廖 鶴,祝 竺,趙艷彬,李洪銀

(1.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109; 2.華中科技大學(xué) 物理學(xué)院,湖北 武漢 430074;3.華中科技大學(xué) 地球物理研究所,湖北 武漢 430074)

下一代高精度衛(wèi)星重力測量技術(shù)研究

廖 鶴1,祝 竺1,趙艷彬1,李洪銀2、3

(1.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109; 2.華中科技大學(xué) 物理學(xué)院,湖北 武漢 430074;3.華中科技大學(xué) 地球物理研究所,湖北 武漢 430074)

以下一代高精度衛(wèi)星重力測量為背景，針對低低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤模式與衛(wèi)星重力梯度測量模式，論述了下一代低低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤和下一代重力梯度測量衛(wèi)星方案。下一代低低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤重力衛(wèi)星采用納米級星間激光測距替代原微波測距，同時降低軌道高度以提高重力場敏感度。下一代重力梯度測量衛(wèi)星采用原子干涉重力梯度儀替代靜電重力梯度儀，原子干涉重力梯度儀在空間有超高的潛在靈敏度，可進(jìn)一步提高衛(wèi)星重力梯度測量的精度。同時，突破現(xiàn)有牛頓力學(xué)框架下的衛(wèi)星重力測量技術(shù)，提出了基于廣義相對論引力鐘慢效應(yīng)的衛(wèi)星重力測量技術(shù)概念，衛(wèi)星遍歷地球周圍空間時，通過測量星上時鐘頻率變化獲取全球重力分布。仿真結(jié)果表明：三種新型高精度衛(wèi)星重力測量技術(shù)可恢復(fù)200～305階的全球重力場模型。

地球重力場； 衛(wèi)星重力測量； 低低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤； 衛(wèi)星重力梯度測量； 激光測距； 原子干涉； 引力鐘慢效應(yīng)

0 引言

衛(wèi)星重力測量是以衛(wèi)星為載體，利用衛(wèi)星本身或所攜帶的載荷作為重力傳感器(加速度計、精密測距系統(tǒng)、重力梯度儀等)，觀測由地球重力場引起的衛(wèi)星軌道攝動或直接測量地球重力場有關(guān)參量，以這些數(shù)據(jù)資料確定地球重力場分布的方法和技術(shù)[1]。衛(wèi)星重力測量具有高效、高精度、全天候、全球覆蓋的特點，是獲取全球重力場最有效的手段之一，并得到了迅速發(fā)展與應(yīng)用。21世紀(jì)以來，歐美國家先后通過衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星技術(shù)與衛(wèi)星重力梯度測量技術(shù)成功獲得了高精度的地球重力場模型。衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星技術(shù)是指星間的精密定位跟蹤，分為兩種模式：一種是高低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤模式(SST-HL)，通過高軌衛(wèi)星(GPS)跟蹤低軌衛(wèi)星的軌道攝動確定地球的擾動重力場，如2000年發(fā)射的CHAMP衛(wèi)星，將全球重力場恢復(fù)至70階左右(對應(yīng)空間分辨率285 km)；另一種是低低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤模式(SST-LL)，通過對兩顆低軌衛(wèi)星間的精密測距或測速獲取地球重力位的變化信息，反演出地球重力場的位系數(shù)，如2002年發(fā)射的GRACE衛(wèi)星，將全球重力場恢復(fù)至120階左右(對應(yīng)空間分辨率166 km)，同時測量了重力場的時變信息[2-3]。衛(wèi)星重力梯度技術(shù)(SGG)則是利用星載重力梯度儀直接測量軌道處的重力梯度張量獲取地球重力場信息，如2009年歐空局發(fā)射的GOCE衛(wèi)星，將全球靜態(tài)重力場恢復(fù)至200階左右(對應(yīng)空間分辨率100 km)[4]。但這些已有的重力場模型精度仍無法滿足現(xiàn)代大地測量學(xué)、固體地球物理學(xué)、海洋學(xué)、冰川學(xué)等相關(guān)學(xué)科對空間分辨率50～100 km(對應(yīng)200～400階)的全球重力場模型的迫切需求，該波段的全球重力場模型有待進(jìn)一步完善[5]。

低低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤模式與衛(wèi)星重力梯度技術(shù)兩者都涵蓋了高低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤模式，因此國內(nèi)外關(guān)注的焦點集中在GRACE，GOCE衛(wèi)星上?；贕RACE，GOCE衛(wèi)星對全球中長波靜態(tài)重力場和長波時變重力場測量的巨大貢獻(xiàn)，國內(nèi)外對下一代更高精度的衛(wèi)星重力測量技術(shù)進(jìn)行了大量研究：文獻(xiàn)[6]針對下一代的GRACE衛(wèi)星進(jìn)行了系統(tǒng)仿真；文獻(xiàn)[7]提出了下一代基于原子干涉技術(shù)的衛(wèi)星重力梯度測量方案；文獻(xiàn)[8-9]對新一代GRACE衛(wèi)星的反演重力場的精度進(jìn)行了評估，并對我國將來重力衛(wèi)星計劃的實施提出了建議；文獻(xiàn)[10]對下一代基于星載原子干涉的重力梯度測量技術(shù)進(jìn)行了精度預(yù)測與應(yīng)用前景分析。在該背景下，本文分別基于低低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤模式與重力梯度測量模式，論述了下一代衛(wèi)星重力測量的發(fā)展趨勢和技術(shù)特點，并基于目前原子鐘的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了基于引力鐘慢效應(yīng)的衛(wèi)星重力測量新概念，為未來更高精度的衛(wèi)星重力測量計劃提供技術(shù)參考。

1 下一代高精度衛(wèi)星重力測量技術(shù)

1.1 基于低低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤模式的衛(wèi)星重力測量

低低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤模式采用低軌雙星測量，其基本測量原理主要是通過對兩顆低軌衛(wèi)星間的精密測距或測速獲取地球重力位的變化信息，從而反演出地球重力場的位系數(shù)：高精度的星間測距系統(tǒng)測量低軌兩顆衛(wèi)星間的距離與速度變化，從而獲得包括引力和非引力(大氣阻尼、太陽光壓等)共同引起的軌道總攝動，而非引力用高精度加速度測量，在重力場反演中扣除，最終得到待測的重力信息，即

gorbit=Ftotal/msc-Fng/msc.

(1)

式中：Ftotal為引力和非引力引起的軌道總攝動；Fng為大氣阻尼、太陽光壓等非引力；gorbit為軌道處的重力加速度；msc為衛(wèi)星質(zhì)量。

圖1 GRACE衛(wèi)星Fig.1 GRACE mission

GRACE衛(wèi)星是低低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤模式的典型代表。1998年，NASA宣布實施GRACE計劃[11]。該計劃由兩顆相同的低軌衛(wèi)星組成，2002年3月17日同時發(fā)射至高度約500 km、偏心率0.004、傾角約89°、長半軸6 876 km的近極圓軌道，兩星質(zhì)量均為487.2 kg，相距220 km，如圖1所示。GRACE衛(wèi)星搭載的關(guān)鍵載荷有：SuperSTAR高精度靜電加速度計、微波測距系統(tǒng)、星載GPS接收機(jī)、星敏感器和激光向后反射鏡。星載GPS接收機(jī)結(jié)合高軌全球定位系統(tǒng)GPS和地面站以厘米級精度確定衛(wèi)星軌道；激光向后反射鏡與人衛(wèi)激光地面站結(jié)合完成衛(wèi)星與地球間的精確測距，用于校準(zhǔn)GPS精確定軌；K波段以微米量級的測距測速精度測量由地表重力異常引起的星間距變化；加速度計以3×10-10m/(s2·Hz1/2)的精度測量衛(wèi)星受到的大氣阻尼、太陽光壓等非保守力；星敏感器以角秒級的精度精確提供衛(wèi)星的姿態(tài)信息。

GRACE衛(wèi)星在軌飛行十多年，高精度地探測了地球重力場的中長波信號及其時變(2～120階)，其得到的重力場信息超出此前30年的總和。鑒于GRACE衛(wèi)星對全球中長波靜態(tài)和時變重力場測量的巨大貢獻(xiàn)，NASA提出了下一代GRACE Follow-on低低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤計劃[6、12-13]。由于GRACE衛(wèi)星對重力場的測量精度主要受限于星間測距精度，因此GRACE Follow-on旨在GRACE衛(wèi)星的技術(shù)基礎(chǔ)上，采用納米級的星間激光測距技術(shù)替代原微米級的微波測距，同時縮短星間距，降低軌道高度(增加無拖曳控制系統(tǒng)對低軌大氣阻尼進(jìn)行補(bǔ)償，用于延長衛(wèi)星壽命、維持軌道高度)，以提高中高頻重力場

的感測精度，如圖2所示。NASA預(yù)計GRACE Follow-on得到的靜態(tài)和動態(tài)地球重力場的精度將較GRACE至少高1個量級[8]。GRACE Follow-on與GRACE衛(wèi)星技術(shù)參數(shù)的比較見表1[8-9]。

此外，ESA也針對下一代低低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤重力測量，提出了NGGM，E. MOTION等計劃[9、14]。NGGM計劃用于測量全球重力場變化信息，研究地球內(nèi)部物質(zhì)變遷。NGGM計劃預(yù)計星間測距精度20 nm/Hz1/2，加速度計對非保守力測量精度預(yù)計為10-11m/(s2·Hz1/2)，星間距75～100 km。因該計劃的其中一項目標(biāo)要測量大氣活動，而大氣密度的變化很大程度由太陽活動決定(周期11年)，故NGGM計劃提出可供參考的設(shè)計壽命為11年。E.MOTION計劃采用鐘擺式軌道，軌道高度373 km，星間距200 km，激光測距精度50 nm/Hz1/2，加速度計對非保守力測量精度10-12m/(s2·Hz1/2)，同時采用冷氣與離子推進(jìn)步補(bǔ)償大氣阻尼，衛(wèi)星壽命不少于7年。其科學(xué)目標(biāo)是時變地球重力場測量空間分辨率優(yōu)于200 km，時間分辨率優(yōu)于1個月，大地水準(zhǔn)面精度優(yōu)于1 mm。

圖2 基于星間激光測距的低低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤重力測量方案Fig.2 SST-LL based on laser ranging

參數(shù)GRACEGRACEFollow-on說明軌道高度500km(初始高度)250km降低軌道高度,利于提高重力場感測精度星間距220km50km 縮短星間距,一方面利于提高重力場感測精度,另一方面保證激光測距的信噪比星間測距測速精度10μm/Hz1/2;1μm/(s·Hz1/2)10～1000nm/Hz1/2;1～100nm/(s·Hz1/2)激光測距代替微波測距衛(wèi)星殘余加速度水平時域,約1′10-7m/s2;頻域,約1′10-5m/(s2·Hz1/2)時域,約1′10-6m/s2;頻域,約1′10-8m/(s2·Hz1/2) GRACEFollow-on采用了無拖曳控制系統(tǒng)補(bǔ)償大氣阻尼加速度計測量精度3×10-10m/(s2·Hz1/2)10-11～10-12m/(s2·Hz1/2)—衛(wèi)星壽命10～15年>2年 GRACEFollow-on軌道低,需要推進(jìn)器實時補(bǔ)償大氣阻尼,維持軌道發(fā)射時間2002年2020年(預(yù)計)—

1.2 基于衛(wèi)星重力梯度模式的衛(wèi)星重力測量

衛(wèi)星重力梯度測量的原理是利用定位于衛(wèi)星質(zhì)心處的重力梯度儀，基于差分加速度的測量原理，用加速度計高精度測量衛(wèi)星軌道高度處不同兩點所受到加速度差，再除以這兩點的距離，得到軌道高度處重力加速度的變化值即重力梯度。但在這樣的差分測量中，會混入衛(wèi)星角速度的影響，因此需予以扣除，則

(2)

式中：Vii為待測的重力梯度值；a1，a2為不同兩點的加速度計輸出；L為兩點的距離；ω為衛(wèi)星角速度，且ω2=(ωx)2+(ωy)2+(ωz)2；ωi為衛(wèi)星i軸的角速度，i=x，y，z。

人類第一顆基于衛(wèi)星重力梯度測量技術(shù)模式的GOCE衛(wèi)星計劃，于1999年正式啟動，2009年3月17日發(fā)射。它采用衛(wèi)星重力梯度的測量模式，通過由6個靜電加速度計構(gòu)成的星載靜電式重力梯度儀直接測量出軌道高度250 km處重力位的二階導(dǎo)數(shù)，如圖3所示。該測量模式可將重力位的球諧系數(shù)放大約l2倍(此處：l為重力位球諧系數(shù)展開的階數(shù))，有效地抑制因軌道高度上升而導(dǎo)致的重力場信號快速衰減，能感應(yīng)地球重力場的高階信息，提升重力場模型的測量精度。在以前衛(wèi)衛(wèi)跟蹤模式的基礎(chǔ)上，GOCE衛(wèi)星將全球重力場探測的空間分辨率提升至100 km左右(200階)。

由于GOCE衛(wèi)星軌道高度較低，用于補(bǔ)償大氣

阻尼的推進(jìn)劑容量有限，已于2013年結(jié)束壽命。ESA充分肯定了GOCE衛(wèi)星對重力場模型精度提高的貢獻(xiàn)[4]。但由于GOCE衛(wèi)星核心載荷靜電式重力梯度儀精度受低頻噪聲、動態(tài)范圍等因素的限制，提升空間有限。ESA在2008年提出了未來可發(fā)展基于星載原子干涉技術(shù)的下一代衛(wèi)星重力梯度測量技術(shù)。原子干涉重力測量技術(shù)目前處于地面實驗階段，其主要采用冷卻囚禁原子的方式，Raman激光與冷原子相互作用，完成原子干涉，通過干涉條紋獲得地面重力加速度的信息，如圖4所示。其測量靈敏度與激光脈沖間隔T的平方成反比，由于地面存在重力加速度1g，因此受儀器尺寸的限制，T一般只能為數(shù)百毫秒；在空間微重力環(huán)境中，原子接近懸浮狀態(tài)，間隔T可較易增大到秒甚至數(shù)十秒的量級，具有非常大的優(yōu)勢：一方面可顯著提高星載重力測量精度，另一方面能有效縮短作用區(qū)真空腔長度，利于星載裝置的小型化。此外，NASA量子科技團(tuán)隊在2002年也提出了利用星載原子干涉技術(shù)實現(xiàn)衛(wèi)星重力梯度測量的設(shè)想，并指出測量分辨率至少較GOCE衛(wèi)星高1個量級，且JPL在NASA的支持下已研制了便攜式星載原子干涉重力梯度儀[15-16]。

靜電式與原子干涉式的衛(wèi)星重力梯度測量性能比較見表2[7、15]。

2 基于引力鐘慢效應(yīng)的衛(wèi)星重力測量新概念

從前文論述可知：目前已發(fā)射成功及未來規(guī)劃的各種衛(wèi)星重力測量計劃均基于牛頓力學(xué)框架。受傳統(tǒng)慣性測量儀器加工精度、儀器屬性、測量模型等固有因素的限制，牛頓力學(xué)框架下的衛(wèi)星重力測量精度已接近極限，提升空間有限。隨著科技的進(jìn)步，人類在高精度計時領(lǐng)域取得了飛速發(fā)展，光晶格鐘是2002年以來國際計量科學(xué)發(fā)展的一個新熱點，其代表有鍶原子光鐘、汞離子光鐘等。2015年初，日本東京大學(xué)與理化學(xué)研究所聯(lián)合研究小組宣布，其開發(fā)的基于鍶原子的光晶格鐘計時精度達(dá)到每160億年產(chǎn)生誤差1 s，即準(zhǔn)確度達(dá)到2×10-18，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)和日本東京大學(xué)均指出，此高精度光鐘為相對論力學(xué)框架下測量引力鐘慢效應(yīng)提供一種可能，將會在大地測量領(lǐng)域開辟全新的技術(shù)前景，并產(chǎn)生不可估量的效果[17-18]。在相對論力學(xué)框架下，基于引力鐘慢效應(yīng)的衛(wèi)星重力測量新概念將明顯提升重力場測量精度。

圖3 GOCE衛(wèi)星Fig.3 GOCE mission

名稱基于靜電式重力梯度儀的SGG基于原子干涉型重力梯度儀的SGG測量方法電容位移傳感與靜電反饋控制原子與激光相互作用重力梯度測量精度設(shè)計精度6～7mE/Hz1/2;在軌精度10～20mE/Hz1/2地面精度3E/Hz1/2;空間精度:優(yōu)于1mE/Hz1/2測量精度主要影響因素 主要受限于載荷測量精度,接近噪聲極限,提升空間有限地面受1g重力加速限制;空間可獲得足夠長的干涉時間間隔,精度顯著提升,且利于裝置小型化梯度分量測量情況主要分量Vxx,Vyy,Vzz均可測地面只能測量Vzz分量;空間多個分量Vxx,Vyy,Vzz均可測空間應(yīng)用技術(shù)成熟,已成功發(fā)射GOCE重力梯度衛(wèi)星星載優(yōu)勢顯著,國外諸多星載計劃正在部署與實施重力場恢復(fù)能力空間分辨率100km(已實現(xiàn))空間分辨率55～100km(預(yù)計)

圖4 基于原子干涉技術(shù)的衛(wèi)星重力梯度測量方案Fig.4 SGG based on atom interference

根據(jù)廣義相對論原理，任何質(zhì)量會導(dǎo)致時空彎曲，時空彎曲會產(chǎn)生引力鐘慢效應(yīng)，即在引力場中，引力越強(qiáng)的地方，時間流逝越慢。即引力鐘慢效應(yīng)，具體測量原理為：考察沿地心徑向相距一段位移的兩點A、B(設(shè)其中點B為參考基準(zhǔn)點)，它們分別與地心相距rA，rB，當(dāng)兩點距離差值為Δh=rA-rB時，設(shè)位于參考基準(zhǔn)點位置的引力場強(qiáng)為g，如果在這兩點放置兩個高精度時鐘，假設(shè)在參考基準(zhǔn)點位置B的時鐘經(jīng)歷ΔτB的時間內(nèi)，另一時鐘走了ΔτA的時間，那么兩點時鐘讀數(shù)的差值Δt滿足

(3)

式中：c為光速[19]?；谏鲜鲈?，可通過時鐘讀數(shù)的差異Δt測出重力加速度g，有

(4)

因此，將這種高精度的時鐘置于重力場中，可檢測到時鐘頻率的變化，且在地球的不同地方，能檢測出這種快慢效應(yīng)的差異。為此，本文提出基于引力鐘慢效應(yīng)的衛(wèi)星重力測量新概念：在衛(wèi)星上放置高精度時鐘，由于地球形狀不規(guī)則且引力場分布不均勻，衛(wèi)星在遍歷地球周圍空間時變化的引力場導(dǎo)致星上時鐘頻率變化，對比“基準(zhǔn)時鐘”，可推演出衛(wèi)星軌跡各點的引力場，進(jìn)而獲得地球重力場的分布信息，如圖5所示。該方案實現(xiàn)的關(guān)鍵是研制具有超高時間頻率準(zhǔn)確度的原子光鐘，難點是高精度的時間頻率比對技術(shù)。

圖5 基于引力鐘慢效應(yīng)的衛(wèi)星重力測量概念Fig.5 Concept of satellite gravity measurement basedon effect of gravitational clock shift

3 下一代高精度重力場測量反演精度仿真

重力場測量的反演精度常用重力位球諧展開的階數(shù)(對應(yīng)空間分辨率)表征[8、20]。本文基于直接誤差解析法，分別針對前文所述的基于低低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤模式的下一代衛(wèi)星重力測量、基于衛(wèi)星重力梯度模式的下一代衛(wèi)星重力測量，以及基于引力鐘慢效應(yīng)的衛(wèi)星重力測量三種未來技術(shù)恢復(fù)重力場的預(yù)期精度進(jìn)行仿真與評估[20]。

國內(nèi)外研究均針對下一代衛(wèi)星重力測量，致力于其中關(guān)鍵技術(shù)的突破。如國外已實現(xiàn)了采用激光測距代替原有GRACE衛(wèi)星采用的微波測距方式，實現(xiàn)了納米級的測距精度[21]?；诖?，本文代入的仿真參數(shù)是：下一代低低跟蹤，星間距50 km，軌道高度250 km，星間測速精度1 nm/s，非保守力測量精度3×10-11m/(s2·Hz1/2)；下一代重力梯度測量，軌道高度250 km，原子干涉梯度儀分辨率1 mE/Hz1/2；引力鐘慢重力測量，軌道高度250 km，時鐘頻率準(zhǔn)確度2×10-18s/s，采樣時間間隔10 s。仿真數(shù)據(jù)周期為8個月，頻帶內(nèi)載荷測量噪聲均設(shè)為白噪聲，所得重力場位系數(shù)的誤差階方差如圖6所示[7-8、15、17、20]。

圖6 不同衛(wèi)星重力測量技術(shù)的重力場反演誤差階方差估計Fig.6 Expected error degree variance from differenttechnologies of satellite gravity measurement

由圖6可知：現(xiàn)有的重力衛(wèi)星可實現(xiàn)的重力場模型精度約205階(對應(yīng)空間分辨率100 km左右)；未來的衛(wèi)星重力測量技術(shù)均可不同程度地改善重力場模型精度，預(yù)計基于低低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤模式的下一代衛(wèi)星重力測量技術(shù)可將重力場恢復(fù)至250階(對應(yīng)空間分辨率80 km)，基于衛(wèi)星重力梯度模式的下一代衛(wèi)星重力測量技術(shù)可將重力場恢復(fù)至282階(對應(yīng)空間分辨率71 km)，基于引力鐘慢效應(yīng)的衛(wèi)星重力測量可將重力場恢復(fù)至305階(對應(yīng)空間分辨率66 km)。具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 未來衛(wèi)星重力測量技術(shù)恢復(fù)重力場預(yù)期精度水平

由表3可知：下一代SST與SGG，以及本文提出的基于引力鐘慢效應(yīng)的衛(wèi)星重力測量可完善200～305階的全球重力場模型。未來可通過進(jìn)一步降低軌道、提高載荷研制精度等途徑完善305～400階的全球重力場模型，這意味著將對衛(wèi)星姿軌控、推進(jìn)分系統(tǒng)，以及空間環(huán)境提出更嚴(yán)格的要求。

4 結(jié)束語

下一代衛(wèi)星重力測量旨在現(xiàn)有重力衛(wèi)星的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升重力場模型精度，獲取200階以上的靜態(tài)與時變重力場。本文闡述了基于SST-LL模式與SGG模式的下一代衛(wèi)星重力測量方案與技術(shù)特征，仿真結(jié)果表明：基于納米級激光測距技術(shù)的下一代低低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤重力測量與基于原子干涉技術(shù)的下一代衛(wèi)星重力梯度測量預(yù)計將重力場反演的空間分辨率分別提升至80，71 km。本文突破現(xiàn)有牛頓力學(xué)框架下的衛(wèi)星重力測量技術(shù)，提出了基于相對論引力鐘慢效應(yīng)的衛(wèi)星重力測量新概念，預(yù)計可將重力場反演的空間分辨率進(jìn)一步提升至66 km，為未來更高精度的衛(wèi)星重力測量提供技術(shù)參考。該測量新概念還處于初步研究階段，理論上對全球重力場的恢復(fù)精度有望突破300階，但在工程實現(xiàn)中，需研制適于星載環(huán)境的高精度冷原子光鐘，同時對星地時間同步提出了較高要求，后續(xù)研究有待深入開展。

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Research on High-Precision Satellite Gravity Measurement Technology for Next Generation

LIAO He1, ZHU Zhu1, ZHAO Yan-bin1, LI Hong-yin2, 3

(1. Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China;2. School of Physics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei, China;3. Institute of Geophysics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei, China)

Towards to the high-precision satellite gravity measurement for the next generation, the schemes of satellite-to-satellite tracking in the low-low mode and satellite gravity gradiometry for the next generation respectively were described. According to the satellite-to-satellite tracking in the low-low mode for the next generation, laser ranging technique with nm level will be used instead of microwave ranging technique, and the satellite altitude will be reduced to improve the sensitivity. Atom-interference gravity gradiometer will be adopted in satellite gravity gradiometry for the next generation instead of electrostatic gravity gradiometer. The ultra potential sensitivity of the atom-interference gravity gradiometer in space will significantly improve the accuracy of satellite gravity gradiometry. Besides, a new concept of satellite gravity measurement based on the effect of gravitational clock shift was proposed in this paper. The Earth’s gravity field will be precisely mapped through measuring the clock’s fractional frequency difference in various areas of the Earth around the track. This new concept is different from the technologies in Newton mechanics. The simulation results showed that the precision of the three kinds of satellite gravity measurement technologies for the next generation would be expected to improve the knowledge of the global Earth’s gravity field up to 200～ 305 order.

Earth’s gravity field; Satellite gravity measurement; Satellite-to-satellite tracking in the low-low mode; Satellite gravity gradiometry; Laser ranging; Atom interference; Effect of gravitational clock shift

1006-1630(2016)06-0102-07

2016-07-14；

2016-07-30

國家自然基金資助(41504034)

廖 鶴(1984—)，男，博士，高級工程師，主要研究方向為飛行器總體設(shè)計。

祝 竺(1985—)，女，博士，主要研究方向為衛(wèi)星重力測量。

P223.6

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2016.06.015