GOCE重力衛星在軍事上的應用前景分析

王留朋，郭燕平，馮 煒

(1.75719部隊，湖北武漢 430074；2.61081部隊，北京 100094)

GOCE重力衛星在軍事上的應用前景分析

王留朋1，郭燕平1，馮 煒2

(1.75719部隊，湖北武漢 430074；2.61081部隊，北京 100094)

對GOCE重力衛星進行了詳細的介紹；分析了星上載荷的配置和功能。結合GOCE任務的科學目標，詳細分析了其在軍事上的應用前景，并列出了軍事上重要的應用方向。希望廣大測量界人士對GOCE重力衛星應用領域進行更多的利用。

GOCE；軍事應用：重力測量

以“地球科學研究與應用”（CHAMP）衛星、“重力恢復和氣候試驗”（GRACE）衛星和 “重力場和靜態洋流探索”（GOCE）衛星為代表的衛星重力測量技術克服自然與疆域的限制，為全球高覆蓋率、高分辨率和高精度重力測量開辟了新的有效途徑，使得以前所未有的精度和分辨率確定地球重力場的精細結構成為可能。CHAMP、GRACE的相繼成功實現及其科學數據在相關領域的拓展應用，是重力場測定的跨越式發展，也是大地測量學繼衛星測高和GPS技術之后的又一次革命。獲得的觀測資料求得的重力場模型的精度相比以前有了1-2個數量級的提高。

GOCE重力衛星克服了前兩項重力衛星（CHAMP、GRACE）的一些局限性，必將給大地測量、地球物理、海洋學和軍事應用等相關學科帶來一場新的革命。本文重點討論了GOCE重力梯度衛星及其在軍事領域中的應用前景。

1 GOCE衛星任務

GOCE衛星重約1000 kg，采用近圓極、太陽同步軌道、軌道平均高度為250 km，軌道傾角96.5?，任務期為2年。GOCE衛星主要搭載一個有極高精度的衛星梯度儀 (SGG)、一個用于精密定軌和高－低軌衛衛跟蹤的GPS/GLONASS接收機和一個用以補償非保守力的無阻尼裝置。GOCE可以說是新一代重力衛星中最具特色的，它不僅采用了前兩顆衛星（CHAMP、GRACE）都使用的衛衛跟蹤（SST）技術，而且還是第一顆采用重力梯度測量技術的衛星。

GOCE在高分辨率、高精度重力場探測方面有四個基本而又獨特的性能：

①三維空間尺度內的連續跟蹤；②對諸如空氣阻力、輻射壓力等非保守力的連續補償；③選擇的低軌道（約250 km）及該軌道處強烈的重力信號；④通過使用衛星重力梯度來抵消重力場在高度方向上的衰減。

GOCE升空后在地球重力場研究中將與已經運轉的CHAMP和GRACE實現功能上的互補。CHAMP是帶有試驗性質的任務，在重力場測定方面主要確定全球長波靜態重力場并提供其隨時間變化的信息；GRACE用于提供靜態中、長波重力場和重力場的時變信息；而GOCE對重力場的短波部分敏感，主要目的則是提供空間分辨率高達80 km-200 km的靜態重力場信息。

GOCE任務的科學目標就是提供高精度和高分辨率的全球重力場和大地水準面模型。模擬研究表明，GOCE將實現在空間分辨率達到100 km的情況下，全球大地水準面精度達到 1 cm，重力異常的精度達到1-2mGal（mGal=10-5ms-2）的目標。也必將為大地測量、地球物理、海洋學等科學領域的研究和發展提供有利基礎，主要包括以下幾個方面：

1)高分辨率的重力異常和地震數據聯合起來使人們對地球內部結構及其一系列動力學過程有更深入的認識，如：巖石圈運動、內部液體流動、地面隆起等過程及地幔結構等。

2）高精度高分辨率大地水準面聯合衛星測高及海洋資料可精確確定平均海平面、海平面變化和絕對海洋環境；

3）可用于GPS水準測量、高程系統統一、慣性導航中慣性加速度與重力加速度的分離及衛星軌道確定等大地測量學領域；

4）利用GOCE任務獲得的高空間解析度模型可估計巖床的幾何形狀，從而估計冰層質量流動；將其與冰面地形聯合起來可估計極地冰蓋的厚度，進而研究冰后回彈，研究基地冰融化對全球氣候的影響。

2 GOCE重力衛星的軍事應用前景

結合GOCE任務的科學目標，獲得高精度高分辨率的全球重力場和大地水準面模型的軍事應用領域主要有以下幾個方面：

2.1 提高間接瞄準武器瞄準精度

目前，用衛星測高結合大地水準面可以決定動力海平面起伏。同樣，GPS結合大地水準面又可決定陸地的地形和地形高程，即借助于橢球面上的大地水準面高程，橢球面上的幾何高（由GPS測量得到）就可以轉換成海平面上的高。在發達國家，由于技術的原因，高程參考系統的精度已經較高。利用GOCE衛星獲得的（低階）大地水準面作為基礎，加上用局部地區地表重力數據得到的高階大地水準面，就可得到一個高精度的更加實用的大地水準面模型，其精度和空間分辨率分別可以達到1cm和5km。屆時，即使是在發展中國家，也就是沒有進行局部地表重力測量的地方，大地水準面也可以使 GPS高直接轉換成水平高，不存在任何長周期偏差，只是由于缺少地表面重力測量將發生10～20 cm的誤差。

大地水準面的精度對間接瞄準武器和制導武器（如遠程火炮、導彈）的命中精度有直接的影響。間接瞄準武器發射時需要準確測定發射點坐標、目標點坐標和基準方位（參考方位）的大地方位角，這是炮兵和導彈部隊射擊（發射）前最主要的準備工作，因為間接瞄準武器必須已知本地的坐標和方位標的大地方位角才能進行瞄準，而大地水準面是所有這些坐標的基準。

2.2 提高遠程導彈的命中精度

導彈的命中精度是一個非常重要的戰術技術指標，也是代表導彈發射水平的重要標志。根據國內外武器專家的研究，命中精度的提高與彈數及當量三者之間的關系是：精度提高1倍，相當于彈數增加3倍，當量增加7倍；精度提高2倍，相當于彈數增加8倍，當量增加26倍；精度提高3倍，相當于彈數增加15倍，當量增加63倍。由此可見，提高命中精度是實施武器毀傷打擊的最經濟最有效的手段，因此，一些軍事大國一直將提高導彈的命中精度作為武器發展的關鍵。

慣性導航是衛星、導彈、潛艇、軍用及民航飛機最常用的導航方法。慣性導航系統中最核心的傳感器是一組陀螺儀和加速度儀，安裝在空間固定平臺或固定在飛行器上。其原理是：由陀螺儀控制加速度儀的方向，加速度儀測量飛行器的合成加速度的變化，加速度儀的輸出經一重、二重積分分別得出速度和位置的差量。其誤差來源是：加速度儀測量的不只是飛行器的加速度，而且還有飛行器運動加速度和重力加速度疊加后合成的加速度的變化。目前重力加速度部分一般采用地球外部重力場模型，結果是所有與重力模型相關的誤差都被引入飛行器的加速度中，自然也影響到速度和位置的精度。

對于導彈來說，遠程洲際彈道導彈都是核導彈，只要能打到目標城市上空就行，差幾百米甚至幾公里都不成問題。而戰術導彈（如巡航導彈）如果重力場精度差是不允許的。由GOCE等重力衛星提供的精密重力場模型可以大大減小這個誤差源帶來的誤差，從而大大提高導彈的命中精度。

另外，由于大地水準面的厘米級精度已有可能使所有高程系統以厘米精度聯接在一起，只需每個高程系統中至少有一個基準點進行定位。高程系統的統一對于遠程及全球打擊武器至關重要。

2.3 改善人造地球衛星的發射及定軌精度

高精度重力場模型將改善衛星軌道計算，尤其是低軌衛星。這種模型有可能將靜態重力場和其他擾動源所產生的擾動相分離，后者不僅包括大氣阻力、太陽輻射等非保守力，而且包括了固體潮和海潮等產生的擾動。GOCE將使重力場模型將得到進一步提高，這些擾動模型的精度也都將得到改善，從而改善衛星軌道計算。

衛星發射場要測定許多重力點。發射衛星時，運載火箭在發射場上有一段近地低速飛行，此時火箭制導系統對地球重力場的高頻信息非常敏感，由重力場引起的加速度誤差，很快累積成速度誤差，影響衛星正確入軌；其次是計算發射點的垂線偏差和高程異常，也需要精細的重力場資料；其三是火箭發射的慣性儀表在發射場測試時，其結果與儀表位置的重力加速度密切相關。因此，衛星發射場需要地球重力場的精細結構，必須在發射場區測定足夠精度和密度的重力點，建立場區局部重力場模型，才能保證發射成功。

2.4 海洋重力場精度是海上戰略武器精度的重要保證

戰略導彈是軍事威懾的重要手段。由于衛星偵察手段的日臻完善，陸基戰略導彈的安全性受到威脅。盡管機動性好的車載系統發展較快，但是高技術戰爭的突發性和戰術武器制導的精確性都給這些戰略武器的隱蔽攻擊造成了很大的困難。為此，軍事大國相繼研制了能夠在海面以下依靠潛艇發射的戰略核導彈，并取得了成功。但是，海上戰略武器要想真正發揮作用，精確確定發射諸元是十分重要的。

運用GOCE衛星觀測數據，結合衛星測高和一定量的海洋重力測量數據計算出比較精確的高階重力位模型，并推算出指定海域的海洋重力場。利用這些重力場信息并在相關軟件的支持下，計算出相應發射點的垂線偏差分量，并及時通過網絡提供給發射指揮系統，修正發射諸元，保證導彈精確命中目標。

3結語

CHAMP、GRACE任務成功實現后，GOCE衛星重力探測技術是國際大地測量學界繼GPS之后的又一次革命性突破，將推動大地測量、地球物理等相關科學領域的發展。目前，我國尚無力對全球重力場進行有效觀測覆蓋，充分利用國外衛星重力資源不僅可以解決全球連續覆蓋，而且可以快速、經濟實惠地獲取全球重力場觀測信息。因此，我們如何充分利用這些衛星觀測數據為我所用顯得既重要又迫切。

[1] 寧津生.衛星重力探測技術與地球重力場研究[J].大地測量與地球動力學,2002,22(1):1-5

[2] Drinkwater M R,Floberghagen R,Haagmans R,et al.GOCE: ESA's First Earth Explorer Core Mission[A].In Beutler G B, DrinkwaterM R,RummelRand SteigerR yon.Earth Gravity Field from Space-from Sensors to Earth Sciences[C].In the Space Sciences Seriies of ISSI,2003,Vol.18,419-432,K luwer Academic Publishers,Dordrecht,Netherlands ISBN:1-4020-1408 -2.

[3] ESA.Gravity Field and Steady-state Ocean Circulation Mission [R].Report for Mission Selection of the FourCandidateEarth Explorer M issions,ESA Publications Division.ESA SP-1233(1), July 1999.

[4] 申文斌,王正濤,鐘秋菊,等.利用衛星觀測能量法確定重力場的研究[A].中國地球物理第二十一屆年會論文集[C].2005：34-38

[5] 吳曉平.擾動重力場元確定中的數據分布結構及重力異常階方差模型的改進[A].西部大開發科教先行與可持續發展—中國科協2000年學術年會文集[C].2000：22-27

GOCE Satellite in the Military App lications

by Wang Liupeng

GOCE gravity satellite described in detail.Analysis of load on the satellite con figuration and functionality.GOCE m ission's scientific goals combined with a detailed analysis of its prospects in the military applications,and list important application on the direction of the military.We hope that the measurement sector of the GOCE gravity field o f satellite applications for moreuse.

GOCE,military applications,gravity measurement （Page:11）

P223

B

1672-4623(2011)01-0011-02

2010-04-19

項目來源：國家863計劃資助項目（2006AA06A202）；全國優秀博士學位論文作者專項基金資助項目 (200344)。

王留朋，碩士，主要從事GPS導航定位研究。