[论文解读] A conservative approach to the evaluation of the uncertainty in the LAGEOS-LAGEOS II Lense-Thirring test

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

Scientific Measurement and Uncertainty Evaluation被引用 1

一句话总结

该论文通过比较多个地球重力模型中偶数阶带谐系数（Jℓ）的差异，重新评估了LAGEOS-LAGEOS II实验中Lense-Thirring效应的系统性不确定性，发现先前的不确定性估计被低估了3至4倍。与依赖单个模型协方差标准差σJℓ不同，本研究采用模型间差异作为不确定性估计，发现某些模型对的系统误差高达37%，尤其在J4、J6和J8上最为显著，这些系数对Lense-Thirring信号最为敏感。

ABSTRACT

We deal with the test of the general relativistic gravitomagnetic Lense-Thirring effect currently ongoing in the Earth’s gravitational field with the combined nodes Ω of the laser-ranged geodetic satellites LAGEOS and LAGEOS II. One of the most important source of systematic uncertainty on the orbits of the LAGEOS satellites, with respect to the Lense-Thirring signature, is the bias due to the even zonal harmonic coefficients Jℓ of the multipolar expansion of the Earth’s geopotential which account for the departures from sphericity of the terrestrial gravitational potential induced by the centrifugal effects of its diurnal rotation. The issue addressed here is: are the so far published evaluations of such a systematic error reliable and realistic? The answer is negative. Indeed, if the difference ∆Jℓ among the even zonals estimated in different global solutions (EIGEN-GRACE02S, EIGEN-CG03C, GGM02S, GGM03S, ITG-Grace02, ITG-Grace03s, JEM01-RL03B, EGM2008, AIUB-GRACE01S) is assumed for the uncertainties δJℓ 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 about 3 to 4 times 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 % for the pair EIGEN-GRACE02S/ITG-Grace03s. The comparison among the other recent GRACE-based models yields bias as large as about 25 − 30%. The major discrepancies still occur for J4, J6 and J8, which are just the zonals the combined LAGEOS/LAGOES II nodes are most sensitive to. Subject headings: Experimental tests of gravitational theories: Satellite orbits: Harmonics of the gravity potential field – 3 – 1.

研究动机与目标

• 评估LAGEOS-LAGEOS II实验中Lense-Thirring效应系统性不确定性估计的可靠性。
• 评估当前偶数阶带谐系数（Jℓ）不确定性估计是否现实或被低估。
• 量化Jℓ系数在不同模型间的差异对Lense-Thirring测量系统性误差的影响。
• 识别在联合轨道节点分析中因敏感性而对不确定性贡献最大的带谐系数（J4、J6、J8）。
• 质疑使用单个模型协方差标准差（σJℓ）进行不确定性传播的有效性，主张采用基于模型间差异的误差估计方法。

提出的方法

• 比较多个全球重力模型中的偶数阶带谐系数（Jℓ）：EIGEN-GRACE02S、EIGEN-CG03C、GGM02S、GGM03S、ITG-Grace02、ITG-Grace03s、JEM01-RL03B、EGM2008、AIUB-GRACE01S。
• 将不同模型间对应Jℓ系数的绝对差值∆Jℓ作为不确定性δJℓ的代理指标，而非依赖于单个模型的协方差标准差σJℓ。
• 将此模型间差异方法应用于估计Lense-Thirring效应测量中系统性误差δµ。
• 聚焦于联合LAGEOS-LAGEOS II轨道节点分析对J4、J6和J8的敏感性，这些系数被确定为最具影响力的带谐系数。
• 以Lense-Thirring信号的百分比形式量化所得系统性误差δµ，并在不同模型对之间进行比较。
• 对多个基于GRACE的模型进行对比分析，以评估差异的一致性与量级。

实验结果

研究问题

• RQ1 目前发布的LAGEOS-LAGEOS II实验中Lense-Thirring效应的不确定性估计是否可靠且现实？
• RQ2 Jℓ系数在不同模型间的差异在多大程度上导致了Lense-Thirring测量中的系统性误差？
• RQ3 为何使用模型间Jℓ差异估计的系统性误差显著高于使用单个模型协方差标准差σJℓ的结果？
• RQ4 哪些带谐系数（Jℓ）最可能导致Lense-Thirring测试中系统性不确定性的增加？
• RQ5 近期基于GRACE的重力模型之间Jℓ值的差异如何影响Lense-Thirring测量的可靠性？

主要发现

• 当使用模型间差异∆Jℓ作为不确定性估计时，Lense-Thirring测量的系统性误差δµ比使用单个模型协方差标准差σJℓ时高出约3至4倍。
• 在EIGEN-GRACE02S/ITG-Grace03s模型对中，系统性误差高达37%，表明先前结果的置信度被显著高估。
• 其他近期基于GRACE的模型之间也存在约25–30%的系统性误差，凸显了Jℓ估计中持续存在的不一致性。
• 最大的差异出现在J4、J6和J8上，这些是与联合LAGEOS-LAGEOS II节点分析最敏感的带谐系数。
• 使用单个模型协方差标准差（σJℓ）导致系统性不确定性的低估，从而对先前Lense-Thirring效应评估的稳健性提出质疑。
• 研究结果表明，模型间差异提供了比传统基于协方差的方法更为现实且保守的不确定性估计。