卫星重力测量发展及应用
2013-08-28 14:47:19 来源: 测绘论坛
一、研究背景
地(月)球重力场及其时变反映地(月)球表层及内部物质的空间分布、运动和变化，同时决定着大地水准面的起伏和变化。因此，确定地(月)球重力场的精细结构及其时变不仅是大地测量学、海洋学、地震学、空间科学、天文学、行星科学、深空探测、国防建设等的需求，同时也将为全人类寻求资源、保护环境和预测灾害提供了重要的信息资源。
人造卫星是在地(月)球重力场作用下在空间绕地(月)球运动的，要精密定轨，必须知道精确的地(月)球重力场参数，反之，精确测定卫星轨道的摄动，利用这些摄动的跟踪观测数据，又可以提高地(月)球重力场参数的精度，两者相辅相成。地球重力场是固体地球物理学、海洋动力学、地球动力学、冰川学、海平面变化与分析所需的基本物理量。在大地测量领域, 地球重力场对研究地球形状和精确求定地面控制点的三维坐标起着重要作用；在固体地球物理学中，基于地球重力场可以研究地球的内部构造和板块运动；在海洋学中，为了研究海面地形，揭示洋流和环流的活动规律也需应用地球重力场数据；在国防建设领域，远程武器的发射和飞行，必须知道精细的局部重力场和全球重力场。月球重力场的精密测量是国际探月计划的重要组成部分，它不仅决定着月球探测器的轨道优化设计和载人登月飞船月面理想着陆点的合适选取，同时将为全人类开展月体地形地貌和内部结构研究、月壤新能源和资源探测、月面宇宙环境分析(电磁、微粒子、高能等)、月球和地月系统起源和演化历史论证等提供丰富的信息资源。地(月)球重力场起着双重作用：第一，通过比较实际重力场和理想重力场的差可以得到重力异常，重力异常表明地(月)球内部的质量不平衡状态，并提供地球(月)动力学的重要信息；第二，确定大地水准面(和静止平均海平面相重合的等位面) ，大地水准面是所有地貌(如陆地、冰川、海洋等) 的参考面，而大地水准面仅仅是由重力场来定义的，它可以通过重力场的精化而改善。
目前常使用的重力测量手段主要有地表观测、航空测量以及卫星重力探测等。由于地面重力测量受地形和气候影响较大、耗时多、劳动强度大、作业成本高,使重力测量的地面覆盖率和分辨率受到极大的限制。航空重力测量虽然能够克服地形条件的限制，但却只能用于局部地区或区域性的测量，且仍受到气候条件的影响。卫星重力是近年来发展起来的新型空间探测技术，其发展和应用是当今国际大地测量学界继GPS之后的又一次革命性突破。卫星重力探测不受地形等自然条件的影响，为解决全球高覆盖率、高精度、高空间分辨率和高时间重复率重力测量开辟了新的有效途径，不但弥补了传统重力测量方法的不足,而且可以使地球重力场和大地水准面的测定精度提高一个数量级以上，并可测定高精度的时变重力场，很快成为了大地测量和地球物理学中新的研究热点和前沿。
二、卫星重力测量原理及发展：
1. 原理
卫星重力就是以卫星为载体，利用卫星本身为重力传感器或卫星所携带的重力传感器(加速度仪、精密测距系统和重力梯度仪等)，观测由地球重力场引起的卫星轨道摄动，以这些数据资料来反演和恢复地球重力场的方法和技术。广义的卫星重力测量泛指所有基于卫星观测资料确定地球重力场的技术，它包括了从20 世纪60 年代发展起来的地面光电卫星跟踪技术、Doppler 地面跟踪技术、人造卫星激光测距技术和卫星测高技术以及近年才有所突破的卫星跟踪卫星技术(下称卫卫跟踪或SST) 和卫星重力梯度技术。
2. 卫星重力发展概况
自1957年第一颗人造地球卫星Sputnik发射成功，人们开始把目光投向用卫星资料计算地球重力场到最近用于精化地球重力场的极地低轨卫星的成功发射，卫星重力探测技术主要经历了以下三个发展阶段：
第一阶段：20世纪60年代前期，卫星位置主要是通过光学摄影测定。最早利用地面站卫星跟踪数据确定地球重力场的是Buchar，他于1958年根据Sputnik卫星近地点运动资料计算了地球重力场位系数，并推算出地球的扁率，但由于当时的观测精度低、卫星轨道高、观测数据不能全球覆盖等因素的制约，确定的阶数和精度都很低。
第二阶段： 20世纪60年代中后期至今，随着定轨技术的迅速发展，出现了多种地面跟踪技术和卫星对地观测技术，包括卫星激光测距(SLR)、卫星多普勒测速(Doppler)、多普勒定轨与无线电定位集成(DORIS)、精密测距测速( PRARE) 和卫星雷达测高(SRA) 等。1966年， Kaula利用卫星轨道摄动分析建立了8阶地球重力场模型,并出版了《卫星大地测量理论》一书，奠定了卫星重力学的理论基础。SLR卫星的跟踪测量有效地提高了低阶次位系数的精度，近40年来由此卫星重力技术发布了一系列低阶重力场模型。随着卫星测量精度的提高和空间卫星数目的增多，采用多颗不同倾角的卫星组合解算地球重力场使数据的覆盖率有了一定的改善。20世纪70年代开始出现卫星雷达测高，至今研制和发展了多代卫星测高系统，用于精确测定平均海面的大地高，确定海洋大地水准面和海洋重力异常，分辨率可优于10km，精度优于分米级。卫星测高数据联合地面重力测量数据以及SLR低阶重力场模型，发展了多个高阶地球重力场模型。20世纪70年代提出卫星测高构想到目前为止，所发射的卫星测高仪主要有美国NASA等部门发射的地球卫星GEO - 3 (1975年)、海洋卫星SEASAT(1978年)、大地测量卫星GEOSAT (1985年) 及后续卫星GEOSAT Follow- on ( GFO，1998年),欧空局(ESA) 发射的遥感卫星ERS- 1 (1991年) 和ERS-2 (1995年) 及后续卫星Envisat-1(2002年2月)，NASA和法国空间局(CNES)合作发射的海面地形实验/海神卫星Topex/Poseidon (T/P， 1992年) 及其后续卫星Jason - 1 (2001年12月)等。
第三阶段： 21世纪初，空间技术的进步促进了低轨的小卫星在地球重力场中的应用，出现了现代卫星重力测量技术。新的卫星重力测量技术采用低轨道设计，能够更灵敏地感测地球重力场，结合星载GPS、SLR等多种卫星定位技术进行精密跟踪定轨，同时实现了卫星轨道机动，可在任务执行期间变换轨道高度，并结合其他星载传感器(加速度计、重力梯度仪、K波段测距系统KBR) 实现了多种观测量以及数据的全球覆盖。用现代卫星重力测量技术测量地球重力场包括卫星跟踪卫星( satellite - to - satellite tracking, 简称SST)技术和卫星重力梯度测量( satellite - gravity - grads，简称SGG)，其中已经成功发射的SST卫星包括德国的CHAMP卫星和美、德合作的GRACE卫星，SGG卫星GOCE也正在加紧研制，预计近期就可以实施。正是低轨卫星定轨技术的发展，推动了卫星重力测量进入了实用化阶段。
三、卫星重力测量技术
卫星重力探测技术以前所未有的精度和分辨率使确定地球重力场的精细结构及其时变成为可能, 极大地促进了大地测量学及地学相关学科的发展。归纳起来, 卫星重力探测技术主要有以下4种: 卫星地面跟踪技术(地面跟踪观测卫星轨道摄动) 、卫星对地观测技术(主要是海洋卫星测高技术) 、卫星跟踪卫星(SST) 和卫星重力梯度(SGG) 测量技术。
1. 卫星地面跟踪技术与卫星对地观测技术
卫星地面跟踪技术和卫星对地观测技术是20世纪主要的卫星重力观测技术。卫星地面跟踪技术(即地面跟踪观测卫星轨道摄动)是采用摄影观测、多普勒观测或激光观测(有地基和空基两种模式) 等技术手段测定地球重力异常场(消除日月引力、地球潮汐、大气和太阳光压等因素)对卫星轨道的摄动，以此反演出地球重力场。卫星对地观测当前主要是海洋卫星测高技术。海洋卫星测高技术是利用星载雷达测高仪向海面发射脉冲信号，经海面反射后由卫星接收，根据卫星的轨道位置并考虑到海潮、海流、海风、海水盐度及大气压等因素的影响，推求海洋大地水准面高。卫星测高资料相当于在海洋上进行了大量的重力测量，为海洋区域地球重力场研究提供了前所未有的高分辨率观测资料，是研究全球重力场的重要补充，使全球重力场模型得到极大改善。
从观测技术和卫星计划的设计方面，利用这两种卫星观测资料恢复重力场主要有以下缺点：
第一，观测资料不能全球均匀覆盖，卫星地面跟踪技术只有跟踪站上有观测资料，卫星测高技术也只能获得高精度的海洋重力资料。第二，两种技术都必须通过大气层和电离层获取卫星信息，不可避免地带来数据的失真。第三，卫星轨道单一，所解算的地球重力场的球谐函数不完善，不能对其所有阶次的表达式都有好的均匀一致的精度和可靠性。第四，卫星轨道较高，这是为了减小大气阻力的影响、获得较高的定轨精度，因而限制了其感应重力场信号的能力。第五，恢复重力场的时间较长。由于以上因素的影响，限制了这两种技术恢复地球重力场的潜力，且难以在目前的水平上有很大的提高，这就要求必须有一种更完善的方法来测定地球重力场。
2. 卫星跟踪卫星与卫星重力梯度测量
从卫星地面跟踪和海洋测高到卫卫跟踪是卫星重力发展的必然过程，卫卫跟踪技术的出现使得卫星设计目标从以往的单纯提高重力场精度提高到同时测量重力场变化。
卫星跟踪卫星(SST)，有高低卫卫跟踪(hl- SST)和低低卫卫跟踪(ll- SST) 两种模式。高低卫卫跟踪(hl- SST) 技术是由若干高轨同步卫星跟踪观测低轨卫星(高度500km左右) 的轨道摄动，确定地球扰动重力场。高轨卫星主要受地球重力场的长波部分影响，而且受大气阻力影响极小，轨道稳定性高，因而可以由地面卫星跟踪站对它进行精密定轨。低轨卫星由于在极低的轨道上运行，对地球重力场的摄动有较高的敏感性，其轨道摄动则由高轨卫星连续跟踪并以很高精度测定出来，同时低轨卫星上载有卫星加速计，补偿低轨卫星的非保守力摄动(主要是大气阻力)，其跟踪精度达到毫米级，恢复低阶重力场精度可以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。从本质上看， hl2SST技术与地面站跟踪观测并无很大区别，但其数据的覆盖率、分辨率和精度都有很大提高，而由hl - SST发展起来的ll2SST技术测定地球重力场的精度和分辨率将会更高。
低低卫卫跟踪( ll - SST) 是通过测定在同一低轨道上的两颗卫星之间(相距约200km左右) 的距离和距离变率(又称相对视线速度) 反映两卫星星下点之间的地球重力场的变化。如果低轨卫星能以微米级的测距测速精度相互跟踪，同时还与GPS卫星构成空间跟踪网，理论上恢复低阶地球重力场精度要比现在提高二个数量级及以上，中波部分的地球重力场测定精度也可以提高一个数量级以上。
卫星重力梯度测量( SGG) 是利用低轨卫星上所携带的高精度的超导重力梯度仪直接测定卫星轨道高度处的重力梯度张量，由于观测量(重力梯度张量)为重力位二阶导数，因此有能力恢复地球重力场的高阶部分(达180阶左右)，其精度可提高一个数量级以上。由于这类卫星的寿命设计一般为1年左右，仅能用于地球重力场的静态研究。卫星跟踪卫星( SST) 和卫星重力梯度测量(SGG) 是目前公认的最有价值和应用前景的重力探测技术，与卫星地面跟踪技术和卫星对地观测技术相比它们在技术设计上有了很大的进步。
首先，低卫星轨道。卫星设计高度可降至400 km左右，大大提高了对地球重力场(特别是对中长波长)的敏感性。
其次，实现了卫星轨道机动。要么利用多个不同轨道的卫星进行地球重力场测量；要么单个卫星用变轨技术，即通过一个卫星的不同运行轨道来进行地球重力场测量。
第三，卫星精确定轨。利用高精度的GPS技术和微波测距测速，连续跟踪卫星的三维空间分量。
第四，可加载高精度星载设备。加速度计、重力梯度计、K波段测距系统的加载，实现了多种观测量的卫星测量。如利用星载三轴加速度计进行测量与补偿非重力效应，克服了大气等非保守力影响，高精度的卫星超导重力梯度计直接测定重力梯度张量， K波段测距系统进行低低卫星跟踪测量等。
正是低轨卫星精密定轨，再加上高精度星载设备的发展，推动卫星重力测量进入了实用阶段。三颗专用的地球重力场探测卫星CHAMP (地球科学应用卫星)、GRACE (探测重力场和气象实验卫星)、GOCE (重力场和静态洋流探索卫星) 是历史上首次专门为测量地球重力场而开发研制的。就目前的应用实践来看，还存在一定的局限性。2000年由德国研制的CHAMP卫星是世界上第一颗采用SST技术的小型重力卫星。它主要用于测定地球重力场和磁场，解决时间变化问题。CHAMP所采用的hl2SST技术有两方面的优点：一是其中高轨卫星(GPS卫星)的轨道已精确地测定；二是在CHAMP卫星的全部轨道上都能接收到高轨卫星，即GPS卫星信号。CHAMP卫星是第一次非间断三维高低跟踪技术结合三维重力加速度测量，但由于它所搭载的加速度仪的功能障碍及Z轴不稳定，这个技术在精度和空间解析度上不会对现有重力场模型有多少改进，但是它将大大提高球谐系数的精度，并使目前的模型更加可靠。其主要弱点是轨道高处重力场衰减阻碍了获得真正的高空间解析度。在后来设计GRACE和GOCE时采用物理中描述小尺度特性的精典微分方法使这个缺点得到了很好的解决，并由此构想出两种实用的技术SST-ll和SGG。2002年，由美国宇航局(NASA) 和德国空间局(DLA) 共同研制成功的GRACE卫星是一个同时以hl2SST和ll2SST技术求定重力场的卫星，它不仅能和CHAMP一样以hl2SST技术测定静态的地球重力场，而且还能以ll - SST技术测定随时间变化的地球重力场。它将使中长空间尺度的球谐系数精度提高约三个量级，可以测量重力场的时间变化。GRACE和CHAMP主要依靠SST技术推算重力场的中、长波部分，而短波部分主要依靠地面重力资料推算。CHAMP和GRACE卫星无法得到高精度的短波重力场，因此也不可能得出一个非常可靠的精确的全球重力场模型和精化的全球大地水准面。为了弥补以上局限性和不足，载有极高精度卫星梯度仪的高底轨卫卫跟踪重力卫星GOCE将可以提供较高空间分辨率(100km)的重力场，研究地球深部精细结构和各圈层运动方式与运动之间的相互关系，可以得到更加精细的全波段地球重力场和大地水准面支持，以满足现代大地测量、地球物理、地球动力学和海洋学等相关学科的发展需求。
四、卫星重力在地学中的应用
由于卫星重力资料具有全球高覆盖率等优点，能给出大尺度的重力变化， 20世纪六七十年代起，考拉(Kaula)等人就开始了利用卫星重力资料进行全球性构造的研究，麦奎因(Mcqueen)等人利用低阶谐量研究了全球性地幔内部的密度界面起伏。60年代中后期以后，有人提出利用卫星重力资料研究岩石圈底部应力场的理论，其中比较有代表性的是朗科恩(Runcorn) 理论。随着空间技术的进步，卫星重力资料的精度和分辨率不断提高，我们不仅可以得到高精度静态地球重力场模型，还可以得到重要的时变地球重力场信息，这对于研究地球内部物理特性、地球深部结构及其在各种环境下的动力学特性、建立全球高程基准、导航及精密卫星定轨及地球物理勘探等方面都有重大应用价值,同时重力场的时变信息对于了解海洋学、水文学、冰河学或固体地球科学中某些地球动力学现象的时变过程和规律有重大贡献。比较典型的实例，如1997年张健等进行的塔里木盆地卫星重力异常与油气资源的相关性研究，1998年王懋基等用卫星测高数据得到的南海卫星重力图，1999年方剑利用卫星重力资料反演地壳及岩石圈厚度，2000年楼海等通过卫星重力资料揭示了新疆天山地区构造动力学状态，以及卫星重力在南黄海地区构造演化和中生代厚度计算中的应用研究等。
五、总结与展望
卫星重力学是继GPS之后，地学研究领域的又一重大科学进展。利用卫星重力资料将使确定地球重力场和大地水准面的精度提高一个数量级以上，并可测定高精度的时变重力场，同时为研究地球重力场提供海量数据，填补了地球上的重力空白区。因此，卫星重力学的科学应用将涉及许多地球科学领域，对地学相关学科的影响将是深远的，特别是对大地测量学、地球物理学等领域将带来前所未有的冲击，最终会把它们推进到一个崭新的阶段。
然而由于我国的卫星重力研究起步较晚，与国外现有的技术水平相比，还存在相当大的差距，所面临的困难也是不言而喻的。根据我国卫星重力学研究的现状和先进国家水平的差距，应打好基础，确定有限目标和切入点：影响卫星重力探测水平的关键在于高精度星载设备的研制与安装和低轨卫星精密定轨，这是目前卫星重力研究的热点和难点。此外，随之而来的时空边值问题或重力场反演问题的理论和方法也都要适应卫星重力发展的新情况而有所改变，这也是目前及以后的重点研究方向。
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