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卫星重力_重磁与时间域电磁

时间:2020-01-26 励志故事 联系我们
卫星重力_重磁与时间域电磁

9.5 卫星重力

9.5.1 地球的引力场

地球的引力场是由空间尺度不同、幅度不同的成分组成的,而且随时间而变化。在近地轨道上运行的人造地球卫星,由于复杂的地球引力场的作用,卫星轨道经受摄动。精确地确定卫星运行轨道,能够恢复(推导出)引力场,建立地球的全球引力场模型,绘制出重力异常图[37]

利用人造地球卫星导出或(和)测量地球引力场有以下几个特点。

(1)可以迅速、全面地获取有关数据,通过数据处理,得到全球重力图,全面覆盖地球的每一个角落,不分国界,不会留下空白,便于全面、深入地分析和研究问题。

(2)可以隔一段不长的时间对全球进行一次观测,也就是说,由于地球物质重新分布(例如大型盆地地下水位的变化,巨型水库蓄水,极地冰盖、冰川融化)会引起重力场的变化,可对重力场进行动态监测,了解重力场随时间的变化。

(3)重力测量从地球表面测量上升为航空测量,再上升到空间测量,这是一种发展趋势。

卫星重力测量的精确度和空间分辨力从20世纪80年代的20×105 m/s2、50km(最短波长)到目前的1×105 m/s2、10km,以至更精细,并且开始应用于地质找矿工作,这也是一种发展趋势。现在,欧美科学家正在朝这个方向努力。不久的将来,卫星引力异常图也许会在勘查油气田和其他矿产等方面派上用场[38~41]。

9.5.2 三颗引力卫星CHAMP、GRACE、GOCE

在近地轨道上运行的人造地球卫星,由于复杂的地球引力场的作用,卫星轨道经受摄动。如果能够精确地确定卫星运行轨道,就能够恢复(推导出)引力场,因此在引力场中,运动的卫星恰似一个引力传感器(重力仪),这样任何一颗人造地球卫星都可称为引力卫星。为了利用近地轨道卫星测出更精确、空间分辨力更高的重力异常图,欧美科学家积极开展研究工作,先后提出10多种卫星引力测量方案。最近德国发射的重、磁两用卫星CHAMP,德国和美国合作发射的引力卫星GRACE,以及欧洲航天局发射的引力卫星GOCE分别体现其中三个优秀的、具有代表性的方案(SSThl、SSTll和SGG)[12,42~44]

9.5.2.1 CHAMP

CHAMP是2000年7月15日德国地球科学研究中心GFZ(GeoForschungs Zentrum)发射的一颗地球物理研究与应用卫星,是一颗重、磁两用卫星。CHAMP是地球物理研究和应用挑战微型卫星负荷(卫星)(CH allnging microsatellite payload for geophysical research and application)的缩写,为了导出引力异常,它除了装有两种磁测仪器外,还装有新一代的星载GPS接收机,可以连续不断地、精确地确定卫星的位置,用轨道摄动的数据推算引力异常。GPS卫星的轨道高度是20 180km,而CHAMP的轨道高度为300~500km,用一颗高空卫星来追踪低空卫星以导出地球引力异常,这种方案称为SSThl(satellitetosatellite tracking in the highlow mode,记作SSThl)。CHAMP上还装有法国航空和航天研究中心(Office National d’Etudes et de Recherches Aerospatials,ONERA)设计制造的一台静电STAR加速度计[electrostatic STAR accelerometer,STAR是空间研究三轴加速度计(space threeaxis accelerometer for research mission)的英文缩写],用来测量作用于卫星的非引力加速度,如空气阻力、地球反照和太阳辐射等,以获得仅仅由地球引力异常导致的轨道偏移。此外还有一组星光仪确定卫星相对于惯性参考系的姿态。CHAMP的发射,第一次利用单独一颗卫星的仪器测定地球的引力场,因此使建造引力场模型的工作进入了一个新时期(图99)。我们在第2章中已说过,CHAMP的运行时间从2000年7月到2010年9月,超期服役。

9.5.2.2 GRACE

实际上GRACE是双星,是恢复引力场和气候实验(gravity recovery and climate experiment)的英文缩写,由美国NASA和德国航天研究中心(Deutsches zentrum fur Luftund Raumfarht,DLR)共同出资1.45亿美元研制,2002年3月17日由俄罗斯发射。(www.guayunfan.com)

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图9-9 CHAMP卫星原理[43]

GRACE飞行任务由两颗一模一样的卫星来完成,它们一前一后相距220km,在同一条轨道上飞行,高度485km,极地圆形轨道,倾角89°。GRACE上也装有在CHAMP上使用过的高—低卫星追踪仪器,还装有经过改进的超级STAR(super STAR)静电加速度计。两颗卫星之间的距离用K频带18~40GHz测距系统连续不断地测定,测量精度优于10μm。两星间的距离变化反映两星感受到的引力的变化,也就是说,两颗卫星之间距离的变化是地球引力场特征的一种直接的度量。用一颗低空卫星追踪另一颗低空卫星以导出地球引力异常,这种方案称为SSTll(Satellite-to-Satellite Tracking in low-low mode,记作SSTll)。有的科学家认为,用这种方案是“测量”地球引力场沿卫星运行方向的梯度。同时以SSThl模式测量轨道的摄动,由此也可换算出引力场。SSThl和SSTll适合于发现地球引力场的中、长波成分(图910)。

9.5.2.3 GOCE

GOCE是欧洲航天局ESA(European Space Agency)发射的一颗恢复地球引力场的卫星,GOCE是重力场和稳态洋流探测卫星(the gravity field steadystate ocean circulation explorer)的英文缩写。GOCE已于2009年3月发射,它沿着一条非常接近圆形的太阳同步黎明—黄昏轨道飞行,高度280km。卫星上装载两台关键的仪器:一台是用于大地测量的GPS/GLONASS接收机,确定轨道的精度为几个厘米,GLONASS是全球导航卫星系统(global navigation satellite system)的英文缩写,是苏俄研制的导航系统,非常类似于GPS,由轨道的摄动可换算出中、长波长的引力场,最高球谐约60阶次;一台引力梯度仪(由三对伺服控制电容加速度计组成,每一对加速度计的距离为0.5m)测量3个坐标轴方向引力位的二阶导数,换算出引力场的中、短波长成分,其噪声水平低于3mE(3×1012 s2,mE:milli Eotvos,毫厄缶),可以测量1013 m/s2数量级的加速度。由于卫星轨道较低,测量引力梯度的灵敏度较高,GOCE确定大地水准面的准确度为1cm,确定引力的准确度为1×105 m/s2,空间分辨力为100km。在卫星上装载引力梯度仪直接测量引力位的二阶导数,再换算出引力场,这种方案称为卫星重力测量SGG(satellite gravity gradiometry,记作SGG)。GOCE是第一次实现SGG方案的代表,而且是一颗低轨道卫星,适合发现地球引力场的中、短波长成分(图911)。

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图9-10 GRACE卫星原理[43]

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图9-11 GOCE卫星原理[44]