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超低轨卫星星座恢复短周期时变重力场的模拟分析

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武汉大学学报(信息科学版) 2024年

作者：刘有建李建成徐新禹魏辉赵永奇武汉大学地球空间环境与大地测量教育部重点实验室武汉大学测绘学院湖北珞珈实验室

相比下一代重力卫星任务的Bender星座，以通导遥为主要目标的超低轨卫星（Very Low Earth Orbit，VLEO）星座能够在短时间内进行大规模地面覆盖，增加了时变重力场的时空采样，有望降低混频效应，提升重力场时变信号的探测能力。本文研... 详细信息

相比下一代重力卫星任务的Bender星座，以通导遥为主要目标的超低轨卫星（Very Low Earth Orbit，VLEO）星座能够在短时间内进行大规模地面覆盖，增加了时变重力场的时空采样，有望降低混频效应，提升重力场时变信号的探测能力。本文研究模拟了Bender星座和250 km高度处由300颗卫星组成的VLEO星座的观测数据，开展了时变重力场信号恢复性能的闭环仿真模拟实验，结果表明：在不考虑观测量噪声时，相比Bender星座，VLEO星座可有效降低混频效应对时变重力场建模的影响；对于7日时变重力场解，在VLEO星座卫星轨道精度为1 cm、Bender星座星间测速精度10 nm/s，并考虑混频误差的情况时，VLEO星座可恢复15阶以内的有效信号（信噪比达到1），并且在8阶以内略优于Bender星座；当VLEO卫星定轨精度在1～10 cm的情况下，在Bender星座的基础上引入VLEO星座联合解算，可有效降低解算结果的混频效应和南北条带误差，提升短周期时变重力场的恢复性能。

关键词： VLEO星座 Bender星座时变重力场时空采样混频误差

基于优化预处理方法的时变重力场反演精度分析

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大地测量与地球动力学 2024年

作者：蒲伦游为余彪范东明西南交通大学地球科学与工程学院德国地球科学研究中心全球地质监测与重力场分支机构

针对GRACE Level1B观测数据中存在缺失数据及含有粗差的问题，提出补全SCA1B缺失数据的优化方法，同时对KBR1B和运动学轨道数据采用优化策略剔除粗差后，用于时变重力场模型反演。此外，还分别基于合成数据和实测数据分析ACC1B数据在Y... 详细信息

针对GRACE Level1B观测数据中存在缺失数据及含有粗差的问题，提出补全SCA1B缺失数据的优化方法，同时对KBR1B和运动学轨道数据采用优化策略剔除粗差后，用于时变重力场模型反演。此外，还分别基于合成数据和实测数据分析ACC1B数据在Y轴方向的误差对反演结果的影响，并提出优化校正策略。利用优化方法能够有效恢复SCA1B的缺失数据，且充分考虑了观测数据在整个弧段的变化特征。采用优化策略校正后的ACC1B数据计算的结果显示，其精度比未校正的数据计算结果提高3.7 mm。由结果可知，优化方法处理后的数据解算的重力场模型与三大官方机构解算结果相比，总体精度相当，但不同机构的解算结果在局部区域的细节信号表现有差异，表明优化的数据预处理策略有效可行。

关键词： GRACE 数据预处理时变重力场时间序列分解精度分析

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SWARM卫星时变重力场反演及其精度

大地测量与地球动力学 2023年第12期43卷 1240-1245页

作者：杜向锋魏德宏广东工贸职业技术学院测绘遥感信息学院广州市广州大道北963号510510 广东工业大学土木与交通工程学院广州市外环西路100号510006

基于SWARM卫星的精密轨道数据,利用短弧积分法解算2015-01~2021-12共84个月的40阶次TVG-SWARM月时变重力场模型,并与ASU、COST-G、IGG和ITSG等机构的月时变重力场模型进行比较。结果表明:1)从大地水准面阶误差与模型位系数误差谱看,不同... 详细信息

基于SWARM卫星的精密轨道数据,利用短弧积分法解算2015-01~2021-12共84个月的40阶次TVG-SWARM月时变重力场模型,并与ASU、COST-G、IGG和ITSG等机构的月时变重力场模型进行比较。结果表明:1)从大地水准面阶误差与模型位系数误差谱看,不同SWARM模型的低阶位系数精度相当,特别是前10阶均与ITSG-GRACE/GRACE-FO接近;2)不同SWARM模型与ITSG-GRACE/GRACE-FO模型全球陆地水储量变化趋势空间分布具有较好的一致性,在亚马孙流域、格陵兰岛、密西西比河流域和西西伯利亚等区域,TVG-SWARM与ITSG-GRACE/GRACE-FO模型的趋势差值分别为0.23 cm/a、0.27 cm/a、0.57 cm/a和0.47 cm/a,相关系数均达到0.85以上,并与IGG-SWARM模型结果最为接近。本文研究结果证明了TVG-SWARM模型精度可靠,可以用于监测大尺度陆地水储量变化。

关键词： SWARM卫星时变重力场陆地水储量变化精度分析

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SWARM卫星时变重力场反演及其精度分析

大地测量与地球动力学 2023年

作者：杜向锋魏德宏广东工贸职业技术学院测绘遥感信息学院广东工业大学土木与交通工程学院

基于短弧积分法利用SWARM卫星的精密轨道数据解算了2015-01～2021-12共84个月的40阶次TVGSWARM月重力场模型，并与ASU、COST-G、IGG和ITSG等机构的月重力场模型进行比较，结果表明：1）从大地水准面阶误差与模型位系数误差谱看，不同SW... 详细信息

基于短弧积分法利用SWARM卫星的精密轨道数据解算了2015-01～2021-12共84个月的40阶次TVGSWARM月重力场模型，并与ASU、COST-G、IGG和ITSG等机构的月重力场模型进行比较，结果表明：1）从大地水准面阶误差与模型位系数误差谱看，不同SWARM模型的低阶位系数精度相当，特别是前10阶均与ITSGGRACE/GRACE-FO接近；2）不同SWARM模型与ITSG-GRACE/GRACE-FO模型全球陆地水储量变化趋势空间分布具有较好的一致性；在亚马逊流域、格陵兰岛、密西西比河流域和西西伯利亚等区域，TVG-SWARM与ITSGGRACE/GRACE-FO模型的趋势差值分别为0.23 cm/a、0.27 cm/a、0.57 cm/a和0.47 cm/a，同时相关系数均达到0.85以上，并与IGG-SWARM结果最为接近。结果表明，TVG-SWARM模型精度可靠，可以用于监测大尺度陆地水储量变化。

关键词： SWARM卫星时变重力场陆地水储量变化精度分析

基于重力卫星的时变重力场滤波方法研究及区域水储量变化监测应用

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基于重力卫星的时变重力场滤波方法研究及区域水储量变化监测应用

作者：艾尚校长安大学

学位级别：硕士

陆地水作为地球必不可少的重要资源,深刻影响着人类的生活和生产。深入研究陆地水变化及其变化规律,对于防范旱涝等自然灾害、合理利用水资源有着重要意义。GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)和GRACE Follow-on重力卫星... 详细信息

陆地水作为地球必不可少的重要资源,深刻影响着人类的生活和生产。深入研究陆地水变化及其变化规律,对于防范旱涝等自然灾害、合理利用水资源有着重要意义。GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)和GRACE Follow-on重力卫星可以获取全球尺度、高精度、高时空分辨率的时变重力场数据,有效用于监测陆地水储量的变化,弥补了传统陆地水文观测方法尺度有限,手段单一,无法获取深层地下水信息等缺陷。因此,重力卫星用于研究陆地水变化成为一个研究热点。但重力卫星获取的时变重力场存在着大量的噪声,掩盖了陆地水变化引起的时变重力信息,极大降低了结果的信噪比,不利于对陆地水储量变化的监测与分析。因此,研究既能有效滤除噪声又能保留更多真实信号的时变重力场滤波算法,对获取更高精度的时变信息,更准确地掌握陆地水变化情况具有重要的意义。基于此,本文深入研究时变重力场滤波算法,引入了经验模态分解滤波方法,与传统的滤波方法进行试验比较,验证了其滤波效果和可靠性,并用于长江流域陆地水储量变化研究。本文主要研究内容和成果如下:(1)详细介绍了时变重力场反演陆地水储量变化的原理和方法,并推导了相关的公式;重点介绍了后处理过程中的空间平滑滤波和去相关滤波,试验对比分析了各滤波方法的滤波效果;介绍了泄露误差改正方法。(2)针对时变重力场噪声问题,引入经验模态分解方法,构建了适用于时变重力场滤波的函数模型,分析了技术可行性,并与成熟的P3M6和Duan滤波相比较,结果表明:该滤波方法可以有效地滤除时变重力场的噪声,并且具有较强的去噪能力和较好的保留真实信号能力。进一步将三种滤波方法用于研究亚马逊流域、密西西比河流域和长江流域的陆地水储量变化,发现本文提出的方法与Duan滤波方法结果较为一致,充分验证该方法的可靠性。(3)将经验模态分解滤波方法用于研究长江流域陆地水储量变化情况,结果表明:2003-2020年长江流域陆地水储量整体为上升趋势,速率为3.01±1.03 mm/a;长江流域内青海、贵州、湖南和江西等省份陆地水储量处于增长趋势;四川西部、西藏和河南等地区处于下降趋势。

关键词： GRACE GRACE Follow-on 时变重力场陆地水储量变化滤波经验模态分解

GRACE-FO时变重力场反演与星间测距数据分析

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GRACE-FO时变重力场反演与星间测距数据分析

作者：朱紫彤中国科学院大学(中国科学院精密测量科学与技术创新研究院)

学位级别：硕士

GRACE重力卫星观测的全球重力场和质量时空变化产品已经成为地球系统科学研究的重要数据来源,广泛应用于大地测量学、地球物理学、水文学和海洋学等学科,为水循环、冰雪物质平衡和全球海平面变化等提供了重要的观测数据。2018 年 5 月 ... 详细信息

GRACE重力卫星观测的全球重力场和质量时空变化产品已经成为地球系统科学研究的重要数据来源,广泛应用于大地测量学、地球物理学、水文学和海洋学等学科,为水循环、冰雪物质平衡和全球海平面变化等提供了重要的观测数据。2018 年 5 月 22 号发射的 GRACE Follow-On（GRACE-FO）延续了 GRACE 任务建立的15年的地球表面质量迁移的数据记录。GRACE与GRACE-FO作为低低跟踪重力卫星,通过高精度的星间测距系统反演地球重力场及其变化,从而推断地表质量的迁移和重分布。除了微波测距系统,GRACE-FO还搭载了一种新的卫星间测距仪器——激光测距干涉仪,其在精度和跟踪持续时间方面都超过了发射前的预期性能要求,而且其设计精度相对于微波测距高出2-3个数量级。因此,探讨激光测距系统对重力场反演的影响以及其在地球科学应用的潜在价值具有重要意义。本文基于动力学方法,分析了微波测距系统载荷数据处理策略对重力场解算的影响,对比了微波测距和激光测距两类星间测距系统对解算重力场的影响,并提出了一种激光测距系统观测数据的新型应用。论文主要研究内容如下:（1）在前人的基础上,总结了 GRACE-FO重力卫星微波测距系统原始数据处理的方法与流程,探究了基于本文研究方法和流程计算得到的APMBR1B数据产品与JPLBR1B数据集之间的差异,以及对时变重力场结果的影响。分析表明,两类数据精度相当,在低频处略有差异;反演得到的时变重力场模型与国际主流模型精度一致。（2）以动力学方法为基础,采用微波测距数据和激光测距数据分别反演,获得了时变重力场模型APMBR与APMRI。研究发现,在两类测距数据完整且质量较好的前提下,两类重力场模型精度处于同一水平;统计后验残差的结果表明,APMRI后验残差的RMS 比 APMBR减小约50%,且在高频处（≥60CPR）激光测距系统的后验残差显著低于微波测距的观测结果。（3）在上述结果分析的基础上,为了能够充分利用激光观测的优势,本文提出了一种针对星间测距观测数据的处理方法,通过引入星间测距经验参数以及低通滤波等手段探测时变信号。根据重力卫星模拟以及实测数据验证了该方法的可行性。同时,相较于传统重力场反演的手段观测时变信号,该方法可以更灵活地应用于地表快速质量变化的探测,并且拥有更高的空间分辨率。本文还探究了沿轨的激光测距数据的优势以及潜在应用价值,如对半月或更小时间尺度上的水文信号和洪水、海啸等瞬时变化信号的研究。

关键词： GRACE-FO 星间测距系统激光测距干涉仪时变重力场残差分析

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时变重力场球面模型反演算法和模拟实验

地震 2021年第1期41卷 13-24页

作者：张贝陈石李红蕾杨锦玲韩建成卢红艳中国地震局地球物理研究所北京100081 北京白家疃地球科学国家野外观测研究站北京100095 福建省地震局福建福州350003

时变重力场是研究地球内部介质物性变化的重要手段。本文提出了一种适用于地面流动重力测量获得的时变重力信号的场源反演方法,该方法采用球坐标系下的六面体单元来模拟场源介质,适合大尺度地震流动重力测量数据的等效源模型构建。通过... 详细信息

时变重力场是研究地球内部介质物性变化的重要手段。本文提出了一种适用于地面流动重力测量获得的时变重力信号的场源反演方法,该方法采用球坐标系下的六面体单元来模拟场源介质,适合大尺度地震流动重力测量数据的等效源模型构建。通过引入重力时变信号的一阶光滑先验条件,压制了时变重力信号中的短周期高频分量,可用于提取与地震孕育相关的长周期信号。通过理论和模型实验证明了本文算法的可靠性和稳定性,并使用南北地震带南段2014—2017年的流动重力实测数据进行了反演解释,获得了地壳内部等效场源的视密度时变信号,变化量级在正常地壳密度的±0.7‰之间,其空间形态受川滇菱形块体边界控制。研究成果可用于时变重力场模型解释和深部场源特征提取,可为地震重力前兆信号分析和相关研究提供完备的方法保障。

关键词：时变重力场位场反演流动重力等效源密度变化

利用运动学轨道提高GRACE时变重力场解算

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地球物理学报 2017年第1期60卷 37-49页

作者：杨帆王长青许厚泽钟敏周泽兵华中科技大学物理学院地球物理研究所武汉430074 中国科学院测量与地球物理研究所大地测量与地球动力学国家重点实验室武汉430077

基于变分方程法,本文利用GARCE高精度K波段星间测速数据KBRR,结合德国格拉茨大学发布的运动学轨道和GFZ发布的简动力学轨道作为两种伪观测值,分别解算了2005-2010年60阶全球时变重力场模型Hust-IGG01与Hust-IGG02.通过与GRACE官方机构... 详细信息

基于变分方程法,本文利用GARCE高精度K波段星间测速数据KBRR,结合德国格拉茨大学发布的运动学轨道和GFZ发布的简动力学轨道作为两种伪观测值,分别解算了2005-2010年60阶全球时变重力场模型Hust-IGG01与Hust-IGG02.通过与GRACE官方机构发布的模型和其他国际主流权威模型进行对比,发现基于运动学轨道结合KBRR解算的模型Hust-IGGO1优于基于简动力学轨道结合KBRR解算的模型Hust-IGG02:在重力场系数C_(20)时间序列的统计数据上,Hust-IGG01比Hust-IGG02更接近SLR结果,在如C_(60)、C_(70)、C_(80)以及C_(90)等重力场低阶项上的数学统计均更接近CSR RL05;Hust-IGG01的重力场系数误差分布和GFZ RL05在同一水平,而Hust-IGG02的误差估计过于乐观;Hust-IGG02在主要质量变化区域上存在5%~10%信号低估,而Hust-IGG01能完全达到国际主流机构利用GPS观测数据的解算水平,Hust-IGG01与官方机构CSR、JPL和GFZ最新模型在格陵兰岛的冰川消融年际趋势分别是-125.4、-125.4、-127.3、-124.3 Gt·a^(-1),在亚马逊流域的平均等效水高周年振幅分别是17.56、17.40、17.46、17.22 cm,在撒哈拉沙漠的平均等效水高均方差分别是0.87、0.77、1.10、0.87 cm;另外在Hust-IGG01的实际应用上,本文分析了全球32个主要流域质量变化的年际趋势、周年振幅和半周年振幅三种信号模式,统计结果显示Hust-IGG01与CSR RL05结果基本吻合.

关键词： GRACE 时变重力场运动学轨道简动力学轨道等效水高

顾及非线性改正的动力学方法反演GRACE时变重力场模型

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地球物理学报 2019年第9期62卷 3259-3268页

作者：梁磊于锦海朱永超万晓云常乐徐焕王凯中国科学院计算地球动力学重点实验室北京100049 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049 山东交通学院济南250357 中国地质大学(北京)土地科学技术学院北京100083 总装备部工程设计研究总院北京100028

本文利用解的叠加原理求解了轨道扰动微分方程组,构建了扰动位系数与轨道和星间距变率的观测方程,并分别引入非线性改正项.通过惯性坐标系与运动坐标系的转换求解状态转移方程组,分析了观测方程的低频误差特征,导出了目前常用的消除剩... 详细信息

本文利用解的叠加原理求解了轨道扰动微分方程组,构建了扰动位系数与轨道和星间距变率的观测方程,并分别引入非线性改正项.通过惯性坐标系与运动坐标系的转换求解状态转移方程组,分析了观测方程的低频误差特征,导出了目前常用的消除剩余星间距变率低频误差的五参数或七参数经验公式.此外,根据非惯性力模型误差是分段标定的特点,提出利用三次样条函数来处理低频误差,通过模拟计算表明三次样条函数处理低频误差略优于七参数.最后,处理实际的GRAEC Level-1b数据,解算了2006年1月至2009年12月期间的月时变重力场模型UCAS_Grace01,通过在不同区域进行比较可以得出本文计算的时变重力场模型与国际官方机构精度基本是一致的结论.

关键词：时变重力场 GRACE 动力学积分法低频误差非线性改正