卫星重力的发展及应用

卫星重力的发展及应用

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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, 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)、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, 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