衛衛跟蹤模式重力反演理論與方法 沈雲中 陳秋傑 張興福 等 9787030824394 【台灣高等教育出版社】

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書名：衛衛跟蹤模式重力反演理論與方法
ISBN：9787030824394
出版社：科學
著編譯者：沈雲中 陳秋傑 張興福 等
頁數：162
所在地：中國大陸 *此為代購商品
書號：1745849
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內容簡介
衛星跟蹤衛星技術探測全球物質分佈及其遷移變化的難點和核心問題之一是利用探測數據反演全球高精度重力場及其變化，《衛衛跟蹤模式重力反演理論與方法》對相關理論、方法和技術進行系統闡述。《衛衛跟蹤模式重力反演理論與方法》梳理衛星重力反演的發展歷程、理論基礎和數據處理流程；從數據預處理、重力場解算和時變重力場後處理三個層面闡明衛星重力反演與應用的關鍵數據處理技術；重點剖析加速度計和星間距離的數據處理方法、三類重力反演的函數模型及其解算策略；探討時變重力場後處理方法與正則化解算技術；並通過全球陸地水變化，極地冰蓋和山地冰川，以及全球海平面變化的典型應用案例展示研究成果的實際價值。

目錄

目錄

第1章 緒論 1
1 1 概述 1
1 2 衛星重力探測發展歷程 2
1 2 1 衛星重力計劃發展歷程 2
1 2 2 下一代衛星重力計劃 4
1 3 衛星重力反演與應用 5
1 3 1 衛星重力數據處理與重力場建模 5
1 3 2 國內外重力衛星應用 7
參考文獻 8
第2章 時空參考系和背景場模型 15
2 1 概述 15
2 2 時空參考系及其變換 15
2 2 1 時間參考系與換算 15
2 2 2 空間參考系 18
2 2 3 空間參考系的變換 18
2 3 保守力改正模型 21
2 3 1 日月及其他行星引力改正 21
2 3 2 固體潮和海潮改正 22
2 3 3 極潮和相對論改正 25
2 3 4 程序模塊介紹 27
2 4 非保守力改正模型 29
2 4 1 大氣阻力改正 29
2 4 2 太陽光壓與地球輻射壓改正 32
2 4 3 非保守力觀測與校正 34
2 5 非潮汐改正模型 36
2 5 1 大氣非潮汐改正 37
2 5 2 海洋非潮沙改正 38
參考文獻 39
第3章 衛星重力數據預處理 41
3 1 概述 41
3 1 1 重力衛星關鍵載荷 41
3 1 2 參考框架 43
3 2 星間微波和激光干涉數據處理 45
3 2 1 星間微波數據處理 45
3 2 2 激光干涉數據處理 52
3 2 3 偏差改正與精度評估 58
3 3 加速度計數據預處理 59
3 3 1 數據格式轉換與粗差探測 59
3 3 2 數據濾波、重採樣與精度評估 62
3 4 其他數據預處理 67
3 4 1 星象儀數據預處理 67
3 4 2 陀螺儀、溫度和點火文件數據預處理 71
3 4 3 軌道數據預處理 74
參考文獻 75
第4章 重力反演理論模型與解算策略 78
4 1 概述 78
4 2 衛星重力反演的函數模型 79
4 2 1 引力位及其偏導數 79
4 2 2 動力學法 81
4 2 3 短弧邊值法及其改進模型 84
4 2 4 平均加速度法 87
4 3 衛星重力反演的隨機模型 89
4 3 1 隨機模型構建方法 90
4 3 2 力模型誤差的參數化方法 93
4 3 3 各種力模型誤差處理方法分析 94
4 4 衛星重力解算方法 97
4 4 1 數值積分方法 97
4 4 2 參數化方法和誤差方程的統一形式 102
4 4 3 誤差方程解算策略 104
4 4 4 重力反演軟件SAGAS 107
參考文獻 110
第5章 時變重力場的後處理方法 112
5 1 概述 112
5 2 後處理濾波與質量變化計算 113
5 2 1 平滑濾波與去相關濾波 113
5 2 2 DDK濾波及其特性 119
5 2 3 質量變化估計與洩漏誤差改正 122
5 3 正則化後處理解算 128
5 3 1 虛擬觀測方程 129
5 3 2 質量變化的正則化解算 130
5 3 3 正則化矩陣 132
5 4 典型應用 134
5 4 1 南極冰蓋質量變化 134
5 4 2 全球質量海平面變化 140
參考文獻 153
附錄 Runge-Kutta積分器162

精彩書摘
第1章 緒論
1 1概述
自1957年10月蘇聯發射*顆地球衛星Sputnik-1起，人類進入了太空時代。衛星軌道攝動變化反映了地球重力場及其時變特性，採用高低跟蹤模式的CHAMP（Challenging Minisatellite Payload）（Reigber et al ，2002）、低低跟蹤模式的GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）及其後續GRACE-FO（GRACE Follow-On）（Komfeld et al ，2019；Tapley et al ，2004）和重力梯度觀測模式的GOCE（Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explore）（Drinkwater et al ，2003）等重力衛星項目的相繼成功實施，探測了豐富的全球中長波重力場及其變化信號（Tapley et al ，2019）。尤其是應用低低跟蹤的GRACE衛星和GRACE-FO衛星數據所研製的時空分辨率分別約為30天和300km的時變重力場模型序列，是當前大地測量學、地球物理學、海洋學、冰川學等學科急需的基礎觀測信息（孫和平等，2021;寧津生等，2013;許厚澤等，2012），在定量研究地球表面各圈層的物質分佈與變化，包括陸地水儲量變化、極地冰川消融、全球海平面變化及地震信號探測等取得了突破性的研究成果（Chen et al ，2022；Tapley et al ，2019；Pail et al ，2015）。
截至2024年，國際地球重力場模型中心網站（http: icgem gfz-potsdam de）已經公佈了180個靜態重力場模型和近50組時變重力場模型。除了20世紀80年代以前的部分重力場模型釆用Kaula線性攝動法（Kaula，1966）進行反演計算，其餘大部分重力場模型都是基於牛頓運動方程的數值方法解算。
我國xx4重力衛星已於2021年12月成功發射，並取得了預期精度要求，部分指標優於國際同類衛星（肖雲等，2023）;擬釆用高精度星間距離和非保守力觀測載荷的天琴-II衛星計劃也已經立項；新一代衛星重力計劃擬釆用編隊飛行模式和高精度載荷設備（Pail et al ，2015），其重力場建模方案及其應用已開展了相關研究（Pail et al ，2019；Daras et al ，2017；Wiese et al ，2012，2009）。
1 2衛星重力探測發展歷程
1 2 1衛星重力計劃發展歷程
1969年在美國威廉斯敦召開了對於衛星重力發展具有里程碑意義的會議（Kaula，1969），提出了以後數十年主要的衛星大地測量發展計劃，以建立全球統一的高精度參考框架和重力場，服務於固體地球物理和海洋物理等學科的需求，並建議了衛星跟蹤衛星測量和衛星重力梯度測量的觀測模式。*早的衛星Sputnik-1和Sputnik-2（1957年11月3日）發射以後，只利用這兩顆衛星的地面跟蹤數據就解算了J2和J4階係數（Jacchia，1958）和包括表徵梨形地球特性的低階帶諧係數（King-Hele，1961），以及低階次靜態重力位係數（Izsak，1963），即使只用Sputaik-2衛星33個稀疏觀測數據就能以前所未有的精度確定地球扁率（Buchar，1985）。1970～2000年（CHAMP實施前），利用各類低軌衛星的各種地面跟蹤數據[包括以多裡斯系統（Doppler orbitography and radio positioning integrated by satellite，DORIS）、精密測距測速系統（precise range and rangerate equipment，PRARE）和GPS為代表的無線電數據，人造衛星激光測距數據和光學照相數據]，研製了一系列低階次地球重力場模型，其代表性模型主要有美國的GEM系列（戈達德太空飛行中心）和TEG系列（CSR:得克薩斯大學空間研究中心）及兩者組合的JGM系列模型，法國與德國合作的GRIM系列（Biancale et al ，2000；Balmino et al ，1976）。
然而，重力場模型的精度和分辨率均不夠，其主要原因是衛星軌道較高且缺乏極區觀測數據，觀測精度不夠且覆蓋不均勻，大氣阻力等非保守力建模精度不髙。在威廉斯敦會議後，召開了近30次工作組會議進行了大量研究，並建議了多個重力衛星計劃，都具備低軌（高度250～500km）、近極軌道（傾角接近90°）、非保守力直接觀測和衛星跟蹤數據的無間斷觀測等重要特性。*終實施的CHAMP、GRACE和GOCE衛星計劃分別採用髙低、低低衛星跟蹤衛星和衛星重力梯度觀測模式。其主要科學目標分別是以前所未有的高精度獲取長波（波長為800km以上）的全球重力場和磁場信息、30天時間分辨率和300km空間分辨率的全球時變重力場信息，以及100km空間分辨率和1mGal的重力異常精度（或1～2cm的大地水準面精度）的全球靜態重力場。採用高低和低低衛星跟蹤衛星模式的測量原理如圖1 1所示；髙低衛星跟蹤衛星模式通過接收來自4顆以上高軌GPS衛星的測距信號，以釐米精度測定低軌重力衛星全球覆蓋的攝動軌道，反演出低軌衛星所受的作用力，扣除星載加速度計測定的非保守力和日月引力等已經建模的保守力，從而得到精確的全球重力場模型；低低衛星跟蹤衛星模式在高低跟蹤模式基礎上還增加了以微米甚至更髙精度測定的前後兩顆串行飛行衛星間的距離，從而能以更高的精度獲取衛星間的距離。
採用衛星跟蹤衛星觀測模式的CHAMP、GRACE和GRACE-FO重力衛星的主要載荷和特性見表1 1。
高精度GPS和STAR加速度計是CHAMP衛星的主要載荷（Reigber et al ，2002），也是GRACE衛星和GRACE-FO衛星的重要載荷，分別用於重力衛星實現2cm精度的精密定軌和測定作用在衛星上的非保守力。GRACE衛星和GRACE-FO衛星的主要載荷K波段測距（K-band ranging，KBR）系統能以微米級精度測定兩顆GRACE衛星間的相對距離或以0 1nm/s的精度測定其相對速度，GRACE-FO衛星還搭載了激光測距干涉儀（laser ranging interferometer，LRI），能以納米級精度測定其相對距離（Komfeld et al ，2019）。
1 2 2下一代衛星重力計劃
為了克服GRACE/GRACE-FO衛星南北向飛行模式引起重力場誤差各向異性的缺陷，國內外學者提出了基於單對衛星的車輪型、鐘擺型和螺旋型等新型編隊模式（姜衛平等，2014;Wiese et al ，2009；Sneeuw et al ，2008；Sharifi et al ，2007）。新型編隊模式增加了法向和徑向的觀測信息，相對于GRACE衛星模型，能夠有效減少重力場中、短波段重力場誤差1～2個數量級（Elsaka et al ，2014）；因鐘擺型編隊對衛星定向與測距量程的技術要求相對較低，是未來單對衛星編隊模式的*選方案（Elsaka et al ，2014）。
上述單對衛星編隊模式目前技術難以實現，且仍無法解決高頻時變信號的欠採樣問題。Bender等（2008）提出了組合近極軌道與傾斜軌道的兩對GRACE型重力衛星的Bender型星座模式。Bender模式不僅能增加東西方向的重力信號觀測值，提髙了一倍的信號採樣頻率，而且其技術難度與GRACE衛星相同，因此是下一代重力衛星的*選方案（Haagmans et al ，2020；Pail et al ，2019）。對於傾斜軌道的選擇，Wiese等（2012）提出了72°傾角的*優設計方案，若在Bender型星座基礎上增加第三對GRACE型近極軌道或傾斜軌道衛星時，重力探測精度可分別進一步提升11%和21%（Purkhauser et al ，2020）。若採用近極軌道GRACE衛星與GRACE-FO衛星進行協同觀測，宜採用91°傾角的軌道（Nie et al ，2019）。
下一代衛星重力計劃將採用激光測距干涉儀（LRI）實現納米級精度的星間距離測量。GRACE-FO衛星的LRI觀測精度明顯優於其80nm的設計指標（Abich et al ，2019），為下一代衛星重力計劃的高精度星間距離測量提供了重要的技術支撐。下一代衛星重力計劃的加速度計精度指標為1 5X10—12～4xi0_11m/s2（1～lOmHz頻段），且三個測量軸方向具有相同的觀測精度（Christophe et al ，2019）。由於熱力效應等因素，傳統靜電加速度計在低頻段含較大測量噪聲，而冷原子干涉加速度計具有全頻段穩定特性，結合兩者優勢的混合型加速度計能夠互補兩者在不同測量頻段上的優勢（Christo

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