地球重力卫星的发展及应用综述

■赵 青，王玉霞，张 松

■1.山东农业工程学院，山东 济南 250100;2.山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250100

1 引言

地球重力专用测量卫星的成功发射预示着人类进入重力探测新时代。利用卫星可进行高精度全球重力场的测定;精确求定大地水准面，建立和维护高精度的高程基准。此外，地球学科领域也可利用卫星的观测数据，进行资源的勘察和地震监测［1］。

2 地球重力卫星概述

2.1 CHAMP(Challenging Minisatellite Payload)卫星

CHAMP 是世界上首先采用卫星-卫星跟踪技术中高低跟踪技术(SST-HL)的专用重力测量卫星，该卫星由德国地学中心GFZ 研制，2000 年7 月升空，2010 年9 月结束在轨运行。其原理是利用高轨GPS卫星对低轨CHAMP 卫星进行精密跟踪定位，通过静电悬浮加速度计测定CHAMP 在轨道处所受非保守力(实时)。CHAMP 卫星主要的科学目标为:探测长波地球重力场、地球磁场、电离层和中性大气结构等及其各自的时变量［2］。

相较传统方法，现仅用一颗重力卫星的数据，就能以前所未有的精确性和可靠性求定地球重力场的长波信息和部分中波信息，提高了地球重力场模型的可靠性。但其对提高重力场模型的精度和空间解析度的能力有限，原因在于其在较高轨道处的重力场信号衰减。

2.2 GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)卫星

GRACE 由美国宇航局NASA 和德国航天局DLR 联合研制，2002年3 月升空，至今已对地球重力场进行了长达10 余年的观测。其采用SST-LL/HL 的测量模式，测得的重力场的分辨率为170km，其装备的星载GPS 接收机可对星体轨道进行测定;精密的三轴加速度计用于测定星体所受非保守力;双星间距离及其变化可用微波测距仪(KBR)测定。GRACE 卫星主要的科学目标为:高精度探测静态地球重力场中长波信息及地球重力场的周期变化，求定高精度的大地水准面及其年变化率;探测中性大气结构和电离层及其时变量［2］。

GRACE 的数据可在美国德克萨斯大学奥斯汀分校空间研究中心CRS、德国地学研究中心GFZ、美国喷气推进实验室JPL 和法国国家太空研究中心CNES 的官方网站获得。

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

GOCE 是第一颗载有重力梯度仪的重力卫星，由欧洲宇航局ESA研制，2009 年3 月升空，2013 年11 月结束运行。采用SST -HLSGG(卫星重力梯度)的测量模式，利用非保守力补偿系统屏蔽重力卫星所受非保守力，通过星载3 轴加速度计的重力梯度仪测定3 个方向的重力梯度，进而测定地球重力场。星载重力梯度仪可有效抑制地球重力场中高频信号的衰减。

GOCE 卫星主要的科学目标:测定高空间解析度和高精度的全球重力场，求定更高精度的大地水准面;结合海洋卫星的数据进行海洋相关状况的测定;构建精细大气密度模型［2］。

3 重力卫星的发展及应用

CHAMP、GRACE 和GOCE 卫星各有所长:CHAMP 是重力专用卫星的开拓者，GRACE 可对地球重力场的中长波信号及时变信息进行高精度探测，GOCE 的优势在探测中短波静态地球重力场。近年来，三大重力卫星的应用主要集中在如下方面。

建立完善地球重力场模型:重力卫星的发射促进了地球重力场模型的建立与完善，2002 年以来国际上利用重力卫星共建立了包括EIGM、EIGEN-GRACE、GGM、EGM2008 在内的60 余个地球重力模型。近年来，国内学者在该领域也进行了相关研究，徐天河［3］等利用2002年CHAMP 卫星的相关数据解算出了地球重力场模型XISM02;冉将军［4］等通过处理GRACE 数据解算出全球时变重力场模型，与国际上的RL05 模型精度相当;黄强［5］等利用GOCE 的数据恢复了200 阶的地球重力场模型。

进行水文方面的研究:chen［6］等利用GRACE 数据研究了南极地区的冰川情况;超能芳［7］等利用GRACE RL05 模型监测了长江流域水储量变化;周旭华等［8］利用GRACE 数据反演出全球陆地的水储量变化。

研究重力异常及大地水准面变化:李飞［9］利用GRACE 数据研究了全球的重力异常和大地水准面起伏;徐海军［10］等利用GOCE 数据监测了中国区域的重力异常。

进行地学研究:段虎荣［11-12］等利用GRACE 数据进行中国及邻域地壳厚度和中国西部地壳运动的研究，反演出该区域地壳的水平和垂直运动速率。

利用上述重力卫星可以精确测量重力场的静态及时变信息，进而获得地球总体形状的变化、全球海洋质量的分布和变化、地下蓄水量的特征、极地冰川的变化和地球各圈层物质的迁移。尽管如此，上述卫星仍无法满足相关学科对更高精度重力场静态及其时变信息的急切需求，因此国际众多科研机构积极开展更高精度卫星重力测量计划的研究，包括双星重力计划、三星重力计划和四星重力计划等［13］。我国也在积极开展卫星重力测量计划，郑伟等人进行了我国卫星重力测量计划实施的研究论证，为我国的卫星重力测量提供了许多建设性意见［13-14］。

［1］唐新明，高小明.我国测绘卫星和卫星测绘“十二五"发展战略研究.测绘通报，2012(10):1 -4.

［2］郑伟，徐厚泽，钟敏，等.国际重力卫星研究进展和我国将来卫星重力测量计划［J］.测绘科学，2010，35(1):5 -9.

［3］徐天河，杨元喜.基于能量守恒方法恢复CHAMP 重力场模型［J］.测绘学报，2005，34(1):1 -6.

［4］冉将军，许厚泽，钟敏等.利用GRACE 重力卫星观测数据反演全球时变地球重力场模型［J］.地球物理学报，2014，57(4):1032 -1040.

［5］黄强，范东明，游为.联合GOCE 轨道和梯度数据反演地球重力场模型［J］.武汉大学学报·信息科学版，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，王正涛，晁定波，孙健.利用GRACE RL05 模型监测长江流域水储量变化［J］.测绘科学，2014，39(6):40 -43.

［8］周旭华，吴斌，彭碧波等.全球水储量变化的GRACE 卫星检测［J］.地球物理学报，2006，49(6):1644 -1650.

［9］李飞.利用GRACE 数据研究大地水准面和重力异常［D］.西安:长安大学，2008.

［10］徐海军，张永志，段虎荣，等.GOCE 卫星监测的中国区域重力异常.地球物理学进展，2012，27(2):0404 -0408.

［11］段虎荣，张永志，刘锋，等.利用卫星重力数据研究中国及邻域地壳厚度［J］.地球物理学进展，2010，25(2):494 -499.

［12］段虎荣，张永志，徐海军，等.中国西部地壳水平运动引起的重力场空间变化特征［J］.大地测量与地球动力学，2011，31(1):24 -28.

［13］郑伟，许厚泽，钟敏，等.我国将来更高精度CSGM 卫星重力测量计划研究.国防科技大学学报，36(4):102 -111.

［14］郑伟，徐厚泽，钟敏，等.国际下一代卫星重力测量计划研究进展［J］.大地测量与地球动力学，32(3):152 -159.