太空中的“牛頓”

2008年9月10日，“重力場和靜態(tài)洋流探測”衛(wèi)星由俄羅斯轟鳴號火箭從普列謝茨克發(fā)射場發(fā)射進(jìn)入太陽同步近圓極軌道，它是歐洲空間局最具挑戰(zhàn)的任務(wù)之一，也是“地球探測者”家族中發(fā)射升空的首顆衛(wèi)星。該衛(wèi)星的首要任務(wù)是探測地球最突出的特征——重力場。

重力衛(wèi)星家庭的“法拉利”

“重力場和靜態(tài)洋流探測”衛(wèi)星專門用于在前所未有的精度和空間分辨率上測量地球重力場，并提供大地水準(zhǔn)面模型。衛(wèi)星任務(wù)目標(biāo)包括3個方面：第一，在10⁵米／秒²精度上確定重力異常；第二，在1厘米～2厘米精度上確定大地水準(zhǔn)面；第三，在優(yōu)于100千米空間分辨率上獲得重力異常和大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)。

“重力場和靜態(tài)洋流探測”衛(wèi)星由來自13個歐洲國家的45家公司聯(lián)合研制，包括了多項(xiàng)首次在衛(wèi)星上采用的技術(shù)，是首顆利用重力梯度測量的衛(wèi)星。由于衛(wèi)星需要在低軌道飛行，因此設(shè)計(jì)時，必須將空氣阻力和扭矩降至最小，同時還要排除機(jī)械干擾，這就導(dǎo)致衛(wèi)星的橫截面積(呈八角形)只有1.1米²，而衛(wèi)星長度則有5.3米，質(zhì)量為1000千克。衛(wèi)星結(jié)構(gòu)主要由碳纖維加強(qiáng)塑料夾層板制成，既保證了衛(wèi)星在不斷變化的熱環(huán)境下的穩(wěn)定狀態(tài)，也將衛(wèi)星質(zhì)量減至最小。

“重力場和靜態(tài)洋流探測”衛(wèi)星在其飛行方向呈對稱形狀，兩側(cè)的小翼有助于衛(wèi)星飛行穩(wěn)定。衛(wèi)星主體表面安裝有4塊太陽電池板，另外在兩側(cè)的小翼上安裝有2塊太陽電池板，這些太陽電池使衛(wèi)星能夠經(jīng)受得住－170℃到160℃的溫度變化。在每個翼的外側(cè)安裝了一副S頻段通信天線，而且面向太空的一個翼外側(cè)還安裝有2副GPS天線。衛(wèi)星一旦人軌，它有一面會一直對著太陽。

靜電重力梯度儀是“重力場和靜態(tài)洋流探測”衛(wèi)星的主要有效載荷，安放在衛(wèi)星質(zhì)量中心點(diǎn)附近。該重力梯度儀的質(zhì)量為180千克，功率為100瓦，主要由互相呈90°排列的3對電容加速度計(jì)構(gòu)成，這些加速度計(jì)的靈敏度大約是以往星載加速度計(jì)的100倍。重力梯度儀的首要功能是生成全球重力梯度模型，另一個功能是作為姿態(tài)和軌道控制的主遙感器。

衛(wèi)星攜帶的另一個有效載荷是衛(wèi)-衛(wèi)跟蹤儀，質(zhì)量為6.1千克(包括天線)，功率小于35瓦。它實(shí)際上是在低軌環(huán)境下工作的先進(jìn)GPS接收機(jī)，能同時跟蹤12顆GPS衛(wèi)星，工作在L1和L2頻率上，能消除“重力場和靜態(tài)洋流探測”衛(wèi)星與GPS衛(wèi)星之間的電離層誤差。衛(wèi)－衛(wèi)跟蹤儀能夠獲得重力場的長波長頻譜數(shù)據(jù)，同時還提供衛(wèi)星位置和速度的實(shí)時信息，用于衛(wèi)星軌道和姿態(tài)控制。

低軌道衛(wèi)星在太空飛行時會受到空氣阻力、太陽光壓和地球反照壓等因素的影響，因此“重力場和靜態(tài)洋流探測”衛(wèi)星上安裝了采用離子推進(jìn)技術(shù)的先進(jìn)阻力補(bǔ)償和姿態(tài)控制系統(tǒng)，它能使加速度計(jì)保持“自由落體運(yùn)動”，并使衛(wèi)星維持在250千米的軌道高度。

在“重力場和靜態(tài)洋流探測”衛(wèi)星的對地一側(cè)安裝有棱鏡激光反射器，由此可以利用衛(wèi)星激光測距技術(shù)來測定該衛(wèi)星與地球上的多個地面站之間的精確距離，從而精確確定衛(wèi)星軌道位置。

地球科學(xué)應(yīng)用

2008年9月10日，“重力場和靜態(tài)洋流探測”衛(wèi)星發(fā)射升空90分鐘后，與火箭上面級分離，首先進(jìn)入280千米高的初始軌道，然后經(jīng)過大約45天后逐漸下降到260千米高的工作軌道。衛(wèi)星工作軌道是太陽同步低地球軌道，傾角96.7°，衛(wèi)星飛行速度大約為8千米／秒，以便保持“自由落體”狀態(tài)。衛(wèi)星在軌服役20個月，其間有2個科學(xué)測量階段。

在運(yùn)行期間，“重力場和靜態(tài)洋流探測”衛(wèi)星將由設(shè)在歐洲空間操作中心的飛行操作段指揮和控制。由衛(wèi)星獲得的原始數(shù)據(jù)首先下傳到位于瑞典北部的基律納地面站，然后轉(zhuǎn)發(fā)到飛行操作段，再由飛行操作段發(fā)送給有效載荷數(shù)據(jù)地面段，在這里生成衛(wèi)星的一級產(chǎn)品。

“重力場和靜態(tài)洋流探測”衛(wèi)星的數(shù)據(jù)產(chǎn)品主要分為5大類：海洋學(xué)、固體地球、大地測量學(xué)、冰川學(xué)及海平面變化研究。這些產(chǎn)品能促進(jìn)大地測量領(lǐng)域的顯著進(jìn)步，還將增進(jìn)我們對海洋環(huán)流的了解，海洋環(huán)流對全球能量交換、海平面變化及地球內(nèi)部運(yùn)動有重要影響。

該衛(wèi)星在地球科學(xué)中的重要應(yīng)用主要有以下幾個方面：

(1)確定前所未有的全波段地球重力場和高精度大地水準(zhǔn)面

重力場是地球的一個物理特征，它可以反映地球內(nèi)部的物質(zhì)分布、運(yùn)動和變化狀態(tài)，并制約地球本身及其鄰近空間的物理事件，因此，確定高精度全波段的地球重力場是地球科學(xué)的基礎(chǔ)性任務(wù)。目前的全球重力場模型僅僅基于衛(wèi)星資料，是從衛(wèi)星軌道攝動的觀測數(shù)據(jù)中得到的。由于資料不充分、衛(wèi)星軌道的非最優(yōu)化構(gòu)型，因此將至今所有的幾十顆衛(wèi)星的跟蹤數(shù)據(jù)融合在一起再加上地面的重力測量資料才能得到代表當(dāng)今水準(zhǔn)的地球重力場模型。由于重力場信號在衛(wèi)星高度處已經(jīng)衰減了不少(地球重力場隨高度增加而不斷衰減)，因而上述重力場只能代表重力場的大致結(jié)構(gòu)。

“重力場和靜態(tài)洋流探測”衛(wèi)星軌道較低，這減少了重力信號的衰減。同時，它采用差分重力梯度技術(shù)，有效消除了非重力加速度的影響，實(shí)現(xiàn)了重力主頻信號的放大，對重力場的高頻部分更加敏感，結(jié)合現(xiàn)有的地球重力場模型，可以得到一個全新的、高精度的重力場。

此外，該衛(wèi)星確定的重力場增加了重力場的高頻部分，提高了重力場的精度，使人們有能力估計(jì)兩極冰蓋的動力和體積質(zhì)量的變化。

“重力場和靜態(tài)洋流探測”衛(wèi)星的測量數(shù)據(jù)又是確定高精度大地水準(zhǔn)面地前提和基礎(chǔ)。大地水準(zhǔn)面是一個接近海平面地等重力位面，相對于理想橢球體面有大約100米起伏。它的形狀定義了地方水平面，并在陸地上提供了地形的參考面，這對固體地球質(zhì)量分布研究、大地測量、海平面變化解釋、海流及海洋熱傳輸，以及與此相關(guān)聯(lián)的氣象研究和預(yù)報等方面來說都是非常重要的。該衛(wèi)星的模擬數(shù)據(jù)計(jì)算表明，其確定的大地水準(zhǔn)面精度比現(xiàn)有的要高兩個量級，因此這將給地球科學(xué)的發(fā)展帶來革命性的變化。

(2)研究海洋環(huán)流

長期以來，人們對海洋與氣候關(guān)系的認(rèn)識是不充分的，主要是對海洋環(huán)流知之甚少，很難對氣候變化給出準(zhǔn)確的預(yù)報。海洋環(huán)流動力學(xué)的一個最重要信息是海洋表面和大地水準(zhǔn)面的形狀之差，稱為動態(tài)地形學(xué)，它是直接獲得絕對平均海洋環(huán)流模式和靜力學(xué)氣壓場的基本信息之一。

“重力場和靜態(tài)洋流探測”衛(wèi)星可以獲得一些海洋高分辨率的重力場資料，以彌補(bǔ)海洋重力資料的不足。一旦有了這些觀測結(jié)果，海洋大地水準(zhǔn)面形狀就可以在100千米～200千米空間尺度以1厘米精度精確確定。由于“重力場和靜態(tài)洋流探測”衛(wèi)星提供了高精度的靜態(tài)地球重力場和大地水準(zhǔn)面，而且目前衛(wèi)星的雷達(dá)測高可以同樣的精度測定實(shí)際海洋面的形狀，則兩者的差就是海洋靜態(tài)時的動態(tài)地形，它可以直接被轉(zhuǎn)換成海洋面環(huán)流。如果結(jié)合過去、現(xiàn)在和將來的衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)，這個方法可以測定全球大尺度的絕對海洋面環(huán)流。絕對海洋面環(huán)流反映了海洋深部的洋流，對其熱量和二氧化碳運(yùn)輸形式的認(rèn)識是全球氣候模型及對長期海平面變化進(jìn)行解釋的前提條件。精確確定海洋面環(huán)流對于研究氣候的小尺度變化和估計(jì)海洋熱量的傳遞、海水質(zhì)量的變遷十分重要，而后者又是了解海洋在全球氣候中作用的兩個關(guān)鍵因素。此外，海洋面環(huán)流的研究將有助于分析非線性海洋動力學(xué)、洋流的平均部分和變化部分之間的相互依賴關(guān)系，豐富有關(guān)地球模型和海洋預(yù)測方面的知識。

(3)研究地殼、地幔和地核，預(yù)測地震

由于觀測技術(shù)和條件的限制，一些問題諸如地球核幔的耦合機(jī)制、軟流層的對流問題、地核的組成等問題一直困擾著人們。地球內(nèi)部的運(yùn)動變化通過重力場和重力異常反應(yīng)出來，因此知道了地球的重力場和重力異常，就能反演地球的內(nèi)部情況。

“重力場和靜態(tài)洋流探測”衛(wèi)星為解決以上問題提供了可能，另外，把重力異常轉(zhuǎn)化為密度異常，與地球的均勻球密度相比較，能建立全球密度模型，從而更好地解釋地幔構(gòu)造、均衡補(bǔ)償和大地水準(zhǔn)面起伏等。

預(yù)報地震災(zāi)害的一個新途徑是，將模擬構(gòu)造負(fù)荷產(chǎn)生的應(yīng)力幔積累模型所獲得的數(shù)據(jù)與GPS測量得到的形變分布相比較，這需要知道巖石圈和上地幔的密度異常。只有利用“重力場和靜態(tài)洋流探測”衛(wèi)星所得到的重力場進(jìn)行反演，才可以得到具有足夠精度和解析度的全球密度構(gòu)造分布。

相關(guān)鏈接

空間重力場探測熱潮

自1998年美國首次公布全球地球重力場模型EGM96以來，利用空間技術(shù)進(jìn)行重力場探測的理論和技術(shù)——空間衛(wèi)星大地測量學(xué)的發(fā)展已成為重力探測技術(shù)進(jìn)入21世紀(jì)的一個標(biāo)志。目前，重力衛(wèi)星的成功發(fā)射及其數(shù)據(jù)的有效利用給地球物理學(xué)的發(fā)展帶來了巨大變化。繼“挑戰(zhàn)性小衛(wèi)星有效載荷”衛(wèi)星、“重力恢復(fù)和氣候試驗(yàn)”衛(wèi)星之后，“重力場和靜態(tài)洋流探測”衛(wèi)星成為該領(lǐng)域的第3顆衛(wèi)星，它克服了以往重力衛(wèi)星的局限性，將給地球物理學(xué)等相關(guān)學(xué)科帶來一場新的革命。

2000年7月德國成功發(fā)射了“挑戰(zhàn)性小衛(wèi)星有效載荷”地球科學(xué)研究和應(yīng)用小衛(wèi)星，這標(biāo)志著人類利朋空間技術(shù)進(jìn)行重力場的探測邁出了具有實(shí)踐性的一步。該衛(wèi)星是世界上第一顆采用衛(wèi)－衛(wèi)跟蹤技術(shù)的衛(wèi)星，它的軌道高度為418千米～470千米，搭載了GPS接收機(jī)、激光反射器和測定非重力的加速度計(jì)，大地水準(zhǔn)面精度達(dá)到厘米級，空間分辨率達(dá)到650千米。特別要提到的是，該衛(wèi)星上的三軸加速度計(jì)由于具有良好的工作性能，能比較精確地測定空氣阻力、太陽輻射壓等數(shù)據(jù)，從而可以得到純地球引力軌道攝動，使其得到的地球重力場更接近實(shí)際情況。

2002年3月，成功發(fā)射了兩顆“重力恢復(fù)和氣候試驗(yàn)”衛(wèi)星，該衛(wèi)星由美國航宇局和德國航天局共同研制。衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命是5年，軌道傾角為89.5°，軌道高度為300千米～480千米，這兩顆衛(wèi)星運(yùn)行在同一軌道上，彼此相距100千米～400千米，相互跟蹤。它們得到的靜態(tài)和動態(tài)重力場精度比“挑戰(zhàn)性小衛(wèi)星有救載荷”衛(wèi)星高一個數(shù)量級，空間分辨率為200千米～1000千米。

然而，無論是“挑戰(zhàn)性小衛(wèi)星有效載荷”衛(wèi)星，還是“重力恢復(fù)和氣候試驗(yàn)”衛(wèi)星，都無法得出一個精伽的令球重力場模型和全球大地水準(zhǔn)面。而現(xiàn)在歐洲空間局的最新型重力衛(wèi)星“重力場和靜態(tài)洋流探測”則能做到達(dá)一點(diǎn)。