2005年2月第3卷第1期
中图分类号 P223
地理空间信息
GEOSPATIAL INFORMATION
文献标识码 A
Feb. 2005Voi.3 No.1
文章编号! 1672-4623 2005
01-0001-03
卫星重力测量
许厚泽! 周旭华! 彭碧波
(中国科学院测量与地球物理研究所 湖北武汉430077)
摘要! 确定高精度和高分辨率地球重力场模型是现代大地测量的基本目标之一! 卫星重力计划就是基于这一目标实施的" 文章简单地评述了卫星重力的发展现状! 介绍了三颗专用的重力卫星! 给出了卫星重力测量的基本原理! 最后比较了几种由重力卫星资料得到的地球重力场模型" 关键词! 卫星重力#地球重力场#重力测量
Satellite Gravity Measurement
XU HOU-ze, ZHOU XU-hUa, PENG Bi-bO
(Instituteof Geodesy &Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430077, China)
Abstract:One of the fundamentai scientific objectives of modern geodesy is to determine the high precision and high resoiution earth gravity fieid. The sateiiite gravity project is just for this object. In the paper, we discussed simpiy the deveiopment of sateiiite gravity measurement, and introduced three styies of gravity sateiiites, de ! scribed the theory of sateiiite gravity measurement, and compared severai different gravity fieid modeis obtained from the sateiiite gravity data in the end.
Key words:sateiiite gravity; earth gravity fieid; gravity measurement
#重力卫星发展现状
利用卫星测定地球重力场 主要有卫星地面跟踪技术 卫星对地观测技术 卫星跟踪卫星技术和卫星重力梯度技术
当前 静态地球重力场的确定主要依靠地面重力观测 卫星测高和低轨卫星跟踪三种资料的综合模式 其中长波长重力场的信息主要由地面对空间多颗不同倾角人造卫星的跟踪资料恢复提取 中短波长的重力场信息则来自地面重力观测和卫星测高资料 如人们广泛使用的EGM96模型即由此构建 动态地球重力场的研究一直是技术上十分困难的难题 自80年代中期才开始利用人造激光测距技术测定6阶以下的地球重力场带谐系数的时变量 包括地心的变化 地球扁率项的变化等 近十年来 有关地球重力场的研究表明 继续沿用经典的地球重力场恢复模式 对于静态部分 无论是在空间分辨率还是精度上都难以有明显改善 尤其是中长波长的信息部分 而时变部分由于利用力学模型来顾及大气对低轨卫星影响以提高定轨精度也达到了极限 必须寻找更有效的途径 早在70年代初 利用卫星技术及星载重力仪研究重力场的概念就已提出 进入80年代 许多欧美学者开始针对不同的专用重力卫星观测方案开始了数值模拟计算 同时专用重力观测的卫星系统设计和卫星的试验也逐步开始 经前后二十多年的反复论证和试验 最终卫卫跟踪和卫星重力梯度两种观测模式为国际大地测量界普遍接受
当今 全球重力场研究的热点是将中 低频重力
收稿日期! !"" 5-01-13
位模型提高到厘米级 三颗专用的地球重力场探测卫星CHAMP GRACE 和GOCE 就是为这一目标服务
$$C-AMP 1. ! 高低卫卫跟踪卫星$
2000年7月15日德国发射了高低卫卫跟踪的重力卫星 CHAMP 是由德国地球科学中心 GFZ 独立研制的 它的成功发射迈出了卫星重力学研究的重要一步 其设计寿命5年 圆形近极轨道 倾角83" 偏心率0.004 近地点约470km 主要目的为 1 确定全球中长波长静态重力场和随时间的变化 2 测定全球磁场和电场 3 大气和电离层探测 作为重力场的测定 低轨卫星上的星载双频GPS 接收机 以接收高轨GPS 卫星信号精密确定低轨卫星的轨道 利用卫星的质量中心安装了三轴加速度计测量非保守力 如大气阻力 太阳光压等 其测量精度在卫星轨道的切向可达5#10-9m/s2 在轨道径向和法向为5#10-8m/s2 星载设备还有SLR 反射棱镜和地磁探测仪
图$高低卫卫跟踪卫星" "" CHAMP
~2~
地理空间信息2005年
CHAMP 卫星尽管其定位技术采用了新Turbo Rogue 接收仪~利用加速度计测量非保守力和轨道低
等优点, 但重力场的衰减问题阻碍了其高空间分辨率, 据估计, CHAMP 卫星恢复重力场的空间分辨率可达500km , 在此分辨率下将比现有重力场模型的精度提高l~2个量级, 即大于l 000km 的中长波大地水准面测定精度可达到l cm
1. ! 低低卫卫跟踪卫星!! !
GRACE 图2低低卫卫跟踪卫星! !! GRACE
2002年3月l8日由美国为主, 美欧合作的低低卫
卫跟踪的重力卫星GRACE 发射升空 其轨道高度约500km 采用近极园轨道设计, 寿命约3~5年 GRACE 主要搭载的设备有:星载GPS 接收机, 进行低星与GPS
高星之间的跟踪测量; 三轴加速度计, 用以测量非保守力; K 波段微波仪, 进行低低卫卫跟踪测量, 其预期目标是:(l >测定中长波地球重力场, 5000km 长大地水准面精度达0.0l mm 500~5000km 波长大地水准面精度为0.0l~0.lmm , 比CHAMP 的精度提高两个数量级; (2>监测l5~30天或更长时间尺度长波重力场的时间变化, 预期大地水准面年变化的测定精度为0.0l mm /年;(3>探测大气~电离层环境 由于GRACE 是由两个相同的CHAMP 卫星组成, 均由星载GPS 接收机准确确定其轨道位置, 在同一轨道平面内运动, 前后间距约为220km , 沿轨迹方向两颗卫星的距离变化, 由K 波段微波测量装置以微米级精度实时测得(精度约为! m 级>, 可以测定中长波地球重力场的静态部分 GRACE 研究内容涉及到海平面变化及海洋环流~陆地水储量变化~冰盖变化等方面
1. " 重力梯度卫星!! !
GOCE 2005年, 欧洲空间局发射的载有高精度重力梯度计的GOCE 卫星, 将进行卫星重力梯度测量, 其轨道高度约250~260km (5~7个月的观测时间>,倾角97 , 偏心率小于0.00l , 靠近两极的纬度7范围以内无观测数据 星载设备有GRAS (GPS /GLONASS >接收机~卫星重力梯度仪和补偿大气阻力装置 卫星重力梯度仪的精度大约l ~3mE/! (lE=l0-9S -2>,带宽5>l0-3Hz-0.l Hz 对于l00km 波长, 确定重力场精度l~2毫伽, 大地水准面精度小于l cm
卫卫跟踪的重力场恢复, 国际上主要采用时域法或空域法 时域法以卫星运动方程为基础, 将卫星在时空中运行时的轨道摄动观测值直接表示成重力位
球谐函数展开式系数(
的函数, 由最小二
该方法的优点是精度较高, 它不需要对数据作网格化处理; 缺点是重力位球谐函数展开式阶次较高时, 求解的未知数太多 时域法的算法有线性摄动法, 卫星运动变分方程的数值积分法和数值差分法等 空域法利用卫星跟踪数据导出在卫星高度处的扰动重力或重力异常观测值, 将它们在以卫星平均轨道高度为半径的球面上进行网格化处理, 将问题转化为某个类型的边值问题的解, 可大大减轻计算量 可基于时域法和空域法的不同特点, 在卫卫跟踪模式的重力恢复中选择合适的方法
图S
重力梯度卫星! !! GOCE
由于利用卫星重力观测资料恢复地球重力场将大大提高其时空分辨率及精度, 能直接描述地球动力学系统的物质变化, 具有从重力场到固体地球物理~海洋学~冰川学~水文学~大地测量和海平面测定等广泛的应用前景, 对大地测量及地球物理学~海洋学及全球环境变化等有重要的科学意义, 对我国的基础测绘服务和国防建设有重要的实用价值
2
卫星重力测量基本原理
2. #
卫星观测资料反演地球重力场原理
地球重力场在地球外部空间一点产生的引力位可用球谐级数的展开来表示, 因此, 给定球谐展开的系数(称作位系数), 就确定出地球的重力场 根据重力场对卫星轨道摄动原理可知, 在考虑了非保守力的模型或直接测量出非保守力的影响, 并选定某参考的地球重力场, 可以理论计算出卫卫间距离~距离变化和梯度量 根据实际重力卫星测量值和理论计算值之差, 人们可求介出重力场位系数改正量, 把参考重力场系数加上该改正即为所求的重力场 其原理如图4所示
非保守力
参考重力场
距离" O
低轨卫星定轨
距离变化" ' O
重力场参数估计
#(C 梯度T lm , S lm >O
图4
卫星观测资料反演地球重力场原理
从广泛的意义上讲, 基于卫星观测资料确定地球重力场均可称为卫星重力测量 从上世纪60年代, 可用于确定地球重力场的观测技术包括早期的地面光电卫星跟踪技术~Doppler 地面跟踪技术~人造卫星激光测距技术和卫星测高技术 而现代的卫星重力测量技
第3卷第1期
许厚泽等! 卫星重力测量
~3
术通常特指卫卫跟踪技术和卫星重力梯度技术O
从观测技术和卫星计划的设计方面 现代的卫星重力测量与上世纪的技术有三点重要的不同之处O 其一是早期的技术均是地基跟踪技术 利用卫星的观测资料确定卫星轨道 通过重力场对卫星轨道的摄动谱 反演地球重力场O 该方法的缺点是对单一卫星轨道来说 地球重力场对卫星轨道的摄动只可表达为一组重力场球函数系数的组合O 要确定不同阶次的重力场系数必须有多颗不同倾角的卫星(卫星越多越好 O然而 实际情况是早期的资料精度太差以至于不可用 而高精度的观测资料卫星 人卫激光 Doppiel 卫星测高 太少O 其二是恢复重力场的时间太长O 如上述 要收集不同倾角的卫星资料需要几十年 最终导致资料的精度差异太大 系统不统一O 并且无法了解重力场随时间变化的特征O 其三是卫星轨道高度受定轨精度影响 早期的卫星高度通常都在800km 以上 由于地球重力
1+1
场的信号按a " 递减 原则上卫星高度应尽可能
低 以提高重力场的敏感性O 而现代的卫星重力测量技术已基本上克服了原有卫星技术的上述三大缺点 高低和低低卫星跟踪技术可以通过单一卫星计划一次性确定不同阶次的地球重力场 可以在几周至几月内完成确定重力场任务 卫星梯度计划可在一年内完成O 由于现代卫星重力计划设计中有利用高精度的GPS 技术 微波测距测速和星载加速度计测量 克服了大气非保守力影响 卫星设计高度可降至400km 左右 大大提高了对重力场的敏感性O Z~2卫星重力测量的观测量
重力卫星测量确定地球重力场其本质是把在轨运行的卫星轨道视为重力场的敏感器O 由于在轨运行的卫星上所有的测量仪器均处于失重状态 不可能在卫星上直接测量重力加速度O 而卫星本身的位置和速度向量在重力场的摄动下随时间变化 基于此采用卫卫跟踪测量方法 高精度地测量出与卫星的位置和速度
矢量有关的! 和!
! 即可反演重力场O 星载加速计作为辅助技术可测出低轨卫星的非保守力的摄动O 与卫卫跟踪不同 卫星梯度技术可以直接测出卫星在轨的重力场梯度值 以此为观测量反演出重力场O
在卫星重力测量技术用于确定地球重力场中 观测量的选择是至关重要的 它取决于现有的观测技术本身的水平以及卫星重力计划所要实现的目标O 由于卫星在轨运行期间受到地球重力加速度的影响 例如, 对一个400km 的卫星 重力场对卫" 卫跟踪距离的摄动为A 则对!
! 为A #10-3 对! ! 为A #10-6O 因此, 对卫卫技术而言 可用的观测量应为! 或!
! 具体如何选择要取决于现有的技术水平O 对于高低卫星跟踪模式 现有的技术为星载GPS 技术! 约为20000km ! 和! ! 的观测精度一般为2cm 和2cm/S 在没有更高的精度测量!
! 的技术情况下只能选择! 作为观测量O 对低低卫卫跟踪模式 高度400km 间距250km 左右 由于! ! 可以用微波技术 精度达1" m/S 而!
! 对非保守力相对不敏感 可选择!
! 作为观测量 对于低阶重力场 ! 仍为可用的观测量O 对卫星重力梯度模式 在轨卫星处的梯度观测即为直接观测量O 同时由于梯度观测对低阶重力场不敏感 ! 也必须作为观测量O 综上所述 三种卫星重力测量模式的观测量为1
高低卫卫跟踪1!
低低卫卫跟踪1!
! ! 卫星梯度测量1T !
! 目前国际上重力卫星解算的重力场模型
CHAMP 和GRACE 卫星的发射成功后 国际上利
用重力卫星测量资料解算了许多地球重力场模型 使用的反演方法主要有两种1一是能量积分方法 一是卫星轨道动力法O 其中 以德国地球科学中心 GFZ 和美国得克萨斯大学空间研究中心 CSR 所得结果最为理想O 目前 仅用GRACE 资料得到的中 长波精度相当好的静态地球重力场模型有GFZ 的EIGEN GRACE02S 和CSR 的GGM02S 模型O 两者的精度大致是175阶对应大地水准面误差约为1cm O
中科院测地所也利用了124天的GRACE 观测资料反演了地球重力场模型CDS02S 其位系数同国外同行结果差异不大 系数的累计误差也仅略大于国外同行结果O 图5给出了几种地球重力场模型系数与CDS02S 模型位系数互差的阶方差O 图中 EIGEN-CHAMP03S 模型是GFZ 利用25个月CHAMP 资料得到的 EIGEN GRACE02S 是GFZ 利用了110天GRACE 的卫星资料得到的 GGM01C 是CSR 利用111天GRACE 资料和其他地面重力观测资料联合研制的 EGM96是CHAMP 卫星发射之前的多颗卫星观测资料和其他地面重力观测资料联合研制的O
图
" 不同模型之位系数互差的阶方差
从图中可以看出 模型CDS02S 的位系数最接近
于GGM01C 与EIGEN-GRACE02S 差异也不大O 对于位系数小于60阶的地球重力场的长波部分 与EGM96模型差异最大O
参考文献
[1]许厚泽~卫星重力研究! 21世纪大地测量研究新热点[]]~测绘科学" 2001" 26! 1-3
[2]许厚泽" 沈云中~利用C-AMP 卫星星历恢复引力位模型的模拟研究[]]~武汉大学学报~信息科学版" 2001" 26#6$!483-486[3]
沈云中~应用C-AMP 卫星历精化地球重力场模型的研究[D ]~中国科学院测量与地球物理研究所" 2000
作者简介! 许厚泽 193$- 男 中国科学院院士 主要从事大地测量 地球重力场 地球内部物理等研究O
2005年2月第3卷第1期
中图分类号 P223
地理空间信息
GEOSPATIAL INFORMATION
文献标识码 A
Feb. 2005Voi.3 No.1
文章编号! 1672-4623 2005
01-0001-03
卫星重力测量
许厚泽! 周旭华! 彭碧波
(中国科学院测量与地球物理研究所 湖北武汉430077)
摘要! 确定高精度和高分辨率地球重力场模型是现代大地测量的基本目标之一! 卫星重力计划就是基于这一目标实施的" 文章简单地评述了卫星重力的发展现状! 介绍了三颗专用的重力卫星! 给出了卫星重力测量的基本原理! 最后比较了几种由重力卫星资料得到的地球重力场模型" 关键词! 卫星重力#地球重力场#重力测量
Satellite Gravity Measurement
XU HOU-ze, ZHOU XU-hUa, PENG Bi-bO
(Instituteof Geodesy &Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430077, China)
Abstract:One of the fundamentai scientific objectives of modern geodesy is to determine the high precision and high resoiution earth gravity fieid. The sateiiite gravity project is just for this object. In the paper, we discussed simpiy the deveiopment of sateiiite gravity measurement, and introduced three styies of gravity sateiiites, de ! scribed the theory of sateiiite gravity measurement, and compared severai different gravity fieid modeis obtained from the sateiiite gravity data in the end.
Key words:sateiiite gravity; earth gravity fieid; gravity measurement
#重力卫星发展现状
利用卫星测定地球重力场 主要有卫星地面跟踪技术 卫星对地观测技术 卫星跟踪卫星技术和卫星重力梯度技术
当前 静态地球重力场的确定主要依靠地面重力观测 卫星测高和低轨卫星跟踪三种资料的综合模式 其中长波长重力场的信息主要由地面对空间多颗不同倾角人造卫星的跟踪资料恢复提取 中短波长的重力场信息则来自地面重力观测和卫星测高资料 如人们广泛使用的EGM96模型即由此构建 动态地球重力场的研究一直是技术上十分困难的难题 自80年代中期才开始利用人造激光测距技术测定6阶以下的地球重力场带谐系数的时变量 包括地心的变化 地球扁率项的变化等 近十年来 有关地球重力场的研究表明 继续沿用经典的地球重力场恢复模式 对于静态部分 无论是在空间分辨率还是精度上都难以有明显改善 尤其是中长波长的信息部分 而时变部分由于利用力学模型来顾及大气对低轨卫星影响以提高定轨精度也达到了极限 必须寻找更有效的途径 早在70年代初 利用卫星技术及星载重力仪研究重力场的概念就已提出 进入80年代 许多欧美学者开始针对不同的专用重力卫星观测方案开始了数值模拟计算 同时专用重力观测的卫星系统设计和卫星的试验也逐步开始 经前后二十多年的反复论证和试验 最终卫卫跟踪和卫星重力梯度两种观测模式为国际大地测量界普遍接受
当今 全球重力场研究的热点是将中 低频重力
收稿日期! !"" 5-01-13
位模型提高到厘米级 三颗专用的地球重力场探测卫星CHAMP GRACE 和GOCE 就是为这一目标服务
$$C-AMP 1. ! 高低卫卫跟踪卫星$
2000年7月15日德国发射了高低卫卫跟踪的重力卫星 CHAMP 是由德国地球科学中心 GFZ 独立研制的 它的成功发射迈出了卫星重力学研究的重要一步 其设计寿命5年 圆形近极轨道 倾角83" 偏心率0.004 近地点约470km 主要目的为 1 确定全球中长波长静态重力场和随时间的变化 2 测定全球磁场和电场 3 大气和电离层探测 作为重力场的测定 低轨卫星上的星载双频GPS 接收机 以接收高轨GPS 卫星信号精密确定低轨卫星的轨道 利用卫星的质量中心安装了三轴加速度计测量非保守力 如大气阻力 太阳光压等 其测量精度在卫星轨道的切向可达5#10-9m/s2 在轨道径向和法向为5#10-8m/s2 星载设备还有SLR 反射棱镜和地磁探测仪
图$高低卫卫跟踪卫星" "" CHAMP
~2~
地理空间信息2005年
CHAMP 卫星尽管其定位技术采用了新Turbo Rogue 接收仪~利用加速度计测量非保守力和轨道低
等优点, 但重力场的衰减问题阻碍了其高空间分辨率, 据估计, CHAMP 卫星恢复重力场的空间分辨率可达500km , 在此分辨率下将比现有重力场模型的精度提高l~2个量级, 即大于l 000km 的中长波大地水准面测定精度可达到l cm
1. ! 低低卫卫跟踪卫星!! !
GRACE 图2低低卫卫跟踪卫星! !! GRACE
2002年3月l8日由美国为主, 美欧合作的低低卫
卫跟踪的重力卫星GRACE 发射升空 其轨道高度约500km 采用近极园轨道设计, 寿命约3~5年 GRACE 主要搭载的设备有:星载GPS 接收机, 进行低星与GPS
高星之间的跟踪测量; 三轴加速度计, 用以测量非保守力; K 波段微波仪, 进行低低卫卫跟踪测量, 其预期目标是:(l >测定中长波地球重力场, 5000km 长大地水准面精度达0.0l mm 500~5000km 波长大地水准面精度为0.0l~0.lmm , 比CHAMP 的精度提高两个数量级; (2>监测l5~30天或更长时间尺度长波重力场的时间变化, 预期大地水准面年变化的测定精度为0.0l mm /年;(3>探测大气~电离层环境 由于GRACE 是由两个相同的CHAMP 卫星组成, 均由星载GPS 接收机准确确定其轨道位置, 在同一轨道平面内运动, 前后间距约为220km , 沿轨迹方向两颗卫星的距离变化, 由K 波段微波测量装置以微米级精度实时测得(精度约为! m 级>, 可以测定中长波地球重力场的静态部分 GRACE 研究内容涉及到海平面变化及海洋环流~陆地水储量变化~冰盖变化等方面
1. " 重力梯度卫星!! !
GOCE 2005年, 欧洲空间局发射的载有高精度重力梯度计的GOCE 卫星, 将进行卫星重力梯度测量, 其轨道高度约250~260km (5~7个月的观测时间>,倾角97 , 偏心率小于0.00l , 靠近两极的纬度7范围以内无观测数据 星载设备有GRAS (GPS /GLONASS >接收机~卫星重力梯度仪和补偿大气阻力装置 卫星重力梯度仪的精度大约l ~3mE/! (lE=l0-9S -2>,带宽5>l0-3Hz-0.l Hz 对于l00km 波长, 确定重力场精度l~2毫伽, 大地水准面精度小于l cm
卫卫跟踪的重力场恢复, 国际上主要采用时域法或空域法 时域法以卫星运动方程为基础, 将卫星在时空中运行时的轨道摄动观测值直接表示成重力位
球谐函数展开式系数(
的函数, 由最小二
该方法的优点是精度较高, 它不需要对数据作网格化处理; 缺点是重力位球谐函数展开式阶次较高时, 求解的未知数太多 时域法的算法有线性摄动法, 卫星运动变分方程的数值积分法和数值差分法等 空域法利用卫星跟踪数据导出在卫星高度处的扰动重力或重力异常观测值, 将它们在以卫星平均轨道高度为半径的球面上进行网格化处理, 将问题转化为某个类型的边值问题的解, 可大大减轻计算量 可基于时域法和空域法的不同特点, 在卫卫跟踪模式的重力恢复中选择合适的方法
图S
重力梯度卫星! !! GOCE
由于利用卫星重力观测资料恢复地球重力场将大大提高其时空分辨率及精度, 能直接描述地球动力学系统的物质变化, 具有从重力场到固体地球物理~海洋学~冰川学~水文学~大地测量和海平面测定等广泛的应用前景, 对大地测量及地球物理学~海洋学及全球环境变化等有重要的科学意义, 对我国的基础测绘服务和国防建设有重要的实用价值
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卫星重力测量基本原理
2. #
卫星观测资料反演地球重力场原理
地球重力场在地球外部空间一点产生的引力位可用球谐级数的展开来表示, 因此, 给定球谐展开的系数(称作位系数), 就确定出地球的重力场 根据重力场对卫星轨道摄动原理可知, 在考虑了非保守力的模型或直接测量出非保守力的影响, 并选定某参考的地球重力场, 可以理论计算出卫卫间距离~距离变化和梯度量 根据实际重力卫星测量值和理论计算值之差, 人们可求介出重力场位系数改正量, 把参考重力场系数加上该改正即为所求的重力场 其原理如图4所示
非保守力
参考重力场
距离" O
低轨卫星定轨
距离变化" ' O
重力场参数估计
#(C 梯度T lm , S lm >O
图4
卫星观测资料反演地球重力场原理
从广泛的意义上讲, 基于卫星观测资料确定地球重力场均可称为卫星重力测量 从上世纪60年代, 可用于确定地球重力场的观测技术包括早期的地面光电卫星跟踪技术~Doppler 地面跟踪技术~人造卫星激光测距技术和卫星测高技术 而现代的卫星重力测量技
第3卷第1期
许厚泽等! 卫星重力测量
~3
术通常特指卫卫跟踪技术和卫星重力梯度技术O
从观测技术和卫星计划的设计方面 现代的卫星重力测量与上世纪的技术有三点重要的不同之处O 其一是早期的技术均是地基跟踪技术 利用卫星的观测资料确定卫星轨道 通过重力场对卫星轨道的摄动谱 反演地球重力场O 该方法的缺点是对单一卫星轨道来说 地球重力场对卫星轨道的摄动只可表达为一组重力场球函数系数的组合O 要确定不同阶次的重力场系数必须有多颗不同倾角的卫星(卫星越多越好 O然而 实际情况是早期的资料精度太差以至于不可用 而高精度的观测资料卫星 人卫激光 Doppiel 卫星测高 太少O 其二是恢复重力场的时间太长O 如上述 要收集不同倾角的卫星资料需要几十年 最终导致资料的精度差异太大 系统不统一O 并且无法了解重力场随时间变化的特征O 其三是卫星轨道高度受定轨精度影响 早期的卫星高度通常都在800km 以上 由于地球重力
1+1
场的信号按a " 递减 原则上卫星高度应尽可能
低 以提高重力场的敏感性O 而现代的卫星重力测量技术已基本上克服了原有卫星技术的上述三大缺点 高低和低低卫星跟踪技术可以通过单一卫星计划一次性确定不同阶次的地球重力场 可以在几周至几月内完成确定重力场任务 卫星梯度计划可在一年内完成O 由于现代卫星重力计划设计中有利用高精度的GPS 技术 微波测距测速和星载加速度计测量 克服了大气非保守力影响 卫星设计高度可降至400km 左右 大大提高了对重力场的敏感性O Z~2卫星重力测量的观测量
重力卫星测量确定地球重力场其本质是把在轨运行的卫星轨道视为重力场的敏感器O 由于在轨运行的卫星上所有的测量仪器均处于失重状态 不可能在卫星上直接测量重力加速度O 而卫星本身的位置和速度向量在重力场的摄动下随时间变化 基于此采用卫卫跟踪测量方法 高精度地测量出与卫星的位置和速度
矢量有关的! 和!
! 即可反演重力场O 星载加速计作为辅助技术可测出低轨卫星的非保守力的摄动O 与卫卫跟踪不同 卫星梯度技术可以直接测出卫星在轨的重力场梯度值 以此为观测量反演出重力场O
在卫星重力测量技术用于确定地球重力场中 观测量的选择是至关重要的 它取决于现有的观测技术本身的水平以及卫星重力计划所要实现的目标O 由于卫星在轨运行期间受到地球重力加速度的影响 例如, 对一个400km 的卫星 重力场对卫" 卫跟踪距离的摄动为A 则对!
! 为A #10-3 对! ! 为A #10-6O 因此, 对卫卫技术而言 可用的观测量应为! 或!
! 具体如何选择要取决于现有的技术水平O 对于高低卫星跟踪模式 现有的技术为星载GPS 技术! 约为20000km ! 和! ! 的观测精度一般为2cm 和2cm/S 在没有更高的精度测量!
! 的技术情况下只能选择! 作为观测量O 对低低卫卫跟踪模式 高度400km 间距250km 左右 由于! ! 可以用微波技术 精度达1" m/S 而!
! 对非保守力相对不敏感 可选择!
! 作为观测量 对于低阶重力场 ! 仍为可用的观测量O 对卫星重力梯度模式 在轨卫星处的梯度观测即为直接观测量O 同时由于梯度观测对低阶重力场不敏感 ! 也必须作为观测量O 综上所述 三种卫星重力测量模式的观测量为1
高低卫卫跟踪1!
低低卫卫跟踪1!
! ! 卫星梯度测量1T !
! 目前国际上重力卫星解算的重力场模型
CHAMP 和GRACE 卫星的发射成功后 国际上利
用重力卫星测量资料解算了许多地球重力场模型 使用的反演方法主要有两种1一是能量积分方法 一是卫星轨道动力法O 其中 以德国地球科学中心 GFZ 和美国得克萨斯大学空间研究中心 CSR 所得结果最为理想O 目前 仅用GRACE 资料得到的中 长波精度相当好的静态地球重力场模型有GFZ 的EIGEN GRACE02S 和CSR 的GGM02S 模型O 两者的精度大致是175阶对应大地水准面误差约为1cm O
中科院测地所也利用了124天的GRACE 观测资料反演了地球重力场模型CDS02S 其位系数同国外同行结果差异不大 系数的累计误差也仅略大于国外同行结果O 图5给出了几种地球重力场模型系数与CDS02S 模型位系数互差的阶方差O 图中 EIGEN-CHAMP03S 模型是GFZ 利用25个月CHAMP 资料得到的 EIGEN GRACE02S 是GFZ 利用了110天GRACE 的卫星资料得到的 GGM01C 是CSR 利用111天GRACE 资料和其他地面重力观测资料联合研制的 EGM96是CHAMP 卫星发射之前的多颗卫星观测资料和其他地面重力观测资料联合研制的O
图
" 不同模型之位系数互差的阶方差
从图中可以看出 模型CDS02S 的位系数最接近
于GGM01C 与EIGEN-GRACE02S 差异也不大O 对于位系数小于60阶的地球重力场的长波部分 与EGM96模型差异最大O
参考文献
[1]许厚泽~卫星重力研究! 21世纪大地测量研究新热点[]]~测绘科学" 2001" 26! 1-3
[2]许厚泽" 沈云中~利用C-AMP 卫星星历恢复引力位模型的模拟研究[]]~武汉大学学报~信息科学版" 2001" 26#6$!483-486[3]
沈云中~应用C-AMP 卫星历精化地球重力场模型的研究[D ]~中国科学院测量与地球物理研究所" 2000
作者简介! 许厚泽 193$- 男 中国科学院院士 主要从事大地测量 地球重力场 地球内部物理等研究O