logo NCGeo

Global gravity field recovery from satellite-to-satellite tracking data with the acceleration approach

PoG 68, Xianglin Liu, Global gravity field recovery from satellite-to-satellite tracking data with the acceleration approach

Xianglin Liu

Publications on Geodesy 68
Delft, 2008. 248 pagina's. ISBN: 978 90 6132 309 6.


This thesis is focused on the development of new techniques for global gravity field recovery from high-low (hl) and low-low (ll) satellite-to-satellite tracking (SST) data. There are a number of approaches to global gravity field recovery known from literature, including the variational equations approach, short arc approach, energy balance approach and acceleration approach. The focus of the thesis is the acceleration approach with an aim to produce high-quality global gravity field models using real data from CHAMP and GRACE satellite missions.

In the first part, the research is devoted to a refinement of CHAMP hl-SST data processing methodology, which was developed at DEOS earlier. The refinement includes two major updates. The first update is usage of smoothed kinematic orbits, instead of reduced-dynamic ones, in data processing. A procedure based on B-splines has been developed for smoothing kinematic orbits by means of a regularised least-squares adjustment. The second update is the implementation of a data noise estimation procedure from the data themselves, with the aim to obtain a statistically optimal gravity field solution. The refined procedure is used to compute both regularised and a non-regularised models from a nearly one-year set of CHAMP accelerations. The regularized model is proved to be better than the regularized ITG-CHAMP01E model, and slightly better than the older DEOS CHAMP-01C 70 model computed at DEOS. The non-regularized solution is compared to a few non-regularized CHAMP-only models produced by several research groups. The comparison shows that the obtained solution clearly outperforms most of the alternative models.

In the second part of the research, the methodology of processing CHAMP hl-SST data is extended to the case of GRACE hl-SST data, including the GRACE kinematic baselines. The kinematic positions and baselines are processed both individually and jointly. It is found that the kinematic baselines themselves are, in general, not favorable for the derivation of gravity field models. We explain this, first of all, by a poor sensitivity of the baseline data to East-West variations of the gravity field. Nevertheless, kinematic baselines slightly improve the quality of gravity field modeling if added to a set of kinematic positions.

In the third part of the research, two innovative methodologies of gravity field modeling from GRACE ll-SST data, i.e. so-called 3-point Range Rate Combination (3RRC) approach and 3-point Range Combination (3RC) approach, are developed as extensions of the classic acceleration approach. Corresponding functional models are derived and a comprehensive procedure for processing real GRACE data is developed. The data processing procedure contains two major steps: pre-processing and inversion. The pre-processing includes the computation of purely dynamic orbits as reference ones on the basis of state-of-the-art background models of static and rapidly changing gravity fields. The reference orbits, together with the observed KBR data, are used to form the residual quantities associated with the three functional models. The inversion of these quantities into gravity field parameters is somewhat similar to inversion of kinematic baselines. The developed approaches are compared with each other and with the classic acceleration approach using real GRACE data from both August 2003 and October 2003. The corresponding hydrological models are taken as a reference for the comparison. It is found that the classic acceleration approach produces the worst results, which are not reasonable at all. The 3RC approach gives the best results and, consequently, is chosen as the primary approach to be further refined and used for routine data processing. In the course of the final refinement, an iterative data processing is implemented. It is found that two iterations are sufficient to reach a convergence. Ultimately, the recovered gravity field signals are increased by at least 10%-15% in this way.

Finally, the 3RC approach is applied to process real GRACE data routinely. A 4-year data set, spanning the period from February 2003 to December 2006, is processed on a monthly basis. Each solution represents a set of spherical harmonic coefficients, which describe the average gravity field within the month under consideration. All the solutions are supplied with full variance-covariance matrices. In the course of post-processing, the obtained solutions are subject to de-striping and 400-km Gaussian filtering, resulting in a definitive time series of filtered DEOS solutions. Furthermore, the obtained models are used to estimate secular changes as well as and seasonal and semi-seasonal variations of the Earth's gravity field. For comparison, we compute also the secular, seasonal and semi-seasonal variations from the GLDAS hydrological models. There are many remarkable similarities found in this comparison. A further analysis of the obtained GRACE solutions allowed ice melting in Greenland and Antarctica as well as the Sumatra-Andaman Earthquake to be observed and quantified. Finally, a comprehensive comparison is made of the obtained GRACE solutions with those published by other research centers: CSR, GFZ, JPL and CNES, as well as with the GLDAS hydrological model. The comparison shows that the DEOS solutions are relatively close to the JPL solutions, and less close to the GFZ and CSR solutions, which are, in turn, relatively close to each other. The main differences between the group of DEOS and JPL solutions and the group of GFZ and CSR solutions are concentrated between degree 2 and 5. We also compute the mean values of water storage changes in sixteen large river basins from all the solutions. The selected basins represent various sizes and climatic environments. The comparison of the results shows that in general the DEOS solutions have a reasonable agreement with other GRACE solutions, and are particularly close to the JPL solutions.


Abstract  xi
Samenvatting  xv
Curriculum vitae  xix
Acknowledgements  xxii

  1. Introduction  1
  2. Gravity field modeling from SST data: an overview  9
  3. Gravity field modeling from CHAMP data  53
  4. Gravity field modeling from GRACE hl-SST data  81
  5. Gravity field modeling from GRACE ll-SST data  91
  6. Analysis of results obtained from the 3RC approach  133
  7. Summary, conclusions and recommendations  203

Bibliography  209

  1. Autocorrelation  223
  2. Gaussian Filtering 225


Mondiale zwaartekrachtveldbepaling uit satelliet-naar-satellietmetingen met de versnellingenmethode

Dit proefschrift richt zich op de ontwikkeling van nieuwe technieken voor de bepaling van het mondiale zwaartekrachtveld met behulp van de hoog-laag (hl) en laag-laag (ll) satelliet-naar-satellietmetingen (SST). Er zijn een aantal benaderingen voor mondiale zwaartekrachtveldbepaling bekend uit de literatuur, zoals de variationele vergelijkingenmethode, korteboogmethode, energiebalansmethode en versnellingenmethode. De focus van dit proefschrift is de versnellingenmethode met als doel de vervaardiging van kwalitatief hoogwaardige mondiale zwaartekrachtveldmodellen met behulp van reële data van de CHAMP en GRACE satellietmissies.

In het eerste deel is het onderzoek gewijd aan het verbeteren van de methode voor de verwerking van CHAMP hl-SST gegevens, die reeds ontwikkeld was binnen DEOS. Deze verbetering omvat twee belangrijke aanvullingen. De eerste aanvulling is het gebruik van ge effende kinematische banen, in plaats van gereduceerd-dynamische banen, in de gegevensverwerking. Een procedure gebaseerd op B-splines is ontwikkeld voor het effenen van kinematische banen door middel van de geregulariseerde kleinstekwadratenmethode. De tweede aanvulling is de implementatie van de schatting van de meetruis uit de gegevens zelf, met als doel het verkrijgen van een statistisch optimale zwaartekrachtveldoplossing. De verbeterde procedure wordt gebruikt om zowel geregulariseerde en niet-geregulariseerde modellen te berekenen uit een dataset van bijna een jaar aan CHAMP versnellingen. Het geregulariseerde model is bewezen beter te zijn dan het geregulariseerde ITG-CHAMP01E model, en iets beter dan het oudere DEOS CHAMP-01C 70 model dat is berekend binnen DEOS. De niet-geregulariseerde oplossing is vergeleken met enkele niet-geregulariseerde CHAMP-modellen die door verschillende onderzoeksgroepen vervaardigd zijn. De vergelijking laat zien dat verkregen oplossing duidelijk beter is dan het merendeel van de alternatieve modellen.

In het tweede deel van het onderzoek wordt de methode van de verwerking CHAMP hl-SST gegevens uitgebreid voor het geval van GRACE hl-SST data, met inbegrip van de GRACE kinematische basislijnen. De kinematische posities en basislijnen zijn zowel individueel als gezamenlijk verwerkt. Het is gebleken dat de kinematische basislijnen zelf over het algemeen niet geschikt zijn voor de bepaling van zwaartekrachtveldmodellen. Wij verklaren dit, in de eerste plaats, door de beperkte gevoeligheid van de basislijngegevens voor oost-westvariaties in het zwaartekrachtveld. Toch kunnen de kinematische basislijnen de kwaliteit van zwaartekrachtmodellering enigzins verbeteren als deze worden toegevoegd aan een reeks van kinematische posities.

In het derde deel van het onderzoek zijn twee innovatieve methoden ontwikkeld voor zwaartekrachtveldmodellering met behulp van GRACE ll-SST gegevens, namelijk de zogenaamde 3-punts Range Rate Combination (3RRC) methode en de 3-punts Range Combination (3RC) methode, als uitbreiding op de klassieke versnellingenmethode. Voor beide methodes is het functionele model afgeleid en is een uitgebreide procedure voor de verwerking van reële GRACE data ontwikkeld. De procedure voor de gegevensverwerking bestaat uit twee grote stappen: voorverwerking en inversie. De voorverwerking omvat de berekening van zuivere dynamische banen als referentiebanen, op basis van de allernieuwste achtergrondmodellen van statische en snel veranderende zwaartekrachtvelden. De referentiebanen worden samen met de gemeten KBR data gebruikt om de residugrootheden, behorende bij de drie functionele modellen, te bepalen. De inversie van deze grootheden in zwaartekrachtveldparameters is enigszins vergelijkbaar met de inversie van kinematische basislijnen. De ontwikkelde methodes worden met elkaar vergeleken en met de klassieke versnellingenmethode, met behulp van echte GRACE gegevens, gemeten van augustus 2003 tot oktober 2003. De overeenkomstige hydrologische modellen worden gebruikt als referentie voor de vergelijking. Het is gebleken dat de klassieke versnellingenmethode resulteert in de slechtste oplossing, die totaal niet re eel is. De 3RC methode geeft de beste resultaten en is zodoende gekozen als de primaire methode die verder wordt uitgewerkt, en wordt gebruikt voor het stelselmatig verwerken van de gegevens. Gedurende de laatste verbetering is een iteratieve verwerking van gegevens geïmplementeerd. Het is gebleken dat twee iteraties voldoende zijn om te komen tot een convergentie. Uiteindelijk wordt op deze manier tenminste 10%-15% meer van het zwaartekrachtveldsignaal bepaald.

Ten slotte wordt de 3RC methode toegepast voor het stelselmatig verwerken van reële GRACE gegevens. Een data set van 4 jaar, die de periode van februari 2003 tot en met december 2006 omvat, is verwerkt op een maandelijkse basis. Elke oplossing is een set van sferisch harmonische cofficinten, die een beschrijving geven van het gemiddelde zwaartekrachtveld voor de betreffende maand. Alle oplossingen worden geleverd met volledige variantie-covariantie matrices. Gedurende de naverwerking, worden de verkregen oplossingen ontdaan van strepen en wordt 400-km Gaussische filtering toegepast, wat resulteert in de uiteindelijke tijdreeks van gefilterde DEOS-oplossingen. Bovendien worden de verkregen modellen gebruikt voor de schatting van seculiere veranderingen, alsmede voor seizoenen halfseizoensgebonden variaties van het zwaartekrachtveld van de aarde. Ter vergelijking berekenen wij ook de seculiere, seizoens -en halfseizoensgebonden schommelingen van de GLDAS hydrologische modellen. Er zijn veel opmerkelijke gelijkenissen gevonden bij deze vergelijking. Uit een verdere analyse van de verkregen GRACE-oplossingen kon smeltend ijs in Groenland en Antarctica, alsmede de Sumatra-Andaman aardbeving worden waargenomen en gekwantificeerd. Ten slotte is een uitgebreide vergelijking gemaakt van de verkregen GRACE-oplossingen met de oplossingen die zijn gepubliceerd door andere onderzoekscentra: CSR, GFZ, JPL en CNES, alsmede met het GLDAS hydrologische model. De vergelijking laat zien dat de DEOS-oplossingen relatief dicht bij de JPL-oplossingen liggen, en minder dicht bij de GFZ en CSR-oplossingen, die op hun beurt relatief dicht bij elkaar liggen. De belangrijkste verschillen tussen de verzameling van DEOS en JPL-oplossingen en de verzameling van GFZ en CSR-oplossingen bevinden zich voornamelijk tussen graad 2 en 5. We hebben ook voor alle oplossingen de gemiddelde wateropslagveranderingen in zestien grote stroomgebieden berekend. De geselecteerde stroomgebieden hebben verschillende maten en klimatologische omstandigheden. Uit de vergelijking van de resultaten blijkt dat over het algemeen de DEOS-oplossingen redelijk overeenkomen met andere GRACE-oplossingen, en bijzonder dicht bij de JPL-oplossingen liggen.

Ga naar boven
JSN Boot template designed by JoomlaShine.com