卫星重力学的发展前景

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1、浅谈卫星重力测量在大地测量中的应用摘要重力场的研究历来是大地测量学研究的核心问题，也是现代大地测量发展屮最活跃的领域之一。由于地球重力场是地球的基木物理场之一，它可以反映地球闪部物质的分布、运动和变化动态，弁制约地球木身及其邻近空间的一切物理事件。述了地球重力场研究对揭示其运动和时变与地震之间的关系的重要性;本文分别介绍了CHAMP、GRACE和GOCE重力卫星，以及卫星重力测量的原理，及其应用领域。1引言研究地球重力场的物理特性，能够充分揭示其运动和时变与地震之问的关系。上述研究主耍是依靠地而重力观测技术来实现，在静态与动态地球重力场的观测与研究方面，均存在技术上的难题。由于地

2、形的复杂性和局部环境与气候的恶劣性等诸因素，使许多地区难以实施传统意义上的重力测量，致使重力测量的地面覆盖率和分辨率受到极人的限制。空间技术在重力测暈中的应用(例如卫星探测技术)为解决全球高覆盖率、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，不仅弥补了上述不足，而且使动态地球重力场的观测与研究成为现实。人造地球卫星已经成为地球蜇力场的探测器与传感器，对卫星的观测并获取与地球重力场有关的观测数据已成为研究地球重力场的新的重要手段，因此而形成具有科学前景的全新的卫星重力学与新的研究热点。对此，有关学者预言卫星重力学的发展带來的变化将是革命性的，其意义和作用都不亚于GPS［1

3、］。2卫星重力探测技术的进展利用卫星技术进行动态地球重力场的研究经W了近30年的发展，目前已进入了实施阶段。同时也标志着卫星重力学研究也随之进入了一个全新的阶段。现在，利用卫星跟踪卫星(SST)和卫星重力梯度测量(SGG)技术确定高精度全球重力场的计划已顺利实施，其屮包括德国、欧洲宇航局和美国计划从2000年7JJ起，在5年的时间内相继发射3颗低轨重力卫星(CHAMP、GRACE和GOCE),主要目的是利用目前的GPS连续追踪已发射和即将发射的低轨重力卫星，并由低轨重力卫星精密检测全球范围的地球重力场［2j。2.1CHAMP重力卫星该;R星由徳国研发，属于高-低(hl)轨卫-卫跟

4、踪(SST)的小型重力卫星，于2000年6月成功发射。高低轨卫-卫跟踪中的高轨道卫星指GPS,低轨道卫星指CHAMP。CHAMP卫星的设计寿命为5年，主要用于测定地球重力场和磁场，解决时间变化问题。测定轨道和高低卫-卫跟踪的星载设备有:GPS接收机、SLR(人卫激光测距仪)跟踪的激光反射镜和测定非重力加速度的一种传感器，用以减少非保守力的影响，旨在更准确地求定地球重力场。图1在轨的CHAMP重力测量卫星(引自GFZ)2.2GRACE重力卫星该卫星由徳W(GFZ)和美M(NASA)合作研发并于2001年7月成功发射。GRACE包含发射在同一个轨道上的W颗低轨卫星，彼此相距100〜4

5、00km，属高低、低轨道卫-卫跟踪(hl+11-SST)重力卫星。卫星的设计荞命为5年，用于探测重力场和气象实验，但GRACE所得到的静态和动态重力场的精度将比CHAMP高1〜2个数量级，空间解析度(半波长)为1000〜200km。它和CHAMP冇2年的共存重叠期。GRACE的一个更重要的特点是一颗同时以高-低轨和低-低轨卫-卫跟踪技术求定重力场的卫星，即GRACE卫星能提供其本身与CHAMP、GPS等卫星间的距离变化率，以求定地球重力场。GRACE卫星将提供-个新的更精化的地球重力场模型，主要用來研究重力场的吋间变化，例如海洋、大气、全球海洋环流等伴随质量变化所产生的重力场时间

6、变化。由于CHAMP和GRACE具有不同的轨道高度并由此产生不同的轨道扰动波谱，两种卫星可以互和取补短。根据卫-卫跟踪技术推算重力场的中波和长波部分，提供极高精度的屮、长波的地球重力场，并给出屮长波场的吋间变化，据此可以构建一个非常可靠的高精度的长周期重力场模型。图2在轨的GRACE重力测量卫星(引自GFZ)2.3GOCE重力卫星虽然CHAMP和GRACE卫星具有不同的轨道高度，由此产生不同的轨道扰动波谱，互相取长补短，可以给出一个非常可靠的高精度长波重力场模型，但是它们无法得到高精度的短波重力场，因此也不可能得出一个精确的全球重力场模型和精化的全球大地水准面。总的來说，CHAM

7、P卫星是一次概念性的试验，而CRACE卫星则提供了高精度的静态屮长波重力场及重力场的时变信息同。现代大地测量、地球物理、地球动力学和海洋学等相关地学学科的发展均迫切需要得到更加精细的全波段地球重力场和厘米级大地水准面支持（总的要求见表lvl［）,为了满足上述需求，欧空局（ES）A研制了最新的電力卫星GoCE,用于测定较高空间分辨率的重力场。GOCE搭载宥极高精度的卫星梯度仪（SGG）、一个用于精密定轨和高-低轨卫-卫跟踪的GPS/GLONASS接收机和一个用以补撑非保守力的无附尼