地球重力測量衛(wèi)星簡介(共6頁)

1、地氣重力測量衛(wèi)星(wixng)簡介摘要(zhiyo)：現(xiàn)代大地測量(d d c ling)的基本目標之一就是獲得高精度和高分辨率的地球重力場模型，衛(wèi)星重力計劃就是基于這一目標實施的。本文首先介紹了衛(wèi)星重力學(xué)原理，隨后對已經(jīng)成功發(fā)射的三顆地球重力衛(wèi)星（CHAMP、GRACE和GOCE）以及正在進行中的三個工程計劃作詳細闡述，最后重點討論了地球重力場模型在測繪學(xué)科中的應(yīng)用研究進展。 關(guān)鍵詞：衛(wèi)星重力測量；CHAMP；GRACE；GOCE；GRACE Follow-On1 引言衛(wèi)星重力測量技術(shù)是繼美國GPS系統(tǒng)成功構(gòu)建后在大地測量鄰域的又一項創(chuàng)新，引起了測繪學(xué)、地球物理學(xué)、災(zāi)害地質(zhì)學(xué)、礦產(chǎn)地質(zhì)學(xué)等一

2、系列學(xué)科的革命，也是21世紀眾多科學(xué)家關(guān)注的熱點1。地球重力場是地球系統(tǒng)物質(zhì)屬性產(chǎn)生的一個最基本的物理場，反映由地球各圈層相互作用和動力過程決定的物質(zhì)空間分布、運動和變化，承載地球系統(tǒng)演化進程中的一切與其重力場作用機制相關(guān)信息，地球重力場的時空演化是地球系統(tǒng)動力過程的歷史再現(xiàn)。伴隨著計算機、微電子和航天技術(shù)等的迅猛發(fā)展，地球重力場的研究正經(jīng)歷著一場大的變革，觀測研究對象已由傳統(tǒng)的局部地表、低近地空間擴展到全球范圍、深空宇宙的各種動力現(xiàn)象和過程，發(fā)展為以動態(tài)觀、整體論的方法描述地球的重力場，并引發(fā)了相關(guān)學(xué)科的交叉融合和催生新的學(xué)科領(lǐng)域2。衛(wèi)星重力探測技術(shù)從第一代光學(xué)攝影技術(shù)發(fā)展到第二代多種技術(shù)地

3、面跟蹤和衛(wèi)星對地觀測技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)進入以星載GPS精密跟蹤定軌為主的測高衛(wèi)星和重力衛(wèi)星的第三代，其重要特征是更低的近極近圓軌道，連續(xù)的厘米級精度衛(wèi)星定軌，實測重力場參數(shù)（如重力梯度）的星載設(shè)備，這些新技術(shù)的應(yīng)用大大突破了傳統(tǒng)重力測量的局限性3。2 衛(wèi)星重力學(xué)原理早在70年代初，利用衛(wèi)星技術(shù)及星載重力儀研究重力場的概念就已提出，進入80年代，許多歐美學(xué)者開始針對不同的專用重力衛(wèi)星觀測方案開始了數(shù)值模擬計算，同時專用重力觀測的衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計和衛(wèi)星的試驗也逐步開始，經(jīng)前后二十多年的反復(fù)論證和試驗，最終，衛(wèi)-衛(wèi)跟蹤和衛(wèi)星重力梯度兩種觀測模式為國際大地測量界普遍接受4。當今，全球重力場研究的熱點是將中、低

4、頻重力位模型提高到厘米級，已發(fā)射的地球重力衛(wèi)星共有CHAMP、GRACE和GOCE三顆衛(wèi)星5。2.1 衛(wèi)-衛(wèi)跟蹤技術(shù)衛(wèi)-衛(wèi)跟蹤技術(shù)是指空間的兩顆衛(wèi)星之間的精密測距測速跟蹤，隨著GPS技術(shù)的發(fā)展，又演化為高低衛(wèi)-衛(wèi)跟蹤和低低衛(wèi)-衛(wèi)跟蹤。高低衛(wèi)-衛(wèi)跟蹤利用低軌衛(wèi)星（高度400500km左右）上的星載GPS接收機與GPS衛(wèi)星構(gòu)成對低軌衛(wèi)星的空間跟蹤網(wǎng)，同時低軌衛(wèi)星上載有高精度加速計以補償?shù)蛙壭l(wèi)星的非保守力攝動（主要是大氣阻力影響），其跟蹤精度達到毫米級，恢復(fù)低階重力場精度可以較現(xiàn)有模型提高一個數(shù)量級以上，對應(yīng)的低階大地水準面精度達到毫米級。低低衛(wèi)-衛(wèi)跟蹤技術(shù)是指兩顆低軌衛(wèi)星，相距200km左右，以微

5、米級的測距測速精度相互跟蹤，同時與GPS衛(wèi)星構(gòu)成空間跟蹤網(wǎng)，因此低低衛(wèi)-衛(wèi)跟蹤相當于兩顆高低衛(wèi)-衛(wèi)跟蹤再加上兩顆低軌衛(wèi)星之間的跟蹤，觀測值大大增加，其恢復(fù)低階重力場精度可以提高2個數(shù)量級以上，且中波長的地球重力場測定精度也相應(yīng)提高一個數(shù)量級上4,5。低低衛(wèi)-衛(wèi)跟蹤可采用微波或激光測距的方式，后者的技術(shù)難度較大但精度更高。此外，由于衛(wèi)-衛(wèi)跟蹤衛(wèi)星的壽命設(shè)計達5年左右，因此可以精確測定中低階地球重力場隨時間的變化。2.2 衛(wèi)星(wixng)重力梯度技術(shù)衛(wèi)星重力梯度技術(shù)是指在低軌衛(wèi)星上載有高精度的超導(dǎo)(cho do)重力梯度計，測定空間在軌衛(wèi)星處的重力梯度張量，然后(rnhu)求介邊值問題反演出地球

6、重力場。由于觀測量梯度值為地球重力位的二階導(dǎo)數(shù)，因此衛(wèi)星重力梯度觀測有能力恢復(fù)地球重力場的高階部分（達180階以上），其精度可提高一個數(shù)量級以上。為了減小各種噪聲的影響，衛(wèi)星梯度儀一般放置在低溫超導(dǎo)的環(huán)境中，但是由于體積的限制，這類衛(wèi)星的壽命僅1年左右，一般用于確定靜態(tài)重力場的研究。近年來，人們也致力于長壽命超導(dǎo)重力梯度儀的研制，以便用于重力場時變的觀測研究4,6。3 地球重力測量衛(wèi)星當前已經(jīng)成功發(fā)射的地球重力測量衛(wèi)星有CHAMP、GRACE和GOCE三顆衛(wèi)星，這三顆衛(wèi)星的成功發(fā)射昭示著人類將迎來一個前所未有的衛(wèi)星重力探測時代6,7,8。3.1 高低衛(wèi)-衛(wèi)跟蹤衛(wèi)星CHAMPCHAMP衛(wèi)星是由德

7、國地球科學(xué)中心（GFZ）獨立研制的，并于2000年7月15日成功發(fā)射，它的成功發(fā)射標志著衛(wèi)星重力學(xué)研究邁出了重要的一步。CHAMP衛(wèi)星的設(shè)計壽命是5年，圓形近極軌道，傾角83，偏心率0.004，近地點約470km，主要目的為：1）確定全球中長波長靜態(tài)重力場和隨時間的變化；2）測定全球磁場和電場；3）大氣和電離層探測。作為重力場的測定，低軌衛(wèi)星上的星載雙頻GPS接收機，以接收高軌GPS衛(wèi)星信號精密確定低軌衛(wèi)星的軌道。利用衛(wèi)星的質(zhì)量中心安裝了三軸加速度計測量非保守力，如大氣阻力、太陽光壓等，其測量精度在衛(wèi)星軌道的切向可達5*10-9m/s2，在軌道徑向和法向為5*10-8m/s2，星載設(shè)備還有SL

8、R反射棱鏡和地磁探測儀。盡管CHAMP衛(wèi)星的定位技術(shù)采用了Turbo Rogue接收儀利用加速度計測量非保守力和軌道低等優(yōu)點，但重力場的衰減問題阻礙了其高空間分辨率，據(jù)估計，CHAMP衛(wèi)星恢復(fù)重力場的空間分辨率可達500km，在此分辨率下將比現(xiàn)有重力場模型的精度提高12個量級，即大于1000km的中長波大地水準面測定精度可達到1cm。3.2 低低衛(wèi)-衛(wèi)跟蹤衛(wèi)星GRACEGRACE衛(wèi)星是由美歐合作的并于2002年3月18日成功發(fā)射的，其軌道高度約500km，采用近極圓軌道設(shè)計，壽命約35年。GRACE衛(wèi)星主要搭載的設(shè)備有：星載GPS接收機，進行低星與GPS高星之間的跟蹤測量；三軸加速度計，用以測

9、量非保守力；K波段微波儀，進行低低衛(wèi)-衛(wèi)跟蹤測量。其主要目標是：1）測定中長波地球重力場，5000km長大地水準面精度達0.01mm。5005000km波長大地水準面精度為0.010.1mm，比CHAMP的精度提高兩個數(shù)量級；2）監(jiān)測1530天或更長時間尺度長波重力場的時間變化，大地水準面年變化的測定精度為0.01mm/年；3）探測大氣、電離層環(huán)境。由于GRACE是由兩個相同的CHAMP衛(wèi)星組成的，均由星載GPS接收機準確確定其軌道位置，在同一軌道平面內(nèi)運動，前后間距約為220km，沿軌跡方向兩顆衛(wèi)星的距離變化，由K波段微波測量裝置以微米級精度實時測得（精度約為m級），可以測定中長波地球重力場

10、的靜態(tài)部分。GRACE研究內(nèi)容涉及到海平面變化及海洋環(huán)流、陸地水儲量變化、冰蓋變化等方面。3.3 重力梯度衛(wèi)星(wixng)GOCE2005年，歐洲(u zhu)空間局發(fā)射的載有高精度重力梯度計的GOCE衛(wèi)星，將進行衛(wèi)星重力梯度測量(cling)，其軌道高度約285km，8個月的觀測時間，傾角為96.5，偏心率小于0.001，星載設(shè)備主要有重力梯度儀、GPS/GLONASS接收機、無阻力控制系統(tǒng)、太陽能電池板和傳感器以及激光反射器等。CHAMP、GRACE和GOCE衛(wèi)星各有所長，它們的相繼發(fā)射不是相互競爭而是互補的。CHAMP是衛(wèi)星重力測量計劃成功實施的先行者，GRACE的優(yōu)越性體現(xiàn)于可高精度

11、探測地球重力場的中長波信號及時變，而GOCE擅長于感測中短波靜態(tài)地球重力場。但是仍無法滿足本世紀相關(guān)學(xué)科對全頻段靜態(tài)和時變地球重力場精度進一步提高的迫切需求7。因此，尋求新型、高效、高精度、高空間分辨率和全頻段的下一代衛(wèi)星重力測量計劃不僅是當前國際眾多科研機構(gòu)競相制定的遠景規(guī)劃和首要執(zhí)行的研究任務(wù)，而且是本世紀國際大地測量學(xué)、地球物理學(xué)、空間科學(xué)、天文學(xué)、國防建設(shè)等交叉領(lǐng)域的研究熱點和亟待解決的前沿性科學(xué)難題之一。為此，美國NASA又提出了下一代專用于中、短波靜態(tài)和中、長波時變地球重力場精密探測的GRACE Follow-On衛(wèi)星重力測量計劃；歐洲ESA正在開展下一代E.MOTION（Eart

12、h System Mass Transport Mission）衛(wèi)星重力測量計劃的需求論證；我國也正在計劃構(gòu)建獨立自主的重力雙星系統(tǒng)Post-GRACE，實現(xiàn)我國高精度和高空間分辨率的衛(wèi)星重力測量，并開展基于精確時變地球重力場信號的全球變化科學(xué)研究，解決當前GRACE全球重力場模型與我國現(xiàn)有地球重力場觀測結(jié)果之間的差異問題6。3.4 GRACE Follow-On衛(wèi)星重力測量計劃GRACE Follow-On衛(wèi)星重力測量計劃是專門用于中、短波靜態(tài)和中、長波時變地球重力場精密探測的，GRACE Follow-On雙星預(yù)期采用近圓、近極和超低軌道設(shè)計，利用激光干涉測距儀高精度測量星間距離和星間速度

13、，利用高軌GPS衛(wèi)星對低軌雙星精密跟蹤定位，利用非保守力補償系統(tǒng)高精度消除雙星受到的非保守力，利用恒星敏感器測量衛(wèi)星和載荷的空間三維姿態(tài)。由于激光具有超短波長和極好的波長穩(wěn)定性，因此，利用激光干涉測距儀獲得的星間距離和星間速度精度至少比K波段微波測距儀高3個數(shù)量級。下一代GRACE Follow-On衛(wèi)星重力測量計劃不僅可以更高精度探測靜態(tài)地球重力場，同時致力于精密探測時變地球重力場信息。GRACE Follow-On得到的靜態(tài)和動態(tài)(dngti)地球重力場的精度比GRACE至少高一個(y )數(shù)量級。主要原因如下：第一(dy)，GRACE Follow-On(200300km)衛(wèi)星軌道高度低于

14、GRACE(400500km)。GRACE衛(wèi)星采用加速度計實時測量非保守力，在數(shù)據(jù)后處理中再扣除非保守力。由于非保守力隨著衛(wèi)星軌道高度降低而急劇增加，因此，GRACE衛(wèi)星無法采用超低軌道設(shè)計。GRACE Follow-On衛(wèi)星將采用非保守力補償系統(tǒng)(Drag-free)精確屏蔽作用于衛(wèi)星的非保守力，因此可實質(zhì)性降低衛(wèi)星軌道高度，進而有效抑制地球重力場信號隨軌道高度的衰減。第二，GRACE Follow-On衛(wèi)星關(guān)鍵載荷測量精度高于GRACE。GRACE衛(wèi)星采用K波段測距儀測量星間距離(10m)和星間速度(1m/s)，采用加速度計測量衛(wèi)星受到的非保守力(10-10m/s2)。GRACE Foll

15、ow-On衛(wèi)星基于激光干涉測距儀高精度測量星間距離(10nm)和星間速度(1nm/s)，基于非保守力補償系統(tǒng)消除作用于衛(wèi)星的非保守力(10-13m/s2)效應(yīng)。第三，GRACE Follow-On星間距離短于GRACE。適當增加星間距離有利于提高長波地球重力場的精度，適當縮短星間距離有利于提高短波地球重力場的精度。GRACE Follow-On(50km)衛(wèi)星較GRACE(220km)縮短了星間距離，進一步提高了中高頻地球重力場的感測精度。3.5 E.MOTION衛(wèi)星重力測量計劃歐洲ESA 也正在開展下一代E.MOTION( Earth System Mass Transport Missio

16、n)衛(wèi)星重力測量計劃的需求論證。預(yù)計于2018年發(fā)射，采用鐘擺式軌道，其軌道高度約373km，軌道重復(fù)周期為28.92天，傾角為7590，星間距離為200km，衛(wèi)星壽命大于7年，星載設(shè)備主要有激光干涉測距儀，用于測量星間距離和星間速度；非保守力補償系統(tǒng)，用于精密測量和補償作用于衛(wèi)星的非保守力；GNSS接收機，用于精密測量衛(wèi)星的軌道位置和軌道速度；姿態(tài)和軌道控制器，用于精密控制衛(wèi)星的三維姿態(tài)和軌道高度等。3.6 我國下一代Post-GRACE衛(wèi)星重力測量工程我國下一代Post-GRACE衛(wèi)星重力測量工程以全球重力場的科學(xué)應(yīng)用研究、航空航天和國防建設(shè)需求、以及星載激光干涉測距、非保守力補償和空間加

17、速度計等關(guān)鍵技術(shù)需求為牽引，獨立自主構(gòu)建我國基于衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星觀測模式的重力雙星系統(tǒng)，實現(xiàn)我國高精度和高空間分辨率的衛(wèi)星重力測量，并開展基于精確時變地球重力場信號的全球變化科學(xué)研究6,9。Post-GRACE工程旨在最大程度地提高重力衛(wèi)星的觀測精度和時空分辨率，以及有效拓展和提升重力衛(wèi)星在全球變化及區(qū)域響應(yīng)科學(xué)研究中的應(yīng)用范疇和能力；解決當前GRACE全球重力場模型與我國現(xiàn)有地球重力場觀測結(jié)果之間的差異問題，為我國近地衛(wèi)星定軌和遠程武器命中提供精確的重力信息；建立高精度的陸地和海洋統(tǒng)一垂直基準面，支持我國新一的島礁調(diào)查測繪工程建設(shè)。Post-GRACE工程的成功實施，不僅可滿足我國日益增長和迫切

18、的科學(xué)和國防需求，同時對我國將來高精度和高空間分辨率的月球衛(wèi)星重力測量計劃，以及太陽系火星、金星、水星等行星衛(wèi)星重力測量探測計劃的成功實施積累成果經(jīng)驗。Post-GRACE重力衛(wèi)星軌道參數(shù)見表1。Post-GRACE衛(wèi)星(wixng)重力測量工程的科學(xué)目標為：1）在200階處（空間(kngjin)分辨率100km），靜態(tài)大地水準面測量(cling)精度為13cm，靜態(tài)重力異常精度(13)*10-5ms-2；2）時變地球重力場空間分辨率優(yōu)于300km，月大地水準面精度優(yōu)于1mm。表 SEQ 表格 * ARABIC 1 Post-GRACE重力衛(wèi)星軌道參數(shù)Tab.1 Orbital paramet

19、ers of Post-GRACE gravity satellite參數(shù)指標發(fā)射時間20202030年軌道高度300400km星間距離50100km軌道傾角8790跟蹤模式SST-HL/LL衛(wèi)星壽命510年4地球重力場在測繪中的應(yīng)用研究進展地球重力場信息應(yīng)用范圍很廣，如在測繪、地球動力學(xué)解釋、地震監(jiān)測、海洋動力環(huán)境、導(dǎo)彈發(fā)射、水下導(dǎo)航等領(lǐng)域都有實際的應(yīng)用。下面我們僅對在測繪中的應(yīng)用研究作敘述7。GPS重力相結(jié)合的高程測量方法是GPS 出現(xiàn)之后逐漸發(fā)展到比較成熟的測定地面海拔高程（正高或正常高）的一種新技術(shù)方法。眾所周知，地面點平面位置和高程是工程建設(shè)最基礎(chǔ)的三維空間信息，其精確快速測量是歷次

20、世界測繪技術(shù)進步所要解決的核心問題。衛(wèi)星定位技術(shù)引發(fā)了平面定位革命，實現(xiàn)了平面位置的高效測定。但諸如水利等各類工程建設(shè)所需的海拔高程，仍需采用傳統(tǒng)的水準測量，因此衛(wèi)星定位的革命性進程尚未完成。用衛(wèi)星定位代替精密水準測定海拔高程成為亟待攻克的技術(shù)難題10。建立精密大地水準面（海拔高程基準面）模型是當前突破這一難題的唯一途徑。1828 年高斯提出以大地水準面作為海拔高程起算面。它被定義為，一個與平均海水面最為密合的重力等位面，但是，由于技術(shù)水平的局限，長期停留在理論研究階段，一直無法實用化。上世紀80 年代，GPS 技術(shù)的出現(xiàn)，帶來了平面定位的革命。但GPS 測定的大地高，是相對于參考橢球的高度，

21、不能標示水的流向，不能直接用于工程，工程中使用的海拔高，是地面點到大地水準面的高度，他們兩者之間的差距就是大地水準面距離地球橢球的高度。如果能精確確定大地水準面，就可以用GPS 直接測定海拔高，徹底實現(xiàn)平面與高程“三維一體”定位。至此，大地水準面從理論研究進入到工程應(yīng)用階段，成為國家測繪基礎(chǔ)設(shè)施。正因為如此，國際大地測量協(xié)會上世紀90年代明確提出“確定1 厘米精度大地水準面”是21 世紀大地測量發(fā)展的一個全局性戰(zhàn)略目標，也是當今大地測量學(xué)科面臨的世紀性挑戰(zhàn)。在此領(lǐng)域，自從GPS 出現(xiàn)以后，我國開展了持續(xù)不斷的研究，從最初的確定重力大地水準面的移去恢復(fù)法、將重力大地水準面和GPS 水準幾何大地水準面進行多項式擬合法，到現(xiàn)今的確定大地水準面的赫爾默特凝聚法、將重力大地水準面和GPS 水準幾何大地水準面進行球冠諧融合法等方面提出了多項精密確定大地水準面的理論和技術(shù)創(chuàng)新，并完成了工程化軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了大地水準面從米級到分米級、到厘米級、再到亞厘米級精度三次重大技術(shù)突破，使衛(wèi)星定位技術(shù)具有精密測定海拔高程的能力，革新了傳統(tǒng)高程測量方法，建立了“衛(wèi)星定位大地水準面”的工程化精密三維定位新模式7。參考文獻1 徐海軍(hijn),張永志,段虎榮等.衛(wèi)星重力