由Torus方法确定300阶次高精度全球GOCE卫星重力场模型的研究

The high-accuracy and high-resolution satellite gravity field models include the high-accuracy long-wavelength, medium-wavelength and short-wavelength gravity signals, which could be used for the modernization of the Chinese national height datum. The theory and methodology of the determination of the high-accuracy and high-resolution global satellite gravity models from GOCE data based on the Torus method are studied in this project. The research emphases of the project are the optimal filtering method of the colored noise of SGG observations, the numerical differentiation approaches for deriving the satellite motion accelerations, the frame transformation approaches of the SGG data, the gridding methods of the SGG and the gravitational acceleration observations, the optimal combination technique of the different observations, the polar gap problem, and the fast and stable algorithms for recovering gravity filed. The related key technologies will be broken through. One high-accuracy global satellite gravity field model up to degree and order 300 is recovered by combining the SGG and the SST data of GOCE mission. The estimated model will be validated by the independent GPS-leveling data and ground gravity data. In terms of the 100km spatial resolution, the geoid accuracy of the model is 2-3cm, which is close to the released international GOCE satellite gravity field models. The results of this project can also be used for developing Chinese independent satellite gradiometry mission and the researches of the fields related to the earth science. The study of the project has the important scientific and practical significance.

高精度高分辨率的卫星重力场模型可为我国实现国家高程基准现代化提供高精度的长波、中波及短波重力信息。本项目主要研究利用Torus方法恢复全球高精度高分辨率GOCE卫星重力模型的相关理论和方法，重点研究SGG观测值的有色噪声的最优滤波方法、确定卫星运动加速度的微分方法、SGG观测值的坐标系转换方法、SGG和引力加速度观测值的格网化方法、多源观测数据的最优融合方法、极空白问题以及重力场模型解算的快速稳定算法，突破一系列相关的关键技术，联合GOCE任务的SGG和SST观测数据恢复300阶次高精度全球卫星重力模型，并用地面GPS水准、重力等独立数据对其进行精度检验，在100公里空间分辨率上大地水准面的精度达到2-3厘米，精度水平与国际同类模型相当。成果也能为我国发展自主卫星重力梯度计划提供技术支撑，还可用于地球科学相关领域的研究，有着重要的科学和现实意义。

静态/时变地球重力场信息是建立现代测绘高程基准体系不可或缺的基本资源，是建立全球/区域统一高程基准的前提，还可用于固体地球物理学、海洋学等地球学科及其应用研究。卫星重力是目前快速测定全球重力场的唯一可行技术，本项目针对GOCE卫星梯度测量任务，主要研究四项内容：GOCE卫星重力原始观测数据的精化技术和方法、Torus方法用于GOCE实测数据反演重力场模型的理论与方法、SGG和引力加速度观测值联合反演高阶次重力模型的相关理论与方法、300阶次高精度全球卫星重力场模型的确定及检验。主要研究成果有：.(1)深入研究了Torus方法的基本原理及与其相关的理论与方法。推导了基于2D-FFT技术且顾及相移的Torus面上观测值的球谐综合与球谐分析的实用公式，并实现了块对角最小二乘法；同时深入研究了解决法方程病态的正则化方法和SGG和SST观测值联合的数据融合方法。.(2)研究了引力梯度观测值由实测轨道归算至名义轨道的方法，提出采用移去—恢复法加迭代策略来减弱归算误差及参考模型的影响。数值研究表明三次样条法对卫星位置/速度格网化精度最高，Kriging方法对引力梯度和加速度观测值格网化精度较高。.(3)提出了基于载波相位微分加速度确定卫星重力场的新思路，该方法不需要估计载波相位整周模糊度，并能消弱相邻历元间的系统误差，因此较传统方法在精度上略有提高。深入分析了引力梯度观测值中有色噪声的处理方法，最终提出采用联合Butterworth零相移滤波和移去—恢复技术处理观测值的有色噪声。.(4)独立自主研制了基于Torus方法确定GOCE卫星重力场模型的软件系统，包括引力梯度数据有色噪声滤波、引力梯度观测值归算和格网化、块对角最小二乘算法、2D-FFT转换等模块。利用模拟数据验证了利用GOCE观测数据基于Torus方法确定重力场模型的可行性和有效性。.(5)联合GOCE卫星运行周期内沿轨道引力加速度和重力梯度观测值，构建了300阶次的纯GOCE卫星重力场模型，其大地水准面累积误差在200阶次（100km）为2.67cm，美国和中国GPS/水准数据检核证明，该模型在200阶次与ESA发布的模型精度相当，在中国区域明显优于EGM2008。.成果能为我国发展自主卫星重力梯度计划提供技术支撑，还可用于高程基准模型构建和地球科学相关领域的研究。