基于载波相位微分速度构建全球重力场的方法技术

本发明专利技术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，本发明专利技术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。

Construction of global gravity field based on differential velocity of carrier phase

【技术实现步骤摘要】
基于载波相位微分速度构建全球重力场的方法
本专利技术涉及卫星重力探测
，特别涉及基于载波相位微分速度构建全球重力场的方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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(GlobalNavigationSatelliteSystem)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(InternationalGNSSService)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；其中V表示引力位；E0表示能量积分常数；表示卫星动能；表示载体运动速度矢量；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：式中星载GNSS无电离层组合值为：数值微分导出：其中表示星载GNSS相位原始观测值；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；表示相位模糊度；表示未模型化误差；表示星载GNSS相位无电离层组合值；dTG表示GNSS卫星钟差；表示误差改正项；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：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：式中表示GNSS卫星到重力专用卫星间视线方向单位矢量；表示GNSS卫星与重力专用卫星间视线方向距离变率；表示重力专用卫星钟差的一阶导数；分别表示GNSS卫星运动速度矢量；表示载体运动速度矢量。本专利技术有益效果：本专利技术基于星载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，本专利技术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为本专利技术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专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，但应当理解本专利技术的保护范围并不受具体实施方式的限制。参照图1，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/nS1、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；/nS2、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；/nS3、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。/n

【技术特征摘要】
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。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴汤婷，胡伟建，卢立果，鲁铁定，王建强，刘丽晶，
申请(专利权)人：东华理工大学，
类型：发明
国别省市：江西;36