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卫星大地测量探测技术及应用 许厚泽 中国科学院测量与地球物理研究所 2009å¹´10月  中国ç PowerPoint Presentation
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卫星大地测量探测技术及应用 许厚泽 中国科学院测量与地球物理研究所 2009å¹´10月  中国ç - PowerPoint PPT Presentation


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卫星大地测量探测技术及应用 许厚泽 中国科学院测量与地球物理研究所 2009年10月  中国石油大学. 报告内容. 卫星大地测量探测技术在资源勘探、环境变化及灾害监测中的应用. 卫星大地测量探测技术. 全球卫星导航系统 GNSS 包括 GPS, Glonass, Galileo, 北斗等 卫星测高系统, Topex, Jason 及 HY-II( 中国) 冰卫星测高技术 Icesat 合成孔径雷达干涉系统 InSar 重力卫星系统 CHAMP, GRACE, GOCE 测量分为两类 地球形状和位置变化 地球质量分布及迁移.

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Presentation Transcript
slide1

卫星大地测量探测技术及应用

许厚泽

中国科学院测量与地球物理研究所

2009年10月中国石油大学

slide2
报告内容

卫星大地测量探测技术在资源勘探、环境变化及灾害监测中的应用

slide3

卫星大地测量探测技术

  • 全球卫星导航系统GNSS 包括GPS,

Glonass, Galileo,北斗等

  • 卫星测高系统,Topex, Jason及HY-II(中国)
  • 冰卫星测高技术 Icesat
  • 合成孔径雷达干涉系统 InSar
  • 重力卫星系统 CHAMP, GRACE, GOCE
  • 测量分为两类
  • 地球形状和位置变化
  • 地球质量分布及迁移
slide5

VLBI甚长基线干涉测量

佘山25米射电天文望远镜

VLBI技术实验室

slide7

SLR人卫激光测距

Lageos-1卫星

slide10

GPS 全球定位系统

GPS卫星轨道分布图

slide11
GPS 卫 星 导 航 系 统

全球覆盖, 时间连续, 全天候, 实时, 三维导航

  • 系统组成:
  • 空间部分:由24颗高度为20000km的卫星组成. 六个轨道面, 每面4颗卫星, 倾角55°, 近圆轨道, 运行周期11h58m
  • 地面监测部分:主轨注入信号 用户接收机
  • 定位原理:球面导航系统, 观测量为距离(不是距离差), 用户钟差由多星同步观测解决, 同步观测4颗卫星, 得到4个距离观测值.

Δt为采样瞬间的钟差, x, y, z, 为未知用户的坐标, 当卫星观测数>4时, 可用最小二乘求解.

slide13

两 种 观 测 量(伪距测量 载波相位测量)

伪距测量

  • 用两种载波频率,消弱电离层影响
  • L1 1575.42MHz L2 1227.6MHz
  • 选择L波段由于电磁波的云雨吸收小
  • 调整三种码信号
  • P 码 精码
  • C/A 码 粗码
  • D 码 发播导航电文
  • (卫星位置及卫星钟差)

L1 调制P, C/A, 和D码

L2 调制P及D码

P码, 实时定位精度优于10m

C/A码,实时定位精度约为 30m

(SA后100m)

slide14
载波相位测量
  • 毫米纪精度, 相对测量
  • 将调制波还原为原载波(正弦波) 倍频技术
  • 测定接收的正弦波在指定时刻的相位, 锁相环路
  • 用电子计数器记下正弦波的整数部分
  • 第一次采样的整周数, 整周模糊度参数
slide22
双 星 导 航 系 统(地球同步卫星导航系统)

D2

S2

S1

d2

d1

D1

d3

d4

用户p

h

地面中心

r

参考椭球面

地心o

用户需要定位时, 即时向卫星发射请求定位信号, 通过卫星转交至地面中心. 地面中心根据发出和接收信号的时间延迟计算通过两颗卫星的信号传播路径的距离.

两个观测量, 地面中心, 卫星位置已知.未知数为用户位置(三个), 所以还需第三个方程:

h 为大地高

slide37

Wind speed (October 1992)

海面有效波高

(October 1992)

海面风速

(October 1992)

slide40
卫星测高与海洋重力场

卫星至地心距离

卫星至海面距离

海面至参考椭球距离

1.静止海水面是全球大地水准面的近似

2.由地球外部重力场边值理论,可利用格林函数,将外部重力场求解问题转化为边界面形状确定问题

  • 星下点参考椭球至地心
slide42

Earth’s Gravity Measurement

History

21st

20th

19th

18th

17th

16th Century

slide43

Satellite Gravity Measurement

Principle

GPS System

External Force

Gravity

Nonconservative

Force

Accelerometer

slide45
卫星重力技术:

原理:卫卫跟踪SST和卫星梯度测量SGG发展史

1969 提出SST建议

1979 重力场探测应用卫星计划GRM

1980 卫星海洋测高

1985 Geosat 测高卫星

1987 美国科学院,地球物理和大地测量对全球重力场的需求

1990-91 Aristoteles卫星重力计划(基于Gradio仪器)

1992 Topex/Poseidon测高卫星(GPS 低轨卫星定轨)

1995 启动 CHAMP卫星计划

1996 GRACE及 GOCE计划

1997 美国科学院:卫星重力研究与应用

1998 22届IUGG 之IAG决议2,呼吁NASA和ESA加紧GRACE及

GOCE研究

2000.7.15 CHAMP卫星发射

2002.3.19 GRACE卫星发射

2009.3 GOCE卫星发射

champ
CHAMP

Launch: July 2000

slide47

CHAMP Concept

GPS Satellites

d

H = 470 - 300 km,

polar, circular orbit

T = 5 years,

High-Low-SST

(d = 20 000 km)

+ accelerometry

SST - hl

3-D accelerometer

Mass

anomaly

Earth

grace
GRACE

Launch: March 2002

1cm-geoid with a spatial resolution of 200 km and temporal variations

slide50

Gravity anomaly and intersatellite range changes when GRACE flying the Qinghai-Tibet Platean

May 3, 2003

slide51

GRACE Concept

GPS Satellites

SST - hl

H = 470 - 300 km,

polar, circular orbit

T = 5 years,

Low-low-SST

(d = 250 km,

sd=10 mm)

+accelerometry

SST - ll

d

Earth

Mass

anomaly

slide52
GOCE

H = 240 km

drag-free

sun-synchronous

launch: 2006

T = 20 months

gradiometry

1cm-geoid with a spatial resolution of 100 km

slide53

GOCE Concept

GPS Satellites

SST - hl

Gradiometry:

differential accelerometry within the satellite

d = 30 cm

sa = 8 mE

SGG

d

Earth

Mass

anomaly

1 E = 1 Eötvös = 10-9 s-2

slide54

Main points of satellite technique

  • Low orbit (400km)
  • Near polar orbit
  • GPS space borne receiver (cm accuracy)
  • 3D accelerometer to measure and substract the non-conservation forces
  • Satellite-satellite range and range-rate measurement
  • Gravity gradiometer
slide62

Advances in Earth’s Gravitational Field

Before satellite gravity

(20 years data)

GRACE mission

(111 days measurements)

GRACE mission

(13 months measurements

outline
Outline
  • GRACE data span now >6 yrs
  • Several Science Data System (SDS) centers

(e.g. CSR, GFZ, JPL, CNES)

  • post-processing improvement

(Spectrum interference )

  • Mass changes detection

(Three Gorges region, Sumatra earthquake, sea level changes, etc)

“stripe”

slide65

Cumulative Geoid Error Curves

1cm @ 700 km

1cm @ 270 km

1mm @ 600 km

Error curves provided by GFZ Potsdam

inversion of gravity model
Inversion of gravity model

Dynamic orbit integration method

Energy conservation method

Gravity models

GGM01C (CSR MODEL)

EIGENGRACE02 (GFZ MODEL)

slide67
IGG MODEL

GRACE data:

Level 1B data products, including K-band range and range rate, orbit , accelerometer and star camera assembly data et al.

Dynamic models

Plantetary Ephmerides:DE-200

Background static gravity field:GGM01C

Solid tidal corrections:Wahr(1981)

Ocean tidal corrections:CSR3.0

Polar motion:IERSC04

Uniform time system: all change to UTC

slide70

测高海洋重力场计算流程图

  • 卫星测高数据反演海洋重力异常的三种计算方法:
    • 最小二乘配置法
    • Stokes逆运算法
    • 垂线偏差法
  • 比较各种算法的优缺点,确定反演海洋重力异常方法计算方案。
slide72
中国近海及西北太平洋测高重力异常

联合多颗测高卫星资料反演的中国近海海洋重力场(空间分辨率 2’×2’)

slide74

测高重力异常与船测相对重力值(2005年测量)比较测高重力异常与船测相对重力值(2005年测量)比较

南海船测重力航线

沿船测重力航线,测高重力异常与船测重力异常比较之标准偏差

测高重力异常与32条船测重力航线的相对重力结果直接比较,平均标准偏差为±1.63 mGal,最大为± 2.92 mGal,最小为±0.69 mGal。绝大部分测线标准偏差小于±2.0 mGal,可以认为这个结果已经达到了目前的船测重力精度(±1.0-2.0 mGal)。

slide75

反演测高重力异常与船测重力比较

已完成中国海及西北太平洋海域重力异常分辨率为2′×2′。收集到了船测重力航线四条共8000 多重力观测点,将2′×2′卫星测高重力异常与之比较,符合程度非常好,中误差小于±2.9 mGal,达到了目前国际上测高重力最好的精度(一般在深海为±3-5mGal)。

slide76

反演海底地形

响应函数法反演中国黄海、东海区域海底地形

slide78

反演结果与船测海深的残差

ETOPO5模型数据与船测海深的残差

反演的海底地形与船测结果比较

反演结果与船测海深数据残差的标准偏差为±183m

ETOPO5模型数据与船测海深数据残差的标准偏差为±252m

slide83
珠江口盆地区域重力异常图

由区域重力异常可以确定:

盆地边界、盆地内部二级构造单元、断裂分布及基底埋深形态等

slide89

南极冰川变化的GRACE监测

PGR model

GRACE

(without PGR)

GRACE

(with PGR)

Mass changes over Antarctica(PGR correction applied, Paulson et al. 2007 )

(a) East Antarctica Ice Sheet;(b) West Antarctica Ice Sheet;(c)Larsen Ice Sheet (Point C)

modis icesat grace
MODIS温度与ICESat, GRACE的粗略对比

2 南极温度研究

水储量变化(GRACE)

高程变化(ICEsat)

2003-2008年温度变化率

西南极冰面高度下降,地表温度升高,和水储量的减少具有一致性

slide91

格陵兰冰盖正加速退缩(Science, Chen, 2006)

The Greenland ice sheet is the 2nd largest ice cap on Earth, and contains ~ 2.5 million cubic kilometers or 10% of total global ice mass. The glacial complex in southeast Greenland is among the most active glaciers.

slide93

50

40

30

20

80

90

100

110

120

130

mm/year

-30

-20

-10

0

10

20

30

中国区域陆地水(冰川)质量变化趋势空间分布

昆仑山脉

东段

京津冀地区

青甘川交界

三峡大坝库区

喜马拉雅山脉

昆仑山东(+)、青甘川交界(+)、三峡库区(+)、青藏高原(-)、华北(-)地区陆地水储量具有明显的长期变化信号(5年资料)

water storage changes over china land
Water Storage Changes over China land

North Niemeng

North China

Tian mountain snowfield

Lower Reaches of Yangtze river

Himalayas Icefield

Middle and Upper Reaches of Yangtze river

Wenchuan Earthquake??

North Niemeng region (-), North China(-), Lower Reaches of Yangtze river (-), Middle and Upper Reaches of Yangtze river (+), Tian mountain snowfield (-), Himalayas Icefield (-).

slide95

中国陆地水年周期变化空间分布

利用六年的卫星重力观测资料,清晰地勾勒出我国北方沙漠地区水储量较小的年周期变化,青藏高原和湖南省区域水储量巨大的年周期变化(400公里平滑).

slide96

从强到弱

研究结果

青藏喜马拉雅冰川

77.80,33.20.

GRACE监测青藏喜马拉雅冰川在GRACE运行期间每年平均消减约23.29毫米/年.此外,相比于水文模型而言,有差别! 原因??

slide97

研究结果

华北地区(京津冀)

GRACE显示该区域陆地水储量以大约- 19.32毫米/年的速率下降,相当于约48亿吨/年。(河北省42亿吨/年,省水利局调查自1976年超采地下水平均40亿吨/年)

slide98

研究结果

内蒙古草原(沙漠化区域)

GRACE显示该区域陆地水储量以大约- 17.82毫米/年的速率下降, 当地连续几年大旱?

slide99

研究结果

天山雪山

82.30,42.80

80.60,42.10

81.50,42.40

在对气候更加敏感的天山雪山地区,GRACE显示其消融速率为15.3毫米/年.

slide100

研究结果

三峡库区

下游区域:

中上游区域:

可以看出上游水储量呈周年变化,5~10月为丰水季节,同时11~4月为枯水季节,上升速率。

slide101

研究结果

长江流域

下游区域:

中上游区域:

与中上游水储量相比,周期性变化更明显,下降速率.

slide102

联合卫星重力和卫星测高研究全球平均海平面变化趋势联合卫星重力和卫星测高研究全球平均海平面变化趋势

slide103

海平面变化研究背景

  • 海平面长期变化与气候变化及人类生活紧密相关
  • 认识和解释地球系统的动力学过程
  • 推动我国大地测量学、海洋学、水文学等多学科的交叉结合

21世纪

20世纪

19世纪

IPCC WG1 Fourth Assessment Report,2006

slide104

1961-2003

1993-2003

热膨胀误差

质量误差

IPCC WG1 Fourth Assessment Report,2006

海平面变化研究背景(全 球 变 暖)

  • 海平面变化趋势:
  • 近10年(暗红色)
  • 近40年(淡兰色)
  • 主要采用海洋学与水文学方法
slide106

近年海平面变化趋势

SLVtotal = SLVsteric + SLVmass

卫星测高观测

热膨胀

+

盐度影响

海水质量变化 GRACE 观测反演

海洋学方法

热容海平面变化

空间大地测量方法

slide107
卫星测高观测全球平均海平面变化高2‘×2’, 重力卫星 1mm/600km, 冰(?)途径 : 新的

http://sealevel.colorado.edu

Rate = +3.3 ± 0.4 mm/year

(GIA Correction Applied)

60-Day Smoothing

Seasonal Variations Removed

GIA Correction Applied

slide108

卫星测高观测全球海平面变化分布

IB correction (ECMWF) applied

  海平面变化趋势 :

2.6±0.4 mm/yr

2.8 mm/yr(经 ICE-4G模型改正)

(变化趋势深受年际和更长时间的影响)

C.K. Shum, 2007,IUGG

slide109

各因素对海水质量变化的贡献

(近十年,Bouhours等)

GRACE结果:1.4 mm/yr,比较一致

slide110

海水质量变化引起的全球平均海平面变化趋势

2003-2006年,GRACE观测时段

不考虑GIA: -0.3mm/yr

考虑GIA: +1.4mm/yr

slide111

Total Sea level variation budget

Altimetry SLA

GRACE : ocean mass variations from GSM

+3.2 ± 0.6mm/yr

Altimetry SLA minus GRACE  : steric height variations

Ishii: steric component

+1.9 ± 0.1mm/yr (Willis)

Before 2003, not after

Steric Component (by combining altimetry and gravimetry data) : ~ 1.9 ±0.3 mm/yr

slide112

260 Fiducial stations

2000 regional stations

CMONOC Ⅰ,Ⅱ

slide115

重力卫星观测2005年苏门答腊大地震的重力场变化(Nature, Han & Shum, 2006 )

µGal

µGal

GRACE Observed Gravity Change (±15 µgal)

Seismic Model Predicted Gravity Change

slide116

Sumatra-earthquake region

Sumatra-earthquake region

A

B

slide117

 (1)  汶川地震

发震时刻: 2008-05-12 14:28     震中坐标:北纬31.0, 东经103.4 震    级: 8.0级    地    点: 四川汶川县

2

1

 (2)  于田地震

发震时刻:2007年3月21日06时33分    震中坐标:北纬35.6,东经81.6震    级: 7.3级    地    点: 新疆----于田县

震后7个月平均-------震前7个月平均

中国地质调查局

邹正波,等

slide118

Wenchuan Earthquake

(2008.5.12,M7.9,N30.99,E103,36,Depth 19.0km)

GRACE show that a rising rate is 12.1 mm/y.

An notable change: water storage or solid mass redistribution?

slide120

Powerful geodesy

Global changes:

Sea level change, Ice balance、ocean currents and water storage etc.

Disaster monitoring:

Earthquake, volcano, ionosphere etc.

National defence:

Spaceflight technology improvement.

Space

Ground

Steric

Dynamic

Applications

3-D

4-D

global

Regional