基于双星相邻能量差分原理的星载加速度计数据标校方法

摘要

本发明涉及卫星大地测量学、地球物理学、空间科学等交叉技术领域的一种基于新型双星相邻能量差分原理的星载加速度计非保守力数据精确标校的方法；在建立无参考扰动位的双星扰动位差观测方程的基础上，利用全球重力场模型的先验信息，并基于相邻能量差分原理建立了新型相邻能量差分观测方程，拟合出标校参数的尺度因子和偏差因子，实现对星载加速度计非保守力数据的精确标校；本方法标校精度高，同时适用于单星和双星加速度计数据的快速标校，能有效提高地球重力场反演精度。

主权项

1.一种基于双星相邻能量差分原理的星载加速度计非保守力数据的标校方法，包含下列步骤：步骤一：对卫星数据进行预处理，具体包括：1.1)采集双频GPS接收机得到的轨道数据：为了保证轨道数据的精度和连续性，去除卫星轨道存在的重叠期，进行轨道数据的拼接；截掉由于定轨弱约束造成的卫星轨道数据的开始和结束时段处精度较低的数据；基于3σ准则即莱以特准则，剔除轨道数据中存在的粗大误差；1.2)采集K波段测量仪得到的星间速度数据：基于t检验准则即罗曼诺夫斯基准则，剔除星间速度数据中存在的粗大误差；基于9阶Lagrange多项式，插值获得间断的星间速度数据；1.3)采集恒星敏感器得到的四元数姿态数据：基于t检验准则即罗曼诺夫斯基准则，剔除四元数姿态数据中存在的粗大误差；基于9阶Lagrange多项式，插值获得间断的四元数姿态数据；1.4)采集星载加速度计得到的非保守力数据：基于t检验准则即罗曼诺夫斯基准则，剔除非保守力数据中存在的粗大误差；基于9阶Lagrange多项式，插值获得间断的非保守力数据；步骤二：对星载加速度计非保守力数据进行标校，具体包括：根据步骤一中预处理后的恒星敏感器四元数姿态数据，实施星载加速度计的非保守力数据在地心惯性坐标系和加速度计坐标系之间的相互转换，其中：将步骤一中预处理后的星载加速度计非保守力数据由卫星坐标系转换到加速度计坐标系： 其中，表示位于加速度计坐标系的加速度计非保守力数据，表示位于卫星坐标系的加速度计非保守力数据，B表示由卫星坐标系到加速度计坐标系的转换矩阵加速度计非保守力数据的标校包括尺度因子和偏差因子的修正其中，下标i表示GRACE-A/B，i＝1，2；下标j表示x，y，z轴，j＝1，2，3；a_ij表示未修正的加速度计非保守力数据，k_ij表示尺度因子，b_ij表示偏差因子，表示修正后的加速度计非保守力数据；GRACE卫星采用姿态四元数(q₁，q₂，q₃，q₄)^T来定义加速度计三轴姿态，欧拉角与姿态四元数的转换关系表示如下其中，θ表示章动角，0≤θ≤π；表示进动角，ψ表示自转角0≤ψ≤2π；由卫星坐标系到地心惯性坐标系的四元数变换矩阵为 将标校后的位于加速度计坐标系的加速度计非保守力数据转换回卫星坐标系，然后再由卫星坐标系转换到地心惯性坐标系，矩阵形式如下其中，表示位于地心惯性坐标系的加速度计非保守力数据；表示位于加速度计坐标系中标校后的加速度计非保守力数据；在地心惯性坐标系中，无参考扰动位的双星扰动位差观测方程建立如下T_e12＝E_k12-E_f12+V_ω12-V_T12- V₀₁₂-E₀₁₂，    (7)其中，T_e12表示双星扰动位差，E_k12表示双星动能差，E_f12表示双星耗散能差，V_ω12表示双星旋转能差，V_T12表示双星三体摄动能差，V₀₁₂表示双星中心引力位差，E₀₁₂表示双星能量积分常数差；无参考扰动位的双星扰动位差观测方程(7)可改写为其中，和分别表示双星各自的绝对速度矢量，f₁和f₂分别表示作用于双星的非保守力；令方程右式为E₁₂＝E_k12+V_ω12-V_T12-V₀₁₂-T_e12-E₀₁₂，假定有n个观测历元，对应时刻为t₁，t₂，…，t_n，则离散化的能量观测方程为相邻能量差分观测方程为其中，(k＝2，3，…，n)；由于相邻能量差分观测方程(10)中的所有参量都是卫星GPS接收机轨道位置r及轨道速度K波段测量仪星间速度加速度计非保守力f和恒星敏感器姿态四元数(q₁，q₂，q₃，q₄)^T的函数，因此根据步骤一中有效预处理后的卫星数据，基于已公布的全球重力场模型的先验信息，通过将式(3)和式(6)代入相邻能量差分观测方程(10)，可快速拟合出标校参数的尺度因子k_ij和偏差因子b_ij，实现对星载加速度计非保守力数据的精确标校。