[发明专利]全球重力场模型反演方法

说明书

本发明公开了一种全球重力场模型反演方法，包括步骤1：采集低轨重力卫星数据并进行预处理；步骤2：通过数值微分计算纯地球引力加速度观测值；步骤3：观测值定权策略构造新的观测方程；步骤4：参数估计得到地球重力场模型位系数。本发明基于参考模型的加速度域残差分析，直接采用自相关序列作为基本元素来构造对称Toeplitz协方差阵，可以有效避免由轨道先验稠密阵经误差传播定律计算加速度值协方差阵时高维大型矩阵的复杂运算过程，减少定权耗时，从而提高重力场模型解算效率。相较于经典方法，本发明提出的算法操作简洁高效，而且整体上能够保证重力场模型反演计算的效率稳定可靠。

技术领域

本发明涉及卫星重力探测技术领域，更具体的涉及一种全球重力场模型反演方法。

背景技术

地球重力场是地球内部物质分布及质量迁移的历史再现，确定地球重力场的精细结构及其时空变化具有重要的科学和现实意义，因此地球重力场的研究一直是大地测量学领域核心和热点问题。在众多地球重力场模型解算方法中，基于高低卫星跟踪卫星的加速度法由于原理简单计算耗时少而被广泛采用。加速度法是由卫星星历通过数值微分计算得到卫星运动载体加速度值，基于牛顿第二运动定律直接建立卫星高度处加速度观测值与重力场模型位系数之间的线性关系式来估算位系数，为获得最优解需要合理定权，目前最为流行的是基于轨道先验稠密阵误差传播定律的经典方法。其中，轨道先验稠密阵是指定轨确定的先验协方差阵，受GNSS星座影响导致矩阵具有稠密性 (非零元素占优)；轨道位置协方差阵经误差传播定律即可获得加速度观测值协方差信息。

采用经典方法处理时，首先需要已知轨道协方差信息，然后基于误差传播定律获得加速度协方差阵。但是当轨道精度较差时，误差传播后的加速度协方差阵信息较差，导致估算的位系数偏差大，反演地球重力场模型分辨率差，同时需解算高维大型矩阵，运算过程较为复杂，导致重力场反演计算效率低下。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中加速度法在构建观测值权阵时，由于矩阵维数较高，处理运算过程复杂，导致重力场模型反演计算效率低下的缺陷，提供一种能够有效减少定权耗时，提高模型解算效率，且稳定可靠的全球重力场模型反演方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提高一种全球重力场模型反演方法，包括以下步骤：

步骤1：采集低轨重力卫星数据并进行预处理；

步骤2：数值微分计算

采用移动中心窗口多项式微分法进行微分计算，并在此基础上扩展微分滤波器，抑制高频噪声的放大影响；根据步骤1的预处理结果和摄动力建模计算各项摄动加速度，同时基于星载加速度计确定非保守力；将载体运动加速度减去除地球引力外的保守力摄动加速度和非保守力摄动加速度，得到纯地球引力加速度观测值；

步骤3：观测值定权策略

引入参考重力场模型仿真模拟重力加速度，对其进行坐标变换旋转到惯性系下的重力加速度模拟值；将纯地球引力加速度观测值与重力加速度模拟值作粗差探测进行数理统计确定阈值，进而剔除超出阈值的信号；利用残差分析确定纯地球引力加速度观测值自相关序列，并将其视作基本元素，以此构造观测值自协方差阵；针对观测值有色噪声特性，对其观测值协方差阵Q 进行Cholesky分解Q＝R^TR,令F＝(R^T)^-1则重新构造新的观测方程y^*＝B^*x+Δ^*，使新的观测值y^*＝Fy满足白噪声(Q_y*＝E)，继而通过经典最小二乘准则解算位系数来提高计算效率；其中R和F分别是观测值协方差阵Q的乔列斯基分解矩阵；y*、B*和Δ^*分别表示新的观测量、设计阵和噪声；Q_y*表示新观测值的协方差阵，E为单位阵；

步骤4：参数估计