如何利用卫星测量重力
如何利用卫星测量重力
地球重力是由地球对物体的吸引力和地球自转产生的惯性离心力合成的。由于地球内部、表面及其周围的空间都具有一定的质量，其产生的引力（重力）交织在一起就形成了重力场。人造卫星是在地球重力场作用下在空间绕地球运动的，要时时刻刻受到地球重力场的约束，对卫星轨道产生摄动影响。如果要对卫星进行精密定轨，必须知道精确的地球重力场参数。反之，精确测定卫星轨道的摄动，利用这些摄动的跟踪观测数据，根据地球重力场的特征与由此产生的真实卫星轨道与未受干扰的理想卫星运动的偏差之间的关系，进而可以精确反演地球重力场信息。
图1 GRACE 之前数十年卫星跟踪数据的重力异常（以 mgal 为单位）
目前常使用的地表重力测量手段主要有地表观测、航空测量等，而这些测量方式地形和气候影响较大，重力测量的地面覆盖率和分辨率受到极大的限制。于是，人们开始思考能够利用天上的卫星进行重力测量。其实，早在1957年，第一颗人造地球卫星Sputnik发射成功，人们开始把目光投向用卫星资料计算地球重力场。
卫星重力测量就是以卫星为载体，利用卫星本身为重力传感器或卫星所携带的重力传感器(加速度仪、精密测距系统和重力梯度仪等)，观测由地球重力场引起的卫星轨道摄动，以这些数据资料来反演和恢复地球重力场的方法和技术。卫星地面跟踪技术(地面跟踪观测卫星轨道摄动) 、卫星对地观测技术(主要是海洋卫星测高技术) 、卫星跟踪卫星 和卫星重力梯度测量技术。
卫星地面跟踪技术是采用摄影测量、多普勒观测或激光观测(等技术手段测定地球重力异常场(消除日月引力、地球潮汐、大气和太阳光压等因素)对卫星轨道的摄动，以此反演出地球重力场。
卫星跟踪卫星，有高低卫卫跟踪和低低卫卫跟踪两种模式。高低卫卫跟踪技术是由若干高轨同步卫星跟踪观测低轨卫星(高度500km左右) 的轨道摄动，确定地球扰动重力场。高轨卫星主要受地球重力场的长波部分影响，而且受大气阻力影响极小，轨道稳定性高，因而可以由地面卫星跟踪站对它进行精密定轨。低轨卫星由于在极低的轨道上运行，对地球重力场的摄动有较高的敏感性，其轨道摄动则由高轨卫星连续跟踪并以很高精度测定出来，同时低轨卫星上载有卫星加速计，补偿低轨卫星的非保守力摄动(主要是大气阻力)，其跟踪精度达到毫米级，恢复低阶重力场精度可以提高一个数量级以上，对应的低阶大地水准面精度达到毫米级。
图2 高低卫卫跟踪模式
低低卫卫跟踪是通过测定在同一低轨道上的两颗卫星之间(相距约200km左右) 的距离和距离变率反映两卫星星下点之间的地球重力场的变化。如果低轨卫星能以微米级的测距测速精度相互跟踪，同时还与GPS卫星构成空间跟踪网。
从原理上来说，当领先的卫星经过地球上重力稍强的区域时，它会检测到增加的引力并以如此轻微的速度加速，从而增加其与尾随卫星的距离。相反，当领先卫星经过重力稍弱的区域时，它会减速，从而缩短两颗卫星之间的距离。卫星之间的距离变化非常微小，大约是人类头发宽度的十分之一，以至于人眼无法察觉。GRACE 使用一种仪器测量这些变化，该仪器产生微波能量脉冲，在两颗卫星之间来回反弹。卫星之间的距离取决于微波脉冲从一颗卫星传播到另一颗卫星并返回的时间。
重力场的变化导致两颗卫星之间的距离发生变化：重力更强的区域首先影响领先卫星并使其加速远离第二颗卫星，距离变化由高精度微波链路测量或激光测距干涉测量，观察到的距离变化通过精确的加速度计针对非重力效应进行校正。
图3 卫星低低卫卫跟踪模式
卫星重力梯度测量是利用低轨卫星上所携带的高精度的超导重力梯度仪直接测定卫星轨道高度处的重力梯度张量，所有三个维度的加速度差异均在LEO卫星内直接测量。由于观测量(重力梯度张量)为重力位二阶导数，因此有能力恢复地球重力场的高阶部分(达180阶左右)，其精度可提高一个数量级以上。由于这类卫星的寿命设计一般为1年左右，仅能用于地球重力场的静态研究。
图4 卫星重力梯度测量跟踪模式
本文原文来自中国科学院网站