鐘 波

1.武漢大學測繪學院，湖北武漢430079；2.武漢大學地球空間環(huán)境與大地測量教育部重點實驗室，湖北武漢430079

基于GOCE衛(wèi)星重力測量技術確定地球重力場的研究

鐘 波1，2

1.武漢大學測繪學院，湖北武漢430079；2.武漢大學地球空間環(huán)境與大地測量教育部重點實驗室，湖北武漢430079

隨著GOCE衛(wèi)星的成功發(fā)射，圍繞GOCE數(shù)據(jù)處理和應用研究已成為目前地學研究的熱點問題之一。本文研究基于GOCE衛(wèi)星重力測量技術確定地球重力場的理論和方法，研制相應的數(shù)據(jù)處理軟件包與仿真模擬平臺。論文的主要工作如下：

（1）研究基于高低衛(wèi)－衛(wèi)跟蹤技術（SST－h(huán)l）確定地球重力場的加速度法原理和實用解算模型，在分析衛(wèi)星加速度誤差的有色噪聲特性基礎上，提出采用去相關濾波抑制衛(wèi)星加速度的高頻誤差，并構造了基于三點差分的白化濾波器和ARMA模型的白化濾波器。采用不同噪聲背景的GOCE模擬軌道進行解算，結果表明去相關濾波法比傳統(tǒng)等權方法求解的重力場模型精度高。

（2）推導基于衛(wèi)星瞬時加速度或均值加速度同時求解加速度計參數(shù)和重力場位系數(shù)的平差模型，提出一整套利用加速度法恢復重力場的數(shù)據(jù)處理方案及流程。采用46d的CHAMP數(shù)據(jù)恢復了60階次的重力場模型WHUCHAMP－ACC60KP和WHUCHAMP－ACC60KA，結果表明兩個模型的精度相當，并且優(yōu)于EIGEN－1S模型，與EIGEN－2模型精度接近，驗證了加速度法的有效性?；诩铀俣确ㄌ岢隼每共罟烙嬁刂拼植罨虍惓Ｖ祵χ亓鼋馑憬Y果的影響，以98d的CHAMP數(shù)據(jù)為例，采用IGG3等價權迭代解算了70階次的重力場模型WHUCHAMP－ACC70K，其精度優(yōu)于EIGEN－1S和EIGEN－2模型，驗證抗差估計的有效性。

（3）討論GOCE重力場嚴密求解的空域最小二乘法原理和實用解算模型，模擬研究病態(tài)法方程的Tikhonov正則化方法，結果表明一次Tikhonov正則化（FOT）和Kaula正則化矩陣的實際處理效果差別較小，兩者均能達到穩(wěn)定求解的目的。設計了GOCE重力梯度測量有色噪聲的AR時域去相關濾波器，數(shù)值模擬結果表明該濾波器實用有效。

（4）研究并完善基于球諧分析方法確定GOCE重力場模型的數(shù)據(jù)處理方案，給出球諧分析方法恢復地球重力場所涉及的數(shù)據(jù)歸算、格網(wǎng)化和極空白（PG）等關鍵問題的解決途徑，設計與實現(xiàn)了GOCE沿軌重力梯度測量有色噪聲的Wiener濾波預處理方法，并通過數(shù)值模擬對其有效性進行了驗證。

（5）基于時域最小二乘誤差分析方法，設計衛(wèi)星重力梯度測量（SGG）關鍵技術指標仿真分析的計算方案與流程。模擬分析軌道高度、傾角、采樣間隔、時間跨度、重力梯度測量精度等指標參數(shù)、以及不同梯度分量組合與重力場恢復精度的響應關系，研究結果可為重力梯度衛(wèi)星關鍵技術指標的設計與論證提供參考。

（6）推導SST－h(huán)l和SGG兩類觀測值的最小二乘聯(lián)合平差模型，探討觀測值最優(yōu)加權的方差分量估計（VCE）和參數(shù)協(xié)方差方法（PCA）?；诩铀俣确ê涂沼蜃钚《朔ǎ捎?0d、5s采樣的GOCE模擬軌道和SGG（Vxx，Vyy，Vzz）數(shù)據(jù)聯(lián)合求解200階次的重力場模型，結果表明：①等權求解并不能得到最優(yōu)結果，VCE和PCA方法得到的加權因子與理論最優(yōu)值存在一定的偏差，但VCE優(yōu)于PCA方法；②在緯度±83°范圍內，SGG（Vxx，Vyy，Vzz）與SST－h(huán)l最優(yōu)聯(lián)合解算模型的大地水準面和重力異常精度分別為3.81cm和1.056mGal（1mGal＝10－5m／s2），它比僅采用Vzz分量與SST－h(huán)l最優(yōu)聯(lián)合求解模型的大地水準面和重力異常精度分別提高1.0cm和0.280mGal。

（7）研究衛(wèi)星重力邊值問題的隨機邊值解法，導出球近似下以GOCE軌道面擾動位T和徑向重力梯度Trr為邊界條件的超定邊值問題隨機邊值解。同時，以地面重力異常Δg為約束邊界條件，導出了以軌道面和地面邊界條件組成的二界面超定邊值問題的隨機邊值解。

（8）從最小二乘譜組合的基本原理出發(fā)，推導多種重力觀測數(shù)據(jù)聯(lián)合處理的譜權及其譜組合的一般公式?；谇蛑C分析方法推導出GOCE軌道面擾動位T和徑向重力梯度Trr譜組合對應的譜權函數(shù)，理論上證明譜組合方法與衛(wèi)星重力邊值問題隨機邊值解法的等價性。

（9）自主研發(fā)了GOCE衛(wèi)星重力測量數(shù)據(jù)處理軟件包與仿真模擬平臺，為衛(wèi)星重力梯度測量技術仿真和GOCE實測數(shù)據(jù)處理提供了試驗平臺。

StudyonDeterminationoftheEarth’sGravityFieldfromSatelliteGravimetryMissionGOCE

ZHONGBo1，2
1.School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Wuhan 430079，China；2.Key Laboratory of Geospace Environment and Geodesy，Ministry of Education，Wuhan University，Wuhan 430079，China

1001－1595（2011）04－0535－01

P223

D

國家自然科學基金（40874002）；國家863計劃項目（2008AA12Z105）；教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃項目（NCET－07－0635）

2011－04－28

鐘波（1980—），男，2010年6月獲武漢大學測繪學院大地測量學與測量工程專業(yè)博士學位（指導教師：寧津生院士，羅志才教授），研究方向為衛(wèi)星重力學。

Author：ZHONG Bo（1980—），male，PhD in Geodesy and Surveying Engineering，School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，majors in satellite gravimetry.

E－mail：bzhong＠sgg.whu.edu.cn