CN108594320A - 一种卫星重力梯度确定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星重力梯度确定方法及系统。所述卫星重力梯度确定方法包括：建立重力梯度卫星的局部指北坐标系；根据所述局部指北坐标系确定三条基线；根据所述三条基线建立共点正交基线模型；根据所述共点正交基线模型表示卫星重力梯度测量理论模型，确定卫星重力梯度。采用本发明所提供的卫星重力梯度确定方法及系统能够方便设计重力梯度测量卫星，准确全面分析重力梯度测量卫星的测量误差和关键技术，提高卫星重力梯度确定精度。

Description

一种卫星重力梯度确定方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星重力梯度测量领域，特别是涉及一种卫星重力梯度确定方法及系统。

背景技术

地球重力场研究是一项庞大、复杂的工作。目前重力场的测量方式有地面重力测量、航空重力测量、海洋重力测量和卫星重力测量，其中卫星重力测量方式效率最高，且可以覆盖全球范围，是重力场研究的热点方向；卫星重力测量技术主要包括卫星测高、卫星跟踪和卫星重力梯度测量，其中，卫星重力梯度测量技术通过重力梯度值计算地球重力场，能够观测中高频的重力场信息，得到更高阶次的地球重力场模型。

国外经过多年的研究和实践，已经在卫星重力梯度测量领域取得实际成果；而国内众多科研机构紧跟国际卫星重力梯度测量动态，积极投身于卫星重力梯度测量系统需求分析和指标论证的研究当中，如果能掌握卫星重力梯度测量的原理及组成，则在保证精确系统模型的前提下，就可以实现对真实测量系统的全面仿真。

目前，卫星重力梯度测量领域主要数据处理思路为：通过加速度计观测值直接差分，得到重力梯度各个方向分量，然后经过一系列坐标转换过程，得到局部指北坐标系下重力梯度，最后将重力梯度值应用于重力场反演等研究中；这种思路在理想状态下可以有效解决一般问题；但是，由于仪器的震动、热胀冷缩，机械形变等客观原因，使得加速度计在梯度仪中实际位置与理想位置存在偏差，导致单轴梯度仪上两个加速度计的连线(基线)长度不固定，三条基线的中点并不能重合于一点以及三条基线不能达到相互正交的状态，从而导致最终得出的重力梯度存在很大的偏差，进而导致重力场反演的精度低。

发明内容

本发明的目的是提供一种卫星重力梯度确定方法及系统，以解决重力梯度测量偏差大，重力场反演精度低的问题，提高重力梯度卫星设计分析能力。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种卫星重力梯度确定方法，包括：

建立重力梯度卫星的局部指北坐标系；

根据所述局部指北坐标系确定三条基线；所述三条基线为任意两个加速度计的理想质量中心之间的连线；所述理想质量中心为梯度仪未发生物理变化时，加速度计在梯度仪中的位置；

根据所述三条基线建立共点正交基线模型；所述三条基线两两垂直且相交于所述局部指北坐标系的原点，所述三条基线的长度相等且分别位于所述局部指北坐标系的三条坐标轴上；

根据所述共点正交基线模型确定卫星重力梯度。

可选的，所述根据所述局部指北坐标系确定三条基线，具体包括：

分别获取所述局部指北坐标系X轴、Y轴以及Z轴，以所述局部指北坐标系的原点为中心对称点的两个加速度计位置；每一条坐标轴上两个所述加速度计之间连线的长度相等；

确定同一轴线上的两个加速度之间的连线为基线。

可选的，所述根据所述三条基线建立共点正交基线模型，具体包括：

将所述三条基线两两垂直且相交于所述局部指北坐标系的原点作为所述共点正交基线模型的原点，以所述三条基线为所述共点正交基线模型的X轴、Y轴以及Z轴，以所述局部指北坐标系各坐标轴的方向为所述共点正交基线模型的坐标轴方向，建立共点正交基线模型。

可选的，所述根据所述三条基线建立共点正交基线模型之后，还包括：

依据卫星重力梯度测量原理，在加速度计坐标系下测量所述加速度计的实际质量中心的加速度值；

获取卫星姿态数据以及卫星载荷位置偏差；所述卫星姿态数据为在轨道上运行所处的空间指向状态；所述卫星载荷位置偏差为实际位置相对于理想位置的偏差；

根据所述卫星姿态数据以及所述卫星载荷位置偏差对所述加速度值进行修正，得到修正后的加速度值；

根据所述修正后的加速值将所述加速度坐标系转换到所述局部指北坐标系。

可选的，所述根据所述共点正交基线模型确定卫星重力梯度，具体包括：

获取所述加速度计的实际位置以及所述共点正交基线模型上加速度计的理想位置；

根据所述实际位置以及所述理想位置确定相对位置偏差；

获取历史加速度值；

根据所述历史加速度值确定空间加速度变化率；

根据所述相对位置偏差以及所述空间加速度变化率确定所述共点正交基线模型上的加速度观测量；

根据所述加速度观测量确定卫星重力梯度。

一种卫星重力梯度确定系统，包括：

局部指北坐标系建立模块，用于建立重力梯度卫星的局部指北坐标系；

基线确定模块，用于根据所述局部指北坐标系确定三条基线；所述三条基线为任意两个加速度计的理想质量中心之间的连线；所述理想质量中心为梯度仪未发生物理变化时，加速度计在梯度仪中的位置；

共点正交基线模型建立模块，用于根据所述三条基线建立共点正交基线模型；所述三条基线两两垂直且相交于所述局部指北坐标系的原点，所述三条基线的长度相等且分别位于所述局部指北坐标系的三条坐标轴上；

卫星重力梯度确定模块，用于根据所述共点正交基线模型确定卫星重力梯度。

可选的，所述基线确定模块具体包括：

加速度计位置获取单元，用于分别获取所述局部指北坐标系X轴、Y轴以及Z轴，以所述局部指北坐标系的原点为中心对称点的两个加速度计位置；每一条坐标轴上两个所述加速度计之间连线的长度相等；

基线确定单元，用于确定同一轴线上的两个加速度之间的连线为基线。

可选的，所述共点正交基线模型建立模块具体包括：

共点正交基线模型确定单元，用于将所述三条基线两两垂直且相交于所述局部指北坐标系的原点作为所述共点正交基线模型的原点，以所述三条基线为所述共点正交基线模型的X轴、Y轴以及Z轴，以所述局部指北坐标系各坐标轴的方向为所述共点正交基线模型的坐标轴方向，建立共点正交基线模型。

可选的，还包括：

加速度值测量单元，用于依据卫星重力梯度测量原理，在加速度计坐标系下测量所述加速度计的实际质量中心的加速度值；

参数获取单元，用于获取卫星姿态数据以及卫星载荷位置偏差；所述卫星姿态数据为在轨道上运行所处的空间指向状态；所述卫星载荷位置偏差为实际位置相对于理想位置的偏差；

修正单元，用于根据所述卫星姿态数据以及所述卫星载荷位置偏差对所述加速度值进行修正，得到修正后的加速度值；

转换单元，用于根据所述修正后的加速值将所述加速度坐标系转换到所述局部指北坐标系。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种卫星重力梯度确定方法及系统，根据局部指北坐标系通过三条基线建立共点正交基线模型，其中，三条基线为任意两个加速度计的理想质量中心之间的连线；所述三条基线两两垂直且相交于一点，并且所述三条基线的长度相等，根据理想状态下的加速度计确定了三条基线，从而避免了由于梯度仪的震动、热胀冷缩以及机械形变等客观原因致使加速度计在梯度仪中实际位置与理想位置存在的偏差，实现了单轴梯度仪上两个加速度计的连线(基线)长度固定，三条基线的中点重合于一点以及三条基线达到相互正交的状态，进而提高了重力梯度的测量精度以及重力场的反演精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的卫星重力梯度确定方法流程图；

图2为本发明所提供的共点正交三基线模型示意图；

图3为本发明所提供的加速度计坐标系与局部指北坐标系关系图；

图4为本发明所提供的卫星重力梯度确定系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种卫星重力梯度确定方法及系统，能够提高重力梯度的测量精度以及重力场的反演精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的卫星重力梯度确定方法流程图，如图1所示，一种卫星重力梯度确定方法，包括：

步骤101：建立重力梯度卫星的局部指北坐标系。

步骤102：根据所述局部指北坐标系确定三条基线；所述三条基线为任意两个加速度计的理想质量中心之间的连线；所述理想质量中心为梯度仪未发生物理变化时，加速度计在梯度仪中的位置。

步骤103：根据所述三条基线建立共点正交基线模型；所述三条基线两两垂直且相交于所述局部指北坐标系的原点，所述三条基线的长度相等且分别位于所述局部指北坐标系的三条坐标轴上。

本发明提供的共点正交基线模型包括：三个长度固定的基线，其中，基线为两个加速度计中心的连线，三个基线相互垂直，且指向与局部指北坐标系相同，三个基线中点重合于局部指北坐标系原点。

在实际应用中，所述基线两端为加速度计中心，差分加速度计用来测定三个互相垂直方向重力梯度张量的各个分量，即测出加速度计检验质量之间的空中三向重力加速度差值。

建立共点正交基线模型包括以下步骤：

1)确定模型的“三基线”，即为三个长度固定(0.5米)基线，所述基线为两个加速度计中心的连线。

2)确定模型的“共点”关系，即为三个固定基线的中心点重合于一点，且重合点为局部指北坐标系原点。

3)确定模型的“正交”关系，即为三个固定基线的空间位置关系为两两相互垂直，且三个基线的空间指向与局部指北坐标系相同。

“共点正交三基线”模型的应用，包括以下内容：

1)通过建立“共点正交三基线”模型，使用一种新的卫星重力梯度测量系统数据处理思路，实现重力梯度测量系统直观、简化的数据处理流程。

2)通过建立“共点正交三基线”模型，全面梳理卫星重力梯度测量系统中的数据处理流程，实现重力梯度测量系统中存在的众多复杂误差的综合分析。

步骤104：根据所述共点正交基线模型确定卫星重力梯度。

基于本发明所提供的卫星重力梯度确定方法可知，本发明的共点正交三基线模型是重力梯度测量卫星系统的一个抽象模型，代表了系统的关键点和连线，包括：六个加速度计中心和三个固定长度基线；其中三个固定长度基线分别为两两加速度计中心的连线，即重力梯度测量的目标线；三个固定长度基线有以下要求：

1)所述三个固定长度基线“共点”，即三个固定长度基线的中心点重合于一个共同点，这个公共点为三个固定长度基线共同的中心点；

2)所述三个固定长度基线“正交”，即三个固定长度基线的空间位置为两两相互垂直；

3)所述三个固定长度基线同时满足以上两个要求，且固联于局部指北坐标系，即三个固定长度基线重合点位于局部指北坐标系的原点，三个基线指向与局部指北坐标系的三轴指向相同，如图2所示。

局部指北坐标系(Local North-Oriented Reference Frame，LNRF)的原点位于卫星质量中心，X轴指向北极方向，Z轴沿卫星地心向径朝外，Y轴指向西，并与X、Z轴构成右手坐标系。

加速度计坐标系(Accelerometer Reference Frame，ARF)的原点位于加速度计中心，X轴沿卫星瞬时速度方向，Z轴沿卫星地心向径朝外，Y轴与X轴、Z轴组成右手坐标系。

依据卫星重力梯度测量原理，需要在梯度仪中六个加速度计中心完成测量，设计的加速度计中心点位置满足上文所述的“共点正交”性质，即成对加速度计中心连线为所述基线，三个基线长度固定且相等，三个基线两两相互垂直，三个基线中心点重合与一个公共点，且重合点为梯度仪坐标系原点，三个基线指向与梯度仪坐标系三轴指向相同；实际上加速度计中心位置并不能完全与设计位置重合，具体实施步骤为：

步骤一：建立上文所说的“共点正交三基线”模型，如图2所示，A1、A2、B1、B2、C1和C2六个点为加速度计中心，且分别位于局部指北坐标系的三个坐标轴上；A1A2、B1B2和C1C2三个连线为所述基线，三个基线长度固定且相等，其位于局部指北坐标系坐标轴上，三个基线的中点重合，且位于局部指北坐标系原点。

步骤二：依据卫星重力梯度测量原理，首先，需要在加速度计坐标系下测量加速度计中心处的加速度值，通过姿态数据和各类由于引起结构失去平衡或破坏外部(例如直接施加在结构上的各种力)的载荷位置偏差(实际位置相对于理想位置的偏差)等数据对加速度数据进行实时修正，然后，通过姿态数据将修正后的加速度计数据从加速度计坐标系转换到局部指北坐标系。

步骤三：在局部指北坐标系下，实际观测点位置与“共点正交三基线”模型上的加速度计位置并不一致，如图3所示，通过相对位置偏差和空间加速度变化率进行动力学推估，得到“共点正交三基线”模型上各加速度的观测量。

步骤四：通过一系列坐标转换和模型点位数值推估，加速度计观测数据转化到前文所创建“共点正交三基线”模型上，通过该模型上两加速度计测量的加速度之差来获取引力梯度张量的各个分量，以检测质量的引力差为基本观测量，从而保证了重力梯度测量系统观测量位于局部指北坐标系上，可方便于重力梯度测量系统直接应用。

图4为本发明所提供的卫星重力梯度确定系统结构图，如图4所示，一种卫星重力梯度确定系统，包括：

局部指北坐标系建立模块401，用于建立重力梯度卫星的局部指北坐标系。

基线确定模块402，用于根据所述局部指北坐标系确定三条基线；所述三条基线为任意两个加速度计的理想质量中心之间的连线；所述理想质量中心为梯度仪未发生物理变化时，加速度计在梯度仪中的位置。

所述基线确定模块402具体包括：

加速度计位置获取单元，用于分别获取所述局部指北坐标系X轴、Y轴以及Z轴，以所述局部指北坐标系的原点为中心对称点的两个加速度计位置；每一条坐标轴上两个所述加速度计之间连线的长度相等。

基线确定单元，用于确定同一轴线上的两个加速度之间的连线为基线。

共点正交基线模型建立模块403，用于根据所述三条基线建立共点正交基线模型；所述三条基线两两垂直且相交于所述局部指北坐标系的原点，所述三条基线的长度相等且分别位于所述局部指北坐标系的三条坐标轴上。

所述共点正交基线模型建立模块403具体包括：

共点正交基线模型确定单元，用于将所述三条基线两两垂直且相交于所述局部指北坐标系的原点作为所述共点正交基线模型的原点，以所述三条基线为所述共点正交基线模型的X轴、Y轴以及Z轴，以所述局部指北坐标系各坐标轴的方向为所述共点正交基线模型的坐标轴方向，建立共点正交基线模型。

卫星重力梯度确定模块404，用于根据所述共点正交基线模型确定卫星重力梯度。

所述卫星重力梯度确定系统还包括：

加速度值测量单元，用于依据卫星重力梯度测量原理，在加速度计坐标系下测量所述加速度计的实际质量中心的加速度值。

参数获取单元，用于获取卫星姿态数据以及卫星载荷位置偏差；所述卫星姿态数据为在轨道上运行所处的空间指向状态；所述卫星载荷位置偏差为实际位置相对于理想位置的偏差。

修正单元，用于根据所述卫星姿态数据以及所述卫星载荷位置偏差对所述加速度值进行修正，得到修正后的加速度值。

转换单元，用于根据所述修正后的加速值将所述加速度坐标系转换到所述局部指北坐标系。

将各类观测数据校正到本发明提出的共点正交三基线模型上，能够规避各项误差的影响；且采用本发明所提供的卫星重力梯度确定方法及系统中的共点正交基线模型能够提高重力梯度的测量精度以及重力场的反演精度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种卫星重力梯度确定方法，其特征在于，包括：

建立重力梯度卫星的局部指北坐标系；

根据所述局部指北坐标系确定三条基线；所述三条基线为任意两个加速度计的理想质量中心之间的连线；所述理想质量中心为梯度仪未发生物理变化时，加速度计在梯度仪中的位置；

根据所述三条基线建立共点正交基线模型；所述三条基线两两垂直且相交于所述局部指北坐标系的原点，所述三条基线的长度相等且分别位于所述局部指北坐标系的三条坐标轴上；

根据所述共点正交基线模型确定卫星重力梯度。

2.根据权利要求1所述的卫星重力梯度确定方法，其特征在于，所述根据所述局部指北坐标系确定三条基线，具体包括：

分别获取所述局部指北坐标系X轴、Y轴以及Z轴，以所述局部指北坐标系的原点为中心对称点的两个加速度计位置；每一条坐标轴上两个所述加速度计之间连线的长度相等；

确定同一轴线上的两个加速度之间的连线为基线。

3.根据权利要求2所述的卫星重力梯度确定方法，其特征在于，所述根据所述三条基线建立共点正交基线模型，具体包括：

将所述三条基线两两垂直且相交于所述局部指北坐标系的原点作为所述共点正交基线模型的原点，以所述三条基线为所述共点正交基线模型的X轴、Y轴以及Z轴，以所述局部指北坐标系各坐标轴的方向为所述共点正交基线模型的坐标轴方向，建立共点正交基线模型。

4.根据权利要求1所述的卫星重力梯度确定方法，其特征在于，所述根据所述三条基线建立共点正交基线模型之后，还包括：

依据卫星重力梯度测量原理，在加速度计坐标系下测量所述加速度计的实际质量中心的加速度值；

获取卫星姿态数据以及卫星载荷位置偏差；所述卫星姿态数据为在轨道上运行所处的空间指向状态；所述卫星载荷位置偏差为实际位置相对于理想位置的偏差；

根据所述卫星姿态数据以及所述卫星载荷位置偏差对所述加速度值进行修正，得到修正后的加速度值；

根据所述修正后的加速值将所述加速度坐标系转换到所述局部指北坐标系。

5.根据权利要求4所述的卫星重力梯度确定方法，其特征在于，所述根据所述共点正交基线模型确定卫星重力梯度，具体包括：

获取所述加速度计的实际位置以及所述共点正交基线模型上加速度计的理想位置；

根据所述实际位置以及所述理想位置确定相对位置偏差；

获取历史加速度值；

根据所述历史加速度值确定空间加速度变化率；

根据所述相对位置偏差以及所述空间加速度变化率确定所述共点正交基线模型上的加速度观测量；

根据所述加速度观测量确定卫星重力梯度。

6.一种卫星重力梯度确定系统，其特征在于，包括：

局部指北坐标系建立模块，用于建立重力梯度卫星的局部指北坐标系；

基线确定模块，用于根据所述局部指北坐标系确定三条基线；所述三条基线为任意两个加速度计的理想质量中心之间的连线；所述理想质量中心为梯度仪未发生物理变化时，加速度计在梯度仪中的位置；

共点正交基线模型建立模块，用于根据所述三条基线建立共点正交基线模型；所述三条基线两两垂直且相交于所述局部指北坐标系的原点，所述三条基线的长度相等且分别位于所述局部指北坐标系的三条坐标轴上；

卫星重力梯度确定模块，用于根据所述共点正交基线模型确定卫星重力梯度。

7.根据权利要求6所述的卫星重力梯度确定系统，其特征在于，所述基线确定模块具体包括：

加速度计位置获取单元，用于分别获取所述局部指北坐标系X轴、Y轴以及Z轴，以所述局部指北坐标系的原点为中心对称点的两个加速度计位置；每一条坐标轴上两个所述加速度计之间连线的长度相等；

基线确定单元，用于确定同一轴线上的两个加速度之间的连线为基线。

8.根据权利要求7所述的卫星重力梯度确定系统，其特征在于，所述共点正交基线模型建立模块具体包括：

共点正交基线模型确定单元，用于将所述三条基线两两垂直且相交于所述局部指北坐标系的原点作为所述共点正交基线模型的原点，以所述三条基线为所述共点正交基线模型的X轴、Y轴以及Z轴，以所述局部指北坐标系各坐标轴的方向为所述共点正交基线模型的坐标轴方向，建立共点正交基线模型。

9.根据权利要求6所述的卫星重力梯度确定系统，其特征在于，还包括：

加速度值测量单元，用于依据卫星重力梯度测量原理，在加速度计坐标系下测量所述加速度计的实际质量中心的加速度值；

参数获取单元，用于获取卫星姿态数据以及卫星载荷位置偏差；所述卫星姿态数据为在轨道上运行所处的空间指向状态；所述卫星载荷位置偏差为实际位置相对于理想位置的偏差；

修正单元，用于根据所述卫星姿态数据以及所述卫星载荷位置偏差对所述加速度值进行修正，得到修正后的加速度值；

转换单元，用于根据所述修正后的加速值将所述加速度坐标系转换到所述局部指北坐标系。