地球重力衛(wèi)星的發(fā)展及應(yīng)用綜述

■趙 青，王玉霞，張 松

■1.山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100;2.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250100

1 引言

地球重力專用測量衛(wèi)星的成功發(fā)射預(yù)示著人類進(jìn)入重力探測新時代。利用衛(wèi)星可進(jìn)行高精度全球重力場的測定;精確求定大地水準(zhǔn)面，建立和維護(hù)高精度的高程基準(zhǔn)。此外，地球?qū)W科領(lǐng)域也可利用衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)行資源的勘察和地震監(jiān)測［1］。

2 地球重力衛(wèi)星概述

2.1 CHAMP(Challenging Minisatellite Payload)衛(wèi)星

CHAMP 是世界上首先采用衛(wèi)星-衛(wèi)星跟蹤技術(shù)中高低跟蹤技術(shù)(SST-HL)的專用重力測量衛(wèi)星，該衛(wèi)星由德國地學(xué)中心GFZ 研制，2000 年7 月升空，2010 年9 月結(jié)束在軌運(yùn)行。其原理是利用高軌GPS衛(wèi)星對低軌CHAMP 衛(wèi)星進(jìn)行精密跟蹤定位，通過靜電懸浮加速度計測定CHAMP 在軌道處所受非保守力(實時)。CHAMP 衛(wèi)星主要的科學(xué)目標(biāo)為:探測長波地球重力場、地球磁場、電離層和中性大氣結(jié)構(gòu)等及其各自的時變量［2］。

相較傳統(tǒng)方法，現(xiàn)僅用一顆重力衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，就能以前所未有的精確性和可靠性求定地球重力場的長波信息和部分中波信息，提高了地球重力場模型的可靠性。但其對提高重力場模型的精度和空間解析度的能力有限，原因在于其在較高軌道處的重力場信號衰減。

2.2 GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)衛(wèi)星

GRACE 由美國宇航局NASA 和德國航天局DLR 聯(lián)合研制，2002年3 月升空，至今已對地球重力場進(jìn)行了長達(dá)10 余年的觀測。其采用SST-LL/HL 的測量模式，測得的重力場的分辨率為170km，其裝備的星載GPS 接收機(jī)可對星體軌道進(jìn)行測定;精密的三軸加速度計用于測定星體所受非保守力;雙星間距離及其變化可用微波測距儀(KBR)測定。GRACE 衛(wèi)星主要的科學(xué)目標(biāo)為:高精度探測靜態(tài)地球重力場中長波信息及地球重力場的周期變化，求定高精度的大地水準(zhǔn)面及其年變化率;探測中性大氣結(jié)構(gòu)和電離層及其時變量［2］。

GRACE 的數(shù)據(jù)可在美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校空間研究中心CRS、德國地學(xué)研究中心GFZ、美國噴氣推進(jìn)實驗室JPL 和法國國家太空研究中心CNES 的官方網(wǎng)站獲得。

2.3 GOCE(Gravity field and steady-state Ocean Circulation Experiment)衛(wèi)

GOCE 是第一顆載有重力梯度儀的重力衛(wèi)星，由歐洲宇航局ESA研制，2009 年3 月升空，2013 年11 月結(jié)束運(yùn)行。采用SST -HLSGG(衛(wèi)星重力梯度)的測量模式，利用非保守力補(bǔ)償系統(tǒng)屏蔽重力衛(wèi)星所受非保守力，通過星載3 軸加速度計的重力梯度儀測定3 個方向的重力梯度，進(jìn)而測定地球重力場。星載重力梯度儀可有效抑制地球重力場中高頻信號的衰減。

GOCE 衛(wèi)星主要的科學(xué)目標(biāo):測定高空間解析度和高精度的全球重力場，求定更高精度的大地水準(zhǔn)面;結(jié)合海洋衛(wèi)星的數(shù)據(jù)進(jìn)行海洋相關(guān)狀況的測定;構(gòu)建精細(xì)大氣密度模型［2］。

3 重力衛(wèi)星的發(fā)展及應(yīng)用

CHAMP、GRACE 和GOCE 衛(wèi)星各有所長:CHAMP 是重力專用衛(wèi)星的開拓者，GRACE 可對地球重力場的中長波信號及時變信息進(jìn)行高精度探測，GOCE 的優(yōu)勢在探測中短波靜態(tài)地球重力場。近年來，三大重力衛(wèi)星的應(yīng)用主要集中在如下方面。

建立完善地球重力場模型:重力衛(wèi)星的發(fā)射促進(jìn)了地球重力場模型的建立與完善，2002 年以來國際上利用重力衛(wèi)星共建立了包括EIGM、EIGEN-GRACE、GGM、EGM2008 在內(nèi)的60 余個地球重力模型。近年來，國內(nèi)學(xué)者在該領(lǐng)域也進(jìn)行了相關(guān)研究，徐天河［3］等利用2002年CHAMP 衛(wèi)星的相關(guān)數(shù)據(jù)解算出了地球重力場模型XISM02;冉將軍［4］等通過處理GRACE 數(shù)據(jù)解算出全球時變重力場模型，與國際上的RL05 模型精度相當(dāng);黃強(qiáng)［5］等利用GOCE 的數(shù)據(jù)恢復(fù)了200 階的地球重力場模型。

進(jìn)行水文方面的研究:chen［6］等利用GRACE 數(shù)據(jù)研究了南極地區(qū)的冰川情況;超能芳［7］等利用GRACE RL05 模型監(jiān)測了長江流域水儲量變化;周旭華等［8］利用GRACE 數(shù)據(jù)反演出全球陸地的水儲量變化。

研究重力異常及大地水準(zhǔn)面變化:李飛［9］利用GRACE 數(shù)據(jù)研究了全球的重力異常和大地水準(zhǔn)面起伏;徐海軍［10］等利用GOCE 數(shù)據(jù)監(jiān)測了中國區(qū)域的重力異常。

進(jìn)行地學(xué)研究:段虎榮［11-12］等利用GRACE 數(shù)據(jù)進(jìn)行中國及鄰域地殼厚度和中國西部地殼運(yùn)動的研究，反演出該區(qū)域地殼的水平和垂直運(yùn)動速率。

利用上述重力衛(wèi)星可以精確測量重力場的靜態(tài)及時變信息，進(jìn)而獲得地球總體形狀的變化、全球海洋質(zhì)量的分布和變化、地下蓄水量的特征、極地冰川的變化和地球各圈層物質(zhì)的遷移。盡管如此，上述衛(wèi)星仍無法滿足相關(guān)學(xué)科對更高精度重力場靜態(tài)及其時變信息的急切需求，因此國際眾多科研機(jī)構(gòu)積極開展更高精度衛(wèi)星重力測量計劃的研究，包括雙星重力計劃、三星重力計劃和四星重力計劃等［13］。我國也在積極開展衛(wèi)星重力測量計劃，鄭偉等人進(jìn)行了我國衛(wèi)星重力測量計劃實施的研究論證，為我國的衛(wèi)星重力測量提供了許多建設(shè)性意見［13-14］。

［1］唐新明，高小明.我國測繪衛(wèi)星和衛(wèi)星測繪“十二五"發(fā)展戰(zhàn)略研究.測繪通報，2012(10):1 -4.

［2］鄭偉，徐厚澤，鐘敏，等.國際重力衛(wèi)星研究進(jìn)展和我國將來衛(wèi)星重力測量計劃［J］.測繪科學(xué)，2010，35(1):5 -9.

［3］徐天河，楊元喜.基于能量守恒方法恢復(fù)CHAMP 重力場模型［J］.測繪學(xué)報，2005，34(1):1 -6.

［4］冉將軍，許厚澤，鐘敏等.利用GRACE 重力衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)反演全球時變地球重力場模型［J］.地球物理學(xué)報，2014，57(4):1032 -1040.

［5］黃強(qiáng)，范東明，游為.聯(lián)合GOCE 軌道和梯度數(shù)據(jù)反演地球重力場模型［J］.武漢大學(xué)學(xué)報·信息科學(xué)版，2014，39(12):1482 -1486.

［6］Chen J L，Wilson C R，Blankenship D，etal.Accelerated Anterctic Ice Loss from Satellite Gravity Measurements［J］.Nature Geoscience，2009:1 -4.

［7］超能芳，王正濤，晁定波，孫健.利用GRACE RL05 模型監(jiān)測長江流域水儲量變化［J］.測繪科學(xué)，2014，39(6):40 -43.

［8］周旭華，吳斌，彭碧波等.全球水儲量變化的GRACE 衛(wèi)星檢測［J］.地球物理學(xué)報，2006，49(6):1644 -1650.

［9］李飛.利用GRACE 數(shù)據(jù)研究大地水準(zhǔn)面和重力異常［D］.西安:長安大學(xué)，2008.

［10］徐海軍，張永志，段虎榮，等.GOCE 衛(wèi)星監(jiān)測的中國區(qū)域重力異常.地球物理學(xué)進(jìn)展，2012，27(2):0404 -0408.

［11］段虎榮，張永志，劉鋒，等.利用衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)研究中國及鄰域地殼厚度［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2010，25(2):494 -499.

［12］段虎榮，張永志，徐海軍，等.中國西部地殼水平運(yùn)動引起的重力場空間變化特征［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2011，31(1):24 -28.

［13］鄭偉，許厚澤，鐘敏，等.我國將來更高精度CSGM 衛(wèi)星重力測量計劃研究.國防科技大學(xué)學(xué)報，36(4):102 -111.

［14］鄭偉，徐厚澤，鐘敏，等.國際下一代衛(wèi)星重力測量計劃研究進(jìn)展［J］.大地測量與地球動力學(xué)，32(3):152 -159.