衛星重力測量發展及應用

1。 原理

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

2。 衛星重力發展概況

自1957年第一顆人造地球衛星Sputnik發射成功，人們開始把目光投向用衛星資料計算地球重力場到最近用於精化地球重力場的極地低軌衛星的成功發射，衛星重力探測技術主要經歷了以下三個發展階段：

第 一階段：20世紀60年代前期，衛星位置主要是通過光學攝影測定。最早利用地面站衛星跟蹤數據確定地球重力場的是Buchar，他於1958年根據 Sputnik衛星近地點運動資料計算了地球重力場位系數，並推算出地球的扁率，但由於當時的觀測精度低、衛星軌道高、觀測數據不能全球覆蓋等因素的制 約，確定的階數和精度都很低。

第二階段： 20世紀60年代中後期至今，隨著定軌技術的迅速發展，出現了多種地面跟蹤技術和衛星對地觀測技術，包括衛星激光測距(SLR)、衛星多普勒測速 (Doppler)、多普勒定軌與無線電定位集成(DORIS)、精密測距測速( PRARE) 和衛星雷達測高(SRA) 等。1966年， Kaula利用衛星軌道攝動分析建立了8階地球重力場模型，並出版了《衛星大地測量理論》一書，奠定了衛星重力學的理論基礎。SLR衛星的跟蹤測量有效地 提高了低階次位系數的精度，近40年來由此衛星重力技術發布了一系列低階重力場模型。隨著衛星測量精度的提高和空間衛星數目的增多，采用多顆不同傾角的衛 星組合解算地球重力場使數據的覆蓋率有了一定的改善。20世紀70年代開始出現衛星雷達測高，至今研制和發展了多代衛星測高系統，用於精確測定平均海面的 大地高，確定海洋大地水准面和海洋重力異常，分辨率可優於10km，精度優於分米級。衛星測高數據聯合地面重力測量數據以及SLR低階重力場模型，發展了 多個高階地球重力場模型。20世紀70年代提出衛星測高構想到目前為止，所發射的衛星測高儀主要有美國NASA等部門發射的地球衛星GEO - 3 (1975年)、海洋衛星SEASAT(1978年)、大地測量衛星GEOSAT (1985年) 及後續衛星GEOSAT Follow- on ( GFO，1998年)，歐空局(ESA) 發射的遙感衛星ERS- 1 (1991年) 和ERS-2 (1995年) 及後續衛星Envisat-1(2002年2月)，NASA和法國空間局(CNES)合作發射的海面地形實驗/海神衛星Topex/Poseidon (T/P， 1992年) 及其後續衛星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星在地球重力場中的應用，出現了現代衛星重力測量技術。新的衛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等多種衛星定位技術進行精密跟蹤定軌，同時實現了衛星軌道機動，可在任務執行期間變換軌道高度，並結合其他星載傳感 器(加速度計、重力梯度儀、K波段測距系統KBR) 實現了多種觀測量以及數據的全球覆蓋。用現代衛星重力測量技術測量地球重力場包括衛星跟蹤衛星( satellite - to - satellite tracking， 簡稱SST)技術和衛星重力梯度測量( satellite - gravity - grads，簡稱SGG)，其中已經成功發射的SST衛星包括德國的CHAMP衛星和美、德合作的GRACE衛星，SGG衛星GOCE也正在加緊研制，預 計近期就可以實施。正是低軌衛星定軌技術的發展，推動了衛星重力測量進入了實用化階段。

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