测定地球重力场,确定高分辨高精度的地球重力场模型和大地水准面,是大地球测量学的主要任务之一,也是与相关地球学科交叉研究的重要领域。卫星技术的出现和迅速发展,使物理大地测量学家有了进行全球重力测量的有效工具,卫星的轨道运动主要受制于地球重力场,可视为承载地球重力场信息的一种传感器,研究利用卫星轨道跟踪观测数据恢复地球重力场的理论和方法,形成了卫星重力学这一新的学科分支,已经历了40余年的发展,从上世纪60年代开始,利用地面站对卫星的激光测距(SLR)跟踪数据,至今建立了近百个不同序列的长波重力场模型,可确定分米级精度的全球大地水准面,上世纪末研制成功能在高动态条件下接收和处理GPS导航信号的星载GPS接收机,实现了高轨GPS卫星对低轨专用重力卫星的精密跟踪测轨,精度达到厘米级,同时突破了两颗低轨卫星之间的同轨跟踪测距和星载加速度计测定大气阻力等非保守力的技术,以及制成星载重力梯度仪,据此,本世纪初实施了新一代国际卫星重力探测计划,发射了GHAMP和GRACE卫星,2006年预计发射重力梯度测量卫星GOCE,研究利用新一代卫星重力观测数据建立高精度地球重力场模型,提出新方法,发展新技术,研制新软件,是当前物理大地测量学者高度关注的研究前沿,也是本论文选题的研究方向。本文的研究目标是,在消化总结国内外研究成果的基础上,比较全面地掌握利用GHAMP和GRACE数据恢复地球重力场的实用计算模型和算法细节,重点研究发展其中的能量守恒法,研制计算软件系统,利用GRACE实测数据,完成一个有应用价值的GRACE重力场模型的研制,并对模型的可靠性和精度进行检验分析和评价,提出需进一步研究的问题和建议。 本文的主要工作包括以下几方面: 1.评述精化地球重力场模型在现代大地测量发展及其与相关地球科学交叉研究中的作用;对实现确定1cm级精度大地水准面及相应地球重力场模型可能存在的问题和困难提出作者的思考;总结卫星重力技术的发展阶段和现有研究成果,概括理解表述各种卫星重力技术和方法的一般原理和共性,根据作者的研究实践提出目前面临的有待解决的关键性技术问题。 2.从卫星重力学的角度出发,研究总结卫星轨道理论,给出涉及的不同时空参考系统的精确定义和数学表述及互相转换的实用计算模型,研究总结解开普勒轨道的实用算法,总结各种摄动力的数学模型,重点作详细的数值分析。该项工作在为低轨卫星星载GPS动力法定轨作准备和提供选择模型的依据。 3.研究总结星载GPS精密动力法定轨所涉及的概念和实用计算模型,重点是卫星状态转移矩阵和参数敏感矩阵的结构和数学表述以及基于此两类矩阵的变分方程的建立,用于确定卫星观测方程线性化所需偏导数矩阵;详细研究现有轨道数值积分方法,给出可供实用计算的计算公式及其系数值,以及并行积分器的设计;给出动力法定轨的详细计算模型和流程,作为软件编制的依据。 4.总结研究现有的基于GPS精密定轨的三类求解重力场模型的方法和实用算法,即动力法,能量法和加速度法,重点研究能量守恒法,导出改进的严密计算模型,对该法进行误差分析。 5.研究总结重力场模型现有各种数值解法及优化算法技巧,包括时域法和空域法,重点