重力技術(shù)的發(fā)展23-28
• 1.5 主要研究?jī)?nèi)容28-30
• 第二章 時(shí)間系統(tǒng)與坐標(biāo)系統(tǒng)30-50
• 2.1 IERS簡(jiǎn)介30-32
• 2.2 系統(tǒng)、框架及轉(zhuǎn)換32-45
• 2.2.1 GCRS和ITRS坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換33-37
• 2.2.2 參考框架及轉(zhuǎn)換37-39
• 2.2.3 時(shí)間系統(tǒng)及轉(zhuǎn)換39-41
• 2.2.4 衛(wèi)星定軌中常用的局部坐標(biāo)系41
• 2.2.5 基于SOFA和混合編程技術(shù)的坐標(biāo)變換41-45
• 2.3 矢量求導(dǎo)規(guī)則及約定45-49
• 2.4 本章小結(jié)49-50
• 第三章 衛(wèi)星精密軌道確定基本理論與算法50-98
• 3.1 基本觀測(cè)模型50-52
• 3.1.1 基本觀測(cè)量50-51
• 3.1.2 消電離層線性組合51
• 3.1.3 消幾何距離組合51-52
• 3.1.4 偽距窄巷組合與相位寬巷組合52
• 3.1.5 Melbourne-Wubbena組合52
• 3.2 基本周跳探測(cè)方法52-58
• 3.2.1 電離層殘差法探測(cè)周跳53
• 3.2.2 L_4擬合法探測(cè)周跳53-54
• 3.2.3 TurbuEdit周跳探測(cè)方法54-56
• 3.2.4 相位平滑偽距基本原理56-58
• 3.3 基本動(dòng)力學(xué)模型58-93
• 3.3.1 地球引力58-77
• 3.3.2 N體攝動(dòng)77-78
• 3.3.3 光壓模型78-86
• 3.3.4 大氣阻力模型86-88
• 3.3.5 9參數(shù)經(jīng)驗(yàn)力模型88-90
• 3.3.6 相對(duì)論效應(yīng)90-92
• 3.3.7 偽隨機(jī)脈沖92-93
• 3.4 動(dòng)力法定軌基本原理93-96
• 3.4.1 動(dòng)力方程93-94
• 3.4.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣94
• 3.4.3 敏感矩陣94-95
• 3.4.4 觀測(cè)方程與參數(shù)估計(jì)95-96
• 3.5 本章小結(jié)96-98
• 第四章 基于高效算法的衛(wèi)星軌道動(dòng)力學(xué)平滑98-124
• 4.1 參數(shù)化方法98-100
• 4.2 參數(shù)的變換與消元100-104
• 4.2.1 參數(shù)與法矩陣的映射關(guān)系100-102
• 4.2.2 參數(shù)變換基本原理102-103
• 4.2.3 參數(shù)消元基本原理103-104
• 4.3 配置積分器的基本原理104-109
• 4.3.1 基本原理104-106
• 4.3.2 配置積分器的起步106-107
• 4.3.3 算法的優(yōu)化107-109
• 4.4 基于參數(shù)變換的高效定軌算法109-116
• 4.5 衛(wèi)星軌道動(dòng)力學(xué)平滑算例分析116-123
• 4.5.1 GPS衛(wèi)星精密軌道動(dòng)力學(xué)平滑116-117
• 4.5.2 GRACE衛(wèi)星精密軌道動(dòng)力學(xué)平滑117-121
• 4.5.3 傳統(tǒng)算法與高效算法計(jì)算效率的比較121-123
• 4.6 本章小結(jié)123-124
• 第五章 GRACE衛(wèi)星精密軌道確定124-142
• 5.1 GRACE衛(wèi)星幾何法定軌及動(dòng)力學(xué)平滑124-129
• 5.1.1 幾何法定軌基本原理124-125
• 5.1.2 幾何法定軌精度分析125-128
• 5.1.3 幾何軌道的動(dòng)力學(xué)平滑128-129
• 5.2 GRACE衛(wèi)星約化動(dòng)力法精密定軌129-132
• 5.2.1 基本原理129-130
• 5.2.2 約化動(dòng)力法定軌算例分析130-132
• 5.3 KBR觀測(cè)量在雙星精密定軌中的應(yīng)用132-137
• 5.3.1 基本觀測(cè)模型132-134
• 5.3.2 KBR觀測(cè)量的周跳探測(cè)134-136
• 5.3.3 雙星精密定軌算例分析136-137
• 5.4 星載加速度計(jì)數(shù)據(jù)在精密定軌中的應(yīng)用137-141
• 5.4.1 基本原理137-139
• 5.4.2 動(dòng)力法雙星精密定軌算例分析139-141
• 5.5 本章小結(jié)141-142
• 第六章 GRACE衛(wèi)星一步法恢復(fù)地球重力場(chǎng)142-176
• 6.1 基于高效算法的廣義軌道綜合142-148
• 6.1.1 單天解法方程表達(dá)式142-143
• 6.1.2 初軌參數(shù)的綜合143-144
• 6.1.3 力學(xué)參數(shù)和模糊度參數(shù)的綜合144-145
• 6.1.4 軌道綜合步驟和詳細(xì)參數(shù)變換公式145-148
• 6.2 KBR觀測(cè)量對(duì)恢復(fù)地球重力場(chǎng)模型的影響分析148-151
• 6.3 恢復(fù)地球重力場(chǎng)參數(shù)設(shè)置與精度評(píng)估方法151-153
• 6.4 利用精密軌道數(shù)據(jù)恢復(fù)地球重力場(chǎng)精度分析153-161
• 6.4.1 軌道精度的比較154-158
• 6.4.2 重力場(chǎng)內(nèi)符合精度的比較158-161
• 6.4.3 重力場(chǎng)外符合精度的比較161
• 6.5 利用星載GPS單星數(shù)據(jù)恢復(fù)地球重力場(chǎng)精度分析161-166
• 6.5.1 軌道精度的比較162-163
• 6.5.2 內(nèi)符合精度的比較163-165
• 6.5.3 外符合精度的比較165-166
• 6.6 附加KBR雙星星載GPS數(shù)據(jù)恢復(fù)地球重力場(chǎng)精度分析166-174
• 6.6.1 軌道精度的比較166-168
• 6.6.2 內(nèi)符合精度的比較168-172
• 6.6.3 外符合精度的比較172-174
• 6.7 本章小結(jié)174-176
• 第七章 SPODAGRS軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)176-192
• 7.1 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境176-177
• 7.2 主要功能概述177-179
• 7.3 面向?qū)ο蟮姆椒?/span>179-187
• 7.3.1 核心類(lèi)的功能設(shè)計(jì)179-184
• 7.3.2 非核心類(lèi)功能設(shè)計(jì)184-185
• 7.3.3 多索引變量的排序算法185-187
• 7.4 SPODAGRS高性能計(jì)算187-190
• 7.4.1 SPODAGRS高性能計(jì)算概述187-188
• 7.4.2 SPODAGRS高性能計(jì)算基本策略188-190
• 7.5 本章小結(jié)190-192
• 第八章 結(jié)論與展望192-196
• 8.1 本文主要工作及貢獻(xiàn)192-194
• 8.2 后續(xù)工作與展望194-196
• 致謝196-198
• 參考文獻(xiàn)198-214
• 作者簡(jiǎn)介214

，

本文編號(hào)：750392