Swarm衛(wèi)星精密定軌與加速度法恢復(fù)地球重力場(chǎng)

張兵兵

1.信陽(yáng)師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000；2.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079

CHAMP衛(wèi)星和GOCE衛(wèi)星分別于2010年和2013年墜落，GRACE衛(wèi)星仍然超預(yù)期運(yùn)行，隨時(shí)會(huì)墜落，而后續(xù)重力衛(wèi)星計(jì)劃GRACE Follow-On預(yù)計(jì)2018年發(fā)射，在此期間，Swarm作為唯一的低軌重力觀測(cè)衛(wèi)星，將填補(bǔ)重力衛(wèi)星觀測(cè)的空白。本文對(duì)Swarm衛(wèi)星精密定軌與加速度法恢復(fù)地球重力場(chǎng)進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了Swarm衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)學(xué)厘米級(jí)精密定軌和簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)厘米級(jí)精密定軌，并基于加速度法恢復(fù)了Swarm地球重力場(chǎng)模型。本文的主要內(nèi)容如下：

(1)深入研究了衛(wèi)星精密定軌和重力場(chǎng)恢復(fù)過(guò)程中涉及的坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星精密定軌與重力場(chǎng)恢復(fù)過(guò)程中涉及的各種坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換和時(shí)間系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。

(2)深入研究了與低軌衛(wèi)星精密定軌有關(guān)的理論與方法，詳細(xì)闡述了星載雙頻GPS觀測(cè)模型、星載GPS非差數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制、動(dòng)力學(xué)模型、最小二乘估計(jì)原理和低軌衛(wèi)星軌道精度評(píng)定方法等主要內(nèi)容，為下一步Swarm衛(wèi)星精密定軌與精度評(píng)估打下理論基礎(chǔ)。

(3)聯(lián)合Swarm衛(wèi)星星載GPS雙頻載波相位和偽距觀測(cè)值進(jìn)行Swarm衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)學(xué)精密定軌。試驗(yàn)結(jié)果表明：電離層活動(dòng)劇烈時(shí)，Swarm衛(wèi)星星載GPS相位觀測(cè)值殘差RMS約為5 mm；與參考軌道進(jìn)行比較，徑向軌道差值RMS約為4～5 cm，切向軌道差值RMS約為3～4 cm，法向軌道差值RMS約為3～5 cm；Swarm衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)學(xué)軌道SLR殘差RMS約為4～5 cm。

(4)從重力場(chǎng)模型的種類(lèi)和階次入手，深入研究了重力場(chǎng)模型對(duì)Swarm衛(wèi)星簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)定軌的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：精度較高的重力場(chǎng)模型能有效提高Swarm衛(wèi)星簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)定軌精度；重力場(chǎng)模型階次低于30時(shí)，Swarm衛(wèi)星簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)定軌精度較低，為分米級(jí)；重力場(chǎng)模型階次較高時(shí)，Swarm衛(wèi)星簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)定軌精度較高且趨于穩(wěn)定。

(5)Swarm衛(wèi)星簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)定軌過(guò)程中，偽隨機(jī)參數(shù)(偽隨機(jī)脈沖和分段常數(shù)加速度)的合理選取對(duì)Swarm衛(wèi)星簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)定軌精度的提升有重大貢獻(xiàn)。針對(duì)偽隨機(jī)參數(shù)自身的特征，給出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)偽隨機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)偽隨機(jī)參數(shù)為偽隨機(jī)脈沖時(shí)，優(yōu)化的偽隨機(jī)脈沖先驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差為10-6m/s；當(dāng)偽隨機(jī)參數(shù)為分段常數(shù)加速度時(shí)，優(yōu)化的分段常數(shù)加速度先驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差為10-9m/s2。為了檢驗(yàn)優(yōu)化的偽隨機(jī)參數(shù)在惡劣環(huán)境下的定軌精度，選取電離層活動(dòng)劇烈時(shí)的Swarm衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，引入優(yōu)化的偽隨機(jī)參數(shù)，采用簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)定軌方法對(duì)Swarm衛(wèi)星進(jìn)行精密定軌并進(jìn)行精度評(píng)定。試驗(yàn)結(jié)果表明：星載GPS相位觀測(cè)值殘差RMS約為8～9 mm；與參考軌道進(jìn)行比較，徑向軌道差值RMS約為1 cm，切向和法向軌道差值RMS約為1～2 cm；Swarm衛(wèi)星簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)軌道SLR殘差RMS約為2～3 cm。

(6)電離層活動(dòng)劇烈期間，采用解算的Swarm衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)學(xué)軌道和簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)軌道，基于加速度法恢復(fù)Swarm地球重力場(chǎng)模型，并進(jìn)行精度評(píng)估。結(jié)果表明，電離層活動(dòng)劇烈期間，Swarm地球重力場(chǎng)模型在40階次內(nèi)與EGM2008模型具有較好的一致性。因此，Swarm衛(wèi)星完全有能力探測(cè)地球重力場(chǎng)信號(hào)，填補(bǔ)因GRACE無(wú)法工作與GRACE Follow on發(fā)射之前的空白，繼續(xù)監(jiān)測(cè)地球重力場(chǎng)信號(hào)。