9.5 卫星重力
9.5.1 地球的引力场
地球的引力场是由空间尺度不同、幅度不同的成分组成的，而且随时间而变化。在近地轨道上运行的人造地球卫星，由于复杂的地球引力场的作用，卫星轨道经受摄动。精确地确定卫星运行轨道，能够恢复（推导出）引力场，建立地球的全球引力场模型，绘制出重力异常图［37］。
利用人造地球卫星导出或（和）测量地球引力场有以下几个特点。
（1）可以迅速、全面地获取有关数据，通过数据处理，得到全球重力图，全面覆盖地球的每一个角落，不分国界，不会留下空白，便于全面、深入地分析和研究问题。
（2）可以隔一段不长的时间对全球进行一次观测，也就是说，由于地球物质重新分布（例如大型盆地地下水位的变化，巨型水库蓄水，极地冰盖、冰川融化）会引起重力场的变化，可对重力场进行动态监测，了解重力场随时间的变化。
（3）重力测量从地球表面测量上升为航空测量，再上升到空间测量，这是一种发展趋势。
卫星重力测量的精确度和空间分辨力从20世纪80年代的20×105 m/s2、50km（最短波长）到目前的1×105 m/s2、10km，以至更精细，并且开始应用于地质找矿工作，这也是一种发展趋势。现在，欧美科学家正在朝这个方向努力。不久的将来，卫星引力异常图也许会在勘查油气田和其他矿产等方面派上用场［38～41］。
9.5.2 三颗引力卫星CHAMP、GRACE、GOCE
在近地轨道上运行的人造地球卫星，由于复杂的地球引力场的作用，卫星轨道经受摄动。如果能够精确地确定卫星运行轨道，就能够恢复（推导出）引力场，因此在引力场中，运动的卫星恰似一个引力传感器（重力仪），这样任何一颗人造地球卫星都可称为引力卫星。为了利用近地轨道卫星测出更精确、空间分辨力更高的重力异常图，欧美科学家积极开展研究工作，先后提出10多种卫星引力测量方案。最近德国发射的重、磁两用卫星CHAMP，德国和美国合作发射的引力卫星GRACE，以及欧洲航天局发射的引力卫星GOCE分别体现其中三个优秀的、具有代表性的方案（SSThl、SSTll和SGG）［12，42～44］。
9.5.2.1 CHAMP
CHAMP是2000年7月15日德国地球科学研究中心GFZ（GeoForschungs Zentrum）发射的一颗地球物理研究与应用卫星，是一颗重、磁两用卫星。CHAMP是地球物理研究和应用挑战微型卫星负荷（卫星）（CH allnging microsatellite payload for geophysical research and application）的缩写，为了导出引力异常，它除了装有两种磁测仪器外，还装有新一代的星载GPS接收机，可以连续不断地、精确地确定卫星的位置，用轨道摄动的数据推算引力异常。GPS卫星的轨道高度是20 180km，而CHAMP的轨道高度为300～500km，用一颗高空卫星来追踪低空卫星以导出地球引力异常，这种方案称为SSThl（satellitetosatellite tracking in the highlow mode，记作SSThl）。CHAMP上还装有法国航空和航天研究中心（Office National d’Etudes et de Recherches Aerospatials，ONERA）设计制造的一台静电STAR加速度计［electrostatic STAR accelerometer，STAR是空间研究三轴加速度计（space threeaxis accelerometer for research mission）的英文缩写］，用来测量作用于卫星的非引力加速度，如空气阻力、地球反照和太阳辐射等，以获得仅仅由地球引力异常导致的轨道偏移。此外还有一组星光仪确定卫星相对于惯性参考系的姿态。CHAMP的发射，第一次利用单独一颗卫星的仪器测定地球的引力场，因此使建造引力场模型的工作进入了一个新时期（图99）。我们在第2章中已说过，CHAMP的运行时间从2000年7月到2010年9月，超期服役。
9.5.2.2 GRACE
实际上GRACE是双星，是恢复引力场和气候实验（gravity recovery and climate experiment）的英文缩写，由美国NASA和德国航天研究中心（Deutsches zentrum fur Luftund Raumfarht，DLR）共同出资1.45亿美元研制，2002年3月17日由俄罗斯发射。
图9-9 CHAMP卫星原理［43］
GRACE飞行任务由两颗一模一样的卫星来完成，它们一前一后相距220km，在同一条轨道上飞行，高度485km，极地圆形轨道，倾角89°。GRACE上也装有在CHAMP上使用过的高—低卫星追踪仪器，还装有经过改进的超级STAR（super STAR）静电加速度计。两颗卫星之间的距离用K频带18～40GHz测距系统连续不断地测定，测量精度优于10μm。两星间的距离变化反映两星感受到的引力的变化，也就是说，两颗卫星之间距离的变化是地球引力场特征的一种直接的度量。用一颗低空卫星追踪另一颗低空卫星以导出地球引力异常，这种方案称为SSTll（Satellite-to-Satellite Tracking in low-low mode，记作SSTll）。有的科学家认为，用这种方案是“测量”地球引力场沿卫星运行方向的梯度。同时以SSThl模式测量轨道的摄动，由此也可换算出引力场。SSThl和SSTll适合于发现地球引力场的中、长波成分（图910）。
9.5.2.3 GOCE
GOCE是欧洲航天局ESA（European Space Agency）发射的一颗恢复地球引力场的卫星，GOCE是重力场和稳态洋流探测卫星（the gravity field steadystate ocean circulation explorer）的英文缩写。GOCE已于2009年3月发射，它沿着一条非常接近圆形的太阳同步黎明—黄昏轨道飞行，高度280km。卫星上装载两台关键的仪器：一台是用于大地测量的GPS/GLONASS接收机，确定轨道的精度为几个厘米，GLONASS是全球导航卫星系统（global navigation satellite system）的英文缩写，是苏俄研制的导航系统，非常类似于GPS，由轨道的摄动可换算出中、长波长的引力场，最高球谐约60阶次；一台引力梯度仪（由三对伺服控制电容加速度计组成，每一对加速度计的距离为0.5m）测量3个坐标轴方向引力位的二阶导数，换算出引力场的中、短波长成分，其噪声水平低于3mE（3×1012 s2，mE：milli Eotvos，毫厄缶），可以测量1013 m/s2数量级的加速度。由于卫星轨道较低，测量引力梯度的灵敏度较高，GOCE确定大地水准面的准确度为1cm，确定引力的准确度为1×105 m/s2，空间分辨力为100km。在卫星上装载引力梯度仪直接测量引力位的二阶导数，再换算出引力场，这种方案称为卫星重力测量SGG（satellite gravity gradiometry，记作SGG）。GOCE是第一次实现SGG方案的代表，而且是一颗低轨道卫星，适合发现地球引力场的中、短波长成分（图911）。
图9-10 GRACE卫星原理［43］
图9-11 GOCE卫星原理［44］
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