国际下一代卫星重力测量计划研究进展*

郑 伟 许厚泽 钟 敏 员美娟

(1)中国科学院测量与地球物理研究所大地测量与地球动力学国家重点实验室，武汉 430077 2)武汉科技大学应用物理系，武汉430081)

国际下一代卫星重力测量计划研究进展*

郑 伟1)许厚泽1)钟 敏1)员美娟2)

(1)中国科学院测量与地球物理研究所大地测量与地球动力学国家重点实验室，武汉 430077 2)武汉科技大学应用物理系，武汉430081)

介绍下一代美国GRACE Follow-On和欧洲E.MOTION(Earth System Mass Transport Mission)卫星重力测量计划的研究进展，以期为我国下一代Post-GRACE卫星重力测量工程的成功实施提供参考依据。详细阐述了我国下一代Post-GRACE卫星重力测量工程的研究意义和科学目标，建议我国先期构建卫星精密定轨和卫星重力反演仿真模拟软件平台系统，开展重力卫星关键载荷误差分析研究，以及执行卫星重力测量任务需求。

卫星重力测量;GRACE Follow-On;E.MOTION;Post-GRACE;地球重力场

1 引言

地球重力测量卫星CHAMP、GRACE和GOCE的成功发射昭示着人类将迎来一个前所未有的卫星重力探测时代。CHAMP、GRACE和GOCE卫星各有所长，它们的相继发射不是相互竞争而是互补的。CHAMP是卫星重力测量计划成功实施的先行者，GRACE的优越性体现于可高精度探测地球重力场的中长波信号及时变，而GOCE擅长于感测中短波静态地球重力场。联合上述三期卫星重力测量计划虽然可以精确测量重力场的静态及其时变，从而获得地球总体形状随时间变化、地球各圈层物质的迁移、全球海洋质量的分布和变化、极地冰川的增大和缩小以及地下蓄水总量信息的特性，但仍无法满足本世纪相关学科对全频段静态和时变地球重力场精度进一步提高的迫切需求。因此，寻求新型、高效、高精度、高空间分辨率和全频段的下一代卫星重力测量计划不仅是当前国际众多科研机构竞相制定的远景规划和首要执行的研究任务，而且是本世纪国际大地测量学、地球物理学、空间科学、天文学、国防建设等交叉领域的研究热点和亟待解决的前沿性科学难题之一。

本文将阐述GRACE卫星重力测量计划的局限性，介绍下一代美国GRACE Follow-On和欧洲E.MOTION卫星重力测量计划的研究进展及我国下一代Post-GRACE卫星重力测量工程的实施建议。

2 GRACE卫星重力测量计划的局限性

1)无法实质性降低轨道高度。卫星轨道高度每降低100 km，作用于卫星体的大气阻力约增加10倍［1］。由于GRACE双星系统未携带非保守力补偿系统，因此为了给全体载荷提供超静和超稳的卫星平台工作环境和有效延长卫星的使用寿命，美国NASA将GRACE卫星轨道高度设计为500 km。由于地球重力场信号强度随卫星轨道高度呈指数衰减，因此，基于GRACE卫星重力测量计划无法获得高精度和高空间分辨率的中短波重力场。因此，GRACE Follow-On重力卫星系统搭载非保守力补偿系统进而有效降低卫星轨道高度是建立下一代高精度、高空间分辨率和全频段的地球重力场模型的根本途径。

2)无法测量垂向重力梯度值。GRACE系统采用卫星跟踪卫星高低/低低模式。除利用高轨道的GPS卫星系统对低轨双星精密跟踪定位，位于同一轨道平面的低轨双星相互跟踪。因此，GRACE双星系统相当于基线长为星间距离220 km的水平重力梯度仪。由于GRACE无法测量垂向重力梯度，因此，在一定程度上必将损失地球重力场的反演精度。另外，由于垂向重力梯度信号的缺失，将导致时变地球重力场南北向的条带误差淹没信号。所以，下一代重力卫星系统能同时精确获得三维重力梯度(水平和垂向)观测值是进一步提高地球重力场反演精度的重要保证。

3)无法消除高频信号混叠效应。大气和海洋固体潮变化等高频误差的混叠效应是制约GRACE地球重力场精度进一步提高的重要因素［2，3］。由于大气和海洋固体潮变化等高频误差强度与大气和海洋固体潮模型误差几乎等量级，因此，大气和海洋固体潮变化等高频误差无法从GRACE地球重力场模型中精确扣除。在下一代卫星重力测量计划中，有效去除高频混叠误差的途径如下:第一，采用激光干涉星间测距仪和非保守力补偿系统进一步提高星间速度和非保守力的测量精度，使高频混叠误差大于卫星观测值误差，进而精确消除地球重力场模型中的高频混叠效应。第二，采用车轮式卫星重力编队模式，除了利用GRACE双星系统测量视线方向的卫星重力观测值，同时增加测量垂直于视线方向的卫星重力观测值，进而减弱高频混叠效应对地球重力场精度的负面影响。第三，由于增大卫星轨道倾角有利于提高带谐项引力位系数精度，减小轨道倾角有利于提高田谐项引力位系数精度，因此，采用两组不同轨道倾角GRACE卫星联合模式，不仅可有效提高地球重力场反演精度，而且有利于消除高频混叠效应。

4)无法精确测量时变重力信号。由于GRACE关键载荷测量精度的限制，而且地球重力场时变信号相对静态信号较弱，因此GRACE卫星仅能测量长波时变地球重力场(空间分辨率400 km)，无法高精度和高空间分辨率地感测中长波段时变地球重力场信号。采用更高精度的激光干涉星间测距仪和非保守力补偿系统的下一代卫星重力测量计划有利于进一步提高中长波段地球重力场时变信号的探测精度和空间分辨率，进而为地震学、海洋学、冰川学、水文学等研究领域提供精确的地球重力场信息。

3 GRACE Follow-On卫星重力测量计划

3.1 基本概述

基于GRACE卫星重力测量计划高精度探测中长波静态和长波时变地球重力场的巨大贡献［4-9］，美国NASA提出了下一代专用于中短波静态和中长波时变地球重力场精密探测的GRACE Follow-On卫星重力测量计划［10-14］。如图 1和表 1所示，GRACE Follow-On双星预期采用近圆、近极和超低轨道设计，利用激光干涉测距仪高精度测量星间距离和星间速度［15-17］，利用高轨GPS卫星对低轨双星精密跟踪定位，利用非保守力补偿系统高精度消除双星受到的非保守力［18］，利用恒星敏感器测量卫星和载荷的空间三维姿态。由于激光具有超短波长和极好的波长稳定性，因此，利用激光干涉测距仪获得的星间距离和星间速度精度至少比K波段微波测距仪高3个数量级。下一代GRACE Follow-On卫星重力测量计划不仅可以更高精度探测静态地球重力场，同时致力于精密探测时变地球重力场信息。

图1 GRACE Follow-On卫星重力测量计划原理图Fig.1 Block diagram of GRACE Follow-On satellite gravity measurement mission

表1 GRACE和GRACE Follow-On卫星重力测量计划对比Tab.1 Comparison between GRACE and GRACE Follow-On missions

GRACE Follow-On得到的静态和动态地球重力场的精度比GRACE至少高一个数量级。主要原因如下:第一，GRACE Follow-On(200～300 km)卫星轨道高度低于GRACE(400～500 km)。GRACE卫星采用加速度计实时测量非保守力，在数据后处理中再扣除非保守力。由于非保守力随着卫星轨道高度降低而急剧增加，因此，GRACE卫星无法采用超低轨道设计。GRACE Follow-On卫星将采用非保守力补偿系统(Drag-free)精确屏蔽作用于卫星的非保守力，因此可实质性降低卫星轨道高度，进而有效抑制地球重力场信号随轨道高度的衰减。第二，GRACE Follow-On卫星关键载荷测量精度高于GRACE。GRACE卫星采用K波段测距仪测量星间距离(10 μm)和星间速度(1 μm/s)，采用加速度计测量卫星受到的非保守力(10-10m/s2)。GRACE Follow-On卫星基于激光干涉测距仪高精度测量星间距离(10 nm)和星间速度(1 nm/s)，基于非保守力补偿系统消除作用于卫星的非保守力(10-13m/ s2)效应。第三，GRACE Follow-On星间距离短于GRACE。适当增加星间距离有利于提高长波地球重力场的精度，适当缩短星间距离有利于提高短波地球重力场的精度。GRACE Follow-On(50 km)卫星较GRACE(220 km)缩短了星间距离，进一步提高了中高频地球重力场的感测精度。

3.2 关键载荷

GRACE Follow-On重力卫星系统的关键载荷如表2和图2～5所示。

4 E.MOTION卫星重力测量计划

4.1 总体概述

如表3和图6所示，欧洲ESA也正在开展下一代E.MOTION(Earth System Mass Transport Mission)卫星重力测量计划的需求论证。

表2 GRACE Follow-On卫星关键载荷Tab.2 Key payloads of GRACE Follow-On mission

图2 GRACE Follow-On卫星激光干涉测距仪原理图Fig.2 Key diagram of interferometric laser ranging system of GRACE Follow-On satellite

图3 GRACE Follow-On加速度计Fig.3 Accelerometer of GRACE Follow-On satellite

图4 GRACE Follow-On卫星GNSS接收机Fig.4 GNSS receiver of GRACE Follow-On satellite

图5 GRACE Follow-On卫星离子微推进器Fig.5 Ion thruster assembly(ITA)of GRACE Follow-On satellite

表3 E.MOTION重力卫星轨道参数Tab.3 Orbital parameters of E.MOTION gravity satellite

图6 E.MOTION重力双星在轨飞行原理图Fig.6 Schematic diagram of the in-orbit twin E.MOTION gravity satellites

4.2 科学目标

1)时变地球重力场空间分辨率优于200 km，月大地水准面精度优于1 mm，卫星重力测量全球覆盖;

2)时变地球重力场时间分辨率优于1个月，将质量变化从季节尺度扩展到10年尺度;

3)较当前卫星重力测量精度至少提高10倍。

4.3 关键载荷及研究团队

E.MOTION重力卫星系统的关键载荷如表4和图8～12所示。该项目的研究团队见表5。

表4 E.MOTION重力卫星关键载荷Tab.4 Key payloads of E.MOTION gravity satellite

图7 E.MOTION卫星重力测量计划科学需求Fig.7 Scientific requirements of E.MOTION satellite gravity measurement mission

图8 E.MOTION重力卫星结构图Fig.8 Structure of E.MOTION gravity satellite

图9 激光干涉测距仪工作原理Fig.9 Principle of operation of interferometric laser ranging system

图10 星载加速度计Fig.10 Space-borne accelerometer

图11 GNSS接收机Fig.11 GNSS receiver

图12 轨道和姿态控制器Fig.12 Attitude and orbit control system(AOCS)

表5 E.MOTION卫星重力测量计划项目组Tab.5 Proposal team of E.MOTION satellite gravity measurement mission

5 我国下一代Post-GRACE卫星重力测量工程

我国下一代Post-GRACE卫星重力测量工程(表6)以全球重力场的科学应用研究、航空航天和国防建设需求、以及星载激光干涉测距、非保守力补偿和空间加速度计等关键技术需求为牵引，独立自主构建我国基于卫星跟踪卫星观测模式的重力双星系统，实现我国高精度和高空间分辨率的卫星重力测量，并开展基于精确时变地球重力场信号的全球变化科学研究［19-21］。Post-GRACE工程旨在最大程度地提高重力卫星的观测精度和时空分辨率，以及有效拓展和提升重力卫星在全球变化及区域响应科学研究中的应用范畴和能力;解决当前GRACE全球重力场模型与我国现有地球重力场观测结果之间的差异问题，为我国近地卫星定轨和远程武器命中提供精确的重力信息;建立高精度的陆地和海洋统一垂直基准面，支持我国新一轮的岛礁调查测绘工程建设。Post-GRACE工程的成功实施，不仅可满足我国日益增长和迫切的科学和国防需求，同时对我国将来高精度和高空间分辨率的月球卫星重力测量计划［22，23］，以及太阳系火星［24-26］、金星、水星等行星卫星重力测量探测计划的成功实施积累成果经验。

表6 Post-GRACE重力卫星轨道参数Tab.6 Orbital parameters of Post-GRACE gravity satellite

Post-GRACE卫星重力测量工程的科学目标为:

1)在200阶处(空间分辨率100 km)，静态大地水准面测量精度为1～3 cm，静态重力异常精度(1～3)×10-5ms-2;

2)时变地球重力场空间分辨率优于300 km，月大地水准面精度优于1 mm。

6 Post-GRACE卫星重力测量工程实施建议

6.1 卫星精密定轨软件平台

基于动力法、几何法等卫星精密定轨方法，建立一套高精度的自主重力卫星定轨软件平台系统;利用GRACE星载GPS接收机的伪距和相位观测值精密定轨，并通过与美国喷气推进实验室(JPL)和德国波兹坦地学研究中心(GFZ)公布的精密轨道进行对比，进而检验我国自主卫星精密定轨软件系统的正确性和可靠性。

6.2 卫星重力反演仿真模拟软件平台

编制基于动力学法、能量守恒法和星间距离/速度插值法，利用重力卫星观测数据(轨道位置和轨道速度、星间距离和星间速度、非保守力、三维姿态等)，反演地球重力场的数学和物理模型以及理论和仿真算法软件系统;通过对比卫星跟踪卫星高低(SST-HL)、卫星跟踪卫星高低/低低(SST-HL/LL)、卫星重力梯度(SGG)等观测模式的优缺点，提出我国下一代卫星重力测量计划的最佳跟踪模式;基于仿真模拟和需求论证，提出卫星关键载荷(激光干涉测距系统、GNSS接收机、非保守力补偿系统、星敏感器等)和轨道参数(轨道高度、星间距离、轨道倾角、轨道离心率等)的最优设计，进而为我国下一代重力卫星系统的顶层设计提供合理方案。

6.3 重力卫星关键载荷误差分析

1)激光干涉测距仪误差分析。分析超稳定振荡器(USO)稳定性、激光频率和功率稳定性、光学平台的温度涨落和控制、双星对准精度、电离层大气密度等误差源对激光干涉测距仪精度的影响和贡献。激光稳频技术主要包括搭建精密的光学系统和组装调试电子控制系统，旨在研究锁定系统中的误差、起伏和漂移的影响和抑制。激光频率在高精细度光学谐振腔上的锁定技术是保证星载激光稳频实验成功实施的重要因素。

2)非保守力补偿系统误差分析。仿真模拟重力卫星系统内部(热和电磁效应)和外部(空间辐射和磁场)的环境，基于理论计算和数值模拟论证各种误差源对重力卫星非保守力补偿系统的影响。非保守力补偿系统的测量原理如下:首先，利用传感器确定检验质量和重力卫星的相对位移;其次，不仅采用反馈系统控制检验质量跟踪重力卫星运动，同时利用非保守力补偿控制器和轨道微推进器控制重力卫星跟踪检验质量。对高敏感轴观测方向，采用非保守力补偿控制;对低敏感轴观测方向，通过控制检验质量跟踪重力卫星运动。

6.4 卫星重力测量任务需求

1)对下一代卫星重力测量工程的科学目标与应用需求进行优化论证，并对顶层设计方案进行可行性分析。

2)对重力卫星系统的关键载荷进行特性特征和精度指标论证，分析关键载荷观测精度对卫星整体系统的影响和对重力场反演精度的贡献。

3)构建重力卫星系统模块(空间平台、地面测控、运载发射等)，开展卫星系统需求分析(观测功能、精度指标、方案验证等)。

4)按照美国NASA和欧洲ESA航天项目标准定义的研究内容和思路对下一代卫星重力测量计划进行逐级任务分解和需求分析，进而获得预期成果。

7 结论

由于重力卫星CHAMP、GRACE和GOCE预计于2015年前结束测量使命，而且三期卫星重力测量计划的联合无法充分满足本世纪相关学科对地球重力场精度进一步提高的迫切需求，因此，国际众多科研机构正积极开展下一代卫星重力测量计划的需求论证和仿真模拟研究。基于以上目的，本文开展了“国际下一代卫星重力测量计划研究进展”的论证研究，旨在为高精度和高空间分辨率的下一代卫星重力测量计划的成功实施提供可行性的理论基础和技术借鉴。

致谢 感谢华中科技大学罗俊院士对本文的帮助。感谢美国宇航局(NASA)、欧洲空间局(ESA)等研究机构提供了下一代卫星重力测量计划的相关资料!

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25 郑伟，许厚泽，钟敏.“萤火一号”火星探测计划进展和Mars-SST火星卫星重力测量计划研究［J］.测绘科学，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)

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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

中国科学院知识创新工程重要方向青年人才项目(KZCX2-EW-QN114);国家自然科学基金青年项目(41004006);国家自然科学基金重点项目(41131067)和面上项目(11173049);国家留学人员科技活动项目择优资助基金(2011);中国测绘科学研究院地理空间信息工程国家测绘局重点实验室开放基金(201031);中国科学院计算地球动力学重点实验室开放基金(2011-04);中国科学院测量与地球物理研究所知识创新工程领域前沿项目;西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室开放基金(PLN1113);湖北省耐火材料与高温陶瓷重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地开放基金(G201009)

郑伟，男，1977年生，理学博士，副研究员，硕士生导师，日本京都大学博士后，日本外籍特别研究员，主要从事基于卫星重力测量反演地球、月球和火星重力场的理论和方法等方面研究.E-mail:wzheng@asch.whigg.ac.cn

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