重力卫星及其应用
一、地球重力场研究现状
地球重力场是地球的基本物理场之一。重力场及其时变反映了地球表层及内部的密度分布和物质的运动状态，同时决定着大地水准面的起伏和变化。因此，重力场的研究历来是大地测量学的热点之一。
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这一经典模式，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的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，例如人们广泛使用的EGM96模型即由此构建。动态地球重力场的研究一直是一个技术上的难题，直到上世纪80年代中期才开始利用人造激光测距技术测定6阶以下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。但近10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，其静态部分无论是在空间分辨率上还是在精度上都难以有明显的改善，尤其是中长波长的信息部分，其时变部分由于大气对低轨卫星定轨的影响也达到了极限，必须寻找更有效的途径，这就导致了卫星重力研究的兴起。
二、重力卫星研究进展
传统的地面重力测量工作耗时多、劳动强度大，特别是有许多难以到达的地区，致使重力测量数据的地面覆盖率、分辨率受到极大的限制，这是确定重力场模型、推算大地水准面时提高精度和分辨率的最大障碍。卫星重力测量技术为全球高覆盖率、高分辨率和高精度重力测量开辟了新的有效途径，使得以前所未有的精度和分辨率确定地球重力场的精细结构成为可能。
尽管卫星重力学的概念及其预研工作开始较早，其可行性及前景也非常明确，但由于空间技术的复杂性以及高精度卫－卫跟踪仪器和重力梯度仪研制的困难，国际上重力专用卫星计划及其实施历经坎坷，历时近30年，直至上世纪末才有重大转机。1999年在英国伯明翰举行的国际大地测量和地球物理联合会(IUGG)第22届大会的主题报告和决议中卫星重力学被各国科学家视为大地测量研究的里程碑。国际大地测量协会(IAG)通过的决议指出，鉴于IUGG已将“必须精密、详细地测量地球重力场及其时间变化”写进第22届大会决议，应加紧“重力恢复与气候试验”(GRACE)卫星和“重力场与稳态海洋循环任务”(GOCE)卫星的研究进度。其中GRACE将是第一个低低轨道卫－卫跟踪系统，主要用来研究重力场的时间变化；GOCE将是第一个重力梯度卫星系统，用于确定较高空间分辨率的重力场。它们的应用领域非常广泛，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。
2000年7月15日德国发射了采用高低卫－卫跟踪技术的“挑战微型卫星有效载荷”(CHAMP)卫星，迈出了卫星重力学研究重要的一步，随后由美欧合作的低低卫－卫跟踪重力卫星GRACE也于2002年3月发射升空。CHAMP卫星是卫星重力学研究的先导和试验卫星，而GRACE卫星则充分展现了卫星重力学研究的主要功能和优越性。欧空局计划在2005年发射载有高精度重力梯度仪的GOCE卫星。因此，从现在起的未来几年内，世界各国科学家呕心沥血孕育的卫星重力学将最终得以实现。
下面就CHAMP、GRACE及GOCE三颗重力卫星的技术做一简单阐述。
CHAMP是由德国波茨坦地学研究中心(GFZ)独立研制的，也是世界上首次采用高低轨道卫－卫跟踪技术的重力卫星。它利用高轨道卫星来确定低轨道卫星的轨道坐标，高轨道卫星是指GPS卫星，低轨道卫星是指CHAMP。CHAMP卫星预期寿命5年，运行在圆形近极轨道，倾角83度，偏心率0．004，近地点约470千米。其主要目的是：(1)确定全球中长波长静态重力场及其随时间的变化；(2)测定全球磁场和电场；(3)大气和电离层探测。为了重力场的测定，卫星上搭载了两个重要设备，一是星载双频GPS接收机，用以接收高轨GPS卫星信号，以精密确定CHAMP卫星的轨道；二是三轴加速度计，放置在整个卫星的重心处，用以直接测量出卫星的非保守力摄动。为了监测磁场、大气和电离层，卫星上还安装了磁力仪等其他设备。CHAMP卫星反演重力场的空间分辨率可达到500千米，在此分辨率下将比现有重力场模型的精度提高1～2个数量级，即1000千米波长以上中长波大地水准面测定精度可达到1厘米。
GRACE是美国航宇局和德国GFZ联合研制的重力卫星，采用低低卫－卫跟踪技术，即同时发射两颗卫星，进入同一低轨道，轨道高度约500千米，两星相距约200千米，两星除携带星载GPS接收机以准确确定其轨道位置外，还以微米级精度实时测量两个低轨卫星之间的距离及其变化率，仍采用近极圆轨道设计，寿命约3～5年。这种技术既包含了两组高低卫－卫跟踪测量系统，还以差分原理测定两个低轨卫星的相互运动，因此较之CHAMP卫星，其精度大大提高。为了重力场的测定，GRACE主要搭载的设备有：Turbo－Rogue GPS接收机，用于进行GRACE与GPS的高低卫－卫跟踪测量；三轴加速度计，用以测量非保守力；K波段微波仪，用于进行低低卫－卫跟踪测量。其主要任务是：(1)测定中长波地球重力场，5000千米波长大地水准面精度达0．01厘米，500千米波长大地水准面测定精度可达0．01毫米，比CHAMP的精度提高两个数量级；(2)监测15～30天或更长时间段中长波重力场随时间的变化，预期大地水准面年变化的测定精度为0．01毫米/年；(3)探测大气、电离层环境。由于GRACE能提供极高精度的中长波长的地球重力场，同时给出中长波重力场的时间变化，因此它将是卫星重力研究划时代的开端。
GOCE是由欧空局研制的重力卫星，计划在2005年发射。它利用卫星重力梯度测量原理，直接用卫星梯度仪测量出低轨卫星处重力位的二阶导数，然后按边值问题反演出地面重力场，同时采用高低卫－卫跟踪技术，即利用GPS/GLONASS精密测定轨道位置。卫星轨道高度约250千米，近极圆轨道，以利于反映短波长高阶重力场信息。其携带的设备主要有：GPS/GLONASS组合接收机，三轴重力梯度仪或超导重力梯度仪以及姿态控制系统。GOCE的主要目的是提供高分辨率的静态重力场信息，预期重力场空间分辨率(半波长)达到100千米左右。
综上所述，CHAMP、GRACE和GOCE是卫星重力研究的一个整体系列，彼此互补并具有不同的应用价值。CHAMP是概念性的试验，GRACE提供高精度的静态中长波重力场及重力场的时变信息，GOCE用于高阶静态重力场的测定。
三、重力卫星的军事应用
自然界中的一切现象几乎都与重力有着密切的关系，地球重力场的确定在地球科学、军事领域及其他相关学科中具有重要意义。例如：(1)在科学研究中，可以利用重力测量的数据去测定地球的弹性、密度及地壳的构造，可以利用重力异常数据精化地球重力场，推求出更高阶(720阶甚至1800阶)的地球重力场模型；(2)对于地球物理勘探来说，由于重力异常是地球内部物质结构与运动的物理特性的一种表现，它与地球内部构造有着密切的关系，因此，可以利用重力异常和大地水准面起伏的精细结构来寻找矿藏和了解地质构造，反演出地球内部结构、地幔对流及板块运动等；(3)在民用建筑中仍然要考虑到重力的影响，如铁路、桥梁和码头等；(4)在航天领域，重力测量资料可以为卫星、航天飞机和其它宇宙探测器的发射、制导、跟踪、遥测、定轨以至返回提供服务；(5)在军事上，精密的重力场测量可以减少各类间接瞄准武器和制导武器的偏差，各类高精度惯性导航也需要地球重力场的精细结构及垂线偏差等信息。
(1)大地水准面的精度对间接瞄准武器瞄准精度的影响
重力卫星的发射提高了大地水准面的精度。目前，用卫星测高结合大地水准面可以决定动定海平面起伏。同样，GPS结合大地水准面又可决定陆地的地形和地形高程，即借助于椭球面上的大地水准面高程，椭球面上的几何高(由GPS测量得到)就可以转换成海平面上的高。在发达国家，由于技术的原因，高程参考系统的精度已经较高。
利用GOCE卫星获得的(低阶)大地水准面作为基础，加上用局部地区地表重力数据得到的高阶大地水准面，就可得到一个高精度的更加实用的大地水准面模型，其精度和空间分辨率分别可以达到1厘米和5厘米。届时，即使是在发展中国家，也就是没有进行局部地表重力测量的地方，大地水准面也可以使GPS高直接转换成水平高，不存在任何长周期偏差，只是由于缺少地表面重力测量将发生10～20厘米的误差。
大地水准面的精度对间接瞄准武器和制导武器(如远程火炮、导弹)的命中精度有直接的影响。间接瞄准武器发射时需要准确测定发射点坐标、目标点坐标和基准方位(参考方位)的大地方位角，这是炮兵和导弹部队射击(发射)前最主要的准备工作，因为间接瞄准武器必须已知本地的坐标和方位标的大地方位角才能进行瞄准，而大地水准面是所有这些坐标的基准。
(2)大地水准面精度的提高使统一高程系统成为可能
世界仍有很多高程系统尚未联接到一起。每个系统都有一个参考点，通常是在靠近海边的一个基石上。该基石位于由水准联测和验潮测量得到的平均海平面上。当不需要比较不同高程系统的高程值时，各系统的不连续是不重要的。由于大地水准面的精度，已有可能使所有高程系统以厘米精度联接在一起，只需每个高程系统中至少有一个基准点进行定位。高程系统的统一对于远程及全球打击武器至关重要。
(3)提高惯性导航的精度
惯性导航常用于卫星、导弹、潜艇、军用及民航飞机的导航。惯性导航系统中最核心的传感器是一组陀螺仪和加速度仪，安装在空间固定平台或固定在飞行器上。其原理是：由陀螺仪控制加速度仪的方向，加速度仪测量飞行器的合成加速度的变化，加速度仪的输出经一重、二重积分分别得出速度和位置的差量。其误差来源是：加速度仪测量的不只是飞行器的加速度，而且还有飞行器运动加速度和重力加速度叠加后合成的加速度的变化。目前重力加速度部分仅考虑了简单的椭球体重力模型，结果是所有与椭球体重力模型相关的误差都被引入飞行器的加速度中，自然也影响到速度和位置的精度。由重力卫星提供的精密重力场模型可以大大减小这个误差源带来的误差。
对于导弹来说，在某一特定区域内(如导弹飞行路线)，不同地点上导弹所受重力会因地球内部质量不同(如沿线存在不同比重的矿体)而不同。这一特性将严重影响经过该区域的导弹轨迹，也就是说，导弹飞行路线上的地球重力场的变化将影响导弹的命中精度。因此，导弹命中精度不仅仅取决于导弹本身所具有的各方面的良好性能，还取决于已确定轰炸目标的坐标精度和导弹飞行路线上的地球重力场。对于飞越外太空的远程洲际弹道导弹来说，一般都采用测量学上的地球外部重力场数学模型。由于它是理论上的，与实际状况有偏差，因此，远程洲际弹道导弹的命中精度都较低。但是，远程洲际弹道导弹都是核导弹，只要能打到目标城市上空就行，差几百米甚至几公里都不成问题。而战术导弹(如巡航导弹)如果精度这样差是不允许的。如果在战时，能利用重力卫星实时测定战场的地球重力场，将大大提高武器装备的精度。
(4)重力场精度的提高将改善卫星的发射及定轨精度(重力场在航天领域的应用)
高精度重力场模型将改善卫星轨道计算，尤其是低轨卫星。这种模型有可能将静态重力场和其它扰动源所产生的扰动相分离，后者不仅包括大气阻力、太阳辐射等非保守力，而且包括了固体潮和海潮等产生的扰动。可以预见，随着重力场模型的进一步提高，这些扰动模型的精度都将得到改善，从而改善卫星轨道计算。
卫星发射场要测定许多重力点。发射卫星时，运载火箭在发射场上有一段近地低速飞行，此时火箭制导系统对地球重力场的高频信息非常敏感，由重力场引起的加速度误差，很快累积成速度误差，影响卫星正确入轨；其次是计算发射点的垂线偏差和高程异常，也需要精细的重力场资料；其三是火箭发射的惯性仪表在发射场测试时，其结果与仪表位置的重力加速度密切相关。因此，卫星发射场需要地球重力场的精细结构，必须在发射场区测定足够精度和密度的重力点，建立场区局部重力场模型，才能保证发射成功。
(5)海洋重力场精度是海上战略武器精度的重要保证
战略导弹是军事威慑的重要手段。由于卫星侦察手段的日臻完善，陆基战略导弹的安全性受到威胁。尽管机动性好的车载系统发展较快，但是高技术战争的突发性和战术武器制导的精确性都给这些战略武器的隐蔽攻击造成了很大的困难。为此，军事大国相继研制了能够在海面以下依靠潜艇发射的战略核导弹，并取得了成功。但是，海上战略武器要想真正发挥作用，精确确定发射诸元是十分重要的。其中，在武器发射的相关海域必须进行一定密度的海洋重力测量，或者综合利用卫星跟踪、卫星测高和一定量实测重力数据计算出比较精确的高阶位模型，推算出指定海域的海洋重力场。利用这些重力场信息并在相关软件的支持下，计算出相应发射点的垂线偏差分量，并及时通过网络提供给发射指挥系统，修正发射诸元，保证导弹精确命中目标。