第七章:卫星重力发展现状.ppt
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重力卫星的发展及应用,1.卫星发展现状,利用卫星技术进行动态地球重力场的研究经历了近30年的发展,目前已进入了实施阶段。
同时也标志着卫星重力学研究也随之进入了一个全新的阶段。
它们在地球科学中的应用将是广泛的,其影响将是深远的。
特别对于固体地球物理学、海洋学以及大地测量学等领域,重力卫星将会带来革命性的变化,其意义不亚于GPS。
1.卫星发展现状(续),已经发射的卫星:
CHAMP卫星(2000/07/15)GRACE卫星(2002/03/17)GOCE卫星(2009年3月17日发射),CHAMP卫星,CHAMP卫星简介,研究背景地球是一个由固态、流体和气态物质构成的复杂系统。
其中发生的相互作用是在相差悬殊的时标下进行的。
客观描述这种复杂系统必须有全球性的、长期的观测资料积累,而通过近地卫星观测是系统地获取全球性观测数据的有效途径。
在1994年之前,除了19791980年期间的MAGSAT磁场计划,几乎没有实施过专门针对地球磁场、重力场研究的空间飞行项目。
正是在这种情况下,1994年,德国的波茨坦地球科学研究中心(GFZGeoForschungsZentrumPotsdam)提出实施CHAMP(ChallengingMinisatellitePayload的简称,即富有挑战性的小型卫星有效载荷)卫星计划。
CHAMP卫星简介,CHAMP卫星结构示意图,CHAMP卫星简介,CHAMP卫星技术参数,CHAMP卫星简介,CHAMP卫星在轨示意图,CHAMP卫星简介,GlobalnetworkoftheInternationalLaserRangingService(ILRS)(yellow)CHAMPdownlinkstationcoverage(blue),CHAMP卫星轨道示意图,CHAMP卫星简介,CHAMP卫星工作原理图,GPSGroundStation,异常体,CHAMP卫星简介,用星载GPS接收机,连续不断地、精确地确定CHAMP卫星的位置,用轨道摄动的数据推算引力异常。
这种用高空卫星来追踪低空卫星以导出地球引力异常的方案称为SST-hl(satellite-to-satellitetrackinginthehigh-lowmode)。
用三轴加速度计来测量作用于卫星的非引力加速度,如空气阻力、地球反照和太阳辐射等,以获得仅仅由地球引力异常导致的轨道偏移。
用一组星光仪确定卫星相对于惯性参考系的姿态。
CHAMP卫星工作原理,CHAMP卫星简介,通过卫星轨道扰动分析得到中、长期地球重力场的静态和动态模型(至l=50,m=50;或者40001000km的空间解析度),该模型可以应用于地球物理学、大地测量学和海洋学。
全球电磁场分布图及其在地球物理学和日地物理学中的应用。
大气层和电离层探测及其在全球气候研究、天气预报、灾害研究和导航中的应用。
CHAMP卫星预期任务,CHAMP卫星简介,CHAMP卫星数据处理系统,CHAMP卫星简介,不同的预期任务产生了不同的数据处理系统:
1.OrbitandGravityFieldProcessingSystem(SDS-OG)轨道和重力场处理系统2.MagneticandElectricFieldProcessingSystems(SDS-ME)电磁场处理系统3.NeutralAtmosphereProfilingSystem(SDS-AP)大气层探测系统4.IonosphereProfilingSystem(SDS-IP)电离层探测系统,CHAMP卫星数据处理系统,CHAMP卫星简介,1.OrbitandGravityFieldProcessingSystem(SOS-OG):
level-1:
GPSCHAMPsatellite-to-satellitephaseandcodetrackingobservations;GPSgroundstationphaseandcodetrackingobservations,level-2:
preprocessedaccelerometerobservations,linearandangularaccelerationswithattitudeinformationandthrusterfiringtimeevents,level-3:
rapidscienceorbitsofCHAMPandtheGPSsatellitesintheConventionalTerrestrialSystem,andprocessedwithashorttimedelayafterdatadownload,level-4:
postprocessedpreciseorbitsofCHAMPandtheGPSsatellitesand,derivedfromthese,globalEarthgravityfieldmodels,representedbytheadjustedcoefficientsofasphericalharmonicexpansionofthegravitationalgeopotential:
periodsolutionsandprogressivelyaccumulatedsolution.,CHAMP卫星数据产品
(1),CHAMP卫星简介,2.MagneticandElectricFieldProcessingSystem(SOS-ME)level-2:
magneticfield;bothscalarandvectorfield;thelatteraswellinsensorsystemasinlocalcoordinates(North,East,Down),allat1Hzrate;preciseattitudederivedfromAdvancedStellarCompassfortheboominstrumentationata1Hzrate,level-4:
mainfieldmodels;sphericalharmonicexpansiontodegreeandorder13derivedfromspacecraftdataanditssecularvariationcoefficientsfromspaceandground-basedobservations;updatesofthemodelabouteverythreemonths.,CHAMP卫星数据产品
(2),CHAMP卫星简介,3-4.Atmosphere/IonosphereProfilingSystems(SOS-AP/IP)level-1:
GPS-CHAMPradiooccultationmeasurements,GPSgroundstationphaseandcodetrackingobservations,level-2:
listofoccultationeventsperday;characterizinginformationoftheoccultationatmosphericexcesspath;timetaggedatmosphericexcesspathoftheoccultation,linkannotatedwithSNRandorbitinformationofCHAMPandtheoccultingGPSsatelliteforeachoccultationevent,level-3:
Atmosphere:
verticalprofilesofatmosphericbendingangleandgeopotential,Abel-invertedprofilesofrefractivity,dryair-density,-pressureand-temperature,and,adoptingtemperaturefromglobalanalyses,specificandrelativehumidity,partialpressureandmixingratiosofwatervapourinthetroposphere,alongwithtotalatmosphericpressure,temperatureandgeopotential,Ionosphere:
linkrelatedTECdataandverticalprofilesofelectrondensity.,CHAMP卫星数据产品(3),CHAMP卫星简介,以上数据产品均可从GFZ数据中心免费下载:
http:
/isdc.gfz-potsdam.de/,CHAMP卫星数据下载,CHAMP卫星简介,*表示CHAMP和GRACE及卫星测高和地面数据联合解,CHAMP卫星重力场模型成果,CHAMP卫星简介,EIGEN-CHAMP03S解算的全球大地水准面,CHAMP卫星成果
(1),CHAMP卫星简介,EIGEN-CG01C解算的全球自由空气重力异常,CHAMP卫星成果
(2),CHAMP卫星简介,EIGEN-CHAMP03S解算的全球重力异常,CHAMP卫星成果(3),CHAMP卫星简介,GRACE卫星,GRACE卫星简介,GRACE重力卫星计划由美国国家宇航署(NASA)和德国空间飞行中心(DLR)联合开发,旨在获取地球重力场的中长波部分及全球重力场的时变特征,并可用于探测大气和电离层环境。
GRACE重力卫星计划的工程管理由美国喷气动力实验室(JPL)负责。
科学数据处理、分发与管理由美国喷气动力实验室(JPL)、德克萨斯大学空间研究中心(CSR)和德国地学研究中心(GFZ)共同承担.,GRACE卫星重力计划,GRACE卫星简介,GRACE卫星结构图
(1),GRACE卫星简介,GRACE卫星结构图
(2),GRACE卫星简介,GRACE卫星发射,GRACE卫星的发射,GRACE卫星简介,卫星进入轨道后飞行示意图,GRACE卫星简介,GRACE卫星技术参数,GRACE卫星简介,GRACE卫星工作原理图,GPSSatellites,GPSGroundStation,MassAnomaly,MicrowaveRangingMeasurement,GRACE卫星简介,以SST-hl模式测量轨道的摄动,由此也可换算出引力场。
改进的三轴加速度计。
用K-频带1840GHz测距系统连续不断地测定2颗卫星之间的距离,测量精度优于10m。
两星间的距离变化反映两星感受到的引力的变化,也就是说,2颗卫星之间距离的变化是地球引力场特征的一种直接的度量。
用一颗低空卫星追踪另一颗低空卫星以导出地球引力异常,这种方案称为SST-ll(Satellite-to-SatelliteTrackinginlow-lowmode)。
GRACE卫星工作原理,GRACE卫星简介,GRACE卫星数据处理流程
(1),GRACE卫星数据处理流程
(2),GRACE卫星简介,概况:
GRACE卫星的数据系统是一个分布式的系统,系统的发展、数据的处理和归档由喷气动力实验室(JPL),德克萨斯州大学空间研究中心(UTCSR)和波茨坦地学中心(GFZ)完成。
该数据系统的设计任务就是利用每月的数据并基于某已知的模型来解算地球重力场,并按照GRACE科学数据系统发展计划来完成。
GRACE卫星计划的数据总流程如上图,绿色阴影部分表示科学数据系统数据。
GRACE卫星数据产品
(1),GRACE卫星简介,Level-0数据:
Level-0数据是通过GRACE原始数据中心(RDC)对卫星数据的接受、记录、分解而得的自动测量记录数据结果。
原始数据中心设在德国新施特雷利茨(Neustrelitz)的航天局(DLR)。
从每个下行路线得到的卫星数据都被分为了科学装备部分和卫星日常管理数据流,并放到了RDC的滚动档案中,这样从每个卫星的每个下行路线得到的两种数据在滚动方案中都可以获得,这两种文档就是Level-0数据。
GRACE卫星数据产品
(2),GRACE卫星简介,Level-1A数据:
Level-1A数据是对Level-0数据的非破坏性的处理结果,传感器校准系数的采用是为了改变工程单位的二进制编码测量,必要时,时刻标签整秒模糊的地方就可以得到解决并且会在各个卫星接收机时刻标上时刻标签。
同时也标上编辑和质量管理标签,数据也为以后进一步处理重新格式化了。
除了坏的数据包外,Level-1A数据可以转换为Level-0数据,同时也包括了下一步处理所需要的附属数据。
Level-1B数据:
Level-1B数据是由Level-1A数据和Level-0数据处理得到的,并且是不可逆的处理过程,这些数据被标上正确的时间,而且数据样本比原始数据减少了,从上一个层次的数据到1B层次的数据处理过程叫做Level-1B处理过程,这一层数据也包括处理过程的附属数据,并有助于下一步的处理。
GRACE卫星数据产品(3),GRACE卫星简介,Level-2数据:
Level-2数据数据产品是用上一层次数据产品的处理而得,主要包括不同类型的月重力场模型。
其中我们可以得到的重力场模型的类型有:
GSM、GCM、GAA、GAB、GAC、GAD等这几种模型分别表示:
只由GRACE数据建立的静态重力场模型、由GRACE数据联合地面数据建立的静态重力场模型、由一种背景模型计算的无大气潮、无海潮、无大气潮和海潮、联合海底压强的重力场模型。
GRACE卫星数据产品(4),GRACE卫星简介,GRACE卫星数据可以从以下网站免费获取:
(1)GFZ:
http:
/isdc.gfz-potsdam.de/
(2)JPL:
http:
/www.jpl.nasa.gov/(3)CSR:
http:
/www.csr.utexas.edu/grace/,GRACE卫星数据产品的下载,GRACE卫星简介,GRACE卫星重力场模型,GRACE卫星简介,GGM-01亚洲重力场模型,GRACE卫星成果
(1),GRACE卫星简介,GGM-01欧洲重力场模型,GRACE卫星成果
(2),GRACE卫星简介,EIGEN-CG01C重力场模型,GRACE卫星成果(3),GRACE卫星简介,EIGEN-GRACE02S大地水准面高,GRACE卫星成果(4),GRACE卫星简介,EIGEN-GRACE02S重力异常,GRACE卫星成果(5),GRACE卫星简介,检测陆地水储量变化,GRACE卫星成果(6),GRACE卫星简介,GRACE卫星成果(7),512大地震10阶同震重力变化空间分布,GRACE卫星简介,GRACE卫星成果(8),512大地震70阶同震重力变化空间分布,GRACE卫星观测研究实例,GRACE卫星研究北美大地水准面随时间变化,GRACE卫星观测研究实例,GRACE卫星观测研究实例,GRACE卫星观测研究实例,GOCE卫星,GOCE卫星简介,虽然CHAMP和GRACE卫星具有不同的轨道高度,由此产生不同的轨道扰动波谱,互相取长补短,可以给出一个非常可靠的高精度长波重力场模型,但是它们无法得到高精度的短波重力场,因此也不可能得出一个精确的全球重力场模型和精化的全球大地水准面。
总的来说,CHAMP卫星是一次概念性的试验,而CRACE卫星则提供了高精度的静态中长波重力场及重力场的时变信息同。
现代大地测量、地球物理、地球动力学和海洋学等相关地学学科的发展均迫切需要得到更加精细的全波段地球重力场和厘米级大地水准面支持,为了满足上述需求,欧空局(ESA)研制了最新的重力卫星GOCE,用于测定较高空间分辨率的重力场。
GOCE卫星研究背景,GOCE卫星简介,1.测定高精度和高空间分辨率静态重力场一大地水准面和重力异常,提供最新的具有高空间解析度、高精度的全球重力场模型和大地水准面。
空间解析度(半波长)将达20080km,最高可达65km,因而有望恢复250阶地球重力场模型和1cm精度的大地水准面,空间重力异常可达12magls。
2.丰富地球物理学中关于地球内部的知识,使人们对地球内部的结构、物质组成、密度结构变化有更加深入的了解。
3.精确测定海洋的水准面,结合卫星测高定量确定海洋的洋流以及海洋上热量的传递。
4.为地貌、地形等学科提供较好的用于数据连接的海拔参考系,以实现不同高程系统之间的链接,从而更好地确定地形的起伏变化,为大地测量服务。
5.通过与岩床地形学结合,精确估计两极冰盖的厚度,为研究冰盖变化提供依据。
GOCE卫星科学目标,GOCE卫星简介,GOCE卫星的结构图,1.固定的太阳能阵列机翼2.星体太阳能阵列3.尾鳍稳定装置4.重力梯度仪5.离子推进装置6.S波段天线7.GPS接受机,GOCE卫星简介,GOCE卫星进入预期轨道后,GOCE卫星简介,GOCE卫星轨道参数,GOCE卫星简介,GOCE卫星工作原理图,GPSGroundStation,SGGSuperconductingGravityGradiometer,GPSSatellites,MassAnomaly,GOCE卫星简介,卫星上装载2台关键的仪器:
一台是用于大地测量的GPS/GLONASS接收机,确定轨道的精度为几个厘米,GLONASS是全球导航卫星系统(globalnavigationsatellitesystem)的英文缩写,是苏联研制的导航系统,非常类似于GPS,由轨道的摄动可换算出中、长波长的引力场,最高球谐约60阶次;一台引力梯度仪(由三对伺服控制电容加速度计组成,每一对加速度计的距离为0.5m)测量3个坐标轴方向引力位的二阶导数,换算出引力场的中、短波长成分,其噪声水平低于3mE(310-12s-2,mE:
milliEotvos毫厄缶),可以测量10-13m/s2数量级的加速度。
由于卫星轨道较低,测量引力梯度的灵敏度较高GOCE确定大地水准面的准确度为1cm,确定引力的准确度为110-5m/s2,空间分辨力为100km。
在卫星上装载引力梯度仪直接测量引力位的二阶导数,再换算出引力场,这种方案称为卫星重力测量SGG。
GOCE是第一次实现SGG方案的代表,而且是一颗低轨道卫星,适合发现地球引力场的中、短波长成分。
GOCE卫星工作原理,加速度仪的相对位置及参考框架(GRF梯度仪参考框架;ARF-加速度仪参考框架),GOCE坐标系之间的几何关系,GOCE卫星简介,GOCE卫星数据处理流程图,GOCE卫星简介,GOCE卫星产生的数据分为3类:
(l)直接测量的数据,包括卫星重力梯度仪测量到的数据和GPS/GLONASS接收机得到的原始数据。
(2)利用一个时间序列的仪器参数和卫星轨道根数来标校重力梯度仪的数据;标校过的卫星局部坐标系下3个方向的重力梯度数据;按时间序列排列的校准过的重力梯度数据、GPS定轨数据、卫星姿态控制以及轨道数据。
(3)通过计算得出的最后结果。
GOCE卫星数据产品,引力位球谐函数表示,球函数系数规格化,扰动位与重力位的关系,扰动位的球函数表示,大地水准面高的计算,大地水准面高的球函数表示,重力异常的球函数表示,垂线偏差的球函数表示,高程系统之间的关系,高程异常的球函数表示,GOCE卫星简介,GOCE卫星应用于测地学,GOCE卫星简介,GOCE卫星研究地壳地慢和地核、预测地震,GOCE卫星简介,GOCE应用于洋流及气候变化,GOCE卫星简介,GOCE应用于研究冰层覆盖变化,GOCE卫星简介,GOCE卫星应用与海洋学,GOCE观测的日本地震区重力异常,GOCE计算全球重力异常,GOCE观测的中国重力异常,GOCE观测的青藏高原东北缘重力异常,三颗卫星重力计划比较,我国卫星重力场测量系统项目的发展规划,主要任务目的:
测量地球重力场的中长波分量。
测量模式:
混合卫-卫跟踪测量模式。
主要有效载荷:
静电悬浮加速度计、K波段星间测距仪、双频GPS/GLONASS接收机和星载激光反射器。
K波段星间测距仪用于实现两颗低轨重力卫星之间跟踪测量,双频GPS/GLONASS接收机用于实现低轨重力卫星和高轨GPS/GLONASS卫星之间的跟踪测量,星间激光反射器主要用于轨道模型的检验。
运载与发射方式:
“CZ4B”运载火箭,“一箭双星”发射。
发射基地:
山西太原卫星发射中心。
发射时间:
预计2017年。
第1代卫星重力测量系统方案,我国卫星重力场测量系统项目的发展规划,主要任务目的:
测量地球重力场的高频部分;其它相关任务(待定)。
测量模式:
高低卫-卫跟踪测量模式。
主要有效载荷:
重力梯度仪、双频GPS/GLONASS接收机和重力梯度仪用于星内重力位原位测量,双频力卫星和高轨GPS/GLONASS卫星之间的跟踪测的检验。
运载与发射方式:
“CZ4B”运载火箭。
发射基地:
山西太原卫星发射中心。
发射时间:
预计2021年。
第2代卫星重力测量系统方案,地球重力场信息与现代地球科学的关系,地球重力场在大地测量学中的作用,关系图解
(1),地球重力场在固体地球物理学中的作用,关系图解
(2),地球重力场在海洋物理学中的作用,关系图解(3),地球重力场在冰川研究中的作用,关系图解(4),谢谢!
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