一、研究背景
地(月)球重力場及其時變反映地(月)球表層及內部物質的空間分布、運動和變化，同時決定著大地水準面的起伏和變化。因此，確定地(月)球重力場的精細結構及其時變不僅是大地測量學、海洋學、地震學、空間科學、天文學、行星科學、深空探測、國防建設等的需求，同時也將為全人類尋求資源、保護環(huán)境和預測災害提供了重要的信息資源。
人造衛(wèi)星是在地(月)球重力場作用下在空間繞地(月)球運動的，要精密定軌，必須知道精確的地(月)球重力場參數(shù)，反之，精確測定衛(wèi)星軌道的攝動，利用這些攝動的跟蹤觀測數(shù)據(jù)，又可以提高地(月)球重力場參數(shù)的精度，兩者相輔相成。地球重力場是固體地球物理學、海洋動力學、地球動力學、冰川學、海平面變化與分析所需的基本物理量。在大地測量領域, 地球重力場對研究地球形狀和精確求定地面控制點的三維坐標起著重要作用；在固體地球物理學中，基于地球重力場可以研究地球的內部構造和板塊運動；在海洋學中，為了研究海面地形，揭示洋流和環(huán)流的活動規(guī)律也需應用地球重力場數(shù)據(jù)；在國防建設領域，遠程武器的發(fā)射和飛行，必須知道精細的局部重力場和全球重力場。月球重力場的精密測量是國際探月計劃的重要組成部分，它不僅決定著月球探測器的軌道優(yōu)化設計和載人登月飛船月面理想著陸點的合適選取，同時將為全人類開展月體地形地貌和內部結構研究、月壤新能源和資源探測、月面宇宙環(huán)境分析(電磁、微粒子、高能等)、月球和地月系統(tǒng)起源和演化歷史論證等提供豐富的信息資源。地(月)球重力場起著雙重作用：第一，通過比較實際重力場和理想重力場的差可以得到重力異常，重力異常表明地(月)球內部的質量不平衡狀態(tài)，并提供地球(月)動力學的重要信息；第二，確定大地水準面(和靜止平均海平面相重合的等位面) ，大地水準面是所有地貌(如陸地、冰川、海洋等) 的參考面，而大地水準面僅僅是由重力場來定義的，它可以通過重力場的精化而改善。
目前常使用的重力測量手段主要有地表觀測、航空測量以及衛(wèi)星重力探測等。由于地面重力測量受地形和氣候影響較大、耗時多、勞動強度大、作業(yè)成本高,使重力測量的地面覆蓋率和分辨率受到極大的限制。航空重力測量雖然能夠克服地形條件的限制，但卻只能用于局部地區(qū)或區(qū)域性的測量，且仍受到氣候條件的影響。衛(wèi)星重力是近年來發(fā)展起來的新型空間探測技術，其發(fā)展和應用是當今國際大地測量學界繼GPS之后的又一次革命性突破。衛(wèi)星重力探測不受地形等自然條件的影響，為解決全球高覆蓋率、高精度、高空間分辨率和高時間重復率重力測量開辟了新的有效途徑，不但彌補了傳統(tǒng)重力測量方法的不足,而且可以使地球重力場和大地水準面的測定精度提高一個數(shù)量級以上，并可測定高精度的時變重力場，很快成為了大地測量和地球物理學中新的研究熱點和前沿。

二、衛(wèi)星重力測量原理及發(fā)展：
 

1. 原理
衛(wèi)星重力就是以衛(wèi)星為載體，利用衛(wèi)星本身為重力傳感器或衛(wèi)星所攜帶的重力傳感器(加速度儀、精密測距系統(tǒng)和重力梯度儀等)，觀測由地球重力場引起的衛(wèi)星軌道攝動，以這些數(shù)據(jù)資料來反演和恢復地球重力場的方法和技術。廣義的衛(wèi)星重力測量泛指所有基于衛(wèi)星觀測資料確定地球重力場的技術，它包括了從20 世紀60 年代發(fā)展起來的地面光電衛(wèi)星跟蹤技術、Doppler 地面跟蹤技術、人造衛(wèi)星激光測距技術和衛(wèi)星測高技術以及近年才有所突破的衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星技術(下稱衛(wèi)衛(wèi)跟蹤或SST) 和衛(wèi)星重力梯度技術。

2. 衛(wèi)星重力發(fā)展概況
自1957年第一顆人造地球衛(wèi)星Sputnik發(fā)射成功，人們開始把目光投向用衛(wèi)星資料計算地球重力場到最近用于精化地球重力場的極地低軌衛(wèi)星的成功發(fā)射，衛(wèi)星重力探測技術主要經(jīng)歷了以下三個發(fā)展階段：
第一階段：20世紀60年代前期，衛(wèi)星位置主要是通過光學攝影測定。最早利用地面站衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)確定地球重力場的是Buchar，他于1958年根據(jù)Sputnik衛(wèi)星近地點運動資料計算了地球重力場位系數(shù)，并推算出地球的扁率，但由于當時的觀測精度低、衛(wèi)星軌道高、觀測數(shù)據(jù)不能全球覆蓋等因素的制約，確定的階數(shù)和精度都很低。
第二階段： 20世紀60年代中后期至今，隨著定軌技術的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了多種地面跟蹤技術和衛(wèi)星對地觀測技術，包括衛(wèi)星激光測距(SLR)、衛(wèi)星多普勒測速(Doppler)、多普勒定軌與無線電定位集成(DORIS)、精密測距測速( PRARE) 和衛(wèi)星雷達測高(SRA) 等。1966年， Kaula利用衛(wèi)星軌道攝動分析建立了8階地球重力場模型,并出版了《衛(wèi)星大地測量理論》一書，奠定了衛(wèi)星重力學的理論基礎。SLR衛(wèi)星的跟蹤測量有效地提高了低階次位系數(shù)的精度，近40年來由此衛(wèi)星重力技術發(fā)布了一系列低階重力場模型。隨著衛(wèi)星測量精度的提高和空間衛(wèi)星數(shù)目的增多，采用多顆不同傾角的衛(wèi)星組合解算地球重力場使數(shù)據(jù)的覆蓋率有了一定的改善。20世紀70年代開始出現(xiàn)衛(wèi)星雷達測高，至今研制和發(fā)展了多代衛(wèi)星測高系統(tǒng)，用于精確測定平均海面的大地高，確定海洋大地水準面和海洋重力異常，分辨率可優(yōu)于10km，精度優(yōu)于分米級。衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)聯(lián)合地面重力測量數(shù)據(jù)以及SLR低階重力場模型，發(fā)展了多個高階地球重力場模型。20世紀70年代提出衛(wèi)星測高構想到目前為止，所發(fā)射的衛(wèi)星測高儀主要有美國NASA等部門發(fā)射的地球衛(wèi)星GEO - 3 (1975年)、海洋衛(wèi)星SEASAT(1978年)、大地測量衛(wèi)星GEOSAT (1985年) 及后續(xù)衛(wèi)星GEOSAT Follow- on ( GFO，1998年),歐空局(ESA) 發(fā)射的遙感衛(wèi)星ERS- 1 (1991年) 和ERS-2 (1995年) 及后續(xù)衛(wèi)星Envisat-1(2002年2月)，NASA和法國空間局(CNES)合作發(fā)射的海面地形實驗/海神衛(wèi)星Topex/Poseidon (T/P， 1992年) 及其后續(xù)衛(wèi)星Jason - 1 (2001年12月)等。
第三階段： 21世紀初，空間技術的進步促進了低軌的小衛(wèi)星在地球重力場中的應用，出現(xiàn)了現(xiàn)代衛(wèi)星重力測量技術。新的衛(wèi)星重力測量技術采用低軌道設計，能夠更靈敏地感測地球重力場，結合星載GPS、SLR等多種衛(wèi)星定位技術進行精密跟蹤定軌，同時實現(xiàn)了衛(wèi)星軌道機動，可在任務執(zhí)行期間變換軌道高度，并結合其他星載傳感器(加速度計、重力梯度儀、K波段測距系統(tǒng)KBR) 實現(xiàn)了多種觀測量以及數(shù)據(jù)的全球覆蓋。用現(xiàn)代衛(wèi)星重力測量技術測量地球重力場包括衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星( satellite - to - satellite tracking, 簡稱SST)技術和衛(wèi)星重力梯度測量( satellite - gravity - grads，簡稱SGG)，其中已經(jīng)成功發(fā)射的SST衛(wèi)星包括德國的CHAMP衛(wèi)星和美、德合作的GRACE衛(wèi)星，SGG衛(wèi)星GOCE也正在加緊研制，預計近期就可以實施。正是低軌衛(wèi)星定軌技術的發(fā)展，推動了衛(wèi)星重力測量進入了實用化階段。

三、衛(wèi)星重力測量技術
衛(wèi)星重力探測技術以前所未有的精度和分辨率使確定地球重力場的精細結構及其時變成為可能, 極大地促進了大地測量學及地學相關學科的發(fā)展。歸納起來, 衛(wèi)星重力探測技術主要有以下4種: 衛(wèi)星地面跟蹤技術(地面跟蹤觀測衛(wèi)星軌道攝動) 、衛(wèi)星對地觀測技術(主要是海洋衛(wèi)星測高技術) 、衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星(SST) 和衛(wèi)星重力梯度(SGG) 測量技術。
 

1. 衛(wèi)星地面跟蹤技術與衛(wèi)星對地觀測技術
衛(wèi)星地面跟蹤技術和衛(wèi)星對地觀測技術是20世紀主要的衛(wèi)星重力觀測技術。衛(wèi)星地面跟蹤技術(即地面跟蹤觀測衛(wèi)星軌道攝動)是采用攝影觀測、多普勒觀測或激光觀測(有地基和空基兩種模式) 等技術手段測定地球重力異常場(消除日月引力、地球潮汐、大氣和太陽光壓等因素)對衛(wèi)星軌道的攝動，以此反演出地球重力場。衛(wèi)星對地觀測當前主要是海洋衛(wèi)星測高技術。海洋衛(wèi)星測高技術是利用星載雷達測高儀向海面發(fā)射脈沖信號，經(jīng)海面反射后由衛(wèi)星接收，根據(jù)衛(wèi)星的軌道位置并考慮到海潮、海流、海風、海水鹽度及大氣壓等因素的影響，推求海洋大地水準面高。衛(wèi)星測高資料相當于在海洋上進行了大量的重力測量，為海洋區(qū)域地球重力場研究提供了前所未有的高分辨率觀測資料，是研究全球重力場的重要補充，使全球重力場模型得到極大改善。
從觀測技術和衛(wèi)星計劃的設計方面，利用這兩種衛(wèi)星觀測資料恢復重力場主要有以下缺點：
第一，觀測資料不能全球均勻覆蓋，衛(wèi)星地面跟蹤技術只有跟蹤站上有觀測資料，衛(wèi)星測高技術也只能獲得高精度的海洋重力資料。第二，兩種技術都必須通過大氣層和電離層獲取衛(wèi)星信息，不可避免地帶來數(shù)據(jù)的失真。第三，衛(wèi)星軌道單一，所解算的地球重力場的球諧函數(shù)不完善，不能對其所有階次的表達式都有好的均勻一致的精度和可靠性。第四，衛(wèi)星軌道較高，這是為了減小大氣阻力的影響、獲得較高的定軌精度，因而限制了其感應重力場信號的能力。第五，恢復重力場的時間較長。由于以上因素的影響，限制了這兩種技術恢復地球重力場的潛力，且難以在目前的水平上有很大的提高，這就要求必須有一種更完善的方法來測定地球重力場。
 

2. 衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星與衛(wèi)星重力梯度測量
從衛(wèi)星地面跟蹤和海洋測高到衛(wèi)衛(wèi)跟蹤是衛(wèi)星重力發(fā)展的必然過程，衛(wèi)衛(wèi)跟蹤技術的出現(xiàn)使得衛(wèi)星設計目標從以往的單純提高重力場精度提高到同時測量重力場變化。
衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星(SST)，有高低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤(hl- SST)和低低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤(ll- SST) 兩種模式。高低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤(hl- SST) 技術是由若干高軌同步衛(wèi)星跟蹤觀測低軌衛(wèi)星(高度500km左右) 的軌道攝動，確定地球擾動重力場。高軌衛(wèi)星主要受地球重力場的長波部分影響，而且受大氣阻力影響極小，軌道穩(wěn)定性高，因而可以由地面衛(wèi)星跟蹤站對它進行精密定軌。低軌衛(wèi)星由于在極低的軌道上運行，對地球重力場的攝動有較高的敏感性，其軌道攝動則由高軌衛(wèi)星連續(xù)跟蹤并以很高精度測定出來，同時低軌衛(wèi)星上載有衛(wèi)星加速計，補償?shù)蛙壭l(wèi)星的非保守力攝動(主要是大氣阻力)，其跟蹤精度達到毫米級，恢復低階重力場精度可以提高一個數(shù)量級以上，對應的低階大地水準面精度達到毫米級。從本質上看， hl2SST技術與地面站跟蹤觀測并無很大區(qū)別，但其數(shù)據(jù)的覆蓋率、分辨率和精度都有很大提高，而由hl - SST發(fā)展起來的ll2SST技術測定地球重力場的精度和分辨率將會更高。
低低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤( ll - SST) 是通過測定在同一低軌道上的兩顆衛(wèi)星之間(相距約200km左右) 的距離和距離變率(又稱相對視線速度) 反映兩衛(wèi)星星下點之間的地球重力場的變化。如果低軌衛(wèi)星能以微米級的測距測速精度相互跟蹤，同時還與GPS衛(wèi)星構成空間跟蹤網(wǎng)，理論上恢復低階地球重力場精度要比現(xiàn)在提高二個數(shù)量級及以上，中波部分的地球重力場測定精度也可以提高一個數(shù)量級以上。
衛(wèi)星重力梯度測量( SGG) 是利用低軌衛(wèi)星上所攜帶的高精度的超導重力梯度儀直接測定衛(wèi)星軌道高度處的重力梯度張量，由于觀測量(重力梯度張量)為重力位二階導數(shù)，因此有能力恢復地球重力場的高階部分(達180階左右)，其精度可提高一個數(shù)量級以上。由于這類衛(wèi)星的壽命設計一般為1年左右，僅能用于地球重力場的靜態(tài)研究。衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星( SST) 和衛(wèi)星重力梯度測量(SGG) 是目前公認的最有價值和應用前景的重力探測技術，與衛(wèi)星地面跟蹤技術和衛(wèi)星對地觀測技術相比它們在技術設計上有了很大的進步。
首先，低衛(wèi)星軌道。衛(wèi)星設計高度可降至400 km左右，大大提高了對地球重力場(特別是對中長波長)的敏感性。
其次，實現(xiàn)了衛(wèi)星軌道機動。要么利用多個不同軌道的衛(wèi)星進行地球重力場測量；要么單個衛(wèi)星用變軌技術，即通過一個衛(wèi)星的不同運行軌道來進行地球重力場測量。
第三，衛(wèi)星精確定軌。利用高精度的GPS技術和微波測距測速，連續(xù)跟蹤衛(wèi)星的三維空間分量。
第四，可加載高精度星載設備。加速度計、重力梯度計、K波段測距系統(tǒng)的加載，實現(xiàn)了多種觀測量的衛(wèi)星測量。如利用星載三軸加速度計進行測量與補償非重力效應，克服了大氣等非保守力影響，高精度的衛(wèi)星超導重力梯度計直接測定重力梯度張量， K波段測距系統(tǒng)進行低低衛(wèi)星跟蹤測量等。
正是低軌衛(wèi)星精密定軌，再加上高精度星載設備的發(fā)展，推動衛(wèi)星重力測量進入了實用階段。三顆專用的地球重力場探測衛(wèi)星CHAMP (地球科學應用衛(wèi)星)、GRACE (探測重力場和氣象實驗衛(wèi)星)、GOCE (重力場和靜態(tài)洋流探索衛(wèi)星) 是歷史上首次專門為測量地球重力場而開發(fā)研制的。就目前的應用實踐來看，還存在一定的局限性。2000年由德國研制的CHAMP衛(wèi)星是世界上第一顆采用SST技術的小型重力衛(wèi)星。它主要用于測定地球重力場和磁場，解決時間變化問題。CHAMP所采用的hl2SST技術有兩方面的優(yōu)點：一是其中高軌衛(wèi)星(GPS衛(wèi)星)的軌道已精確地測定；二是在CHAMP衛(wèi)星的全部軌道上都能接收到高軌衛(wèi)星，即GPS衛(wèi)星信號。CHAMP衛(wèi)星是第一次非間斷三維高低跟蹤技術結合三維重力加速度測量，但由于它所搭載的加速度儀的功能障礙及Z軸不穩(wěn)定，這個技術在精度和空間解析度上不會對現(xiàn)有重力場模型有多少改進，但是它將大大提高球諧系數(shù)的精度，并使目前的模型更加可靠。其主要弱點是軌道高處重力場衰減阻礙了獲得真正的高空間解析度。在后來設計GRACE和GOCE時采用物理中描述小尺度特性的精典微分方法使這個缺點得到了很好的解決，并由此構想出兩種實用的技術SST-ll和SGG。2002年，由美國宇航局(NASA) 和德國空間局(DLA) 共同研制成功的GRACE衛(wèi)星是一個同時以hl2SST和ll2SST技術求定重力場的衛(wèi)星，它不僅能和CHAMP一樣以hl2SST技術測定靜態(tài)的地球重力場，而且還能以ll - SST技術測定隨時間變化的地球重力場。它將使中長空間尺度的球諧系數(shù)精度提高約三個量級，可以測量重力場的時間變化。GRACE和CHAMP主要依靠SST技術推算重力場的中、長波部分，而短波部分主要依靠地面重力資料推算。CHAMP和GRACE衛(wèi)星無法得到高精度的短波重力場，因此也不可能得出一個非常可靠的精確的全球重力場模型和精化的全球大地水準面。為了彌補以上局限性和不足，載有極高精度衛(wèi)星梯度儀的高底軌衛(wèi)衛(wèi)跟蹤重力衛(wèi)星GOCE將可以提供較高空間分辨率(100km)的重力場，研究地球深部精細結構和各圈層運動方式與運動之間的相互關系，可以得到更加精細的全波段地球重力場和大地水準面支持，以滿足現(xiàn)代大地測量、地球物理、地球動力學和海洋學等相關學科的發(fā)展需求。

四、衛(wèi)星重力在地學中的應用
由于衛(wèi)星重力資料具有全球高覆蓋率等優(yōu)點，能給出大尺度的重力變化， 20世紀六七十年代起，考拉(Kaula)等人就開始了利用衛(wèi)星重力資料進行全球性構造的研究，麥奎因(Mcqueen)等人利用低階諧量研究了全球性地幔內部的密度界面起伏。60年代中后期以后，有人提出利用衛(wèi)星重力資料研究巖石圈底部應力場的理論，其中比較有代表性的是朗科恩(Runcorn) 理論。隨著空間技術的進步，衛(wèi)星重力資料的精度和分辨率不斷提高，我們不僅可以得到高精度靜態(tài)地球重力場模型，還可以得到重要的時變地球重力場信息，這對于研究地球內部物理特性、地球深部結構及其在各種環(huán)境下的動力學特性、建立全球高程基準、導航及精密衛(wèi)星定軌及地球物理勘探等方面都有重大應用價值,同時重力場的時變信息對于了解海洋學、水文學、冰河學或固體地球科學中某些地球動力學現(xiàn)象的時變過程和規(guī)律有重大貢獻。比較典型的實例，如1997年張健等進行的塔里木盆地衛(wèi)星重力異常與油氣資源的相關性研究，1998年王懋基等用衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)得到的南海衛(wèi)星重力圖，1999年方劍利用衛(wèi)星重力資料反演地殼及巖石圈厚度，2000年樓海等通過衛(wèi)星重力資料揭示了新疆天山地區(qū)構造動力學狀態(tài)，以及衛(wèi)星重力在南黃海地區(qū)構造演化和中生代厚度計算中的應用研究等。

五、總結與展望
衛(wèi)星重力學是繼GPS之后，地學研究領域的又一重大科學進展。利用衛(wèi)星重力資料將使確定地球重力場和大地水準面的精度提高一個數(shù)量級以上，并可測定高精度的時變重力場，同時為研究地球重力場提供海量數(shù)據(jù)，填補了地球上的重力空白區(qū)。因此，衛(wèi)星重力學的科學應用將涉及許多地球科學領域，對地學相關學科的影響將是深遠的，特別是對大地測量學、地球物理學等領域將帶來前所未有的沖擊，最終會把它們推進到一個嶄新的階段。
然而由于我國的衛(wèi)星重力研究起步較晚，與國外現(xiàn)有的技術水平相比，還存在相當大的差距，所面臨的困難也是不言而喻的。根據(jù)我國衛(wèi)星重力學研究的現(xiàn)狀和先進國家水平的差距，應打好基礎，確定有限目標和切入點：影響衛(wèi)星重力探測水平的關鍵在于高精度星載設備的研制與安裝和低軌衛(wèi)星精密定軌，這是目前衛(wèi)星重力研究的熱點和難點。此外，隨之而來的時空邊值問題或重力場反演問題的理論和方法也都要適應衛(wèi)星重力發(fā)展的新情況而有所改變，這也是目前及以后的重點研究方向。
 
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