CN109581523B - 一种采用卫星跟踪卫星装置对加速度计校准的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种采用卫星跟踪卫星装置对加速度计校准的方法和系统，所述方法包括：获取卫星跟踪卫星装置上的原始观测数据；对所述原始观测数据进行坐标转换，得到坐标转换后的观测数据；根据坐标转换后的观测数据和重力梯度观测方程计算得到重力梯度计算值；将所述重力梯度计算值与重力梯度实际观测值做偏差计算，得到偏差值；根据所述偏差值对所述重力梯度实际观测值进行校准。本发明采用卫星跟踪卫星装置获取观测值，并计算得到重力梯度计算值，能够有效解决单纯用重力场模型生成的数据不能达到较好的精度要求的问题，并且避免了受地势约束等的问题，达到对重力加速度计进行高精度校准的目的。

Description

一种采用卫星跟踪卫星装置对加速度计校准的方法和系统

技术领域

本发明涉及大地测量领域，具体涉及一种采用卫星跟踪卫星装置对加速度计校准的方法和系统。

背景技术

目前国内外研制的卫星重力梯度平台主要为国际上欧洲空间局发射运行GOCE重力梯度测量卫星任务和我国正在研制的民用重力梯度测量卫星技术系统。欧洲空间局发射的GOCE卫星搭载了多类型载荷，包括三轴正交重力梯度仪(EGG)、激光后向反射棱镜(LRR)、高精度双频GNSS接收器、卫星跟踪装置、姿态控制系统、星象仪和离子推进器。其中重力梯度仪和卫星跟踪装置是GOCE卫星技术系统的关键载荷。

重力梯度仪的原始观测数据为加速度计观测值。重力梯度观测值由原始加速度计观测值通过转换生成得到。重力梯度数据作为位函数的二阶导数，能够探测到重力场的中短波信号，可避免重力场信号随高度的增加而衰减，使利用低轨重力卫星观测数据反演高阶地球重力场模型成为可能。在GOCE卫星搭载的重力梯度仪采用的是差分加速度模式。

观测数据的校准有飞行前校准，内部校准和外部校准。在卫星飞行的过程中，运行环境存在非理想状态。在此过程中，观测数据会出现系统偏差，通常表现为加速度计对读数的错位，即偏差和尺度因子的不匹配。因此在后期的数据校准处理中，多以尺度因子和偏差作为参考依据和评价标准。

飞行前校准是在卫星发射运行前对载荷进行的测试校准，属于地面测试范畴。

内部校准将重力梯度仪三方向加速度计的观测值转换成普通模式(CM，CommonMode)和差分模式(DM，Different Mode)，对数据产出进行质量控制。普通模式加速度为无拖曳控制系统提供线性加速度信息，差分模式加速度用来生成重力梯度观测值。由于内部校准需要无拖曳系统产生加速度，在内部校准期间飞行观测数据就无法使用，这样一来会造成卫星的使用效率降低，通常情况下，内部校准的频次在一月一次。

外部校准采用独立的数据源对观测数据进行校准，常见的外部校准的方法有：利用地球重力场模型的校准方法和利用高精度地面重力数据的校准方法。利用地球重力场模型的校准方法是指用已知重力场模型生成重力梯度，将这个计算值与重力梯度仪实际测量的观测值进行对比，得到偏差值。利用高精度地面重力数据的校准方法是指在地面上选取具有高精度重力数据且覆盖率较好的区域作为检验区，由地面重力数据计算出重力梯度，将计算值与测量值对比，得到偏差值。

现有技术中，利用地球重力场模型的校准方法是指用已知重力场模型生成重力梯度计算值，将这个计算值与重力梯度仪实际测量的观测值进行对比，得到偏差值。然而现有技术中已知重力场模型有很多，例如OSU91A模型、EGM96模型、CG03C模型、EGM2008模型等，以尺度因子和偏差作为参考标准，不同模型达到校准精度不同，并且单纯的用重力场模型生成的数据不能达到较好的精度要求，在实际应用中还需要联合卫星测高数据和地面重力数据。

另外，现有技术中利用高精度地面重力数据的校准方法是指在地面上选取具有高精度重力数据且覆盖率较好的区域作为检验区，由地面重力数据计算出重力梯度，将计算值与测量值对比，得到偏差值。然而此方法对检验区选取的要求十分高，在实际应用中发现：地势起伏平缓、数据采集密集的地区校准效果最好；地势起伏大、数据采集稀疏的地区校准效果差，不能达到精度水平要求。

发明内容

本方法主要解决的技术问题是对卫星重力梯度测量系统搭载的加速度计进行高精度校准验证。为避免现有技术中对检验区地势欺负和地面数据的受限制约束，本方法采取利用卫星跟踪卫星观测数据实现对加速度计观测值进行校准验证。

为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种采用卫星跟踪卫星装置对加速度计校准的方法，包括：

获取卫星跟踪卫星装置上的原始观测数据；

对所述原始观测数据进行坐标转换，得到坐标转换后的观测数据；

根据坐标转换后的观测数据和重力梯度观测方程计算得到重力梯度计算值；

将所述重力梯度计算值与重力梯度实际观测值做偏差计算，得到偏差值；

根据所述偏差值对所述重力梯度实际观测值进行校准。

在具体的实施例中，所述原始观测数据包括卫星在轨道中相对于地心参考框架下的卫星位置、卫星距离地面高度和卫星的旋转角速度。

在具体的实施例中，对所述原始观测数据进行坐标转换为将星象仪参考框架转换到重力梯度仪参考框架。

在具体的实施例中，所述坐标转换的变换式为：

其中，X_GRF、Y_GRF、Z_GRF分别为在重力梯度仪参考框架下的坐标值，X_SSRF、Y_SSRF、Z_SSRF分别为在星象仪参考框架下的X、Y、Z轴方向上的坐标矩阵，R_{SSRG_GRF_X}、R_{SSRG_GRF_Y}、R_{SSRG_GRF_Z}分别为星象仪参考框架在重力梯度参考框架中X、Y、Z轴方向上的矩阵，x、y、z分别为在星象仪参考框架下的坐标值，α_STR、β_STR、γ_STR分别为星象仪参考框架和重力梯度参考框架之间的固定旋转角度在X、Y、Z轴方向上的分量。

在具体的实施例中，所述重力梯度观测方程为：

其中，Ε_ij为重力梯度观测量，V_ij为引力梯度张量，i代表加速度，j代表速度；ω为角速度，

为角加速度；V_xx代表由x方向上的加速度和x方向上的速度组成的引力梯度值、V_xy代表由x方向上的加速度和y方向上的速度组成的引力梯度值、V_xz代表由x方向上的加速度和z方向上的速度组成的引力梯度值，V_yx、V_yy、V_yz、V_zx、V_zy、V_zz以此类推，ω_x、ω_y、ω_z分别为x、y、z方向上的角速度，

分别为x、y、z方向上的角加速度；

坐标转换后的观测数据代入上述重力梯度观测方程计算得出重力梯度计算值。

在具体的实施例中，所述重力梯度实际观测值由卫星上的重力梯度仪测量得到。

本发明的第二方面提供了一种采用卫星跟踪卫星装置对加速度计校准的系统，包括：

数据采集模块，用于获取卫星跟踪卫星装置上的原始观测数据；

坐标转换模块，用于对所述原始观测数据进行坐标转换，得到坐标转换后的观测数据；

重力梯度计算模块，用于根据坐标转换后的观测数据和重力梯度观测方程计算得到重力梯度计算值；

偏差计算模块，用于将所述重力梯度计算值与重力梯度实际观测值做偏差计算，得到偏差值；

校准模块，用于根据所述偏差值对所述重力梯度实际观测值进行校准。

在具体的实施例中，所述原始观测数据包括卫星在轨道中相对于地心参考框架下的卫星位置、卫星距离地面高度和卫星的旋转角速度。

在具体的实施例中，对所述原始观测数据进行坐标转换为将星象仪参考框架转换到重力梯度仪参考框架。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

采用卫星跟踪卫星装置获取观测值，并计算得到重力梯度计算值，能够有效解决单纯用重力场模型生成的数据不能达到较好的精度要求的问题，并且避免了受地势约束等的问题，达到对加速度计进行高精度校准。

附图说明

图1是本发明的采用卫星跟踪卫星装置对加速度计校准的方法流程示意图；

图2是本发明一具体实施例中采用卫星跟踪卫星装置对加速度计校准的方法流程示意图；

图3是重力梯度实际观测量的组成示意图；

图4是本发明的采用卫星跟踪卫星装置对加速度计校准的系统框架示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

重力梯度观测值的校准指的是，由各种方法计算得到的计算值与重力梯度实际观测数据进行比对，得到偏差值，分析偏差值从而可以对重力梯度观测值进行校准。而重力梯度数据精度与上述利用各种方法获得的计算值有密切关系，不同方法获得的观测值采用不同方法进行计算后获得的重力梯度计算值，具有不同的精度，因而能够影响校准的精度。重力梯度计算值是指由卫星跟踪卫星装置上的测量值用重力梯度观测方程得到的计算值，其中包括引力梯度张量和旋转分量。重力梯度测量值是卫星跟踪卫星装置上的实际观测值；重力梯度观测值是卫星跟踪卫星装置上的实际观测值经过坐标转换之后的值；重力梯度实际观测值是指由卫星上的重力梯度仪测量得到的测量值。

本发明采取的是：利用GOCE卫星上的卫星跟踪卫星装置对加速度计的重力梯度实际观测值校准。所谓卫星跟踪卫星技术是指用一颗或几颗卫星对另一颗卫星实施跟踪测量以进行重力场等探测的技术。有两种方式:(1)通过高轨同步卫星跟踪低轨卫星的轨道摄动以确定扰动重力场；(2)通过测定同一低轨道上卫星间的相对速率变化以确定地球重力场。通过测量卫星之间的相对位置,可测定地球重力场和磁场、探测地球大气层和电离层等。

本发明提供了一种采用卫星跟踪卫星装置对加速度计校准的方法100，如图1所示，其具体实现的步骤包括：

步骤110：获取卫星跟踪卫星装置上的观测数据。

卫星跟踪卫星装置上的观测数据是以星象仪为参考框架的，它提供了卫星在轨道中相对地心参考框架的方向，主要是卫星的位置、卫星距离地面高度以及卫星的旋转角速度等。

步骤120：对所述原始观测数据进行坐标转换，得到坐标转换后的观测数据。

从卫星跟踪卫星装置上得到的观测数据是基于星象仪参考框架的，而重力梯度观测是在重力梯度仪参考系中进行的，因此涉及到参考框架的转换。重力梯度仪参考框架(GRF)是卫星测量重力梯度分量选用的坐标系，星象仪参考框架(SSRF)是卫星在轨道中相对于地心参考框架的坐标系。星象仪的参考框架与重力梯度仪的参考框架之间有固定的旋转角度。

坐标转换的旋转矩阵如下所示：

其中，R_{SSRG_GRF_X}为星象仪参考框架在X轴方向上重力梯度参考框架上的矩阵，α_STR是两个框架之间固定的旋转角度在X轴方向上的分量。

其中，R_{SSRG_GRF_Y}为星象仪参考框架在Y轴方向上重力梯度参考框架上的矩阵，β_STR是两个框架之间固定的旋转角度在Y轴方向上的分量。

其中，R_{SSRG_GRF_Z}为星象仪参考框架在Z轴方向上重力梯度参考框架上的矩阵，α_STR是两个框架之间固定的旋转角度在X轴方向上的分量，γ_STR是两个框架之间固定的旋转角度在Z轴方向上的分量。

其在重力梯度仪参考框架——GRF坐标系上对应的坐标矩阵的变换式为：

其中，X_GRF、Y_GRF、Z_GRF分别为在重力梯度仪参考框架下的坐标值，X_SSRF、Y_SSRF、Z_SSRF分别为在星象仪参考框架下的X、Y、Z轴方向上的坐标矩阵，R_{SSRG_GRF_X}、R_{SSRG_GRF_Y}、R_{SSRG_GRF_Z}分别为星象仪参考框架在重力梯度参考框架中X、Y、Z轴方向上的矩阵，x、y、z分别为在星象仪参考框架下的坐标值，α_STR、β_STR、γ_STR分别为星象仪参考框架和重力梯度参考框架之间的固定旋转角度在X、Y、Z轴方向上的分量。

原始观测数据通过上述坐标矩阵变换式的变换，得到重力梯度仪参考框架下的观测数据。

步骤130：根据坐标转换后的观测数据和重力梯度观测方程计算得到重力梯度计算值。

在GOCE卫星搭载的重力梯度仪采用的是差分加速度模式，差分加速度测量获取重力梯度数据的基本思想在于：将作用于检测加速度的引力差作为基本观测量，通过两加速度计测量的加速度之差来获取引力梯度张量的各分量。

求S点的引力梯度张量V_ij(S)，在已知空间里两点M₁，M₂之间引力加速度差的情况下，由观测方程可以求得：

其中，

是M₁点和M₂点的加速度之差，表示为

dx_j(M₁,M₂)为M₁点和M₂点的坐标差。

在重力梯度仪坐标系中，引力梯度张量V_ij的表达式为：

实际上，引力场是一个无旋无源的保守场，因此，它满足方程：

又因为这个是无旋场，因此有：

实际上，在V_ij矩阵的九个分量中，仅需要5个分量就可以确定。

在重力梯度仪坐标系中，重力梯度仪旋转运动引起的离心加速度Ω_ikΩ_kj为：

角加速度

为：

其中，ω和

分别表示重力梯度仪旋转角速度和旋转角加速度的大小。

重力梯度观测量Ε_ij由引力梯度张量和旋转角速度和加速度组成，如图3所示，因此，重力梯度观测量的表达式为：

其中，Ε_ij为重力梯度观测量，V_ij为引力梯度张量，i代表加速度，j代表速度；ω为角速度，

为角加速度；V_xx代表由x方向上的加速度和x方向上的速度组成的引力梯度值、V_xy代表由x方向上的加速度和y方向上的速度组成的引力梯度值、V_xz代表由x方向上的加速度和z方向上的速度组成的引力梯度值，V_yx、V_yy、V_yz、V_zx、V_zy、V_zz以此类推，ω_x、ω_y、ω_z分别为x、y、z方向上的角速度，

分别为x、y、z方向上的角加速度；以上公式中相同的物理量适用于同样的解释。

坐标转换后的观测数据代入上述重力梯度观测方程计算得出重力梯度计算值。

步骤140：将所述重力梯度计算值与重力梯度实际观测值做偏差计算，得到偏差值。

步骤150：根据所述偏差值对所述重力梯度实际观测值进行校准。

在一个具体的实施例中，如图2所示，对卫星跟踪卫星装置测得的观测数据进行坐标变换，得到重力梯度计算值，同时，卫星上的重力梯度仪测量得到重力梯度实际观测值；然后由重力梯度计算值与重力梯度实际观测值进行联合解算得到校准参数，然后根据校准参数对重力梯度实际观测值进行校准，得到实际的地球重力场模型。其中，联合解算的计算公式为：

y(t)＝λy_s(t)+Δy (14)

y(t)是重力梯度计算值的时间函数，y_s(t)是重力梯度实际观测值的时间函数，Δy是坐标值的差，λ为尺度因子，是固定值。

通过上述步骤，利用卫星跟踪卫星装置获取的观测数据经过计算得到重力梯度计算值，然后与重力梯度实际观测值进行偏差计算得到偏差值，根据偏差值对重力梯度实际观测值进行校准，提高重力梯度仪的校准精度。

本发明的另一方面提供了一种采用卫星跟踪卫星装置对加速度计校准的系统200，如图4所示，包括：

数据采集模块210，用于获取卫星跟踪卫星装置上的原始观测数据；

坐标转换模块220，用于对所述原始观测数据进行坐标转换，得到坐标转换后的观测数据；

重力梯度计算模块230，用于根据坐标转换后的观测数据和重力梯度观测方程计算得到重力梯度计算值；

偏差计算模块240，用于将所述重力梯度计算值与重力梯度实际观测值做偏差计算，得到偏差值；

校准模块250，用于根据所述偏差值对所述重力梯度实际观测值进行校准。

综上所述，本发明提供了一种采用卫星跟踪卫星装置对加速度计校准的方法和系统，所述方法包括：获取卫星跟踪卫星装置上的原始观测数据；对所述原始观测数据进行坐标转换，得到坐标转换后的观测数据；根据坐标转换后的观测数据和重力梯度观测方程计算得到重力梯度计算值；将所述重力梯度计算值与重力梯度实际观测值做偏差计算，得到偏差值；根据所述偏差值对所述重力梯度实际观测值进行校准。本发明采用卫星跟踪卫星装置获取观测值，并计算得到重力梯度计算值，能够有效解决单纯用重力场模型生成的数据不能达到较好的精度要求的问题，并且避免了受地势约束等的问题，达到对重力加速度计进行高精度校准的目的。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (9)

1.一种采用卫星跟踪卫星装置对加速度计校准的方法，其特征在于，包括：

获取卫星跟踪卫星装置上的原始观测数据；

对所述原始观测数据进行坐标转换，得到坐标转换后的观测数据；

根据坐标转换后的观测数据和重力梯度观测方程计算得到重力梯度计算值；

将所述重力梯度计算值与重力梯度实际观测值做偏差计算，得到偏差值；

根据所述偏差值对所述重力梯度实际观测值进行校准。

2.根据权利要求1所述的一种采用卫星跟踪卫星装置对加速度计校准的方法，其特征在于，所述原始观测数据包括卫星在轨道中相对于地心参考框架下的卫星位置、卫星距离地面高度和卫星的旋转角速度。

3.根据权利要求1所述的一种采用卫星跟踪卫星装置对加速度计校准的方法，其特征在于，对所述原始观测数据进行坐标转换为将星象仪参考框架转换到重力梯度仪参考框架。

4.根据权利要求3所述的一种采用卫星跟踪卫星装置对加速度计校准的方法，其特征在于，所述坐标转换的变换式为：

其中，X_GRF、Y_GRF、Z_GRF分别为在重力梯度仪参考框架下的坐标值，X_SSRF、Y_SSRF、Z_SSRF分别为在星象仪参考框架下的X、Y、Z轴方向上的坐标矩阵，R_{SSRG_GRF_X}、R_{SSRG_GRF_Y}、R_{SSRG_GRF_Z}分别为星象仪参考框架在重力梯度参考框架中X、Y、Z轴方向上的矩阵，x、y、z分别为在星象仪参考框架下的坐标值，α_STR、β_STR、γ_STR分别为星象仪参考框架和重力梯度参考框架之间的固定旋转角度在X、Y、Z轴方向上的分量。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种采用卫星跟踪卫星装置对加速度计校准的方法，其特征在于，所述重力梯度观测方程为：

其中，E_ij为重力梯度观测量，V_ij为引力梯度张量，i代表加速度，j代表速度；ω为角速度，

为角加速度；V_xx代表由x方向上的加速度和x方向上的速度组成的引力梯度值、V_xy代表由x方向上的加速度和y方向上的速度组成的引力梯度值、V_xz代表由x方向上的加速度和z方向上的速度组成的引力梯度值，V_yx、V_yy、V_yz、V_zx、V_zy、V_zz以此类推，ω_x、ω_y、ω_z分别为x、y、z方向上的角速度，

分别为x、y、z方向上的角加速度；

坐标转换后的观测数据代入上述重力梯度观测方程计算得出重力梯度计算值。

6.根据权利要求5所述的一种采用卫星跟踪卫星装置对加速度计校准的方法，其特征在于，所述重力梯度实际观测值由卫星上的重力梯度仪测量得到。

7.一种采用卫星跟踪卫星装置对加速度计校准的系统，其特征在于，包括：

数据采集模块，用于获取卫星跟踪卫星装置上的原始观测数据；

坐标转换模块，用于对所述原始观测数据进行坐标转换，得到坐标转换后的观测数据；

重力梯度计算模块，用于根据坐标转换后的观测数据和重力梯度观测方程计算得到重力梯度计算值；

偏差计算模块，用于将所述重力梯度计算值与重力梯度实际观测值做偏差计算，得到偏差值；

校准模块，用于根据所述偏差值对所述重力梯度实际观测值进行校准。

8.根据权利要求7所述的一种采用卫星跟踪卫星装置对加速度计校准的系统，其特征在于，所述原始观测数据包括卫星在轨道中相对于地心参考框架下的卫星位置、卫星距离地面高度和卫星的旋转角速度。

9.根据权利要求7所述的一种采用卫星跟踪卫星装置对加速度计校准的系统，其特征在于，对所述原始观测数据进行坐标转换为将星象仪参考框架转换到重力梯度仪参考框架。

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