GRACE-FO LRI1B SYSU数据集
GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment Mission）重力卫星及其后续卫星GRACE-FO（GRACE Follow-On）通过精确测量双星之间的距离变化，结合非保守力、卫星姿态和轨道等观测数据为反演全球静态和时变重力场提供了重要观测数据[1,2]。特别是GRACE-FO首次搭载的星间激光干涉测距系统LRI（Laser Ranging Interferometer），测距精度可达300pm/√Hz@1Hz [3]，为高精度重力场反演及其应用提供了重要契机。
中山大学（Sun Yat-Sen University, SYSU）大地测量与导航团队联合中科院精密测量院等单位研制了自主星间激光干涉测距L1B级数据产品（SYSU LRI1B S10）。该产品在时标改正，相位异常和尺度因子估计方面进行了精细处理，最大程度避免了时标异常和相位异常等异常值对LRI1B数据的影响。LRI1B S10的有偏距离变率精度达到1nm/s/√Hz@0.1Hz，优于NASA 喷气推进实验室（JPL）的LRI1B RL04产品（~5nm/s/√Hz@0.1Hz），与德国爱因斯坦光学研究所（AEI）的同类产品相当。基于LRI1B S10反演的重力场阶方差在30阶以上优于RL04产品，与AEI产品结果一致性较好。该自主数据产品为我国实现高精度星间激光干涉测距数据全链条处理、自主重力卫星数据反演及科学应用奠定了良好基础。
数据处理过程主要包含时标改正、相位异常消除、双星相位融合、尺度因子估计、光时改正、低通滤波和降采样等步骤，附录A对关键步骤进行了简要介绍，详细说明可参考文献[4–6]。数据存储格式采用了SDS （Science Data System）提供的YAML文本格式，详见附录B。本数据集涵盖了目前GRACE-FO上LRI测量周期的全部时间段（2018-6-2023-7），可直接用于后续重力场反演、mascon解算以及其他科学应用，后续GRACE-FO的LRI1B处理数据将会持续发布。
本数据集获得了国家重点研发计划（2022YFC2204601）和国家自然科学基金（12261131504，42174103）等资助。欢迎使用并反馈意见。
数据集作者：
尹恒 yinh39@mail2.sysu.edu.cn，闫易浩，钟敏，冯伟，朱紫彤，王长青，朱炬波，谷德峰
数据下载链接：
https://zenodo.org/records/13743822
LRI1B有偏距离变率对比
图1展示了SYSU S10、JPL RL04和AEI V50的LRI1B有偏距离变率谱密度对比。在30mHz以上频段，三家机构的产品均低于LRI设计噪声水平；其中S10和V50产品精度达到1nm/s/√Hz@0.1Hz；RL04由于受到较大的相位异常影响，精度约5nm/s/√Hz@0.1Hz。三种产品在一倍轨道频率(1 cycle per revolution, 1CPR)和二倍轨道频率(2CPR)处的差异是尺度因子估计结果不同引起的。
图1. SYSU S10, JPL RL04, AEI V50的LRI1B有偏距离变率谱密度对比。红色曲线表示JPL RL04，蓝色曲线表示AEI V50，绿色曲线表示SYSU S10，紫色、橙色和棕色曲线分别表示三种产品之间的差异，黑色曲线表示GRACE-FO LRI设计噪声水平。
附录A. LRI1B S10数据处理流程说明：
1、时标改正
GRACE-FO原始LRI测量相位的本地时标采用了LRP (Laser Ranging Processor) 时标。为了对双星的LRI测量相位进行时间同步，需将双星的本地时标同步到GNSS参考时间框架下。SYSU LRI1B S10产品采用的时标改正方法可参考[4,5,7]。
2、相位异常消除
LRI原始数据包含大量相位跳跃(Phase Jumps, PJs)、周跳(Cycle Slips, CCs)、单粒子翻转(Single Event Upsets, SEUs)和动量转移事件(Momentum Transfer Events, MET)等相位异常。LRI1B S10采用模板法处理绝大部分PJs；对异常形状PJs、mega PJs、CCs和SEUs等少量相位异常均采用相位平滑处理，最大程度确保了LRI1B数据无相位异常出现。
3、光时改正
将基于LRI测量相位计算得到的有偏距离改正为双星之间的瞬时距离，需进行光时改正。LRI1B S10考虑了狭义相对论效应和广义相对论效应中Shapiro效应的影响，具体的方法可参考文献[8]。
4、尺度因子估计
激光在轨频率vM相对于地面测量频率（ν0， C星2.81616393e14Hz，D星2.81615684e14Hz）存在长期漂移。如式(1)，为确保LRI测量相位到距离的精确转换，需要估计两者之间的尺度因子s以确定实际激光频率[9]。LRI1B S10采用最小二乘法基于LRI与KBR瞬时距离变率差异最小来估计尺度因子。
5、低通滤波和降采样
LRI1B S10的处理中将计算的LRI有偏距离由原始采样率9.664Hz降采样到0.5Hz，光时改正由原始采样率1Hz将采样到0.5Hz。为防止数据混叠，在降采样前使用CRN低通滤波[10]。滤波参数如表 1，其中 fs是LRI1A测量相位采样率，f0是GRACE-FO轨道频率，Nc是卷积数，fc是截止频率，Nf是滤波窗口长度。
|
fs (C) |
fs (D) |
f0 |
Nc |
fc |
Nf |
|
9.664Hz |
9.664198Hz |
0.176mHz |
9 |
0.25Hz |
747 |
附录B. LRI1B文件和数据格式说明：
本数据集LRI1B数据采用的格式与SDS 提供的GRACE-FO LRI1B txt文件格式基本一致，文件包含YAML格式的文件头和空格分隔的文件体两部分[6]。
文件头：文件头以“header”开始，至“# End of YAML header”结束，其中包含了数据长度、起止时间、文件版本和变量介绍等信息。
文件体：数据以文件头规定的参数顺序排列在以空格分隔符间隔的列中。
本数据产品格式参考了JPL LRI1B RL04官方产品和AEI V50产品格式[6,11]，变量内容及其含义如下：
|
variables name |
column |
unit |
definition |
|
gps_time |
1 |
s |
Seconds past 12:00:00 noon of January 1, 2000 in GPS Time |
|
biased_range |
2 |
m |
CRN-filtered biased inter-satellite range |
|
range_rate |
3 |
m/s |
First time derivative of biased range |
|
range_accl |
4 |
m/s2 |
Second time derivative of biased range |
|
iono_corr |
5 |
|
Estimated scale correction epsilon for biased range, range rate, and range acceleration due to unknown onboard LRI frequency |
|
lighttime_corr |
6 |
m |
Light time correction for biased range |
|
lighttime_rate |
7 |
m/s |
Light time correction for range rate |
|
lighttime_accl |
8 |
m/s2 |
Light time correction for range acceleration |
|
ant_centr_corr |
9 |
m |
Not defined yet, set to 0 |
|
ant_centr_rate |
10 |
m/s |
Not defined yet, set to 0 |
|
ant_centr_accl |
11 |
m/s2 |
Not defined yet, set to 0 |
|
K_A_SNR |
12 |
db-Hz |
CNR of laser ranging for GRACE-FO C satellite |
|
Ka_A_SNR |
13 |
|
Not defined, set to 0 |
|
K_B_SNR |
14 |
db-Hz |
CNR of laser ranging for GRACE-FO D satellite |
|
Ka_B_SNR |
15 |
ns |
Estimated time offset between KBR and LRI |
|
qualflg |
16 |
|
- bit 0 = phase break - bit 1 = phase data was smoothed - bit 2 = phase jump was removed - bit 3 = mega phase jump was removed - bit 4 = sun-blinding period - bit 5 = phase disturbance on one S/C - bit 6 = momentum transfer event - bit 7 = not defined |
*由于LRI1B 采用了与KBR1B相兼容的格式，所以变量名称沿用了KBR1B的使用习惯。例如：K_A_SNR和K_B_SNR是分别LRI1B的C星和D星的载噪比；Ka_B_SNR是LRI与KBR系统的时间偏移。
参考文献
[1] TAPLEY B D, BETTADPUR S, RIES J C, et al. GRACE Measurements of Mass Variability in the Earth System[J]. Science, 2004, 305(5683): 503-505.
[2] KORNFELD R P, ARNOLD B W, GROSS M A, et al. GRACE-FO: The Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On Mission[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2019, 56(3): 931-951.
[3] ABICH K, ABRAMOVICI A, AMPARAN B, et al. In-Orbit Performance of the GRACE Follow-on Laser Ranging Interferometer[J]. Phys Rev Lett, 2019, 123(3): 031101.
[4] 尹恒 等. GRACE-FO重力卫星激光干涉测距原始数据预处理[J]. 地球物理学报, 2024.
[5] MÜLLER L. Generation of Level 1 Data Products and Validating the Correctness of Currently Available Release 04 Data for the GRACE Follow-On Laser Ranging Interferometer[D]. Leibniz Universität Hannover, Hannover, Germany, 2021.
[6] WEN H Y, KRUIZINGA G, PAIK M, et al. Gravity recovery and climate experiment (GRACE) Follow-On (GRACE-FO) level-1 data product user handbook[Z]. 2019.
[7] MISFELDT M. Data Processing and Investigation for the GRACE-FO Laser Ranging Interferometer[D]. Leibniz Universität Hannover, Hannover, Germany, 2019.
[8] YAN Y, MUELLER V, HEINZEL G, et al. Revisiting the light time correction in gravimetric missions like GRACE and GRACE follow-on[J]. Journal of Geodesy, 2021, 95(5): 48.
[9] MISFELDT M, MÜLLER V, MÜLLER L, et al. Scale Factor Determination for the GRACE Follow-On Laser Ranging Interferometer Including Thermal Coupling[J]. Remote Sensing, 2023, 15(3): 570.
[10] THOMAS J B. An Analysis of Gravity-Field Estimation Based on Intersatellite Dual-1-Way Biased Ranging[C]. Pasadena, California, 1999: Technical Report 98-15.
[11] MÜLLER L, MÜLLER V, MISFELDT M. AEI LRI1B and RTC1B Release Notes[Z]. 2022.
