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；GRACE Follow-On

1 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——CHAMP

CHAMP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Turbo Rogue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——GRACE

GRACE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