国际重力卫星研究进展和我国将来卫星重力测量计划_郑伟

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
6
测绘科学 第 35卷
表 1 地球和月球重力测量卫星参数对比
地球卫星
月球卫星
参 数
CHAM P
GRACE
GOCE
GRACE Follow2O n
GRA IL
所属国家
德国
美国和德国
欧盟
美国
美国
研制机构
GFZ
NASA and DLR
ESA
NA SA
NA SA
发射时间
200017115 200213117
2008
2013
201119
卫星寿命
5～10年
5～10年
20月
环流的活动规律也需应用地球重力场数据 ; 在国防建设领 域 , 远程武器的发射和飞行 , 必须知道精细的局部重力场 和全球重力场 [9 ] 。月球重力场的精密测量是国际探月计划 的重要组成部分 , 它不仅决定着月球探测器的轨道优化设 计和载人登月飞船月面理想着陆点的合适选取 , 同时将为 全人类开展月体地形地貌和内部结构研究 、月壤新能源和 资源探测 、月面宇宙环境分析 (电磁 、微粒子 、高能等 ) 、月 球和地月系统起源和演化历史论证等提供丰富的信息资源 。 地 (月 )球重力场起着双重作用 : 第一 , 通过比较实际重力 场和理想重力场的差可以得到重力异常 , 重力异常表明地 (月 )球内部的质量不平衡状态 , 并提供地球 (月 )动力学的 重要信息 ; 第二 , 确定大地水准面 (和静止平均海平面相重 合的等位面 ) , 大地水准面是所有地貌 (如陆地 、冰川 、海洋 等 ) 的参考面 , 而大地水准面仅仅是由重力场来定义的 , 它可以通过重力场的精化而改善 。
②确定周期为 2 ～ 4星期的地球重力场变化 , 年大地水
准面的变化精度达到 01001 ～ 0101 mm;
③探测电离层和中性大气结构及其时变量 。
①K / Ka微波系统的星间测速精度为 1μm / s;
②GPS卫星精密定轨的精度为 5 cm; ③SuperSTAR加速度计测量非保守力的精度为 3 ×10210
m / s2 ; 技术特征 ④冷气 微 推 进 器 精 密 控 制 轨 道 的 推 进 力 灵 敏 度 为
011 μN;
⑤恒星敏感器精密控制姿态的指向精度为 011°;
⑥质心调节装置校正星体和加速度计质心重合的精度为
10 ～ 50 μm。
213 GO C E单星
表 4 GOCE科学目标和技术特征
卫 星
精度的地球重力场模型 , 将 主要应用于地球物理学 、海
洋学 、气象学 等 领域 。由于
CHAM P和 GRACE 具有不同 的轨道 高 度 和 由 此 产 生 不 同
的轨道扰动波谱 , 因此两颗 卫星可以互相取长补短 , 联 合确定 一 个 高 精 度 和 长 周 期
重力场模型 。 GRACE科学目 标和技术特征如表 3所示 。
④磁力计测量标量和矢量磁场的分辨率为 10 PT。
212 GRAC E双星 GRACE2A /B 由 美 国 宇 航 局 ( NASA ) 和 德 国 航 天 局
(DLR)合作研制 (如图 1和表 1 所示 ) 。它采用 SST2HL /LL 测量模式 , 除利用高轨 GPS卫星对低轨双星精密跟踪定位 , 同时两颗低轨卫星在同一轨道平面内前后相互跟踪 (星间距
【摘 要 】本文首先分别介绍了国际已经成功发射的专用地球重力测量卫星 CHAM P、 GRACE以及即将发射的 GOCE 、 GRACE Follow2On和专用月球重力探测卫星 GRA IL 的研制机构 、轨道参数 、关键载荷 、跟踪模式 、测量 原理 、科学目标和技术特征 ; 其次 , 阐述了当前相关学科对地球重力场测量精度的需求 ; 最后 , 建议我国在将来 实施的卫星重力测量计划中首选卫星跟踪卫星高低 \ 低低模式 , 尽快开展轨道参数优化选取的定量系统研究论证 和重力卫星系统的误差分析 , 依据匹配精度指标先期开展重力卫星各关键载荷的研制以及尽早启动卫星重力测量 系统的虚拟仿真研究 。
卫星重力测量技术的实现是继美国 GPS星座成功构建 之后在大地测量领域的又一项创新和突破 , 它之所以被国 际大地测量学界公认为是当前地球重力场探测研究中最高 效 、最经济和最有发展潜力的方法之一 , 是因为它既不同 于传统的车载 、船载和机载测量 , 也不同于卫星测高和轨 道摄动分析 , 而是通过卫星跟踪卫星高低 /低低技术 ( SST2 HL /LL)和 SGG恢复 高 精 度 和高空间解析度的地 (月 ) 球重力场 。本文介绍了当前 和将来国际专用地球和月球 重力测量卫星 ; 阐述了相关 学科对地球重力场测量精度 的需求 ; 建议我国将来卫星 重力测量计划选择 SST2HL / 图 1 国际当前和将来地球 LL模式较优 , 尽快开展卫星 重力测量卫星计划 [ 10] 重力 测 量 系 统 定 量 需 求 分 析 , 先期开展重力卫星关键载荷的研制和尽早启动卫星重 力测量系统虚拟仿真研究 。
【关键词 】重力卫星 ; CHAM P; GRACE; GOCE; GRACE Follow2On; GRA IL 【中图分类号 】P223 【文献标识码 】A 【文章编号 】100922307 (2010) 0120005205
1 引言
21世纪是人类利用卫星跟踪卫星 ( SST)和卫星重力梯 度 ( SGG)技术提升对地球 、月球 、火星和太阳系其他行星 认知能力的新纪元 。地球重力测量卫星 CHAM P ( Challenging M inisatellite Payload)和 GRACE ( Gravity Recovery and Climate Experiment)的成功升空以及 GOCE ( Gravity Field and Steady2 State Ocean Circulation Exp lorer) 、 GRACE Follow2On 和月球 重力探测卫星 GRA IL ( Gravity Recovery and Interior Laborato2 ry)的即将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 。地 (月 )球重力场及其时变反映地 (月 )球表层及 内部物质的空间分布 、运动和变化 , 同时决定着大地水准 面的起伏和变化 [1, 2 ] 。因此 , 确定地 (月 ) 球重力场的精细 结构及其时变不仅是大地测量学 、海洋学 、地震学 、空间 科学 、天文学 、行星科学 、深空探测 、国防建设等的需求 , 同时也将为全人类寻求资源 、保护环境和预测灾害提供了 重要的信息资源 [328 ] 。
的轨道 高 度 , 但 在 轨 道 高
度处重力场 信 号的 衰减 是
它的主 要 弱 点 。这 个 弱 点
在后来设计 GRACE时得到
了较好 的 解 决 , 其 基 本 思
想是采用物 理 中描 述小 尺 度特 性 的 经典 微 分 方 法。 CHAM P的科学目标和技术
图 2 CHAM P重力 测量原理图 [ 10]
GOCE
①确定高精度和高空间解析度地球重力场 , 100 km空间
分辨率对应大地水准面精度优于 1 cm;
科学目标
②联合海洋卫星测高数据确定海洋环流 、海洋热运输 、 海洋波动 、海平面变化以及海洋动力模型 ;
E2mail: wzheng@ asch1whigg1ac1cn
收稿日期 : 2008209227 基金项目 : 中国科学院知识创新计划 ( kzcx22yw2202 ) ; 国家 “863 ”计 划 ( 2006AA09Z153 ) ; 国 家 自 然 科 学 基 金 (40674038, 40674013)
空间分辨率
285 km
166 km
80 km
55 km
110 km
星载 GPS接收仪采用距地面 20000 km的高轨 GPS卫星对低
轨 CHAM P进行精密跟踪定位 , 通过安放在卫星质心处的
STAR静电悬浮加速度计实时测量 CHAM P在轨道处受到的
非保守力 (如图 2所示 ) 。然
而 , 尽管 CHAM P具有较低
图 3 GRACE重力 测量原理图 [ 10]
表 3 GRACE科学目标和技术特征
卫 星
GRACE
①确定高精度的静态地球重力场中长波分量 , 使得大于
5000 km 空间分辨率的大地水准面精度达到 0101 mm , 500～5000 km 空间分 辨率大 地水准 面 精 度 为 0101 ～
科学目标 011 mm;
人造卫星是在地 (月 )球重力场作用下在空间绕地 (月 ) 球运动的 , 要精密定轨 , 必须知道精确的地 (月 )球重力场 参数 , 反之 , 精确测定卫星轨道的摄动 , 利用这些摄动的 跟踪观测数据 , 又可以提高地 (月 )球重力场参数的精度 , 两者相辅相成 。地球重力场是固体地球物理学 、海洋动力 学 、地球动力学 、冰川学 、海平面变化与分析所需的基本 物理量 。在大地测量领域 , 地球重力场对研究地球形状和 精确求定地面控制点的三维坐标起着重要作用 ; 在固体地 球物理学中 , 基于地球重力场可以研究地球的内部构造和 板块运动 ; 在海洋学中 , 为了研究海面地形 , 揭示洋流和
作者 简 介 : 郑 伟 ( 19772) , 男 , 山 西 太 原人 , 中国科学院测量与地球物理研究 所 , 助理研究员 , 理学博士 , 日本京都 大学 博 士 后 , 日 本 JSPS Project Fellow2 ship外籍特别研究员 , 主要从事基于卫 星重力测量恢复地球和月球重力场的理 论和方法等方面研究 。
特征如表 2所示 。
表 2 CHAM P科学目标和技术特征
wk.baidu.com
卫 星
CHAM P
①探测长波地球重力场及其时变量 ;
科学目标 ②探测地球磁场及其时变量 ;
③探测电离层和中性大气结构及其时变量 。
①GPS星座精密定轨的精度为 011 m;
技术特征 ②STAR加速度计测量非保守力的精度为 3 ×10 - 9 m / s2 ; ③恒星敏感器精密控制姿态的指向精度为 4″;
第 35卷第 1期 2010年 1月
测绘科学 Science of Surveying and M app ing
Vol135 No11 J an1
国际重力卫星研究进展和我国将来卫星重力测量计划
郑 伟 ①② , 许厚泽 ① , 钟 敏 ① , 员美娟 ③
( ①中国科学院测量与地球物理研究所 ,武汉 430077; ②日本京都大学防灾研究所 , 京都 61120011; ③武汉科技大学应用物理系 , 武汉 430081)
2 国际重力卫星研究进展
211 CHAM P单星 CHAM P是由德国波兹坦地学研究中心 ( GFZ)独立研制
的世界上首颗采用 SST2HL的专用重力测量卫星 (如图 1和表 1所示 ) 。它采用近圆极地轨道 , 总质量为 52215 kg, 高度 为 750 mm , 横梁和卫星的主体总长为 8333 mm (其中横梁 长为 4044 mm ) , 卫星的面质比为 1138 ×10 - 3 m2 / kg。通过
离 220 ±50 km ) 编队飞行 , 并利用共轨双星轨道摄动之差 高精度测量地球重力场 (如图 3所示 ) [11 ] 。它利用冷气推进 器和磁力矩器辅助双频 GPS接收机精密定轨 , 利用 K/ Ka 波段高频星间测量链路高精度测量星间距离 、星间速度和
星间加速度 , 利用高精度 SuperSTAR 静电悬浮加速度计测 量作用于卫星的非保守力 , 利用姿态和轨道控制系统测量 卫星和载荷的空间三维姿态 。它旨在提供一个前所未有高
> 2年
9月
轨道高度 454～300 km 500～300 km 250 km
250 km
50 km
轨道倾角
87°
89°
9615°
89°
89°
轨道离心率
< 01004
< 01004
01001
< 01004
< 01004
星间距离
—
220 km
—
50 km
175～225 km
测量模式
SST2HL
SST2HL /LL SST2HL / SGG SST2HL /LL SST2HL /LL