基于改進(jìn)短弧積分法的GRACE重力反演理論、方法及應(yīng)用

陳秋杰

同濟(jì)大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，上海 200092

基于改進(jìn)短弧積分法的GRACE重力反演理論、方法及應(yīng)用

陳秋杰

同濟(jì)大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，上海 200092

CHAMP、GRACE和GOCE等衛(wèi)星重力任務(wù)的成功實(shí)施，為大地測量學(xué)、冰川學(xué)、海洋學(xué)、水文學(xué)等學(xué)科提供了諸多高時空分辨率的地球重力場模型。由于GRACE對地球重力場的長波段信號十分敏感，且能以較高的精度恢復(fù)中波段重力場信號，因此應(yīng)用GRACE重力數(shù)據(jù)恢復(fù)時變與靜態(tài)地球重力場，一直以來備受大地測量學(xué)者關(guān)注。本文在經(jīng)典短弧積分法的基礎(chǔ)上，對重力場反演理論和方法作進(jìn)一步的探討和改進(jìn)，并用GRACE實(shí)測數(shù)據(jù)解算了靜態(tài)和時變重力場模型，主要研究成果和創(chuàng)新點(diǎn)如下：

(1) 提出了改進(jìn)短弧積分法，并對非保守力加速度和姿態(tài)觀測誤差進(jìn)行建模。其主要創(chuàng)新點(diǎn)是以衛(wèi)星觀測軌道為初值對非線性運(yùn)動方程進(jìn)行線性化，從而有效地控制了線性化誤差；除了引入軌道和星間距離或距離變率觀測誤差改正數(shù)外，還引入了非保守力加速度和姿態(tài)觀測誤差改正數(shù)；采用加權(quán)最小二乘法整體解算重力場參數(shù)和誤差改正數(shù)。

(2) 采用一次差分消去星間距離觀測值的模糊度參數(shù)，并建立了基于星間距離一次差分解算重力場參數(shù)的觀測方程，利用GRACE衛(wèi)星的星間距離觀測數(shù)據(jù)解算了與采用星間距離變率觀測數(shù)據(jù)精度相當(dāng)?shù)闹亓瞿Ｐ汀?/p>

(3) 分析了弧段長度對重力場反演精度的影響，確定了改進(jìn)短弧積分法的最優(yōu)弧段長度為2 h；評估約化動力學(xué)軌道先驗(yàn)重力場信息對重力場反演的影響，結(jié)果表明：對于純GNSS軌道數(shù)據(jù)的重力場反演，重力場解算結(jié)果偏向于軌道先驗(yàn)重力場信息；當(dāng)聯(lián)合GNSS軌道和K波段數(shù)據(jù)后，先驗(yàn)重力場信息的影響可忽略。

(4) 完善了SAGAS(satellite gravimetry analysis software)衛(wèi)星重力分析平臺。應(yīng)用SAGAS軟件，采用改進(jìn)短弧積分法和顧及非保守力加速度和姿態(tài)觀測誤差的改進(jìn)短弧積分法分別解算了Tongji-GRACE01和Tongji-GRACE02無約束時變與靜態(tài)地球重力場模型。這兩個地球重力場模型已經(jīng)被國際全球地球重力場模型中心ICGEM(International Centre of Global Earth Models)所認(rèn)可并公開發(fā)布。

(5) 對Tongji-GRACE01無約束時變和靜態(tài)重力場模型作了全面的分析，結(jié)果表明：Tongji-GRACE01時變重力場模型與國際CSR(Centre for Space Research)、GFZ(GeoForschungsZentrum)和JPL(Jet Propulsion Laboratory)等官方機(jī)構(gòu)所分別解算的最新時變重力場模型CSR RL05、GFZ RL05a和JPL RL05處于同一水平，其在南極和南極半島的質(zhì)量變化信號與官方模型的相關(guān)系數(shù)均大于0.9；Tongji-GRACE01無約束靜態(tài)模型與GGM05S和AIUB-GRACE03S精度水平相當(dāng)。

(6) 比較了Tongji-GRACE02時變模型與CSR RL05、GFZ RL05a和JPL RL05的信噪水平，結(jié)果表明：Tongji-GRACE02時變模型的信噪比要高于官方模型。當(dāng)僅使用300 km高斯濾波時，Tongji-GRACE02模型在海洋區(qū)域的噪聲相比CSR RL05減小21%；當(dāng)不使用任何濾波時，Tongji-GRACE02時變模型在沙漠區(qū)域的噪聲相比CSR RL05減小60%。

(7) 基于Kaula約束解算了160階次的Tongji-GRACE01K和180階次的Tongji-GRACE02K靜態(tài)模型。分析結(jié)果表明：Kaula約束能夠有效穩(wěn)定高階位系數(shù)；Tongji-GRACE01K優(yōu)于GGM05S、AIUB-GRACE03S、ITG-GRACE03和Tongji-GRACE01等無約束純GRACE靜態(tài)模型；Tongji-GRACE02K優(yōu)于ITSG-GRACE2014S和ITSG-GRACE2014K等無約束和約束靜態(tài)模型。

Author： CHEN Qiujie(1987—)，male，received his doctoral degree from Tongji University on June 2016，majors in satellite gravimetry.

E-mail： chenqiujie2009@163.com

Theory, Methodology and Application of GRACE Gravity Recovery Using Modified Short Arc Approach

CHEN Qiujie

College of Surveying and Geo-informatics, Tongji University, Shanghai 200092, China

陳秋杰.基于改進(jìn)短弧積分法的GRACE重力反演理論、方法及應(yīng)用[J].測繪學(xué)報，2017,46(1)：130.

10.11947/j.AGCS.2017.20160470. CHEN Qiujie.Theory, Methodology and Application of GRACE Gravity Recovery Using Modified Short Arc Approach[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(1):130. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20160470.

P228

D

1001-1595(2017)01-0130-01

國家973計劃(2012CB957703)；國家自然科學(xué)基金(41474017；41274035)

2016-09-29

陳秋杰(1987—)，男，2016年6月畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)，獲工學(xué)博士學(xué)位(指導(dǎo)教師：沈云中教授、陳武教授和張興福副教授)，研究方向?yàn)樾l(wèi)星重力。