Swarm卫星精密定轨与加速度法恢复地球重力场

张兵兵

1.信阳师范学院地理科学学院，河南 信阳 464000；2.武汉大学测绘学院，湖北 武汉 430079

CHAMP卫星和GOCE卫星分别于2010年和2013年坠落，GRACE卫星仍然超预期运行，随时会坠落，而后续重力卫星计划GRACE Follow-On预计2018年发射，在此期间，Swarm作为唯一的低轨重力观测卫星，将填补重力卫星观测的空白。本文对Swarm卫星精密定轨与加速度法恢复地球重力场进行了研究，实现了Swarm卫星运动学厘米级精密定轨和简化动力学厘米级精密定轨，并基于加速度法恢复了Swarm地球重力场模型。本文的主要内容如下：

(1)深入研究了卫星精密定轨和重力场恢复过程中涉及的坐标系统与时间系统，在此基础上，通过编程实现了卫星精密定轨与重力场恢复过程中涉及的各种坐标系统转换和时间系统转换。

(2)深入研究了与低轨卫星精密定轨有关的理论与方法，详细阐述了星载双频GPS观测模型、星载GPS非差数据的质量控制、动力学模型、最小二乘估计原理和低轨卫星轨道精度评定方法等主要内容，为下一步Swarm卫星精密定轨与精度评估打下理论基础。

(3)联合Swarm卫星星载GPS双频载波相位和伪距观测值进行Swarm卫星运动学精密定轨。试验结果表明：电离层活动剧烈时，Swarm卫星星载GPS相位观测值残差RMS约为5 mm；与参考轨道进行比较，径向轨道差值RMS约为4～5 cm，切向轨道差值RMS约为3～4 cm，法向轨道差值RMS约为3～5 cm；Swarm卫星运动学轨道SLR残差RMS约为4～5 cm。

(4)从重力场模型的种类和阶次入手，深入研究了重力场模型对Swarm卫星简化动力学定轨的影响。试验结果表明：精度较高的重力场模型能有效提高Swarm卫星简化动力学定轨精度；重力场模型阶次低于30时，Swarm卫星简化动力学定轨精度较低，为分米级；重力场模型阶次较高时，Swarm卫星简化动力学定轨精度较高且趋于稳定。

(5)Swarm卫星简化动力学定轨过程中，伪随机参数(伪随机脉冲和分段常数加速度)的合理选取对Swarm卫星简化动力学定轨精度的提升有重大贡献。针对伪随机参数自身的特征，给出了相应的设计方案，对伪随机参数进行优化。试验结果表明：当伪随机参数为伪随机脉冲时，优化的伪随机脉冲先验标准差为10-6m/s；当伪随机参数为分段常数加速度时，优化的分段常数加速度先验标准差为10-9m/s2。为了检验优化的伪随机参数在恶劣环境下的定轨精度，选取电离层活动剧烈时的Swarm卫星观测数据，引入优化的伪随机参数，采用简化动力学定轨方法对Swarm卫星进行精密定轨并进行精度评定。试验结果表明：星载GPS相位观测值残差RMS约为8～9 mm；与参考轨道进行比较，径向轨道差值RMS约为1 cm，切向和法向轨道差值RMS约为1～2 cm；Swarm卫星简化动力学轨道SLR残差RMS约为2～3 cm。

(6)电离层活动剧烈期间，采用解算的Swarm卫星运动学轨道和简化动力学轨道，基于加速度法恢复Swarm地球重力场模型，并进行精度评估。结果表明，电离层活动剧烈期间，Swarm地球重力场模型在40阶次内与EGM2008模型具有较好的一致性。因此，Swarm卫星完全有能力探测地球重力场信号，填补因GRACE无法工作与GRACE Follow on发射之前的空白，继续监测地球重力场信号。