[论文解读] On some critical issues of the LAGEOS/LAGEOS II Lense-Thirring experiment

Lorenzo Iorio|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2007

Geophysics and Gravity Measurements被引用 3

一句话总结

本文挑战了LAGEOS/LAGEOS II Lense-Thirring实验中系统误差估计的可靠性，表明使用重力模型差异（ΔJℓ）而非单个模型协方差（σJℓ）作为误差估计时，系统偏差的估计值上升至25–43%，尤其在J4和J6方面，从而削弱了对先前结果的信心。该研究呼吁重新评估该实验的结论，因其低估了地球等球谐系数的不确定性。

ABSTRACT

In this paper we deal with the following issues concerning the LA-GEOS/LAGEOS II Lense-Thirring test. Are the so far published evaluations of the systematic bias due to the even zonal harmonics Jℓ of the Earth’s geopotential reliable and realistic? Can we trust in the so far unique test made? Are there other ways to extract the gravitomagnetic signal from the LAGEOS/LAGEOS II data? The answer to the first question is negative. Indeed, if the difference ∆Jℓ among the estimated values of different Earth gravity models is assumed for the uncertainties δJℓ in the even zonals instead of using their more or less calibrated covariance sigmas σJℓ, it turns out that the systematic error δµ in the Lense-Thirring measurement is quite larger than in the evaluations so far published based on the use of the sigmas of one model at a time separately, amounting up to 37−43 % for the pairs GGM01S/GGM02S and EIGEN-GRACE01S/EIGEN-GRACE02S. The comparison among more recent models yields bias as large as about 25%. The major discrepancies still occur for J4 and J6, which are just the zonals the combined LAGEOS/LAGOES II nodes are most sensitive to.

研究动机与目标

• 评估LAGEOS/LAGEOS II Lense-Thirring实验中系统误差估计的可靠性，特别是由地球偶阶球谐系数（Jℓ）引起的误差。
• 调查引力等球谐系数引起的偏差估计是否现实，还是过于乐观。
• 确定当前基于单模型协方差矩阵的误差估计方法是否低估了引力磁效应测量中的系统不确定性。
• 探索从LAGEOS/LAGEOS II数据中提取引力磁效应信号的替代方法，以实现更优的误差估计。
• 评估近期地球重力模型之间差异对Lense-Thirring效应最终测量结果的影响。

提出的方法

• 比较多个重力模型（如GGM01S、GGM02S、EIGEN-GRACE01S、EIGEN-GRACE02S）中地球等球谐系数（Jℓ）的估计值，通过计算ΔJℓ作为不确定性估计，而非依赖于单个模型的协方差矩阵σJℓ。
• 将ΔJℓ差异用作Lense-Thirring测量中的系统误差边界δµ，而非依赖于单个模型的σJℓ。
• 分析组合LAGEOS/LAGEOS II轨道节点对J4和J6的敏感性，二者是系统偏差的主要贡献者。
• 通过轨道扰动模型传播ΔJℓ不确定性，量化Lense-Thirring信号中相应的系统误差δµ。
• 评估不同模型对之间偏差估计的一致性，以检验误差边界的稳健性。
• 评估这些修正后误差估计对Lense-Thirring效应检测整体可信度的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LAGEOS/LAGEOS II Lense-Thirring实验中，是否可靠地使用单个模型协方差矩阵（σJℓ）估计系统误差？该方法是否过于乐观？
• RQ2 独立重力模型之间的差异（ΔJℓ）如何影响Lense-Thirring测量中系统不确定性的估计？
• RQ3 考虑到J4和J6在组合LAGEOS/LAGEOS II节点数据中具有高度敏感性，它们在系统偏差中占多大程度的贡献？
• RQ4 是否可以通过使用模型间差异而非模型内协方差，更可靠地提取引力磁效应信号？
• RQ5 当使用ΔJℓ作为不确定性边界而非σJℓ时，Lense-Thirring测量中的系统误差幅度有多大？

主要发现

• 使用重力模型之间的差异ΔJℓ作为不确定性估计，得到的系统误差显著大于基于单个模型协方差的先前评估结果。
• 当对J4和J6使用ΔJℓ时，Lense-Thirring测量中的系统误差δµ上升至37–43%，高于早期估计值。
• 近期模型之间J4和J6的最大差异（如EIGEN-GRACE01S/EIGEN-GRACE02S）对偏差的贡献最大，证实了其在不确定性预算中的主导作用。
• 即使使用更新的模型，系统偏差仍高达约25%，表明误差估计仍面临持续挑战。
• 当前依赖单个模型协方差矩阵（σJℓ）的方法低估了真实系统不确定性，对唯一已发表测试的可靠性提出质疑。
• 结果表明，由于地球等球谐系数中未被充分考虑的不确定性，Lense-Thirring信号测量的精度可能远低于先前宣称的水平。