專利名稱：基于濾波原理的衛(wèi)星重力梯度反演方法
技術領域：
本發(fā)明涉及衛(wèi)星重力梯度學、空間大地測量學、地球物理學、航空航天等交叉技術領域，特別是涉及一種通過濾波原理建立新型衛(wèi)星重力梯度觀測方程，進而精確和快速反演地球重力場的方法。
背景技術：
地球重力場及其時變反映地球表層及內部物質的空間分布、運動和變化，同時決定著大地水準面的起伏和變化，因此確定地球重力場的精細結構及其時變不僅是大地測量學、地震學、海洋學、空間科學、國防建設等的需求，同時也將為全人類尋求資源、保護環(huán)境和預測災害提供重要的信息資源。GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer)重力梯度衛(wèi)星由歐洲空間局(ESA)獨立研制，已于2009年3月17日發(fā)射升空，主要用于地球中短波重力場的精密測量。GOCE采用近圓(軌道離心率0.001)、近極地(軌道傾角96.5° )和太陽同步軌道，經過20個月的飛行計劃，軌道高度由250km降為240km。GOCE采用衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星高低(SST-HL)和衛(wèi)星重力梯度(SGG)模式的結合，除基于高軌道的GPS/GL0NASS衛(wèi)星對低軌道的GOCE衛(wèi)星進行精密跟蹤定位(Icm)外，利用定位于質心處的重力梯度儀(3X IO-1Vs2)高精度測量衛(wèi)星軌道高度處引力位的二階導數，同時基于無阻尼離子微推進器補償衛(wèi)星受到的非保守力。早在20世紀80年代，國外便開始制定國際衛(wèi)星重力梯度計劃。由于地球重力場信號隨衛(wèi)星軌道高度的增加而急劇衰減Οζ/r)1，基于分析衛(wèi)星軌道運動僅適合于精密確定中長波地球重力場，而衛(wèi)星重力梯度技術可直接測定地球引力位的二次微分，進而在一定程度上抑制了地球重力場信號的衰減效應，因此衛(wèi)星重力梯度測量有利于高精度感測地球中短波重力場信號。在利用衛(wèi)星重力觀測數據反演地球重力場的眾多方法中，時域法的優(yōu)點是直接對衛(wèi)星觀測數據進行處理，不需作任何近似，求解精度較高且能有效處理色噪聲；缺點是隨著衛(wèi)星觀測數據的增多，觀測方程數量劇增，極大地增加了計算量。為了滿足下一代衛(wèi)星重力梯度測量計劃中精密和快速解算高階地球重力場的要求，本發(fā)明緊跟國際衛(wèi)星重力梯度測量的熱點和動態(tài)，利用新型濾波衛(wèi)星重力梯度法，精確和快速反演了 250階GOCE地球重力場。在現有技術中已有利用衛(wèi)星重力梯度對角張量(Vxx，Vyy, Vzz),通過4個參考球面，在未考慮衛(wèi)星重力梯度數據濾波情況下，恢復地球重力場的數值模擬方法。由于該方法未考慮衛(wèi)星重力梯度交叉張量的貢獻，而且未對衛(wèi)星重力梯度觀測數據進行有效濾波處理，因此地球重力場反演精度仍未達到預期要求。不同于已有技術，本發(fā)明基于衛(wèi)星重力梯度全張量(vxx，Vyy, Vzz, Vxy, Vxz, Vyz)，通過5個參考球面，采用衛(wèi)星重力梯度數據濾波處理技術，在不過多增加反演計算量的前提下，進一步提高了 GOCE地球重力場的反演精度和計算速度。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是:通過濾波原理，建立新型衛(wèi)星重力梯度觀測方程，進而精確和快速反演地球重力場。為達到上述目的，本發(fā)明采用了如下技術方案:一種基于濾波原理的衛(wèi)星重力梯度反演方法，包括如下步驟:步驟1:采集重力梯度衛(wèi)星觀測數據，其中通過重力梯度衛(wèi)星的星載重力梯度儀采集衛(wèi)星重力梯度全張量觀測數據vxx，Vyy, Vzz, Vxy, Vxz, Vyz,通過重力梯度衛(wèi)星的星載GPS/GLONASS復合接收機采集衛(wèi)星軌道位置觀測數據r ；步驟2:建立衛(wèi)星重力梯度觀測模型，具體包括:在地固系中，按球諧函數展開地球擾動位T(r，θ, λ), Θ和λ分別表示地心余緯度和地心經度，并分別對衛(wèi)星位置矢量r的三個分量X，y, z進行二階求導，在地心慣性系中，以矩陣方式表達地球擾動位T (r，θ, λ)的球諧函數展開式對三個分量x，y，z的二階導
數，以此建立衛(wèi)星重力梯度觀測方程ygxl =Γgxnxnxl，作為衛(wèi)星重力梯度觀測模型，其中，
ygX1表示衛(wèi)星軌道處的重力梯度觀測數據，g表示重力梯度觀測數據的個數；Γ gXn表示g行η列的設計矩陣，n=L2+2L-3, L表示球諧函數展開的最大階數xnxl表示nX 1列的待求地球引力位系數矩陣；步驟3:使用濾波技術將衛(wèi)星重力梯度觀測模型處理為衛(wèi)星重力梯度濾波觀測模型，利用預處理共軛梯度迭代法求解衛(wèi)星重力梯度濾波觀測模型，進而反演地球重力場，具體包括:以地心為球心選擇若干個等間距且規(guī)則的參考球面，并在每個參考球面上進行均勻網格劃分，在所劃分的網格上利用衛(wèi)星軌道上的重力梯度觀測數據插值得到各個參考球面上對應單元格子的重力梯度觀測數據；對衛(wèi)星重力梯度觀測模型進行濾波變換，方程等式兩邊同時左乘濾波因子Cd的逆矩陣和設計矩陣的轉置Γτ以及預處理陣Pnxn的逆矩陣，得到衛(wèi)星重力梯度濾波觀測模型
權利要求
1.一種基于濾波原理的衛(wèi)星重力梯度反演方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟1:采集重力梯度衛(wèi)星觀測數據，其中通過重力梯度衛(wèi)星的星載重力梯度儀采集衛(wèi)星重力梯度全張量觀測數據vxx，Vyy, Vzz, Vxy, Vxz, Vyz,通過重力梯度衛(wèi)星的星載GPS/GLONASS復合接收機采集衛(wèi)星軌道位置觀測數據r ； 步驟2:建立衛(wèi)星重力梯度觀測模型，具體包括: 在地固系中，按球諧函數展開地球擾動位T (r，θ，λ)，Θ和λ分別表示地心余緯度和地心經度，并分別對衛(wèi)星位置矢量r的三個分量X，y, z進行二階求導，在地心慣性系中，以矩陣方式表達地球擾動位T (r，θ, λ)的球諧函數展開式對三個分量x，y，ζ的二階導數，以此建立衛(wèi)星重力梯度觀測方程J^xl = rgynXnxl，作為衛(wèi)星重力梯度觀測模型，其中，ygX1表示衛(wèi)星軌道處的重力梯度觀測數據，g表示重力梯度觀測數據的個數；rgXn表示g行η列的設計矩陣，n=L2+2L-3, L表示球諧函數展開的最大階數；^nxl表示nX I列的待求地球引力位系數矩陣； 步驟3:使用濾波技術將衛(wèi)星重力梯度觀測模型處理為衛(wèi)星重力梯度濾波觀測模型，利用預處理共軛梯度迭代法求解衛(wèi)星重力梯度濾波觀測模型，進而反演地球重力場，具體包括: 以地心為球心選擇若干個等間距且規(guī)則的參考球面，并在每個參考球面上進行均勻網格劃分，在所劃分的網格上利用衛(wèi)星軌道上的重力梯度觀測數據插值得到各個參考球面上對應單元格子的重力梯度觀測數據；對衛(wèi)星重力梯度觀測模型進行濾波變換，方程等式兩邊同時左乘濾波因子Cd的逆矩陣和設計矩陣的轉置Γτ以及預處理陣Pnxn的逆矩陣，得到衛(wèi)星重力梯度濾波觀測模型PlGn^ = PU.Xbx1，其中 G = F1QV，N = FtQ1F ； 求解獲得濾波因子Cd ； 利用預處理共軛梯度迭代法，快速解算衛(wèi)星重力梯度濾波觀測模型，獲得地球引力位系數進而完成地球重力場反演。
2.如權利要求1所述的基于濾波原理的衛(wèi)星重力梯度反演方法，其特征在于:所述步驟3中求解獲得濾波因子Cd的方法為: 將衛(wèi)星重力梯度全張量觀測數據vxx，Vyy, Vzz, Vxy, Vxz, Vyz按采樣時間的先后順序計數，同時滿足如下條件:Ca)張量的不同分量互不相關；(b)噪聲相對穩(wěn)定，即觀測點i和觀測點j的相關性只由I i_j I來決定；(c)所有相鄰觀測點的采樣間隔相同；將Cd分為只與觀測到的某個重力梯度張量的分量對應的子矩陣，且每個子矩陣都是NpXNp的對稱Toeplitz陣，Np表示觀測點的總數。
3.如權利要求2所述的基于濾波原理的衛(wèi)星重力梯度反演方法，其特征在于:所述步驟3中求解獲得濾波因子Cd的方法為: 使得觀測點i和觀測點j的對應于I 1-j I的相關性與對應于I i_j±Np|的相關性等價，則Cd分為的每個子矩陣變?yōu)檠h(huán)Toeplitz陣,利用循環(huán)Toeplitz陣在Fourier域的性質，在Fourier域內直接求解獲得濾波因子Cd。
4.如權利要求1-3任意一項所述的基于濾波原理的衛(wèi)星重力梯度反演方法，其特征在于:所述步驟3中選擇若干個參考球面的方法為: 以地心為球心選擇5個等間距且規(guī)則的參考球面IVivivr4和r5，距地心最近參考球面的半徑為6=65881 ，球面間隔為Λ r=20km,使得衛(wèi)星軌道H=250km位于r2和r4參考球面之間。
5.如權利要求4所述的基于濾波原理的衛(wèi)星重力梯度反演方法，其特征在于:所述步驟3中在每個參考球面上進行均勻網格劃分，利用衛(wèi)星軌道上的重力梯度全張量觀測數據插值得到各個參考球面上每個單元格子的重力梯度觀測數據的方法為: 在每個參考球面上進行均勻網格劃分；將衛(wèi)星軌道上的重力梯度全張量觀測數據插值得到每個參考球面上對應單元格子的重力梯度觀測數據，單元格子的分辨率為Λ Θ(0.05° ) X Λ λ (0.05° ) X Ar (20km)。
6.如權利要求1-5任意一項所述的基于濾波原理的衛(wèi)星重力梯度反演方法，其特征在于:所述重力梯度衛(wèi)星 為GOCE衛(wèi)星。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種地球重力場精密測量方法，特別是一種基于濾波原理的衛(wèi)星重力梯度反演方法；通過濾波原理建立新型衛(wèi)星重力梯度觀測方程，進而精確和快速反演地球重力場；該方法衛(wèi)星重力梯度反演精度高，地球重力場計算速度快，易于衛(wèi)星重力梯度系統(tǒng)敏感度分析，衛(wèi)星觀測方程物理含義明確，計算機性能要求低；濾波衛(wèi)星重力梯度反演法是解算高精度和高空間分辨率地球重力場的有效方法。
文檔編號G01V7/00GK103163562SQ20131004103
公開日2013年6月19日 申請日期2013年2月1日 優(yōu)先權日2013年2月1日
發(fā)明者不公告發(fā)明人 申請人:中國科學院測量與地球物理研究所