重力卫星空间扰动引力谱分析与轨道设计

重力卫星空间扰动引力谱分析与轨道设计肖云庞振兴西安测绘研究所二

九年八月目录一、问题提出二、重力卫星空间扰动引力谱分析三、重力卫星轨道设计四、总结一.问题提出1.重力卫星优势特征卫星轨道较低，敏感到低、中频段重力场信息星载GPS，实现几乎全时段低轨卫星跟踪高精度加速度计高精度低轨卫星星间测距、测速系统高精度空间重力梯度仪一.问题提出2.重力卫星观测值距离、距离变化率信息非保守力重力梯度空间扰动引力一.问题提出3.空间扰动引力表达式卫星地心距一.问题提出4.扰动引力与轨道参数间基本关系一.问题提出5.研究出发点我国卫星重力测量计划重力卫星性能与卫星轨道参数关系关系密切但是对于轨道因素的讨论却非常少基于此，本文从空间扰动引力谱特性分析为切入点，深入讨论重力卫星轨道高度设计、星间距离设计和卫星轨道倾角的理论依据。二.重力卫星空间扰动引力谱分析1.主要研究内容：扰动引力垂直分布特性分析扰动引力水平分布特性分析二.重力卫星空间扰动引力谱分析2.扰动引力谱表达式：二.重力卫星空间扰动引力谱分析3.评价扰动引力谱的平均量级公式：二.重力卫星空间扰动引力谱分析4.扰动引力垂直分布特性分析：试验1：设定卫星轨道高度分别为600km、500km和400km，卫星经度和纬度均为零，计算该空间点重力场扰动引力二.重力卫星空间扰动引力谱分析4.扰动引力垂直分布特性分析：试验2：假设卫星轨道倾角为90°，设定卫星轨道高度分别为600km、500km和400km，经度设定为0°，纬度从-90°~90°每隔2°计算一个空间扰动引力，绕轨道一周得到90个空间扰动引力值。二.重力卫星空间扰动引力谱分析4.扰动引力垂直分布特性分析：结论：扰动引力随高度增加而减小；600km高度处的扰动引力谱分量101~120阶存在接近或小于10-5mgal的分量；500km高度处的扰动引力谱分量也存在；400km高度处的扰动引力谱分量不存在，而且引力谱分量基本高于加速度计噪声水平一个数量级；因此，考虑到现有星载加速度计噪声水平，选择轨道高度不宜太高，400-500km为宜。二.重力卫星空间扰动引力谱分析5.扰动引力水平分布特性分析：试验3：假设两颗卫星同轨，轨道高度500km，轨道倾角90°，两颗星的经度均为0°，前星纬度分别设为1°、2°和3°，后星纬度均设为0°，计算两颗星扰动引力差。二.重力卫星空间扰动引力谱分析5.扰动引力水平分布特性分析：试验4：假设两颗卫星同轨，轨道高度500km，轨道倾角90°，两颗星的经度均为0°，两颗卫星地心夹角分别设为1°、2°和3°，在一个完整的轨道上每隔1°计算扰动引力差，再按照式（6）计算一轨的空间沿纬度方向扰动引力差的平均值，扰动引力差数值见表。二.重力卫星空间扰动引力谱分析5.扰动引力水平分布特性分析：结论：相距3°的两颗卫星的扰动引力差在低阶差值数值较大，在2~60阶有较明显优势；相距2°的两颗卫星扰动引力差在较高阶数值逐渐表现出优势；相距1°的两颗卫星扰动引力差在数值上小于相应于2°扰动引力差，在较高阶100~120其扰动引力差数值大于相应于3°扰动引力差数值，仍小于相应于2°扰动引力差。10075120三.重力卫星轨道设计1.重力卫星轨道高度设计：依据：需求、扰动引力垂直分布特性、测量噪声水平原则：可能性+可行性为了提高卫星系统对地球重力场信号的敏感程度，从而提高模型解算精度，重力卫星轨道应尽可能低；但是考虑到卫星轨道高度低于400km时，卫星星体受到较大的大气阻力，卫星轨道衰减很快，姿态不稳定性增加，需要采用无拖曳技术对卫星进行控制；而且考虑到加速度计量程，轨道高度也不宜太低。

设计轨高：初始500km为宜，工作高度设计为450km

。三.重力卫星轨道设计2.重力卫星两颗卫星星间距设计：依据：需求、扰动引力垂直分布特性、测量噪声水平原则：可能性+可行性星间距离设计：3°星间距离设计有利于低阶重力场信号恢复；2°的星间距离设计扰动引力差值在75阶~120阶均不小于相应3°的扰动引力差值，2~75阶略小；1°的扰动引力差值在频段2~120内明显较小。依据地球重力场分辨率最高达到120阶需求，两颗卫星星间距离设计为2°较合适。三.重力卫星轨道设计3.重力卫星轨道倾角设计：依据：卫星轨道倾角越大则星下轨迹覆盖率越大，因此为了提高重力测量数据空间覆盖率，实现近乎全球数据采集，需将卫星轨道倾角设计为极轨，以便尽可能减小极区无数据范围。轨道倾角设计为90°较为合适。四.结论扰动引力垂直分布特性分析表明：400km高度处的扰动引力谱分量中不存在小于10-5mgal水平的分量，而且引力谱分量基本高于加速度计噪声水平一个数量级，因此重力卫星正常工作后在400km轨道高度处较为合适。空间扰动引力差随着阶数提高，其数值明显减小；在频段101~120内，相应2