地球重力测量卫星简介

地气重力测量卫星简介摘要：现代大地测量的基本目标之一就是获得高精度和高分辨率的地球重力场模型，卫星重力计划就是基于这一目标实施的。本文首先介绍了卫星重力学原理，随后对已经成功发射的三颗地球重力卫星（CHAMP、GRACE和GOCE）以及正在进行中的三个工程计划作详细阐述，最后重点讨论了地球重力场模型在测绘学科中的应用研究进展。关键词：卫星重力测量；CHAMP；GRACE；GOCE；GRACEFollow-On1引言卫星重力测量技术是继美国GPS系统成功构建后在大地测量邻域的又一项创新，引起了测绘学、地球物理学、灾害地质学、矿产地质学等一系列学科的革命，也是21世纪众多科学家关注的热点[1]。地球重力场是地球系统物质属性产生的一个最基本的物理场，反映由地球各圈层相互作用和动力过程决定的物质空间分布、运动和变化，承载地球系统演化进程中的一切与其重力场作用机制相关信息，地球重力场的时空演化是地球系统动力过程的历史再现。伴随着计算机、微电子和航天技术等的迅猛发展，地球重力场的研究正经历着一场大的变革，观测研究对象已由传统的局部地表、低近地空间扩展到全球范围、深空宇宙的各种动力现象和过程，发展为以动态观、整体论的方法描述地球的重力场，并引发了相关学科的交叉融合和催生新的学科领域[2]。卫星重力探测技术从第一代光学摄影技术发展到第二代多种技术地面跟踪和卫星对地观测技术，现在已经进入以星载GPS精密跟踪定轨为主的测高卫星和重力卫星的第三代，其重要特征是更低的近极近圆轨道，连续的厘米级精度卫星定轨，实测重力场参数（如重力梯度）的星载设备，这些新技术的应用大大突破了传统重力测量的局限性[3]。2卫星重力学原理早在70年代初，利用卫星技术及星载重力仪研究重力场的概念就已提出，进入80年代，许多欧美学者开始针对不同的专用重力卫星观测方案开始了数值模拟计算，同时专用重力观测的卫星系统设计和卫星的试验也逐步开始，经前后二十多年的反复论证和试验，最终，卫-卫跟踪和卫星重力梯度两种观测模式为国际大地测量界普遍接受[4]。当今，全球重力场研究的热点是将中、低频重力位模型提高到厘米级，已发射的地球重力卫星共有CHAMP、GRACE和GOCE三颗卫星[5]。2.1卫-卫跟踪技术卫-卫跟踪技术是指空间的两颗卫星之间的精密测距测速跟踪，随着GPS技术的发展，又演化为高低卫-卫跟踪和低低卫-卫跟踪。高低卫-卫跟踪利用低轨卫星（高度400～500km左右）上的星载GPS接收机与GPS卫星构成对低轨卫星的空间跟踪网，同时低轨卫星上载有高精度加速计以补偿低轨卫星的非保守力摄动（主要是大气阻力影响），其跟踪精度达到毫米级，恢复低阶重力场精度可以较现有模型提高一个数量级以上，对应的低阶大地水准面精度达到毫米级。低低卫-卫跟踪技术是指两颗低轨卫星，相距200km左右，以微米级的测距测速精度相互跟踪，同时与GPS卫星构成空间跟踪网，因此低低卫-卫跟踪相当于两颗高低卫-卫跟踪再加上两颗低轨卫星之间的跟踪，观测值大大增加，其恢复低阶重力场精度可以提高2个数量级以上，且中波长的地球重力场测定精度也相应提高一个数量级上[4,5]。低低卫-卫跟踪可采用微波或激光测距的方式，后者的技术难度较大但精度更高。此外，由于卫-卫跟踪卫星的寿命设计达5年左右，因此可以精确测定中低阶地球重力场随时间的变化。2.2卫星重力梯度技术卫星重力梯度技术是指在低轨卫星上载有高精度的超导重力梯度计，测定空间在轨卫星处的重力梯度张量，然后求介边值问题反演出地球重力场。由于观测量梯度值为地球重力位的二阶导数，因此卫星重力梯度观测有能力恢复地球重力场的高阶部分（达180阶以上），其精度可提高一个数量级以上。为了减小各种噪声的影响，卫星梯度仪一般放置在低温超导的环境中，但是由于体积的限制，这类卫星的寿命仅1年左右，一般用于确定静态重力场的研究。近年来，人们也致力于长寿命超导重力梯度仪的研制，以便用于重力场时变的观测研究[4,6]。3地球重力测量卫星当前已经成功发射的地球重力测量卫星有CHAMP、GRACE和GOCE三颗卫星，这三颗卫星的成功发射昭示着人类将迎来一个前所未有的卫星重力探测时代[6,7,8]。3.1高低卫-卫跟踪卫星——CHAMPCHAMP卫星是由德国地球科学中心（GFZ）独立研制的，并于2000年7月15日成功发射，它的成功发射标志着卫星重力学研究迈出了重要的一步。CHAMP卫星的设计寿命是5年，圆形近极轨道，倾角83°，偏心率0.004，近地点约470km，主要目的为：1）确定全球中长波长静态重力场和随时间的变化；2）测定全球磁场和电场；3）大气和电离层探测。作为重力场的测定，低轨卫星上的星载双频GPS接收机，以接收高轨GPS卫星信号精密确定低轨卫星的轨道。利用卫星的质量中心安装了三轴加速度计测量非保守力，如大气阻力、太阳光压等，其测量精度在卫星轨道的切向可达5*10-9m/s2，在轨道径向和法向为5*10-8m/s2，星载设备还有SLR反射棱镜和地磁探测仪。尽管CHAMP卫星的定位技术采用了TurboRogue接收仪利用加速度计测量非保守力和轨道低等优点，但重力场的衰减问题阻碍了其高空间分辨率，据估计，CHAMP卫星恢复重力场的空间分辨率可达500km，在此分辨率下将比现有重力场模型的精度提高1~2个量级，即大于1000km的中长波大地水准面测定精度可达到1cm。3.2低低卫-卫跟踪卫星——GRACEGRACE卫星是由美欧合作的并于2002年3月18日成功发射的，其轨道高度约500km，采用近极圆轨道设计，寿命约3~5年。GRACE卫星主要搭载的设备有：星载GPS接收机，进行低星与GPS高星之间的跟踪测量；三轴加速度计，用以测量非保守力；K波段微波仪，进行低低卫-卫跟踪测量。其主要目标是：1）测定中长波地球重力场，5000km长大地水准面精度达0.01mm。500~5000km波长大地水准面精度为0.01~0.1mm，比CHAMP的精度提高两个数量级；2）监测15~30天或更长时间尺度长波重力场的时间变化，大地水准面年变化的测定精度为0.01mm/年；3）探测大气、电离层环境。由于GRACE是由两个相同的CHAMP卫星组成的，均由星载GPS接收机准确确定其轨道位置，在同一轨道平面内运动，前后间距约为220km，沿轨迹方向两颗卫星的距离变化，由K波段微波测量装置以微米级精度实时测得（精度约为μm级），可以测定中长波地球重力场的静态部分。GRACE研究内容涉及到海平面变化及海洋环流、陆地水储量变化、冰盖变化等方面。3.3重力梯度卫星——GOCE2005年，欧洲空间局发射的载有高精度重力梯度计的GOCE卫星，将进行卫星重力梯度测量，其轨道高度约285km，8个月的观测时间，倾角为96.5°，偏心率小于0.001，星载设备主要有重力梯度仪、GPS/GLONASS接收机、无阻力控制系统、太阳能电池板和传感器以及激光反射器等。CHAMP、GRACE和GOCE卫星各有所长，它们的相继发射不是相互竞争而是互补的。CHAMP是卫星重力测量计划成功实施的先行者，GRACE的优越性体现于可高精度探测地球重力场的中长波信号及时变，而GOCE擅长于感测中短波静态地球重力场。但是仍无法满足本世纪相关学科对全频段静态和时变地球重力场精度进一步提高的迫切需求[7]。因此，寻求新型、高效、高精度、高空间分辨率和全频段的下一代卫星重力测量计划不仅是当前国际众多科研机构竞相制定的远景规划和首要执行的研究任务，而且是本世纪国际大地测量学、地球物理学、空间科学、天文学、国防建设等交叉领域的研究热点和亟待解决的前沿性科学难题之一。为此，美国NASA又提出了下一代专用于中、短波静态和中、长波时变地球重力场精密探测的GRACEFollow-On卫星重力测量计划；欧洲ESA正在开展下一代E.MOTION（EarthSystemMassTransportMission）卫星重力测量计划的需求论证；我国也正在计划构建独立自主的重力双星系统Post-GRACE，实现我国高精度和高空间分辨率的卫星重力测量，并开展基于精确时变地球重力场信号的全球变化科学研究，解决当前GRACE全球重力场模型与我国现有地球重力场观测结果之间的差异问题[6]。3.4GRACEFollow-On卫星重力测量计划GRACEFollow-On卫星重力测量计划是专门用于中、短波静态和中、长波时变地球重力场精密探测的，GRACEFollow-On双星预期采用近圆、近极和超低轨道设计，利用激光干涉测距仪高精度测量星间距离和星间速度，利用高轨GPS卫星对低轨双星精密跟踪定位，利用非保守力补偿系统高精度消除双星受到的非保守力，利用恒星敏感器测量卫星和载荷的空间三维姿态。由于激光具有超短波长和极好的波长稳定性，因此，利用激光干涉测距仪获得的星间距离和星间速度精度至少比K波段微波测距仪高3个数量级。下一代GRACEFollow-On卫星重力测量计划不仅可以更高精度探测静态地球重力场，同时致力于精密探测时变地球重力场信息。GRACEFollow-On得到的静态和动态地球重力场的精度比GRACE至少高一个数量级。主要原因如下：第一，GRACEFollow-On(200~300km)卫星轨道高度低于GRACE(400~500km)。GRACE卫星采用加速度计实时测量非保守力，在数据后处理中再扣除非保守力。由于非保守力随着卫星轨道高度降低而急剧增加，因此，GRACE卫星无法采用超低轨道设计。GRACEFollow-On卫星将采用非保守力补偿系统(Drag-free)精确屏蔽作用于卫星的非保守力，因此可实质性降低卫星轨道高度，进而有效抑制地球重力场信号随轨道高度的衰减。第二，GRACEFollow-On卫星关键载荷测量精度高于GRACE。GRACE卫星采用K波段测距仪测量星间距离(10μm)和星间速度(1μm/s)，采用加速度计测量卫星受到的非保守力(10-10m/s2)。GRACEFollow-On卫星基于激光干涉测距仪高精度测量星间距离(10nm)和星间速度(1nm/s)，基于非保守力补偿系统消除作用于卫星的非保守力(10-13m/s2)效应。第三，GRACEFollow-On星间距离短于GRACE。适当增加星间距离有利于提高长波地球重力场的精度，适当缩短星间距离有利于提高短波地球重力场的精度。GRACEFollow-On(50km)卫星较GRACE(220km)缩短了星间距离，进一步提高了中高频地球重力场的感测精度。3.5E.MOTION卫星重力测量计划欧洲ESA也正在开展下一代E.MOTION(EarthSystemMassTransportMission)卫星重力测量计划的需求论证。预计于2018年发射，采用钟摆式轨道，其轨道高度约373km，轨道重复周期为28.92天，倾角为75°~90°，星间距离为200km，卫星寿命大于7年，星载设备主要有激光干涉测距仪，用于测量星间距离和星间速度；非保守力补偿系统，用于精密测量和补偿作用于卫星的非保守力；GNSS接收机，用于精密测量卫星的轨道位置和轨道速度；姿态和轨道控制器，用于精密控制卫星的三维姿态和轨道高度等。3.6我国下一代Post-GRACE卫星重力测量工程我国下一代Post-GRACE卫星重力测量工程以全球重力场的科学应用研究、航空航天和国防建设需求、以及星载激光干涉测距、非保守力补偿和空间加速度计等关键技术需求为牵引，独立自主构建我国基于卫星跟踪卫星观测模式的重力双星系统，实现我国高精度和高空间分辨率的卫星重力测量，并开展基于精确时变地球重力场信号的全球变化科学研究[6,9]。Post-GRACE工程旨在最大程度地提高重力卫星的观测精度和时空分辨率，以及有效拓展和提升重力卫星在全球变化及区域响应科学研究中的应用范畴和能力；解决当前GRACE全球重力场模型与我国现有地球重力场观测结果之间的差异问题，为我国近地卫星定轨和远程武器命中提供精确的重力信息；建立高精度的陆地和海洋统一垂直基准面，支持我国新一的岛礁调查测绘工程建设。Post-GR