■趙 青，王玉霞，張 松

■1.山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100;2.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250100

1 引言

地球重力專(zhuān)用測(cè)量衛(wèi)星的成功發(fā)射預(yù)示著人類(lèi)進(jìn)入重力探測(cè)新時(shí)代。利用衛(wèi)星可進(jìn)行高精度全球重力場(chǎng)的測(cè)定;精確求定大地水準(zhǔn)面，建立和維護(hù)高精度的高程基準(zhǔn)。此外，地球?qū)W科領(lǐng)域也可利用衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行資源的勘察和地震監(jiān)測(cè)［1］。

2 地球重力衛(wèi)星概述

2.1 CHAMP(Challenging Minisatellite Payload)衛(wèi)星

CHAMP 是世界上首先采用衛(wèi)星-衛(wèi)星跟蹤技術(shù)中高低跟蹤技術(shù)(SST-HL)的專(zhuān)用重力測(cè)量衛(wèi)星，該衛(wèi)星由德國(guó)地學(xué)中心GFZ 研制，2000 年7 月升空，2010 年9 月結(jié)束在軌運(yùn)行。其原理是利用高軌GPS衛(wèi)星對(duì)低軌CHAMP 衛(wèi)星進(jìn)行精密跟蹤定位，通過(guò)靜電懸浮加速度計(jì)測(cè)定CHAMP 在軌道處所受非保守力(實(shí)時(shí))。CHAMP 衛(wèi)星主要的科學(xué)目標(biāo)為:探測(cè)長(zhǎng)波地球重力場(chǎng)、地球磁場(chǎng)、電離層和中性大氣結(jié)構(gòu)等及其各自的時(shí)變量［2］。

相較傳統(tǒng)方法，現(xiàn)僅用一顆重力衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，就能以前所未有的精確性和可靠性求定地球重力場(chǎng)的長(zhǎng)波信息和部分中波信息，提高了地球重力場(chǎng)模型的可靠性。但其對(duì)提高重力場(chǎng)模型的精度和空間解析度的能力有限，原因在于其在較高軌道處的重力場(chǎng)信號(hào)衰減。

2.2 GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)衛(wèi)星

GRACE 由美國(guó)宇航局NASA 和德國(guó)航天局DLR 聯(lián)合研制，2002年3 月升空，至今已對(duì)地球重力場(chǎng)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)10 余年的觀測(cè)。其采用SST-LL/HL 的測(cè)量模式，測(cè)得的重力場(chǎng)的分辨率為170km，其裝備的星載GPS 接收機(jī)可對(duì)星體軌道進(jìn)行測(cè)定;精密的三軸加速度計(jì)用于測(cè)定星體所受非保守力;雙星間距離及其變化可用微波測(cè)距儀(KBR)測(cè)定。GRACE 衛(wèi)星主要的科學(xué)目標(biāo)為:高精度探測(cè)靜態(tài)地球重力場(chǎng)中長(zhǎng)波信息及地球重力場(chǎng)的周期變化，求定高精度的大地水準(zhǔn)面及其年變化率;探測(cè)中性大氣結(jié)構(gòu)和電離層及其時(shí)變量［2］。

GRACE 的數(shù)據(jù)可在美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校空間研究中心CRS、德國(guó)地學(xué)研究中心GFZ、美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室JPL 和法國(guó)國(guó)家太空研究中心CNES 的官方網(wǎng)站獲得。

2.3 GOCE(Gravity field and steady-state Ocean Circulation Experiment)衛(wèi)

GOCE 是第一顆載有重力梯度儀的重力衛(wèi)星，由歐洲宇航局ESA研制，2009 年3 月升空，2013 年11 月結(jié)束運(yùn)行。采用SST -HLSGG(衛(wèi)星重力梯度)的測(cè)量模式，利用非保守力補(bǔ)償系統(tǒng)屏蔽重力衛(wèi)星所受非保守力，通過(guò)星載3 軸加速度計(jì)的重力梯度儀測(cè)定3 個(gè)方向的重力梯度，進(jìn)而測(cè)定地球重力場(chǎng)。星載重力梯度儀可有效抑制地球重力場(chǎng)中高頻信號(hào)的衰減。

GOCE 衛(wèi)星主要的科學(xué)目標(biāo):測(cè)定高空間解析度和高精度的全球重力場(chǎng)，求定更高精度的大地水準(zhǔn)面;結(jié)合海洋衛(wèi)星的數(shù)據(jù)進(jìn)行海洋相關(guān)狀況的測(cè)定;構(gòu)建精細(xì)大氣密度模型［2］。

3 重力衛(wèi)星的發(fā)展及應(yīng)用

CHAMP、GRACE 和GOCE 衛(wèi)星各有所長(zhǎng):CHAMP 是重力專(zhuān)用衛(wèi)星的開(kāi)拓者，GRACE 可對(duì)地球重力場(chǎng)的中長(zhǎng)波信號(hào)及時(shí)變信息進(jìn)行高精度探測(cè)，GOCE 的優(yōu)勢(shì)在探測(cè)中短波靜態(tài)地球重力場(chǎng)。近年來(lái)，三大重力衛(wèi)星的應(yīng)用主要集中在如下方面。

建立完善地球重力場(chǎng)模型:重力衛(wèi)星的發(fā)射促進(jìn)了地球重力場(chǎng)模型的建立與完善，2002 年以來(lái)國(guó)際上利用重力衛(wèi)星共建立了包括EIGM、EIGEN-GRACE、GGM、EGM2008 在內(nèi)的60 余個(gè)地球重力模型。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者在該領(lǐng)域也進(jìn)行了相關(guān)研究，徐天河［3］等利用2002年CHAMP 衛(wèi)星的相關(guān)數(shù)據(jù)解算出了地球重力場(chǎng)模型XISM02;冉將軍［4］等通過(guò)處理GRACE 數(shù)據(jù)解算出全球時(shí)變重力場(chǎng)模型，與國(guó)際上的RL05 模型精度相當(dāng);黃強(qiáng)［5］等利用GOCE 的數(shù)據(jù)恢復(fù)了200 階的地球重力場(chǎng)模型。

進(jìn)行水文方面的研究:chen［6］等利用GRACE 數(shù)據(jù)研究了南極地區(qū)的冰川情況;超能芳［7］等利用GRACE RL05 模型監(jiān)測(cè)了長(zhǎng)江流域水儲(chǔ)量變化;周旭華等［8］利用GRACE 數(shù)據(jù)反演出全球陸地的水儲(chǔ)量變化。

研究重力異常及大地水準(zhǔn)面變化:李飛［9］利用GRACE 數(shù)據(jù)研究了全球的重力異常和大地水準(zhǔn)面起伏;徐海軍［10］等利用GOCE 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)了中國(guó)區(qū)域的重力異常。

進(jìn)行地學(xué)研究:段虎榮［11-12］等利用GRACE 數(shù)據(jù)進(jìn)行中國(guó)及鄰域地殼厚度和中國(guó)西部地殼運(yùn)動(dòng)的研究，反演出該區(qū)域地殼的水平和垂直運(yùn)動(dòng)速率。

利用上述重力衛(wèi)星可以精確測(cè)量重力場(chǎng)的靜態(tài)及時(shí)變信息，進(jìn)而獲得地球總體形狀的變化、全球海洋質(zhì)量的分布和變化、地下蓄水量的特征、極地冰川的變化和地球各圈層物質(zhì)的遷移。盡管如此，上述衛(wèi)星仍無(wú)法滿(mǎn)足相關(guān)學(xué)科對(duì)更高精度重力場(chǎng)靜態(tài)及其時(shí)變信息的急切需求，因此國(guó)際眾多科研機(jī)構(gòu)積極開(kāi)展更高精度衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃的研究，包括雙星重力計(jì)劃、三星重力計(jì)劃和四星重力計(jì)劃等［13］。我國(guó)也在積極開(kāi)展衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃，鄭偉等人進(jìn)行了我國(guó)衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃實(shí)施的研究論證，為我國(guó)的衛(wèi)星重力測(cè)量提供了許多建設(shè)性意見(jiàn)［13-14］。

［1］唐新明，高小明.我國(guó)測(cè)繪衛(wèi)星和衛(wèi)星測(cè)繪“十二五"發(fā)展戰(zhàn)略研究.測(cè)繪通報(bào)，2012(10):1 -4.

［2］鄭偉，徐厚澤，鐘敏，等.國(guó)際重力衛(wèi)星研究進(jìn)展和我國(guó)將來(lái)衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃［J］.測(cè)繪科學(xué)，2010，35(1):5 -9.

［3］徐天河，楊元喜.基于能量守恒方法恢復(fù)CHAMP 重力場(chǎng)模型［J］.測(cè)繪學(xué)報(bào)，2005，34(1):1 -6.

［4］冉將軍，許厚澤，鐘敏等.利用GRACE 重力衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)反演全球時(shí)變地球重力場(chǎng)模型［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2014，57(4):1032 -1040.

［5］黃強(qiáng)，范東明，游為.聯(lián)合GOCE 軌道和梯度數(shù)據(jù)反演地球重力場(chǎng)模型［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版，2014，39(12):1482 -1486.

［6］Chen J L，Wilson C R，Blankenship D，etal.Accelerated Anterctic Ice Loss from Satellite Gravity Measurements［J］.Nature Geoscience，2009:1 -4.

［7］超能芳，王正濤，晁定波，孫健.利用GRACE RL05 模型監(jiān)測(cè)長(zhǎng)江流域水儲(chǔ)量變化［J］.測(cè)繪科學(xué)，2014，39(6):40 -43.

［8］周旭華，吳斌，彭碧波等.全球水儲(chǔ)量變化的GRACE 衛(wèi)星檢測(cè)［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2006，49(6):1644 -1650.

［9］李飛.利用GRACE 數(shù)據(jù)研究大地水準(zhǔn)面和重力異常［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2008.

［10］徐海軍，張永志，段虎榮，等.GOCE 衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的中國(guó)區(qū)域重力異常.地球物理學(xué)進(jìn)展，2012，27(2):0404 -0408.

［11］段虎榮，張永志，劉鋒，等.利用衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)研究中國(guó)及鄰域地殼厚度［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2010，25(2):494 -499.

［12］段虎榮，張永志，徐海軍，等.中國(guó)西部地殼水平運(yùn)動(dòng)引起的重力場(chǎng)空間變化特征［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2011，31(1):24 -28.

［13］鄭偉，許厚澤，鐘敏，等.我國(guó)將來(lái)更高精度CSGM 衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃研究.國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，36(4):102 -111.

［14］鄭偉，徐厚澤，鐘敏，等.國(guó)際下一代衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃研究進(jìn)展［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，32(3):152 -159.