王留朋，郭燕平，馮 煒

(1.75719部隊，湖北武漢 430074；2.61081部隊，北京 100094)

GOCE重力衛(wèi)星在軍事上的應(yīng)用前景分析

王留朋1，郭燕平1，馮 煒2

(1.75719部隊，湖北武漢 430074；2.61081部隊，北京 100094)

對GOCE重力衛(wèi)星進行了詳細(xì)的介紹；分析了星上載荷的配置和功能。結(jié)合GOCE任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)，詳細(xì)分析了其在軍事上的應(yīng)用前景，并列出了軍事上重要的應(yīng)用方向。希望廣大測量界人士對GOCE重力衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域進行更多的利用。

GOCE；軍事應(yīng)用：重力測量

以“地球科學(xué)研究與應(yīng)用”（CHAMP）衛(wèi)星、“重力恢復(fù)和氣候試驗”（GRACE）衛(wèi)星和 “重力場和靜態(tài)洋流探索”（GOCE）衛(wèi)星為代表的衛(wèi)星重力測量技術(shù)克服自然與疆域的限制，為全球高覆蓋率、高分辨率和高精度重力測量開辟了新的有效途徑，使得以前所未有的精度和分辨率確定地球重力場的精細(xì)結(jié)構(gòu)成為可能。CHAMP、GRACE的相繼成功實現(xiàn)及其科學(xué)數(shù)據(jù)在相關(guān)領(lǐng)域的拓展應(yīng)用，是重力場測定的跨越式發(fā)展，也是大地測量學(xué)繼衛(wèi)星測高和GPS技術(shù)之后的又一次革命。獲得的觀測資料求得的重力場模型的精度相比以前有了1-2個數(shù)量級的提高。

GOCE重力衛(wèi)星克服了前兩項重力衛(wèi)星（CHAMP、GRACE）的一些局限性，必將給大地測量、地球物理、海洋學(xué)和軍事應(yīng)用等相關(guān)學(xué)科帶來一場新的革命。本文重點討論了GOCE重力梯度衛(wèi)星及其在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用前景。

1 GOCE衛(wèi)星任務(wù)

GOCE衛(wèi)星重約1000 kg，采用近圓極、太陽同步軌道、軌道平均高度為250 km，軌道傾角96.5?，任務(wù)期為2年。GOCE衛(wèi)星主要搭載一個有極高精度的衛(wèi)星梯度儀 (SGG)、一個用于精密定軌和高－低軌衛(wèi)衛(wèi)跟蹤的GPS/GLONASS接收機和一個用以補償非保守力的無阻尼裝置。GOCE可以說是新一代重力衛(wèi)星中最具特色的，它不僅采用了前兩顆衛(wèi)星（CHAMP、GRACE）都使用的衛(wèi)衛(wèi)跟蹤（SST）技術(shù)，而且還是第一顆采用重力梯度測量技術(shù)的衛(wèi)星。

GOCE在高分辨率、高精度重力場探測方面有四個基本而又獨特的性能：

①三維空間尺度內(nèi)的連續(xù)跟蹤；②對諸如空氣阻力、輻射壓力等非保守力的連續(xù)補償；③選擇的低軌道（約250 km）及該軌道處強烈的重力信號；④通過使用衛(wèi)星重力梯度來抵消重力場在高度方向上的衰減。

GOCE升空后在地球重力場研究中將與已經(jīng)運轉(zhuǎn)的CHAMP和GRACE實現(xiàn)功能上的互補。CHAMP是帶有試驗性質(zhì)的任務(wù)，在重力場測定方面主要確定全球長波靜態(tài)重力場并提供其隨時間變化的信息；GRACE用于提供靜態(tài)中、長波重力場和重力場的時變信息；而GOCE對重力場的短波部分敏感，主要目的則是提供空間分辨率高達(dá)80 km-200 km的靜態(tài)重力場信息。

GOCE任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)就是提供高精度和高分辨率的全球重力場和大地水準(zhǔn)面模型。模擬研究表明，GOCE將實現(xiàn)在空間分辨率達(dá)到100 km的情況下，全球大地水準(zhǔn)面精度達(dá)到 1 cm，重力異常的精度達(dá)到1-2mGal（mGal=10-5ms-2）的目標(biāo)。也必將為大地測量、地球物理、海洋學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域的研究和發(fā)展提供有利基礎(chǔ)，主要包括以下幾個方面：

1)高分辨率的重力異常和地震數(shù)據(jù)聯(lián)合起來使人們對地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其一系列動力學(xué)過程有更深入的認(rèn)識，如：巖石圈運動、內(nèi)部液體流動、地面隆起等過程及地幔結(jié)構(gòu)等。

2）高精度高分辨率大地水準(zhǔn)面聯(lián)合衛(wèi)星測高及海洋資料可精確確定平均海平面、海平面變化和絕對海洋環(huán)境；

3）可用于GPS水準(zhǔn)測量、高程系統(tǒng)統(tǒng)一、慣性導(dǎo)航中慣性加速度與重力加速度的分離及衛(wèi)星軌道確定等大地測量學(xué)領(lǐng)域；

4）利用GOCE任務(wù)獲得的高空間解析度模型可估計巖床的幾何形狀，從而估計冰層質(zhì)量流動；將其與冰面地形聯(lián)合起來可估計極地冰蓋的厚度，進而研究冰后回彈，研究基地冰融化對全球氣候的影響。

2 GOCE重力衛(wèi)星的軍事應(yīng)用前景

結(jié)合GOCE任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)，獲得高精度高分辨率的全球重力場和大地水準(zhǔn)面模型的軍事應(yīng)用領(lǐng)域主要有以下幾個方面：

2.1 提高間接瞄準(zhǔn)武器瞄準(zhǔn)精度

目前，用衛(wèi)星測高結(jié)合大地水準(zhǔn)面可以決定動力海平面起伏。同樣，GPS結(jié)合大地水準(zhǔn)面又可決定陸地的地形和地形高程，即借助于橢球面上的大地水準(zhǔn)面高程，橢球面上的幾何高（由GPS測量得到）就可以轉(zhuǎn)換成海平面上的高。在發(fā)達(dá)國家，由于技術(shù)的原因，高程參考系統(tǒng)的精度已經(jīng)較高。利用GOCE衛(wèi)星獲得的（低階）大地水準(zhǔn)面作為基礎(chǔ)，加上用局部地區(qū)地表重力數(shù)據(jù)得到的高階大地水準(zhǔn)面，就可得到一個高精度的更加實用的大地水準(zhǔn)面模型，其精度和空間分辨率分別可以達(dá)到1cm和5km。屆時，即使是在發(fā)展中國家，也就是沒有進行局部地表重力測量的地方，大地水準(zhǔn)面也可以使 GPS高直接轉(zhuǎn)換成水平高，不存在任何長周期偏差，只是由于缺少地表面重力測量將發(fā)生10～20 cm的誤差。

大地水準(zhǔn)面的精度對間接瞄準(zhǔn)武器和制導(dǎo)武器（如遠(yuǎn)程火炮、導(dǎo)彈）的命中精度有直接的影響。間接瞄準(zhǔn)武器發(fā)射時需要準(zhǔn)確測定發(fā)射點坐標(biāo)、目標(biāo)點坐標(biāo)和基準(zhǔn)方位（參考方位）的大地方位角，這是炮兵和導(dǎo)彈部隊射擊（發(fā)射）前最主要的準(zhǔn)備工作，因為間接瞄準(zhǔn)武器必須已知本地的坐標(biāo)和方位標(biāo)的大地方位角才能進行瞄準(zhǔn)，而大地水準(zhǔn)面是所有這些坐標(biāo)的基準(zhǔn)。

2.2 提高遠(yuǎn)程導(dǎo)彈的命中精度

導(dǎo)彈的命中精度是一個非常重要的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)，也是代表導(dǎo)彈發(fā)射水平的重要標(biāo)志。根據(jù)國內(nèi)外武器專家的研究，命中精度的提高與彈數(shù)及當(dāng)量三者之間的關(guān)系是：精度提高1倍，相當(dāng)于彈數(shù)增加3倍，當(dāng)量增加7倍；精度提高2倍，相當(dāng)于彈數(shù)增加8倍，當(dāng)量增加26倍；精度提高3倍，相當(dāng)于彈數(shù)增加15倍，當(dāng)量增加63倍。由此可見，提高命中精度是實施武器毀傷打擊的最經(jīng)濟最有效的手段，因此，一些軍事大國一直將提高導(dǎo)彈的命中精度作為武器發(fā)展的關(guān)鍵。

慣性導(dǎo)航是衛(wèi)星、導(dǎo)彈、潛艇、軍用及民航飛機最常用的導(dǎo)航方法。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中最核心的傳感器是一組陀螺儀和加速度儀，安裝在空間固定平臺或固定在飛行器上。其原理是：由陀螺儀控制加速度儀的方向，加速度儀測量飛行器的合成加速度的變化，加速度儀的輸出經(jīng)一重、二重積分分別得出速度和位置的差量。其誤差來源是：加速度儀測量的不只是飛行器的加速度，而且還有飛行器運動加速度和重力加速度疊加后合成的加速度的變化。目前重力加速度部分一般采用地球外部重力場模型，結(jié)果是所有與重力模型相關(guān)的誤差都被引入飛行器的加速度中，自然也影響到速度和位置的精度。

對于導(dǎo)彈來說，遠(yuǎn)程洲際彈道導(dǎo)彈都是核導(dǎo)彈，只要能打到目標(biāo)城市上空就行，差幾百米甚至幾公里都不成問題。而戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈（如巡航導(dǎo)彈）如果重力場精度差是不允許的。由GOCE等重力衛(wèi)星提供的精密重力場模型可以大大減小這個誤差源帶來的誤差，從而大大提高導(dǎo)彈的命中精度。

另外，由于大地水準(zhǔn)面的厘米級精度已有可能使所有高程系統(tǒng)以厘米精度聯(lián)接在一起，只需每個高程系統(tǒng)中至少有一個基準(zhǔn)點進行定位。高程系統(tǒng)的統(tǒng)一對于遠(yuǎn)程及全球打擊武器至關(guān)重要。

2.3 改善人造地球衛(wèi)星的發(fā)射及定軌精度

高精度重力場模型將改善衛(wèi)星軌道計算，尤其是低軌衛(wèi)星。這種模型有可能將靜態(tài)重力場和其他擾動源所產(chǎn)生的擾動相分離，后者不僅包括大氣阻力、太陽輻射等非保守力，而且包括了固體潮和海潮等產(chǎn)生的擾動。GOCE將使重力場模型將得到進一步提高，這些擾動模型的精度也都將得到改善，從而改善衛(wèi)星軌道計算。

衛(wèi)星發(fā)射場要測定許多重力點。發(fā)射衛(wèi)星時，運載火箭在發(fā)射場上有一段近地低速飛行，此時火箭制導(dǎo)系統(tǒng)對地球重力場的高頻信息非常敏感，由重力場引起的加速度誤差，很快累積成速度誤差，影響衛(wèi)星正確入軌；其次是計算發(fā)射點的垂線偏差和高程異常，也需要精細(xì)的重力場資料；其三是火箭發(fā)射的慣性儀表在發(fā)射場測試時，其結(jié)果與儀表位置的重力加速度密切相關(guān)。因此，衛(wèi)星發(fā)射場需要地球重力場的精細(xì)結(jié)構(gòu)，必須在發(fā)射場區(qū)測定足夠精度和密度的重力點，建立場區(qū)局部重力場模型，才能保證發(fā)射成功。

2.4 海洋重力場精度是海上戰(zhàn)略武器精度的重要保證

戰(zhàn)略導(dǎo)彈是軍事威懾的重要手段。由于衛(wèi)星偵察手段的日臻完善，陸基戰(zhàn)略導(dǎo)彈的安全性受到威脅。盡管機動性好的車載系統(tǒng)發(fā)展較快，但是高技術(shù)戰(zhàn)爭的突發(fā)性和戰(zhàn)術(shù)武器制導(dǎo)的精確性都給這些戰(zhàn)略武器的隱蔽攻擊造成了很大的困難。為此，軍事大國相繼研制了能夠在海面以下依靠潛艇發(fā)射的戰(zhàn)略核導(dǎo)彈，并取得了成功。但是，海上戰(zhàn)略武器要想真正發(fā)揮作用，精確確定發(fā)射諸元是十分重要的。

運用GOCE衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合衛(wèi)星測高和一定量的海洋重力測量數(shù)據(jù)計算出比較精確的高階重力位模型，并推算出指定海域的海洋重力場。利用這些重力場信息并在相關(guān)軟件的支持下，計算出相應(yīng)發(fā)射點的垂線偏差分量，并及時通過網(wǎng)絡(luò)提供給發(fā)射指揮系統(tǒng)，修正發(fā)射諸元，保證導(dǎo)彈精確命中目標(biāo)。

3結(jié)語

CHAMP、GRACE任務(wù)成功實現(xiàn)后，GOCE衛(wèi)星重力探測技術(shù)是國際大地測量學(xué)界繼GPS之后的又一次革命性突破，將推動大地測量、地球物理等相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。目前，我國尚無力對全球重力場進行有效觀測覆蓋，充分利用國外衛(wèi)星重力資源不僅可以解決全球連續(xù)覆蓋，而且可以快速、經(jīng)濟實惠地獲取全球重力場觀測信息。因此，我們?nèi)绾纬浞掷眠@些衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)為我所用顯得既重要又迫切。

[1] 寧津生.衛(wèi)星重力探測技術(shù)與地球重力場研究[J].大地測量與地球動力學(xué),2002,22(1):1-5

[2] Drinkwater M R,Floberghagen R,Haagmans R,et al.GOCE: ESA's First Earth Explorer Core Mission[A].In Beutler G B, DrinkwaterM R,RummelRand SteigerR yon.Earth Gravity Field from Space-from Sensors to Earth Sciences[C].In the Space Sciences Seriies of ISSI,2003,Vol.18,419-432,K luwer Academic Publishers,Dordrecht,Netherlands ISBN:1-4020-1408 -2.

[3] ESA.Gravity Field and Steady-state Ocean Circulation Mission [R].Report for Mission Selection of the FourCandidateEarth Explorer M issions,ESA Publications Division.ESA SP-1233(1), July 1999.

[4] 申文斌,王正濤,鐘秋菊,等.利用衛(wèi)星觀測能量法確定重力場的研究[A].中國地球物理第二十一屆年會論文集[C].2005：34-38

[5] 吳曉平.擾動重力場元確定中的數(shù)據(jù)分布結(jié)構(gòu)及重力異常階方差模型的改進[A].西部大開發(fā)科教先行與可持續(xù)發(fā)展—中國科協(xié)2000年學(xué)術(shù)年會文集[C].2000：22-27

GOCE Satellite in the Military App lications

by Wang Liupeng

GOCE gravity satellite described in detail.Analysis of load on the satellite con figuration and functionality.GOCE m ission's scientific goals combined with a detailed analysis of its prospects in the military applications,and list important application on the direction of the military.We hope that the measurement sector of the GOCE gravity field o f satellite applications for moreuse.

GOCE,military applications,gravity measurement （Page:11）

P223

B

1672-4623(2011)01-0011-02

2010-04-19

項目來源：國家863計劃資助項目（2006AA06A202）；全國優(yōu)秀博士學(xué)位論文作者專項基金資助項目 (200344)。

王留朋，碩士，主要從事GPS導(dǎo)航定位研究。