給力的新一代重力衛星

籍利平

前不久，美國國家航空航天局(NASA)公布的最新資料顯示，地球的重力正在隨著全球氣溫的上升而發生變化。NASA表示，1900～2012年的100多年里，全球氣溫上升了0.75℃。盡管升高了不到1℃，地球的重力還是發生了不小的變化。

NASA的這份報告出自“格瑞斯(GRACE)”重力測量衛星的監控結果。通過測量衛星軌道飛行路徑的變化，可以得出冰川融化對地球質量和引力的影響。電腦將數據綜合分析后發現，“非正常的融冰正在影響著地球的重力”。德國科學家也利用“格瑞斯”在2002～2011年的數據發現，格陵蘭冰川的質量在10年間減少了240億盹，這意味著海平面平均每年上升0.7毫米。

人造地球衛星：重力測量的另一種可能

地球表面上的許多地方人類無法抵達，重力測量難以實現。人造地球衛星的發射，為觀測全球范圍內的重力場及其隨時間的變化提供了可能，重力測量精度也隨之提高。

人造地球衛星在空間運行時，主要受地球的引力和離心力影響，換句話說，衛星主要受地球重力的作用。基于此，20世紀50年代末和20世紀60年代初期，人們就已經利用對近地衛星的光學觀測(主要是在地面對衛星拍照，根據照片上衛星和恒星的位置關系，確定衛星的坐標)來跟蹤衛星。20世紀60年代中期出現的衛星激光測距技術，因為測量精度更高，逐漸取代了衛星的光學觀測技術。到20世紀80年代中后期，研究人員利用衛星軌道反算地球重力場的參數，建立了早期的低階全球地球重力場模型，當時確定的全球大地水準面的精度為米級。

20世紀70年代末出現的衛星雷達測高技術，利用星載激光雷達測定海面高度。精度從起初的米級達到了厘米級；同時衛星激光測距技術的測量精度也從米級、分米級達到了厘米級別。在這一階段人們先后建立了較高階次的地球重力場模型，相當于100千米至50千米的分辨率。相應地，確定大地水準面(大地水準面是由靜止海水面向大陸延伸所得到的封閉曲面，它是描述地球形狀的一個重要物理參考面，也是海拔高的起算面)的精度為分米或者亞分米級，對于重力異常(理論值和實際數值的差值)的確定精度達到了幾個毫伽(毫伽是表示重力場強度的單位，1毫伽=10^-5米／平方秒)的數量級。

不過，上面提到的這些衛星，都不是直接用來測定地球重力場的。

經過數十年的理論研究、技術設計和試驗，直接使用衛星測定地球重力場的計劃終于在2000年變為現實，2002年和2009年又有3顆重力衛星發射。這4顆衛星分為3種：2000年發射的挑戰微小衛星平臺(CHAMP)、2002年發射的重力恢復和氣候試驗(GRACE——音譯為格瑞斯)以及2009年發射的重力場和靜態洋流探索(GOCE)。其中，格瑞斯由兩顆衛星組成，由美國航空航天局和德國空間局聯合研制，“挑戰微小衛星平臺”和“重力恢復和氣候試驗”分別由德國空間局和歐洲空間局研制。

這樣一來，最近10年間，已經有4顆新一代重力衛星成功發射、運行并用于地球重力場的觀測。所謂新一代重力衛星，指的是這些衛星的發射目的本身就是用于重力測量的；老一代衛星的數據用于重力測量，是進行了間接計算。

由于軌道高度約為兩萬千米的美國全球導航衛星已經開始運行，這4顆軌道高度數百千米的低軌衛星都可以接收導航衛星數據，確定自身的運行軌道，用于地球重力場的確定，這就是所謂的“高-低衛星追蹤技術”。

重力衛星數據的應用

重力衛星的發射和應用為人們了解地球提供了更多的技術手段。通過重力衛星所獲取的大量數據，已經被廣泛應用到科學研究中。例如：格瑞斯衛星獲取的連續10年重力場數據，為國內外科研人員在地球物理學、大地測量學、海洋學等學科進行相關的研究提供了支撐。

觀測地球重力場隨時間的變化，可以用于反演地下水儲量的變化。國外學者研究了水量充沛的亞馬遜河流域的重力變化，對該區域的水儲量的季節性變化進行了研究，發現這種季節變化趨勢和重力衛星格瑞斯觀測到的重力變化一致，和水文資料得到的結果也吻合。我國學者利用格瑞斯衛星數據對于我國華北地區尤其是京津冀區域的地下水儲量進行了考察，為決策部門提供了科學決策的依據。

在精密工程建設中有重要意義的我國厘米級的大地水準面建設，除了利用地面、海洋和航空重力數據，也采用了格瑞斯等重力衛星數據進行參考。在航天領域，精確的重力衛星數據為航天器的發射和測量控制提供了保障，它可以極大改善在軌衛星的軌道確定精度。例如，我國發射的海洋衛星、資源衛星和神舟系列飛船的軌道精密確定，都受益于重力衛星數據。在海洋和導航領域，重力衛星也可以提供支持。在軍事領域，重力衛星的數據可以為提高遠程武器的命中精度提供有力保證。

重力衛星數據計算出的地球形狀

這里的地球形狀，并不是地球的自然形狀，而是最接近于地球平均海平面的大地水準面，它的形狀接近于旋轉橢球。

德國科學家采用了上述3種重力衛星的數據，也采用了地球動力學衛星的觀測數據研究地球的大地水準面。自1995年以來，德國科學家陸續推出彩色的大地水準面模型，他們繪制的不是地球表面點位的高程值而是所謂的“波茨坦重力土豆”。德國科學家如此命名地球重力異常的分布圖，可能和他們的飲食習慣有關。“波茨坦重力土豆”以不同的版本在網上傳播，比較新的是2009年的版本。需要澄清的是：“波茨坦重力土豆”是重力異常在全球分布的直觀顯示，并不等于地球的理論形狀，與地球的真實形狀相差更大。

同樣是基于格瑞斯等重力衛星研究大地水準面，美國學者則把他們的成果命名為“大蘋果”，和紐約的外號一樣。

我國曾經廣泛流傳的說法是，地球的形狀是梨形的。這種不甚準確的說法，也是來自人們對地球衛星早期數據觀測的分析。利用多年、多種衛星的數據，科學家們分析了地球的大地水準面的形狀，用橢球表示時，南極凹陷、北極凸起，幅度在數十米的數量級。在繪制插圖時，人們夸張地描述了這種凹陷和凸起，并且用“梨形”來描述。地球形狀為近似“梨形”的報道因而一度廣為流傳，這其實也是一種誤導。重力衛星的后續衛星與我國的重力衛星計劃

格瑞斯衛星已經運行了10年，可能將于2013年停止工作。美國計劃明年發射的重力衛星后續衛星，名字叫格瑞斯后續星(GRACEFollow-On)。格瑞斯后續星仍為兩顆衛星在同一軌道上相隨運行，軌道高度250千米，軌道傾角89°，兩星相距約50千米，采用激光測距，重力測量模式為高一低、低一低衛星跟蹤模式。

與格瑞斯相比，格瑞斯后續星在以下4個方面進行了改進：在雙星之間，用干涉激光測距替換格瑞斯的電磁波測距，衛星之間的距離測量精度更高，重力測量的精度也更高；后續星的雙星間距由200千米縮短為50千米；雙星高度由300～500千米降至250千米，可以更準確地進行重力測量；由于配置了無阻尼測距儀，格瑞斯后續星測定的靜態和動態地球重力場的精度，比原來的格瑞斯衛星測定的要高近一個量級，也就是10倍，分辨率提高近3倍。

我國科學工作者也一直在關注和研究歐美國家的重力衛星進展情況。由于挑戰微小衛星平臺(CHAMP)采用的技術已經落伍，重力場和靜態洋流探索(GOCE)采用的衛星重力梯度儀，我國近期內難以在研制上有所突破。為此，研究人員建議我國的重力衛星最好采用重力恢復和氣候試驗(GKACE)的雙星工作模式，同時利用高—低衛星跟蹤衛星技術和低—低衛星跟蹤衛星技術。

目前，我國已經啟動了發射重力衛星的關鍵技術論證，可以樂觀地預期：在不久的將來，我國將擁有自己的重力衛星。利用它們，我國科學家在科技和工程建設上會取得豐碩的成果。

【責任編輯】趙菲