鄭偉，鄢建國(guó)，李釗偉

（1.中國(guó)空間技術(shù)研究院 錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；2.武漢大學(xué) 測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430077）

深空衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃研究綜述

鄭偉1，鄢建國(guó)2，李釗偉1

（1.中國(guó)空間技術(shù)研究院 錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；2.武漢大學(xué) 測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430077）

地球衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃CHAMP（CHAllenging Minisatellite Payload）、GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）、GOCE（Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer）和月球衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃（Gravity Recovery and Interior Laboratory，GRAIL）的成功實(shí)施，以及下一代地球重力衛(wèi)星（GRACE Follow-On）的即將發(fā)射昭示著我們將迎來(lái)一個(gè)前所未有的高精度和高空間分辨的深空衛(wèi)星重力探測(cè)時(shí)代。圍繞深空衛(wèi)星重力測(cè)量的研究背景、必要性、可行性、衛(wèi)星重力反演軟件平臺(tái)構(gòu)建、軌道攝動(dòng)和未來(lái)研究方向開(kāi)展了研究論證。研究表明：深空衛(wèi)星重力測(cè)量作為新世紀(jì)重力探測(cè)技術(shù)，在精化量體重力場(chǎng)、提高慣性導(dǎo)航精度、天體動(dòng)力學(xué)、天體物理學(xué)和軍事技術(shù)的研究，以及促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和提高社會(huì)效益等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

深空衛(wèi)星重力計(jì)劃；CHAMP；GRACE；GOCE；GRACE Follow-On；GRAIL

0 引 言

天體重力場(chǎng)是天體（地/月球、火星、金星、水星等）的基本物理場(chǎng)，反映了星體系統(tǒng)的物質(zhì)分布、運(yùn)動(dòng)和變化狀態(tài)，制約著天體本身及外部空間所有物體的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)決定著大地水準(zhǔn)面的起伏和變化。重力場(chǎng)精密測(cè)量對(duì)于天體測(cè)量學(xué)、天體物理學(xué)、導(dǎo)航與定位、航空航天、水下導(dǎo)航、地質(zhì)學(xué)、地震學(xué)、空間科學(xué)等具有重要意義。傳統(tǒng)的重力探測(cè)技術(shù)由于受到自然條件的限制，難以獲取全球均勻分布和高精度的天體重力場(chǎng)信息。由于全球重力場(chǎng)測(cè)量在國(guó)防和民用航天、天體物理等領(lǐng)域具有重大的戰(zhàn)略和科學(xué)意義，天體重力衛(wèi)星測(cè)量從20世紀(jì)70年代就得到國(guó)際科研機(jī)構(gòu)的極大關(guān)注和巨大投入。深空衛(wèi)星重力探測(cè)技術(shù)是把低軌衛(wèi)星作為天體重力場(chǎng)的傳感器或探測(cè)器，獲取高精度天體重力場(chǎng)及其時(shí)變信息的測(cè)量方式?，F(xiàn)實(shí)意義在于：高精度天體重力場(chǎng)不僅是研究天體表面和內(nèi)部物質(zhì)的質(zhì)量變化和重力分布的基礎(chǔ)，而且也是空間飛行器如衛(wèi)星、導(dǎo)彈、航天飛機(jī)和星際探測(cè)器的發(fā)射、制導(dǎo)、跟蹤、遙控以及返回天體的技術(shù)開(kāi)發(fā)基本依據(jù)，對(duì)天體物理勘探、全球變化、國(guó)防等研究領(lǐng)域具有重要意義，同時(shí)高精度星載設(shè)備的研制也將帶動(dòng)我國(guó)相關(guān)高精尖科學(xué)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展。

現(xiàn)有全球重力模型的構(gòu)建是對(duì)天體重力測(cè)量數(shù)據(jù)的一種逼近，由于兩極地區(qū)、南美和非洲大陸尚有大量重力測(cè)量空白區(qū)，故目前所構(gòu)建的重力場(chǎng)模型不可能精確描述實(shí)際重力場(chǎng)情況[1]。在地球重力場(chǎng)測(cè)量中具有劃時(shí)代意義的德國(guó)CHAMP衛(wèi)星[2-6]、美德GRACE衛(wèi)星[7-31]和歐洲航天局GOCE衛(wèi)星[32-38]（未來(lái)GOCE Follow-On計(jì)劃[39-40]）已相繼于2000年7月、2002年3月和2009年3月發(fā)射升空。研究表明：美德合作的重力衛(wèi)星GRACE每3個(gè)月的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)恢復(fù)地球重力場(chǎng)精度優(yōu)于人類(lèi)以前30年的所有重力場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)的總效果。目前其已在對(duì)地觀(guān)測(cè)技術(shù)和地學(xué)相關(guān)研究中取得豐碩成果，包括發(fā)現(xiàn)南極冰蓋近年來(lái)正在迅速融化、蘇門(mén)答臘地震的同震重力變化、我國(guó)華北地區(qū)陸地水量明顯減少，以及中長(zhǎng)波空間尺度上每月確定的靜態(tài)大地水準(zhǔn)面精度較以往30年綜合觀(guān)測(cè)資料的結(jié)果高出一個(gè)多數(shù)量級(jí)等重大科學(xué)成果。目前美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）等科研機(jī)構(gòu)已/即將GRACE/GOCE模式的重力衛(wèi)星發(fā)往月球（當(dāng)前GRAIL月球重力雙星計(jì)劃[41-45]、未來(lái)月球重力計(jì)劃M(mǎn)oon-ILRS[46-47]/Moon-Gradiometer[48-49]）/火星（未來(lái)Mars-SST計(jì)劃[50-51]）/金星（未來(lái)Venus-SGG計(jì)劃[52]），以期測(cè)定重力場(chǎng)、大地水準(zhǔn)面等月球[53-60]/火星[61-65]/金星[66-73]物理形狀的時(shí)空變化。為了趕上國(guó)際深空大地測(cè)量的發(fā)展，我國(guó)急需建設(shè)自主的下一代高精度深空重力衛(wèi)星系統(tǒng)，主要目標(biāo)如下：1）發(fā)展我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域自主和高精度的深空衛(wèi)星觀(guān)測(cè)技術(shù)，包括關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備和應(yīng)用技術(shù)，如深空網(wǎng)DSN（Deep Space Network）、激光干涉星間測(cè)距、加速度計(jì)、Drag-free無(wú)拖曳等技術(shù)，以及衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理、精密定軌、重力場(chǎng)反演及應(yīng)用等；2）美德聯(lián)合研制的GRACE雙星預(yù)期于2017年結(jié)束在軌運(yùn)行。美德決定于2020年再發(fā)射一組GRACE衛(wèi)星，德國(guó)將補(bǔ)充一套激光干涉測(cè)距裝置，主要是解決有無(wú)問(wèn)題。為滿(mǎn)足長(zhǎng)期科學(xué)應(yīng)用需求，研究實(shí)施我國(guó)下一代高精度的深空重力衛(wèi)星系統(tǒng)可望彌補(bǔ)此空缺，充分滿(mǎn)足全球變化及成因研究對(duì)空間觀(guān)測(cè)的需求。

目前基于已發(fā)射的GRACE重力衛(wèi)星反演重力場(chǎng)的內(nèi)符精度為：靜態(tài)場(chǎng)，分辨率270 km，精度1 cm；時(shí)變場(chǎng)，分辨率1 000 km，精度1 mm或0.2 mGal。綜合國(guó)防、地學(xué)和測(cè)繪研究的需求，要求重力場(chǎng)精度應(yīng)達(dá)到：靜態(tài)場(chǎng)，分辨率100 km，精度1 cm精度；時(shí)變場(chǎng)，分辨率200～400 km，精度1 mm或0.02 μGal。因此，在GOCE衛(wèi)星計(jì)劃完成后，靜態(tài)場(chǎng)將基本滿(mǎn)足需要，而在時(shí)變場(chǎng)方面，還需在GRACE衛(wèi)星基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高空間分辨率?；谀M研究，GRACE反演重力場(chǎng)的精度與其有效載荷的精度相匹配，即星間測(cè)速精度高于1 μm/s，軌道精度約為3 cm，加速度計(jì)精度為10–9m/s2，并且在一定范圍內(nèi)重力場(chǎng)反演精度基本呈線(xiàn)性關(guān)系，同時(shí)和重力衛(wèi)星的測(cè)量模式相關(guān)。

1 衛(wèi)星重力測(cè)量必要性

1）科學(xué)難題

地球重力衛(wèi)星CHAMP（2000—2010年）、GRACE（2002—）和GOCE（2009—2013年）的成功發(fā)射昭示著人類(lèi)將迎來(lái)一個(gè)前所未有的衛(wèi)星重力探測(cè)時(shí)代。聯(lián)合上述3期衛(wèi)星重力計(jì)劃雖然可精確測(cè)量重力場(chǎng)的靜態(tài)及其時(shí)變，從而獲得地球總體形狀隨時(shí)間變化、地球各圈層物質(zhì)的遷移、全球海洋質(zhì)量的分布和變化、冰川的增大和消融以及地下蓄水總量變化信息的特性，但仍無(wú)法滿(mǎn)足21世紀(jì)相關(guān)學(xué)科對(duì)地球重力場(chǎng)精度和分辨率需進(jìn)一步提高的迫切要求。因此，尋求新型、高效、高精度、高空間分辨率的下一代衛(wèi)星重力計(jì)劃是當(dāng)前國(guó)際眾多科研機(jī)構(gòu)在大地測(cè)量學(xué)、空間科學(xué)、國(guó)防建設(shè)等交叉領(lǐng)域亟待解決的前沿性科學(xué)難題之一。

2）科學(xué)需求

地球重力場(chǎng)及其時(shí)變反映地球表層及內(nèi)部物質(zhì)的空間分布、運(yùn)動(dòng)和變化，同時(shí)決定著大地水準(zhǔn)面的起伏和變化。因此，確定地球重力場(chǎng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其時(shí)變不僅是大地測(cè)量學(xué)、固體地球物理學(xué)、海洋學(xué)、冰川學(xué)、水文學(xué)、天文學(xué)、慣性導(dǎo)航學(xué)、空間科學(xué)等交叉研究領(lǐng)域的需求，同時(shí)也將為尋求資源、研究全球變化及北極冰融化、保護(hù)環(huán)境和預(yù)測(cè)災(zāi)害提供重要的信息資源。對(duì)于星體而言，重力場(chǎng)信息是進(jìn)行天體內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究的主要手段。目前我們對(duì)月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，主要來(lái)自于系列探測(cè)器得到的重力場(chǎng)。通過(guò)早期的月球重力場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)了月球質(zhì)量瘤?，F(xiàn)在高精度的月球重力場(chǎng)信息，則為月幔結(jié)構(gòu)[74]、月殼厚度[75]、月球巖石圈彈性厚度[76]等信息。對(duì)火星、金星、水星等其他類(lèi)地行星而言，由于缺乏地震觀(guān)測(cè)信息，重力場(chǎng)更是開(kāi)展內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究不可或缺的手段[77]。

3）工程需求

天體重力場(chǎng)對(duì)天體探測(cè)器準(zhǔn)確入軌、執(zhí)行正確的軌道等起到?jīng)Q定性作用。早期月球和火星探測(cè)器存在大量的失敗案例，主要原因之一即在于對(duì)它們的重力場(chǎng)了解有限。重力場(chǎng)在小行星探測(cè)任務(wù)中尤為重要，特別是采樣返回的小行星任務(wù)。此任務(wù)需要知道降軌段和著陸區(qū)域精確的動(dòng)力學(xué)信息，以確保著陸器按要求精確著陸。影響此任務(wù)成敗的關(guān)鍵因素之一即為重力場(chǎng)。

4）國(guó)家需求

我國(guó)西部地區(qū)重力場(chǎng)精度較低，衛(wèi)星重力技術(shù)可克服自然條件限制，用于西部環(huán)境和資源調(diào)查；海洋區(qū)域由于受區(qū)劃或地理位置的限制，無(wú)法進(jìn)行所有海洋領(lǐng)域重力測(cè)量，導(dǎo)致海洋重力場(chǎng)可靠性難以保障，影響了陸地和海洋垂直基準(zhǔn)面的拼接以及對(duì)海洋區(qū)域深層地球物理結(jié)構(gòu)的理解；高精度準(zhǔn)實(shí)時(shí)的重力變化能提供水分布和局部地殼變化信息，進(jìn)而為我國(guó)洪水、地震等自然災(zāi)害預(yù)防提供決策依據(jù)；我國(guó)衛(wèi)星重力技術(shù)比較薄弱，導(dǎo)致衛(wèi)星重力信息嚴(yán)重依賴(lài)國(guó)外，帶來(lái)對(duì)國(guó)家安全不利的因素，只有發(fā)展我國(guó)自主衛(wèi)星重力計(jì)劃，才能不受制于人。實(shí)施我國(guó)衛(wèi)星重力技術(shù)，將帶動(dòng)相關(guān)高技術(shù)發(fā)展，培養(yǎng)交叉領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)人才。

2 衛(wèi)星重力測(cè)量的可行性

基于GRACE計(jì)劃的局限性（時(shí)變重力信號(hào)測(cè)量的分辨率太低及高頻信號(hào)混疊效應(yīng)）以及GRACE衛(wèi)星即將結(jié)束測(cè)量使命，歐洲航天局?jǐn)M于2020年或稍后發(fā)射一組GRACE后繼星。因此，盡快實(shí)施我國(guó)自主GRACE Follow-On衛(wèi)星重力計(jì)劃迫在眉睫[78-90]。據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果可知，GRACE Follow-On計(jì)劃得到的時(shí)變地球重力場(chǎng)的精度和分辨率將比GRACE衛(wèi)星至少高一個(gè)數(shù)量級(jí)。目前，我國(guó)有關(guān)部門(mén)已經(jīng)在重力衛(wèi)星關(guān)鍵載荷原理樣機(jī)研制（高精度衛(wèi)–衛(wèi)激光干涉星間測(cè)距、深空網(wǎng)DSN、加速度計(jì)、Drag-free無(wú)拖曳技術(shù)等）、重力衛(wèi)星平臺(tái)、數(shù)據(jù)處理、重力場(chǎng)反演等方面取得了重要成果。

國(guó)外衛(wèi)星重力計(jì)劃的成功實(shí)施對(duì)我國(guó)既存在機(jī)遇又不乏挑戰(zhàn)，機(jī)遇是指我國(guó)應(yīng)盡快汲取國(guó)外長(zhǎng)期積累的衛(wèi)星重力測(cè)量的成功經(jīng)驗(yàn)，積極推動(dòng)我國(guó)自主衛(wèi)星重力計(jì)劃的實(shí)施，加快研制重力衛(wèi)星的步伐，特別是GRACE Follow-On衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)的研制，通過(guò)衛(wèi)星重力計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)相關(guān)科學(xué)和國(guó)防領(lǐng)域的發(fā)展；挑戰(zhàn)是指我國(guó)對(duì)星載儀器的研制、觀(guān)測(cè)手段的研究和衛(wèi)星數(shù)據(jù)的處理與國(guó)外尚存差距。目前，中歐科學(xué)家之間正討論促進(jìn)中歐聯(lián)合發(fā)射的計(jì)劃，這可提升我國(guó)空間技術(shù)水平，減少技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，由于GRACE重力衛(wèi)星對(duì)全球重力場(chǎng)的探測(cè)精度相對(duì)較差，同時(shí)衛(wèi)星探測(cè)使命預(yù)計(jì)于2018年前結(jié)束，因此我國(guó)下一代自主衛(wèi)星重力計(jì)劃的成功實(shí)施可進(jìn)一步提高我國(guó)及全球重力場(chǎng)精度?；谝陨显?，我國(guó)自主GRACE Follow-On地球衛(wèi)星重力計(jì)劃應(yīng)盡快立項(xiàng)。該計(jì)劃的實(shí)施不僅可滿(mǎn)足行星科學(xué)和國(guó)防建設(shè)的更高需求，而且對(duì)將來(lái)月球和太陽(yáng)系火星、金星等行星重力測(cè)量的發(fā)展方向具有重要借鑒價(jià)值。

3 衛(wèi)星重力反演軟件平臺(tái)構(gòu)建

深空衛(wèi)星重力反演軟件系統(tǒng)包括6個(gè)子模塊（如圖1所示）。構(gòu)建目的如下：以提供高質(zhì)量的深空重力衛(wèi)星觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)為輸入，開(kāi)展深空衛(wèi)星重力觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的精細(xì)預(yù)處理方法研究；以深空衛(wèi)星重力邊值問(wèn)題為理論指導(dǎo)，單一深空衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)的反演方法為基礎(chǔ)，建立深空衛(wèi)星重力觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演模型和高效算法；以應(yīng)用需求為牽引，開(kāi)展深空衛(wèi)星重力探測(cè)技術(shù)的模擬仿真研究；以產(chǎn)品輸出和應(yīng)用示范為目的，聯(lián)合深空衛(wèi)星重力觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)反演靜態(tài)和時(shí)變重力場(chǎng)模型，開(kāi)展重力場(chǎng)模型的評(píng)價(jià)與不確定性分析，探索時(shí)變重力場(chǎng)應(yīng)用于探測(cè)地震、干旱等極端事件重力效應(yīng)的可行性。子模塊功能如下。

圖1 衛(wèi)星重力反演軟件系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of software system for deep-space satellite gravity recovery

1）觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的頻譜分析模塊

通過(guò)建立深空衛(wèi)星重力觀(guān)測(cè)量SST-HL（Satelliteto-Satellite Tracking in the High-Low Mode）、SSTLL（Satellite-to-Satellite Tracking in the Low-Low Mode）、SGG（Satellite Gravity Gradiometry）等與擾動(dòng)位泛函之間的理論關(guān)系，利用誤差傳播律、Kaula準(zhǔn)則、功率譜信噪比準(zhǔn)則等技術(shù)手段分析各類(lèi)深空衛(wèi)星重力觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度、頻譜特性及相容性，評(píng)估它們對(duì)恢復(fù)重力場(chǎng)的貢獻(xiàn)，為各類(lèi)深空衛(wèi)星重力觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的合理賦權(quán)提供參考。

2）數(shù)據(jù)處理與基準(zhǔn)統(tǒng)一模塊

深空衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊旨在為地球重力場(chǎng)聯(lián)合反演提供高質(zhì)量的計(jì)算輸入數(shù)據(jù)，主要用于深空重力衛(wèi)星有效載荷觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的精細(xì)預(yù)處理，主要包括地基深空網(wǎng)數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、激光干涉測(cè)距數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、加速度計(jì)數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊和重力梯度數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊。深空衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)統(tǒng)一模塊用于將各類(lèi)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)歸算到同一時(shí)空基準(zhǔn)下，進(jìn)而消除各類(lèi)數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)誤差和系統(tǒng)偏差對(duì)聯(lián)合反演結(jié)果的影響。

3）重力反演方法的比較模塊

聯(lián)合理論分析和數(shù)值模擬，利用CHAMP、GRACE、GOCE和GRAIL單類(lèi)衛(wèi)星重力觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)與動(dòng)力法、能量法、加速度法等傳統(tǒng)衛(wèi)星重力反演方法的對(duì)比，檢驗(yàn)星間速度插值法、短弧段動(dòng)力學(xué)法、時(shí)空域混合法等新型衛(wèi)星重力反演方法的有效性和適應(yīng)性。

4）深空衛(wèi)星的聯(lián)合反演模塊

用于優(yōu)化設(shè)計(jì)深空衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)聯(lián)合反演的計(jì)算方案及流程，編寫(xiě)詳細(xì)實(shí)施方案，考慮軟件的交互性、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性和兼容性，采用模塊化設(shè)計(jì)及軟件集成思想，研制深空衛(wèi)星重力聯(lián)合反演軟件系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、配置法模塊、聯(lián)合平差模塊、譜組合模塊、模擬仿真模塊、模型評(píng)價(jià)與應(yīng)用模塊等，并利用模擬數(shù)據(jù)和實(shí)際觀(guān)測(cè)資料驗(yàn)證其正確性、有效性和適用性。

5）衛(wèi)星系統(tǒng)的需求分析模塊

通過(guò)新型星間速度插值法、短弧段動(dòng)力學(xué)法、時(shí)空域混合法等多種衛(wèi)星重力反演法，論證深空重力衛(wèi)星系統(tǒng)的編隊(duì)模式、關(guān)鍵載荷精度指標(biāo)的優(yōu)化匹配、軌道參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)等，進(jìn)而反演高精度和高空間分辨率的全球重力場(chǎng)。地球重力場(chǎng)的探測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源相比行星要多元化，地面重力數(shù)據(jù)來(lái)源主要包括地面實(shí)測(cè)重力數(shù)據(jù)、航空重力數(shù)據(jù)、衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)、衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星梯度數(shù)據(jù)，為了充分利用這些多元化的數(shù)據(jù)，衍生出了時(shí)域法、頻域法、能量法、加速度法等多種處理模式。相比之下，天體重力場(chǎng)的數(shù)據(jù)來(lái)源較為單一，以地面深空網(wǎng)Doppler跟蹤數(shù)據(jù)為主。SELENE和GRAIL兩個(gè)月球探測(cè)任務(wù)中增加了衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星模式[91]。因此，對(duì)于天體重力場(chǎng)模型的解算，主要手段仍然是動(dòng)力法，即在精密定軌的同時(shí)解算天體重力場(chǎng)模型[92]。解算過(guò)程中將星體重力場(chǎng)位系數(shù)作為全局參數(shù)，單個(gè)弧段解算時(shí)生成對(duì)位系數(shù)的法方程矩陣，然后聯(lián)合多個(gè)法方程矩陣，解算位系數(shù)。由于動(dòng)力法精密定軌將非線(xiàn)性方程進(jìn)行了線(xiàn)性化處理，因此整個(gè)過(guò)程需要迭代，達(dá)到收斂準(zhǔn)則后輸出最終的天體重力場(chǎng)位系數(shù)模型。

6）模型建立、評(píng)價(jià)及應(yīng)用模塊

采用SLR（Satellite Laser Ranging）數(shù)據(jù)作為低階約束，聯(lián)合CHAMP、GRACE、GOCE和GRAIL觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)反演高精度靜態(tài)和時(shí)變地/月球重力場(chǎng)模型；采用國(guó)際公布的高精度地/月球重力場(chǎng)模型和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如GPS（Global Positioning System）水準(zhǔn)、重力異常等，對(duì)聯(lián)合反演模型的內(nèi)符合與外符合精度進(jìn)行檢驗(yàn)；將聯(lián)合反演的時(shí)變重力場(chǎng)模型應(yīng)用于探測(cè)GRACE和GOCE衛(wèi)星運(yùn)行期間地震、干旱等極端事件的時(shí)變重力效應(yīng)。

4 衛(wèi)星重力測(cè)量軌道攝動(dòng)

地球的質(zhì)量分布不均勻，它的形狀雖近似于一個(gè)旋轉(zhuǎn)橢球，但實(shí)際形狀并不規(guī)則，因而地球引力場(chǎng)的空間結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。衛(wèi)星在繞地球運(yùn)行中，除受到不規(guī)則地球引力場(chǎng)的攝動(dòng)外，還受到大氣阻力、日月引力、太陽(yáng)光壓、地球潮汐等攝動(dòng)力的作用，因而衛(wèi)星軌道不是一個(gè)不變的橢圓（Kepler軌道），其形狀、大小和空間位置都隨時(shí)間不斷變化。在大地測(cè)量中，引力位為U(X(t))，當(dāng)?shù)厍蛑亓?chǎng)已知時(shí)，引力向量gradU(X(t))可以計(jì)算，其精度取決于地球重力場(chǎng)模型的精度與分辨率。在慣性坐標(biāo)系中，地球衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)方程可表示為：，其中分別表示t時(shí)刻衛(wèi)星在慣性坐標(biāo)系中的位置、速度和加速度向量，gradU(X(t))是衛(wèi)星的地球引力向量，向量a表示除地球引力外的其他攝動(dòng)力，根據(jù)目前衛(wèi)星重力測(cè)量應(yīng)用需求和精度水平，可將大于10-9m/s2的非地球引力場(chǎng)攝動(dòng)力作為主要攝動(dòng)力，小于10-9m/s2的非主要攝動(dòng)力可以忽略。

1）地球引力

地球引力場(chǎng)對(duì)衛(wèi)星的引力包括地球質(zhì)心引力和地球引力場(chǎng)攝動(dòng)力（由于地球形狀不規(guī)則及其質(zhì)量不均勻而引起）兩部分。在人造衛(wèi)星軌道理論中，地球外部空間的引力位可用球諧函數(shù)展開(kāi)表示其中：μ=GMe；G表示萬(wàn)有引力常數(shù)；Me表示地球質(zhì)量；r、λ和φ分別表示重力衛(wèi)星在球坐標(biāo)系上的地心距離、地心經(jīng)度和地心緯度；Re表示地球平均半徑；Pn和Pnm表示勒讓德多項(xiàng)式，n表示階數(shù)，m表示次數(shù)。公式（1）的右邊第一項(xiàng)表示球?qū)ΨQ(chēng)引力位，它是地球外部引力位的主要部分；其余部分為攝動(dòng)位，以二階帶諧系數(shù)J2引起的攝動(dòng)位為主。

2）日月引力

3）其他行星引力

其他行星引力加速度的計(jì)算與日、月引力加速度類(lèi)似，對(duì)于金星、木星等行星對(duì)近地衛(wèi)星的影響均有F/Fe＜ 1×10–12。

4）大氣阻力

大氣阻力對(duì)低軌衛(wèi)星的影響較大。以大氣分子撞擊衛(wèi)星表面建立阻力模型，有，其中cd表示氣動(dòng)系數(shù)，可近似取為1；ρ表示大氣密度；S表示迎風(fēng)面積。大氣阻力加速度與地心引力加速度之比為，其中a為衛(wèi)星軌道的長(zhǎng)半軸。對(duì)于通常裝載儀器的衛(wèi)星，其面質(zhì)比S/m的數(shù)值范圍約為10–3～10–2m2/kg。在軌道高度200 km處，大氣密度約為10–10kg/m3，F(xiàn)A/Fe≈3×10–6。當(dāng)衛(wèi)星軌高設(shè)計(jì)為400 km時(shí)，大氣阻力降低為FA/Fe≈10–8。

5）太陽(yáng)輻射壓力

衛(wèi)星在運(yùn)動(dòng)中受到太陽(yáng)光輻射壓加速度為Fp=KpS/m，其中K表示與衛(wèi)星表面材料、形狀等性質(zhì)相關(guān)的系數(shù)（K=1表示全吸收）；S表示垂直于太陽(yáng)光線(xiàn)的衛(wèi)星表面積；p=4.5×10–6N/m2表示光壓強(qiáng)度。若衛(wèi)星的面質(zhì)比S/m=10–2m2/kg，對(duì)于近地衛(wèi)星Fp/Fe≈4×10–9。此效應(yīng)可通過(guò)精確測(cè)量衛(wèi)星的面質(zhì)比并在觀(guān)測(cè)結(jié)果中扣除。

6）地球紅外輻射壓力

地球紅外輻射通量為2.4×105erg cm2/s，輻射壓為8×10–7N/m2。若衛(wèi)星的面質(zhì)比S/m=10–2m2/kg，則Fp/Fe≈8×10–10。因此，地球的紅外輻射壓力對(duì)空間重力場(chǎng)測(cè)量的影響基本可忽略。

7）空間磁場(chǎng)和電場(chǎng)的影響

電離氣體中的磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致磁流體效應(yīng)，磁場(chǎng)可被看作是施加了一個(gè)磁壓強(qiáng)Pmag=B2/2μ0，取B=5×10–5T，則Pmag=10–3Pa，磁場(chǎng)作用在衛(wèi)星上的力是由磁場(chǎng)梯度產(chǎn)生，加速度小于10–11m/s2。

8）太陽(yáng)風(fēng)的影響

吹過(guò)地球的太陽(yáng)風(fēng)是熱而稀薄的快速等離子體流，主要是由電離的氦（即質(zhì)子和幾乎等量的電子），以及少量（5%）電離的氦和其他更重要的元素組成。其徑向動(dòng)量的通量密度為2.6×10–9Pa，作用在衛(wèi)星上的加速度將小于10–11m/s2。

9）衛(wèi)星姿態(tài)控制的影響

由于大氣阻力、太陽(yáng)光壓等非保守力的影響，衛(wèi)星的軌道高度逐步衰減。為保持衛(wèi)星在確定的軌道上運(yùn)行，需要通過(guò)衛(wèi)星自身攜帶的推進(jìn)器對(duì)衛(wèi)星的軌道進(jìn)行修正。設(shè)用于衛(wèi)星變軌和姿態(tài)控制的推進(jìn)器能提供的最大推力為20 mN，如果衛(wèi)星的質(zhì)量為500 kg，則衛(wèi)星在推進(jìn)器推力作用下產(chǎn)生的最大加速度為?a=4×10–5m/s2。但通常情況下，推力加速度的大小均控制在10–6m/s2水平。

對(duì)于天體重力場(chǎng)探測(cè)任務(wù)，受到的力模型與地球衛(wèi)星相比有所區(qū)別。對(duì)于月球而言，由于沒(méi)有大氣，月球上空接近真空狀態(tài)，可以不用考慮大氣阻力的作用。但是對(duì)于GRAIL這樣的高精度探測(cè)任務(wù)，需要考慮攝動(dòng)量級(jí)很小的力模型，比如太陽(yáng)帆板對(duì)衛(wèi)星本體的遮擋產(chǎn)生的攝動(dòng)力和衛(wèi)星在月影和光照交界面時(shí)月球地形的遮擋作用[93]。對(duì)于其他類(lèi)地行星，包括火星和金星，其力模型的考慮與地球類(lèi)似[94]。此外，對(duì)于天體探測(cè)器而言，由于離地球距離尺度遠(yuǎn)大于地球衛(wèi)星，對(duì)力模型的考慮中，相對(duì)論效應(yīng)不能忽略。比如對(duì)于火星探測(cè)器“火星快車(chē)”而言，相對(duì)論攝動(dòng)力的量級(jí)與大氣阻力和火星固體潮的攝動(dòng)力量級(jí)接近，在精密定軌中必須考慮。

5 衛(wèi)星重力測(cè)量科學(xué)應(yīng)用

深空衛(wèi)星重力測(cè)量技術(shù)為全球高覆蓋率、高分辨率和高精度重力測(cè)量開(kāi)辟了新的有效途徑，使我們能夠以前所未有的精度和分辨率獲取天體重力場(chǎng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)。利用目前和未來(lái)的重力衛(wèi)星觀(guān)測(cè)量，結(jié)合其他學(xué)科的觀(guān)測(cè)資料，使我們有可能在測(cè)繪學(xué)、海洋學(xué)、固體天體科學(xué)（地震、板塊運(yùn)動(dòng)）、航空航天、軍事應(yīng)用等領(lǐng)域取得突破性成就。

為了深入了解地球的過(guò)去和未來(lái)，以及太陽(yáng)系的起源與演化，人類(lèi)已發(fā)射了大量深空探測(cè)器，目前最遠(yuǎn)的深空探測(cè)器已飛出太陽(yáng)系。經(jīng)過(guò)近60年的發(fā)展，人類(lèi)已經(jīng)發(fā)射了大量的月球、火星、金星、水星等類(lèi)地天體探測(cè)器，同時(shí)也對(duì)木星、土星和冥王星及其衛(wèi)星開(kāi)展了大量探測(cè)。對(duì)Ceres、Vesta、Eros、Toutatis等小行星也獲得了大量探測(cè)結(jié)果。在這些探測(cè)任務(wù)中，重力場(chǎng)探測(cè)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。重力場(chǎng)在其中起到的重要作用是保證探測(cè)器成功入軌。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的巡游階段后，深空探測(cè)器靠近目標(biāo)天體時(shí)，需要對(duì)探測(cè)器進(jìn)行精確制動(dòng)以成功入軌。目標(biāo)天體重力場(chǎng)即為影響制動(dòng)的主要因素。早期月球、火星的探測(cè)存在大量的失敗例子，其中一個(gè)主要原因在于沒(méi)有獲取精確的重力場(chǎng)信息，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)探測(cè)器軌道進(jìn)行精確調(diào)整。

天體重力場(chǎng)一般是深空探測(cè)任務(wù)的主要科學(xué)目標(biāo)，在天體科學(xué)研究中扮演著重要角色。月球探測(cè)開(kāi)始于20世紀(jì)60年代初，利用早期的探測(cè)數(shù)據(jù)解算了低階次月球重力場(chǎng)，取得了一個(gè)重要科學(xué)成果，即發(fā)現(xiàn)了月球質(zhì)量瘤。此發(fā)現(xiàn)極大地改變了人類(lèi)對(duì)月球形成的認(rèn)識(shí)。為了精化對(duì)月球重力場(chǎng)的認(rèn)識(shí)，此后陸續(xù)發(fā)射了多個(gè)月球探測(cè)器，包括2007年發(fā)射的高低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤模式的SELENE探測(cè)任務(wù)和2012年發(fā)射的低低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤模式的GRAIL探測(cè)任務(wù)。SELENE探測(cè)器通過(guò)四程測(cè)量模式，首次實(shí)現(xiàn)了月球背面的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)了月球背面的環(huán)狀盆地結(jié)果。GRAIL任務(wù)則通過(guò)亞微米級(jí)的星間測(cè)速模式，反演了1 500階次的重力場(chǎng)模型。此超高精度的重力場(chǎng)模型，極大地改進(jìn)了對(duì)月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，特別是對(duì)月殼密度的結(jié)構(gòu)分布。此外，結(jié)合流體動(dòng)力學(xué)仿真程序和布格異常梯度數(shù)據(jù)，研究人員對(duì)月球東方海盆地區(qū)域的線(xiàn)性梯度帶進(jìn)行了分析，對(duì)環(huán)狀盆地的起源提出了新的認(rèn)知，這也為月球上其他環(huán)狀盆地的形成提供了參考[95]。

火星重力場(chǎng)尚沒(méi)有達(dá)到月球所具有的精度和分辨率。目前對(duì)火星重力場(chǎng)的了解主要來(lái)自于MGS、Odyssey、MRO等探測(cè)器的軌道跟蹤數(shù)據(jù)。積累了近十多年的軌道跟蹤數(shù)據(jù)后，陸續(xù)解算了多個(gè)階次的火星重力場(chǎng)模型，最新的模型階次達(dá)到120。在計(jì)算穩(wěn)態(tài)重力場(chǎng)的同時(shí)，還給出了低階項(xiàng)位系數(shù)的時(shí)變信息?；鹦侵亓?chǎng)是刻畫(huà)火星結(jié)構(gòu)的二分性、火星殼厚度、巖石圈彈性厚度等信息的主要數(shù)據(jù)源。結(jié)合火星重力場(chǎng)和火星自轉(zhuǎn)，可以約束火星核的大小和密度，可以為研究火星的演化提供重要參考。除了對(duì)類(lèi)地行星的研究，對(duì)小行星的重力場(chǎng)也開(kāi)展了大量的研究工作。最新的小行星重力場(chǎng)方面的工作由美國(guó)國(guó)家航空航天局發(fā)射的Dawn探測(cè)器完成。利用Dawn探測(cè)器2011—2012年圍繞Vesta運(yùn)行的軌道探測(cè)數(shù)據(jù)，研究人員解算了20階次的重力場(chǎng)模型。利用重力和地形模型，對(duì)Vesta的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，認(rèn)為Vesta不同于其他均質(zhì)小行星，它具有明確的分層結(jié)構(gòu)。然而，現(xiàn)有的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)精度，尚不能約束Vesta是否具有內(nèi)核[96]。

6 衛(wèi)星重力測(cè)量未來(lái)研究方向

CHAMP作為首顆專(zhuān)用于地球重力場(chǎng)探測(cè)的重力衛(wèi)星，由于軌道高度（454 km）、關(guān)鍵載荷精度和測(cè) 量模式的制約僅適于探測(cè)地球重力場(chǎng)的長(zhǎng)波信號(hào)，因此CHAMP僅是人類(lèi)利用專(zhuān)用重力衛(wèi)星高精度探測(cè)地球重力場(chǎng)的探索性試驗(yàn)，對(duì)提高現(xiàn)有地球重力場(chǎng)模型的精度和空間分辨率的貢獻(xiàn)有限，但將使目前的地球重力場(chǎng)模型更加可靠。GRACE計(jì)劃的成功實(shí)施使人類(lèi)對(duì)地球重力場(chǎng)的認(rèn)識(shí)提升到前所未有的高度，對(duì)高精度探測(cè)中長(zhǎng)波地球重力場(chǎng)的貢獻(xiàn)甚至超越過(guò)去30年地球重力場(chǎng)探測(cè)信息量的總和，得到的地球靜態(tài)和動(dòng)態(tài)重力場(chǎng)的精度比CHAMP至少高一個(gè)數(shù)量級(jí)。為了反演高精度、高空間分辨率和全頻段的地球重力場(chǎng)以進(jìn)一步提高人類(lèi)對(duì)賴(lài)以生存地球的理解和認(rèn)知，美國(guó)NASA、歐洲ESA（European Space Agency）、中國(guó)CAST（China Academy of Space Technology）等國(guó)際眾多研究機(jī)構(gòu)已競(jìng)相提出了下一代衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃和將高精度探測(cè)地球重力場(chǎng)的SST技術(shù)應(yīng)用于月球、火星及太陽(yáng)系其他星體的重力場(chǎng)探測(cè)之中。

1）一步動(dòng)力學(xué)衛(wèi)星重力反演法

基于“一步法”理論框架?chē)?yán)密和地球重力場(chǎng)解算精度較高的特性，利用美國(guó)JPL（Jet Propulsion Laboratory，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室）公布的GRACE-Level-1B實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)高精度和高空間分辨率反演120階GRACE雙星地球重力場(chǎng)，并將結(jié)果和國(guó)外現(xiàn)有地球重力場(chǎng)模型（如EIGEN-GRACE02S、GGM02S等）進(jìn)行比對(duì)。在衛(wèi)星重力測(cè)量中，目前國(guó)際大地測(cè)量學(xué)界基于SST觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)反演地球重力場(chǎng)通常采用兩種方法：兩步法和一步法。所謂“兩步法”（分步法）是指首先利用高軌GPS衛(wèi)星對(duì)低軌重力衛(wèi)星精密跟蹤定軌（位置、速度和加速度）；其次，將精確解算得到的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)作為觀(guān)測(cè)值并聯(lián)合K波段測(cè)距系統(tǒng)的星間距離和星間速度，加速度計(jì)的非保守力，以及恒星敏感器的姿態(tài)等觀(guān)測(cè)值共同解算地球重力場(chǎng)。優(yōu)點(diǎn)是將一個(gè)復(fù)雜的地球重力場(chǎng)反演問(wèn)題分步解算，不僅降低了在處理整體問(wèn)題時(shí)遇到的各種困難，而且可采用各種具體有效的方法有針對(duì)性地解決每步中存在的實(shí)際問(wèn)題；缺點(diǎn)是由于精密定軌依賴(lài)于先驗(yàn)地球重力場(chǎng)模型，因此將不同程度地?fù)p失地球重力場(chǎng)解算的精度。所謂“一步法”（整體法）是指將衛(wèi)星精密定軌和地球重力場(chǎng)整體解算，同時(shí)求解地球自轉(zhuǎn)參數(shù)、海潮模型、地面站坐標(biāo)、地球重力場(chǎng)模型、衛(wèi)星軌道等，以及其他動(dòng)力學(xué)和非動(dòng)力學(xué)參量，通過(guò)綜合衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)學(xué)、衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)、大地測(cè)量學(xué)、地球物理學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)建立的一種合乎自然規(guī)律的解算方法。優(yōu)點(diǎn)為不依靠參考地球重力場(chǎng)信息、理論框架?chē)?yán)密、參數(shù)解算精度高等；缺點(diǎn)為解算時(shí)間較長(zhǎng)、求解過(guò)程復(fù)雜、需并行計(jì)算機(jī)支持。

2）Mascon點(diǎn)質(zhì)量衛(wèi)星重力反演法

基于可高精度反演局部地球重力場(chǎng)的點(diǎn)質(zhì)量法（Mascon Solution），綜合利用美國(guó)JPL公布的13年GRACE衛(wèi)星實(shí)際觀(guān)測(cè)資料以及ICESat激光測(cè)高衛(wèi)星、GPS衛(wèi)星、驗(yàn)潮站洋底壓力等多種觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，聯(lián)合監(jiān)測(cè)研究南極和青藏高原現(xiàn)今冰川質(zhì)量季節(jié)變化和長(zhǎng)期趨勢(shì)以及冰后回升效應(yīng)，提高其長(zhǎng)期變化的信噪比，并給出其冰蓋變化的時(shí)空特性，深入理解人類(lèi)活動(dòng)與全球環(huán)境變化的內(nèi)在關(guān)系。目前國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)在基于衛(wèi)星重力測(cè)量反演全球重力場(chǎng)中普遍采用地球引力位按球諧級(jí)數(shù)展開(kāi)法（Harmonic Solution）。但在反演局部地球重力場(chǎng)時(shí)，地球引力位按球諧級(jí)數(shù)展開(kāi)難以保證其在地球表面及其附近空間的有效性。點(diǎn)質(zhì)量法是當(dāng)前國(guó)際大地測(cè)量學(xué)界高精度和高空間分辨率解算南極和青藏高原等區(qū)域局部地球重力場(chǎng)的有效途徑，可有效提高冰川質(zhì)量長(zhǎng)期變化的信噪比，并給出其冰蓋變化的時(shí)空特性。其優(yōu)點(diǎn)為：（1）可有效抑制局部地球重力場(chǎng)信號(hào)的“泄漏”，較好地消除長(zhǎng)周期誤差的傳遞；（2）可實(shí)質(zhì)性提高局部地球重力場(chǎng)反演的時(shí)間和空間分辨率；（3）計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，計(jì)算速度較快，計(jì)算結(jié)果可靠。

3）球面小波函數(shù)衛(wèi)星重力反演法

基于球面小波函數(shù)的局部特性和快速算法，將地球重力場(chǎng)球諧函數(shù)和球面小波函數(shù)相結(jié)合共同反演高精度和高空間分辨率的地球重力場(chǎng)。目前地球重力場(chǎng)模型通常按球諧函數(shù)展開(kāi)，由于球諧函數(shù)擅于描述全球重力場(chǎng)而缺乏刻畫(huà)局部地球重力場(chǎng)的特性，同時(shí)任何局部地球重力場(chǎng)的變化都會(huì)導(dǎo)致所有球諧系數(shù)隨之變化，因此國(guó)際大地測(cè)量聯(lián)合會(huì)成立了小波函數(shù)研究組，旨在基于球面小波函數(shù)精細(xì)刻畫(huà)局部地球重力場(chǎng)。

4）基于動(dòng)力插值法建立時(shí)變重力場(chǎng)模型

緊跟國(guó)際衛(wèi)星重力測(cè)量的最新熱點(diǎn)和動(dòng)態(tài)，面向滿(mǎn)足我國(guó)日益增長(zhǎng)和迫切提出的科學(xué)和國(guó)防需求，結(jié)合動(dòng)力學(xué)法的精確性和空間三維插值法的快速性的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建新型動(dòng)力插值衛(wèi)星重力反演觀(guān)測(cè)方程；基于GRACE重力衛(wèi)星實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)GRACE-Level-1B的有效預(yù)處理和新型地球靜態(tài)重力場(chǎng)模型WHIGG-GRACE-S的精確建立，檢驗(yàn)新型動(dòng)力插值法的有效性；利用精確和快速的動(dòng)力插值法建立新型地球時(shí)變重力場(chǎng)模型WHIGG-GRACE-T，并通過(guò)與美國(guó)CSR公布的地球時(shí)變重力場(chǎng)模型CSR-RL05的符合性，檢驗(yàn)新型時(shí)變模型WHIGG-GRACE-T的可靠性；采用新型動(dòng)力插值法，論證我國(guó)下一代激光干涉測(cè)距型Post-GRACE重力衛(wèi)星系統(tǒng)的關(guān)鍵載荷匹配精度指標(biāo)和軌道參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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鄭偉（1977– ），男，研究員，日本京都大學(xué)博士后。主要研究方向：深空衛(wèi)星重力測(cè)量和天空海一體化海洋導(dǎo)航研究。

通訊地址：北京市海淀區(qū)友誼路104號(hào)航天城（100094）電話(huà)：（010）68111077

E-mail：zhengwei1@qxslab.cn

Reviews on Deep Space Satellite Gravity Measurement Mission

ZHENG Wei1，YAN Jianguo2，LI Zhaowei1

（1.Qian Xuesen Laboratory of Space Technology，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China；2.State Key Laboratory of Geodesy and Earth’s Dynamics，Institute of Geodesy and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430077，China）

The successful implementation of the international gravity satellite mission around the Earth，named CHAMP（CHAllenging Minisatellite Payload），GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）and GOCE（Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer），and the international satellite gravity measurement program orbiting the Moon，named GRAIL（Gravity Recovery and Interior Laboratory）, and the upcoming launch of the international next-generation Earth’s gravity satellite GRACE Follow-On will usher in an unprecedented high precision and high spatial resolution of the deep space satellite gravity detection era.In this paper，the research background，the necessity，the feasibility study，the construction of the software platform，the orbit perturbation and the future research direction of the deep-space satellite gravity measurement are demonstrated.The deep-space satellite gravity measurement technology has a broad application prospect with regard to the planetary geodesy，the planetary gravity field，planetary physics，the planetary dynamics and the national defense，and the construction for the national economy and the social benefits.

deep space satellite gravity mission；CHAMP；GRACE；GOCE；GRACE Follow-On；GRAIL

P223

：A

：2095-7777（2017）01-0003-11

10.15982/j.issn.2095-7777.2017.01.001

鄭偉，鄢建國(guó)，李釗偉.深空衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃研究綜述[J].深空探測(cè)學(xué)報(bào)，2017，4（1）：3-13.

Reference format：Zheng W，Yan J G，Li Z W.Reviews on deep space satellite gravity measurement mission [J].Journal of Deep Space Exploration，2017，4（1）：3-13.

[責(zé)任編輯：宋宏，英文審校：任樹(shù)芳]

2016-11-01

2017-01-07

國(guó)家自然科學(xué)基金面上和重點(diǎn)項(xiàng)目（41574014，41131067，11572168）；中央軍委科技委前沿科技創(chuàng)新項(xiàng)目；中國(guó)空間技術(shù)研究院杰出青年人才基金、中國(guó)航天科技集團(tuán)航天系統(tǒng)發(fā)展中心基金、中國(guó)航天科技集團(tuán)錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室自主創(chuàng)新基金聯(lián)合資助項(xiàng)目