卫星重力测量发展及应用

卫星重力测量发展及应用

2010286190128 张璇

摘要：卫星重力测量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测量的发展历程, 介绍了四种卫星重力探测技术的原理和发展状况, 最后对卫星重力测量在地球科学中的的应用情况进行了简要总结。

关键词：重力场；地球重力场；重力测量

一、研究背景

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。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。

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。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。

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。

二、卫星重力测量原理及发展：

1. 原理

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