国外重力探测卫星的发展

国外重力探测卫星的发展

Development of Foreign Gravity Measurement Satellites

从20世纪中期开始，以美国和欧洲为主的世界主要航天国家就在探索发展地球重力场探测技术。国外已经深刻认识到，重力场探测技术在军事作战、保障国家安全、开展科学研究以及促进国民经济发展等各个方面都具有非常重要的作用和意义，特别是重力场探测的军事用途，高精度的重力场数据能够有效提高导弹的命中精度，使得在军事战争中具有不对称优势。

1 国外重力探测卫星发展现状

早期，人类主要利用地面站测轨对卫星轨道进行测量，获取有效弧段的测轨数据，再进行反演获得重力场数据。人类积累了30年的大量卫星测轨数据，通过反演只能获得36阶位系数的重力场数据，而且测量精度也较低。

后来，国外开始发展卫星重力探测技术，利用卫星测量地球重力场及其随时间和空间的变化，建立精细的地球重力场模型。目前，国外主要发展了采用被动（无源）和主动（有源）两种卫星重力探测方式的重力探测卫星。

国外被动重力探测卫星发展

20世纪60年代，美国率先掌握了重力场数据获取技术，开启了卫星重力场探测的新纪元。1962年5月和10月，美国分别发射了1颗“安娜”（Anna）卫星，这是美国、乃至世界上发射的首颗专用测地卫星。在“安娜”卫星成功获取地球重力场数据后，国际上掀起了争相发展被动重力场探测技术的新风潮。

美国、俄罗斯以及德国、意大利等欧洲国家陆续发射了多颗采用被动重力探测方式的卫星，星上并不携带任何电子设备、传感器和姿态与轨道控制系统，而在球形星体表面装有数块角反射器，通过卫星激光测距（SLR）方式实现地球重力场测量。

卫星激光测距方式原理简单，但实施困难，单个测距站的跟踪范围有限，需构成全球激光测距网。卫星激光测距方式测距精度高，单次测距精度可达2～4cm，但多次平均后测距精度有所下降，而且只能用于晴朗天气，云雨天气失去测量能力，因此需与其他方法配合使用，以弥补其缺点。

在主动重力探测卫星出现前，被动重力探测卫星是测定地球重力场的长波（或低阶）和低频变化的主要手段，获取的卫星激光测距数据有效提高了地球重力场低阶次位系数的精度，但由于这些卫星的轨道构型（轨道倾角60°左右）只能提供少数时变低阶位系数，不适合研究地球重力场的时变性，而且时空分辨率也不高。

国外被动重力探测卫星任务

意大利表面装有92块角反射器的“激光相对论卫星”

国外主动重力探测卫星发展

由于被动重力探测卫星在对重力场测量的时空分辨率和精度等多方面都存在局限性，因此国外于20世纪70年代开始发展主动重力探测技术。目前，国外发展的主动重力探测方式包括两类，一类是采用星载雷达高度计，另一类是采用专用重力探测卫星。

海底地形起伏不平与海洋重力场之间存在密不可分的关系，可通过测量海底地形起伏变化数据来反演海洋重力场的分布和变化。因此，国外开始研制星载雷达高度计，利用雷达测高原理获取海洋重力场数据。星载雷达高度计在获取全球海洋重力场数据方面取得了优异成果，但获取的地球重力场位系数的最高阶数和精度仍然不能满足一些高精度任务领域的需求。

随着相关基础技术的发展，国外于20世纪末开始发展专用重力探测卫星，采用卫星跟踪卫星技术或卫星重力梯度测量技术测量重力场。其中，卫星跟踪卫星技术是指高低卫-卫跟踪（SST-HL）模式和低低卫-卫跟踪（SST-LL）模式；卫星重力梯度测量技术是指卫星重力梯度测量（SGG）模式。低低卫-卫跟踪和卫星重力梯度测量模式均需要同时结合高低卫-卫跟踪模式才能有效地实现卫星重力测量，通过测量专用重力探测卫星在某一轨道上不同地点的飞行速度，并利用星载加速度计测量卫星所受到的非重力摄动，对卫星轨道数据进行修正，便可以推算出地球重力异常的分布。最终获得的重力场空间分辨率和测量精度，取决于专用重力探测卫星在轨位置和速度的测量精度以及非重力修正的精度。

美国“天空实验室”空间站

国外典型星载雷达高度计重力探测任务对比分析

基于理论分析，最优的卫星重力探测组合方式为卫星重力梯度测量与低低卫-卫跟踪组合模式，其次是卫星重力梯度测量与高低卫-卫跟踪组合模式，再次是低低卫-卫跟踪与高低卫-卫跟踪组合模式。

（1）星载雷达高度计成为获取全球海洋重力场数据的有效技术手段

20世纪下半叶，在卫星测高技术发展逐渐成熟后，美国于1973年5月14日发射的“天空实验室”（Skylab）空间站上搭载了全球首台试验型星载雷达高度计，测高精度约为1m。本次试验成功验证了星载雷达高度计探测重力场的技术能力，为未来的技术发展奠定了基础。随后，美国、俄罗斯和欧洲等国家和地区相继发射了雷达高度计卫星，雷达高度计的测高精度达到厘米量级。与被动重力探测卫星相比，星载雷达高度计卫星采用较低（约1000km）的轨道。目前来看，在利用星载雷达高度计获取海洋地形、海洋大地水准面数据，以及海洋重力场数据方面，美国和欧洲较为领先。

美国以“天空实验室”空间站上搭载的全球首台星载雷达高度计为原型，先后发展了多颗专用海洋地形测量卫星，获取了大量的海洋重力场数据。其采用的雷达高度计基本由约翰-霍普金斯大学的应用物理实验室研制，由早期的单频Ku频段逐渐过渡到目前的双频Ku和C频段。其中，美法合作发射的“托佩克斯/波塞冬”卫星搭载的雷达高度计是全球首台双频雷达高度计，测高精度高达2.4cm。与单频相比，双频设计主要用于校正电离层路径延迟，测高精度更高。

续 表

欧洲一方面与美国合作发展雷达高度计卫星，另一方面在积累的雷达高度计等相关技术的基础上，独立发展了一系列海洋地形测量卫星和环境探测卫星，获取了比较丰富的海洋重力场数据。其采用的雷达高度计由法国国家空间研究中心或泰雷兹-阿莱尼亚航天公司（TAS）研制，主要有Ku单频，Ku和C双频，还发展了Ku和S双频雷达高度计。其中，欧洲航天局（ESA）于2010年发射的冷卫星－2（又名“地球探测者机会任务”）搭载了“合成孔径干涉高度计”（SIRAL）,该雷达高度计虽然是单频雷达高度计，但其采用的延迟多普勒雷达高度计（DDA）技术，测高精度达1～3cm。与传统的雷达高度计只能测量卫星与平均海平面之间的距离相比，延迟多普勒雷达高度计技术既可以通过对相干脉冲和全多普勒的处理，测量测距点的沿轨位置，还能利用2副天线和2个接收通道，测量测距点的穿轨角。延迟多普勒雷达高度计技术测得的海平面高度数据精度大约是传统高度计的2倍。

此外，印度和法国还于2013年2月25日合作发射了“萨拉尔”海洋探测卫星，其上搭载了世界上首台Ka频段雷达高度计（AltiKa），代表着世界最先进水平。该高度计由法国国家空间研究中心研制，工作在37.75GHz，与其他频段的雷达高度计相比，具有如下优势：①工作带宽为480MHz，比贾森－1、2等卫星采用的Ku和C频段雷达高度计提高约30%，进而提高测高精度。②可更大程度地降低电离层变化对测量的影响，无需使用双频高度计进行校正，简化了载荷设计要求，但当大气水含量大时，存在数据质量不稳定的缺点。因此，“萨拉尔”卫星还载有1台Ka频段的双频微波辐射计（23.8GHz和37GHz），用于在对流层水含量较高时，为测高任务进行校正。③具有更高的脉冲重复频率（4kHz），可以增加每秒钟独立回波的次数，进而提高观测数据的水平分辨率。总的来说，“萨拉尔”属于新型雷达高度计的技术验证卫星，将为后续卫星和相关技术的开发提供宝贵的经验和借鉴。

除美国和欧洲外，俄罗斯也发展了军用地理测绘卫星来获取重力场数据。星上搭载的雷达高度计并非自主研制，而是由泰雷兹-阿莱尼亚航天公司提供，同样也采用Ku和C双频。

（2）专用重力探测卫星性能先进，探测精度高，成为未来趋势所向

专用重力探测卫星的应用为重力探测带来了极大的技术变革，展现了出色的应用能力。利用德美的“重力和气候实验”（GRACE）卫星在30天内获取的地球重力场数据，通过反演获得的重力场模型精度，就已经超过了过去30年人类积累的大量卫星测轨数据反演的地球重力场模型精度。除了探测地球重力场外，美国还将专用重力探测技术引入到深空探测领域。近年来，国外在已经取得的重力场探测成就的基础上，继续规划了一些重力场探测后续卫星任务，在验证新技术、提升探测技术水平和能力的同时，确保重力场探测数据的连续性。

欧洲冷卫星－2在轨飞行示意图

德美合作的“重力和气候实验”卫星在轨飞行示意图

1）德国“挑战性小卫星有效载荷”（CHAMP）卫星。该卫星是德国波茨坦地学研究中心（GFZ）和德国航空航天中心（DLR）合作发展的世界上首颗试验型专用重力探测卫星，成功验证了利用高低卫-卫跟踪模式探测地球重力场的可行性。该卫星主要用于高精度确定全球静态重力场中波、长波特性，以及重力场随时间的变化；估算地球及地壳磁场及其随时间、空间的变化；利用大气/电离层掩星探测进行导航、气象预报和全球气候变化研究。该卫星于2000年发射，于2010年9月19日再入大气层烧毁，超期服役5年。

“挑战性小卫星有效载荷”卫星采用高低卫-卫跟踪模式，搭载了双频高精度GPS接收机、空间三轴加速度计（STAR）和激光后向反射器（LRR）重力测量载荷。利用GPS接收机与高轨GPS导航卫星建立跟踪链路，最多同时跟踪48个GPS信号，以厘米级定位精度获取该卫星的轨道位置和速度数据，再利用分辨率优于±3×10-9m/s2的加速度计测量卫星受到的非重力。激光后向反射器获取测距精度2cm的数据，一方面与GPS接收机数据共同用于精确定轨；另一方面用于GPS接收机校准。此外，该卫星还携带了磁强计组合系统（MIAS），用于测量地球磁场。为了配合卫星完成重力和磁力测量任务，该卫星还携带了2部先进恒星罗盘载荷，分别安装在桁架和卫星本体上，分别提供磁场矢量测量和空间三轴加速度计测量所需的高精度姿态信息。

2）德美“重力和气候实验”卫星。为了进一步研究和提高地球重力场测量能力，德国航空航天中心与美国航空航天局（NASA）在“挑战性小卫星有效载荷”卫星积累的经验和技术基础上开展国际合作，发展了“重力和气候实验”专用重力探测卫星项目，其科学目标是前所未有的高精度测定全球静态重力场中波、长波特性，以及重力场随时间的变化；研究海洋表面洋流、海洋热传递、海床质量和压力变化、冰原与冰河质量平衡、陆地水与雪存量变化，并提供较好的全球大气模型。“重力和气候实验”双星于2002年发射，目前仍在轨运行，已超期服役6年多。

“重力和气候实验”卫星采用低低卫-卫跟踪和高低卫-卫跟踪组合模式，“重力和气候实验”双星相当于2颗完全相同不带磁强计的升级版“挑战性小卫星有效载荷”卫星。每颗卫星搭载双频高精度GPS接收机、K/Ka频段测距系统（KBR）、超级空间三轴加速度计（SuperSTAR）和激光后向反射器重力测量载荷。除K/Ka频段测距系统外，其他GPS接收机、加速度计、激光后向反射器和星相机装置均继承自“挑战性小卫星有效载荷”卫星的相应有效载荷，并加以改进。“重力和气候实验”卫星星间距离控制在170～270km之间，利用各自星上GPS接收机与高轨GPS导航卫星建立跟踪链路，构成与“挑战性小卫星有效载荷”卫星类似的高低卫-卫跟踪模式，每个GPS接收机最多同时跟踪24个GPS信号，以厘米级精度获取“重力和气候实验”双星的轨道位置和速度数据。“重力和气候实验”双星利用K/Ka频段测距系统建立精密星间测距链路，构成低低卫-卫跟踪模式，以1μm的星间测距精度测量因地球局部重力异常所引起的星间相对距离变化和距离变化率。K/ Ka频段测距系统为双频设备，工作在24GHz的K频段和32GHz的Ka频段。双频设计的主要原因是消除测距信号在电离层传播中的延迟和干扰，并利用分辨率优于±3×10-10m/s2的静电悬浮加速度计（其分辨率比“挑战性小卫星有效载荷”卫星的加速度计提高1个数量级）测量卫星受到的非重力，激光后向反射器获取测距精度1～2cm的数据。此外，为了配合卫星完成重力测量任务，“重力和气候实验”卫星还携带了1部星相机装置，安装在超级空间三轴加速度计上，提供超级空间三轴加速度计测量所需的高姿态精度。

3）欧洲“重力场与稳态洋流探测器”（GOCE）卫星。该卫星是欧洲航天局独立发展的地球动力学和大地测量卫星，是世界上首颗采用卫星重力梯度测量模式的专用重力探测卫星，也是全球首颗用于探测地核结构的卫星。该卫星于2009年发射，其主要科学目标是高精度、高分辨率地测量全球静态重力场（中波、短波）和大地水准面模型，已于2013年11月11日再入大气层。

欧洲重力场与稳态洋流探测器－2卫星在轨飞行示意图

国外典型重力探测卫星参数对比

“重力场与稳态洋流探测器”卫星采用卫星重力梯度测量和高低卫-卫跟踪组合模式，搭载了卫星-卫星跟踪设备（SSTI）、静电重力梯度仪（EGG）和激光后向反射器重力测量载荷。该卫星利用卫星-卫星跟踪设备与高轨GPS导航卫星建立跟踪链路，构成与“挑战性小卫星有效载荷”卫星类似的高低卫-卫跟踪模式，卫星-卫星跟踪设备为双频高精度GPS接收机，最多同时跟踪12个GPS信号，以厘米级精度获取“重力场与稳态洋流探测器”卫星的轨道位置和速度数据。另外，该卫星利用静电重力梯度仪构成卫星重力梯度测量模式，由3对静电悬浮加速度计组成，以卫星质心为中心，分别对称安装在3个正交的测量坐标轴上，构成全张量差分重力梯度仪。每对加速度计测量基线为50cm，每对加速度计以“差分”方式测量卫星所在位置的地球重力梯度张量。静电重力梯度仪一方面用于测量重力梯度张量，另一方面将作为无阻力姿态控制系统的主敏感器。激光后向反射器获取补充数据，用于精确轨道确定。

续 表

4）德美合作发展“重力和气候实验后继星”（GFO）任务。继“重力和气候实验”卫星在国际地学界取得巨大成功后，国外对低低卫-卫跟踪和高低卫-卫跟踪组合模式产生了极大兴趣。为了确保重力探测数据的连续性，目前美国和德国正在合作发展“重力和气候实验”卫星的后续任务，最大程度地继承了“重力和气候实验”卫星的技术和成果。该卫星的科学目标是实现180阶全球时变重力场测量，空间分辨率达到55km，大地水准面测量精度达到1cm，重力场异常探测精度达到1mGal。“重力和气候实验后继星”目前正在规划中（阶段A前期），计划于2016年发射，卫星设计轨道高度为250～350km，星间距离控制在3 0～8 0 k m之间，预计将运行至2021年。

续 表

“重力和气候实验后继星”仍采用低低卫-卫跟踪和高低卫-卫跟踪组合模式，每颗卫星搭载可接收GPS-GLONASS-Galileo三种信号的多模接收机（Tri-G）、高精度K/Ka频段星间测距系统（HAIRS）、超级空间三轴加速度计和激光后向反射器。此外，卫星还携带星相机装置（SCA），用于提供高姿态精度。对于“重力和气候实验后续星”，国外目前正在考虑采用激光干涉测距系统代替“重力和气候实验”卫星采用的K/Ka频段测距系统，以纳米级的星间测距精度测量星间相对距离变化和速度变化，激光干涉测距系统对卫星姿态相对指向精度要求极高，需达到20μrad。为了降低技术风险，保证卫星如期发射，“重力和气候实验后继星”项目组决定该卫星仍将K/Ka频段测距系统作为主要的星间测距设备，用于测量星间距离变化，同时搭载激光干涉测距系统验证设备，一方面验证系统技术可行性，另一方面改进测距精度的能力。待激光干涉测距系统在“重力和气候实验后继星”任务中成功验证后，未来将完全取代K/Ka频段测距系统，作为低低卫-卫跟踪模式重力探测卫星任务的主要测量载荷，进一步提高重力场探测精度。

2 重力探测卫星发展趋势

继续开展重力探测研究，择优选择最佳的重力探测模式规划后续卫星任务

国外通过发展重力探测方式各不相同的“挑战性小卫星有效载荷”、“重力和气候实验”和“重力场与稳态洋流探测器”卫星，不仅在技术上积累了丰富的经验，而且还从应用的角度掌握了不同重力探测方式的探测能力极限和适用范围。鉴于重力探测卫星在现代战争、科学研究和国民经济建设等领域的重要作用，未来国外将继续在重力探测卫星方面开展研究，择优选择最佳的重力探测模式，规划后续卫星任务。例如，鉴于德美“重力和气候实验卫星”在国际地学界取得的重要作用，德美已经规划了同样采用低低卫-卫跟踪和高低卫-卫跟踪组合模式的“重力和气候实验后继星”任务，以接替“重力和气候实验”卫星，在全球动态、静态重力场探测方面发挥重要作用。随着欧洲“重力场与稳态洋流探测器”卫星的退役，推测未来不久欧洲也将积极规划其后续卫星任务，继续探测重力场的精细结构和短波变化。

多种重力组合探测模式协同发展，实现全球动态、静态重力场的高精度测量

目前，国外主要发展了低低卫-卫跟踪和高低卫-卫跟踪组合模式的重力探测卫星，用于获取全球静态重力场中长波特性和动态重力场，以及卫星重力梯度测量和高低卫-卫跟踪组合模式的重力探测卫星，用于获取全球静态重力场的中短波特性，能够反映重力场的精细结构和感应重力场的短波变化，不适于探测动态重力场。由此可见，采用重力组合探测模式已经成为未来国外发展重力探测卫星的趋势所向。前面提到的这两种组合模式各有优势，因此，未来国外将同时发展这两种组合模式的重力探测卫星，协同工作，实现全球静态（中、长、短波）和动态重力场的高精度、高空间分辨率测量。

重力梯度测量模式特点突出，

成为未来高精度探测静态重力场的最佳手段

总的来说，恢复70阶以上的重力场模型，最好采用重力梯度测量模式，重力异常累计误差更小；而恢复70阶以下的重力场模型，最好采用低低卫-卫跟踪模式，重力异常累计误差更小。卫星重力梯度测量模式理论上可恢复240阶的地球静态重力场模型，而且能够反映重力场的精细结构和感应重力场的短波变化，在高分辨率高精度静态重力场恢复方面具有独特优势，因此卫星重力梯度测量模式将成为未来高分辨率高精度静态重力场恢复的最佳手段和发展方向。

探索开发新技术、新概念，实现重力探测技术的本质创新和能力的显著提升

目前，“挑战性小卫星有效载荷”、“重力和气候实验”和“重力场与稳态洋流探测器”卫星已经成为国外发展重力探测能力方面的重要里程碑，为未来后续卫星任务奠定了坚实的技术基础。重力探测技术模式已经基本形成，探测能力初步具备，国外已经开始探索开发新技术、新概念，进而实现重力探测技术的本质创新和能力的大幅提升。如德美的“重力和气候实验后继星”正在考虑采用激光干涉测距系统代替K/Ka频段星间测距系统，使星间测距精度从微米级提高到纳米级，地球重力场模型恢复从120阶提高到180阶，重力场探测空间分辨率将达到55km（超过目前最高水平欧洲“重力场与稳态洋流探测器”卫星），大地水准面测量精度达到1cm（与目前最高水平欧洲“重力场与稳态洋流探测器”卫星相当），重力异常探测精度达到1mGal（与目前最高水平欧洲“重力场与稳态洋流探测器”卫星相当）。

徐冰/文