國外重力探測衛星的發展

國外重力探測衛星的發展

Development of Foreign Gravity Measurement Satellites

從20世紀中期開始，以美國和歐洲為主的世界主要航天國家就在探索發展地球重力場探測技術。國外已經深刻認識到，重力場探測技術在軍事作戰、保障國家安全、開展科學研究以及促進國民經濟發展等各個方面都具有非常重要的作用和意義，特別是重力場探測的軍事用途，高精度的重力場數據能夠有效提高導彈的命中精度，使得在軍事戰爭中具有不對稱優勢。

1 國外重力探測衛星發展現狀

早期，人類主要利用地面站測軌對衛星軌道進行測量，獲取有效弧段的測軌數據，再進行反演獲得重力場數據。人類積累了30年的大量衛星測軌數據，通過反演只能獲得36階位系數的重力場數據，而且測量精度也較低。

后來，國外開始發展衛星重力探測技術，利用衛星測量地球重力場及其隨時間和空間的變化，建立精細的地球重力場模型。目前，國外主要發展了采用被動（無源）和主動（有源）兩種衛星重力探測方式的重力探測衛星。

國外被動重力探測衛星發展

20世紀60年代，美國率先掌握了重力場數據獲取技術，開啟了衛星重力場探測的新紀元。1962年5月和10月，美國分別發射了1顆“安娜”（Anna）衛星，這是美國、乃至世界上發射的首顆專用測地衛星。在“安娜”衛星成功獲取地球重力場數據后，國際上掀起了爭相發展被動重力場探測技術的新風潮。

美國、俄羅斯以及德國、意大利等歐洲國家陸續發射了多顆采用被動重力探測方式的衛星，星上并不攜帶任何電子設備、傳感器和姿態與軌道控制系統，而在球形星體表面裝有數塊角反射器，通過衛星激光測距（SLR）方式實現地球重力場測量。

衛星激光測距方式原理簡單，但實施困難，單個測距站的跟蹤范圍有限，需構成全球激光測距網。衛星激光測距方式測距精度高，單次測距精度可達2～4cm，但多次平均后測距精度有所下降，而且只能用于晴朗天氣，云雨天氣失去測量能力，因此需與其他方法配合使用，以彌補其缺點。

在主動重力探測衛星出現前，被動重力探測衛星是測定地球重力場的長波（或低階）和低頻變化的主要手段，獲取的衛星激光測距數據有效提高了地球重力場低階次位系數的精度，但由于這些衛星的軌道構型（軌道傾角60°左右）只能提供少數時變低階位系數，不適合研究地球重力場的時變性，而且時空分辨率也不高。

國外被動重力探測衛星任務

意大利表面裝有92塊角反射器的“激光相對論衛星”

國外主動重力探測衛星發展

由于被動重力探測衛星在對重力場測量的時空分辨率和精度等多方面都存在局限性，因此國外于20世紀70年代開始發展主動重力探測技術。目前，國外發展的主動重力探測方式包括兩類，一類是采用星載雷達高度計，另一類是采用專用重力探測衛星。

海底地形起伏不平與海洋重力場之間存在密不可分的關系，可通過測量海底地形起伏變化數據來反演海洋重力場的分布和變化。因此，國外開始研制星載雷達高度計，利用雷達測高原理獲取海洋重力場數據。星載雷達高度計在獲取全球海洋重力場數據方面取得了優異成果，但獲取的地球重力場位系數的最高階數和精度仍然不能滿足一些高精度任務領域的需求。

隨著相關基礎技術的發展，國外于20世紀末開始發展專用重力探測衛星，采用衛星跟蹤衛星技術或衛星重力梯度測量技術測量重力場。其中，衛星跟蹤衛星技術是指高低衛-衛跟蹤（SST-HL）模式和低低衛-衛跟蹤（SST-LL）模式；衛星重力梯度測量技術是指衛星重力梯度測量（SGG）模式。低低衛-衛跟蹤和衛星重力梯度測量模式均需要同時結合高低衛-衛跟蹤模式才能有效地實現衛星重力測量，通過測量專用重力探測衛星在某一軌道上不同地點的飛行速度，并利用星載加速度計測量衛星所受到的非重力攝動，對衛星軌道數據進行修正，便可以推算出地球重力異常的分布。最終獲得的重力場空間分辨率和測量精度，取決于專用重力探測衛星在軌位置和速度的測量精度以及非重力修正的精度。

美國“天空實驗室”空間站

國外典型星載雷達高度計重力探測任務對比分析

基于理論分析，最優的衛星重力探測組合方式為衛星重力梯度測量與低低衛-衛跟蹤組合模式，其次是衛星重力梯度測量與高低衛-衛跟蹤組合模式，再次是低低衛-衛跟蹤與高低衛-衛跟蹤組合模式。

（1）星載雷達高度計成為獲取全球海洋重力場數據的有效技術手段

20世紀下半葉，在衛星測高技術發展逐漸成熟后，美國于1973年5月14日發射的“天空實驗室”（Skylab）空間站上搭載了全球首臺試驗型星載雷達高度計，測高精度約為1m。本次試驗成功驗證了星載雷達高度計探測重力場的技術能力，為未來的技術發展奠定了基礎。隨后，美國、俄羅斯和歐洲等國家和地區相繼發射了雷達高度計衛星，雷達高度計的測高精度達到厘米量級。與被動重力探測衛星相比，星載雷達高度計衛星采用較低（約1000km）的軌道。目前來看，在利用星載雷達高度計獲取海洋地形、海洋大地水準面數據，以及海洋重力場數據方面，美國和歐洲較為領先。

美國以“天空實驗室”空間站上搭載的全球首臺星載雷達高度計為原型，先后發展了多顆專用海洋地形測量衛星，獲取了大量的海洋重力場數據。其采用的雷達高度計基本由約翰-霍普金斯大學的應用物理實驗室研制，由早期的單頻Ku頻段逐漸過渡到目前的雙頻Ku和C頻段。其中，美法合作發射的“托佩克斯/波塞冬”衛星搭載的雷達高度計是全球首臺雙頻雷達高度計，測高精度高達2.4cm。與單頻相比，雙頻設計主要用于校正電離層路徑延遲，測高精度更高。

續 表

歐洲一方面與美國合作發展雷達高度計衛星，另一方面在積累的雷達高度計等相關技術的基礎上，獨立發展了一系列海洋地形測量衛星和環境探測衛星，獲取了比較豐富的海洋重力場數據。其采用的雷達高度計由法國國家空間研究中心或泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）研制，主要有Ku單頻，Ku和C雙頻，還發展了Ku和S雙頻雷達高度計。其中，歐洲航天局（ESA）于2010年發射的冷衛星－2（又名“地球探測者機會任務”）搭載了“合成孔徑干涉高度計”（SIRAL）,該雷達高度計雖然是單頻雷達高度計，但其采用的延遲多普勒雷達高度計（DDA）技術，測高精度達1～3cm。與傳統的雷達高度計只能測量衛星與平均海平面之間的距離相比，延遲多普勒雷達高度計技術既可以通過對相干脈沖和全多普勒的處理，測量測距點的沿軌位置，還能利用2副天線和2個接收通道，測量測距點的穿軌角。延遲多普勒雷達高度計技術測得的海平面高度數據精度大約是傳統高度計的2倍。

此外，印度和法國還于2013年2月25日合作發射了“薩拉爾”海洋探測衛星，其上搭載了世界上首臺Ka頻段雷達高度計（AltiKa），代表著世界最先進水平。該高度計由法國國家空間研究中心研制，工作在37.75GHz，與其他頻段的雷達高度計相比，具有如下優勢：①工作帶寬為480MHz，比賈森－1、2等衛星采用的Ku和C頻段雷達高度計提高約30%，進而提高測高精度。②可更大程度地降低電離層變化對測量的影響，無需使用雙頻高度計進行校正，簡化了載荷設計要求，但當大氣水含量大時，存在數據質量不穩定的缺點。因此，“薩拉爾”衛星還載有1臺Ka頻段的雙頻微波輻射計（23.8GHz和37GHz），用于在對流層水含量較高時，為測高任務進行校正。③具有更高的脈沖重復頻率（4kHz），可以增加每秒鐘獨立回波的次數，進而提高觀測數據的水平分辨率。總的來說，“薩拉爾”屬于新型雷達高度計的技術驗證衛星，將為后續衛星和相關技術的開發提供寶貴的經驗和借鑒。

除美國和歐洲外，俄羅斯也發展了軍用地理測繪衛星來獲取重力場數據。星上搭載的雷達高度計并非自主研制，而是由泰雷茲-阿萊尼亞航天公司提供，同樣也采用Ku和C雙頻。

（2）專用重力探測衛星性能先進，探測精度高，成為未來趨勢所向

專用重力探測衛星的應用為重力探測帶來了極大的技術變革，展現了出色的應用能力。利用德美的“重力和氣候實驗”（GRACE）衛星在30天內獲取的地球重力場數據，通過反演獲得的重力場模型精度，就已經超過了過去30年人類積累的大量衛星測軌數據反演的地球重力場模型精度。除了探測地球重力場外，美國還將專用重力探測技術引入到深空探測領域。近年來，國外在已經取得的重力場探測成就的基礎上，繼續規劃了一些重力場探測后續衛星任務，在驗證新技術、提升探測技術水平和能力的同時，確保重力場探測數據的連續性。

歐洲冷衛星－2在軌飛行示意圖

德美合作的“重力和氣候實驗”衛星在軌飛行示意圖

1）德國“挑戰性小衛星有效載荷”（CHAMP）衛星。該衛星是德國波茨坦地學研究中心（GFZ）和德國航空航天中心（DLR）合作發展的世界上首顆試驗型專用重力探測衛星，成功驗證了利用高低衛-衛跟蹤模式探測地球重力場的可行性。該衛星主要用于高精度確定全球靜態重力場中波、長波特性，以及重力場隨時間的變化；估算地球及地殼磁場及其隨時間、空間的變化；利用大氣/電離層掩星探測進行導航、氣象預報和全球氣候變化研究。該衛星于2000年發射，于2010年9月19日再入大氣層燒毀，超期服役5年。

“挑戰性小衛星有效載荷”衛星采用高低衛-衛跟蹤模式，搭載了雙頻高精度GPS接收機、空間三軸加速度計（STAR）和激光后向反射器（LRR）重力測量載荷。利用GPS接收機與高軌GPS導航衛星建立跟蹤鏈路，最多同時跟蹤48個GPS信號，以厘米級定位精度獲取該衛星的軌道位置和速度數據，再利用分辨率優于±3×10-9m/s2的加速度計測量衛星受到的非重力。激光后向反射器獲取測距精度2cm的數據，一方面與GPS接收機數據共同用于精確定軌；另一方面用于GPS接收機校準。此外，該衛星還攜帶了磁強計組合系統（MIAS），用于測量地球磁場。為了配合衛星完成重力和磁力測量任務，該衛星還攜帶了2部先進恒星羅盤載荷，分別安裝在桁架和衛星本體上，分別提供磁場矢量測量和空間三軸加速度計測量所需的高精度姿態信息。

2）德美“重力和氣候實驗”衛星。為了進一步研究和提高地球重力場測量能力，德國航空航天中心與美國航空航天局（NASA）在“挑戰性小衛星有效載荷”衛星積累的經驗和技術基礎上開展國際合作，發展了“重力和氣候實驗”專用重力探測衛星項目，其科學目標是前所未有的高精度測定全球靜態重力場中波、長波特性，以及重力場隨時間的變化；研究海洋表面洋流、海洋熱傳遞、海床質量和壓力變化、冰原與冰河質量平衡、陸地水與雪存量變化，并提供較好的全球大氣模型。“重力和氣候實驗”雙星于2002年發射，目前仍在軌運行，已超期服役6年多。

“重力和氣候實驗”衛星采用低低衛-衛跟蹤和高低衛-衛跟蹤組合模式，“重力和氣候實驗”雙星相當于2顆完全相同不帶磁強計的升級版“挑戰性小衛星有效載荷”衛星。每顆衛星搭載雙頻高精度GPS接收機、K/Ka頻段測距系統（KBR）、超級空間三軸加速度計（SuperSTAR）和激光后向反射器重力測量載荷。除K/Ka頻段測距系統外，其他GPS接收機、加速度計、激光后向反射器和星相機裝置均繼承自“挑戰性小衛星有效載荷”衛星的相應有效載荷，并加以改進。“重力和氣候實驗”衛星星間距離控制在170～270km之間，利用各自星上GPS接收機與高軌GPS導航衛星建立跟蹤鏈路，構成與“挑戰性小衛星有效載荷”衛星類似的高低衛-衛跟蹤模式，每個GPS接收機最多同時跟蹤24個GPS信號，以厘米級精度獲取“重力和氣候實驗”雙星的軌道位置和速度數據。“重力和氣候實驗”雙星利用K/Ka頻段測距系統建立精密星間測距鏈路，構成低低衛-衛跟蹤模式，以1μm的星間測距精度測量因地球局部重力異常所引起的星間相對距離變化和距離變化率。K/ Ka頻段測距系統為雙頻設備，工作在24GHz的K頻段和32GHz的Ka頻段。雙頻設計的主要原因是消除測距信號在電離層傳播中的延遲和干擾，并利用分辨率優于±3×10-10m/s2的靜電懸浮加速度計（其分辨率比“挑戰性小衛星有效載荷”衛星的加速度計提高1個數量級）測量衛星受到的非重力，激光后向反射器獲取測距精度1～2cm的數據。此外，為了配合衛星完成重力測量任務，“重力和氣候實驗”衛星還攜帶了1部星相機裝置，安裝在超級空間三軸加速度計上，提供超級空間三軸加速度計測量所需的高姿態精度。

3）歐洲“重力場與穩態洋流探測器”（GOCE）衛星。該衛星是歐洲航天局獨立發展的地球動力學和大地測量衛星，是世界上首顆采用衛星重力梯度測量模式的專用重力探測衛星，也是全球首顆用于探測地核結構的衛星。該衛星于2009年發射，其主要科學目標是高精度、高分辨率地測量全球靜態重力場（中波、短波）和大地水準面模型，已于2013年11月11日再入大氣層。

歐洲重力場與穩態洋流探測器－2衛星在軌飛行示意圖

國外典型重力探測衛星參數對比

“重力場與穩態洋流探測器”衛星采用衛星重力梯度測量和高低衛-衛跟蹤組合模式，搭載了衛星-衛星跟蹤設備（SSTI）、靜電重力梯度儀（EGG）和激光后向反射器重力測量載荷。該衛星利用衛星-衛星跟蹤設備與高軌GPS導航衛星建立跟蹤鏈路，構成與“挑戰性小衛星有效載荷”衛星類似的高低衛-衛跟蹤模式，衛星-衛星跟蹤設備為雙頻高精度GPS接收機，最多同時跟蹤12個GPS信號，以厘米級精度獲取“重力場與穩態洋流探測器”衛星的軌道位置和速度數據。另外，該衛星利用靜電重力梯度儀構成衛星重力梯度測量模式，由3對靜電懸浮加速度計組成，以衛星質心為中心，分別對稱安裝在3個正交的測量坐標軸上，構成全張量差分重力梯度儀。每對加速度計測量基線為50cm，每對加速度計以“差分”方式測量衛星所在位置的地球重力梯度張量。靜電重力梯度儀一方面用于測量重力梯度張量，另一方面將作為無阻力姿態控制系統的主敏感器。激光后向反射器獲取補充數據，用于精確軌道確定。

續 表

4）德美合作發展“重力和氣候實驗后繼星”（GFO）任務。繼“重力和氣候實驗”衛星在國際地學界取得巨大成功后，國外對低低衛-衛跟蹤和高低衛-衛跟蹤組合模式產生了極大興趣。為了確保重力探測數據的連續性，目前美國和德國正在合作發展“重力和氣候實驗”衛星的后續任務，最大程度地繼承了“重力和氣候實驗”衛星的技術和成果。該衛星的科學目標是實現180階全球時變重力場測量，空間分辨率達到55km，大地水準面測量精度達到1cm，重力場異常探測精度達到1mGal。“重力和氣候實驗后繼星”目前正在規劃中（階段A前期），計劃于2016年發射，衛星設計軌道高度為250～350km，星間距離控制在3 0～8 0 k m之間，預計將運行至2021年。

續 表

“重力和氣候實驗后繼星”仍采用低低衛-衛跟蹤和高低衛-衛跟蹤組合模式，每顆衛星搭載可接收GPS-GLONASS-Galileo三種信號的多模接收機（Tri-G）、高精度K/Ka頻段星間測距系統（HAIRS）、超級空間三軸加速度計和激光后向反射器。此外，衛星還攜帶星相機裝置（SCA），用于提供高姿態精度。對于“重力和氣候實驗后續星”，國外目前正在考慮采用激光干涉測距系統代替“重力和氣候實驗”衛星采用的K/Ka頻段測距系統，以納米級的星間測距精度測量星間相對距離變化和速度變化，激光干涉測距系統對衛星姿態相對指向精度要求極高，需達到20μrad。為了降低技術風險，保證衛星如期發射，“重力和氣候實驗后繼星”項目組決定該衛星仍將K/Ka頻段測距系統作為主要的星間測距設備，用于測量星間距離變化，同時搭載激光干涉測距系統驗證設備，一方面驗證系統技術可行性，另一方面改進測距精度的能力。待激光干涉測距系統在“重力和氣候實驗后繼星”任務中成功驗證后，未來將完全取代K/Ka頻段測距系統，作為低低衛-衛跟蹤模式重力探測衛星任務的主要測量載荷，進一步提高重力場探測精度。

2 重力探測衛星發展趨勢

繼續開展重力探測研究，擇優選擇最佳的重力探測模式規劃后續衛星任務

國外通過發展重力探測方式各不相同的“挑戰性小衛星有效載荷”、“重力和氣候實驗”和“重力場與穩態洋流探測器”衛星，不僅在技術上積累了豐富的經驗，而且還從應用的角度掌握了不同重力探測方式的探測能力極限和適用范圍。鑒于重力探測衛星在現代戰爭、科學研究和國民經濟建設等領域的重要作用，未來國外將繼續在重力探測衛星方面開展研究，擇優選擇最佳的重力探測模式，規劃后續衛星任務。例如，鑒于德美“重力和氣候實驗衛星”在國際地學界取得的重要作用，德美已經規劃了同樣采用低低衛-衛跟蹤和高低衛-衛跟蹤組合模式的“重力和氣候實驗后繼星”任務，以接替“重力和氣候實驗”衛星，在全球動態、靜態重力場探測方面發揮重要作用。隨著歐洲“重力場與穩態洋流探測器”衛星的退役，推測未來不久歐洲也將積極規劃其后續衛星任務，繼續探測重力場的精細結構和短波變化。

多種重力組合探測模式協同發展，實現全球動態、靜態重力場的高精度測量

目前，國外主要發展了低低衛-衛跟蹤和高低衛-衛跟蹤組合模式的重力探測衛星，用于獲取全球靜態重力場中長波特性和動態重力場，以及衛星重力梯度測量和高低衛-衛跟蹤組合模式的重力探測衛星，用于獲取全球靜態重力場的中短波特性，能夠反映重力場的精細結構和感應重力場的短波變化，不適于探測動態重力場。由此可見，采用重力組合探測模式已經成為未來國外發展重力探測衛星的趨勢所向。前面提到的這兩種組合模式各有優勢，因此，未來國外將同時發展這兩種組合模式的重力探測衛星，協同工作，實現全球靜態（中、長、短波）和動態重力場的高精度、高空間分辨率測量。

重力梯度測量模式特點突出，

成為未來高精度探測靜態重力場的最佳手段

總的來說，恢復70階以上的重力場模型，最好采用重力梯度測量模式，重力異常累計誤差更小；而恢復70階以下的重力場模型，最好采用低低衛-衛跟蹤模式，重力異常累計誤差更小。衛星重力梯度測量模式理論上可恢復240階的地球靜態重力場模型，而且能夠反映重力場的精細結構和感應重力場的短波變化，在高分辨率高精度靜態重力場恢復方面具有獨特優勢，因此衛星重力梯度測量模式將成為未來高分辨率高精度靜態重力場恢復的最佳手段和發展方向。

探索開發新技術、新概念，實現重力探測技術的本質創新和能力的顯著提升

目前，“挑戰性小衛星有效載荷”、“重力和氣候實驗”和“重力場與穩態洋流探測器”衛星已經成為國外發展重力探測能力方面的重要里程碑，為未來后續衛星任務奠定了堅實的技術基礎。重力探測技術模式已經基本形成，探測能力初步具備，國外已經開始探索開發新技術、新概念，進而實現重力探測技術的本質創新和能力的大幅提升。如德美的“重力和氣候實驗后繼星”正在考慮采用激光干涉測距系統代替K/Ka頻段星間測距系統，使星間測距精度從微米級提高到納米級，地球重力場模型恢復從120階提高到180階，重力場探測空間分辨率將達到55km（超過目前最高水平歐洲“重力場與穩態洋流探測器”衛星），大地水準面測量精度達到1cm（與目前最高水平歐洲“重力場與穩態洋流探測器”衛星相當），重力異常探測精度達到1mGal（與目前最高水平歐洲“重力場與穩態洋流探測器”衛星相當）。

徐冰/文