國際下一代衛星重力測量計劃研究進展*

鄭 偉 許厚澤 鐘 敏 員美娟

(1)中國科學院測量與地球物理研究所大地測量與地球動力學國家重點實驗室，武漢 430077 2)武漢科技大學應用物理系，武漢430081)

國際下一代衛星重力測量計劃研究進展*

鄭 偉1)許厚澤1)鐘 敏1)員美娟2)

(1)中國科學院測量與地球物理研究所大地測量與地球動力學國家重點實驗室，武漢 430077 2)武漢科技大學應用物理系，武漢430081)

介紹下一代美國GRACE Follow-On和歐洲E.MOTION(Earth System Mass Transport Mission)衛星重力測量計劃的研究進展，以期為我國下一代Post-GRACE衛星重力測量工程的成功實施提供參考依據。詳細闡述了我國下一代Post-GRACE衛星重力測量工程的研究意義和科學目標，建議我國先期構建衛星精密定軌和衛星重力反演仿真模擬軟件平臺系統，開展重力衛星關鍵載荷誤差分析研究，以及執行衛星重力測量任務需求。

衛星重力測量;GRACE Follow-On;E.MOTION;Post-GRACE;地球重力場

1 引言

地球重力測量衛星CHAMP、GRACE和GOCE的成功發射昭示著人類將迎來一個前所未有的衛星重力探測時代。CHAMP、GRACE和GOCE衛星各有所長，它們的相繼發射不是相互競爭而是互補的。CHAMP是衛星重力測量計劃成功實施的先行者，GRACE的優越性體現于可高精度探測地球重力場的中長波信號及時變，而GOCE擅長于感測中短波靜態地球重力場。聯合上述三期衛星重力測量計劃雖然可以精確測量重力場的靜態及其時變，從而獲得地球總體形狀隨時間變化、地球各圈層物質的遷移、全球海洋質量的分布和變化、極地冰川的增大和縮小以及地下蓄水總量信息的特性，但仍無法滿足本世紀相關學科對全頻段靜態和時變地球重力場精度進一步提高的迫切需求。因此，尋求新型、高效、高精度、高空間分辨率和全頻段的下一代衛星重力測量計劃不僅是當前國際眾多科研機構競相制定的遠景規劃和首要執行的研究任務，而且是本世紀國際大地測量學、地球物理學、空間科學、天文學、國防建設等交叉領域的研究熱點和亟待解決的前沿性科學難題之一。

本文將闡述GRACE衛星重力測量計劃的局限性，介紹下一代美國GRACE Follow-On和歐洲E.MOTION衛星重力測量計劃的研究進展及我國下一代Post-GRACE衛星重力測量工程的實施建議。

2 GRACE衛星重力測量計劃的局限性

1)無法實質性降低軌道高度。衛星軌道高度每降低100 km，作用于衛星體的大氣阻力約增加10倍［1］。由于GRACE雙星系統未攜帶非保守力補償系統，因此為了給全體載荷提供超靜和超穩的衛星平臺工作環境和有效延長衛星的使用壽命，美國NASA將GRACE衛星軌道高度設計為500 km。由于地球重力場信號強度隨衛星軌道高度呈指數衰減，因此，基于GRACE衛星重力測量計劃無法獲得高精度和高空間分辨率的中短波重力場。因此，GRACE Follow-On重力衛星系統搭載非保守力補償系統進而有效降低衛星軌道高度是建立下一代高精度、高空間分辨率和全頻段的地球重力場模型的根本途徑。

2)無法測量垂向重力梯度值。GRACE系統采用衛星跟蹤衛星高低/低低模式。除利用高軌道的GPS衛星系統對低軌雙星精密跟蹤定位，位于同一軌道平面的低軌雙星相互跟蹤。因此，GRACE雙星系統相當于基線長為星間距離220 km的水平重力梯度儀。由于GRACE無法測量垂向重力梯度，因此，在一定程度上必將損失地球重力場的反演精度。另外，由于垂向重力梯度信號的缺失，將導致時變地球重力場南北向的條帶誤差淹沒信號。所以，下一代重力衛星系統能同時精確獲得三維重力梯度(水平和垂向)觀測值是進一步提高地球重力場反演精度的重要保證。

3)無法消除高頻信號混疊效應。大氣和海洋固體潮變化等高頻誤差的混疊效應是制約GRACE地球重力場精度進一步提高的重要因素［2，3］。由于大氣和海洋固體潮變化等高頻誤差強度與大氣和海洋固體潮模型誤差幾乎等量級，因此，大氣和海洋固體潮變化等高頻誤差無法從GRACE地球重力場模型中精確扣除。在下一代衛星重力測量計劃中，有效去除高頻混疊誤差的途徑如下:第一，采用激光干涉星間測距儀和非保守力補償系統進一步提高星間速度和非保守力的測量精度，使高頻混疊誤差大于衛星觀測值誤差，進而精確消除地球重力場模型中的高頻混疊效應。第二，采用車輪式衛星重力編隊模式，除了利用GRACE雙星系統測量視線方向的衛星重力觀測值，同時增加測量垂直于視線方向的衛星重力觀測值，進而減弱高頻混疊效應對地球重力場精度的負面影響。第三，由于增大衛星軌道傾角有利于提高帶諧項引力位系數精度，減小軌道傾角有利于提高田諧項引力位系數精度，因此，采用兩組不同軌道傾角GRACE衛星聯合模式，不僅可有效提高地球重力場反演精度，而且有利于消除高頻混疊效應。

4)無法精確測量時變重力信號。由于GRACE關鍵載荷測量精度的限制，而且地球重力場時變信號相對靜態信號較弱，因此GRACE衛星僅能測量長波時變地球重力場(空間分辨率400 km)，無法高精度和高空間分辨率地感測中長波段時變地球重力場信號。采用更高精度的激光干涉星間測距儀和非保守力補償系統的下一代衛星重力測量計劃有利于進一步提高中長波段地球重力場時變信號的探測精度和空間分辨率，進而為地震學、海洋學、冰川學、水文學等研究領域提供精確的地球重力場信息。

3 GRACE Follow-On衛星重力測量計劃

3.1 基本概述

基于GRACE衛星重力測量計劃高精度探測中長波靜態和長波時變地球重力場的巨大貢獻［4-9］，美國NASA提出了下一代專用于中短波靜態和中長波時變地球重力場精密探測的GRACE Follow-On衛星重力測量計劃［10-14］。如圖 1和表 1所示，GRACE Follow-On雙星預期采用近圓、近極和超低軌道設計，利用激光干涉測距儀高精度測量星間距離和星間速度［15-17］，利用高軌GPS衛星對低軌雙星精密跟蹤定位，利用非保守力補償系統高精度消除雙星受到的非保守力［18］，利用恒星敏感器測量衛星和載荷的空間三維姿態。由于激光具有超短波長和極好的波長穩定性，因此，利用激光干涉測距儀獲得的星間距離和星間速度精度至少比K波段微波測距儀高3個數量級。下一代GRACE Follow-On衛星重力測量計劃不僅可以更高精度探測靜態地球重力場，同時致力于精密探測時變地球重力場信息。

圖1 GRACE Follow-On衛星重力測量計劃原理圖Fig.1 Block diagram of GRACE Follow-On satellite gravity measurement mission

表1 GRACE和GRACE Follow-On衛星重力測量計劃對比Tab.1 Comparison between GRACE and GRACE Follow-On missions

GRACE Follow-On得到的靜態和動態地球重力場的精度比GRACE至少高一個數量級。主要原因如下:第一，GRACE Follow-On(200～300 km)衛星軌道高度低于GRACE(400～500 km)。GRACE衛星采用加速度計實時測量非保守力，在數據后處理中再扣除非保守力。由于非保守力隨著衛星軌道高度降低而急劇增加，因此，GRACE衛星無法采用超低軌道設計。GRACE Follow-On衛星將采用非保守力補償系統(Drag-free)精確屏蔽作用于衛星的非保守力，因此可實質性降低衛星軌道高度，進而有效抑制地球重力場信號隨軌道高度的衰減。第二，GRACE Follow-On衛星關鍵載荷測量精度高于GRACE。GRACE衛星采用K波段測距儀測量星間距離(10 μm)和星間速度(1 μm/s)，采用加速度計測量衛星受到的非保守力(10-10m/s2)。GRACE Follow-On衛星基于激光干涉測距儀高精度測量星間距離(10 nm)和星間速度(1 nm/s)，基于非保守力補償系統消除作用于衛星的非保守力(10-13m/ s2)效應。第三，GRACE Follow-On星間距離短于GRACE。適當增加星間距離有利于提高長波地球重力場的精度，適當縮短星間距離有利于提高短波地球重力場的精度。GRACE Follow-On(50 km)衛星較GRACE(220 km)縮短了星間距離，進一步提高了中高頻地球重力場的感測精度。

3.2 關鍵載荷

GRACE Follow-On重力衛星系統的關鍵載荷如表2和圖2～5所示。

4 E.MOTION衛星重力測量計劃

4.1 總體概述

如表3和圖6所示，歐洲ESA也正在開展下一代E.MOTION(Earth System Mass Transport Mission)衛星重力測量計劃的需求論證。

表2 GRACE Follow-On衛星關鍵載荷Tab.2 Key payloads of GRACE Follow-On mission

圖2 GRACE Follow-On衛星激光干涉測距儀原理圖Fig.2 Key diagram of interferometric laser ranging system of GRACE Follow-On satellite

圖3 GRACE Follow-On加速度計Fig.3 Accelerometer of GRACE Follow-On satellite

圖4 GRACE Follow-On衛星GNSS接收機Fig.4 GNSS receiver of GRACE Follow-On satellite

圖5 GRACE Follow-On衛星離子微推進器Fig.5 Ion thruster assembly(ITA)of GRACE Follow-On satellite

表3 E.MOTION重力衛星軌道參數Tab.3 Orbital parameters of E.MOTION gravity satellite

圖6 E.MOTION重力雙星在軌飛行原理圖Fig.6 Schematic diagram of the in-orbit twin E.MOTION gravity satellites

4.2 科學目標

1)時變地球重力場空間分辨率優于200 km，月大地水準面精度優于1 mm，衛星重力測量全球覆蓋;

2)時變地球重力場時間分辨率優于1個月，將質量變化從季節尺度擴展到10年尺度;

3)較當前衛星重力測量精度至少提高10倍。

4.3 關鍵載荷及研究團隊

E.MOTION重力衛星系統的關鍵載荷如表4和圖8～12所示。該項目的研究團隊見表5。

表4 E.MOTION重力衛星關鍵載荷Tab.4 Key payloads of E.MOTION gravity satellite

圖7 E.MOTION衛星重力測量計劃科學需求Fig.7 Scientific requirements of E.MOTION satellite gravity measurement mission

圖8 E.MOTION重力衛星結構圖Fig.8 Structure of E.MOTION gravity satellite

圖9 激光干涉測距儀工作原理Fig.9 Principle of operation of interferometric laser ranging system

圖10 星載加速度計Fig.10 Space-borne accelerometer

圖11 GNSS接收機Fig.11 GNSS receiver

圖12 軌道和姿態控制器Fig.12 Attitude and orbit control system(AOCS)

表5 E.MOTION衛星重力測量計劃項目組Tab.5 Proposal team of E.MOTION satellite gravity measurement mission

5 我國下一代Post-GRACE衛星重力測量工程

我國下一代Post-GRACE衛星重力測量工程(表6)以全球重力場的科學應用研究、航空航天和國防建設需求、以及星載激光干涉測距、非保守力補償和空間加速度計等關鍵技術需求為牽引，獨立自主構建我國基于衛星跟蹤衛星觀測模式的重力雙星系統，實現我國高精度和高空間分辨率的衛星重力測量，并開展基于精確時變地球重力場信號的全球變化科學研究［19-21］。Post-GRACE工程旨在最大程度地提高重力衛星的觀測精度和時空分辨率，以及有效拓展和提升重力衛星在全球變化及區域響應科學研究中的應用范疇和能力;解決當前GRACE全球重力場模型與我國現有地球重力場觀測結果之間的差異問題，為我國近地衛星定軌和遠程武器命中提供精確的重力信息;建立高精度的陸地和海洋統一垂直基準面，支持我國新一輪的島礁調查測繪工程建設。Post-GRACE工程的成功實施，不僅可滿足我國日益增長和迫切的科學和國防需求，同時對我國將來高精度和高空間分辨率的月球衛星重力測量計劃［22，23］，以及太陽系火星［24-26］、金星、水星等行星衛星重力測量探測計劃的成功實施積累成果經驗。

表6 Post-GRACE重力衛星軌道參數Tab.6 Orbital parameters of Post-GRACE gravity satellite

Post-GRACE衛星重力測量工程的科學目標為:

1)在200階處(空間分辨率100 km)，靜態大地水準面測量精度為1～3 cm，靜態重力異常精度(1～3)×10-5ms-2;

2)時變地球重力場空間分辨率優于300 km，月大地水準面精度優于1 mm。

6 Post-GRACE衛星重力測量工程實施建議

6.1 衛星精密定軌軟件平臺

基于動力法、幾何法等衛星精密定軌方法，建立一套高精度的自主重力衛星定軌軟件平臺系統;利用GRACE星載GPS接收機的偽距和相位觀測值精密定軌，并通過與美國噴氣推進實驗室(JPL)和德國波茲坦地學研究中心(GFZ)公布的精密軌道進行對比，進而檢驗我國自主衛星精密定軌軟件系統的正確性和可靠性。

6.2 衛星重力反演仿真模擬軟件平臺

編制基于動力學法、能量守恒法和星間距離/速度插值法，利用重力衛星觀測數據(軌道位置和軌道速度、星間距離和星間速度、非保守力、三維姿態等)，反演地球重力場的數學和物理模型以及理論和仿真算法軟件系統;通過對比衛星跟蹤衛星高低(SST-HL)、衛星跟蹤衛星高低/低低(SST-HL/LL)、衛星重力梯度(SGG)等觀測模式的優缺點，提出我國下一代衛星重力測量計劃的最佳跟蹤模式;基于仿真模擬和需求論證，提出衛星關鍵載荷(激光干涉測距系統、GNSS接收機、非保守力補償系統、星敏感器等)和軌道參數(軌道高度、星間距離、軌道傾角、軌道離心率等)的最優設計，進而為我國下一代重力衛星系統的頂層設計提供合理方案。

6.3 重力衛星關鍵載荷誤差分析

1)激光干涉測距儀誤差分析。分析超穩定振蕩器(USO)穩定性、激光頻率和功率穩定性、光學平臺的溫度漲落和控制、雙星對準精度、電離層大氣密度等誤差源對激光干涉測距儀精度的影響和貢獻。激光穩頻技術主要包括搭建精密的光學系統和組裝調試電子控制系統，旨在研究鎖定系統中的誤差、起伏和漂移的影響和抑制。激光頻率在高精細度光學諧振腔上的鎖定技術是保證星載激光穩頻實驗成功實施的重要因素。

2)非保守力補償系統誤差分析。仿真模擬重力衛星系統內部(熱和電磁效應)和外部(空間輻射和磁場)的環境，基于理論計算和數值模擬論證各種誤差源對重力衛星非保守力補償系統的影響。非保守力補償系統的測量原理如下:首先，利用傳感器確定檢驗質量和重力衛星的相對位移;其次，不僅采用反饋系統控制檢驗質量跟蹤重力衛星運動，同時利用非保守力補償控制器和軌道微推進器控制重力衛星跟蹤檢驗質量。對高敏感軸觀測方向，采用非保守力補償控制;對低敏感軸觀測方向，通過控制檢驗質量跟蹤重力衛星運動。

6.4 衛星重力測量任務需求

1)對下一代衛星重力測量工程的科學目標與應用需求進行優化論證，并對頂層設計方案進行可行性分析。

2)對重力衛星系統的關鍵載荷進行特性特征和精度指標論證，分析關鍵載荷觀測精度對衛星整體系統的影響和對重力場反演精度的貢獻。

3)構建重力衛星系統模塊(空間平臺、地面測控、運載發射等)，開展衛星系統需求分析(觀測功能、精度指標、方案驗證等)。

4)按照美國NASA和歐洲ESA航天項目標準定義的研究內容和思路對下一代衛星重力測量計劃進行逐級任務分解和需求分析，進而獲得預期成果。

7 結論

由于重力衛星CHAMP、GRACE和GOCE預計于2015年前結束測量使命，而且三期衛星重力測量計劃的聯合無法充分滿足本世紀相關學科對地球重力場精度進一步提高的迫切需求，因此，國際眾多科研機構正積極開展下一代衛星重力測量計劃的需求論證和仿真模擬研究。基于以上目的，本文開展了“國際下一代衛星重力測量計劃研究進展”的論證研究，旨在為高精度和高空間分辨率的下一代衛星重力測量計劃的成功實施提供可行性的理論基礎和技術借鑒。

致謝 感謝華中科技大學羅俊院士對本文的幫助。感謝美國宇航局(NASA)、歐洲空間局(ESA)等研究機構提供了下一代衛星重力測量計劃的相關資料!

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23 鄭偉，許厚澤，鐘敏.月球重力場模型研究進展和我國將來月球衛星重力梯度計劃實施［J］.測繪科學，2012，37(2):5-9.(Zheng Wei，Xu Houze and Zhong Min.Progress in lunar gravitational field models and operation of future lunar satellite gravity gradiometry mission in China［J］.Science of Surveying and Mapping，2012，37(2):5-9)

24 鄭偉，許厚澤，鐘敏.國際火星探測計劃進展和中國火星衛星重力測量計劃研究［J］.大地測量與地球動力學，2011，(3):51-57.(Zheng Wei，Xu Houze and Zhong Min.Progress in international Martian exploration programs and research on future Martian satellite gravity measurement mission in China［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2011，(3):51-57)

25 鄭偉，許厚澤，鐘敏.“螢火一號”火星探測計劃進展和Mars-SST火星衛星重力測量計劃研究［J］.測繪科學，2012，37(2):44-48.(Zheng Wei，Xu Houze and Zhong Min.Progress in“Yinghuo-1”Martian exploration program and research on Mars-SST satellite gravity measurement mission［J］.Science of Surveying and Mapping，2012，37 (2):44-48)

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PROGRESS IN INTERNATIONAL NEXT-GENERATION SATELLITE GRAVITY MEASUREMENT MISSIONS

Zheng Wei1)，Xu Houze1)，Zhong Min1)and Yun Meijuan2)

(1)State Key Laboratory of Geodesy and Earth’s Dynamics，Institute of Geodesy and Geophysics，CAS，Wuhan 430077 2)Department of Applied Physics，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan430081)

The progresses in the next-Generation American GRACE Follow-On and European E.MOTION satellite gravity measurement missions are respectively introduced for the sake of providing a reference for the next-generation satellite gravity measurement mission in China.Finally，the research significances and scientific objectives of the next-generation Post-GRACE satellite gravity measurement mission in China are expatiated in detail.We propose that the software platforms of precise orbit determination and satellite gravity recovery should be established as soon as possible，the error analyses of key payloads of gravity satellite should be developed in advance，and the mission requirements of satellite gravity measurement should be carried out as early as possible.

satellite gravity measurement;GRACE Follow-On;E.MOTION;Post-GRACE;Earth’s gravitational field

1671-5942(2012)03-0152-08

2012-03-25

中國科學院知識創新工程重要方向青年人才項目(KZCX2-EW-QN114);國家自然科學基金青年項目(41004006);國家自然科學基金重點項目(41131067)和面上項目(11173049);國家留學人員科技活動項目擇優資助基金(2011);中國測繪科學研究院地理空間信息工程國家測繪局重點實驗室開放基金(201031);中國科學院計算地球動力學重點實驗室開放基金(2011-04);中國科學院測量與地球物理研究所知識創新工程領域前沿項目;西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室開放基金(PLN1113);湖北省耐火材料與高溫陶瓷重點實驗室——省部共建國家重點實驗室培育基地開放基金(G201009)

鄭偉，男，1977年生，理學博士，副研究員，碩士生導師，日本京都大學博士后，日本外籍特別研究員，主要從事基于衛星重力測量反演地球、月球和火星重力場的理論和方法等方面研究.E-mail:wzheng@asch.whigg.ac.cn

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