利用低轨重力卫星数据反演地球重力场模型

The Earth's gravity field always is foundation and core of geodesy. The geodesy, geophysics, and engineering surveying are extremely benefit from the gravity field models with high precision and time-spatial resolution. In order that the gravity field medium wave information in GRACE SST-ll data is taken full advantage, the average acceleration approach will be modified. Improvement method is that force vector of satellite will be unfolded like Taylor series expansion, and then making average acceleration more accurate by orbit integration. Temporal gravity field with monthly time-scale will be computed based on modified average acceleration approach. Monthly model will be computed based on SWARM or COSMIC before 2017, and based on second generation GRACE data after 2017. Finally, an Earth's gravity field derived by combining GRACE and GOCE data. In that GOCE has not completely covered global, traditional regularization must be modified to avoiding the influence of polar data gap. Another ambition of this project is that deriving mean gavity field with the centimetre-level error in geoid height.

地球重力场一直以来都是大地测量学的基础和核心。高精度和高分辨率的地球重力场模型对大地测量学、地球物理学和工程测量等都有重要作用。为提取出GRACE星间距离中丰富的地球重力场中长波信息，对平均加速度法进行了改进。在牛顿运动方程基础上将卫星所受力向量按泰勒线性公式展开，通过积分计算实现轨道数据的精化。由精化的轨道可计算平均加速度的改正值，实现改进的平均加速度法。基于改进的平均加速度法每月发布一个时变重力场模型。2017年以前，以SWARM或COSMIC数据计算时变模型；2017年后，以第二代GRACE卫星数据计算时变模型。联合GRACE和GOCE卫星数据计算静态重力场模型，改传统正则化的全球积分为数据空缺区域积分，以期得到cm级大地水准面精度的平均重力场模型。

卫星重力测量是近几年大地测量学研究的重点和热点，高精度的地球重力场模型是实现高精度大地测量的基础。项目主要围绕GRACE卫星和GOCE卫星观测数据处理展开研究，主要研究内容和结果包括：.1、卫星重力数据预处理研究。含卫星重力测量涉及高阶次勒让德函数及其积分计算、重力梯度数据的滤波处理、球谐分析的快速傅里叶算法等内容，高阶次勒让德函数及其积分实现了无奇异的递推计算、球谐分析快速算法可实现1分钟内计算全球1°分辨率的重力场泛函。.2、GOCE重力场模型反演研究。分别利用轨道、重力梯度数据和联合两种数据进行反演计算。结果显示，仅轨道的反演能力极限在120阶左右，高阶次的精度优于GRACE；仅梯度数据的反演能力在200阶次左右，反演模型在0次带两侧存在低精度区域；联合轨道和梯度数据解算的200阶次模型大地水准面精度约为0.5米，精度与ESA发布的第二代同类模型相当。.3、GOCE重力梯度数据的正则化解。针对GOCE卫星并未全球覆盖导致反演计算病态的特殊情况，采取Tikhonov 法和Kaula法处理，并使用了一种新的实用正则化方法（球冠法）。结果显示，球冠法可达到抑制两极空白区域的相位振荡，结果优于Tikhonov 法和Kaula法。. 4、GRACE时变重力场模型的滤波研究。针对时变重力场模型的有大量的球谐位系数相关误差的问题，对去相关误差算法开展了研究，提出利用EOF滤波与去相关滤波相结合的改进方法。结果显示，改进方法能有效保留GRACE真实信号的同时削弱南北向条带误差，优于传统滤波方法。.5、GOCE和GRACE时变重力场模型应用研究。在南极冰盖变化研究中，两种时变信息在点(-75°, 250°)的变化基本一致，验证了GOCE用于时变探测的能力；应用GRACE时变模型对长江中下游平原、西南地区和华北平原的陆地水储量计算，结果与欧洲干旱研究中心发布的帕尔默干旱指数(scPDSI)一致。此外，还将GRACE时变重力成果应用到印度洋地震的重力变化和提取非洲奥卡万戈三角洲地区水储量变化信号的研究中。.6、GOCE重力场模型在工程测量领域的研究。探索地球重力场模型在长距离、大跨度工程领域的应用。.7、完成了一整套数据预处理、反演计算、数据分析、结果可视化的软件编写。.经过大量的试验计算验证，本项目的研究结果不仅可以应用于大尺度的地学科学，还可以应用于长距离、大跨度的工程应用。