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地球重力场反映地球的物质分布与运动,地球内部质量的改变均可以引起地球重力场的改变,对人造卫星轨道、空间飞行器的轨道设计和控制,及其运动规律都有着不可忽视的影响。在所有的地球重力场系数孛,二阶带谐项系数J2是最为重要的,是其他重力场系数的1000倍左右。目前人卫激光测距技术是研究地球低阶重力场系数变化的最主要技术之一,而Lageos1和Lageos2激光卫星因为其为球形对称,体积小,面质比小,轨道高而且稳定,是最适合的观测目标。利用大气表面气压、海底压和陆地水储量的全球网格数据,基于地球物理数值模型,是可以从理论上模拟质量分布变化及其对地球重力场变化的影响,这也为研究地球重力场变化提供了另外一种独立的方法。2002年GRACE成功发射,把地球重力场变化研究提高了一大步,到目前为止已经有9年多的观测数据,其重力场数据产品结果也已经被广泛用于研究地球内部质量变化。因此,本文主要利用人卫激光测距、地球物理模型以及GRACE对J2的变化特性展开分析,具体内容如下:
1)简单介绍了地球重力场变化的研究进展:人卫激光测距技术观测原理、精密定轨理论,包括时间系统、坐标系统、动力学模型和观测模型;地球重力场变化与卫星轨道之间的关系。
2)利用1993年1月至2010年12月Lageos1和Lageos2观测数据得到的J2变化,对解算过程的细节问题进行了详细的比较分析,包括解算不同的地球重力场系数;解算不同弧段的太阳光压和大气类阻力;采用不同的地球重力场模型以及是否解算周期性RTN加速度;通过各种方案的比较结果表明:J4对J2影响较大,不可忽略;太阳光压和大气类阻力的解算弧段不同得到的J2变化差异很小;采用GGM01C和GGM02C重力场模型得到的结果之间差异较小,而采用GGM01S和GGM02S与采用GGM01C和GGM02C得到的△J2存在着较大的系统羞;解算N方向加速度会引起△J2有两个量级的变化。
3)秘用SLR、GRACE以及地球物理模型(AOW)三种独立的方法对J2的季节变化进行比较分析,结果比较可得:三种方法得到的△J2周年振幅和相位值相互之间吻合的较好,三种方法得到的相位值相差最大仅17°;在NIB假设下大气得到的△J2周年振幅比在IB假设下大气得到的周年振幅大3倍左右,相位相差47°;大气和陆地水对△J2周年变化的贡献占主导地位,海洋的影响较小;SLR得到的周年振幅与AOW得到的结果相对更吻合,而且介于AOW(IB)和AOW(NIB)两种情况得到的振幅值之间;GRACE得到的周年振幅值最大,比SLR得到的振幅大50%左右;
4)利用1984年1月至2010年12月共27年的Lageos1以及1992年10月至2010年12月共18年的Lageos2两颗卫星观测数据研究分析不同时期的△J2季节变化和长期变化的特性,结果表明;不同时期的△J2季节变化和长期变化的特性不淹,长期变化总的趋势是减小,但不同解算差异较大,甚至反号;分析还发现在2007年至2010年间,J2可能荐次发生了类似“1998异常”的变化。