地球重力场天基测量理论及其内编队实现方法 张育林,王兆魁,刘红卫 著 专业科技 文轩网

第1章 绪论 1
1.1 地球重力场测量的意义 1
1.1.1 地球科学研究 1
1.1.2 地质灾害预报 2
1.1.3 矿产资源勘探 3
1.1.4 高精度惯性导航 3
1.2 地球重力场测量方法 4
1.2.1 地面重力测量 4
1.2.2 航空重力测量 4
1.2.3 海洋重力测量 5
1.2.4 天基重力测量 5
1.3 天基重力场测量的发展历程与现状 5
1.3.1 天基重力场测量的基本方法 5
1.3.2 绝对轨道摄动重力场测量 10
1.3.3 长基线相对轨道摄动重力场测量 15
1.3.4 短基线相对轨道摄动重力场测量 21
1.3.5 典型重力卫星系统 23
1.4 天基重力场测量的发展趋势 38
参考文献 45
第2章 地球形状与地球重力场 55
2.1 地球的形状和运动 55
2.1.1 地球的形状和内部结构 55
2.1.2 地球自转和公转 57
2.1.3 地球的基本参数 59
2.2 地球重力场 60
2.2.1 重力的概念 60
2.2.2 地球引力位的球谐展开 62
2.2.3 引力位函数的基本性质 66
2.2.4 正常地球与正常重力场 69
2.2.5 地球重力场测量中的指标量 76
2.3 全球重力场模型 77
2.3.1 全球重力场模型概述 77
2.3.2 SE重力场模型 84
2.3.3 GEM重力场模型 84
2.3.40 SU重力场模型 84
2.3.5 TEG重力场模型 85
2.3.6 JGM重力场模型 85
2.3.7 GRIM重力场模型 86
2.3.8 EGM96和EGM2008重力场模型 86
2.3.9 ITG重力场模型 86
2.3.10 GGM重力场模型 87
2.3.11 TUM重力场模型 87
2.3.12 EIGEN重力场模型 87
2.3.13 IGG重力场模型 87
2.3.14 DQM重力场模型 87
2.3.15 WDM重力场模型 88
2.3.16 不同重力场模型的性能评估 88
参考文献 94
第3章 地球重力场测量的数学基础 103
3.1 勒让德多项式与球谐函数 103
3.1.1 勒让德方程 103
3.1.2 勒让德多项式 104
3.1.3 缔合勒让德多项式 106
3.1.4 球谐函数 107
3.2 缔合勒让德函数导数的去奇异性计算 107
3.3 直角坐标系下的引力位函数及其偏导数 l10
3.4 微分方程组的数值解法 127
3.4.1 单步法 127
3.4.2 多步法 132
3.5 大型线性代数方程组解法 134
3.5.1 线性方程组的直接解法 135
3.5.2 线性方程组的迭代解法 140
参考文献 142
第4章 卫星轨道动力学基础 143
4.1 引言 143
4.2 时间系统及其转换 143
4.2.1 太阳时 144
4.2.2 世界时 144
4.2.3 恒星时 145
4.2.4 历书时 146
4.2.5 国际原子时 146
4.2.6 力学时 146
4.2.7 世界协调时 147
4.2.8 GPS时 148
4.2.9 儒略日 148
4.3 坐标系统及其转换 149
4.3.1 坐标系定义 149
4.3.2 地心惯性坐标系和地球固连坐标系的转换 150
4.3.3 地球固连坐标系和局部指北坐标系的转换 154
4.3.4 地心惯性坐标系和轨道坐标系的转换 154
4.4 二体问题 154
4.4.1 运动方程 154
4.4.2 面积积分 156
4.4.3 轨道积分 158
4.4.4 活力积分 161
4.4.5 近地点时间积分 163
4.5 卫星轨道描述 167
4.5.1 卫星轨道根数定义 167
4.5.2 由卫星轨道根数计算位置速度 169
4.5.3 由卫星位置速度计算轨道根数 170
4.6 卫星摄动运动方程 172
4.6.1 高斯型摄动运动方程 172
4.6.2 拉格朗日型摄动运动方程 177
4.7 重力卫星的受力模型 179
4.7.1 地球中心引力 180
4.7.2 地球非球形摄动力 180
4.7.3 大气阻力 182
4.7.4 太阳光压 182
4.7.5 日、月及行星引力 183
4.7.6 潮汐摄动和地球白转形变摄动 183
4.7.7 地球辐射压 184
4.7.8 广义相对论效应 185
4.7.9 经验摄动力 185
4.8 以轨道根数表示的地球非球形引力摄动位 185
4.9 地球引力场引起的轨道摄动特征 l91
参考文献 l93
第5章 重力卫星精密轨道确定方法 194
5.1 卫星精密轨道跟踪系统 194
5.1.1 DORIS 194
5.1.2 SLR 196
5.1.3 PRARE 196
5.1.4 GNSS 198
5.1.5 不同卫星轨道跟踪系统的比较 203
5.2 GPS观测方程 204
5.2.1 伪距观测 204
5.2.2 载波相位观测 205
5.2.3 多普勒观测 206
5.2.4 GPS观测模型的一般形式 207
5.2.5 GPS观测模型的线性化 208
5.3 GPS观测方程的偏导数 209
5.3.1 几何距离对GPS接收机状态矢量的偏导数 209
5.3.2 几何距离对GPS卫星状态矢量的偏导数 210
5.3.3 多普勒观测量的倔导数 210
5.3.4 钟差对其参数的偏导数 211
5.3.5 对流层改正项对其参数的偏导数 212
5.3.6 相位观测量模糊度参数的偏导数 212
5.4 GPS观测数据的组合与差分 212
5.4.1 GPS观测数据组合的一般形式 212
5.4.2 宽巷组合和窄巷组合 213
5.4.3 无电离层延迟组合 214
5.4.4 电离层残差组合 215
5.4.5 Melbourne Wubbena观测值 215
5.4.6 GPS载波相位差分观测值 216
5.5 星载GPS精密定轨方法 219
5.5.1 运动学方法 219
5.5.2 动力学方法 219
5.5.3 简化动力学方法 221
5.5.4 卫星定轨精度分析 221
5.6 重力卫星精密定轨的T程技术条件 223
5.6.1 GPS接收机时钟精度 223
5.6.2 GPS接收机天线安装及其相位中心确定 224
5.6.3 重力卫星姿态测量精度 224
5.6.4 IGS全球观测数据获取能力 224
5.6.5 SLR激光反射镜的安装精度 224
5.6.6 基于地面激光测距站的卫星定轨精度检验能力 225
参考文献 225
第6章 绝对轨道摄动重力场测量机理建模与任务设计方法 227
6.1 绝对轨道摄动重力场测量的基本原理 227
6.2 绝对轨道摄动重力场测量性能的解析建模 229
6.3 利用大规模数值模拟验证重力场测量解析模型 236
6.3.1 绝对轨道摄动重力场测量性能数值模拟 236
6.3.2 绝对轨道摄动重力场测量性能的解析模型校正 238
6.3.3 校正后的绝对轨道摄动重力场测量性能解析模型验证 241
6.4 任务参数对绝对轨道摄动重力场测量的影响分析 244
6.4.1 任务参数对重力场测量性能影响程度的分析模型 244
6.4.2 非引力干扰、定轨误差改变量对应的等效轨道高度改变量比较 246
6.4.3 非引力干扰、采样间隔改变量对应的等效轨道高度改变量比较 248
6.4.4 定轨误差、采样间隔改变量对应的等效轨道高度改变量比较 251
6.4.5 任务参数对应的等效轨道高度改变量比较 254
6.5 绝对轨道摄动重力场测量任务优化设计方法 256
6.5.1 重力场测量任务参数的影响规律 257
6.5.2 绝对轨道摄动重力场测量任务参数的优化设计方法 260
6.6 典型重力卫星任务轨道与数据产品 261
6.6.1 CHAMP卫星任务轨道 261
6.6.2 CHAMP卫星重力场测量数据产品及性能分析 266
参考文献 274
第7章 长基线相对轨道摄动重力场测量机理建模与任务设计方法 276
7.1 长基线相对轨道摄动重力场测量机理 276
7.2 长基线相对轨道摄动重力场测量的解析建模 277
7.2.1 长基线相对轨道摄动重力场测量的熊量守恒方程 277
7.2.2 两个引力敏感器地心距之差与相对距离变化率的关系 280
7.2.3 两个引力敏感器相对距离变化率的数学表达式 282
7.2.4 长基线相对轨道摄动重力场测量性能的解析模型 284
7.2.5 长基线相对轨道摄动重力场测量解析模型的验证 291
7.3 长基线相对轨道摄动重力场测量任务轨道与载荷匹配设计方法 292
7.3.1 轨道高度的优化选择 292
7.3.2 引力敏感器相对距离的优化选择 293
7.3.3 相对距离变化率测量误差、非引力干扰和定轨误差的优化选择 296
7.3.4 观测数据采样间隔的选择 297
7.3.5 总任务时间的确定 298
7.4 典型重力卫星任务轨道与数据产品 298
7.4.1 GRACE卫星任务轨道 298
7.4.2 GRACE卫星重力场测量数据产品及性能分析 303
参考文献 311
第8章 短基线相对轨道摄动重力场测量机理建模与任务设计方法 313
8.1 局部指北坐标系下的重力梯度表示 313
8.2 径向短基线相对轨道摄动重力场测量的解析建模 315
8.3 迹向短基线相对轨道摄动重力场测量的解析建模 319
8.4 轨道面法向短基线相对轨道摄动重力场测量的解析建模 321
8.5 短基线相对轨道摄动重力场测量的解析模型 322
8.6 短基线相对轨道摄动重力场测量任务优化设计方法 323
8.6.1 短基线相对轨道摄动重力场测量任务参数的影响规律 323
8.6.2 短基线相对轨道摄动重力场测量任务参数的优化设计方法 329
8.7 典型重力卫星任务轨道与数据产品 330
8.7.1 GOCE卫星任务轨道 330
8.7.2 GOCE卫星重力场测量数据产品及性能分析 333
参考文献 343
第9章 三种天基重力场测量方法的内在联系及统 描述 345
9.1 概述 345
9.2 绝对和迹向长基线相对轨道摄动重力场测量的内在联系 345
9.2.1 绝对和长基线相对轨道摄动重力场测量内在联系的定性分析 345
9.2.2 长基线相对轨道摄动到绝对轨道摄动重力场测量参数的变换 346
9.2.3 绝对轨道摄动到长基线相对轨道摄动重力场测量参数的变换 351
9.3 长基线和短基线相对轨道摄动重力场测量的内在联系 354
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