卫星重力测量
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卫星重力测量-基础、模型化方法与数据处理算法作者简介:张传定,男,1966年04月出生,1996年09月师从于解放军信息工程大学陆仲连教授,于2000年12月获博士学位。
摘要论文的中心内容是卫星重力测量中如何由星载传感器获得的观测数据恢复地球重力场这一过程的模型化问题。
旨在吸取前人的研究成果,提出更加合理的数据处理模型。
论文最突出的贡献是,改造并完善了大地重力学、空间大地测量、卫星轨道力学等学科模型化的理论与方法以适应卫星重力测量这一新型观测技术。
作者的主要工作和创新点有:1.在综合卫星重力测量有关最新研究成果的基础上,系统地论述了动态加速度测量、卫星重力梯度测量的基本原理;论证了它们的测量精度与姿态角加速度的关系以及卫星重力测量系统最终恢复地球重力场能力的判定准则;深入理解并掌握了现行SST、SGG卫星CHAMP、GRACE、GOCE各项指标及恢复地球重力场各频段的精度指标。
2.简要介绍了卫星重力测量中所涉及到的曲线坐标系下矢量、张量与曲线坐标之间的微分关系、坐标系之间的变换关系以及它们的矩阵表示。
详细研究了在地球重力场确定中常用的关于研究点P和流动点Q相互关联的球极坐标系,给出了球极坐标系下地球引力位V关于P点和关于Q点的微分公式以及它们与球坐标系下局部微分算子的关系。
深入研究了关于P和Q两点局部导数算子的相互作用问题,得到了扰动场元之间核函数和协方差函数的解析与级数展开式,首次给出了较为实用的明晰表达式。
此结果是对物理大地测量学关于这一论题的补充和完善。
这项工作是本文的一个创新点。
3.详细推导了地球、卫星、加速度传感器检验荷载这一特殊限定性三体问题的运动方程;指出星载加速度传感器的输出就是卫星所受非引力加速度和检验荷载相对于卫星中心地球引力的潮汐力之差;进而得到了由星载加速度传感器的比力测量和GPS跟踪测量数据直接恢复地球引力矢量的理论公式。
4.通过对扭秤、旋转梯度仪工作原理的考察和Molodensky关于垂线偏差推求高程异常的论述以及目前业已发现水平梯度分量的某种组合是球面正交函数系的事实,作者明确指出,在地球重力场的研究中,水平方向观测量的组合应作为复数使用。
卫星重力测量技术在地球物理中的应用地球物理研究是一门涉及地球内部结构和物质运动等方面的学科,同时也具有广泛的应用价值。
然而,由于地球的表面与内部相距甚远,地球物理学研究往往受到观测技术的限制。
而随着卫星重力测量技术的发展,这一局面正在得到颠覆,卫星重力测量技术正在成为地球物理研究中一项重要的手段。
1.卫星重力测量技术概述卫星重力测量技术基于万有引力定律,通过卫星通过地球上空进行重力测量,获得地球重力场的分布情况。
这项技术的主要优势在于,通过卫星精密的轨迹控制和重力测量仪器的装备,对地球重力场的测量达到了高度的准确性和精度。
同时,卫星重力测量技术还具有全球性和连续性的特点,能够提供地球重力场全球范围内的准确数据。
2.2.1 地球形态研究地球的形态呈现为不规则的椭球体,由于地球的离心率和自转引起的地球扁率等因素,地球的形态会受到一定程度的变形。
而卫星重力测量技术能够获得高精度的地球重力场数据,并且能够计算出来地球的形态和动力学变化。
这项技术对于研究地球的形态、内部构造和地震等问题都有重要意义。
2.2 地壳构造研究地球重力场的分布受到地球内部密度分布的影响,在地壳结构复杂的地区,地表重力场会受到下方地壳和上方地表地物的影响。
卫星重力测量技术通过测量地球重力场的变化,能够测定地球内部的密度结构,推测地下的岩石体积和形状,从而揭示地球地壳和上地幔的构造特征和动力学性质,例如板块构造等。
2.3 大地水文研究在地球物理研究中,大地水文是一个十分重要的研究领域。
大地水文的研究目标主要是了解大气、地表、地下之间的水循环以及水在地球系统中的作用。
其中,地下水的分布和运动十分复杂,而卫星重力测量技术提供了一种新的方法来研究地下水的分布以及地下水与地表水之间的关系。
例如,在水资源的开发和管理方面,卫星重力测量技术可以为水文模型提供和验证数据,优化水资源的利用方式。
3.结语随着卫星重力测量技术的不断发展与完善,它在地球物理方面的应用也将更加广泛和深入。
卫星重力测量技术的原理和数据解读方法随着现代科学技术的不断发展,卫星重力测量技术逐渐成为地球科学领域的重要研究方法之一。
本文将重点讨论卫星重力测量技术的原理和数据解读方法。
一、卫星重力测量技术的原理卫星重力测量技术是利用卫星携带的高精度重力仪器测量地球表面重力场的变化,从而推断地球内部的密度分布和地壳运动等信息。
1.1 重力测量原理重力,是指地球或其他天体表面对物体吸引的力。
在地球表面上,重力的大小和方向不是一致的,而是会因地球内部的密度分布不均匀而变化。
通过卫星重力测量技术,我们可以获取地表某一点的重力值,并通过对比多个点上的重力值差异,推算出地球内部的密度变化。
1.2 卫星重力测量仪器为了实现卫星重力测量,科学家们研发了一系列高精度的重力测量仪器。
目前常用的卫星重力测量仪器主要有超导量子干涉仪(SQUID),绝对重力仪以及光学干涉测量仪(GIM)。
这些仪器可以测量地球表面的重力值,并将数据传输至地面控制中心进行分析和解读。
二、卫星重力测量数据解读方法卫星重力测量数据是复杂且海量的信息集合,需要进行合理的解读才能获得有价值的地质和地球物理学指标。
下面将介绍几种常见的卫星重力测量数据解读方法。
2.1 重力异常解读重力异常是指相对于参考表面(通常是椭球面)的重力场的偏差。
通过对大量重力异常的分析,可以揭示地球内部的密度梯度。
高重力异常通常对应着密度较大的区域,反之亦然。
这些异常主要与地壳构造、岩石性质和地球动力学等因素相关。
2.2 重力梯度解读在卫星重力测量中,不仅可以获取重力值,同时还可以计算重力的梯度,即重力在空间中的变化率。
重力梯度可以提供更加详细的地下密度变化信息,有助于研究构造和地壳运动等问题。
通过对重力梯度的解读,科学家们可以推测地壳运动引起的地震活动、地热流动以及岩浆活动等。
2.3 反演方法卫星重力测量数据的解读过程中,还常常需要借助反演方法。
反演方法是通过调整模型参数,使得模型产生的重力数据与实测数据拟合得最好。
基线法在卫星重力数据处理中的应用引言:卫星重力数据处理是地球物理学中的一个重要领域,它通过测量卫星与地球之间的距离变化来推断地球重力场的分布情况。
基线法是卫星重力数据处理中常用的一种方法,它能够有效地处理卫星重力数据,并提取出地球的重力场信息。
本文将介绍基线法在卫星重力数据处理中的应用,并分析其优缺点。
一、基线法的原理基线法是基于卫星与地面测点之间的距离变化来计算重力场的方法。
在卫星重力测量中,卫星与地面测点之间的距离变化是由于地球重力场的不均匀引起的。
基线法通过测量卫星与地面测点之间的距离变化,并利用数学模型来计算地球的重力场分布。
二、基线法的应用1. 卫星重力场建模基线法可以用于卫星重力场的建模。
通过测量卫星与地面测点之间的距离变化,可以推断地球的重力场分布情况,并建立相应的数学模型。
这些模型可以用于研究地球的重力场特征,如地球的重力异常、地球内部的密度结构等。
2. 地球形状测量基线法还可以用于地球形状的测量。
地球的形状是由地球重力场的分布情况决定的,而基线法可以通过测量卫星与地面测点之间的距离变化来推断地球的形状。
这对于研究地球的地壳运动、地壳变形等具有重要意义。
3. 地下水资源调查基线法在地下水资源调查中也有着广泛的应用。
地下水是地球内部的一种重要水资源,而地下水的分布与地球的重力场密切相关。
基线法可以通过测量卫星与地面测点之间的距离变化来推断地下水的分布情况,从而为地下水资源的开发和利用提供科学依据。
三、基线法的优缺点1. 优点基线法在卫星重力数据处理中具有以下优点:(1)不受地面测量点分布的限制,可以在任意地点进行测量;(2)测量精度高,可以提取出地球重力场的细节信息;(3)数据处理简单,计算速度快。
2. 缺点基线法在卫星重力数据处理中也存在一些缺点:(1)对于卫星与地面测点之间的距离变化的测量要求较高;(2)在地球表面的地形、地貌等因素的影响下,测量结果可能存在一定的误差;(3)对于地球重力场的不均匀性和复杂性,基线法的处理能力还有待提高。
重力测量的方法
重力测量的方法有多种,下面列举了一些常见的方法。
1. 重力仪:重力仪是一种测量地球重力的仪器。
最常见的重力仪是弹簧测力计式重力仪,它利用质量在重力作用下的变化来测量重力加速度。
重力仪可以用于测量地表重力值的变化,以及地下构造、地下水等因素对重力的影响。
2. 多边形法:多边形法是一种相对较简单的重力测量方法。
它基于在一组已知测点上测量重力值,并通过连线和计算来确定未知点处的重力值。
多边形法适用于较小区域的重力测量。
3. 大地水准法:大地水准法是一种通过测量地球表面的高度差来推算重力值的方法。
通过在一组已知高程点上测量重力值,并测量到目标点的高程差,可以使用大地水准法计算目标点的重力值。
4. 全球导航卫星系统(GNSS)重力测量:利用GNSS技术,可以测量出地面上某一点的高程差和经纬度差,从而计算出该点的重力值。
这种方法常用于测量地表的垂直变形和地震引起的地壳运动。
5. 重力梯度测量:重力梯度是重力场在地表上的空间变化率。
通过测量重力梯度的方法,可以获得地下构造信息和地下物体的重力特征。
重力梯度测量常用于油气勘探和地质调查。
这些方法各有优缺点,根据测量的需求和条件的不同,可以选择适合的方法进行重力测量。
卫星重力测量发展及应用2010286190128 张璇摘要:卫星重力测量在恢复地球重力场方面具有全球高覆盖率、高空间分辨率、高精度和高时间重复率等优点, 为大地测量和地球物理学科的发展开辟了新的途径。
本文简要回顾了卫星重力测量的发展历程, 介绍了四种卫星重力探测技术的原理和发展状况, 最后对卫星重力测量在地球科学中的的应用情况进行了简要总结。
关键词:重力场;地球重力场;重力测量一、研究背景地(月)球重力场及其时变反映地(月)球表层及内部物质的空间分布、运动和变化,同时决定着大地水准面的起伏和变化。
因此,确定地(月)球重力场的精细结构及其时变不仅是大地测量学、海洋学、地震学、空间科学、天文学、行星科学、深空探测、国防建设等的需求,同时也将为全人类寻求资源、保护环境和预测灾害提供了重要的信息资源。
人造卫星是在地(月)球重力场作用下在空间绕地(月)球运动的,要精密定轨,必须知道精确的地(月)球重力场参数,反之,精确测定卫星轨道的摄动,利用这些摄动的跟踪观测数据,又可以提高地(月)球重力场参数的精度,两者相辅相成。
地球重力场是固体地球物理学、海洋动力学、地球动力学、冰川学、海平面变化与分析所需的基本物理量。
在大地测量领域, 地球重力场对研究地球形状和精确求定地面控制点的三维坐标起着重要作用;在固体地球物理学中,基于地球重力场可以研究地球的内部构造和板块运动;在海洋学中,为了研究海面地形,揭示洋流和环流的活动规律也需应用地球重力场数据;在国防建设领域,远程武器的发射和飞行,必须知道精细的局部重力场和全球重力场。
月球重力场的精密测量是国际探月计划的重要组成部分,它不仅决定着月球探测器的轨道优化设计和载人登月飞船月面理想着陆点的合适选取,同时将为全人类开展月体地形地貌和内部结构研究、月壤新能源和资源探测、月面宇宙环境分析(电磁、微粒子、高能等)、月球和地月系统起源和演化历史论证等提供丰富的信息资源。
地(月)球重力场起着双重作用:第一,通过比较实际重力场和理想重力场的差可以得到重力异常,重力异常表明地(月)球内部的质量不平衡状态,并提供地球(月)动力学的重要信息;第二,确定大地水准面(和静止平均海平面相重合的等位面) ,大地水准面是所有地貌(如陆地、冰川、海洋等) 的参考面,而大地水准面仅仅是由重力场来定义的,它可以通过重力场的精化而改善。
重力测量卫星的作用与意义刘经南。
刘品雄。
李建成。
徐文霞。
(①武汉大学测绘学院,武汉430070)(⑦中国空间技术研究院总体部,北京100086)摘要国际上重力测量卫星项目的实施,是空间技术、军事测绘,大地测量学、地球科学的一次重大跨越.本文介绍了重力测量卫星在国家经济建设,社会发展、国防建设、以及推动科技进步等方面的主要作用和意义。
关键词卫星重力测量应用引言地球重力场信息在地球物理学、大地测量学、海洋学和国防科学等领域具有重大的实用价值。
随着科学技术的发展,探测地球重力场的手段业已由过去的离散点值观测(早期的梯度测量,近代的绝对、相对重力测量)发展为区域测线观测(海洋、航空重力测量),到对地球连续扫描的卫星重力测量技术(卫星测高、卫星跟踪卫星和卫星重力梯度)。
经过近三十年的理论和硬件技术准备,在卫星测高技术日臻完善、星载GPS精密定轨技术试验成功之后,卫星跟踪卫星测量技术取得了突飞猛进的发展,相继于2000年7月15日成功发射了CHAMP高低ssT(卫星跟踪卫星)卫星、2002年3月16日发射了GRACE低低SST卫星。
近两年来,国际众多研究机构瞄准这一大地测量前沿技术,开展广泛的研究,取得了重要的成果,代表性成果有:GFZ于2002年lO月发布的EIGEN.1S卫星重力模型,之后又发布了EIGEN.CHAMP02S模型;CSR于2003年7月2l目发布的GRACEGravityModelGGM01系列(完全至120阶次的纯卫星模型GGM01S和完全至200阶次的组合重力场模型GGM01C),2003年7月25日发布E1GEN.GRAcE01s(约140阶,1000km半波长)纯卫星重力模型。
在所刻画的频段上比己有的最精确模型高10~50倍。
尽管比预期设计的精度要低,但是这一进步已全部囊括了人类对地球重力场的认识,是质变而非量变。
卫星重力测量技术是今后一段时间内也可能是很长一段时间内人类认识地球重力场、监测地球重力场变化的重要手段之一。
goce卫星重力梯度数据恢复地球重力场理论与方法contents•GOCE卫星及其重力梯度测量简介•地球重力场恢复理论基础目录•GOCE卫星重力梯度数据恢复地球重力场方法•重力场恢复结果评估与应用CATALOGUEGOCE卫星及其重力梯度测量简介重力场探测任务先进技术GOCE卫星任务概述GOCE卫星通过高精度的加速度计测量卫星自身受到的重力加速度变化,结合卫星的精确轨道数据,反演出地球的重力场信息。
重力梯度测量原理测量原理重力梯度的定义高精度:GOCE卫星的重力梯度数据具有极高的精度,对于地球重力场的细节特征有出色的表现力。
全球覆盖:GOCE卫星数据覆盖全球,能够一致、准确地描述地球重力场的全球分布。
多尺度特性:GOCE卫星重力梯度数据包含了从大到小的不同空间尺度的重力场信息,为地球科学研究提供了丰富素材。
以上是对GOCE卫星及其重力梯度测量的简要介绍,通过深入了解GOCE卫星的任务概述、重力梯度测量原理以及GOCE卫星重力梯度数据的特性,我们可以更好地理解和应用这些数据,为地球科学研究提供有力支持。
GOCE卫星重力梯度数据特性CATALOGUE地球重力场恢复理论基础重力场定义重力势重力加速度030201地球重力场的基本概念重力位与地球形状重力位确定方法重力位与重力加速度关系重力位与重力场的关系球谐分析重力梯度张量最小二乘方法谱方法重力场恢复的数学物理方法CATALOGUEGOCE卫星重力梯度数据恢复地球重力场方法基于Stokes定理的重力场恢复方法球谐函数展开•球谐分析是将地球重力场表示为球谐函数级数的方法。
通过将重力梯度数据展开成球谐函数,可以方便地进行重力场的频谱分析和空间分辨率研究。
球谐函数的系数可以通过最小二乘等方法进行估计,从而得到地球重力场的球谐展开表达式。
数据融合算法•为了充分利用GOCE卫星重力梯度数据和地面重力数据各自的优势,可以采用数据融合算法将两者进行融合。
常用的数据融合算法包括加权平均、卡尔曼滤波、最小二乘等。
卫星重力测量-基础、模型化方法与数据处理算法作者简介:张传定,男,1966年04月出生,1996年09月师从于解放军信息工程大学陆仲连教授,于2000年12月获博士学位。
摘要论文的中心内容是卫星重力测量中如何由星载传感器获得的观测数据恢复地球重力场这一过程的模型化问题。
旨在吸取前人的研究成果,提出更加合理的数据处理模型。
论文最突出的贡献是,改造并完善了大地重力学、空间大地测量、卫星轨道力学等学科模型化的理论与方法以适应卫星重力测量这一新型观测技术。
作者的主要工作和创新点有:1.在综合卫星重力测量有关最新研究成果的基础上,系统地论述了动态加速度测量、卫星重力梯度测量的基本原理;论证了它们的测量精度与姿态角加速度的关系以及卫星重力测量系统最终恢复地球重力场能力的判定准则;深入理解并掌握了现行SST、SGG卫星CHAMP、GRACE、GOCE各项指标及恢复地球重力场各频段的精度指标。
2.简要介绍了卫星重力测量中所涉及到的曲线坐标系下矢量、张量与曲线坐标之间的微分关系、坐标系之间的变换关系以及它们的矩阵表示。
详细研究了在地球重力场确定中常用的关于研究点P和流动点Q相互关联的球极坐标系,给出了球极坐标系下地球引力位V关于P点和关于Q点的微分公式以及它们与球坐标系下局部微分算子的关系。
深入研究了关于P和Q两点局部导数算子的相互作用问题,得到了扰动场元之间核函数和协方差函数的解析与级数展开式,首次给出了较为实用的明晰表达式。
此结果是对物理大地测量学关于这一论题的补充和完善。
这项工作是本文的一个创新点。
3.详细推导了地球、卫星、加速度传感器检验荷载这一特殊限定性三体问题的运动方程;指出星载加速度传感器的输出就是卫星所受非引力加速度和检验荷载相对于卫星中心地球引力的潮汐力之差;进而得到了由星载加速度传感器的比力测量和GPS跟踪测量数据直接恢复地球引力矢量的理论公式。
4.通过对扭秤、旋转梯度仪工作原理的考察和Molodensky关于垂线偏差推求高程异常的论述以及目前业已发现水平梯度分量的某种组合是球面正交函数系的事实,作者明确指出,在地球重力场的研究中,水平方向观测量的组合应作为复数使用。
扰动场元观测量的复数表达是本文立论和各种模型化(建模)工作的思想基础,也是本文最为突出的创新点。
5.在§2.7中,直接由体球谐函数水平梯度的复表示定义并证明了描述地球引力位直到二阶水平梯度所需的球面正交函数系。
它们关于纬度的函数是Legender函数及其导数的拟线性组合,可由目前熟知有关Legender函数及其导数的递推公式给予赋值。
连同球谐函数构成了描述引力矢量、引力梯度张量所需的正交函数系。
因而,利用它们可将引力矢量、引力梯度张量的复分量表达成一致的形式。
6.利用卫星重力测量数据恢复地球重力场,若从边值问题理论上可将其归结为平均轨道面上卫星重力测量超定边值问题。
通常又将利用单个边值条件确定扰动位问题称为单定问题。
在§3中,先以重力异常为例,类比依次给出直到二阶梯度球域单定连续边值问题恢复地球引力位系数的理论公式及其外部解析解和向下延拓截断核函数解;接着导出离散网格平均重力异常对应的简单调和分析公式和最小二乘调和分析公式;然后推广得到广义梯度调和分析公式和超定边值问题的最小方差解、最小二乘解。
并证明了最小方差解等价于单定边值问题调和分析解的频域加权平均;最小二乘解等价于单定离散边值问题最小二乘调和分析解法方程相加所得的解。
广义调和分析方法所需的有关勒让德函数及其导数的积分递推公式在§3.6中给出。
7.首次定义并推导出了水平一阶和二阶梯度平滑因子、。
在概念上澄清了它们与熟知的面球谐函数平滑因子是不同的。
尽管、与相差不大,但在实践上应严格区分它们,这样逻辑上才是严格的。
与观测量的对应关系是使用时应按格网均值数据类型,采用相应的平滑因子。
8.由于水平扰动场元之间的协方差并非各向同性,导致协方差矩阵结构复杂(子矩阵不是Toeplitz循环阵),不能利用变换矩阵将其降阶,无法付诸实践,迄今尚无最小二乘配置理论应用于水平扰动场元观测量的模型化公式和数据处理方法。
作者研究发现,利用水平梯度的复组合,即复数表示后,扰动重力场元复组合之间的协方差函数尽管还是各向异性,但它们对应的协方差矩阵却具有分块Toeplitz循环阵的结构,因而水平分量复组合的配置问题与重力异常的配置问题相似,可以利用傅立叶变换矩阵进行降阶处理。
这表明,必须将最小二乘配置理论拓展,以适应复数信号的配置问题,本文将其称为最小二乘复配置。
作者将最小二乘配置理论拓展为既能处理复信号又能处理实信号的配置模型,得到了最小二乘复配置解所需的公式。
结合卫星重力测量观测量,详细研究了重力场元复分量之间协方差函数的级数展开式、扰动引力位系数与复分量间的协方差关系。
然后,利用最小二乘复配置理论和重力场复分量之间协方差函数表示,得到了与重力异常配置解接近于一致的各类单定离散边值问题的最小二乘复配置广义调和分析解和超定离散边值问题的最小二乘复配置广义调和分析解。
利用复数表示,解决了最小二乘配置理论难以用于重力场水平观测量这一瓶颈问题。
9.基于摄动力的S、T、W分解,首次给出了卫星受摄运动方程的反解公式。
它只需对轨道根数求一次时间微分,便可求得摄动力的S、T、W分解(不含中心引力)。
与由卫星的地心位置矢量求二次导数得卫星所受力(含中心引力)的直接方法相比,该方法因自然扣除中心引力且只需求时间一次导数,理论上精度要高一些,它具有Hill方程类似的作用,可用S、T、W的时间序列与非心引力矢量的S、T、W分解建立联系,得到时域观测方程。
10.成功地将高斯型求积公式用于常微分方程的数值解中,得到了高斯型隐式龙格库塔方法(GRK),4级7阶GRK法的精度已与目前较为常用的10级8阶RK法的精度相当。
任意级GRK法的权系数恒为正值,这就是GRK法精度高的本质所在。
利用Legender多项式的零点可以得到任意阶GRK法的权系数,而传统高阶RK法的权系数只能手工推算,而且同牛顿柯斯特积分一样,高阶公式是不稳定的。
11.通过地面跟踪动力法观测方程的建立,得到了SST观测的动力法观测方程。
指出尽管SST测量是地面跟踪的空间拓展,但SST测量因增加了非引力摄动比力加速度观测量,其观测方程与地面跟踪观测方程相比,具有质的差异,这正是SST能以较高精度恢复地球重力场的优势所在。
12.利用最小二乘调和分析公式推导了确定恢复重力场最高阶次的理论准则,其水平敏感度准则系作者给出,利用累积代表误差和截断误差曲线的交点,即可求定各类观测量敏感地球重力场的最高阶次。
13.简要论述了卫星重力梯度测量数据向下延拓的截断核谱组合解及其截断阶次和频域加权准则。
假定梯度测量数据各分量间以及相邻采样点间独立不相关,则频域加权与阶次无关,只与独立观测量的个数有关。
14.配置方法的缺陷是,在数据范围和分辨率一定时,增加观测量类型,意味着协方差矩阵的维数升高。
若是全张量梯度测量数据,则协方差矩阵的维数将是单个分量协方差矩阵的5倍。
为解决矩阵降阶问题,在§7.3中,阐述了最小二乘矢量、张量配置的思想及其算法公式,为利用卫星重力测量数据逼近局部重力场提供了可用于实践的数据处理方法。
关键词:地球重力场,卫星重力测量,Toeplitz矩阵,正交函数系,复数表示,边值问题,调和分析,平滑因子,最小二乘配置,最小二乘复配置,最小二乘矢量配置,最小二乘张量配置,摄动运动方程ABSTRACTThis dissertation is mainly focused on the modeling process of the recovery of the earth's gravity field from observations acquired by sensors onboard satellites, with the aim of summarizing the works done before the author and establishing still more appropriate data processing models. The most important contribution this dissertation presents is that the modeling theories and methods of geodetic gravimetry, space geodesy and satellite orbit dynamics have been reconstructed and perfected so as to adapt to the new surveying techniques of satellite-borne gravimetry. The main work and innovations done by the author are presented as follows:1. On the basis of the generalization of the latest studies of satellite-borne gravimetry, the author discusses the principles of dynamic acceleration measurement and satellite-borne gradiometry systematically, and demonstrates both the relationship between accuracy and angle acceleration and the determinant rules of the ability of the earth's gravity field recovery from satellite-borne gravimetry. Then the author has a deep inquiry into the targets of the current SST and SGG satellites such as CHAMP, GRACE and GOCE as well as the accuracy targets of different frequencies of the earth's gravity field recovery.2. The author then introduces the differential relationship between vectors as well as tensors in a curve coordinate system and curve coordinates, and the transformation relationship between coordinate systems and their matrix expressions. After studying the frequently used spherical polar coordinate system concerning the calculating point P and the mobile point Q in detail, the author presents the differential formulae of the earth's gravitational potential V with respect to the points P and Q and their relationship with partial differential operators in a spherical coordinate system. Then after the author researches the interaction problem of the partial derivative operators with respect to the two points P and Q, analytical expressions as well as series expansions of the kernel function within disturbing gravity field elements are determined, and their explicit expressions which can be applied practically are given for the first time. This achievement, being an innovation of the dissertation, is a supplement and perfection of the topic in physical geodesy.3. The author deduces the motion equation of the specially restricted three-body problem that consists of the earth, satellite and acceleration sensor test payload in detail, and points out that the output of the acceleration sensor onboard the satellite is the very difference of the non-gravitation acceleration acting on the satellite and the tidal forces of the test payload relative to the gravitation at the center of the satellite, and thus obtains the theoretical formula of the earth's gravity vector recovery from measurement of the acceleration sensor onboard satellite and the GPS tracking observations.4. The author points out that the combination of horizontal observable should be used in the form of the complex number in the study of gravity field through an inspection of theprinciples of torsion balance and rotational gradiometer and the discussion of the acquisition of height anomaly from vertical deflections according to Molodensky's, as well as the fact that some combination of horizontal gradient components are orthogonal functions on a spherical surface. The complex expression of the observations of disturbing gravity elements is the basis of the argument of this dissertation and all kinds of modeling processes and it is also the most prominent innovation.5. In section 2.7, according to the complex expression of the horizontal gradient of spherical harmonic, the spherical orthogonal function family needed for the description of the earth's gravity potential up to 2 degree horizontal gradients is defined and proved directly. The functions, latitude being parameter, are the quasi linear combination of the Legender functions and their derivatives, which can be evaluated by the recursive formulae of the Legender function and its derivatives. Therefore, with these functions, the complex components of the gravity vector and the gravity gradient tensor can be expressed in a consistent form.6. When it comes to the gravity field recovery from satellite-borne gravimetry observations through the theory of the boundary value problem, this problem can be reduced to the over-determined boundary value problem of satellite-borne gravimetry on an average orbital plane. Usually the determination of the disturbing gravity potential with a single boundary value condition is called a single-determined problem. In section 3, taking the gravity anomaly for example firstly, the author presents theoretical formulae of the recovery of the earth's gravity potential coefficients, and its external analytical solution as well as the truncated kernel solution of downward continuation from up to two degree gradient by analogy, as to the single-determined continuous boundary value problem in sphere region. The author also presents simple harmonic analysis formulae and least squares harmonic analysis formulae corresponding to discrete grid mean gravity anomaly. Then these formulae are generalized to obtain what is called the generalized gradient harmonic analysis method in the dissertation. This step is followed by the minimum variance solution and least squares solution to the over-determined boundary value problem. It is also proved that the minimum variance solution is equivalent to the weighted average in frequency domain of the harmonic analysis solution to the single determined boundary value problem, and that the least squares solution is equivalent to the summation of the normal equations of the least squares harmonic analysis solution to the single determined discrete boundary value problem. The recursive formulae of the Legender and its derivatives requisite for the generalized harmonic analysis method are given in section 3.6.7. It is for the first time that the horizontal one- and two- degree gradient smoothing factors , are defined and deduced. And the conceptional difference between , and the well-known surface spherical harmonic is clarified. Although there is small difference between , and , yet they should be strictly distinguished in practice so as to keep strict in logic. The corresponding relation of and observable is shown as follows:In application, the selection of the smoothing factors should be based on the type of the grid mean values.8. On the ground that the covariance between the disturbing gravity field elements is notisotropic, the covariance matrix has a complicated structure (its submatrix being not repetitive Toeplitz matrix) and thus its degree cannot be degraded with transformation matrix method, so it cannot be put into practice. So far, the application of least squares collocation to the modeling and data processing of the horizontal disturbing gravity field observations has not been found in literature. After studying this phenomenon, the author finds that, the covariance matrix of the complex expressions of horizontal gradients of the disturbing gravity field elements has a structure of blockwise repetitive Toeplitz matrix, though the covariance within the disturbing gravity field elements is still anisotropic. Therefore, the collocation problem of the complex combination of horizontal components is similar to that of gravity anomaly, which makes the degradation be able to be completed by FFT transformation matrix. This indicates that the least squares collocation theory must be developed so as to adapt to the collocation of complex signals. And this is what is called the complex least squares collocation in the dissertation. The author develops the least squares collocation into the collocation model which can deal with both complex and real signals, thus obtaining formulae for complex least squares collocation. In reference to the satellite-borne gravimetry observations, the author studies the series expansion of covariance between the gravity field elements' complex components and the covariance relation between the disturbing gravity potential coefficients, and the complex components in detail. Then, through applying the complex least squares collocation theory and the covariance expressions between the complex components of the gravity field, the author acquires the generalized harmonic analysis solution of the complex least squares collocation of all kinds of single determined discrete boundary value problems and such solution to over-determined discrete boundary value problems. The solution is nearly consistent with the result of gravity anomaly collocation. By means of the complex expression, the author overcomes the bottleneck problem that it is hard to apply the least squares collocation theory to the horizontal observations of the gravity field.9. Based on the S, T and W decomposition of perturbing forces, the formulae of the reverse solution to the satellite's perturbed motion equation is given for the first time. As long as the first differential of the orbital elements with respect to time is made, the S, T, and W decomposition of perturbing forces (excluding the earth's central gravitation) can be obtained. Compared with the direct method of acquiring the forces exerted on satellite(containing the earth's central gravitation) from the second derivative of the satellite's geocentric position vector, this method is still more accurate theoretically in that it excludes the earth's central gravitation and just needs the first derivative with respect to time. And this method works like the Hill's equation, so the observation equation in time domain can be obtained by relating the time sequence of S,T and W with the S,T and W decomposition of non-central gravitation.10. The author successfully applies the Gauss-type integral formula to the numerical solution to the constant differential equation and creates the Gauss-type implicit Runge-Kutta Method(GRK) of which the accuracy of order 4 and degree 7 is already equivalent to that of the RK method with order 10 and degree 8 that is in common use. The GRK method of any order has a positive weight coefficient, which leads to its higher accuracy. The weight coefficients of GRK of any order can be acquired through the zero points of the Legender polynomial, whereas the weight coefficients of the traditional RK of higher orders can only be solved manually and,like the Newton-Coast Integral, the formula of higher order is unstable.11. Through the establishment of observation equation of ground tracking dynamic method,the dynamic observation equation of SST is obtained. The author points out that there is one more observable, that is to say, the acceleration of non-gravitational perturbing forces in the SST measurement, though the SST measurement is the extension of ground tracking. Therefore, the observation equation of the SST measurement is essentially different from that of the ground tracking, which is the advantage of the SST's recovery of the earth's gravity field with higher accuracy.12. By means of the least squares harmonic analysis formulae, the theoretical rule in the determination of the highest order and degree of the earth's gravity field recovery is deduced, in which the horizontal sensitivity rule is the author's. The highest order and degree of the gravity field sensed by all kinds of observations can be determined via the intersections of the accumulated representative error curve and the truncation error curve.13. The author discusses the solution of the truncated kernel spectral combination of the downward continuation of the satellite gravity gradiometry observations and the determinant rule of its truncation order and degree as well as weighting in frequency domain. Assuming that the components of gradient observation and the neighboring sampling points are independent of each other, the weighting in frequency domain has nothing to do with order and degree, only depending on the amount of independent observable.14. The limitation of the collocation method is that, the increment of observable types may cause the increase of the dimension of covariance matrix when the range and resolution of data are fixed. If it happens to be the full-tensor gradient observation data, then the dimension of covariance matrix will be five times that of single component covariance matrix. In order to solve this problem, the author discusses the practical computing method in applying the least squares collocation of vector and tensor, thus providing a data processing method that can be put into practice of the approximation of the local gravity field from satellite-borne gravimetric observations.Keywords: earth's gravity field, satellite-borne gravimetry, Toeplitz matrix, orthogonal function family, complex expression, boundary value problem, spherical harmonic analysis, smoothing factor, least squares collocation, least squares complex collocation, least squares vector collocation, least squares tensor collocation, perturbed motion equation。