利用GOCE和GRACE衛(wèi)星數據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)星任務的成功實施，基于重力衛(wèi)星觀測數據確定全球重力場模型的理

2、論及其應用方興未艾。本文主要針對GOCE和GRACE衛(wèi)星數據恢復地球重力場模型的理論和方法進行研究，通過聯合兩代重力衛(wèi)星的多類觀測數據恢復全球重力場模型，同時提出了一種基于重力衛(wèi)星觀測數據探測全球質量變化的新方法。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系統(tǒng)，分析并實現了基于IERS2010規(guī)范的地固系和慣性系坐標轉換算法，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、度張量在各個坐標系中的表達式。
　　2.詳細分析了地球重力場模型球諧位系數的排列規(guī)則，給出了十種典型的球諧位系數排列方式，完整給出了這十種球諧位系數排列方法的各位系數索引計算算法，并以此為基礎分析了各球諧位系數排列方式對應法方程矩陣的特點。分析比較了各種計算締合Legendre函數及其一階、二階導數算法的精度和特點，推導了一種計算締合Legendre函數二階導數的快速穩(wěn)定遞推算法，新的算法計算精度與傳統(tǒng)算法相當，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數據必須從零經度開始，避免了格網內插的精度損失，數值實驗結果表明新算法的計算效率與傳統(tǒng)算法相當。詳細推導了含一類和二類局部未知參數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時的單位權中誤差計算方法，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的最優(yōu)正則化方法。采用傅里葉級數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的計算問題。分析認為平均加速度法和短弧長積分法更適合處理GOCE衛(wèi)星軌道數據，解算的重力場模型精度較高，而能量守恒法的精度較低，并認為GOCE衛(wèi)星軌道數據不適合恢復超過120階次以上的

6、重力場模型。詳細論述了GOCE梯度觀測數據的處理流程，采用向前向后的零相位有限脈沖帶通數字濾波器和移去-恢復法相結合處理梯度數據中的有色噪聲，并利用12個月的梯度數據恢復了210階次的SWJTU-GO01G梯度模型，驗證了梯度數據處理的正確性。
　　5.利用12個月左右的GOCE衛(wèi)星軌道和梯度數據恢復了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梯度數據恢復了210階次的SWJTU-GO02G梯度模型，并聯合采用7年左右GRACE數據解算的ITG-Grace2010s模型的法方程，恢復了210階次的全球重力場模型SWJTU-GOGR01S，其在210階次的大地水準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流，并將其與多源數據同化模型CNES-CLS09、海洋浮標觀測數據和GRACE重力場模型的結果進行比較，利用SWJTU-GO01S模型計算的精度與第四代官方模型的精度相當，優(yōu)于GRACE模型的精度。
　　7.推導了一種新的基于低軌重力衛(wèi)星數據監(jiān)測全球質量變化的三維加速度點質量模型法，該算法不同于傳統(tǒng)的球諧位系數法和MASCON法，不必將球諧位系數作為中間計