基于GOCE卫星的重力场模型反演及应用
地球重力场一直都是大地测量学中的研究核心之一。近年来，随着CHAMP(CHAllenging Minisatellite Payload)、GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)和GOCE(Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer)卫星的相继发射及数据免费释放，基于低轨卫星重力测量的研究成为了大地测量学中的研究热点。GOCE卫星是首颗采用SST-HL(Satellite-to-Satellite Tracking in High-Low mode)技术和SGG(Satellite Gravity Gradiometry)技术的低轨重力卫星，其搭载的GPS(Global PositionSystem)接收机可采集SST-HL数据，静电重力梯度仪可采集GG(Gravity Gradient)数据。SST-HL数据可恢复地球重力场的中长波信息，GG数据可恢复地球重力场的中短波信息。因此，联合SST-HL和GG数据可恢复高精度的静态地球重力场模型。 本文主要内容是研究利用GOCE卫星观测数据恢复静态地球重力场模型。在前人研究成果的基础上，导出了一种联合GOCE轨道数据和重力梯度数据的时域解法，并独立研制了一款基于GOCE卫星反演地球重力场模型的软件系统。提出顾及地球重力场模型道路工程勘测的3种实施方案，并且将利用GOCE数据恢复的重力场模型应用到道路工程勘测的模拟试算中。 本文的主要内容及贡献如下: 1.给出了GOCE卫星重力测量涉及到坐标系统的定义及其详细转换公式。比较了勒让德系列函数的递推计算公式，优化了勒让德积分函数的递推计算，采用向后递推法解决积分计算在极区不稳定的现象。为了避免重力梯度分量在极区出现奇异，推导了广义勒让德函数PS1和PS2的递推计算公式。推导了地固系下模拟引力梯度数据的详细公式。基于GOCE卫星轨道、行星星历文件DE405和海潮模型FES2004等计算出日月引力、固体潮、海潮和极潮等摄动力。引入了具有高度优化和并行性能的Intel MKL函数库。 2.对GOCE卫星PKI轨道数据进行了预处理，利用能量守恒法、短弧长积分法和平均加速度法反演出3个模型，并比较了3种方法的优缺点。对GOCE轨道数据反演能力的研究表明，GOCE轨道数据的最大恢复能力大约在120阶次左右。提出利用GOCE卫星轨道数据探测地球重力场的时变信息，并且对扇形滤波进行了改进。分析了GOCE重力场模型球谐位系数残差之间的相关性，并与GRACE RL05模型球谐位系数残差的相关性进行了比较。利用近1年的GOCE轨道数据计算出南极冰盖质量的变化情况，探测到南极某点(-75°，250°)处的质量变化约为-11.30cm/a，并用GRACE RL05重力场模型验证了探测结果的正确性。 3.对GOCE卫星重力梯度数据进行了预处理，基于重力梯度的测量原理和误差特性设计出3种重力梯度数据的滤波方法，并对3种滤波方法的滤波效果进行比较，选取其中一种效果最好的方法作为重力梯度数据的固定滤波方法。分别利用空域法和时域法基于重力梯度数据恢复了重力场模型。为解决因GOCE卫星两极空白而带来的病态问题，采用了正则化处理，并比较了标准正则化和球冠正则化。结果显示，球冠正则化效果更好。推导出了用于球冠正则化法积分计算的4类三角函数的原函数。导出了一种联合GOCE轨道数据和重力梯度数据恢复重力场模型的时域解法。利用近1年的GOCE卫星观测数据反演出一个200阶次的静态重力场模型SWJTU-GO2013，该模型的空间分辨率约为100km（半波长），大地水准面误差约为±20.32cm，与ICGEM公布的GOCE卫星第3代时域法模型进行比较，具有同等级的精度。 4.针对GOCE卫星观测数据，编写了一款恢复重力场模型的软件系统SWJTU-GOCE，编写该软件系统主要使用了C＃语言和Fortran语言。为使耗时巨大的重力场恢复计算在一般的PC电脑上也能开展，在Fortran代码中调用了具有高度优化和并行特性的Intel MKL函数。在可视化方面，软件可自动生成Matlab或GMT等软件的脚本程序，运行脚本程序即可得到可视化结果。软件模块涵盖了从数据预处理到精度评定全部流程。 5.详细分析了目前道路工程勘测所存在的问题:GPS系统的参考基准为法线，全站仪系统的参考基准为垂线，两者混合使用时存在明显的系统误差。分别基于勘测单位和设计单位的角度，在理论上提出顾及地球重力场模型的3种道路工程勘测方案。推导出利用GPS平面坐标恢复道路工程渐变坐标系的一整套公式和精度评定公式。最后，将利用GOCE数据恢复的模型SWJTU-GO2013应用到试验计算中，并用EGM2008的计算结果进行验证。
大地测量学;地球重力场;模型反演;GOCE卫星
西南交通大学
博士
大地测量学与测量工程
范东明
2014
中文
P223.0
145
2015-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）