CN111308570A - 基于载波相位微分速度构建全球重力场的方法 - Google Patents

基于载波相位微分速度构建全球重力场的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于载波相位微分速度构建全球重力场的方法，涉及卫星重力探测技术领域，包括：S1：对载波相位、轨道状态信息、加速度计和卫星姿态等原始观测值进行数据预处理；S2：利用载波相位微分速度获得卫星动能和旋转位；S3：通过卫星动能、旋转位和各项摄动位建立观测方程，基于能量守恒定律在最小二乘准则下估算全球重力场位系数。相较于传统利用轨道微分速度反演重力场模型的能量守恒法，本发明提出的算法无须估算相位模糊度，同时降低历元间系统偏差，便于对载体运动速度实施质量控制，继而提高全球重力场模型解算精度。

Description

基于载波相位微分速度构建全球重力场的方法
技术领域
本发明涉及卫星重力探测技术领域，特别涉及基于载波相位微分速度构建全球重力场的方法。
背景技术
地球重力场是地球最基本的一个物理场，反映了地球邻近空间及其内部物质分布状况，因此构建精细化的全球重力场模型是地球科学相关学科的活跃研究领域之一。利用卫星重力测量技术可以显著提高重力场中长波信息，基于卫星跟踪卫星技术反演全球重力场模型的能量守恒法简单高效被广泛采用。
能量守恒法是根据能量守恒定律建立载体运动速度与全球重力场模型位系数间的泛函关系，其关键问题是获取高精度的载体运动速度观测值。计算载体运动速度常用方法有经典的轨道微分法，即借助卫星轨道信息作为桥梁，因此其首要前提是必须先进行定轨，同时易受卫星几何构型分布影响，导致解算精度受限，所以迫切需要一种基于载波相位微分速度构建全球重力场模型的方法。
发明内容
本发明实施例提供了基于载波相位微分速度构建全球重力场的方法，用以解决现有技术中存在的问题。
基于载波相位微分速度构建全球重力场的方法，包括：
S1、数据预处理：对星载GNSS(Global Navigation Satellite System)相位原始观测数据、重力专用卫星轨道状态信息、星载加速度计及其姿态数据原始观测值进行数据预处理，获得星载GNSS相位无电离层组合值、精密连续轨道状态信息、连续非保守力加速度及其姿态数据；
S2、利用载波相位微分速度法获得卫星动能和旋转位：将所述S1得到的星载GNSS相位无电离层组合值进行时空基准转换和数值微分获得载波相位速度，同时通过GNSS卫星和重力专用卫星接收机间几何关系确定的视线速度和IGS精密星历提供的高精度GNSS卫星状态信息获取载体运动速度进而计算卫星动能，同时结合卫星位置和地球自转平均速度确定旋转位；
S3、基于能量守恒定律估计地球重力场位系数：将所述S1得到的精密连续轨道状态信息结合背景模型确定保守力位，然后加入所述S1中得到的连续非保守力加速度进行沿轨积分计算耗散能，将所述S2得到的卫星动能扣除各项摄动位建立惯性系下的观测方程，最后利用能量守恒法线性估计全球重力场位系数。
优选地，所述S1包括以下步骤，
S11，将星载GNSS相位原始观测数据结合IGS(International GNSS Service)分析中心发布的精密钟差产品获得星载GNSS相位无电离层组合值；
S12，将重力专用卫星轨道与星载GNSS相位观测值时空基准统一，同时对间隔历元轨道内插处理，获得精密连续轨道状态信息；
S13，对卫星姿态原始数据进行线性内插获得连续姿态数据，同时要求加速度计数据及姿态数据与星载GNSS相位观测数据时空基准同步，由星载加速度计数据和姿态数据计算重力专用卫星连续非保守力加速度。
优选地，在所述S2中，
对所述S1计算得到的星载GNSS相位无电离层组合值进行时空基准转换至惯性系相应观测值，经数值微分获得载波相位速度，同时通过GNSS卫星和重力专用卫星接收机间几何关系确定的视线速度结合IGS精密星历提供的高精度GNSS卫星状态信息获得载体运动速度进而计算卫星动能，同时结合卫星位置和地球自转平均速度确定旋转位。
优选地，所述S3包括以下步骤，
S31，对所述S1中得到的精密连续轨道状态信息进行时空基准转换至惯性系，同时结合背景模型获得三体引力位和固体/海洋/大气、海洋/大气负荷等潮汐位，将上述包括全部三体问题的直接和间接潮汐影响求和获得保守力位；
S32，对所述S1中测得的非保守力加速度沿轨道积分获得耗散能，在保守力位中加入耗散能后获得各项摄动位；
S33，由所述S2得到的卫星动能扣除各项摄动位和旋转位后在惯性系下建立观测方程；
Figure BDA0002400334260000031
其中V表示引力位；E0表示能量积分常数；
Figure BDA0002400334260000032
表示卫星动能；
Figure BDA0002400334260000033
表示载体运动速度矢量；
Figure BDA0002400334260000034
表示由地球自转引起的旋转位；ω表示地球自转角速度；Vt表示三体问题全部的直接和间接潮汐影响因素；Vc表示非保守力引起的耗散能；(r,θ,λ)分别表示地固球坐标下的地心向径、地心余纬和地心经度；
S34，依据能量守恒定律，遵循最小二乘法则估算全球重力场位系数。
优选地，对S2中的载波相位微分速度计算过程进行优化：
GNSS卫星G和重力专用卫星接收机R建立的载波相位观测方程为：
Figure BDA0002400334260000041
式中星载GNSS无电离层组合值为：
Figure BDA0002400334260000042
数值微分导出：
Figure BDA0002400334260000043
其中
Figure BDA0002400334260000044
表示星载GNSS相位原始观测值；
Figure BDA0002400334260000045
表示GNSS卫星与重力专用卫星接收机天线相位中心间几何距离；c表示光速；dTR表示重力专用卫星钟差；
Figure BDA0002400334260000046
表示相位模糊度；
Figure BDA0002400334260000047
表示未模型化误差；
Figure BDA0002400334260000048
表示星载GNSS相位无电离层组合值；dTG表示GNSS卫星钟差；
Figure BDA0002400334260000049
表示误差改正项；
Figure BDA00024003342600000410
表示载波相位速度；FT表示相应的微分滤波算子；
通过GNSS卫星和重力专用卫星接收机间几何关系获得载体相位速度：
Figure BDA00024003342600000411
利用GNSS卫星精密星历及其钟差产品得到载体运动速度观测方程：
Figure BDA00024003342600000412
式中
Figure BDA00024003342600000413
表示GNSS卫星到重力专用卫星间视线方向单位矢量；
Figure BDA00024003342600000414
表示GNSS卫星与重力专用卫星间视线方向距离变率；
Figure BDA00024003342600000415
表示重力专用卫星钟差的一阶导数；
Figure BDA00024003342600000416
分别表示GNSS卫星运动速度矢量；
Figure BDA00024003342600000417
表示载体运动速度矢量。
本发明有益效果：本发明基于星载GNSS相位微分速度确定卫星动能再扣除各项摄动位依据能量守恒定律估算全球重力场位系数。相较于传统利用轨道微分速度反演重力场模型的能量守恒法，本发明提出的算法无须估算相位模糊度，同时降低历元间系统偏差，从而对载体运动速度实施质量控制，继而提高全球重力场模型解算精度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于载波相位微分速度构建全球重力场的方法的流程图框图。
具体实施方式
下面结合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、完整的描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
参照图1，本发明提供了基于载波相位微分速度构建全球重力场的方法，包括：
步骤1：数据预处理。
数据源涉及各类重力专用卫星数据，采集的数据类型包括星载GNSS相位观测值、轨道状态信息、星载加速度计及姿态数据，涉及原始观测数据拉格朗日插值、粗差探测、时空基准转换、线性内插、时间同步等。对星载GNSS相位原始观测数据、重力专用卫星轨道状态信息、星载加速度计及其姿态数据原始观测值进行数据预处理，获得星载GNSS相位无电离层组合值、精密连续轨道状态信息、连续非保守力加速度及其姿态数据；
需要说明的是，定轨状态通常是在地固系下描述，而观测方程是在惯性系下建立，所以需要进行时空基准转换，在实际实施时采用春分点法，即通过岁差、章动、地球自转和极移四个旋转矩阵实现。具体包括：
S11，将星载GNSS相位原始观测数据结合IGS分析中心发布的精密钟差产品获得星载GNSS相位无电离层组合值；
S12，将重力专用卫星轨道与星载GNSS相位观测值时空基准统一，同时对间隔历元轨道内插处理，获得精密连续轨道状态信息；
S13，对卫星姿态原始数据进行线性内插获得连续姿态数据，同时要求加速度计数据及姿态数据与星载GNSS相位观测数据时空基准同步，由星载加速度计数据和姿态数据计算重力专用卫星连续非保守力加速度。
步骤2：利用载波相位微分速度法获得卫星动能和旋转位。
基于星载GNSS相位微分载体运动速度，其原因在于，无须估计相位模糊度，同时降低历元间系统偏差，便于对载体运动速度实施质量控制，因此基于载波相位微分速度构建全球重力场模型解算精度显著改善。则由步骤1计算的星载GNSS相位无电离层组合值经时空基准统一和数值微分获取载波相位速度，再结合GNSS卫星和重力专用卫星间视线速度和IGS精密星历解算载体运动速度，其推导过程如下：
GNSS卫星G和重力专用卫星接收机R建立的载波相位观测方程为：
Figure BDA0002400334260000061
式中星载GNSS无电离层组合值为：
Figure BDA0002400334260000062
数值微分导出：
Figure BDA0002400334260000063
其中
Figure BDA0002400334260000064
表示星载GNSS相位原始观测值；
Figure BDA0002400334260000065
表示GNSS卫星与重力专用卫星接收机天线相位中心间几何距离；c表示光速；dTR表示重力专用卫星钟差；
Figure BDA0002400334260000071
表示相位模糊度；
Figure BDA0002400334260000072
表示未模型化误差；
Figure BDA0002400334260000073
表示星载GNSS相位无电离层组合值；dTG表示GNSS卫星钟差；
Figure BDA0002400334260000074
表示误差改正项；
Figure BDA0002400334260000075
表示载波相位速度；FT表示相应的微分滤波算子；
通过GNSS卫星和重力专用卫星接收机间几何关系获得载体相位速度：
Figure BDA0002400334260000076
利用GNSS卫星精密星历及其钟差产品得到载体运动速度观测方程：
Figure BDA0002400334260000077
式中
Figure BDA0002400334260000078
表示GNSS卫星到重力专用卫星间视线方向单位矢量；
Figure BDA0002400334260000079
表示GNSS卫星与重力专用卫星间视线方向距离变率；
Figure BDA00024003342600000710
表示重力专用卫星钟差的一阶导数；
Figure BDA00024003342600000711
分别表示GNSS卫星运动速度矢量；
Figure BDA00024003342600000712
表示载体运动速度矢量。
本步骤中，改进的解算策略采用星载GNSS相位微分计算载体运动速度：首先对星载GNSS相位原始观测值结合IGS精密钟差产品进行数据预处理获得星载GNSS相位无电离层组合值，经时空基准转换至惯性系；然后通过数值微分计算载体相位速度，最后根据GNSS卫星与重力专用卫星间几何关系的视线速度结合IGS精密星历提供的GNSS卫星轨道状态信息获得载体运动速度。
步骤3：基于能量守恒定律估计地球重力场位系数。
对步骤1卫星轨道状态信息进行时空基准转换至惯性系，同时结合背景模型获得三体引力位和固体/海洋/大气、海洋/大气负荷等潮汐位，将上述包括全部三体问题的直接和间接潮汐影响求和获得保守力位；同时对步骤1测得的非保守力加速度沿轨道积分获得耗散能，在保守力位中加入耗散能后获得各项摄动位；随后，由步骤2得到的载体运动速度计算卫星动能扣除各项摄动位和由卫星位置和地球自转平均速度确定的卫星动能旋转位后在惯性系下建立观测方程；最后，依据能量守恒定律，遵循最小二乘法则估算全球重力场位系数。其推导过程如下：
能量守恒法基本原理：
Figure BDA0002400334260000081
引力位及其梯度分量：
Figure BDA0002400334260000082
其中V表示引力位；E0表示能量积分常数；
Figure BDA0002400334260000083
表示卫星动能；
Figure BDA0002400334260000084
表示载体运动速度矢量；
Figure BDA0002400334260000085
表示由地球自转引起的旋转位；ω表示地球自转角速度；Vt表示三体问题全部的直接和间接潮汐影响因素，包括日月引力位、固体/海洋/大气、海洋/大气负荷等潮汐位；Vc表示非保守力引起的耗散能；(r,θ,λ)分别表示地固球坐标下的地心向径、地心余纬和地心经度；GM和R分别表示地心引力常数和地球平均半径；l和m分别表示引力位球谐级数展开的阶和次；L表示构建全球重力场模型的最大阶数；
Figure BDA0002400334260000086
和
Figure BDA0002400334260000087
分别表示完全规格化的l阶m次球谐位系数；
Figure BDA0002400334260000088
表示完全规格化的l阶m次缔合勒让德函数。
需要说明的是，基于载波相位微分速度构建全球重力场的能量守恒法是先由星载GNSS相位微分计算载体运动速度继而获得卫星动能再扣除各项摄动位和旋转位后在惯性系下根据能量守恒定律建立观测方程，最后满足最小二乘准则线性估计全球重力场模型位系数。
综上所述，本发明基于星载GNSS相位微分速度确定卫星动能再扣除各项摄动位依据能量守恒定律估算全球重力场位系数。相较于传统利用轨道微分速度反演重力场模型的能量守恒法，本发明提出的算法无须估算相位模糊度，同时降低历元间系统偏差，从而对载体运动速度实施质量控制，继而提高全球重力场模型解算精度。
以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于载波相位微分速度构建全球重力场的方法，其特征在于，包括：
S1、数据预处理：对星载GNSS相位原始观测数据、重力专用卫星轨道状态信息、星载加速度计及其姿态数据原始观测值进行数据预处理，获得星载GNSS相位无电离层组合值、精密连续轨道状态信息、连续非保守力加速度及其姿态数据；
S2、利用载波相位微分速度法获得卫星动能和旋转位：将所述S1得到的星载GNSS相位无电离层组合值进行时空基准转换和数值微分获得载波相位速度，同时通过GNSS卫星和重力专用卫星接收机间几何关系确定的视线速度和IGS精密星历提供的高精度GNSS卫星状态信息获取载体运动速度，进而计算卫星动能，同时结合卫星位置和地球自转平均速度确定旋转位；
S3、基于能量守恒定律估计地球重力场位系数：将所述S1得到的精密连续轨道状态信息结合背景模型确定保守力位，然后加入所述S1中得到的连续非保守力加速度进行沿轨积分计算耗散能，将所述S2得到的卫星动能扣除各项摄动位建立惯性系下的观测方程，最后利用能量守恒法线性估计全球重力场位系数。
2.如权利要求1所述的基于载波相位微分速度构建地球重力场的方法，其特征在于，所述S1包括以下步骤，
S11，将星载GNSS相位原始观测数据结合IGS分析中心发布的精密钟差产品获得星载GNSS相位无电离层组合值；
S12，将重力专用卫星轨道与星载GNSS相位观测值时空基准统一，同时对间隔历元轨道内插处理，获得精密连续轨道状态信息；
S13，对卫星姿态原始数据进行线性内插获得连续姿态数据，同时要求加速度计数据及姿态数据与星载GNSS相位观测数据时空基准同步，由星载加速度计数据和姿态数据计算重力专用卫星连续非保守力加速度。
3.如权利要求2所述的基于载波相位微分速度构建全球重力场的方法，其特征在于，在所述S2中，
对所述S1计算得到的星载GNSS相位无电离层组合值进行时空基准转换至惯性系相应观测值，经数值微分获得载波相位速度，同时通过GNSS卫星和重力专用卫星接收机间几何关系确定的视线速度结合IGS精密星历提供的高精度GNSS卫星状态信息获得载体运动速度进而计算卫星动能，同时结合卫星位置和地球自转平均速度确定旋转位。
4.如权利要求3所述的基于载波相位微分速度构建全球重力场的方法，其特征在于，所述S3包括以下步骤，
S31，对所述S1中得到的精密连续轨道状态信息进行时空基准转换至惯性系，同时结合背景模型获得三体引力位和潮汐位，将上述包括全部三体问题的直接和间接潮汐影响求和获得保守力位；
S32，对所述S1中测得的非保守力加速度沿轨道积分获得耗散能，在保守力位中加入耗散能后获得各项摄动位；
S33，由所述S2得到的卫星动能扣除各项摄动位和旋转位后在惯性系下建立观测方程；
Figure FDA0002400334250000021
其中V表示引力位；E0表示能量积分常数；
Figure FDA0002400334250000022
表示卫星动能；
Figure FDA0002400334250000023
表示载体运动速度矢量；
Figure FDA0002400334250000024
表示由地球自转引起的旋转位；ω表示地球自转角速度；Vt表示三体问题全部的直接和间接潮汐影响因素；Vc表示非保守力引起的耗散能；(r,θ,λ)分别表示地固球坐标下的地心向径、地心余纬和地心经度；
S34，依据能量守恒定律，遵循最小二乘法则估算全球重力场位系数。
5.如权利要求2所述的基于载波相位微分速度构建全球重力场的方法，其特征在于，对S2中的载波相位微分速度计算过程进行优化：
GNSS卫星G和重力专用卫星接收机R建立的载波相位观测方程为：
Figure FDA0002400334250000031
式中星载GNSS无电离层组合值为：
Figure FDA0002400334250000032
数值微分导出：
Figure FDA0002400334250000033
其中
Figure FDA0002400334250000034
表示星载GNSS相位原始观测值；
Figure FDA0002400334250000035
表示GNSS卫星与重力专用卫星接收机天线相位中心间几何距离；c表示光速；dTR表示重力专用卫星钟差；
Figure FDA0002400334250000036
表示相位模糊度；
Figure FDA0002400334250000037
表示未模型化误差；
Figure FDA0002400334250000038
表示星载GNSS相位无电离层组合值；dTG表示GNSS卫星钟差；
Figure FDA0002400334250000039
表示误差改正项；
Figure FDA00024003342500000310
表示载波相位速度；FT表示相应的微分滤波算子；
通过GNSS卫星和重力专用卫星接收机间几何关系获得载体相位速度：
Figure FDA00024003342500000311
利用GNSS卫星精密星历及其钟差产品得到载体运动速度观测方程：
Figure FDA00024003342500000312
式中
Figure FDA00024003342500000313
表示GNSS卫星到重力专用卫星间视线方向单位矢量；
Figure FDA00024003342500000314
表示GNSS卫星与重力专用卫星间视线方向距离变率；
Figure FDA0002400334250000041
表示重力专用卫星钟差的一阶导数；
Figure FDA0002400334250000042
分别表示GNSS卫星运动速度矢量；
Figure FDA0002400334250000043
表示载体运动速度矢量。
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