重力卫星任务中消除混频误差的关键问题研究

As the technology development of sophisticated measurement equipment such as laser-ranging and drag-free system, the aliasing error of time-variable signal has become the key factor of gravity field solution precision in the new generation gravity field satellite mission. In this project, the theoretical method for gravity field space and time aliasing solution will be discussed, by studying the reason of GRACE mission aliasing error generation, through updated data handling technology, optimal background earth physical model, new satellite formation and constellation design and so on. The methods includes: using empirical orthogonal function (EOF) for destriping of gravity field coefficient to reserve more useful signal during aliasing error eliminating; analyzing the impact of optimal background earth physical model on gravity field aliasing error to validate and make clear the method’s effect on solving aliasing error problem; performing full-process simulation based on the dynamic method to develop the theoretical method for aliasing error elimination using satellite formation and constellation and to get optimal orbit element. Finally, the orbit design for new generation gravity field satellite mission will be proposed, and the precision and spatial resolution of earth gravity will be evaluated using this orbit design. This project focuses on international research’s hot spot and difficulty, and in close connection with the needs of China’s major science and technology, which both have important scientific significances and research values.

随着激光测距和无拖曳补偿系统等先进测量设备的发展，目前时变信号的混频误差成为新一代重力卫星任务中重力场解算精度的主要限制之处。本项目从GRACE任务混频误差产生的原因出发，拟通过新的数据处理技术、精化的背景地球物理模型、新的卫星编队和卫星星座设计等方法，探索解决重力场时空混频的理论方法。包括将经验正交函数EOF方法直接用于重力场系数中进行去相关，在削弱混频误差的同时保留更多的有效信号；定量分析精化的背景地球物理模型对重力场混频误差的影响，验证并明确其解决混频误差问题的能力；基于动力法进行全过程的仿真，研究利用卫星编队和卫星星座消除混频误差的理论方法，并给出最优的轨道参数设计。最后给出适合于新一代重力任务的卫星轨道设计方案，并预期其揭示地球重力场的精度和时空分辨率。此课题紧跟国际研究热点和难点，又紧密结合我国重大科技项目的需求，科研意义和应用价值重大。

随着 CHAMP、GRACE 和 GOCE 任务的陆续结束, 发展新一代卫星重力探测任务已成为必然趋势，混频误差作为新一代重力卫星任务的主要限制之处，成为大地测量学界的热点研究问题。根据任务书的的总体研究目标和研究内容，本项目从GRACE任务混频误差产生的原因出发，通过关键技术的突破来解决重力卫星任务中消除混频误差的几个重要问题。（1）深入研究了EOF去相关理论与算法，实现了利用该算法直接对GRACE重力场位系数进行去相关处理，并利用GLDAS数据对算法的有效性进行了验证；利用这种去相关方法处理GRACE月球谐系数，能够在去除GRACE重力场混频误差的同时，还保留了较多的有效信号；（2）针对大气模型、海潮模型及陆地水文模型等地球物理模型，基于全过程的动力法进行了多组仿真模拟，分析了各种地球物理模型在重力场反演时的效果，验证了不同精度地球物理模型对GRACE重力场去混频的影响；（3）优化轨道设计，针对由两组不同倾角的GRACE-type卫星所组成的卫星星座，联合重复轨道周期理论，研究了不同轨道倾角的选择对重力场反演的影响，给出了轨道倾角选择的建议，认为应选择低轨道倾角为60°或74°的卫星编队为最优的编队模式；（4）分析了选择不同低倾角卫星时，所得到的全球不同经度和纬度上大地水准面的差异，发现随着经度的变化大地水准面RMS变化并不明显，而纬度的变化则对RMS的影响很大；当低轨道倾角取60°和74°时，中国区域的大地水准面RMS值分别为1.02mm和1.13mm，认为更适合于中国区域的卫星编队是低倾角为60°的编队模式；（4）设计多组仿真实验，分析了不同倾角构形的卫星星座在探测地球重力场方面的优势，发现与现有GRACE-type卫星编队相比，不同倾角构形的卫星星座对重力场解算精度提高可达34%，并且由于包含了多方向的观测量，在提高卫星任务时空分辨率的同时，可以得到更加各向同性敏感度的重力场解算结果。