衛(wèi)星重力測量應(yīng)用及其標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)研究

田曉龍 張夏青 萬永世 郭磊

摘 要：航天重力測量技術(shù)及衛(wèi)星研制是當(dāng)前國際大地測量領(lǐng)域的研究熱點，我國的衛(wèi)星重力測量事業(yè)處于起步階段。本文對國內(nèi)外重力測量衛(wèi)星的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，針對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺乏的現(xiàn)狀和快速增長需求，提出了衛(wèi)星重力測繪標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的思路，建立了標(biāo)準(zhǔn)體系框架，全面分析了衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)從獲取、檢驗、成果保存到應(yīng)用服務(wù)和管理一系列的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)方案，為日后重力測量衛(wèi)星相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定提供參考。

關(guān)鍵詞：重力測量衛(wèi)星，重力標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)體系，標(biāo)準(zhǔn)框架

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.10.014

基金項目：本文受天津華北地質(zhì)勘查局B類科研項目“多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)融合的華北平原沉降時空變化特性及其風(fēng)險評估研究”（項目編號：HK2022-B39）資助。

Research on the Application and Standards Construction of Gravity Measurement Satellite

TIAN Xiaolong1 ZHANG Xiaqing1 WAN Yongshi1 GUO Lei2

（1.Tianjin Huakan Geophysical Exploration Center； 2. Surveying and Mapping Standardization Research Institute of Ministry of Natural Resource）

Abstract： The space gravity measurement technology and satellite development are currently a hot topic in the fi eld of geodetic measurement. The satellite gravity measurement in China is in its infancy. This paper summarizes the research status of gravity surveying satellites at home and abroad. In view of the lack of relevant standards and the rapid growth of demand， it puts forward the idea of the construction of satellite gravity surveying and mapping standards， establishes the framework of the standards system， and comprehensively analyzes a series of schemes on standards for satellite gravity data from acquisition， inspection， achievement preservation， application service to management. This will provide reference for the formulation of relevant standards for gravimetric satellites in the future.

Keywords： gravimetric satellite， gravity standards， standards system， standards framework

衛(wèi)星重力測量是近年發(fā)展起來的現(xiàn)代化調(diào)查方法，通過測量地球重力場的靜態(tài)分布及其時變，可以反演獲得地球總體形狀隨時間的變化、全球海洋質(zhì)量和地下蓄水的分布和變化、極地冰川的變化以及信息的特性，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)地質(zhì)研究、資源調(diào)查、國防建設(shè)、減災(zāi)防災(zāi)等領(lǐng)域。與地面重力和其它地球物理測量方法相比，衛(wèi)星重力測量簡便、快速、經(jīng)濟(jì)和綠色；不受地形起伏的影響，不受測區(qū)條件的限制，尤其是在海陸交互區(qū)、無人區(qū)、生態(tài)保護(hù)區(qū)等區(qū)域能夠發(fā)揮難以替代的作用；同時還可以進(jìn)行三維空間測量，不受假頻的影響，具有非常廣闊的應(yīng)用前景[1]。目前，國際眾多科研機(jī)構(gòu)都在對其進(jìn)行研究和制定遠(yuǎn)景規(guī)劃，尋求更高精度的重力測量衛(wèi)星，以求獲取更高精度的全頻段靜態(tài)和時變地球重力場數(shù)據(jù)[2]。制定重力測量衛(wèi)星和技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對促進(jìn)衛(wèi)星重力測量在各行業(yè)的推廣和應(yīng)用有著非常重大的意義。為更好地把握這一機(jī)遇，文章對國內(nèi)外重力測量衛(wèi)星的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，結(jié)合自然資源測繪各部門工作實際、市場需求和測繪標(biāo)準(zhǔn)化任務(wù)，深度思考與分析了重力測量衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，提出了標(biāo)準(zhǔn)體系框架，分析了相關(guān)行業(yè)內(nèi)還需要制作的重力測量衛(wèi)星相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為日后重力測量衛(wèi)星相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制訂提供參考。

1 國內(nèi)外重力測量衛(wèi)星研究應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國外重力測量衛(wèi)星計劃

在21世紀(jì)初，國外開展了高精度重力測量研究，經(jīng)過20多年的快速發(fā)展，以地球物理測量為基礎(chǔ)，形成了成熟的航空重力探測系統(tǒng)集成技術(shù)和通用衛(wèi)星重力測量方法及數(shù)據(jù)處理技術(shù)。通過調(diào)研，對當(dāng)前國外已經(jīng)成功發(fā)射和正在研制的下一代重力測量衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

CHAMP由德國自主研發(fā)，搭載有軌道和重力處理系統(tǒng)、電磁場處理系統(tǒng)及大氣/電離層剖面系統(tǒng)等，主要用于測量地球重力場和磁場模型及其隨時間的變化。

GRACE和GRACE-FO均由美國自主研發(fā)，兩者衛(wèi)星平臺、作業(yè)原理和方法相同，GRACE可高精度探測地球重力場的中長波信號及時變，GRACE-FO用于高精度探測地球中短波靜態(tài)和中長波時變重力場，重力場模型精度均較高。

SWARM由歐洲空間局研發(fā)，其非專業(yè)重力衛(wèi)星，但搭載有矢量場磁強(qiáng)計，絕對標(biāo)量磁強(qiáng)計，激光測距儀和GNSS接收機(jī)等重力探測關(guān)鍵有效載荷，可用于超高精度測量地球磁場和重力場。GOCE有歐洲航天局研發(fā)，搭載可對地球重力場變化進(jìn)行三維測量的高靈敏度重力梯度儀，采用非保守力補(bǔ)償技術(shù)，提高了地球重力場恢復(fù)的精度和空間解析度[3]。

E.MOTION是歐洲和加拿大共同研究的下一代衛(wèi)星重力測量計劃，預(yù)計采用鐘擺式軌道，搭載有激光干涉測距儀、非保守力補(bǔ)償系統(tǒng)和新一代GNSS接收機(jī)等設(shè)備，分別用于測量星間距離和星間速度、精密測量和補(bǔ)償作用于衛(wèi)星的非保守力和精密測量衛(wèi)星的軌道位置和軌道速度，預(yù)計將獲得精度更高、信息更加全面的地球重力數(shù)據(jù)。NGGM是由歐空盟和NASA聯(lián)合提出的兩隊四星衛(wèi)星重力任務(wù)，其主要目標(biāo)是提供長時間跨度的時變地球重力場模型，并抑制GRACE時變重力場模型中所具有的高頻混頻現(xiàn)象，獲得更高精度的地球重力場數(shù)據(jù)[4]。

1.2 國內(nèi)重力測量衛(wèi)星工程

（1）天琴一號

“天琴一號”技術(shù)試驗衛(wèi)星由我國中山大學(xué)主導(dǎo)研制，于2019年12月發(fā)射。截至目前，獲取的全球重力場數(shù)據(jù)包括全球15階地球重力場模型、全球重力異常分布網(wǎng)格圖、全球大地水準(zhǔn)面高分布網(wǎng)格圖。這是我國首次使用國產(chǎn)自主衛(wèi)星測得全球重力場數(shù)據(jù)，我國借此成為了繼美國和德國之后第三個有能力自主探測全球重力場的國家。但“天琴一號”衛(wèi)星是技術(shù)試驗衛(wèi)星，其主要目的是進(jìn)行空間引力波探測關(guān)鍵技術(shù)驗證，重力測量是其附帶功能之一，重力場測量精度不高；其意義在于走通了利用低軌衛(wèi)星反演全球重力場的數(shù)據(jù)處理全流程技術(shù)，為我國后續(xù)的重力衛(wèi)星計劃奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)[5]。

（2）Post-GRACE衛(wèi)星重力測量工程

Post-GRACE是我國目前正在進(jìn)行研制的衛(wèi)星重力測量工程計劃，擬自主構(gòu)建自主重力雙星測量系統(tǒng)，進(jìn)行高精度和高空間分辨率的衛(wèi)星重力測量，旨在最大程度地提高重力衛(wèi)星的觀測精度和時空分辨率，解決當(dāng)前GRACE全球重力場模型與我國現(xiàn)有地球重力場觀測結(jié)果的差異問題。在滿足全球重力場科學(xué)應(yīng)用研究、航空航天和國防建設(shè)需求的同時，積累了我國未來月球衛(wèi)星重力測量計劃的高精度、高空間分辨率，以及成功實施太陽系火星、金星、水星等行星衛(wèi)星重力測量和探測計劃的經(jīng)驗[6]。

2 重力測量標(biāo)準(zhǔn)情況

國際上尚未見全行業(yè)統(tǒng)一制定的衛(wèi)星重力測量技術(shù)規(guī)范、規(guī)程等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)目前也沒發(fā)布相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。在航空重力測量與應(yīng)用方面，國外不同機(jī)構(gòu)根據(jù)自身特點制定了各自的內(nèi)部技術(shù)要求，質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)處理在業(yè)內(nèi)有比較統(tǒng)一的方法和標(biāo)準(zhǔn)，但沒有形成統(tǒng)一的測量技術(shù)要求或測量技術(shù)規(guī)范。表1例舉我國部分重力測量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，可以對衛(wèi)星重力測量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供一定的參考和依據(jù)。

目前，國內(nèi)有關(guān)重力測量的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均不是專門的衛(wèi)星重力測量標(biāo)準(zhǔn)，在GB/T 17944-2000《加密重力測量規(guī)范》中，主要對采用相對重力儀進(jìn)行地面聯(lián)測的重力測量方法進(jìn)行了規(guī)定；GB/T 20256-2019《國家重力控制測量規(guī)范》適用于建設(shè)國家重力控制網(wǎng)，明確了施測基準(zhǔn)點、基本點、一等點及相應(yīng)的引點的建立方法和注意事項；5個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中4個地質(zhì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，1個石油天然氣標(biāo)準(zhǔn)，均缺乏對衛(wèi)星重力測量手段的規(guī)定。目前重力測量數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于地球物理學(xué)、海洋學(xué)、空間技術(shù)、國防建設(shè)、減災(zāi)防災(zāi)、氣候變化、地球形變等領(lǐng)域，已有標(biāo)準(zhǔn)均是針對在陸地、海洋進(jìn)行重力測量所遵守的方法和規(guī)程，不適用于衛(wèi)星重力測量，可提前對相關(guān)部分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研制，用于指導(dǎo)和規(guī)范我國衛(wèi)星重力測量相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展。

3 衛(wèi)星重力測量標(biāo)準(zhǔn)體系框架建設(shè)建議

3.1 衛(wèi)星重力測量標(biāo)準(zhǔn)框架構(gòu)建

我國還暫時缺乏衛(wèi)星重力方面的標(biāo)準(zhǔn)，地球重力場數(shù)據(jù)對國計民生具有重大戰(zhàn)略意義，我國正在積極探索和開展相關(guān)工作，對相關(guān)衛(wèi)星的研究取得了一定進(jìn)展，非常有必要對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研制，形成一定的標(biāo)準(zhǔn)體系框架，提前做好頂層規(guī)劃。在廣泛調(diào)研各測繪機(jī)構(gòu)需求、意見和建議的基礎(chǔ)上，根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)體系的劃分原則與方法，結(jié)合我國目前衛(wèi)星重力的研究進(jìn)展，以測繪標(biāo)準(zhǔn)體系框架設(shè)計思想為指導(dǎo)[7]，對重力測量衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行了框架搭建。

按照測繪標(biāo)準(zhǔn)體系框架設(shè)計思想和標(biāo)準(zhǔn)體系的劃分原則[8]，將衛(wèi)星重力測量標(biāo)準(zhǔn)體系分為六大類，分別是定義與描述類、獲取與處理類、檢驗與測試類、成果類、應(yīng)用服務(wù)類和管理類，通過各類標(biāo)準(zhǔn)制定，實現(xiàn)衛(wèi)星重力測量生產(chǎn)、管理、質(zhì)檢技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，充分保障成果質(zhì)量和滿足實際應(yīng)用需求。各部分包含的范圍及內(nèi)容如下：

（1）定義與描述類：為達(dá)到對衛(wèi)星重力測量一致的認(rèn)識和理解，以其相關(guān)的定義、描述為對象制定標(biāo)準(zhǔn)，用以建立航空重力測量統(tǒng)一的時空基準(zhǔn)與對相關(guān)概念進(jìn)行規(guī)范，主要解決術(shù)語規(guī)范一致和時空基準(zhǔn)統(tǒng)一問題。

（2）獲取與處理類：我國目前有陸地和海洋重力測量等多項重力測繪標(biāo)準(zhǔn)，各標(biāo)準(zhǔn)之間存在有一定的關(guān)聯(lián)和差異，需要對衛(wèi)星重力測量成果數(shù)據(jù)的格式和精度指標(biāo)等進(jìn)行規(guī)定，對數(shù)據(jù)獲取、處理和加工等過程、方法和技術(shù)參數(shù)進(jìn)行確定，保證與現(xiàn)有重力成果數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

（3）檢驗與測試類：為驗證衛(wèi)星重力測量數(shù)據(jù)生產(chǎn)應(yīng)用過程中不同成果和應(yīng)用服務(wù)是否滿足需求，以衛(wèi)星重力測量各階段不同成果數(shù)據(jù)和各種重力測量儀器設(shè)備、應(yīng)用軟件、系統(tǒng)平臺和檢驗環(huán)境為對象制定標(biāo)準(zhǔn)，確定各種形式/類別的測繪成果、儀器設(shè)備、使用軟件和系統(tǒng)平臺以及檢驗環(huán)境的質(zhì)量檢驗、質(zhì)量評定內(nèi)容和方法、技術(shù)要求等。

（4）成果類：在數(shù)據(jù)獲取處理等標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的基礎(chǔ)上，以不同衛(wèi)星重力測量成果和產(chǎn)品為對象，描述各類成果的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、規(guī)格、質(zhì)量、分級分類等各方面需要滿足的指標(biāo)，保證其規(guī)范性。

（5）應(yīng)用與服務(wù)類：以衛(wèi)星重力成果數(shù)據(jù)、技術(shù)和成果服務(wù)滿足用戶需要為目的，針對其在不同領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，對數(shù)據(jù)和成果服務(wù)的定義和描述、成果內(nèi)容、業(yè)務(wù)流程、交換，服務(wù)模式、內(nèi)容和形式進(jìn)行規(guī)范。

（6）管理類：以航空重力測量工作的項目管理、成果管理、文檔管理、人員儀器安全和數(shù)據(jù)安全管理等，對管理的主體、對象、方法、內(nèi)容和指標(biāo)等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)制定。

對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研制過程中，涉及到的技術(shù)指標(biāo)和方法等需廣泛地結(jié)合當(dāng)前各類重力測量系統(tǒng)進(jìn)行制定，隨著衛(wèi)星重力技術(shù)的發(fā)展和成熟，標(biāo)準(zhǔn)體系也需在實踐中進(jìn)一步擴(kuò)展和完善。

3.2 編制方法和原則

衛(wèi)星重力測量標(biāo)準(zhǔn)制定需遵循標(biāo)準(zhǔn)編制的統(tǒng)一性、協(xié)調(diào)性、實用性、一致性和規(guī)范性五項基本原則，同時要體現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的全面性、先進(jìn)性和可操作性。

（1）全面性。準(zhǔn)確把握我國及國外衛(wèi)星重力研究和生產(chǎn)現(xiàn)狀，以最新的衛(wèi)星重力測量技術(shù)要求，與航空重力、地面重力和海洋重力數(shù)據(jù)獲取與成果使用單位密切溝通和交流，將不同重力技術(shù)、不同成果吸納到規(guī)范里，在保證衛(wèi)星重力測量標(biāo)準(zhǔn)合理性的同時，體現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的全面性。

（2）可操作性。編制過程應(yīng)大量收集國內(nèi)外衛(wèi)星重力測量的實測數(shù)據(jù)和技術(shù)性資料，經(jīng)過分析與提煉作為規(guī)范編制的主要技術(shù)依據(jù)，確保編制的規(guī)范具有可操作性。

（3）先進(jìn)性。積極與國際衛(wèi)星重力技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化交流，調(diào)查、收集和分析研究國內(nèi)外最新衛(wèi)星重力技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、測量技術(shù)要求和作業(yè)指導(dǎo)文件，積極借鑒和采用國際標(biāo)準(zhǔn)、國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)與先進(jìn)的技術(shù)要求，編制的衛(wèi)星重力測量技術(shù)規(guī)范要達(dá)到目前國際先進(jìn)水平，體現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)性。

4 結(jié) 語

重力數(shù)據(jù)的獲取有著十分重大的戰(zhàn)略意義，當(dāng)前國外的衛(wèi)星重力測量數(shù)據(jù)生成與應(yīng)用產(chǎn)業(yè)已經(jīng)非常成熟，我國的相關(guān)研究和業(yè)務(wù)應(yīng)用目前都處于起步階段，提前對重力測量衛(wèi)星進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)體系框架研究，對各類型標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)制顯得至關(guān)重要。本文根據(jù)大量調(diào)查資料，對所需標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了全面梳理，提出了框架建設(shè)的方案和制定原則，對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定起到一定的引領(lǐng)和參考作用。

參考文獻(xiàn)

[1]許厚澤，陸洋，鐘敏，等.衛(wèi)星重力測量及其在地球物理環(huán)境變化監(jiān)測中的應(yīng)用[J].中國科學(xué)：地球科學(xué)，2012，42（6）：843-853.

[2]程鵬飛，文漢江，劉煥玲，等.衛(wèi)星大地測量學(xué)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].武漢大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），2019，44（1）：48-54.

[3]寧津生，王正濤，超能芳.國際新一代衛(wèi)星重力探測計劃研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].武漢大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），2016，41（1）：1-8.

[4]鄭偉，許厚澤，鐘敏，等.國際重力衛(wèi)星研究進(jìn)展和我國將來衛(wèi)星重力測量計劃[J].測繪科學(xué)，2010，35（1）：5-9.

[5]龍躍梅.“天琴一號”衛(wèi)星測出全球重力場數(shù)據(jù)[N].科技日報，2022-03-10（004）.

[6]鄭偉，許厚澤，鐘敏，等.國際下一代衛(wèi)星重力測量計劃研究進(jìn)展[J].大地測量與地球動力學(xué)，2012，32（3）：152-159.

[7]國家測繪地理信息局.測繪標(biāo)準(zhǔn)體系（2017修訂版）[M].北京：測繪出版社，2017.

[8]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建原則和要求：GB/T 13016—2018[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2018.

作者簡介

田曉龍，碩士，工程師，從事大地測量、變形監(jiān)測研究等工作。

（責(zé)任編輯：張瑞洋）