科研动态 | 中山大学测绘科学与技术学院大地测量与导航团队提升重力卫星激光干涉测距系统观测数据质量取得新成果

研究背景
GRACE-FO重力卫星首次搭载了双星之间激光干涉测距系统（Laser Ranging Interferometer, LRI），测距精度可达300 皮米（pm）/√Hz@1Hz，为地球时变重力场的高精度反演以及科学应用提供了重要的观测基础。然而LRI相位测量存在大量的相位跳跃、超大型相位跳跃、周跳和单粒子翻转等相位异常，严重影响了LRI观测的质量（图 1）。因此，相位异常的精细处理对于GRACE-FO、天琴二号等装备有LRI观测系统的重力卫星具有重要的价值。                        

图1 2019~2022年 GRACE-FO 重力卫星LRI相位跳跃的时域分布图（上）和空域分布图（下）
时域图中粉色区域表示LRI数据中断，纵坐标表示每个相位跳跃的高度，正值表示向上跳，幅值表示向下跳。空域图中相位跳跃高度用色标颜色表示

论文简介
    针对GRACE-FO重力卫星 LRI观测的各类相位异常，基于传统的差分法（DFM），提出了一种改进的差分方法（ImDFM），实现了常规相位跳跃的快速消除，结合相位平滑实现了周跳和单粒子翻转等其他相位异常的精细处理。此外，还提出了一种基于双星相位跳跃的时标同步偏差估计方法，解决了差分法因时标同步参数异常导致的精度下降问题。取得的主要新成果包括：
（1）改进差分法有效消除了包括相位跳跃在内的所有相位异常，在1Hz频点处实现优于600 pm/√Hz的精度，接近无相位异常时LRI测量的本底噪声水平（如图 2）。该方法仅需单次差分运算即可消除所有常规相位跳跃，相对于当前主流的模板法，显著简化了相位异常的处理流程。
（2）基于双星相位跳跃，星间时标同步偏差的估计精度优于4微秒，有效修正了时标改正参数异常导致的同步偏差以及差分法低精度的问题，也为未来不依赖 GNSS 的星间时间同步提供了新的解决思路。
（3）基于改进差分法生成的LRI1B产品（S11）与基于主流模板法生成的产品（S10），有偏距离变率的差异小于7nm/s，在0.1mHz-0.25Hz频段谱密度差异均低于1 nm/s/√Hz（图3）。尺度因子估计和重力场反演精度高度一致，验证了改进差分法的可靠性。

图2 LRI系统有偏距离频谱对比。红色曲线为原始测距频谱，绿色、蓝色和橙色曲线分别为采用主流模板法、差分法和改进差分法的处理结果，黑色虚线为LRI在轨测量噪声水平

图3 RL04、S10和S11产品的LRI系统有偏距离变率频域对比。图中红色、蓝色和绿色曲线分别代表RL04、S10和S11的处理结果，黑色与橙色曲线分别表示S11与RL04、S10的差值，灰色曲线表示LRI的噪声需求

研究意义
    相位异常是干扰星间激光干涉测距系统观测数据质量的重要因素之一，本研究提出的改进差分法能有效处理各类相位异常。相较于现有方法，显著降低了方法的复杂度，为LRI系统的相位异常处理提供了一种高效、且高精度的相位异常处理方法。

发表信息
    研究成果近期在地学领域权威期刊《IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing》上发表。中山大学物理与天文学院天琴中心博士研究生尹恒为第一作者，中山大学测绘科学与技术学院大地测量与导航团队钟敏教授和德国爱因斯坦研究所闫易浩博士后为通讯作者，中山大学测绘科学与技术学院大地测量与导航团队冯伟教授、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院的王长青副研究员和朱紫彤博士、智能空间信息国家级重点实验室的黄志勇工程师以及中山大学人工智能学院的朱炬波教授和谷德峰教授为合作者。
原文信息：Yin, H. (尹恒), Yan, Y. (闫易浩), Zhu, Z. (朱紫彤), Wang, C. (王长青), Feng, W. (冯伟), Huang, Z. (黄志勇), Zhu, J. (朱炬波), Gu, D. (谷德峰), Zhong, M. (钟敏). 2025. A Concise Phase Anomaly Correction Method for GRACE Follow-On Laser Ranging Interferometer Measurements[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 18: 13794-13813. doi:10.1109/JSTARS.2025.3571227.
原文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11006524