卫星重力场测量技术的发展及其基本原理

2.5.2　卫星重力场测量技术的发展及其基本原理

经过30多年的理论研究、技术设计和试验，利用SST和SGG技术确定全球一致覆盖的高精度重力场正在或即将实施，其中具有代表性的是CHAMP、GRACE与GOCE。前两个属于SST模式，后一个属于SGG模式，它们都是在轨道高度500km以下的低轨小卫星，恢复全球重力场的最高分辨率可达100km或略优，可确定具有厘米级的全球大地水准面。CHAMP的SST-hl模式跟踪低轨卫星轨道的摄动和地球引力加速度，由此确定扰动位及其一阶梯度;GRACE的SST-ll模式测定两个同名低轨卫星间的距离及其一阶、二阶变化率和卫星的地球引力加速度，由此确定扰动位的一阶梯度向量和二阶梯度张量;GOCE用低轨星载悬浮式三轴差分梯度仪直接测定扰动位的二阶梯度张量，也包含SST-hl跟踪测量。这三个卫星重力场测量计划本身相当于一种重力传感器，在低轨平台上直接采集重力场信息，不需穿过低空大气层观测，且低轨卫星检测质量都通过屏蔽装置分离出非保守力的影响(惯性力、太阳辐射压、大气阻力等)，因而观测精度高。采集的信息是卫星轨道处的空间重力场的局部精细结构，即扰动位的一阶和二阶梯度，有利于恢复高精度的重力场。

利用卫星测量重力场的方法主要有:卫星地面跟踪技术，海洋卫星测高技术、卫星跟踪卫星(SST)与卫星重力梯度(SGG)测量技术。应用地面站卫星跟踪数据探测地球重力场可追溯到1958年，Buchar根据Sputnik卫星的近地点运动计算了J₂阶位系数。然而，由于观测精度低、卫星轨道太高与不能全球覆盖等因素的制约，求得的位系数阶数和精度都很低。后来，采用了LAGEOS高精度卫星激光测距(SLR)数据，有效提高了低阶次位系数的精度;利用30多颗不同轨道倾角的卫星，以改善观测数据的覆盖;采用较低轨道的卫星，如Geosat、ERS测高卫星，以提高重力场信息的分辨率，先后求得了36阶、50阶和70阶的卫星重力场模型。

SST思想早在1960年Baker就提出了，至今才发射用于精化地球重力场的极地低轨卫星。大量研究结果表明，低轨卫星的SST观测数据能有效地提高中频重力位系数的精度。1975年4月NASA进行了首次高低SST的试验，用ATS-6作高卫星、GEOS-3作低卫星，在中太平洋进行试验，采集了40个周期的测量数据，其距离变化率的测量精度为0.3mm/s，由此求得的重力异常的精度在卫星高度上(约840km)达到毫伽级。第二次试验在1975年7月进行，采用了高低SST(SST-hl)和低低SST(SST-ll)两种模式。低低SST模式的试验卫星为APOLLO和SOYUZ，其轨道高度约为225km，由于测量数据出现了3mm/s的意外噪声，无法利用;在低低SST模式试验的同时，以ATS-6作高卫星进行高低卫星SST模式试验，采用多普勒方法测量距离变化率，精度为0.3mm/s，共采集了108周的数据，由该数据求得的348个5°×5°空间重力异常与GEOS-3测高资料求得的空间重力异常的均方差为7mGal。因此，所得到的重力异常的精度可认为达到5mGal。Waker(1989)认为，只要能精确测定非保守力的影响，由SST数据求得的重力场的精度要比上述结果高得多。

实际上，20世纪80年代的测高是以卫星重力测量实现为前提而设计的。由于技术复杂度等原因，卫星重力测量被推迟了近20年。这期间地球科学的发展和各种数据的积累，以及测量技术的进步和精度的提高，更加扩展了卫星重力测量的应用范围。原来的设计仅仅是为了提高测量重力场精度，现在的重力卫星除了测量高精度重力场，同时还要测量重力场的变化。例如，GRACE的主要研究课题之一就是检测出海洋、大气、全球海洋环流等伴随质量变化所产生的重力场时间变化。基于这种思想，地球上发生的任何质量迁移所产生的各种物理现象，原则上都可以通过重力变化检测出来。考虑到目前卫星重力测量的设计精度，这种思想和技术对地球科学来说无疑将带来革命性影响，并将开拓一些新的研究领域。