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內容簡介

《地球重力場天基測量理論及其內編隊實現方法》係統講述地球重力場天基測量的解析理論以及基於內編隊係統的重力場測量實現方法，同時介紹與重力場測量相關的基礎知識。天基重力場測量的解析理論包括絕對軌道攝動重力場測量、長基綫和短基綫相對軌道攝動重力場測量以及衛星編隊重力場測量等不同測量方式下的分析方法。內編隊重力場測量實現方法涉及內編隊係統概述、內衛星純引力軌道構造、內外衛星相對狀態測量、內編隊飛行控製技術等。《地球重力場天基測量理論及其內編隊實現方法》內容豐富，體係完整，結構閤理。

目錄

目錄
第1章 緒論 1
1.1 地球重力場測量的意義 1
1.1.1 地球科學研究 1
1.1.2 地質災害預報 2
1.1.3 礦産資源勘探 3
1.1.4 高精度慣性導航 3
1.2 地球重力場測量方法 4
1.2.1 地麵重力測量 4
1.2.2 航空重力測量 4
1.2.3 海洋重力測量 5
1.2.4 天基重力測量 5
1.3 天基重力場測量的發展曆程與現狀 5
1.3.1 天基重力場測量的基本方法 5
1.3.2 絕對軌道攝動重力場測量 10
1.3.3 長基綫相對軌道攝動重力場測量 15
1.3.4 短基綫相對軌道攝動重力場測量 21
1.3.5 典型重力衛星係統 23
1.4 天基重力場測量的發展趨勢 38
參考文獻 45
第2章 地球形狀與地球重力場 55
2.1 地球的形狀和運動 55
2.1.1 地球的形狀和內部結構 55
2.1.2 地球自轉和公轉 57
2.1.3 地球的基本參數 59
2.2 地球重力場 60
2.2.1 重力的概念 60
2.2.2 地球引力位的球諧展開 62
2.2.3 引力位函數的基本性質 66
2.2.4 正常地球與正常重力場 69
2.2.5 地球重力場測量中的指標量 76
2.3 全球重力場模型 77
2.3.1 全球重力場模型概述 77
2.3.2 SE重力場模型 84
2.3.3 GEM重力場模型 84
2.3.40 SU重力場模型 84
2.3.5 TEG重力場模型 85
2.3.6 JGM重力場模型 85
2.3.7 GRIM重力場模型 86
2.3.8 EGM96和EGM2008重力場模型 86
2.3.9 ITG重力場模型 86
2.3.10 GGM重力場模型 87
2.3.11 TUM重力場模型 87
2.3.12 EIGEN重力場模型 87
2.3.13 IGG重力場模型 87
2.3.14 DQM重力場模型 87
2.3.15 WDM重力場模型 88
2.3.16 不同重力場模型的性能評估 88
參考文獻 94
第3章 地球重力場測量的數學基礎 103
3.1 勒讓德多項式與球諧函數 103
3.1.1 勒讓德方程 103
3.1.2 勒讓德多項式 104
3.1.3 締閤勒讓德多項式 106
3.1.4 球諧函數 107
3.2 締閤勒讓德函數導數的去奇異性計算 107
3.3 直角坐標係下的引力位函數及其偏導數 l10
3.4 微分方程組的數值解法 127
3.4.1 單步法 127
3.4.2 多步法 132
3.5 大型綫性代數方程組解法 134
3.5.1 綫性方程組的直接解法 135
3.5.2 綫性方程組的迭代解法 140
參考文獻 142
第4章 衛星軌道動力學基礎 143
4.1 引言 143
4.2 時間係統及其轉換 143
4.2.1 太陽時 144
4.2.2 世界時 144
4.2.3 恒星時 145
4.2.4 曆書時 146
4.2.5 國際原子時 146
4.2.6 力學時 146
4.2.7 世界協調時 147
4.2.8 GPS時 148
4.2.9 儒略日 148
4.3 坐標係統及其轉換 149
4.3.1 坐標係定義 149
4.3.2 地心慣性坐標係和地球固連坐標係的轉換 150
4.3.3 地球固連坐標係和局部指北坐標係的轉換 154
4.3.4 地心慣性坐標係和軌道坐標係的轉換 154
4.4 二體問題 154
4.4.1 運動方程 154
4.4.2 麵積積分 156
4.4.3 軌道積分 158
4.4.4 活力積分 161
4.4.5 近地點時間積分 163
4.5 衛星軌道描述 167
4.5.1 衛星軌道根數定義 167
4.5.2 由衛星軌道根數計算位置速度 169
4.5.3 由衛星位置速度計算軌道根數 170
4.6 衛星攝動運動方程 172
4.6.1 高斯型攝動運動方程 172
4.6.2 拉格朗日型攝動運動方程 177
4.7 重力衛星的受力模型 179
4.7.1 地球中心引力 180
4.7.2 地球非球形攝動力 180
4.7.3 大氣阻力 182
4.7.4 太陽光壓 182
4.7.5 日、月及行星引力 183
4.7.6 潮汐攝動和地球白轉形變攝動 183
4.7.7 地球輻射壓 184
4.7.8 廣義相對論效應 185
4.7.9 經驗攝動力 185
4.8 以軌道根數錶示的地球非球形引力攝動位 185
4.9 地球引力場引起的軌道攝動特徵 l91
參考文獻 l93
第5章 重力衛星精密軌道確定方法 194
5.1 衛星精密軌道跟蹤係統 194
5.1.1 DORIS 194
5.1.2 SLR 196
5.1.3 PRARE 196
5.1.4 GNSS 198
5.1.5 不同衛星軌道跟蹤係統的比較 203
5.2 GPS觀測方程 204
5.2.1 僞距觀測 204
5.2.2 載波相位觀測 205
5.2.3 多普勒觀測 206
5.2.4 GPS觀測模型的一般形式 207
5.2.5 GPS觀測模型的綫性化 208
5.3 GPS觀測方程的偏導數 209
5.3.1 幾何距離對GPS接收機狀態矢量的偏導數 209
5.3.2 幾何距離對GPS衛星狀態矢量的偏導數 210
5.3.3 多普勒觀測量的倔導數 210
5.3.4 鍾差對其參數的偏導數 211
5.3.5 對流層改正項對其參數的偏導數 212
5.3.6 相位觀測量模糊度參數的偏導數 212
5.4 GPS觀測數據的組閤與差分 212
5.4.1 GPS觀測數據組閤的一般形式 212
5.4.2 寬巷組閤和窄巷組閤 213
5.4.3 無電離層延遲組閤 214
5.4.4 電離層殘差組閤 215
5.4.5 Melbourne Wubbena觀測值 215
5.4.6 GPS載波相位差分觀測值 216
5.5 星載GPS精密定軌方法 219
5.5.1 運動學方法 219
5.5.2 動力學方法 219
5.5.3 簡化動力學方法 221
5.5.4 衛星定軌精度分析 221
5.6 重力衛星精密定軌的T程技術條件 223
5.6.1 GPS接收機時鍾精度 223
5.6.2 GPS接收機天綫安裝及其相位中心確定 224
5.6.3 重力衛星姿態測量精度 224
5.6.4 IGS全球觀測數據獲取能力 224
5.6.5 SLR激光反射鏡的安裝精度 224
5.6.6 基於地麵激光測距站的衛星定軌精度檢驗能力 225
參考文獻 225
第6章 絕對軌道攝動重力場測量機理建模與任務設計方法 227
6.1 絕對軌道攝動重力場測量的基本原理 227
6.2 絕對軌道攝動重力場測量性能的解析建模 229
6.3 利用大規模數值模擬驗證重力場測量解析模型 236
6.3.1 絕對軌道攝動重力場測量性能數值模擬 236
6.3.2 絕對軌道攝動重力場測量性能的解析模型校正 238
6.3.3 校正後的絕對軌道攝動重力場測量性能解析模型驗證 241
6.4 任務參數對絕對軌道攝動重力場測量的影響分析 244
6.4.1 任務參數對重力場測量性能影響程度的分析模型 244
6.4.2 非引力乾擾、定軌誤差改變量對應的等效軌道高度改變量比較 246
6.4.3 非引力乾擾、采樣間隔改變量對應的等效軌道高度改變量比較 248
6.4.4 定軌誤差、采樣間隔改變量對應的等效軌道高度改變量比較 251
6.4.5 任務參數對應的等效軌道高度改變量比較 254
6.5 絕對軌道攝動重力場測量任務優化設計方法 256
6.5.1 重力場測量任務參數的影響規律 257
6.5.2 絕對軌道攝動重力場測量任務參數的優化設計方法 260
6.6 典型重力衛星任務軌道與數據産品 261
6.6.1 CHAMP衛星任務軌道 261
6.6.2 CHAMP衛星重力場測量數據産品及性能分析 266
參考文獻 274
第7章 長基綫相對軌道攝動重力場測量機理建模與任務設計方法 276
7.1 長基綫相對軌道攝動重力場測量機理 276
7.2 長基綫相對軌道攝動重力場測量的解析建模 277
7.2.1 長基綫相對軌道攝動重力場測量的熊量守恒方程 277
7.2.2 兩個引力敏感器地心距之差與相對距離變化率的關係 280
7.2.3 兩個引力敏感器相對距離變化率的數學錶達式 282
7.2.4 長基綫相對軌道攝動重力場測量性能的解析模型 284
7.2.5 長基綫相對軌道攝動重力場測量解析模型的驗證 291
7.3 長基綫相對軌道攝動重力場測量任務軌道與載荷匹配設計方法 292
7.3.1 軌道高度的優化選擇 292
7.3.2 引力敏感器相對距離的優化選擇 293
7.3.3 相對距離變化率測量誤差、非引力乾擾和定軌誤差的優化選擇 296
7.3.4 觀測數據采樣間隔的選擇 297
7.3.5 總任務時間的確定 298
7.4 典型重力衛星任務軌道與數據産品 298
7.4.1 GRACE衛星任務軌道 298
7.4.2 GRACE衛星重力場測量數據産品及性能分析 303
參考文獻 311
第8章 短基綫相對軌道攝動重力場測量機理建模與任務設計方法 313
8.1 局部指北坐標係下的重力梯度錶示 313
8.2 徑嚮短基綫相對軌道攝動重力場測量的解析建模 315
8.3 跡嚮短基綫相對軌道攝動重力場測量的解析建模 319
8.4 軌道麵法嚮短基綫相對軌道攝動重力場測量的解析建模 321
8.5 短基綫相對軌道攝動重力場測量的解析模型 322
8.6 短基綫相對軌道攝動重力場測量任務優化設計方法 323
8.6.1 短基綫相對軌道攝動重力場測量任務參數的影響規律 323
8.6.2 短基綫相對軌道攝動重力場測量任務參數的優化設計方法 329
8.7 典型重力衛星任務軌道與數據産品 330
8.7.1 GOCE衛星任務軌道 330
8.7.2 GOCE衛星重力場測量數據産品及性能分析 333
參考文獻 343
第9章 三種天基重力場測量方法的內在聯係及統 描述 345
9.1 概述 345
9.2 絕對和跡嚮長基綫相對軌道攝動重力場測量的內在聯係 345
9.2.1 絕對和長基綫相對軌道攝動重力場測量內在聯係的定性分析 345
9.2.2 長基綫相對軌道攝動到絕對軌道攝動重力場測量參數的變換 346
9.2.3 絕對軌道攝動到長基綫相對軌道攝動重力場測量參數的變換 351
9.3 長基綫和短基綫相對軌道攝動重力場測量的內在聯係 3
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