On the validation of CHAMP- and GRACE-type GGMs and the construction of a combined model

摘要

Progresywnie udostępniane są nowe satelitarne globalne modele geopotencjału (GGMs), opracowane na podstawie danych z misji grawimetrycznych CHAMP i GRACE. Modele te cechują się wzrastającą w porównaniu ze starszymi modelami dokładnością wyznaczenia niskiego i średniego rzędu harmonik pola grawitacyjnego Ziemi: W niniejszej pracy przeanalizowano najnowsze modele wygenerowane w oparciu o dane z misji CHAMP i GRACE, a mianowicie: EIGEN2, EIGEN3p, GGM01C, GGM01S i GRACE01S, w aspekcie ich dokładności i przydatności do badania pola grawitacyjnego Ziemi. Przeprowadzono analizę widmową tych modeli z włączeniem ich wariancji stopnia i błędów wariancji stopnia. Dokonano wzajemnego porównania wyników uzyskanych przy zastosowaniu tych modeli oraz modelu EGM96. Określono najdokładniej opisane przez każdy z modeli części widma pola grawitacyjnego Ziemi. W wyniku opracowano kombinowany globalny model geopotencjału, kompletny do stopnia i rzędu 360, którego współczynniki do stopnia 5 pochodzą z modeli z misji CHAMP, kolejne współczynniki do stopnia 116 - z modeli z misji GRACE, zaś pozostałe - do stopnia 360 - z modelu EGM96.%A number of new satellite-only Global Gravity Models (GGMs) become progressively available based on the CHAMP and GRACE satellite mission data. These models promise higher (compared to older GGMs) accuracy in the determination of the low and medium harmonics of the Earth's gravity field. In the present study, the latest GGMs generated from CHAMP and GRACE data (namely EIGEN2, EIGEN3p, GGM01C, GGM01S and GRACE01S) have been studied with respect to their accuracy and performance when used in gravity field approximation. A spectral analysis of the new models has been carried out, employing their degree and error-degree variances. In this way, their performance against each other and with respect to EGM96 was assessed, and the parts of the gravity field spectrum that each model describes more accurately have been identified. The results of the analysis led to the development of a combined geopotential model, complete to degree and order 360, whose coefficients were those of CHAMP until degree 5, then GRACE until degree 116, and EGM96 for the rest of the spectrum. Finally, a validation of all models (the combined included) has been>performed by comparing their estimates against GPS/levelling data in land areas and TOPEX/Poseidon sea surface heights in marine regions. All tests have taken place over Greece and the eastern part of the Mediterranean Sea. From the results obtained it was concluded that the combined GGM developed provides more accurate results (compared to EGM96), in terms of the differences with the control datasets, at the level of 1-2 cm geoid and 1-2 mGal for gravity (1σ). Furthermore, the absolute geoid accuracy that the combined GGM offers is 12.9 cm (1σ) for n = 120, 25 cm for n = 200 and 33 cm for n = 360, compared to 29 cm, 36 cm and 42 cm for EGM96, respectively.