給力的新一代重力衛(wèi)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(fā)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(fā)生了不小的變化。

NASA的這份報告出自“格瑞斯(GRACE)”重力測量衛(wèi)星的監(jiān)控結(jié)果。通過測量衛(wèi)星軌道飛行路徑的變化，可以得出冰川融化對地球質(zhì)量和引力的影響。電腦將數(shù)據(jù)綜合分析后發(fā)現(xiàn)，“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(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，格陵蘭冰川的質(zhì)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(wèi)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(xiàn)。人造地球衛(wèi)星的發(fā)射，為觀測全球范圍內(nèi)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(wèi)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(wèi)星主要受地球重力的作用?；诖耍?0世紀50年代末和20世紀60年代初期，人們就已經(jīng)利用對近地衛(wèi)星的光學觀測(主要是在地面對衛(wèi)星拍照，根據(jù)照片上衛(wèi)星和恒星的位置關(guān)系，確定衛(wèi)星的坐標)來跟蹤衛(wèi)星。20世紀60年代中期出現(xiàn)的衛(wèi)星激光測距技術(shù)，因為測量精度更高，逐漸取代了衛(wèi)星的光學觀測技術(shù)。到20世紀80年代中后期，研究人員利用衛(wèi)星軌道反算地球重力場的參數(shù)，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(xiàn)的衛(wèi)星雷達測高技術(shù)，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(wèi)星激光測距技術(shù)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(shù)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(shù)量級。

不過，上面提到的這些衛(wèi)星，都不是直接用來測定地球重力場的。

經(jīng)過數(shù)十年的理論研究、技術(shù)設(shè)計和試驗，直接使用衛(wèi)星測定地球重力場的計劃終于在2000年變?yōu)楝F(xiàn)實，2002年和2009年又有3顆重力衛(wèi)星發(fā)射。這4顆衛(wèi)星分為3種：2000年發(fā)射的挑戰(zhàn)微小衛(wèi)星平臺(CHAMP)、2002年發(fā)射的重力恢復和氣候試驗(GRACE——音譯為格瑞斯)以及2009年發(fā)射的重力場和靜態(tài)洋流探索(GOCE)。其中，格瑞斯由兩顆衛(wèi)星組成，由美國航空航天局和德國空間局聯(lián)合研制，“挑戰(zhàn)微小衛(wèi)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(jīng)有4顆新一代重力衛(wèi)星成功發(fā)射、運行并用于地球重力場的觀測。所謂新一代重力衛(wèi)星，指的是這些衛(wèi)星的發(fā)射目的本身就是用于重力測量的；老一代衛(wèi)星的數(shù)據(jù)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?qū)Ш叫l(wèi)星已經(jīng)開始運行，這4顆軌道高度數(shù)百千米的低軌衛(wèi)星都可以接收導航衛(wèi)星數(shù)據(jù)，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(wèi)星追蹤技術(shù)”。

重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應用

重力衛(wèi)星的發(fā)射和應用為人們了解地球提供了更多的技術(shù)手段。通過重力衛(wèi)星所獲取的大量數(shù)據(jù)，已經(jīng)被廣泛應用到科學研究中。例如：格瑞斯衛(wèi)星獲取的連續(xù)10年重力場數(shù)據(jù)，為國內(nèi)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(guān)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(qū)域的水儲量的季節(jié)性變化進行了研究，發(fā)現(xiàn)這種季節(jié)變化趨勢和重力衛(wèi)星格瑞斯觀測到的重力變化一致，和水文資料得到的結(jié)果也吻合。我國學者利用格瑞斯衛(wèi)星數(shù)據(jù)對于我國華北地區(qū)尤其是京津冀區(qū)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(jù)。

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

重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)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(zhuǎn)橢球。

德國科學家采用了上述3種重力衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，也采用了地球動力學衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)研究地球的大地水準面。自1995年以來，德國科學家陸續(xù)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(guān)。“波茨坦重力土豆”以不同的版本在網(wǎng)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(wèi)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(jīng)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(wèi)星早期數(shù)據(jù)觀測的分析。利用多年、多種衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，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(shù)十米的數(shù)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(wèi)星的后續(xù)衛(wèi)星與我國的重力衛(wèi)星計劃

格瑞斯衛(wèi)星已經(jīng)運行了10年，可能將于2013年停止工作。美國計劃明年發(fā)射的重力衛(wèi)星后續(xù)衛(wèi)星，名字叫格瑞斯后續(xù)星(GRACEFollow-On)。格瑞斯后續(xù)星仍為兩顆衛(wèi)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(wèi)星跟蹤模式。

與格瑞斯相比，格瑞斯后續(xù)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(wèi)星之間的距離測量精度更高，重力測量的精度也更高；后續(xù)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(xù)星測定的靜態(tài)和動態(tài)地球重力場的精度，比原來的格瑞斯衛(wèi)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(guān)注和研究歐美國家的重力衛(wèi)星進展情況。由于挑戰(zhàn)微小衛(wèi)星平臺(CHAMP)采用的技術(shù)已經(jīng)落伍，重力場和靜態(tài)洋流探索(GOCE)采用的衛(wèi)星重力梯度儀，我國近期內(nèi)難以在研制上有所突破。為此，研究人員建議我國的重力衛(wèi)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(wèi)星跟蹤衛(wèi)星技術(shù)和低—低衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星技術(shù)。

目前，我國已經(jīng)啟動了發(fā)射重力衛(wèi)星的關(guān)鍵技術(shù)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(wèi)星。利用它們，我國科學家在科技和工程建設(shè)上會取得豐碩的成果。

【責任編輯】趙菲