卫星重力的发展及应用

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1、卫星重力的发展及应用姓名：* 学号：09200200*摘 要:卫星重力资料在恢复地球重力场方面具有全球高覆盖率、高空间分辨率、高精度和高时间重复率等优点, 为大地测量和地球物理学科的发展开辟了新的途径。本文简要回顾了卫星重力的发展历程, 介绍了四种卫星重力探测技术的原理和发展状况, 最后对卫星重力在地球科学中的的应用情况进行了简要总结。关键字：卫星重力；地球重力场；重力测量1 引言地球重力场是地球的一个基本物理场, 是地球物质分布和地球旋转运动信息的综合效并制约地球本身及其邻近空间的一切物理事件,因此,地球重力场观测是地球科学的一项基础性任务。目前常使用的重力测量手段主要有地表观测、航空测量以

2、及卫星重力探测等。由于地面重力测量受地形和气候影响较大、耗时多、劳动强度大、作业成本高,使重力测量的地面覆盖率和分辨率受到极大的限制。航空重力测量虽然能够克服地形条件的限制, 但却只能用于局部地区或区域性的测量, 且仍受到气候条件的影响。卫星重力是近年来发展起来的新型空间探测技术, 其发展和应用是当今国际大地测量学界继GPS之后的又一次革命性突破。卫星重力探测不受地形等自然条件的影响,为解决全球高覆盖率、高精度、高空间分辨率和高时间重复率重力测量开辟了新的有效途径,不但弥补了传统重力测量方法的不足,而且可以使地球重力场和大地水准面的测定精度提高一个数量级以上,并可测定高精度的时变重力场,很快成

3、为了大地测量和地球物理学中新的研究热点和前沿。卫星重力就是以卫星为载体,利用卫星本身为重力传感器或卫星所携带的重力传感器(加速度仪、精密测距系统和重力梯度仪等), 观测由地球重力场引起的卫星轨道摄动, 以这些数据资料来反演和恢复地球重力场的方法和技术。广义的卫星重力测量泛指所有基于卫星观测资料确定地球重力场的技术, 它包括了从20 世纪60 年代发展起来的地面光电卫星跟踪技术、Doppler 地面跟踪技术、人造卫星激光测距技术和卫星测高技术以及近年才有所突破的卫星跟踪卫星技术(下称卫卫跟踪或SST) 和卫星重力梯度技术。 2 卫星重力发展概况自1957年第一颗人造地球卫星Sputnik发射成功

4、, 人们开始把目光投向用卫星资料计算地球重力场到最近用于精化地球重力场的极地低轨卫星的成功发射, 卫星重力探测技术主要经历了以下三个发展阶段:第一阶段: 20世纪60年代前期, 卫星位置主要是通过光学摄影测定。最早利用地面站卫星跟踪数据确定地球重力场的是Buchar, 他于1958年根据Sputnik卫星近地点运动资料计算了地球重力场位系数, 并推算出地球的扁率, 但由于当时的观测精度低、卫星轨道高、观测数据不能全球覆盖等因素的制约, 确定的阶数和精度都很低。第二阶段: 20世纪60年代中后期至今,随着定轨技术的迅速发展, 出现了多种地面跟踪技术和卫星对地观测技术,包括卫星激光测距(SLR)、

5、卫星多普勒测速(Doppler)、多普勒定轨与无线电定位集成(DORIS)、精密测距测速( PRARE) 和卫星雷达测高(SRA) 等。1966年, Kaula利用卫星轨道摄动分析建立了8阶地球重力场模型,并出版了卫星大地测量理论一书, 奠定了卫星重力学的理论基础。SLR卫星的跟踪测量有效地提高了低阶次位系数的精度, 近40年来由此卫星重力技术发布了一系列低阶重力场模型。随着卫星测量精度的提高和空间卫星数目的增多, 采用多颗不同倾角的卫星组合解算地球重力场使数据的覆盖率有了一定的改善。20世纪70年代开始出现卫星雷达测高, 至今研制和发展了多代卫星测高系统, 用于精确测定平均海面的大地高, 确

6、定海洋大地水准面和海洋重力异常,分辨率可优于10km,精度优于分米级。卫星测高数据联合地面重力测量数据以及SLR低阶重力场模型, 发展了多个高阶地球重力场模型。20世纪70年代提出卫星测高构想到目前为止, 所发射的卫星测高仪主要有美国NASA等部门发射的地球卫星GEO - 3 (1975年)、海洋卫星SEASAT(1978年)、大地测量卫星GEOSAT (1985年) 及后续卫星GEOSAT Follow- on ( GFO,1998年),欧空局(ESA) 发射的遥感卫星ERS- 1 (1991年) 和ERS-2 (1995年) 及后续卫星Envisat-1(2002年2月) , NASA和法

7、国空间局(CNES) 合作发射的海面地形实验/海神卫星Topex/Poseidon (T/P, 1992年) 及其后续卫星Jason - 1 (2001年12月) 等。第三阶段: 21世纪初, 空间技术的进步促进了低轨的小卫星在地球重力场中的应用,出现了现代卫星重力测量技术。新的卫星重力测量技术采用低轨道设计, 能够更灵敏地感测地球重力场, 结合星载GPS、SLR等多种卫星定位技术进行精密跟踪定轨, 同时实现了卫星轨道机动, 可在任务执行期间变换轨道高度, 并结合其他星载传感器(加速度计、重力梯度仪、K波段测距系统KBR) 实现了多种观测量以及数据的全球覆盖。用现代卫星重力测量技术测量地球重力

8、场包括卫星跟踪卫星( satellite - to - satellite tracking, 简称SST)技术和卫星重力梯度测量( satellite - gravity - grads, 简称SGG) , 其中已经成功发射的SST卫星包括德国的CHAMP卫星和美、德合作的GRACE卫星, SGG卫星GOCE也正在加紧研制, 预计近期就可以实施。正是低轨卫星定轨技术的发展, 推动了卫星重力测量进入了实用化阶段。3 卫星重力探测技术卫星重力探测技术以前所未有的精度和分辨率使确定地球重力场的精细结构及其时变成为可能, 极大地促进了大地测量学及地学相关学科的发展。归纳起来, 卫星重力探测技术主要有

9、以下4种: 卫星地面跟踪技术(地面跟踪观测卫星轨道摄动) 、卫星对地观测技术(主要是海洋卫星测高技术) 、卫星跟踪卫星(SST) 和卫星重力梯度(SGG) 测量技术。3.1 卫星地面跟踪技术与卫星对地观测技术卫星地面跟踪技术和卫星对地观测技术是20世纪主要的卫星重力观测技术。卫星地面跟踪技术(即地面跟踪观测卫星轨道摄动)是采用摄影观测、多普勒观测或激光观测(有地基和空基两种模式) 等技术手段测定地球重力异常场(消除日月引力、地球潮汐、大气和太阳光压等因素)对卫星轨道的摄动, 以此反演出地球重力场。卫星对地观测当前主要是海洋卫星测高技术。海洋卫星测高技术是利用星载雷达测高仪向海面发射脉冲信号,

10、经海面反射后由卫星接收, 根据卫星的轨道位置并考虑到海潮、海流、海风、海水盐度及大气压等因素的影响,推求海洋大地水准面高。卫星测高资料相当于在海洋上进行了大量的重力测量,为海洋区域地球重力场研究提供了前所未有的高分辨率观测资料, 是研究全球重力场的重要补充, 使全球重力场模型得到极大改善。从观测技术和卫星计划的设计方面, 利用这两种卫星观测资料恢复重力场主要有以下缺点:第一, 观测资料不能全球均匀覆盖, 卫星地面跟踪技术只有跟踪站上有观测资料,卫星测高技术也只能获得高精度的海洋重力资料。第二, 两种技术都必须通过大气层和电离层获取卫星信息,不可避免地带来数据的失真。第三, 卫星轨道单一, 所解

11、算的地球重力场的球谐函数不完善, 不能对其所有阶次的表达式都有好的均匀一致的精度和可靠性。第四, 卫星轨道较高, 这是为了减小大气阻力的影响、获得较高的定轨精度, 因而限制了其感应重力场信号的能力。第五, 恢复重力场的时间较长。由于以上因素的影响,限制了这两种技术恢复地球重力场的潜力, 且难以在目前的水平上有很大的提高,这就要求必须有一种更完善的方法来测定地球重力场。3.2 卫星跟踪卫星与卫星重力梯度测量从卫星地面跟踪和海洋测高到卫卫跟踪是卫星重力发展的必然过程, 卫卫跟踪技术的出现使得卫星设计目标从以往的单纯提高重力场精度提高到同时测量重力场变化。卫星跟踪卫星(SST),有高低卫卫跟踪(hl

12、- SST)和低低卫卫跟踪(ll- SST) 两种模式。高低卫卫跟踪(hl- SST) 技术是由若干高轨同步卫星跟踪观测低轨卫星(高度500km左右) 的轨道摄动, 确定地球扰动重力场。高轨卫星主要受地球重力场的长波部分影响, 而且受大气阻力影响极小, 轨道稳定性高, 因而可以由地面卫星跟踪站对它进行精密定轨。低轨卫星由于在极低的轨道上运行, 对地球重力场的摄动有较高的敏感性, 其轨道摄动则由高轨卫星连续跟踪并以很高精度测定出来, 同时低轨卫星上载有卫星加速计, 补偿低轨卫星的非保守力摄动(主要是大气阻力),其跟踪精度达到毫米级, 恢复低阶重力场精度可以提高一个数量级以上, 对应的低阶大地水准

13、面精度达到毫米级。从本质上看, hl2SST技术与地面站跟踪观测并无很大区别, 但其数据的覆盖率、分辨率和精度都有很大提高, 而由hl - SST发展起来的ll2SST技术测定地球重力场的精度和分辨率将会更高。低低卫卫跟踪( ll - SST) 是通过测定在同一低轨道上的两颗卫星之间(相距约200km左右) 的距离和距离变率(又称相对视线速度) 反映两卫星星下点之间的地球重力场的变化。如果低轨卫星能以微米级的测距测速精度相互跟踪, 同时还与GPS卫星构成空间跟踪网, 理论上恢复低阶地球重力场精度要比现在提高二个数量级及以上, 中波部分的地球重力场测定精度也可以提高一个数量级以上。卫星重力梯度测

14、量( SGG) 是利用低轨卫星上所携带的高精度的超导重力梯度仪直接测定卫星轨道高度处的重力梯度张量, 由于观测量(重力梯度张量) 为重力位二阶导数,因此有能力恢复地球重力场的高阶部分(达180阶左右),其精度可提高一个数量级以上。由于这类卫星的寿命设计一般为1年左右, 仅能用于地球重力场的静态研究。卫星跟踪卫星( SST) 和卫星重力梯度测量( SGG) 是目前公认的最有价值和应用前景的重力探测技术, 与卫星地面跟踪技术和卫星对地观测技术相比它们在技术设计上有了很大的进步。首先, 低卫星轨道。卫星设计高度可降至400 km左右, 大大提高了对地球重力场(特别是对中长波长) 的敏感性。其次, 实

15、现了卫星轨道机动。要么利用多个不同轨道的卫星进行地球重力场测量; 要么单个卫星用变轨技术, 即通过一个卫星的不同运行轨道来进行地球重力场测量。第三, 卫星精确定轨。利用高精度的GPS技术和微波测距测速, 连续跟踪卫星的三维空间分量。第四, 可加载高精度星载设备。加速度计、重力梯度计、K波段测距系统的加载, 实现了多种观测量的卫星测量。如利用星载三轴加速度计进行测量与补偿非重力效应, 克服了大气等非保守力影响, 高精度的卫星超导重力梯度计直接测定重力梯度张量, K波段测距系统进行低低卫星跟踪测量等。正是低轨卫星精密定轨, 再加上高精度星载设备的发展, 推动卫星重力测量进入了实用阶段。三颗专用的地

16、球重力场探测卫星CHAMP (地球科学应用卫星)、GRACE (探测重力场和气象实验卫星)、GOCE (重力场和静态洋流探索卫星) 是历史上首次专门为测量地球重力场而开发研制的。就目前的应用实践来看, 还存在一定的局限性。2000年由德国研制的CHAMP卫星是世界上第一颗采用SST技术的小型重力卫星。它主要用于测定地球重力场和磁场, 解决时间变化问题。CHAMP所采用的hl2SST技术有两方面的优点: 一是其中高轨卫星(GPS卫星)的轨道已精确地测定; 二是在CHAMP卫星的全部轨道上都能接收到高轨卫星,即GPS卫星信号。CHAMP卫星是第一次非间断三维高低跟踪技术结合三维重力加速度测量,但由于它所搭载的加速度仪的功能障碍及Z轴不稳定, 这个技术在精度和空间解析度上不会对现有重力场模型有多少改进, 但是它将大大提高球谐系数的精度, 并使目前的模型更加可靠。其主要弱点是轨道高处重力场衰减阻碍了获得真正的高空间解析度。在后来设计GRACE和GOCE时