Swarm衛星精密定軌與加速度法恢復地球重力場

張兵兵

1.信陽師范學院地理科學學院，河南 信陽 464000；2.武漢大學測繪學院，湖北 武漢 430079

CHAMP衛星和GOCE衛星分別于2010年和2013年墜落，GRACE衛星仍然超預期運行，隨時會墜落，而后續重力衛星計劃GRACE Follow-On預計2018年發射，在此期間，Swarm作為唯一的低軌重力觀測衛星，將填補重力衛星觀測的空白。本文對Swarm衛星精密定軌與加速度法恢復地球重力場進行了研究，實現了Swarm衛星運動學厘米級精密定軌和簡化動力學厘米級精密定軌，并基于加速度法恢復了Swarm地球重力場模型。本文的主要內容如下：

(1)深入研究了衛星精密定軌和重力場恢復過程中涉及的坐標系統與時間系統，在此基礎上，通過編程實現了衛星精密定軌與重力場恢復過程中涉及的各種坐標系統轉換和時間系統轉換。

(2)深入研究了與低軌衛星精密定軌有關的理論與方法，詳細闡述了星載雙頻GPS觀測模型、星載GPS非差數據的質量控制、動力學模型、最小二乘估計原理和低軌衛星軌道精度評定方法等主要內容，為下一步Swarm衛星精密定軌與精度評估打下理論基礎。

(3)聯合Swarm衛星星載GPS雙頻載波相位和偽距觀測值進行Swarm衛星運動學精密定軌。試驗結果表明：電離層活動劇烈時，Swarm衛星星載GPS相位觀測值殘差RMS約為5 mm；與參考軌道進行比較，徑向軌道差值RMS約為4～5 cm，切向軌道差值RMS約為3～4 cm，法向軌道差值RMS約為3～5 cm；Swarm衛星運動學軌道SLR殘差RMS約為4～5 cm。

(4)從重力場模型的種類和階次入手，深入研究了重力場模型對Swarm衛星簡化動力學定軌的影響。試驗結果表明：精度較高的重力場模型能有效提高Swarm衛星簡化動力學定軌精度；重力場模型階次低于30時，Swarm衛星簡化動力學定軌精度較低，為分米級；重力場模型階次較高時，Swarm衛星簡化動力學定軌精度較高且趨于穩定。

(5)Swarm衛星簡化動力學定軌過程中，偽隨機參數(偽隨機脈沖和分段常數加速度)的合理選取對Swarm衛星簡化動力學定軌精度的提升有重大貢獻。針對偽隨機參數自身的特征，給出了相應的設計方案，對偽隨機參數進行優化。試驗結果表明：當偽隨機參數為偽隨機脈沖時，優化的偽隨機脈沖先驗標準差為10-6m/s；當偽隨機參數為分段常數加速度時，優化的分段常數加速度先驗標準差為10-9m/s2。為了檢驗優化的偽隨機參數在惡劣環境下的定軌精度，選取電離層活動劇烈時的Swarm衛星觀測數據，引入優化的偽隨機參數，采用簡化動力學定軌方法對Swarm衛星進行精密定軌并進行精度評定。試驗結果表明：星載GPS相位觀測值殘差RMS約為8～9 mm；與參考軌道進行比較，徑向軌道差值RMS約為1 cm，切向和法向軌道差值RMS約為1～2 cm；Swarm衛星簡化動力學軌道SLR殘差RMS約為2～3 cm。

(6)電離層活動劇烈期間，采用解算的Swarm衛星運動學軌道和簡化動力學軌道，基于加速度法恢復Swarm地球重力場模型，并進行精度評估。結果表明，電離層活動劇烈期間，Swarm地球重力場模型在40階次內與EGM2008模型具有較好的一致性。因此，Swarm衛星完全有能力探測地球重力場信號，填補因GRACE無法工作與GRACE Follow on發射之前的空白，繼續監測地球重力場信號。