陈秋杰

同济大学测绘与地理信息学院，上海 200092

基于改进短弧积分法的GRACE重力反演理论、方法及应用

陈秋杰

同济大学测绘与地理信息学院，上海 200092

CHAMP、GRACE和GOCE等卫星重力任务的成功实施，为大地测量学、冰川学、海洋学、水文学等学科提供了诸多高时空分辨率的地球重力场模型。由于GRACE对地球重力场的长波段信号十分敏感，且能以较高的精度恢复中波段重力场信号，因此应用GRACE重力数据恢复时变与静态地球重力场，一直以来备受大地测量学者关注。本文在经典短弧积分法的基础上，对重力场反演理论和方法作进一步的探讨和改进，并用GRACE实测数据解算了静态和时变重力场模型，主要研究成果和创新点如下：

(1) 提出了改进短弧积分法，并对非保守力加速度和姿态观测误差进行建模。其主要创新点是以卫星观测轨道为初值对非线性运动方程进行线性化，从而有效地控制了线性化误差；除了引入轨道和星间距离或距离变率观测误差改正数外，还引入了非保守力加速度和姿态观测误差改正数；采用加权最小二乘法整体解算重力场参数和误差改正数。

(2) 采用一次差分消去星间距离观测值的模糊度参数，并建立了基于星间距离一次差分解算重力场参数的观测方程，利用GRACE卫星的星间距离观测数据解算了与采用星间距离变率观测数据精度相当的重力场模型。

(3) 分析了弧段长度对重力场反演精度的影响，确定了改进短弧积分法的最优弧段长度为2 h；评估约化动力学轨道先验重力场信息对重力场反演的影响，结果表明：对于纯GNSS轨道数据的重力场反演，重力场解算结果偏向于轨道先验重力场信息；当联合GNSS轨道和K波段数据后，先验重力场信息的影响可忽略。

(4) 完善了SAGAS(satellite gravimetry analysis software)卫星重力分析平台。应用SAGAS软件，采用改进短弧积分法和顾及非保守力加速度和姿态观测误差的改进短弧积分法分别解算了Tongji-GRACE01和Tongji-GRACE02无约束时变与静态地球重力场模型。这两个地球重力场模型已经被国际全球地球重力场模型中心ICGEM(International Centre of Global Earth Models)所认可并公开发布。

(5) 对Tongji-GRACE01无约束时变和静态重力场模型作了全面的分析，结果表明：Tongji-GRACE01时变重力场模型与国际CSR(Centre for Space Research)、GFZ(GeoForschungsZentrum)和JPL(Jet Propulsion Laboratory)等官方机构所分别解算的最新时变重力场模型CSR RL05、GFZ RL05a和JPL RL05处于同一水平，其在南极和南极半岛的质量变化信号与官方模型的相关系数均大于0.9；Tongji-GRACE01无约束静态模型与GGM05S和AIUB-GRACE03S精度水平相当。

(6) 比较了Tongji-GRACE02时变模型与CSR RL05、GFZ RL05a和JPL RL05的信噪水平，结果表明：Tongji-GRACE02时变模型的信噪比要高于官方模型。当仅使用300 km高斯滤波时，Tongji-GRACE02模型在海洋区域的噪声相比CSR RL05减小21%；当不使用任何滤波时，Tongji-GRACE02时变模型在沙漠区域的噪声相比CSR RL05减小60%。

(7) 基于Kaula约束解算了160阶次的Tongji-GRACE01K和180阶次的Tongji-GRACE02K静态模型。分析结果表明：Kaula约束能够有效稳定高阶位系数；Tongji-GRACE01K优于GGM05S、AIUB-GRACE03S、ITG-GRACE03和Tongji-GRACE01等无约束纯GRACE静态模型；Tongji-GRACE02K优于ITSG-GRACE2014S和ITSG-GRACE2014K等无约束和约束静态模型。

Author： CHEN Qiujie(1987—)，male，received his doctoral degree from Tongji University on June 2016，majors in satellite gravimetry.

E-mail： chenqiujie2009@163.com

Theory, Methodology and Application of GRACE Gravity Recovery Using Modified Short Arc Approach

CHEN Qiujie

College of Surveying and Geo-informatics, Tongji University, Shanghai 200092, China

陈秋杰.基于改进短弧积分法的GRACE重力反演理论、方法及应用[J].测绘学报，2017,46(1)：130.

10.11947/j.AGCS.2017.20160470. CHEN Qiujie.Theory, Methodology and Application of GRACE Gravity Recovery Using Modified Short Arc Approach[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(1):130. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20160470.

P228

D

1001-1595(2017)01-0130-01

国家973计划(2012CB957703)；国家自然科学基金(41474017；41274035)

2016-09-29

陈秋杰(1987—)，男，2016年6月毕业于同济大学，获工学博士学位(指导教师：沈云中教授、陈武教授和张兴福副教授)，研究方向为卫星重力。