[发明专利]基于星间速度插值原理的卫星重力反演方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及卫星大地测量学、地球物理学、空间科学等交叉技术领域，特别是涉及一种通过将GRACE型卫星K波段测量仪的高精度星间速度引入双星相对轨道速度矢量的星星连线分量建立新型星间速度插值观测方程，进而精确和快速反演地球重力场的方法。

二、背景技术

如图1所示，地球重力场及其随时间的变化反映地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，确定地球重力场的精细结构及其时变不仅是大地测量、地球物理、海洋勘探、地震预报、空间科学、惯性导航、航天技术、工业应用等的需求，同时也将为全人类寻求资源、保护环境和预测灾害提供重要的信息资源。第一，重力变化决定于地质构造和矿产资源(如煤炭、石油、天然气等)分布的不均匀性。由于我国远景资源储备中有78％的石油和93％的天然气亟待开发，因此精密重力测量有利于我国将来的资源勘探。第二，由于地震(如2005年3月印尼苏门答腊8.5级地震、2008年5月中国汶川8.0级地震、2010年2月智利8.8级地震、2011年3月日本福岛9.0级地震等)、火山、海啸、龙卷风、泥石流等自然灾害发生前后，地球重力场将发生明显的变化和异常，因此精密重力测量能帮助我们预测自然灾害的发生，进而降低经济损失和保障人员安全。

早在20世纪60年代，Baker首次提出了利用卫星跟踪卫星测量技术(SST)确定地球重力场的重要思想(如图2所示)。自此以后，国际大地测量学界的许多学者都积极投身于地球重力场反演的方法与算法的理论研究和数值计算之中。在利用卫星重力测量数据反演地球重力场的众多方法中，按引力位系数解算方式的差异可分为空域法和时域法。时域法主要包括5种类型：(1)轨道摄动法；(2)动力学法；(3)能量守恒法；(4)半解析法；(5)卫星加速度法。但直到2000年以后，专用于地球重力场精密探测的重力卫星CHAMP(Challenging Minisatellite Payload)、GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)和GOCE(Gravity Field and Steady-State Ocean Circulaion Explorer)的成功发射及实际观测数据的有效处理应用，上述方法与算法才真正进入实际操作阶段(如图3所示)。

卫星加速度法包括轨道加速度法和星间加速度法，是指以卫星轨道加速度或星间加速度为观测量建立卫星观测方程，基于最小二乘法、预处理共轭梯度法(PCCG)等解算大型线性超定方程组，进而恢复地球引力位系数，最终目的是反演高精度和高空间分辨率的地球重力场。卫星轨道加速度法通常用于解算CHAMP单星地球重力场。Reubelt et al.(2003)基于牛顿插值的轨道加速度法确定了CHAMP地球重力场；Ditmar et al.(2006)提出了基于3点插值加权平均加速度法计算地球重力场的思想，并利用1年的CHAMP卫星数据建立了DEOS CHAMP-01C 70地球重力场模型。星间加速度法适于确定GRACE双星地球重力场，优点是观测方程形式简单、物理含义明确、易于重力场的敏感度分析、在保证求解精度的前提下计算量大大降低，通常采用PC计算机可完成高阶重力场的快速求解；缺点是采用的数值微分算法在一定程度上损失了低频地球重力场的精度。Rummel(1979)基于经典的星间加速度法解算了地球重力场；Liu(2008)基于3点星间距离联合法(3RC)解算了GRACE地球重力场。在以往研究建立的卫星观测方程中，由于引入了星载K波段测量仪的高精度星间距离、星间速度和星间加速度观测量，因此地球重力场反演的精度得到了较大程度的改善。由于星载K波段测量仪星间速度是地球重力场精度提高的关键因素，同时也是主要误差源，因此开展星载K波段测量仪星间速度对地球重力场精度影响因素的分析研究是进一步提高地球重力场精度的关键。

不同于前人提出的卫星重力反演法，本发明首次通过在相对轨道速度的星星连线分量中引入星载K波段测量仪的高精度星间速度，建立了新型星间速度插值观测方程，并通过与德国地学研究中心(GFZ)公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型精度的符合性验证了其正确性和可靠性。由于我国自主研制和正在建设的首期卫星跟踪卫星测量模式的地球重力卫星系统预计于国家“十二五”规划末期发射升空，因此，星间速度插值法(IRRI)以其独特的优越性将成为我国将来高精度和高空间分辨率地球重力场反演的优选方法之一。

三、发明内容