一种低低星星跟踪卫星重力场测量性能解析计算方法
【专利摘要】一种低低星星跟踪卫星重力场测量性能解析计算方法，获取低低星星跟踪重力卫星系统参数；计算重力卫星载荷测量误差对地球引力非球形摄动位功率谱的影响，进而得到反演重力场模型的位系数阶误差方差；与Kaula准则给出的位系数阶方差比较；计算反演重力场模型的大地水准面阶误差及其累积误差、重力异常阶误差及其累积误差；将计算得到的重力场测量有效阶数、大地水准面阶误差及其累积误差、重力异常阶误差及其累积误差汇总，即为低低星星跟踪重力场测量性能。本发明可以快速、定量评估重力场测量效果，获取重力卫星系统参数对重力场测量性能的影响规律，避免了卫星重力场测量数值模拟所带来的计算时间长、无法获取系统参数影响规律等缺陷。
【专利说明】一种低低星星跟踪卫星重力场测量性能解析计算方法
【技术领域】
[0001]本发明属于卫星重力场测量【技术领域】，涉及解析计算低低星星跟踪卫星重力场测量性能，用于低低星星跟踪重力场测量卫星系统的参数设计。
【背景技术】
[0002]重力场是地球的基本物理场，在地球科学研究、国土资源勘探和地质灾害预报等方面具有重要应用，历来是大地测量学研究的核心问题。随着航天技术的发展，卫星重力场测量以其全球高覆盖率、全天候、不受地缘政治和地理环境影响等独特优势，受到了越来越多的重视，在理论研究和工程实践上均取得了长足发展，已成为获取全球重力场模型的最有效手段[1’2]。
[0003]根据观测数据的不同，卫星重力场测量可以分为轨道摄动、低低星星跟踪和重力梯度三种原理[3]。其中，轨道摄动原理适宜于低阶重力场测量，它的主要观测数据是卫星摄动轨道；低低星星跟踪原理适宜于中高阶重力场测量，它的主要观测数据是两个低轨卫星之间的距离及其变化率；重力梯度原理适宜于高阶重力场测量，它的主要观测数据是重力梯度值。已成功实施或正在研制的重力卫星均采用了以上测量原理或其组合，如CHAMP卫星利用轨道摄动原理恢复低阶重力场，GRACE、GRACE Fo 11ow-on、NGGM卫星同时利用了轨道摄动和低低星星跟踪原理恢复中高阶重力场，GOCE卫星分别利用轨道摄动和重力梯度原理恢复低阶和高阶重力场。虽然这三种原理适宜于不同的重力场测量频段，但是重力场测量有效阶数和精度最终要取决于重力卫星的载荷指标。在针对中高阶重力场测量的低低星星跟踪和重力梯度方式下，以目前的载荷性能指标分析可知，低低星星跟踪测量完全可以达到甚至超过重力梯度的测量水平。为此，2007年在荷兰召开的“未来重力卫星测量”专题研讨会上决定，目前国际重力卫星继续采用低低星星跟踪重力场测量方式，同时考虑提高改善系统参数以提高重力场测量性能。
[0004]针对低低星星跟踪重力场测量系统轨道参数和载荷指标设计，传统上主要采用数值模拟法分析系统参数对重力场测量性能的影响，进而确定系统设计参数。但是，重力场测量数值模拟对计算机性能要求非常高，计算时间非常长，不利于分析系统参数对重力场测量的影响规律，不便于进行系统参数的优化设计。为克服这一缺陷，本发明从能量守恒原理出发，建立了分析低低星星跟踪重力场测量性能的解析方法，可以快速获取重力场测量有效阶数、大地水准面误差和重力异常误差等重力场测量性能，确定系统参数对重力场测量的影响规律，对低低星星跟踪重力卫星系统参数设计具有重要指导意义。
[0005]引用的文献
[0006][I]宁津生.跟踪世界发展动态致力地球重力场研究.武汉大学学报信息科学版，2001，26 (6):471-474.[0007][2]宁津生.卫星重力探测技术与地球重力场研究.大地测量与地球动力学，2002,22(1):1-5.[0008][3]谷振丰，刘红卫，王兆魁，张育林.基于引力位系数相对权重的卫星重力场测量分析.地球物理学进展，2013，28 (I):17-23.
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于，针对低低星星跟踪重力场测量卫星系统，建立了重力场测量有效阶数、大地水准面误差和重力异常误差等重力场测量性能与卫星轨道高度、星间距离、星间距离变化率测量精度、定轨精度、非引力干扰、测量数据采样间隔、任务周期等卫星系统参数之间的解析关系，可以快速计算低低星星跟踪重力场测量性能，分析系统参数对重力场测量性能的影响规律，指导低低星星跟踪重力场测量卫星系统参数优化设计。
[0010]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下 :
[0011]一种低低星星跟踪卫星重力场测量性能解析计算方法，包括步骤如下:
[0012]步骤1:获取低低星星跟踪重力卫星系统参数；
[0013]步骤2:根据低低星星跟踪重力卫星系统参数，计算重力卫星载荷测量误差对地球引力非球形摄动位功率谱的影响，进而得到反演重力场模型的位系数阶误差方差；
[0014]步骤3:将得到的反演重力场模型位系数阶误差方差与Kaula准则给出的位系数阶方差比较；随着重力场模型阶数的增加，位系数阶误差方差逐渐增加，而位系数阶方差则逐渐减小，当阶误差方差等于阶方差时，认为达到重力场测量的最高有效阶数；
[0015]步骤4:根据反演重力场模型的阶误差方差，计算反演重力场模型的大地水准面阶误差及其累积误差、重力异常阶误差及其累积误差；
[0016]步骤5:将计算得到的重力场测量有效阶数、大地水准面阶误差及其累积误差、重力异常阶误差及其累积误差汇总，即为低低星星跟踪重力场测量性能。
[0017]优选的，步骤I中的所述低低星星跟踪重力卫星系统参数，包括但不限于重力卫星系统轨道参数和所述重力卫星系统载荷指标；
[0018]所述卫星重力场测量性能指标包括重力场反演的最高有效阶数Nmax、n阶对应的大地水准面阶误差△?、η阶对应的大地水准面累积误差△、!!阶对应的重力异常误差△8?和η阶对应的重力异常累积误差Ag中的一种或几种；
[0019]所述重力卫星系统轨道参数，包括重力卫星轨道高度h和两星的地心矢量夹角
θο；
[0020]所述重力卫星系统载荷指标，包括星间距离变化率测量误差、卫星定轨位置误差(Ar)m、非引力干扰AF、星间距离变化率数据采样间隔(Δ/)ν,*卫星轨道位置数据采
样间隔(At) &、非引力干扰数据间隔(八0〃和重力场测量任务寿命1'。
[0021 ] 优选的，步骤2具体包括:
[0022]建立关于低低星星跟踪重力场测量位系数阶误差方差δ σ η2满足的解析关系式:
【权利要求】
1.一种低低星星跟踪卫星重力场测量性能解析计算方法，其特征在于，包括步骤如下: 步骤1:获取低低星星跟踪重力卫星系统参数； 步骤2:根据低低星星跟踪重力卫星系统参数，计算重力卫星载荷测量误差对地球引力非球形摄动位功率谱的影响，进而得到反演重力场模型的位系数阶误差方差； 步骤3:将得到的反演重力场模型位系数阶误差方差与Kaula准则给出的位系数阶方差比较；随着重力场模型阶数的增加，位系数阶误差方差逐渐增加，而位系数阶方差则逐渐减小，当阶误差方差等于阶方差时，认为达到重力场测量的最高有效阶数； 步骤4:根据反演重力场模型的阶误差方差，计算反演重力场模型的大地水准面阶误差及其累积误差、重力异常阶误差及其累积误差； 步骤5:将计算得到的重力场测量有效阶数、大地水准面阶误差及其累积误差、重力异常阶误差及其累积误差汇总，即为低低星星跟踪重力场测量性能。
2.根据权利要求1所述的低低星星跟踪卫星重力场测量性能解析计算方法，其特征在于，步骤I中的所述低低星星跟踪重力卫星系统参数，包括但不限于重力卫星系统轨道参数和所述重力卫星系统载荷指标； 所述卫星重力场测量性能指标包括重力场反演的最高有效阶数Nmax、n阶对应的大地水准面阶误差Λη、η阶对应的大地水准面累积误差Λ、η阶对应的重力异常误差Λ gn和η阶对应的重力异常累积误差Ag中的一种或几种； 所述重力卫星系统轨道参数，包括重力卫星轨道高度h和两星的地心矢量夹角Θ。； 所述重力卫星系统载荷指标，包括星间距离变化率测量误差、卫星定轨位置误差(Ar)m、非引力干扰AF、星间距离变化率数据采样间隔、卫星轨道位置数据采样间隔(Δ t) &、非引力干扰数据间隔(Λ t) aF和重力场测量任务寿命T。
3.根据权利要求2所述的低低星星跟踪卫星重力场测量性能解析计算方法，其特征在于，步骤2具体包括: 建立关于低低星星跟踪重力场测量位系数阶误差方差δ ο η2满足的解析关系式:
4.根据权利要求3所述的低低星星跟踪卫星重力场测量性能解析计算方法，其特征在于，系数K和相位ζ的取值分别为:
5.根据权利要求3所述的一种低低星星跟踪卫星重力场测量性能解析计算方法，其特征在于，对于非引力干扰数据间隔(At) aF，如果低低星星跟踪重力卫星系统对非引力干扰进行测量，那么(At) μ指非引力干扰的测量间隔；如果低低星星跟踪重力场测量系统对非引力干扰进行抑制，那么(At)”指非引力干扰的抑制间隔。
6.根据权利要求1所述的一种低低星星跟踪卫星重力场测量性能解析计算方法，其特征在于，步骤3具体包括建立的关于重力场测量最高有效阶数Nmax满足解析关系式:
7.根据权利要求1所述的一种低低星星跟踪卫星重力场测量性能解析计算方法，其特征在于，步骤4具体包括: 建立的关于η阶对应的大地水准面阶误差为:
【文档编号】G01V13/00GK103513294SQ201310454595
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年9月29日 优先权日:2013年9月29日
【发明者】张育林, 王兆魁, 刘红卫, 范丽 申请人:清华大学