國(guó)際下一代衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃研究進(jìn)展*

鄭 偉 許厚澤 鐘 敏 員美娟

(1)中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430077 2)武漢科技大學(xué)應(yīng)用物理系，武漢430081)

國(guó)際下一代衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃研究進(jìn)展*

鄭 偉1)許厚澤1)鐘 敏1)員美娟2)

(1)中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430077 2)武漢科技大學(xué)應(yīng)用物理系，武漢430081)

介紹下一代美國(guó)GRACE Follow-On和歐洲E.MOTION(Earth System Mass Transport Mission)衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃的研究進(jìn)展，以期為我國(guó)下一代Post-GRACE衛(wèi)星重力測(cè)量工程的成功實(shí)施提供參考依據(jù)。詳細(xì)闡述了我國(guó)下一代Post-GRACE衛(wèi)星重力測(cè)量工程的研究意義和科學(xué)目標(biāo)，建議我國(guó)先期構(gòu)建衛(wèi)星精密定軌和衛(wèi)星重力反演仿真模擬軟件平臺(tái)系統(tǒng)，開(kāi)展重力衛(wèi)星關(guān)鍵載荷誤差分析研究，以及執(zhí)行衛(wèi)星重力測(cè)量任務(wù)需求。

衛(wèi)星重力測(cè)量;GRACE Follow-On;E.MOTION;Post-GRACE;地球重力場(chǎng)

1 引言

地球重力測(cè)量衛(wèi)星CHAMP、GRACE和GOCE的成功發(fā)射昭示著人類(lèi)將迎來(lái)一個(gè)前所未有的衛(wèi)星重力探測(cè)時(shí)代。CHAMP、GRACE和GOCE衛(wèi)星各有所長(zhǎng)，它們的相繼發(fā)射不是相互競(jìng)爭(zhēng)而是互補(bǔ)的。CHAMP是衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃成功實(shí)施的先行者，GRACE的優(yōu)越性體現(xiàn)于可高精度探測(cè)地球重力場(chǎng)的中長(zhǎng)波信號(hào)及時(shí)變，而GOCE擅長(zhǎng)于感測(cè)中短波靜態(tài)地球重力場(chǎng)。聯(lián)合上述三期衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃雖然可以精確測(cè)量重力場(chǎng)的靜態(tài)及其時(shí)變，從而獲得地球總體形狀隨時(shí)間變化、地球各圈層物質(zhì)的遷移、全球海洋質(zhì)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(wú)法滿足本世紀(jì)相關(guān)學(xué)科對(duì)全頻段靜態(tài)和時(shí)變地球重力場(chǎng)精度進(jìn)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(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃不僅是當(dāng)前國(guó)際眾多科研機(jī)構(gòu)競(jìng)相制定的遠(yuǎn)景規(guī)劃和首要執(zhí)行的研究任務(wù)，而且是本世紀(jì)國(guó)際大地測(cè)量學(xué)、地球物理學(xué)、空間科學(xué)、天文學(xué)、國(guó)防建設(shè)等交叉領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和亟待解決的前沿性科學(xué)難題之一。

本文將闡述GRACE衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃的局限性，介紹下一代美國(guó)GRACE Follow-On和歐洲E.MOTION衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃的研究進(jìn)展及我國(guó)下一代Post-GRACE衛(wèi)星重力測(cè)量工程的實(shí)施建議。

2 GRACE衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃的局限性

1)無(wú)法實(shí)質(zhì)性降低軌道高度。衛(wèi)星軌道高度每降低100 km，作用于衛(wèi)星體的大氣阻力約增加10倍［1］。由于GRACE雙星系統(tǒng)未攜帶非保守力補(bǔ)償系統(tǒng)，因此為了給全體載荷提供超靜和超穩(wěn)的衛(wèi)星平臺(tái)工作環(huán)境和有效延長(zhǎng)衛(wèi)星的使用壽命，美國(guó)NASA將GRACE衛(wèi)星軌道高度設(shè)計(jì)為500 km。由于地球重力場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度隨衛(wèi)星軌道高度呈指數(shù)衰減，因此，基于GRACE衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃無(wú)法獲得高精度和高空間分辨率的中短波重力場(chǎng)。因此，GRACE Follow-On重力衛(wèi)星系統(tǒng)搭載非保守力補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)而有效降低衛(wèi)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(chǎng)模型的根本途徑。

2)無(wú)法測(cè)量垂向重力梯度值。GRACE系統(tǒng)采用衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星高低/低低模式。除利用高軌道的GPS衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)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(tǒng)相當(dāng)于基線長(zhǎng)為星間距離220 km的水平重力梯度儀。由于GRACE無(wú)法測(cè)量垂向重力梯度，因此，在一定程度上必將損失地球重力場(chǎng)的反演精度。另外，由于垂向重力梯度信號(hào)的缺失，將導(dǎo)致時(shí)變地球重力場(chǎng)南北向的條帶誤差淹沒(méi)信號(hào)。所以，下一代重力衛(wèi)星系統(tǒng)能同時(shí)精確獲得三維重力梯度(水平和垂向)觀測(cè)值是進(jìn)一步提高地球重力場(chǎng)反演精度的重要保證。

3)無(wú)法消除高頻信號(hào)混疊效應(yīng)。大氣和海洋固體潮變化等高頻誤差的混疊效應(yīng)是制約GRACE地球重力場(chǎng)精度進(jìn)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(qiáng)度與大氣和海洋固體潮模型誤差幾乎等量級(jí)，因此，大氣和海洋固體潮變化等高頻誤差無(wú)法從GRACE地球重力場(chǎng)模型中精確扣除。在下一代衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)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(cè)距儀和非保守力補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)一步提高星間速度和非保守力的測(cè)量精度，使高頻混疊誤差大于衛(wèi)星觀測(cè)值誤差，進(jìn)而精確消除地球重力場(chǎng)模型中的高頻混疊效應(yīng)。第二，采用車(chē)輪式衛(wèi)星重力編隊(duì)模式，除了利用GRACE雙星系統(tǒng)測(cè)量視線方向的衛(wèi)星重力觀測(cè)值，同時(shí)增加測(cè)量垂直于視線方向的衛(wèi)星重力觀測(cè)值，進(jìn)而減弱高頻混疊效應(yīng)對(duì)地球重力場(chǎng)精度的負(fù)面影響。第三，由于增大衛(wèi)星軌道傾角有利于提高帶諧項(xiàng)引力位系數(shù)精度，減小軌道傾角有利于提高田諧項(xiàng)引力位系數(shù)精度，因此，采用兩組不同軌道傾角GRACE衛(wèi)星聯(lián)合模式，不僅可有效提高地球重力場(chǎng)反演精度，而且有利于消除高頻混疊效應(yīng)。

4)無(wú)法精確測(cè)量時(shí)變重力信號(hào)。由于GRACE關(guān)鍵載荷測(cè)量精度的限制，而且地球重力場(chǎng)時(shí)變信號(hào)相對(duì)靜態(tài)信號(hào)較弱，因此GRACE衛(wèi)星僅能測(cè)量長(zhǎng)波時(shí)變地球重力場(chǎng)(空間分辨率400 km)，無(wú)法高精度和高空間分辨率地感測(cè)中長(zhǎng)波段時(shí)變地球重力場(chǎng)信號(hào)。采用更高精度的激光干涉星間測(cè)距儀和非保守力補(bǔ)償系統(tǒng)的下一代衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃有利于進(jìn)一步提高中長(zhǎng)波段地球重力場(chǎng)時(shí)變信號(hào)的探測(cè)精度和空間分辨率，進(jìn)而為地震學(xué)、海洋學(xué)、冰川學(xué)、水文學(xué)等研究領(lǐng)域提供精確的地球重力場(chǎng)信息。

3 GRACE Follow-On衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃

3.1 基本概述

基于GRACE衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃高精度探測(cè)中長(zhǎng)波靜態(tài)和長(zhǎng)波時(shí)變地球重力場(chǎng)的巨大貢獻(xiàn)［4-9］，美國(guó)NASA提出了下一代專(zhuān)用于中短波靜態(tài)和中長(zhǎng)波時(shí)變地球重力場(chǎng)精密探測(cè)的GRACE Follow-On衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃［10-14］。如圖 1和表 1所示，GRACE Follow-On雙星預(yù)期采用近圓、近極和超低軌道設(shè)計(jì)，利用激光干涉測(cè)距儀高精度測(cè)量星間距離和星間速度［15-17］，利用高軌GPS衛(wèi)星對(duì)低軌雙星精密跟蹤定位，利用非保守力補(bǔ)償系統(tǒng)高精度消除雙星受到的非保守力［18］，利用恒星敏感器測(cè)量衛(wèi)星和載荷的空間三維姿態(tài)。由于激光具有超短波長(zhǎng)和極好的波長(zhǎng)穩(wěn)定性，因此，利用激光干涉測(cè)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(cè)距儀高3個(gè)數(shù)量級(jí)。下一代GRACE Follow-On衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃不僅可以更高精度探測(cè)靜態(tài)地球重力場(chǎng)，同時(shí)致力于精密探測(cè)時(shí)變地球重力場(chǎng)信息。

圖1 GRACE Follow-On衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃原理圖Fig.1 Block diagram of GRACE Follow-On satellite gravity measurement mission

表1 GRACE和GRACE Follow-On衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃對(duì)比Tab.1 Comparison between GRACE and GRACE Follow-On missions

GRACE Follow-On得到的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)地球重力場(chǎng)的精度比GRACE至少高一個(gè)數(shù)量級(jí)。主要原因如下:第一，GRACE Follow-On(200～300 km)衛(wèi)星軌道高度低于GRACE(400～500 km)。GRACE衛(wèi)星采用加速度計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量非保守力，在數(shù)據(jù)后處理中再扣除非保守力。由于非保守力隨著衛(wèi)星軌道高度降低而急劇增加，因此，GRACE衛(wèi)星無(wú)法采用超低軌道設(shè)計(jì)。GRACE Follow-On衛(wèi)星將采用非保守力補(bǔ)償系統(tǒng)(Drag-free)精確屏蔽作用于衛(wèi)星的非保守力，因此可實(shí)質(zhì)性降低衛(wèi)星軌道高度，進(jìn)而有效抑制地球重力場(chǎng)信號(hào)隨軌道高度的衰減。第二，GRACE Follow-On衛(wèi)星關(guān)鍵載荷測(cè)量精度高于GRACE。GRACE衛(wèi)星采用K波段測(cè)距儀測(cè)量星間距離(10 μm)和星間速度(1 μm/s)，采用加速度計(jì)測(cè)量衛(wèi)星受到的非保守力(10-10m/s2)。GRACE Follow-On衛(wèi)星基于激光干涉測(cè)距儀高精度測(cè)量星間距離(10 nm)和星間速度(1 nm/s)，基于非保守力補(bǔ)償系統(tǒng)消除作用于衛(wèi)星的非保守力(10-13m/ s2)效應(yīng)。第三，GRACE Follow-On星間距離短于GRACE。適當(dāng)增加星間距離有利于提高長(zhǎng)波地球重力場(chǎng)的精度，適當(dāng)縮短星間距離有利于提高短波地球重力場(chǎng)的精度。GRACE Follow-On(50 km)衛(wèi)星較GRACE(220 km)縮短了星間距離，進(jìn)一步提高了中高頻地球重力場(chǎng)的感測(cè)精度。

3.2 關(guān)鍵載荷

GRACE Follow-On重力衛(wèi)星系統(tǒng)的關(guān)鍵載荷如表2和圖2～5所示。

4 E.MOTION衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃

4.1 總體概述

如表3和圖6所示，歐洲ESA也正在開(kāi)展下一代E.MOTION(Earth System Mass Transport Mission)衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃的需求論證。

表2 GRACE Follow-On衛(wèi)星關(guān)鍵載荷Tab.2 Key payloads of GRACE Follow-On mission

圖2 GRACE Follow-On衛(wèi)星激光干涉測(cè)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(jì)Fig.3 Accelerometer of GRACE Follow-On satellite

圖4 GRACE Follow-On衛(wèi)星GNSS接收機(jī)Fig.4 GNSS receiver of GRACE Follow-On satellite

圖5 GRACE Follow-On衛(wèi)星離子微推進(jìn)器Fig.5 Ion thruster assembly(ITA)of GRACE Follow-On satellite

表3 E.MOTION重力衛(wèi)星軌道參數(shù)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(xué)目標(biāo)

1)時(shí)變地球重力場(chǎng)空間分辨率優(yōu)于200 km，月大地水準(zhǔn)面精度優(yōu)于1 mm，衛(wèi)星重力測(cè)量全球覆蓋;

2)時(shí)變地球重力場(chǎng)時(shí)間分辨率優(yōu)于1個(gè)月，將質(zhì)量變化從季節(jié)尺度擴(kuò)展到10年尺度;

3)較當(dāng)前衛(wèi)星重力測(cè)量精度至少提高10倍。

4.3 關(guān)鍵載荷及研究團(tuán)隊(duì)

E.MOTION重力衛(wèi)星系統(tǒng)的關(guān)鍵載荷如表4和圖8～12所示。該項(xiàng)目的研究團(tuán)隊(duì)見(jiàn)表5。

表4 E.MOTION重力衛(wèi)星關(guān)鍵載荷Tab.4 Key payloads of E.MOTION gravity satellite

圖7 E.MOTION衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃科學(xué)需求Fig.7 Scientific requirements of E.MOTION satellite gravity measurement mission

圖8 E.MOTION重力衛(wèi)星結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure of E.MOTION gravity satellite

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

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

圖11 GNSS接收機(jī)Fig.11 GNSS receiver

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

表5 E.MOTION衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃項(xiàng)目組Tab.5 Proposal team of E.MOTION satellite gravity measurement mission

5 我國(guó)下一代Post-GRACE衛(wèi)星重力測(cè)量工程

我國(guó)下一代Post-GRACE衛(wèi)星重力測(cè)量工程(表6)以全球重力場(chǎng)的科學(xué)應(yīng)用研究、航空航天和國(guó)防建設(shè)需求、以及星載激光干涉測(cè)距、非保守力補(bǔ)償和空間加速度計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)需求為牽引，獨(dú)立自主構(gòu)建我國(guó)基于衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星觀測(cè)模式的重力雙星系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)高精度和高空間分辨率的衛(wèi)星重力測(cè)量，并開(kāi)展基于精確時(shí)變地球重力場(chǎng)信號(hào)的全球變化科學(xué)研究［19-21］。Post-GRACE工程旨在最大程度地提高重力衛(wèi)星的觀測(cè)精度和時(shí)空分辨率，以及有效拓展和提升重力衛(wèi)星在全球變化及區(qū)域響應(yīng)科學(xué)研究中的應(yīng)用范疇和能力;解決當(dāng)前GRACE全球重力場(chǎng)模型與我國(guó)現(xiàn)有地球重力場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果之間的差異問(wèn)題，為我國(guó)近地衛(wèi)星定軌和遠(yuǎn)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(tǒng)一垂直基準(zhǔn)面，支持我國(guó)新一輪的島礁調(diào)查測(cè)繪工程建設(shè)。Post-GRACE工程的成功實(shí)施，不僅可滿足我國(guó)日益增長(zhǎng)和迫切的科學(xué)和國(guó)防需求，同時(shí)對(duì)我國(guó)將來(lái)高精度和高空間分辨率的月球衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃［22，23］，以及太陽(yáng)系火星［24-26］、金星、水星等行星衛(wèi)星重力測(cè)量探測(cè)計(jì)劃的成功實(shí)施積累成果經(jīng)驗(yàn)。

表6 Post-GRACE重力衛(wèi)星軌道參數(shù)Tab.6 Orbital parameters of Post-GRACE gravity satellite

Post-GRACE衛(wèi)星重力測(cè)量工程的科學(xué)目標(biāo)為:

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

2)時(shí)變地球重力場(chǎng)空間分辨率優(yōu)于300 km，月大地水準(zhǔn)面精度優(yōu)于1 mm。

6 Post-GRACE衛(wèi)星重力測(cè)量工程實(shí)施建議

6.1 衛(wèi)星精密定軌軟件平臺(tái)

基于動(dòng)力法、幾何法等衛(wèi)星精密定軌方法，建立一套高精度的自主重力衛(wèi)星定軌軟件平臺(tái)系統(tǒng);利用GRACE星載GPS接收機(jī)的偽距和相位觀測(cè)值精密定軌，并通過(guò)與美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)和德國(guó)波茲坦地學(xué)研究中心(GFZ)公布的精密軌道進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而檢驗(yàn)我國(guó)自主衛(wèi)星精密定軌軟件系統(tǒng)的正確性和可靠性。

6.2 衛(wèi)星重力反演仿真模擬軟件平臺(tái)

編制基于動(dòng)力學(xué)法、能量守恒法和星間距離/速度插值法，利用重力衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)(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(tài)等)，反演地球重力場(chǎng)的數(shù)學(xué)和物理模型以及理論和仿真算法軟件系統(tǒng);通過(guò)對(duì)比衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星高低(SST-HL)、衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星高低/低低(SST-HL/LL)、衛(wèi)星重力梯度(SGG)等觀測(cè)模式的優(yōu)缺點(diǎn)，提出我國(guó)下一代衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃的最佳跟蹤模式;基于仿真模擬和需求論證，提出衛(wèi)星關(guān)鍵載荷(激光干涉測(cè)距系統(tǒng)、GNSS接收機(jī)、非保守力補(bǔ)償系統(tǒng)、星敏感器等)和軌道參數(shù)(軌道高度、星間距離、軌道傾角、軌道離心率等)的最優(yōu)設(shè)計(jì)，進(jìn)而為我國(guó)下一代重力衛(wèi)星系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)提供合理方案。

6.3 重力衛(wèi)星關(guān)鍵載荷誤差分析

1)激光干涉測(cè)距儀誤差分析。分析超穩(wěn)定振蕩器(USO)穩(wěn)定性、激光頻率和功率穩(wěn)定性、光學(xué)平臺(tái)的溫度漲落和控制、雙星對(duì)準(zhǔn)精度、電離層大氣密度等誤差源對(duì)激光干涉測(cè)距儀精度的影響和貢獻(xiàn)。激光穩(wěn)頻技術(shù)主要包括搭建精密的光學(xué)系統(tǒng)和組裝調(diào)試電子控制系統(tǒng)，旨在研究鎖定系統(tǒng)中的誤差、起伏和漂移的影響和抑制。激光頻率在高精細(xì)度光學(xué)諧振腔上的鎖定技術(shù)是保證星載激光穩(wěn)頻實(shí)驗(yàn)成功實(shí)施的重要因素。

2)非保守力補(bǔ)償系統(tǒng)誤差分析。仿真模擬重力衛(wèi)星系統(tǒng)內(nèi)部(熱和電磁效應(yīng))和外部(空間輻射和磁場(chǎng))的環(huán)境，基于理論計(jì)算和數(shù)值模擬論證各種誤差源對(duì)重力衛(wèi)星非保守力補(bǔ)償系統(tǒng)的影響。非保守力補(bǔ)償系統(tǒng)的測(cè)量原理如下:首先，利用傳感器確定檢驗(yàn)質(zhì)量和重力衛(wèi)星的相對(duì)位移;其次，不僅采用反饋系統(tǒng)控制檢驗(yàn)質(zhì)量跟蹤重力衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)，同時(shí)利用非保守力補(bǔ)償控制器和軌道微推進(jìn)器控制重力衛(wèi)星跟蹤檢驗(yàn)質(zhì)量。對(duì)高敏感軸觀測(cè)方向，采用非保守力補(bǔ)償控制;對(duì)低敏感軸觀測(cè)方向，通過(guò)控制檢驗(yàn)質(zhì)量跟蹤重力衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)。

6.4 衛(wèi)星重力測(cè)量任務(wù)需求

1)對(duì)下一代衛(wèi)星重力測(cè)量工程的科學(xué)目標(biāo)與應(yīng)用需求進(jìn)行優(yōu)化論證，并對(duì)頂層設(shè)計(jì)方案進(jìn)行可行性分析。

2)對(duì)重力衛(wèi)星系統(tǒng)的關(guān)鍵載荷進(jìn)行特性特征和精度指標(biāo)論證，分析關(guān)鍵載荷觀測(cè)精度對(duì)衛(wèi)星整體系統(tǒng)的影響和對(duì)重力場(chǎng)反演精度的貢獻(xiàn)。

3)構(gòu)建重力衛(wèi)星系統(tǒng)模塊(空間平臺(tái)、地面測(cè)控、運(yùn)載發(fā)射等)，開(kāi)展衛(wèi)星系統(tǒng)需求分析(觀測(cè)功能、精度指標(biāo)、方案驗(yàn)證等)。

4)按照美國(guó)NASA和歐洲ESA航天項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)定義的研究?jī)?nèi)容和思路對(duì)下一代衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃進(jìn)行逐級(jí)任務(wù)分解和需求分析，進(jìn)而獲得預(yù)期成果。

7 結(jié)論

由于重力衛(wèi)星CHAMP、GRACE和GOCE預(yù)計(jì)于2015年前結(jié)束測(cè)量使命，而且三期衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃的聯(lián)合無(wú)法充分滿足本世紀(jì)相關(guān)學(xué)科對(duì)地球重力場(chǎng)精度進(jìn)一步提高的迫切需求，因此，國(guó)際眾多科研機(jī)構(gòu)正積極開(kāi)展下一代衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃的需求論證和仿真模擬研究。基于以上目的，本文開(kāi)展了“國(guó)際下一代衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃研究進(jìn)展”的論證研究，旨在為高精度和高空間分辨率的下一代衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃的成功實(shí)施提供可行性的理論基礎(chǔ)和技術(shù)借鑒。

致謝 感謝華中科技大學(xué)羅俊院士對(duì)本文的幫助。感謝美國(guó)宇航局(NASA)、歐洲空間局(ESA)等研究機(jī)構(gòu)提供了下一代衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃的相關(guān)資料!

1 鄭偉，許厚澤，鐘敏.衛(wèi)-衛(wèi)跟蹤測(cè)量模式中軌道高度的優(yōu)化選?。跩］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2009，(2):100 -105.(Zheng Wei，Xu Houze and Zhong Min.Optimal design of orbital altitude in satellite-to-satellite tracking model［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2009，(2):100 -105)

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22 鄭偉，許厚澤，鐘敏.基于激光干涉星間測(cè)距原理的下一代月球衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃需求論證［J］.宇航學(xué)報(bào)，2011，32(4):922-932.(Zheng Wei，Xu Houze and Zhong Min.Demonstration of requirement on future lunar satellite gravity exploration mission based on interferometric laser intersatellite ranging principle［J］.Journal of Astronautics，2011，32(4):922-932)

23 鄭偉，許厚澤，鐘敏.月球重力場(chǎng)模型研究進(jìn)展和我國(guó)將來(lái)月球衛(wèi)星重力梯度計(jì)劃實(shí)施［J］.測(cè)繪科學(xué)，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(guó)際火星探測(cè)計(jì)劃進(jìn)展和中國(guó)火星衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃研究［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，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(hào)”火星探測(cè)計(jì)劃進(jìn)展和Mars-SST火星衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃研究［J］.測(cè)繪科學(xué)，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)

26 Zheng W，Xu H Z and Zhong M.China’s first-phase Mars Exploration Program:Yinghuo-1 orbiter［J］.Planetary and Space Science，2012，60，Doi:10.1016/j.pss.2011.02. 008.

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(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向青年人才項(xiàng)目(KZCX2-EW-QN114);國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(41004006);國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41131067)和面上項(xiàng)目(11173049);國(guó)家留學(xué)人員科技活動(dòng)項(xiàng)目擇優(yōu)資助基金(2011);中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院地理空間信息工程國(guó)家測(cè)繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(201031);中國(guó)科學(xué)院計(jì)算地球動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(2011-04);中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所知識(shí)創(chuàng)新工程領(lǐng)域前沿項(xiàng)目;西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(PLN1113);湖北省耐火材料與高溫陶瓷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地開(kāi)放基金(G201009)

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

P223

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