定量研究卫星跟踪卫星测量模式多误差源对重力场恢复的影响

卫星跟踪卫星重力测量系统在研究地球物质变迁、重大自然灾害监测、测绘及地球物理机制等方面发挥了巨大作用，我国亦准备发射具有自主产权的重力卫星。对卫星主要载荷复杂误差源的探讨及其对恢复重力场精度的影响，是重力卫星预研的关键。本项目综合考虑卫星跟踪卫星测量系统关键载荷（星间测距系统和星载加速度计）的模型误差、姿态误差、测量误差和其他系统误差，联合星象仪数据、GPS精密时钟解和精密定轨误差建立关键载荷多误差源的校正模型，采用灵敏度分析法给出系统对各误差源的灵敏度指标，比较各误差源对恢复地球重力场精度影响量级大小，论证系统关键载荷各技术指标与我国对重力场精度实际需求之间的匹配关系，提出重力测量模式的优化配置方案和数据预处理方案，评估系统的稳定性，为我国重力卫星的发射提供预研支持。

利用重力卫星可获得全球一致的高精度、高分辨率的地球重力场及其时变参数，丰富人们对地球重力场的认知程度和拓展地球重力场的应用领域，科学的数据处理技术是获得高质量地球重力场的前提。随着我国自主产权重力卫星工作的推进，重力卫星地面数据处理系统的仿真模拟及卫星系统复杂的误差源建模成为目前首要的研究课题。本项目综合考虑了卫星跟踪卫星测量系统关键载荷多种误差源，通过建立合理的误差校正模型，采用灵敏度分析的方法给出系统对各误差源的灵敏度指标，比较各误差源对恢复地球重力场精度影响量级大小，提出卫星跟踪卫星观测模式的载荷姿态、测量精度、时间同步等技术指标的设计方案和卫星数据数据预处理方案，评估系统的稳定性并论证系统配置优化策略选取方案。. 项目主要完成卫星跟踪卫星测量系统建模与分析，关键载荷多误差源模型的建立，星间精密测距系统传递函数特征研究，数据处理仿真模拟，及卫星跟踪卫星测量系统滤波器设计指标分析等研究工作。建立了包括振荡器噪声、系统噪声、时间标签误差、瞬时距离改正误差、时光误差和多路径效应的多种星间测距系统误差模型；结合星象仪观测的姿态误差、GPS精密时钟解算误差和卫星轨道误差的影响，推导了星间精密测距测距系统传递函数，并获得了振荡器噪声引起的星间测距系统误差功率谱；从精密星间测距系统观测值与地球重力场频谱关系的角度，建立了星间距离观测值关于重力位系数的敏感矩阵，详细分析其频谱特性，得出测距观测值可感应的地球重力场信号的有效频带，并结合美国当前GRACE卫星和下一代GRACE Follow-On卫星计划、以及我国首期卫星跟踪卫星重力测量计划，给出低通滤波器的通带截止频率、通带增益波纹和频率采样率技术指标设计方案，及达到特定重力场精度的载荷测量误差容许范围。主要结论包括：100阶地球重力场模型对应的星间测距信号有效频带分别为：3.523×10-4Hz～1.760×10-2Hz和3.767×10-4Hz～1.880×10-2Hz，低通滤波器通带截止频率应至少大于该频带上限；根据我国首期卫星跟踪卫星重力测量计划重力场空间分辨率指标设计方案，得出星间观测值滤波器频率采样率至少应大于0.2236Hz。通过对卫星跟踪卫星测量系统的仿真模拟，建立了载荷设计指标与我国对重力场精度的实际需求之间的匹配关系，可为我国首期卫星跟踪卫星重力测量计划的主要技术指标的初步设计提供参考。