利用能量守恒法和GOCE卫星轨道数据反演地球重力场模型-论文.pdf

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1、第39卷第9期武汉大学学报·信息科学版Vo1．39NO．92O14年9月GeomaticsandInformationScienceofWuhanUniversitySept．2014DOI：10．13203／j．whugis20130029文章编号：1671—8860(2014)09—1043—04利用能量守恒法和GOCE卫星轨道数据反演地球重力场模型苏勇范东明谷延超1西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川I成都，6l1756摘要：利用傅立叶级数拟合GOCE卫星的耗散能，解决了基于能量守恒法恢复GOCE重力场模型时耗散能的计算问题。采用Helmert—Wolf参数估计法统一求解位

2、系数、能量常数和耗散能的傅立叶级数拟合参数，并采用消局部参数的最小二乘法求解位系数。该方法不需要任何初始值或参考模型，不需要采用差分方法处理能量常数，也不需要进行迭代计算。利用GOCE卫星2009—11-0l～2010—02—12共103d的精密轨道数据反演了三组1OO阶次的重力场模型G()CEECP01S、GOCE—ECP02S和GOCEECP03S，并与EIGEN5C、ElGEN—CHAMP05S和GOC()03S模型进行比较。结果表明，采用一阶傅立叶级数拟合G()CE卫星的耗散能效果最好，反演的GOCE—ECP01s模型精度最高，整体精度优于EIGEN—CHAMP05S，但较G

3、OCO03S模型的精度偏低；在10¨。阶次的大地水准面误差为±3．2em，但由于极空白的影响，恢复模型的带谐项位系数精度偏低。关键词：能量守恒法；GOCE卫星；地球重力场模型；耗散能；位系数；傅立叶级数中图法分类号：P223．0文献标志码：AGOCE卫星采用卫星高低跟踪和重力梯度测量相结合的模式，可以有效利用两种不同模式的1能量守恒方程测量数据对不同频段重力场信号的敏感，高精度反演地球重力场模型。利用低轨卫星跟踪数据反GOCE卫星在地固系下的能量守恒方程可以演地球重力场模型的方法有很多钟，归纳起来主表示为[6]：要有Kaula线性摄动法、动力学积分法、短弧长积11T+E。一11，-l

4、一÷面。(rj+r；)一分法、点加速度法、平均加速度法、能量守恒法和厶厶天体力学法等]。能量守恒法是将卫星的状态V，U。一AC(1)矢量与受力情况同引力位系数联系起来，建立能在惯性系下的能量守恒方程可以表示为：1量守恒方程来恢复位系数l3]。能量守恒法不需要T+Eo一7-I，．【一(rxr—ry，．)一数值积分计算，观测方程是线性的，不需要进行迭代计算，也不需要估计初始状态向量，已成功应用一U。一AC(2)式中，T为扰动位；E为能量积分常数；V为卫于CHAMP和GRACE卫星重力场模型的解算。星受到的摄动位(主要包括三体引力摄动位、固体潮摄动位、海潮摄动位、固体极潮摄动位和海极潮本文

5、利用103d的GOCE卫星精密轨道数据，根据能量守恒法恢复了三组100阶次的地球摄动位)；U。为正常重力位(本文只指卫星受到的重力场模型GOCE—ECP01S、GOCE—ECP02S和中心引力位)；AC为卫星受到的耗散能；，．一[GOCE-ECP03S，并通过与其他重力场模型进行r]和，．一F-,产]分别表示卫星在某一对比，对恢复的重力场模型精度进行评价。时刻的位置和速度向量；表示地球平均自转角速度。式(1)和(2)右端的第一项和第二项分别表示卫星的动能和旋转位能。扰动位的计算公式采收稿日期：2013-04—11项目来源：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20120184l20

6、06)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(SWJTU10ZT02，SWJTU12BR012)；西南交通大学博士研究生创新基金资助项目。第一作者：苏勇，博士生，主要从事卫星重力测量研究。E—mail：suyongme@{oxmail．COrn武汉大学学报·信息科学版2014年9月用三维直角坐标系下的表达式：29599075’一29599080T=∑∑(+sW)(3)、2=O～29599085。～V、w为Cunningham递推系数，递推关系见一，I文献E6]。其中，GM为地球地心引力常数；R为一29599090地球平均半径；和m分别表示阶和次；C⋯S表示正常化的球谐系数。～296

7、O17一2960172能量守恒法恢复GOCE地球重力～296017场模型一2960172．1数据预处理GOCE卫星数据由欧洲空间局(ESA)统一管图1GOCE卫星1d的能量常数和耗散能之和理和释放，采用XML格式存储。因此，首先需要Fig．1SumofConstantandDissipativeEnergyof将XML格式的数据提取为所需格式，同时需要GOCESatelliteOneDay对可能存在的数据间断进行探测、标记和内插处理。本文所需的是二级轨道数