卫星重力测量应用及其标准建设研究

田晓龙 张夏青 万永世 郭磊

摘 要：航天重力测量技术及卫星研制是当前国际大地测量领域的研究热点，我国的卫星重力测量事业处于起步阶段。本文对国内外重力测量卫星的研究现状进行了总结，针对相关标准缺乏的现状和快速增长需求，提出了卫星重力测绘标准建设的思路，建立了标准体系框架，全面分析了卫星重力数据从获取、检验、成果保存到应用服务和管理一系列的标准建设方案，为日后重力测量卫星相关标准制定提供参考。

关键词：重力测量卫星，重力标准，标准体系，标准框架

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.10.014

基金项目：本文受天津华北地质勘查局B类科研项目“多源卫星数据融合的华北平原沉降时空变化特性及其风险评估研究”（项目编号：HK2022-B39）资助。

Research on the Application and Standards Construction of Gravity Measurement Satellite

TIAN Xiaolong1 ZHANG Xiaqing1 WAN Yongshi1 GUO Lei2

（1.Tianjin Huakan Geophysical Exploration Center； 2. Surveying and Mapping Standardization Research Institute of Ministry of Natural Resource）

Abstract： The space gravity measurement technology and satellite development are currently a hot topic in the fi eld of geodetic measurement. The satellite gravity measurement in China is in its infancy. This paper summarizes the research status of gravity surveying satellites at home and abroad. In view of the lack of relevant standards and the rapid growth of demand， it puts forward the idea of the construction of satellite gravity surveying and mapping standards， establishes the framework of the standards system， and comprehensively analyzes a series of schemes on standards for satellite gravity data from acquisition， inspection， achievement preservation， application service to management. This will provide reference for the formulation of relevant standards for gravimetric satellites in the future.

Keywords： gravimetric satellite， gravity standards， standards system， standards framework

衛星重力测量是近年发展起来的现代化调查方法，通过测量地球重力场的静态分布及其时变，可以反演获得地球总体形状随时间的变化、全球海洋质量和地下蓄水的分布和变化、极地冰川的变化以及信息的特性，广泛应用于基础地质研究、资源调查、国防建设、减灾防灾等领域。与地面重力和其它地球物理测量方法相比，卫星重力测量简便、快速、经济和绿色；不受地形起伏的影响，不受测区条件的限制，尤其是在海陆交互区、无人区、生态保护区等区域能够发挥难以替代的作用；同时还可以进行三维空间测量，不受假频的影响，具有非常广阔的应用前景[1]。目前，国际众多科研机构都在对其进行研究和制定远景规划，寻求更高精度的重力测量卫星，以求获取更高精度的全频段静态和时变地球重力场数据[2]。制定重力测量卫星和技术相关标准规范，对促进卫星重力测量在各行业的推广和应用有着非常重大的意义。为更好地把握这一机遇，文章对国内外重力测量卫星的研究现状进行了介绍，结合自然资源测绘各部门工作实际、市场需求和测绘标准化任务，深度思考与分析了重力测量卫星的标准建设，提出了标准体系框架，分析了相关行业内还需要制作的重力测量卫星相关标准，为日后重力测量卫星相关标准制订提供参考。

1 国内外重力测量卫星研究应用现状

1.1 国外重力测量卫星计划

在21世纪初，国外开展了高精度重力测量研究，经过20多年的快速发展，以地球物理测量为基础，形成了成熟的航空重力探测系统集成技术和通用卫星重力测量方法及数据处理技术。通过调研，对当前国外已经成功发射和正在研制的下一代重力测量卫星系统进行介绍。

CHAMP由德国自主研发，搭载有轨道和重力处理系统、电磁场处理系统及大气/电离层剖面系统等，主要用于测量地球重力场和磁场模型及其随时间的变化。

GRACE和GRACE-FO均由美国自主研发，两者卫星平台、作业原理和方法相同，GRACE可高精度探测地球重力场的中长波信号及时变，GRACE-FO用于高精度探测地球中短波静态和中长波时变重力场，重力场模型精度均较高。

SWARM由欧洲空间局研发，其非专业重力卫星，但搭载有矢量场磁强计，绝对标量磁强计，激光测距仪和GNSS接收机等重力探测关键有效载荷，可用于超高精度测量地球磁场和重力场。GOCE有欧洲航天局研发，搭载可对地球重力场变化进行三维测量的高灵敏度重力梯度仪，采用非保守力补偿技术，提高了地球重力场恢复的精度和空间解析度[3]。

E.MOTION是欧洲和加拿大共同研究的下一代卫星重力测量计划，预计采用钟摆式轨道，搭载有激光干涉测距仪、非保守力补偿系统和新一代GNSS接收机等设备，分别用于测量星间距离和星间速度、精密测量和补偿作用于卫星的非保守力和精密测量卫星的轨道位置和轨道速度，预计将获得精度更高、信息更加全面的地球重力数据。NGGM是由欧空盟和NASA联合提出的两队四星卫星重力任务，其主要目标是提供长时间跨度的时变地球重力场模型，并抑制GRACE时变重力场模型中所具有的高频混频现象，获得更高精度的地球重力场数据[4]。

1.2 国内重力测量卫星工程

（1）天琴一号

“天琴一号”技术试验卫星由我国中山大学主导研制，于2019年12月发射。截至目前，获取的全球重力场数据包括全球15阶地球重力场模型、全球重力异常分布网格图、全球大地水准面高分布网格图。这是我国首次使用国产自主卫星测得全球重力场数据，我国借此成为了继美国和德国之后第三个有能力自主探测全球重力场的国家。但“天琴一号”卫星是技术试验卫星，其主要目的是进行空间引力波探测关键技术验证，重力测量是其附带功能之一，重力场测量精度不高；其意义在于走通了利用低轨卫星反演全球重力场的数据处理全流程技术，为我国后续的重力卫星计划奠定了坚实的技术基础[5]。

（2）Post-GRACE卫星重力测量工程

Post-GRACE是我国目前正在进行研制的卫星重力测量工程计划，拟自主构建自主重力双星测量系统，进行高精度和高空间分辨率的卫星重力测量，旨在最大程度地提高重力卫星的观测精度和时空分辨率，解决当前GRACE全球重力场模型与我国现有地球重力场观测结果的差异问题。在满足全球重力场科学应用研究、航空航天和国防建设需求的同时，积累了我国未来月球卫星重力测量计划的高精度、高空间分辨率，以及成功实施太阳系火星、金星、水星等行星卫星重力测量和探测计划的经验[6]。

2 重力测量标准情况

国际上尚未见全行业统一制定的卫星重力测量技术规范、规程等技术标准，国内目前也没发布相关的标准。在航空重力测量与应用方面，国外不同机构根据自身特点制定了各自的内部技术要求，质量控制和数据处理在业内有比较统一的方法和标准，但没有形成统一的测量技术要求或测量技术规范。表1例举我国部分重力测量相关标准规范，可以对卫星重力测量相关标准的制定提供一定的参考和依据。

目前，国内有关重力测量的标准规范均不是专门的卫星重力测量标准，在GB/T 17944-2000《加密重力测量规范》中，主要对采用相对重力仪进行地面联测的重力测量方法进行了规定；GB/T 20256-2019《国家重力控制测量规范》适用于建设国家重力控制网，明确了施测基准点、基本点、一等点及相应的引点的建立方法和注意事项；5个行业标准中4个地质行业标准，1个石油天然气标准，均缺乏对卫星重力测量手段的规定。目前重力测量数据广泛应用于地球物理学、海洋学、空间技术、国防建设、减灾防灾、气候变化、地球形变等领域，已有标准均是针对在陆地、海洋进行重力测量所遵守的方法和规程，不适用于卫星重力测量，可提前对相关部分标准进行研制，用于指导和规范我国卫星重力测量相关产业和技术发展。

3 卫星重力测量标准体系框架建设建议

3.1 卫星重力测量标准框架构建

我國还暂时缺乏卫星重力方面的标准，地球重力场数据对国计民生具有重大战略意义，我国正在积极探索和开展相关工作，对相关卫星的研究取得了一定进展，非常有必要对相关标准进行研制，形成一定的标准体系框架，提前做好顶层规划。在广泛调研各测绘机构需求、意见和建议的基础上，根据国内外相关领域标准体系的划分原则与方法，结合我国目前卫星重力的研究进展，以测绘标准体系框架设计思想为指导[7]，对重力测量卫星标准体系进行了框架搭建。

按照测绘标准体系框架设计思想和标准体系的划分原则[8]，将卫星重力测量标准体系分为六大类，分别是定义与描述类、获取与处理类、检验与测试类、成果类、应用服务类和管理类，通过各类标准制定，实现卫星重力测量生产、管理、质检技术标准统一，充分保障成果质量和满足实际应用需求。各部分包含的范围及内容如下：

（1）定义与描述类：为达到对卫星重力测量一致的认识和理解，以其相关的定义、描述为对象制定标准，用以建立航空重力测量统一的时空基准与对相关概念进行规范，主要解决术语规范一致和时空基准统一问题。

（2）获取与处理类：我国目前有陆地和海洋重力测量等多项重力测绘标准，各标准之间存在有一定的关联和差异，需要对卫星重力测量成果数据的格式和精度指标等进行规定，对数据获取、处理和加工等过程、方法和技术参数进行确定，保证与现有重力成果数据的协调统一。

（3）检验与测试类：为验证卫星重力测量数据生产应用过程中不同成果和应用服务是否满足需求，以卫星重力测量各阶段不同成果数据和各种重力测量仪器设备、应用软件、系统平台和检验环境为对象制定标准，确定各种形式/类别的测绘成果、仪器设备、使用软件和系统平台以及检验环境的质量检验、质量评定内容和方法、技术要求等。

（4）成果类：在数据获取处理等标准统一的基础上，以不同卫星重力测量成果和产品为对象，描述各类成果的数据结构、规格、质量、分级分类等各方面需要满足的指标，保证其规范性。

（5）应用与服务类：以卫星重力成果数据、技术和成果服务满足用户需要为目的，针对其在不同领域内的应用，对数据和成果服务的定义和描述、成果内容、业务流程、交换，服务模式、内容和形式进行规范。

（6）管理类：以航空重力测量工作的项目管理、成果管理、文档管理、人员仪器安全和数据安全管理等，对管理的主体、对象、方法、内容和指标等进行标准制定。

对相关标准进行研制过程中，涉及到的技术指标和方法等需广泛地结合当前各类重力测量系统进行制定，随着卫星重力技术的发展和成熟，标准体系也需在实践中进一步扩展和完善。

3.2 编制方法和原则

卫星重力测量标准制定需遵循标准编制的统一性、协调性、实用性、一致性和规范性五项基本原则，同时要体现标准的全面性、先进性和可操作性。

（1）全面性。准确把握我国及国外卫星重力研究和生产现状，以最新的卫星重力测量技术要求，与航空重力、地面重力和海洋重力数据获取与成果使用单位密切沟通和交流，将不同重力技术、不同成果吸纳到规范里，在保证卫星重力测量标准合理性的同时，体现标准的全面性。

（2）可操作性。编制过程应大量收集国内外卫星重力测量的实测数据和技术性资料，经过分析与提炼作为规范编制的主要技术依据，确保编制的规范具有可操作性。

（3）先进性。积极与国际卫星重力技术和标准化交流，调查、收集和分析研究国内外最新卫星重力技术标准、测量技术要求和作业指导文件，积极借鉴和采用国际标准、国外先进标准与先进的技术要求，编制的卫星重力测量技术规范要达到目前国际先进水平，体现标准的先进性。

4 结 语

重力数据的获取有着十分重大的战略意义，当前国外的卫星重力测量数据生成与应用产业已经非常成熟，我国的相关研究和业务应用目前都处于起步阶段，提前对重力测量卫星进行标准体系框架研究，对各类型标准进行预制显得至关重要。本文根据大量调查资料，对所需标准进行了全面梳理，提出了框架建设的方案和制定原则，对相关标准的制定起到一定的引领和参考作用。

参考文献

[1]许厚泽，陆洋，钟敏，等.卫星重力测量及其在地球物理环境变化监测中的应用[J].中国科学：地球科学，2012，42（6）：843-853.

[2]程鹏飞，文汉江，刘焕玲，等.卫星大地测量学的研究现状及发展趋势[J].武汉大学学报（信息科学版），2019，44（1）：48-54.

[3]宁津生，王正涛，超能芳.国际新一代卫星重力探测计划研究现状与进展[J].武汉大学学报（信息科学版），2016，41（1）：1-8.

[4]郑伟，许厚泽，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.

[5]龙跃梅.“天琴一号”卫星测出全球重力场数据[N].科技日报，2022-03-10（004）.

[6]郑伟，许厚泽，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，2012，32（3）：152-159.

[7]国家测绘地理信息局.测绘标准体系（2017修订版）[M].北京：测绘出版社，2017.

[8]中国国家标准化管理委员会.标准体系构建原则和要求：GB/T 13016—2018[S].北京：中国标准出版社，2018.

作者簡介

田晓龙，硕士，工程师，从事大地测量、变形监测研究等工作。

（责任编辑：张瑞洋）