利用GOCE和GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)確定全球重力場模型.pdf

1、航天時代的到來，極大地促進了地球重力場模型理論和實踐的發(fā)展，隨著CHAMP(CHAllenging Minisatellite Payload)、GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)和GOCE(Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer)三代專用重力衛(wèi)星任務(wù)的成功實施，基于重力衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)確定全球重力場模型的理

2、論及其應(yīng)用方興未艾。本文主要針對GOCE和GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)恢復(fù)地球重力場模型的理論和方法進行研究，通過聯(lián)合兩代重力衛(wèi)星的多類觀測數(shù)據(jù)恢復(fù)全球重力場模型，同時提出了一種基于重力衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)探測全球質(zhì)量變化的新方法。論文主要工作及創(chuàng)新如下:
　　1.詳細敘述了衛(wèi)星重力測量中涉及的時間和坐標(biāo)系統(tǒng)，分析并實現(xiàn)了基于IERS2010規(guī)范的地固系和慣性系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法，分析了GOCE和GRACE衛(wèi)星受到的各種保守力攝動加速度。完整介紹了引力梯

3、度張量在各個坐標(biāo)系中的表達式。
　　2.詳細分析了地球重力場模型球諧位系數(shù)的排列規(guī)則，給出了十種典型的球諧位系數(shù)排列方式，完整給出了這十種球諧位系數(shù)排列方法的各位系數(shù)索引計算算法，并以此為基礎(chǔ)分析了各球諧位系數(shù)排列方式對應(yīng)法方程矩陣的特點。分析比較了各種計算締合Legendre函數(shù)及其一階、二階導(dǎo)數(shù)算法的精度和特點，推導(dǎo)了一種計算締合Legendre函數(shù)二階導(dǎo)數(shù)的快速穩(wěn)定遞推算法，新的算法計算精度與傳統(tǒng)算法相當(dāng)，而計算效率提高了一

4、倍以上。
　　3.詳細分析了球諧分析和球諧綜合算法，并推導(dǎo)了一種適用范圍更廣泛的基于快速傅里葉變換(FFT)算法的球諧分析和綜合算法，新的算法不再要求格網(wǎng)數(shù)據(jù)必須從零經(jīng)度開始，避免了格網(wǎng)內(nèi)插的精度損失，數(shù)值實驗結(jié)果表明新算法的計算效率與傳統(tǒng)算法相當(dāng)。詳細推導(dǎo)了含一類和二類局部未知參數(shù)時最小二乘法方程的建立方法，并完整給出了消一類和二類局部未知參數(shù)時的單位權(quán)中誤差計算方法，介紹了幾種常用的處理病態(tài)問題的正則化方法。
　　4.采

5、用能量守恒法、平均加速度法和短弧長積分法解算了GOCE衛(wèi)星軌道重力場模型，分析了三種方法用于求解GOCE軌道重力場模型時的精度和適用性，同時分析了各自對應(yīng)的最優(yōu)正則化方法。采用傅里葉級數(shù)的思想解決了利用能量守恒法求解GOCE軌道重力場模型時耗散能和能量常數(shù)的計算問題。分析認(rèn)為平均加速度法和短弧長積分法更適合處理GOCE衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，解算的重力場模型精度較高，而能量守恒法的精度較低，并認(rèn)為GOCE衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)不適合恢復(fù)超過120階次以上的

6、重力場模型。詳細論述了GOCE梯度觀測數(shù)據(jù)的處理流程，采用向前向后的零相位有限脈沖帶通數(shù)字濾波器和移去-恢復(fù)法相結(jié)合處理梯度數(shù)據(jù)中的有色噪聲，并利用12個月的梯度數(shù)據(jù)恢復(fù)了210階次的SWJTU-GO01G梯度模型，驗證了梯度數(shù)據(jù)處理的正確性。
　　5.利用12個月左右的GOCE衛(wèi)星軌道和梯度數(shù)據(jù)恢復(fù)了210階次的地球重力場模型SWJTU-GO01S，其在210階次相對EGM2008模型的大地水準(zhǔn)面誤差和累計誤差分別為2.1cm和

7、13.7cm，優(yōu)于第二代官方模型的精度。采用3年左右的GOCE梯度數(shù)據(jù)恢復(fù)了210階次的SWJTU-GO02G梯度模型，并聯(lián)合采用7年左右GRACE數(shù)據(jù)解算的ITG-Grace2010s模型的法方程，恢復(fù)了210階次的全球重力場模型SWJTU-GOGR01S，其在210階次的大地水準(zhǔn)面誤差和累計誤差分別為1.3cm和5.7cm，整體精度到了歐空局第三代至第四代模型之間的精度。
　　6.利用恢復(fù)的GOCE重力場模型SWJTU-GO0

8、1S和CNES-CLS2010平均海面高模型計算了全球穩(wěn)態(tài)海面地形和海表地轉(zhuǎn)流，并將其與多源數(shù)據(jù)同化模型CNES-CLS09、海洋浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)和GRACE重力場模型的結(jié)果進行比較，利用SWJTU-GO01S模型計算的精度與第四代官方模型的精度相當(dāng)，優(yōu)于GRACE模型的精度。
　　7.推導(dǎo)了一種新的基于低軌重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測全球質(zhì)量變化的三維加速度點質(zhì)量模型法，該算法不同于傳統(tǒng)的球諧位系數(shù)法和MASCON法，不必將球諧位系數(shù)作為中間計