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利用GOCE和GRACE卫星观测数据确定静态重力场模型

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地球物理学报 2023年第6期66卷 2322-2336页

作者：赵永奇李建成徐新禹苏勇踪华魏辉武汉大学测绘学院武汉430079 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430079 西南石油大学土木工程与测绘学院成都610500 湖北珞珈实验室武汉430079 宇航智能控制技术国家级重点实验室北京100854

高精度静态卫星重力场模型在全球海洋环流研究、全球/区域数字高程基准面确定等领域有重要应用,本文研究仅利用GOCE卫星和联合GRACE卫星观测数据确定高精度高阶次静态重力场模型.利用GOCE卫星全周期高精度引力梯度分量(V_(xx)、V_(yy)、... 详细信息

高精度静态卫星重力场模型在全球海洋环流研究、全球/区域数字高程基准面确定等领域有重要应用,本文研究仅利用GOCE卫星和联合GRACE卫星观测数据确定高精度高阶次静态重力场模型.利用GOCE卫星全周期高精度引力梯度分量(V_(xx)、V_(yy)、V_(zz)和V_(xz))观测值基于直接最小二乘法构建300阶次的SGG(Satellite Gravity Gradiometry)法方程,并利用卫星跟踪卫星观测值基于点域加速度法构建130阶SST(Satellite-to-Satellite Tracking)法方程,然后利用方差分量估计联合SGG和SST法方程确定300阶次纯GOCE卫星重力场模型GOSG02S.利用全周期GRACE观测数据由动力学方法解算了180阶次的SWPU-GRACE2021S模型,并将其对应法方程与GOCE卫星法方程联合解算了GRACE和GOCE的联合模型WHU-SWPU-GOGR2022S.分别基于XGM2019模型和GPS水准数据对本文解算的三个模型GOSG02S、SWPU-GRACE2021S和WHU-SWPU-GOGR2022S在频域和空域进行了精度分析,结果表明,GOSG02S和WHU-SWPU-GOGR2022S模型与GO_CONS_GCF_2_DIR_R6、GO_CONS_GCF_2_TIM_R6、GO_CONS_GCF_2_SPW_R5、GOCO06s和Tongji-GMMG2021S等使用了GOCE卫星全周期数据的模型精度相当,精度差异基本都在毫米量级;SWPU-GRACE2021S模型在160阶次之前与国际主流GRACE卫星重力场模型ITSG-Grace2018s和Tongji-Grace02s精度相当.

关键词： GOCE GRACE 直接最小二乘法加速度法 ARMA 正则化

融合GOCE和GRACE卫星数据的无约束重力场模型Tongji-GOGR2019S

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地球物理学报 2020年第9期63卷 3251-3262页

作者：陈鑑华张兴福陈秋杰梁建青沈云中广东工业大学测绘工程系广州510006 波恩大学大地测量与地理信息学院波恩531213 广州市城市规划勘测设计研究院广州510060 同济大学测绘与地理信息学院上海200092

本文在法方程层面融合GOCE卫星的V xx、V yy、V zz和V xz重力梯度分量观测数据和GRACE卫星观测数据,采用直接法解算了220阶次的重力场模型Tongji-GOGR2019S.首先利用IIR带通滤波器在5~41 mHz的重力梯度带宽范围内对约24个月的GOCE重力... 详细信息

本文在法方程层面融合GOCE卫星的V xx、V yy、V zz和V xz重力梯度分量观测数据和GRACE卫星观测数据,采用直接法解算了220阶次的重力场模型Tongji-GOGR2019S.首先利用IIR带通滤波器在5~41 mHz的重力梯度带宽范围内对约24个月的GOCE重力梯度观测方程进行无相移滤波处理,并组成解算220阶次重力场模型的法方程,各梯度分量根据相对于参考模型统计精度进行定权;然后与13.5 a GRACE数据建立的180阶次Tongji-Grace02s重力场模型的法方程进行叠加,解算了220阶次的无约束纯卫星重力场模型Tongji-GOGR2019S.利用EIGEN-6C4重力场模型、GNSS/水准数据、DTU15重力异常数据以及欧洲区域似大地水准面模型EGG2015等数据对Tongji-GOGR2019S模型精度进行全面的检核评定,结果表明:引入GOCE卫星梯度数据后,高于72阶的位系数精度优于Tongji-Grace02s模型,Tongji-GOGR2019S模型的整体精度接近同阶次的DIR-R6等GOCE卫星第6代模型.

关键词：全球重力场模型 GOCE GRACE Tongji-GOGR2019S

利用先验重力场模型求定GOCE卫星重力梯度仪校准参数

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测绘学报 2019年第2期48卷 176-184页

作者：瞿庆亮常晓涛于胜文朱广彬山东科技大学测绘科学与工程学院山东青岛266510 国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心北京100048

重力梯度仪校准参数的确定是GOCE重力梯度观测数据处理的关键环节。本文对GOCE卫星重力梯度观测值中的时变信号与粗差进行了分析,利用高精度全球重力场模型,确定了GOCE重力梯度观测值各分量的尺度因子与偏差,并对校准结果进行了精度评... 详细信息

重力梯度仪校准参数的确定是GOCE重力梯度观测数据处理的关键环节。本文对GOCE卫星重力梯度观测值中的时变信号与粗差进行了分析,利用高精度全球重力场模型,确定了GOCE重力梯度观测值各分量的尺度因子与偏差,并对校准结果进行了精度评定。结果表明,在测量带宽内,海潮对重力梯度观测值影响在mE量级,与重力梯度仪的精度水平相当,陆地水等非潮汐重力场时变信号略小于海潮,量级约为10^(-4)E;各分量重力梯度观测值的粗差比例均大于0.2%;除EGM96模型外的其他模型对GOCE重力梯度仪进行校准后,V_(xx)、V_(yy)、V_(zz)、V_(yz)分量上尺度因子的稳定性均在10^(-4)量级,V_(xz)分量能达到10^(-5)量级,V_(xy)分量为10^(-2)量级,这与梯度观测值各分量的精度水平一致。

关键词： GOCE 重力梯度校准尺度因子偏差

A High-Resolution Earth’s Gravity Field Model SGG-UGM-2 from GOCE,GRACE,Satellite Altimetry,and EGM2008

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Engineering 2020年第8期6卷 860-878页

作者： Wei Liang Jiancheng Li Xinyu Xu Shengjun Zhang Yongqi Zhao School of Geodesy and Geomatics Wuhan UniversityWuhan 430079China Key Laboratory of Geospace Environment and Geodesy Ministry of EducationWuhan UniversityWuhan 430079China School of Resources and Civil Engineering Northeastern UniversityShenyang 110004China

This paper focuses on estimating a new high-resolution Earth’s gravity field model named SGG-UGM-2 from satellite gravimetry,satellite altimetry,and Earth Gravitational Model 2008(EGM2008)-derived gravity data based on the theory of the ellipsoidal harmonic analysis and coefficient transformation(EHA-CT).We first derive the related formulas of the EHA-CT method,which is used for computing the spherical harmonic coefficients from grid area-mean and point gravity anomalies on the ellipsoid.The derived formulas are successfully evaluated based on numerical experiments.Then,based on the derived least-squares formulas of the EHA-CT method,we develop the new model SGG-UGM-2 up to degree 2190 and order 2159 by combining the observations of the Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer(GOCE),the normal equation of the Gravity Recovery and Climate Experiment(GRACE),marine gravity data derived from satellite altimetry data,and EGM2008-derived continental gravity data.The coefficients of degrees 251–2159 are estimated by solving the block-diagonal form normal equations of surface gravity anomalies(including the marine gravity data).The coefficients of degrees 2–250 are determined by combining the normal equations of satellite observations and surface gravity anomalies.The variance component estimation technique is used to estimate the relative weights of different observations.Finally,global positioning system(GPS)/leveling data in the mainland of China and the United States are used to validate SGG-UGM-2 together with other models,such as European improved gravity model of the earth by new techniques(EIGEN)-6C4,GECO,EGM2008,and SGG-UGM-1(the predecessor of SGG-UGM-2).Compared to other models,the model SGG-UGM-2 shows a promising performance in the GPS/leveling validation.All GOCE-related models have similar performances both in the mainland of China and the United States,and better performances than that of EGM2008 in the mainland of China.Due to the contribution of GRACE data and the new marine gravity ano

关键词： Gravity field model GOCE GRACE Satellite altimetry Block-diagonal least-squares

The construction of high precision geostrophic currents based on new gravity models of GOCE and satellite altimetry data

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Acta Oceanologica Sinica 2021年第3期40卷 142-152页

作者： Wenyan Sui Junru Guo Jun Song Zhiliang Liu Meng Wang Xibin Li Yanzhao Fu Yongquan Li Yu Cai Linhui Wang Lingli Li Xiaofang Guo Wenting Zuo School of Marine Science and Environment Engineering Dalian Ocean UniversityDalian 116023China Operational Oceanographic Institution Dalian Ocean UniversityDalian 116023China Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Guangzhou) Guangzhou 511458China Institute of Marine Science Hebei Normal University of Science and TechnologyQinhuangdao 066600China Tianjin Marine Environmental Monitoring Central Station Ministry of Natural ResourcesTianjin 300457China

The new gravity field models of gravity field and steady-state ocean circulation explorer(GOCE),TIM_R6 and DIR_R6,were released by the European Space Agency(ESA)in June 2019.The sixth generation of gravity models have the highest possible signal and lowest error levels compared with other GOCE-only gravity models,and the accuracy is significantly improved.This is an opportunity to build high precision geostrophic currents.The mean dynamic topography and geostrophic currents have been calculated by the 5th(TIM_R5 and DIR_R5),6th(TIM_R6 and DIR_R6)release of GOCE gravity field models and ITSG-Grace2018 of GRACE gravity field model in this study.By comparison with the drifter results,the optimal filtering lengths of them have been obtained(for DIR_R5,DIR_R6,TIM_R5 and TIM_R6 models are 1°and for ITSG-Grace2018 model is 1.1°).The filtered results show that the geostrophic currents obtained by the GOCE gravity field models can better reflect detailed characteristics of ocean currents.The total geostrophic speed based on the TIM_R6 model is similar to the result of the DIR_R6 model with standard deviation(STD)of 0.320 m/s and 0.321 m/s,respectively.The STD of the total velocities are 0.333 m/s and 0.325 m/s for DIR_R5 and TIM_R5.When compared with ITSG-Grace2018 results,the STD(0.344 m/s)of total geostrophic speeds is larger than GOCE results,and the accuracy of geostrophic currents obtained by ITSG-Grace2018 is lower.And the absolute errors are mainly distributed in the areas with faster speeds,such as the Antarctic circumpolar circulation,equatorial region,Kuroshio and Gulf Stream areas.After the remove-restore technique was applied to TIM_R6 MDT,the STD of total geostrophic speeds dropped to 0.162 m/s.

关键词： GOCE gravity field model mean dynamic topography geostrophic current

GOCE实测数据反演高阶重力场模型的Torus方法

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测绘学报 2020年第8期49卷 965-973页

作者：刘焕玲文汉江徐新禹赵永奇蔡剑青中国测绘科学研究院北京100036 自然资源部测绘科学与地球空间信息技术重点实验室北京100036 城市空间信息工程北京市重点实验室北京100038 武汉大学测绘学院湖北武汉430079 德国斯图加特大学大地测量研究所斯图加特70174

不同于当前广泛使用的空域法、时域法、直接解法,本文尝试采用Torus方法处理GOCE实测数据,利用71 d的GOCE卫星引力梯度数据反演了200阶次GOCE地球重力场模型,实现了对参考模型的精化。首先,采用Butterworth零相移滤波方法加移去—恢复技... 详细信息

不同于当前广泛使用的空域法、时域法、直接解法,本文尝试采用Torus方法处理GOCE实测数据,利用71 d的GOCE卫星引力梯度数据反演了200阶次GOCE地球重力场模型,实现了对参考模型的精化。首先,采用Butterworth零相移滤波方法加移去—恢复技术,处理引力梯度观测值中的有色噪声,并利用泰勒级数展开和Kriging方法对GOCE卫星引力梯度数据进行归算和格网化,计算得到了名义轨道上格网点处的引力梯度数据。然后,利用2D-FFT技术和块对角最小二乘方法处理名义轨道上数据,获得了200阶次的GOCE地球重力场模型GOCE_Torus。利用中国和美国的GPS/水准数据进行外部检核结果说明,GOCE_Torus与ESA发布的同期模型的精度相当;GOCE_Torus模型与200阶次的EGM2008模型相比,在美国区域精度相当,但在中国区域精度提高了4.6 cm,这充分体现了GOCE卫星观测数据对地面重力稀疏区的贡献。Torus方法拥有快速高精度反演卫星重力场模型的优势,可以在重力梯度卫星的设计、误差分析及在轨快速评估等方面得到充分应用。

关键词： GOCE 地球重力场 Torus方法精化

Chinese Gravimetry Augment and Mass Change Exploring Mission Status and Future

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Journal of Geodesy and Geoinformation Science 2023年第3期6卷 67-75页

作者： Yun XIAO Yuanxi YANG Zongpeng PAN Yunlong WU Zehua GUO Xi’an research Institute of Surveying and Mapping Xi’an 710054China State Key Laboratory of Geographic Information En-gineering Xi’an 710054China School of Geography and Information Engineering China University of GeosciencesWuhan 430074China School of Geodesy and Geomatics Wuhan UniversityWuhan 430074China

The satellite gravimetry technology effectively recovers the global Earth’s gravity field.Since 2000s,HL-SST satellite CHAMP,LL-SST satellite GRACE,Gravity Gradient Measurement(GGM)satellite GOCE have been launched successfully,producing some Earth’s gravity models solely from satellites data.However,the space and time resolution of the Earth’s gravity fields do not adequately satisfy scientific objectives.The main reason is that the gravimetry satellites are not enough and observation data insufficient.The paper outlines the current and future status of Chinese gravity satellite missions.The Chinese gravimetry satellite system,named Chinese Gravimetry augment and Mass change exploring mission(ChiGaM),successfully launched in Dec.2021 after four years of production and over a year of calibration and valiation.The accelerometer,K-band ranging system and the three stellar sensors,among others,were precisely calibrated and trimmed.The satellite mass center was determined and coordinated with the proof center of accelerometer with an accuracy 100μm.The inter-satellite ranging system and BDS/GPS receiver operate together seamlessly.The range and range rate noise is less than 3μm/Hz^(1/2) and 1μm/s/Hz^(1/2),respectively,in band of 0.025~0.1 Hz.The electrostatic suspension accelerometer is working well.Its high-sensitive axis noise level is 3×10^(-10) m/s^(2)/Hz^(1/2)near the frequency 0.1 Hz,and 1×10^(-9) m/s^(2)/Hz^(1/2) for the less-sensitive axis.Meanwhile the BDS/GPS receiver is used to achieve data for precise orbit determination,yielding an orbit result with accuracy better than 2 cm.When compared with KBR observations,the RMS of the bias is less than 1 mm.Besides above mission,next gravimetric satellite is being developed now.TQ-2 mission is designed as a totally experimental satellite for gravitational wave detection at low Earth orbit,which can detect the Earth’s gravity field simultaneously.The Bender-type mission is considered the most promising configuration for TQ-2 and consists of two polar satellites and

关键词： satellite gravimetry the Earth’s gravity field gravity GRACE GRACE-FO GOCE

联合GOCE卫星数据和GRACE法方程确定SWJTU-GOGR01S全球重力场模型

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武汉大学学报（信息科学版） 2018年第3期43卷 457-463页

作者：苏勇范东明蒲星钢游为肖东升于冰西南石油大学土木工程与建筑学院西南交通大学地球科学与环境工程学院成都市勘察测绘研究院

联合地球重力场和海洋环流探测器(Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer,GOCE)和重力恢复与气候实验(Gravity Recovery and Climate Experiment,GRACE)卫星观测数据确定全球静态重力场模型是当前大地测量学的研究热点之一。联合近3a的GOCE卫星梯度数据和7a左右的GRACE星间距离变率数据计算的ITG-GRACE2010S模型的法方程恢复了210阶次的重力场模型SWJTUGOGR01S。采用带通数字滤波方法处理GOCE卫星的4个高精度梯度观测分量,利用梯度数据恢复重力场模型的观测方程直接建立在梯度仪坐标系中,可以避免坐标转换过程中高精度的梯度观测分量受低精度分量的影响;联合法方程解的最优权采用方差分量估计迭代计算,GOCE数据的两极空白引起的病态问题采用Kaula正则化方法进行约束。基于EIGEN-6C2模型和北美地区的GPS水准网观测数据,对SWJTUGOGR01S模型进行内外符合精度分析,结果表明,SWJTU-GOGR01S模型在210阶次的大地水准面误差和累计误差分别为1.3cm和5.7cm,精度与欧洲空间局公布的第四代时域法模型相当,略优于GOCO02S和GOCO03S模型的精度。

关键词： GOCE GRACE 地球重力场模型方差分量估计正则化

GOCE地球重力场模型在青藏地区的评价及分析

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测绘学报 2014年第1期43卷 21-29页

作者：高春春陆洋张子占史红岭杜宗亮朱传东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湖北武汉430077 中国科学院大学北京100049 美国得克萨斯大学空间研究中心德克萨斯州奥斯汀78759 极地测绘科学国家测绘地理信息局重点实验室湖北武汉430000

分别采用青藏地区的GPS/水准和重力异常实测数据对GOCE重力场模型进行外部测试,并在重力异常验证过程中引入一种新的滤波方法。验证结果表明在青藏地区GOCE重力场模型相比其他系列模型的优势在于中波段。同时,探讨GOCE重力场模型与其他... 详细信息

分别采用青藏地区的GPS/水准和重力异常实测数据对GOCE重力场模型进行外部测试,并在重力异常验证过程中引入一种新的滤波方法。验证结果表明在青藏地区GOCE重力场模型相比其他系列模型的优势在于中波段。同时,探讨GOCE重力场模型与其他系列模型在青藏地区主要差异值的空间分布以及首次利用统计分析方法找出模型之间主要差异值的阶次分布。得出如下结论:①模型之间的较大差异值在空间水平方向上主要分布在喜马拉雅山脉、天山等地形起伏较大的区域;②在垂直方向上主要集中在岩石圈。

关键词： GOCE 地球重力场模型 GPS 水准重力异常青藏地区场源深度岩石圈