基于衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的地球重力場探測技術(shù)發(fā)展趨勢分析

萬曉云 張潤寧 眭曉虹,3 陳亮

(1錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室，北京 100094) (2北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)(3 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

?

基于衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的地球重力場探測技術(shù)發(fā)展趨勢分析

萬曉云1張潤寧2眭曉虹1,3陳亮1

(1錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室，北京 100094) (2北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)(3 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

分析研究了公開發(fā)布的全球重力場模型，根據(jù)已有真實衛(wèi)星數(shù)據(jù)的重力場反演結(jié)果，依次分析了激光地球動力學(xué)衛(wèi)星、重力衛(wèi)星和測高衛(wèi)星用于地球重力場探測的特點和局限性，并針對上述缺點和局限性，進(jìn)一步介紹和分析了當(dāng)前出現(xiàn)的可用于地球重力探測的新型載荷，如激光測距儀、原子干涉絕對重力梯度儀、干涉SAR高度計等，以及新載荷可能產(chǎn)生的探測效益。以上研究可為地球重力場探測技術(shù)未來的發(fā)展提供參考。

地球重力場模型；衛(wèi)星數(shù)據(jù)；新載荷；反演精度

1 引言

重力場是地球的基本物理場，對于衛(wèi)星的精密定軌、地球內(nèi)部物質(zhì)結(jié)構(gòu)的反演、地球形狀的研究等均具有極其重要的作用[1]。因此長久以來，對地球重力場的研究受到了廣泛關(guān)注。在早期，受制于觀測數(shù)據(jù)的限制，對重力場的研究主要為理論研究，許多科學(xué)家均在此領(lǐng)域做出了突出貢獻(xiàn)，例如：牛頓、克萊勞、斯托克斯、莫洛堅斯基、墨里茲等。

到了20世紀(jì)60年代，隨著衛(wèi)星觀測技術(shù)的發(fā)展，利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)來反演地球重力場模型成為了可能[2]。不少科學(xué)家提出了多個地球重力場探測方案，例如：麻省理工學(xué)院的科學(xué)家Woff 1969年發(fā)表論文提出了利用星間距離測量反演地球重力場的衛(wèi)星方案[3]；Kaula在1969年的美國地球物理年會上提出可通過海面高程測量來反演海洋重力場的思路等[4]?？茖W(xué)家們提出的方案在當(dāng)時非常超前，然而隨著時代的發(fā)展，很多方案均被實驗驗證，并研制出實用的地球觀測衛(wèi)星。借助于這些衛(wèi)星技術(shù)提供的觀測數(shù)據(jù)，學(xué)者們發(fā)布了多個地球引力場模型。所采用的基本理論和技術(shù)方法主要有: 衛(wèi)星軌道攝動理論、衛(wèi)星測高技術(shù)[4]、衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星技術(shù)[5]和衛(wèi)星梯度技術(shù)[6]等。以上技術(shù)在地球重力場反演方面各有優(yōu)缺點，例如測高衛(wèi)星可以提供海洋區(qū)域高分辨率的重力場信息，但無法得到陸地的重力場信息；低低跟蹤重力衛(wèi)星可以以較高的精度反演中低階重力場信息，但分辨率和精度有待進(jìn)一步提高；衛(wèi)星梯度所探測的重力場模型的空間分辨率相對較高，但對時變重力場探測的效果不佳。

從應(yīng)用上來講，已有的衛(wèi)星重力技術(shù)為衛(wèi)星軌道的精密定軌、大中尺度地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究、大尺度地球環(huán)境變化的監(jiān)測等發(fā)揮了巨大作用。然而高精度、高空間分辨率和高時間分辨率依然是對地球重力場探測始終不變的要求。一旦擁有了高精度，就可對微弱的重力信號進(jìn)行探測，例如：潛艇所引起的重力變化，顯然當(dāng)前的衛(wèi)星重力技術(shù)還難以達(dá)到探潛的精度要求；擁有高空間分辨率，可以對局部的重力信號進(jìn)行探測，例如：重力衛(wèi)星當(dāng)前所提供的月時變重力場的空間分辨率僅能達(dá)到300 km，這對探測“南水北調(diào)”北京地區(qū)地下水分布的影響較為困難，因此有必要進(jìn)一步提高空間分辨率；對于時間分辨率，當(dāng)前的時變重力場模型主要按月發(fā)布，對于更短時間間隔(如：一周或一天)為周期的時變重力場模型的解算，由于受制于觀測數(shù)據(jù)的缺乏，當(dāng)前也難以得到滿足要求的有關(guān)產(chǎn)品。因此，為了更好地滿足有關(guān)應(yīng)用需求，當(dāng)前的衛(wèi)星重力技術(shù)需要繼續(xù)在精度、空間分辨率和時間分辨率上進(jìn)一步提升，這對衛(wèi)星載荷、觀測模式等提出了更高要求。

綜上所述，盡管地球重力場探測技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到較高水平，但依然有進(jìn)一步提升的空間。本文的目的即是對可用于地球重力場探測的衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)行總結(jié)與分析，并對已有的重力場探測衛(wèi)星技術(shù)的局限性進(jìn)行討論，然后據(jù)此對可用于重力場探測的新載荷、新技術(shù)進(jìn)行分析研究，并對未來的發(fā)展提出建議。

2 地球重力場模型統(tǒng)計與分析

地球重力場模型一般用一組球諧函數(shù)展開來表示[7]：

(1)

圖1 重力場模型發(fā)布個數(shù)統(tǒng)計Fig.1 Number statistics of published gravity field models

由圖1易知，按5年一個時間段進(jìn)行統(tǒng)計，從1966年以來，大約有3個發(fā)展高峰：20世紀(jì)70年代初期、90年代初期及本世紀(jì)初至今，而這正對應(yīng)著衛(wèi)星重力相應(yīng)技術(shù)的發(fā)展。第1個峰值對應(yīng)著衛(wèi)星重力的開始。引力場反演主要利用地面觀測站所得到的軌道跟蹤數(shù)據(jù)，但觀測弧段不會太長，且觀測站的數(shù)量有限，因此解算的引力場模型階數(shù)不高，但這標(biāo)志著人類可以利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)解算全球引力場模型。隨著該方法的成熟，美國研發(fā)了激光地球動力學(xué)衛(wèi)星(Lageos)，該星對低階重力場模型的研制發(fā)揮了巨大作用。第2個峰值對應(yīng)著衛(wèi)星測高技術(shù)的發(fā)展。常規(guī)的地面觀測難以覆蓋占地球面積約71%的海洋部分，而衛(wèi)星測高則彌補了這部分?jǐn)?shù)據(jù)的不足，這極大地補充了重力觀測數(shù)據(jù)[9]，1991年—1995年發(fā)布模型接近20個，特別是隨后1996年發(fā)布的EGM96模型在很長時間內(nèi)為階數(shù)最高、精度最高的引力場模型，該模型的解算結(jié)合了衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)。第3個峰值對應(yīng)著當(dāng)前正在經(jīng)歷的第3個衛(wèi)星重力時代，在這一時期，衛(wèi)星跟蹤技術(shù)和衛(wèi)星梯度技術(shù)被逐一實施，標(biāo)志就是重力衛(wèi)星CHAMP(CHAllengingMinisatellitePayload)、GRACE(GravityRecoveryandClimateExperiment)、GOCE(GravityFieldandSteady-stateOceanCirculationExplorer)3顆衛(wèi)星的發(fā)射[10]。這3顆衛(wèi)星均為極地低軌衛(wèi)星，能夠高精度地實施觀測，且能基本覆蓋全球，但三者又各有特點，彼此相互補充[11]。從以上分析可以看出，不僅專門的重力衛(wèi)星對地球重力場反演發(fā)揮了重要作用，衛(wèi)星星地跟蹤和衛(wèi)星測高技術(shù)同樣在地球重力場的探測方面發(fā)揮了不可忽略的作用。本文所討論的地球重力場探測衛(wèi)星技術(shù)不單指傳統(tǒng)的重力衛(wèi)星技術(shù)，而指所有用于地球重力場探測的衛(wèi)星技術(shù)。

從公開發(fā)布的重力場模型的最大階次來看，當(dāng)前重力場模型的最大階數(shù)已達(dá)到2190階，對應(yīng)的空間分辨率為9km。表1給出了GFZ發(fā)布的所有最大階數(shù)大于1000的重力場模型的基本信息。

表1 超高階重力場模型信息表

注：S為衛(wèi)星軌道跟蹤數(shù)據(jù)，G為地面重力數(shù)據(jù)，A為測高衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

根據(jù)表1，重力場模型的研制一般均需要綜合多種數(shù)據(jù)，例如：衛(wèi)星軌道跟蹤數(shù)據(jù)(含衛(wèi)衛(wèi)跟蹤和星地跟蹤)、地面重力數(shù)據(jù)和測高衛(wèi)星數(shù)據(jù)。除了重力衛(wèi)星能夠在全球區(qū)域較均勻獲得原始數(shù)據(jù)外，其余數(shù)據(jù)只能解決部分區(qū)域的數(shù)據(jù)獲取問題，例如：地面重力數(shù)據(jù)受制于觀測成本及條件限制，只能在部分區(qū)域擁有；測高衛(wèi)星數(shù)據(jù)主要提供海洋區(qū)域的重力信息。

從空間分辨率來看，衛(wèi)星軌道星地跟蹤數(shù)據(jù)及重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)所提供的重力場模型的空間分辨率未突破50 km，而地面重力數(shù)據(jù)的空間分布極不均勻，且主要分布在陸地，在全球區(qū)域遠(yuǎn)達(dá)不到10 km的分辨率。測高衛(wèi)星所提供的海洋區(qū)域的重力數(shù)據(jù)的空間分辨率可優(yōu)于10 km。從表1所示的超高階重力場模型的空間分辨率來看，衛(wèi)星軌道星地跟蹤數(shù)據(jù)及重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)難以滿足重力場模型高階引力位系數(shù)的反演要求。因此不難得出測高衛(wèi)星所得重力數(shù)據(jù)是超高階地球重力場模型研制必須的數(shù)據(jù)來源。

綜合來看，當(dāng)前公開發(fā)布的全球重力場模型所涉及的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，主要來源于激光地球動力學(xué)衛(wèi)星、重力衛(wèi)星、測高衛(wèi)星。下面將對上述衛(wèi)星的局限性進(jìn)行討論。

3 傳統(tǒng)的地球重力場探測衛(wèi)星的局限性

3.1 激光地球動力學(xué)衛(wèi)星

Lageos-1衛(wèi)星由NASA設(shè)計，于1976年5月發(fā)射，軌道高度5860 km，軌道傾角109.84°；Lageos-2衛(wèi)星由美國NASA和意大利航天局聯(lián)合研制，于1992年10月發(fā)射，軌道高度5620 km，傾角52.64°。Lageos-1衛(wèi)星目前已成功在軌運行40多年。Lageos衛(wèi)星表面布滿了激光反射鏡(見圖2)，主要通過地面站朝衛(wèi)星發(fā)射脈沖激光精確測量星地之間的距離來研究地球的動力學(xué)問題。它所提供的星地激光測距數(shù)據(jù)不僅可以精確地確定該星的軌道，也可用于反演地球重力場，特別是對低階重力場模型的反演幫助較大。由于低階重力場模型的精度已經(jīng)很高，因此暫沒有利用此種模式來進(jìn)行地球重力場探測的新的衛(wèi)星計劃，但是該星在其他領(lǐng)域的應(yīng)用值得進(jìn)一步挖掘。

圖2 Lageos衛(wèi)星示意圖Fig.2 Sketch of Lageos

3.2 重力衛(wèi)星

重力衛(wèi)星CHAMP、GRACE、GOCE的探測原

理見圖3[6]，關(guān)鍵載荷如表2所示。

以上重力衛(wèi)星的基本原理主要包括高低跟蹤、低低跟蹤及重力梯度測量技術(shù)。其中高低跟蹤指用GPS衛(wèi)星測距信號來測量低軌衛(wèi)星的位置，從而反演計算地球重力場模型。這種方法簡單易行，但只能反演大中尺度的地球重力場模型。

基于低低跟蹤模式的重力衛(wèi)星(GRACE)通過高精度測量由地球質(zhì)量分布不均所導(dǎo)致的低軌衛(wèi)星星間距的變化來反演地球重力場模型。相對于以往的觀測數(shù)據(jù)，該星顯著地提高了地球重力場模型的精度，特別是還能夠敏感一定尺度(大于300 km)的時變重力場變化，以上數(shù)據(jù)極大地促進(jìn)了大地測量學(xué)、固體地球物理學(xué)、冰川學(xué)、海洋學(xué)、水文學(xué)、地震學(xué)等領(lǐng)域的研究。但由于GRACE衛(wèi)星測量的是南北方向的星間距離變化，而對東西方向質(zhì)量分布不同所引起的重力場變化的敏感性則稍差，因此所解算的時變重力場存在條帶誤差，如圖4所示[12]。

圖3 重力衛(wèi)星原理示意圖Fig.3 Sketch of gravity satellites

衛(wèi)星技術(shù)原理載荷階次最高的模型最大階次空間分辨率/kmCHAMP高低跟蹤 星載GPS、加速度計、星敏感器EIGEN-CHAMP05S150133GRACE低低跟蹤 星載GPS、微波測距儀、星敏感器、加速度計ITSG-Grace2014s200100GOCE高低跟蹤、重力梯度 星載GPS、重力梯度儀、星敏感器GO_CONS_GCF_2_TIM_R5、GO_CONS_GCF_2_SPW_R428071

重力梯度技術(shù)主要通過測量重力梯度來反演地球重力場，其優(yōu)勢是所敏感的重力信號的空間分辨率高于高低跟蹤和低低跟蹤，但其缺陷是重力梯度測量僅在有效的測量帶寬內(nèi)能夠達(dá)到較高的精度，例如：GOCE衛(wèi)星重力梯度的有效帶寬為0.005～0.1 Hz，所能反演的重力場模型的階數(shù)分布大約為27～270[6]。

綜上所述，低低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤及重力梯度技術(shù)仍然有待進(jìn)一步發(fā)展。對于前者，不僅需要提高星間測距精度，也需要顧及東西方向星間距的測量；對于后者，同樣需要提高關(guān)鍵載荷——梯度儀的精度，從而也能夠進(jìn)行時變重力場的探測。

圖4 由前60階Tongji-GRACE01時變重力場模型計算得到的2004年6月全球質(zhì)量變化Fig.4 Global mass variation in April 2004 calculated by 60 degree order of Tongji-GRACE01 time-varying gravity field model[12]

3.3 測高衛(wèi)星

測高衛(wèi)星主要通過測量衛(wèi)星到海面的距離從而反推出海面高程，再通過一系列的數(shù)據(jù)處理反演計算出海洋區(qū)域的重力場信息，如大地水準(zhǔn)面、重力異常、垂線偏差。傳統(tǒng)測高衛(wèi)星原始的測高采樣間隔大約為7 km，相對其他衛(wèi)星重力探測方式，測高衛(wèi)星在海洋區(qū)域有更高的空間分辨率，因此極大地促進(jìn)了地球重力場模型的研制，例如：當(dāng)前所有超高階重力場模型的研制均需要使用測高衛(wèi)星所提供的海洋重力場數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)高度計技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)極為成熟，但為了得到高精度的重力場信息，首先需要對高度計觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)校正工作，例如:電離層校正、干濕對流層校正、潮汐校正、逆壓校正等。針對這些校正，學(xué)界研究了相應(yīng)的校正模型，也發(fā)展了輔助載荷來提供校正數(shù)據(jù)，上述有關(guān)工作已滿足利用傳統(tǒng)高度計數(shù)據(jù)高精度計算海洋重力場的要求。除了環(huán)境誤差校正外，還需要高精度的定軌數(shù)據(jù)，特別是徑向定軌數(shù)據(jù)。我國由于成功研制了海洋-2A(HY-2A)衛(wèi)星，多家單位獨自解算得到的HY-2A軌道的徑向精度已經(jīng)達(dá)到1～2 cm[13]，這完全滿足高精度海洋重力場的計算要求。從產(chǎn)品上來講，海洋重力場探測的產(chǎn)品主要為：大地水準(zhǔn)面高、重力異常和垂線偏差。其中：重力異常需要通過大地水準(zhǔn)面高或垂線偏差積分計算得到。而對于先算大地水準(zhǔn)面高還是先算垂線偏差，當(dāng)前一般會選擇后者，原因是在計算垂線偏差時，需要將海面高進(jìn)行一次差分，可有效減弱動力海面地形、測高衛(wèi)星徑向軌道誤差等長波誤差的影響，從而提高了計算精度，這也正是所謂的垂線偏差法得到廣泛應(yīng)用的原因[14]。一旦得到高精度的垂線偏差數(shù)據(jù)，即可積分得到高精度的大地水準(zhǔn)面高和重力異常。因此，在利用衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)計算海洋重力場的過程中，垂線偏差的高精度計算至關(guān)重要。

在計算垂線偏差時，需要對高程觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行差分，為了消除系統(tǒng)誤差，對數(shù)據(jù)作沿軌的差分更有利；非沿軌不同軌之間時變誤差難以消除，同時若采用14天的重復(fù)軌道，不同軌之間的距離差別也很大，這也不利于高精度的差分計算。為了覆蓋全球，測高衛(wèi)星的軌道一般選用極地軌道，例如：HY-2A的傾角為99.34°，其星下點軌跡如圖5，因此沿軌方向接近于南北方向。根據(jù)以上分析不難得出，基于傳統(tǒng)測高衛(wèi)星數(shù)據(jù)來計算垂線偏差時，南北方向精度將高于東西方向。為了研究這個問題筆者利用變軌前的HY-2A數(shù)據(jù)計算得到了有關(guān)的垂線偏差信息，如圖6所示。

圖5 HY-2A某天的星下點軌跡Fig.5 Ground track of HY-2A for one day

由圖6可知：若以EGM08模型所計算得到的垂線偏差為真值，HY-2A所提供的南北向分量的垂線偏差已經(jīng)展示了該信息的主要特征，而東西方向分量精度則顯得稍差，這不僅受制于觀測數(shù)據(jù)的數(shù)量，也與軌道傾角有關(guān)。 需要說明的是：圖6并不能代表HY-2A測高重力產(chǎn)品的真實水平，實際的精度比圖6所示的精度要高，原因是圖6采用的是變軌前的數(shù)據(jù)，變軌后重復(fù)軌道的周期變?yōu)?68天，能極大地提高空間分辨率。然而變軌后的傾角改變不大，因此沿軌的差分依然主要敏感南北方向的垂線偏差，而東西方向的垂線偏差精度由于受時變因素的影響，精度則稍差。事實上，這種現(xiàn)象并不是HY-2A獨有的特點，而是采用傳統(tǒng)單星測高技術(shù)的必然結(jié)果。表3利用GFZ公開發(fā)布的所有階數(shù)大于1000階的重力場模型，計算了各個模型的垂線偏差及重力異常精度。

圖6 由HY-2A數(shù)據(jù)和EGM08模型計算得到的垂線偏差Fig.6 Vertical deflection of HY-2A and EGM08

模型南北向垂線偏差精度/(″)東西向垂線偏差精度/(″)重力異常精度/mgal最大空間分辨率/kmEGM080.191.909.039EIGEN6C0.451.165.8614EIGEN6C20.371.135.6310EIGEN6C30.260.874.2910EIGEN6C40.170.552.739GECO0.181.768.419均值0.271.235.9910

由于以上模型的研制均使用了衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)，因此以上模型的精度也必然受到了測高衛(wèi)星精度的限制。由表3可以看出，當(dāng)前所有的超高階重力場模型所提供的東西方向的垂線偏差精度要明顯低于南北向垂線偏差的精度，平均小3倍以上。而根據(jù)垂線偏差精度和重力異常精度的匹配關(guān)系，若垂線偏差精度能提高3倍以上，則重力異常的精度也能提高3倍以上。若采用傳統(tǒng)的測高技術(shù)，發(fā)射多星不同傾角的測高衛(wèi)星是提高東西向垂線偏差精度的一種重要途徑，但選擇較低傾角的衛(wèi)星又將會影響衛(wèi)星在全球的覆蓋區(qū)域。

綜上所述，利用傳統(tǒng)測高衛(wèi)星所計算的重力場的精度需要在如下兩個方面進(jìn)行改進(jìn)：①需要提高東西向垂線偏差的精度；②需要提高測高數(shù)據(jù)的空間分辨率。

4 地球重力場探測新載荷技術(shù)

4.1 激光測距

激光測距能夠使得星間測距的精度達(dá)到100 nm、星間距變率精度達(dá)到10 nm/s，相對當(dāng)前微波測距的精度提高了兩個量級。由于微波測距數(shù)據(jù)是重力衛(wèi)星的主要觀測數(shù)據(jù)，其觀測誤差也是重力場反演誤差的主要來源之一，因此通過提高測距精度，重力場反演的精度有望大幅度提高。根據(jù)冉將軍等(2012)[15]的研究成果，若將微波測距換為激光測距，保持GRACE現(xiàn)有的軌道參數(shù)及其他載荷精度，地球靜態(tài)重力場的精度有望提升約1個量級。Elsaka(2010)[16]在討論激光測距對重力場恢復(fù)精度的影響時，得出了與冉將軍等(2012)一致的結(jié)論。因此激光測距已經(jīng)選為下一代重力衛(wèi)星的關(guān)鍵技術(shù)，并將于2017年12月或2018年1月所發(fā)射的GRACE衛(wèi)星后續(xù)星(GRACE Follow on)上進(jìn)行搭載試驗，有關(guān)原理見圖7。盡管激光相對微波在測距精度有優(yōu)勢，但也有一些新的問題需要解決，例如大氣延遲、捕獲對準(zhǔn)等。

圖7 GRACE Follow on衛(wèi)星激光測距示意圖Fig.7 Principle of laser range finder of GRACE Follow on

值得說明的是，對于地球時變重力場模型精度的提升，單獨提高測距精度是不夠的，原因是解算靜態(tài)重力場可以采用較長時間的數(shù)據(jù)，許多的時變誤差可以被平滑削弱，因此激光測距精度的提升對靜態(tài)重力場精度的提升效果將會較為明顯。而對于時變重力場解算，其數(shù)據(jù)解算的時間段將會很短，例如一個月甚至更短，為了更好地提取地球內(nèi)部物質(zhì)分布隨時間的變化，需要扣除海潮、大氣潮等時變因素的影響，然而這些模型的誤差會削弱激光測距的作用，同時當(dāng)前的低低跟蹤重力衛(wèi)星為極軌衛(wèi)星，主要測量南北向的星間距離變化，存在如圖4所示的混迭誤差，因此為了更好的反演時變重力場的精度，需要發(fā)射不同傾角的低低跟蹤重力衛(wèi)星。

4.2 新型重力梯度儀

GOCE衛(wèi)星的主載荷之一為重力梯度儀，其為靜電懸浮重力梯度儀，設(shè)計精度為1～2 mE，而今超導(dǎo)重力梯度儀的精度有望達(dá)到0.01 mE，相對GOCE衛(wèi)星的梯度測量精度提升了2個量級。由于梯度值與地球引力位系數(shù)為一線性關(guān)系，因此引力場模型的精度有望提升2個量級。除了超導(dǎo)重力梯度儀外，還有原子干涉絕對重力梯度儀、激光干涉絕對重力梯度儀等，其中基于原子干涉技術(shù)的重力梯度儀對重力場具有極高的靈敏性，精度有望比目前精度最高的重力梯度儀提高4個數(shù)量級[17]。

從應(yīng)用上來講，若以上所述的新型重力梯度儀走向成熟，通過重力梯度測量不僅可以反演高空間分辨率的高精度靜態(tài)重力場模型，也可用于地球時變重力場的探測，這將極大拓展引力梯度衛(wèi)星的應(yīng)用領(lǐng)域，例如：地下水儲量變化的高分辨率探測、地震同震變化檢測等。然而為了在星上實現(xiàn)超高精度的重力梯度測量，除了儀器本身外，衛(wèi)星平臺的精度也必須滿足超高精度測量的要求。

4.3 SAR或干涉SAR高度計

SAR高度計已被ESA所發(fā)射的Cryosat-2衛(wèi)星搭載。該星突出優(yōu)勢是提高了衛(wèi)星星下點沿軌高程的采樣率。具體來說，傳統(tǒng)的雷達(dá)高度計沿軌高程采樣的空間分辨率大約為7 km，而采用SAR高度計后，衛(wèi)星沿軌觀測空間分辨率可提高到300 m左右[18]，同時高度計測高精度在空間分辨率2 km時可以達(dá)到2～3 cm，最終使得重力場的精度提升了2倍。該高度計暫未在其他測高衛(wèi)星上搭載。該高度計的優(yōu)勢是顯著提高了衛(wèi)星沿軌的高程采樣率，從而會提高沿軌方向垂線偏差的測量精度；而對于非沿軌方向，高精度的差分仍然比較困難。一種方案是通過發(fā)射多種傾角的測高衛(wèi)星予以解決，另一種方案是采用干涉SAR高度計[19]。

干涉SAR高度計通過小入射角的星下點干涉測量來實現(xiàn)高精度的海面高程快速測量。其突出優(yōu)勢是具有極高的空間分辨率和時間分辨率，粗略估計，其效率相當(dāng)于單顆傳統(tǒng)高度計測高衛(wèi)星的50倍，該技術(shù)的成熟將會對海洋測高衛(wèi)星及海洋重力場的計算帶來深遠(yuǎn)影響，因為其不僅可以滿足對海洋時變環(huán)境的探測需求，由于是二維測量，也會非常利于多方向等精度計算海洋區(qū)域的垂線偏差及重力場，克服了傳統(tǒng)測高僅能提供高精度沿軌方向垂線偏差的難題。然而，該種星載高度計觀測數(shù)據(jù)處理及校正有待完善，有關(guān)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品更未公開發(fā)布，特別是各類環(huán)境誤差(如海況偏差等)對干涉測高精度的影響及扣除問題是需要重點解決的問題。

5 結(jié)束語

本文通過統(tǒng)計分析公開發(fā)布的全球重力場模型的發(fā)布時間、所采用的數(shù)據(jù)類型等，分析出了重力場研制的三個熱點時期，并指出當(dāng)前正處于重力衛(wèi)星蓬勃發(fā)展期。同時從數(shù)據(jù)來源上也分析了重力場模型計算所涉及的衛(wèi)星類型，并進(jìn)一步分析了各自的優(yōu)缺點，特別是利用HY-2A衛(wèi)星早期的數(shù)據(jù)計算了全球的垂線偏差數(shù)據(jù)，證明了傳統(tǒng)極軌測高衛(wèi)星所提供的垂線偏差精度東西向低于南北向。針對各類衛(wèi)星技術(shù)對重力場探測的優(yōu)缺點，有針對性地分析了未來有助于地球重力場探測的一些新載荷、新技術(shù)，并初步評估了其可能帶來的效果。針對以上內(nèi)容，現(xiàn)對發(fā)展我國的地球重力場探測衛(wèi)星技術(shù)提出如下建議。

(1)對于載荷，宜重點發(fā)展基于激光測距、新型重力梯度儀及新型高度計(SAR或干涉SAR高度計)的地球重力場探測技術(shù)，并加強與高精度載荷技術(shù)相匹配的地面處理算法研究，特別是各類環(huán)境誤差修正算法。

(2)對于衛(wèi)星數(shù)量，需要設(shè)計多顆不同軌道傾角的地球重力場探測衛(wèi)星，因為根據(jù)前面的研究發(fā)現(xiàn)，無論是低低跟蹤重力衛(wèi)星還是傳統(tǒng)的測高衛(wèi)星，極地軌道雖然能保證覆蓋全球和南北方向的測量精度，但無法保證東西方向的測量精度，這在很大程度上降低了衛(wèi)星產(chǎn)品的整體精度和使用效能。通過多星不同軌道傾角的優(yōu)化布局，有望解決上述問題。除了能提高精度外，重力場探測時間分辨率的提升也可以靠多星協(xié)同優(yōu)化來解決。

(3)綜合發(fā)展多種類型的地球重力場探測技術(shù)。單靠重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)，無法反演超高階重力場模型，因此也必須發(fā)展相應(yīng)的海洋測高衛(wèi)星來提供高分辨率的海洋重力信息。

致謝

感謝國家海洋局衛(wèi)星應(yīng)用中心提供HY-2A衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

References)

[1] 許厚澤.衛(wèi)星重力研究:21世紀(jì)大地測量研究的新熱點[J].測繪科學(xué),2001,26(3):1-3

Xu Houze. Satellite gravity missions new hotpoint in geodesy[J]. Science of Surveying and Mapping, 2001, 26(3):1-3 (in Chinese)

[2]R H Merson, D G King-Hele.Use of artificial satellites to explore the Earth's gravitational field: results from SPUTNIK 2 (1957β)[J]. Nature, 1958, 182: 640-641

[3]Woff M. Direct measurements of the earth’s gravitational potential using a satellite Pair[J]. Journal of Geophysical Research, 1969, 74(22): 5295-5300

[4]李建成，金濤勇. 衛(wèi)星測高技術(shù)及應(yīng)用若干進(jìn)展[J]. 測繪地理信息, 2013. 38(4): 1-8

Li Jianchen, Jin Taoyong. On the main progress of satellite altimetry and its applications[J]. Journal of Geomatics, 2013, 38(4): 1-8 (in Chinese)

[5]寧津生，羅志才. 衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星技術(shù)的進(jìn)展及應(yīng)用前景[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展，2000，25(4)：1-4

Ning Jinsheng, Luo Zhicai. The progress and application prospects of satellite to satellite tracking technology[J]. Advances in Earth Science, 2000, 25(4):1-4 (in Chinese)

[6]萬曉云. 基于GOCE梯度數(shù)據(jù)的引力場反演及應(yīng)用[D]. 北京:中國科學(xué)院大學(xué), 2013

Wan Xiaoyun. Gravity field recovery using GOCE gradients data and its application[D]. Beijing: University of Chinese Academy of Sciences, 2013 (in Chinese)

[7]海斯卡涅, 莫里茲. 物理大地測量學(xué)[M]. 盧?？担鷩? 譯. 北京: 測繪出版社, 1979

W Heiskanen, H Moritz. Physical geodesy[M]. Lu Fukang, Hu Guoli, translated. Beijing: Surveying and Mapping Press, 1979 (in Chinese)

[8]F Barthelmes, W K?hler. International Centre for Global Earth Models (ICGEM), the geodesists handbook 2016[J]. Journal of Geodesy, 2016, 90(10): 205-907

[9]黃謨濤，翟國君，管錚，等. 利用衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)反演海洋重力異常研究[J]. 測繪學(xué)報, 2001. 30(2): 179-184

Huang Motao，Zhai Guojun, Guan Zheng, et al. On the recovery of gravity anomalies from altimeter data[J]. Acta geodaetica et Cartographica Sinica, 2001, 30(2): 179-184 (in Chinese)

[10] 陳俊勇. 重力衛(wèi)星五年運行對求定地球重力場模型的進(jìn)展和展望[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2006, 21(7): 661-666

Chen Junyong. Review and prospect for the earth gravity field determination with gravity satellites in the past five years[J]. Advance in Earth Science, 2006, 21(7): 661-666 (in Chinese)

[11]孫文科. 低軌道人造衛(wèi)星(CHAMP、GRACE、GOCE)與高精度地球重力場[J]. 大地測量與地球動力學(xué), 2002, 22(1): 92-100

Sun Wenke. Satellite in low orbit (CHAMP, GRACE, GOCE) and high precision earth gravity field: the latest progress of satellite gravity geodesy and its great influence on geoscience[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2002, 22(1): 92-100 (in Chinese).

[12]陳秋杰. 基于改進(jìn)短弧積分法的GRACE重力反演理論、方法及應(yīng)用[D]. 上海：同濟大學(xué), 2016

Chen Qiujie. Theory and Methodology as well as Application of GRACE gravity recovery using modified short arc approach[D]. Shanghai: Tongji University, 2016 (in Chinese)

[13]郭靖, 趙奇樂, 李敏, 等.利用星載GPS觀測數(shù)據(jù)確定海洋2A衛(wèi)星cm級精密軌道[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版), 2013, 38(1): 52-55

Guo Jing, Zhao Qile, Li Min, et al. Centimeter level orbit determination for HY2A using GPS data[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2013, 38(1): 52-55 (in Chinese)

[14]彭富清, 夏哲仁. 衛(wèi)星測高中的垂線偏差法. 海洋測繪, 2004, 24(2): 5-9

Peng Fuqing, Xia Zheren. Vertical deflection theorem of satellite altimetry[J]. Hydrographic Surveying and Charting, 2004, 24(2): 5-9 (in Chinese)

[15]冉將軍, 許厚澤，沈云中, 等.新一代GRACE重力衛(wèi)星反演地球重力場的預(yù)期精度[J]. 地球物理學(xué)報, 2012, 55(9): 2898-2908

Ran Jiangjun, Xu Houze, Shen Yunzhong, et al. Expected accuracy of the global gravity field for next GRACE satellite gravity mission[J]. Chinese J. Geophysics, 2012, 55(9): 2898-2908 (in Chinese)

[16]Elsaka B. Simulated satellite formation flights for detecting the temporal variations of the earth’s gravity field[D]. Bonn: Bonn University, 2010

[17]王曉海. 星載重力梯度儀的研究發(fā)展[J]，數(shù)字通信世界, 2015(10)：25-31

Wang Xiaohai. Research and development of space borne gravity gradiometer[J]. Digital Communication World, 2015(10): 25-31 (in Chinese)

[18]Bao Lifeng, Hsu Houtse, Li Zhicai. Towards a 1mGal accuracy and 1min resolution altimetry gravity field[J]. Journal of Geodesy, 2013. 87: 961-969.

[19]李洋，張潤寧，萬曉云, 等. 衛(wèi)星海洋測高技術(shù)體制發(fā)展研究[J]. 航天器工程， 2015，24(5)：99-104

Li Yang, Zhang Running, Wan Xiaoyun, et al. Research on development of satellite altimetry technology systems[J]. Spacecraft Engineering,2015, 24(5): 99-104 (in Chinese)

(編輯：張小琳)

Analysis of Earth Gravity Field Detection Based on Satellite Data

WAN Xiaoyun1ZHANG Running2SUI Xiaohong1，3CHEN Liang1

(1 Qian Xuesen Laboratory of Space Technology, Beijing 100094, China) (2 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China) (3 DFH Satellite Co., Ltd., Beijing 100094, China)

Based on the statistical analysis of the published global gravity field models, the development trend of gravity field models is summarized. In order to study the future development of the gravity field detection technology, the characteristics and limitations of Lageos, gravity satellites and altimeter satellites for earth gravity field detection are analyzed according to the inversion results of the gravity field models derived from real satellite observation data. Finally, some new payloads for the earth’s gravity field detection, such as laser rangefinder, atom interferometer gravimeter, interferometric SAR altimeter, are introduced and their possible application effect are discussed. The research above can provide a reference for the future development of earth gravity detection technology.

earth gravity field model; satellite data; new payload; inversion accuracy

2017-02-08；

2017-03-22

國家自然科學(xué)基金(41404019,41674026)，中國科學(xué)院太空應(yīng)用重點實驗室開放基金(CSU-WX-A-KJ-2016-044)

萬曉云，男，高級工程師，從事測繪衛(wèi)星設(shè)計及應(yīng)用基礎(chǔ)研究。Email：wxy191954@126.com。

P223

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.02.017