[发明专利]利用方差-协方差对角张量原理反演地球重力场的方法

说明书

技术领域

本发明涉及卫星重力梯度学、空间大地测量学、地球物理学、宇航学等交叉技术领域，特别是涉及一种基于卫星重力梯度方差-协方差对角张量原理建立累积大地水准面误差模型，并利用卫星轨道高度和卫星重力梯度仪精度指标开展GOCE-II卫星重力梯度系统需求论证研究的方法。

背景技术

地球重力场及其时变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卫星大地测量学、海洋学、地震学、空间科学、国防建设等的需求，同时也将为寻求资源、保护环境和预测灾害提供重要的信息资源。

如图1所示，欧洲空间局（ESA）独立研制的GOCE（Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer）重力梯度卫星已于2009年3月17日成功发射升空；采用近圆（轨道离心率0.001）、极地（轨道倾角96.5°）和太阳同步轨道；经过20个月的飞行计划，轨道高度由250km降为240km；主要用于精密探测地球重力场的中短波信号。GOCE采用卫星跟踪卫星高低和卫星重力梯度（SST-HL/SGG）模式的结合，除基于高轨道的GPS/GLONASS卫星对低轨道的GOCE进行精密跟踪定位（定轨精度1cm），同时利用定位于卫星质心处的重力梯度仪（测量精度3×10^-12/s²）高精度测量卫星轨道高度处引力位的二阶导数。GOCE采用了非保守力补偿技术，首先利用重力梯度仪测量由非保守力（大气阻力、太阳光压、地球辐射压、轨道高度和姿态控制力等）引起的卫星质心的线性加速度与卫星平台的角加速度；其次，结合卫星平台姿态测量数据，通过无阻尼离子微推进器补偿卫星受到的非保守力。由于卫星重力梯度观测数据中的非保守力效应得到了有效扣除，因此进一步提高了重力场反演的精度和空间分辨率。由于地球重力场信号随卫星轨道高度的增加而呈指数急剧衰减[R_e/(R_e+H)]^l+1，其中R_e表示地球的平均半径，H表示卫星轨道高度，l表示地球引力位按球函数展开的阶数。基于分析卫星轨道运动仅适合于确定中长波地球重力场，而SGG是直接测定地球引力位的二次微分，其结果将球谐系数放大了l²倍，因此可有效抑制地球引力位随高度的衰减效应，进而高精度感测中高频地球重力场信号。基于GOCE重力梯度卫星在高精度感测地球中高频重力场中的优秀表现，以及GOCE卫星重力梯度计划预计于2015年前结束的原因，国际大地测量、空间科学等交叉研究领域的众多科研机构正积极开展GOCE-II卫星重力梯度计划的研究论证，旨在进一步提高全球重力场的测量精度以及获得地球重力场的时变信号。

在众多卫星重力反演方法中，按照卫星观测方程的建立和求解的不同可分为数值法和解析法。数值法是指将卫星观测数据按时间序列处理，卫星星历值直接表示成地球引力位系数的函数，由最小二乘法、预处理共轭梯度法等解算超定方程组，进而获得地球引力位系数。优点是地球重力场求解精度较高；缺点是不易于误差分析、求解速度较慢、对计算机性能要求较高，难以解算高阶次地球重力场模型。解析法是指通过分析地球重力场和卫星观测数据的关系建立卫星观测方程模型，进而估计地球重力场的精度。优点是卫星观测方程物理含义明确，易于误差分析且可快速求解高阶地球重力场；缺点是在建立卫星观测方程模型时作了不同程度的近似。不同于已有卫星重力反演法，本发明首次建立了方差-协方差对角张量卫星重力梯度反演方法。在卫星重力计划可行性研究的地球重力场需求分析阶段，可通过方差-协方差对角张量卫星重力梯度反演法有效和快速论证卫星观测模式、卫星轨道参数（轨道高度、轨道倾角、轨道离心率等）、关键载荷匹配精度指标（重力梯度仪、GPS接收机、非保守力补偿系统等）等的合理性和最优设计，分析卫星系统各项误差源对地球重力场反演精度的影响。本发明不仅为卫星重力梯度系统的轨道参数和关键载荷精度指标的优化设计提供了理论依据和技术支持，同时对国际月球和太阳系火星等行星卫星重力测量的发展方向具有一定的借鉴意义。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种利用卫星重力梯度方差-协方差对角张量原理反演地球重力场的方法，包含以下步骤：

步骤1：通过重力梯度卫星的星载重力梯度仪采集卫星重力梯度测量数据δV_xyz；