本文基于短弧长法开发了一套由低轨卫星数据解算重力场的系统ANGELS(ANalyst of Gravity Estimation with Low-orbit Satellites),成功用GRACE Level1B数据解算出全球时变重力场模型(第一版IGG-CAS系列模型),并与国际三大知名重力卫星相关研究机构:美国德克萨斯大学空间中心CSR(Center for Space Research)、德国GFZ地学研究中心(GeoForschungsZentrum)和美国宇航局JPL喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory)发布的全球时变重力场模型(RL05模型)进行了详细的比较分析.通过每阶大地水准面差距的对比结果表明,IGGCAS模型的精度接近RL05模型的精度.对以上四家机构在2004—2010年的时变重力场模型经过相同的去条带和高斯滤波处理,可以发现四家GRACE反演陆地水时变信号的空间分布十分接近,在长江流域反演的陆地水时变信号,两两之间的相关系数均大于0.8.通过反演撒哈拉沙漠干旱地区的时变信号来评估反演的精度水平,IGGCAS、CSR-RL05、GFZ-RL05和JPL-RL05反演结果的均方差分别为1.5cm、1.1cm、1.1cm和1.2cm等效水柱高.综合表明IGG-CAS时变重力场反演模型的精度接近于目前国外主要机构最新公布的时变重力场模型.
本文利用动力学方法建立GRACE（Gravity Recovery And Climate Experiment）K波段距离变率（KBRR）观测、轨道观测与重力场系数的观测方程,通过GRACE Level 1B观测数据,成功解算出全球月时变重力场模型——IGG时变重力场模型,并将2008—2009年的解算结果与GRACE三大数据处理机构美国德克萨斯大学空间中心CSR（Center for Space Research）、美国宇航局喷气推进实验室JPL（Jet Propulsion Laboratory）和德国地学研究中心GFZ（GeoForschungs Zentrum）发布的最新全球时变重力场模型进行详细对比分析.结果表明：IGG结果在全球质量异常、中国及周边地区质量异常的趋势变化、全球质量异常均方差、2~60每阶位系数差值以及亚马逊流域和撒哈拉沙漠等典型区域平均质量异常等方面与CSR、JPL和GFZ解算的RL05结果较为一致.其中,IGG解算结果在2~20阶与CSR、GFZ和JPL最新解算结果基本一致,20~40阶IGG解算结果与GFZ、JPL单位最新解算结果较为接近,大于40阶IGG结果介于CSR与GFZ、JPL之间;亚马逊流域平均质量异常周年振幅IGG、CSR、GFZ和JPL获取到的结果分别为17.6±1.1cm、18.9±1.2cm、17.8±0.9cm和18.9±1.0cm等效水柱高.利用撒哈拉沙漠地区的平均质量异常做反演精度评定,IGG、CSR、GFZ和JPL的时变重力场获取到的平均质量异常均方差分别为1.1cm、0.9cm、0.8cm和1.2cm,表明IGG解算结果与CSR、GFZ和JPL最新发布的RL05结果在同一精度水平.
本文利用卫星重力反演与模拟软件ANGELS系统(ANalyst of Gravity Estimation with Low-orbit Satellites)对低低跟踪模式的重力卫星的关键载荷精度指标进行了深入分析.模拟结果表明:(1)对短弧长积分法而言,在低低跟踪模式的关键载荷精度指标中,重力场反演精度对星间距离变率精度最为敏感;(2)通过对目前在轨运行GRACE的载荷指标进行分析,发现轨道数据的误差主要影响重力场的低阶部分(约小于25阶),较高阶次部分(约大于26阶)主要受星间距离变率的误差限制;(3)如果下一代低低跟踪模式的重力卫星的目标之一是把重力异常反演精度较GRACE提高约10倍,则在保持轨道高度和GRACE相同的前提下,轨道、星间距离变率和星载加速度计等关键载荷指标需要达到的最低精度分别约为2cm、10nm·s-1和3.0×10-10 m·s-2;(4)轨道精度和混频误差将是影响下一代低低跟踪模式重力卫星重力场恢复能力进一步提高的主要制约因素,距离变率精度和加速度计精度存在盈余.
地球重力场的科学数据在地球测绘学、冰川学、陆地水循环、固体地球物理、灾害监控及国防军事等领域具有重要应用价值.美、德合作研制的地球重力场反演与气候实验(gravity recovery and climate experiment,GRACE)卫星,有力地推动了地球重力场测量、反演和应用.为进一步提高重力卫星科学数据的时、空分辨率,扩展应用领域,中国及欧美等国都考虑发射升级的重力卫星,即后GRACE计划(GRACE-follow-on).该文将简单回顾重力卫星的发展历程,介绍重力卫星的数据采集技术和反演方法,亦着重阐述后GRACE计划的测量方法学、关键技术及预期结果.
