利用非重力卫星观测值补偿时变重力场缺失

The variations of Earth's gravity field reflects the distribution of the atmosphere and water mass on and below the Earth surface. Observations of time-varying gravity (TVG) place important constraints on models of global mass variability and temporal exchange among the land, ocean, and atmosphere. The GRACE mission was launched into a near polar orbit in 2002, mainly for the purpose of mapping TVG field with monthly or beyond temporal resolution at spatial scales of hundreds of kilometres, but maybe it will be retired in near futhure due to the battery problem. The main purpose of this proposal is to research the theory and method to model the future temporal gravity field changes with higher spatial resolution using geodetic techniques (GNSS, SLR, and so on) and LEO missions to bridge the gap between GRACE and GRACE Follow-on, in that case, the continouous time series of TVG fields for monitering temporal exchanges among the dynamic Earth system in large scales could be provided.

地球时变重力场反映了地球的物质分布与运动，是研究地球内部物理状态及海洋和大气动力学机制及其时空变化的重要约束。虽然于2002年发射的GRACE卫星能够以较高的时空分辨率精确监测全球和区域质量迁移过程，但是由于星载设备因素导致数据经常中断甚至卫星会随时退役，而其后续GRACE Follow-on卫星最早才于2017年发射，从而导致时变重力场信息无法连续性监测。本课题将深入研究利用非重力卫星（GNSS、SLR和一般低轨卫星）的观测值反演具有较高空间分辨率的月重力场模型的理论和方法，重点突破重力场参数和轨道动力学参数降耦合、空间基线反演重力场以及月时变重力场空间分辨率提升等关键问题，从而获得连续性高精度时变重力场序列，补偿GRCAE时变重力场缺失。研究结果将为水文、大气、海洋和地球物理等地学学科的研究提供科学依据。

地球时变重力场反映了地球的物质分布与运动，是研究地球内部物理状态及海洋和大气动力学机制及其时空变化的重要约束。虽然于2002年发射的GRACE卫星能够以较高的时空分辨率精确监测全球和区域质量迁移过程，但是其于2017年退役，而其后续GRACE Follow-on卫星于2018年发射，从而导致时变重力场信息无法连续性监测。本课题深入研究了利用非重力卫星（GNSS、SLR和一般低轨卫星）的观测值反演具有较高空间分辨率的月重力场模型的理论和方法，重点突破重力场参数和轨道动力学参数降耦合、空间基线反演重力场以及月时变重力场空间分辨率提升等关键问题。并研制相应的软件系统，补偿由于GRACE卫星退役及其后续卫星未正常在轨工作前的时变重力场缺失，以便连续性监测地球系统大尺度的质量迁移过程。本课题研究并实现了利用GNSS卫星和一般低轨卫星观测值反演时变重力场的理论和方法。分析了GNSS卫星轨道动力学模型和重力场参数的耦合性，并且针对部分导航卫星构建了更为合适的轨道动力学模型。针对影响低轨卫星精密定轨的因素，研究了星载GNSS接收机天线相位中心在轨标定以及非差模糊度固定算法及其对低轨卫星精密定轨的影响，实现了基于星间几何基线以及KBR观测值反演重力场。更为重要的是提出通过对低轨卫星星载GNSS相位观测值进行历元间差分以求解卫星平均加速度，从而采用平均加速度法反演地球重力场的方法（称为相位法），相较于现有基于低轨卫星轨道反演重力场模型的方法（能量守恒法、动力学法、短弧法、平均加速度法等），该方法具有更高的精度。实现了基于非重力卫星反演重力场的软件系统，并生成了相应的月重力场模型。研究结果中轨道动力学模型精化以及解算方法将为我国对地观测卫星精密定轨提供支撑，时变重力场模型将为水文、大气、海洋和地球物理等地学学科的研究提供科学依据。