衛星重力測量（satellite gravity survey）利用人造衛星測量地球的重力場，與傳統的重力測量完全不同，並不是把重力儀安放在人造衛星上，因為在高速運轉的人造衛星內，物體是失重的，任何重力儀放在裡邊都無法工作。
基本介紹
- 中文名：衛星重力測量
- 外文名：satellite gravity survey
- 假定地球：內部密度均勻的對稱球體
- 確定：地球引力場的球諧係數
基本介紹,結構性能,發展歷史,
基本介紹
假定地球是一個理想的內部密度均勻的對稱球體，那么它的重力場就可用一個點質量周圍的重力場來代替。作為一個圍繞點質量旋轉的小質點（如人造衛星）的軌道可用克卜勒定律來描述，即在固定平面上，方向和大小都是固定的橢圓。在這個橢圓軌道上，人造衛星所受到的地球引力和衛星運動的角速度是相互平衡的，若橢圓的長軸是a，人造衛星公轉的周期為T，則由平衡條件所得a3(2n/T)2：GM：3 986×1014米3/秒2。式中：M為地球質量；G為萬有引力常量；2n/T=W為衛星繞軌道旋轉的平均角速度。實際上地球並不是一個理想的內部密度均勻的球體，而是一個從地殼到地幔、地核都有密度差異的近似旋轉橢球體。因此，球體外部空間的重力場不能用點質量的引力來代替，這就使人造衛星的運行軌道在受到地球重力場及其他因素的影響下產生擾動，其運動軌道為攝動軌道，攝動軌道與正常軌道之差稱為攝動量。人造衛星運行軌道可利用軌道6要素通過衛星監控站精確地測量出來。地球外部任一點的重力位滿足拉普拉斯方程，把它放在球坐標系中進行球諧分析，就可發現地球重力位公式中的球諧係數和衛星軌道要素有關。衛星重力學要解決的問題就是根據消除其他因素影響後的軌道攝動來確定地球引力場的球諧係數，進而推算出地球外部空間的重力場。並可由之推算出地球內部不同深度範圍存在的密度不均勻體之分布情況。
結構性能
地球重力場反演是指通過分析衛星觀測數據（GPS接收機的軌道位置及速度、K波段/雷射干涉系統的星間距離及星間速度、星載加速度計的非保守力、恆星敏感器的衛星及載荷三維姿態、衛星重力梯度儀的重力梯度張量等）和地球重力場模型中引力位係數的關係，建立並求解衛星運動觀測方程，進而反演地球引力位係數，最終目的是反演高精度和高空間解析度的地球重力場。如圖2所示，在利用衛星重力測量數據反演地球重力場的眾多方法中，按引力位係數反演方法的差異可分為空域法和時域法。第一，空域法是指不直接處理空間位置相對不規則的衛星軌道採樣點的觀測值，而將觀測值歸算到以衛星平均軌道高度為半徑的球面上利用快速傅立葉變換（FFT）進行格線化處理，將問題轉化為某類型邊值問題的解，半解析法、最小二乘配置法等屬於空域法的範疇。[4,5] 空域法的優點是因格線點數固定從而方程維數一定，可以利用FFT方法進行快速批量處理，因此極大地降低了計算量；缺點是在進行格線化處理中作了不同程度的近似處理。第二，時域法是指將衛星觀測數據按時間序列處理，衛星星曆直接表示成引力位係數的函式，由最小二乘、預處理共軛梯度等方法直接反求引力位係數。時域法的優點是直接對衛星觀測數據進行處理，不存在任何近似，求解精度較高且能有效處理色噪聲；缺點是隨著衛星觀測數據的增多，觀測方程數量劇增，極大地增加了計算量。過去由於地球重力場反演方法的歷史局限性和當時計算機技術發展的限制，為了減少計算量，因此空域法較為盛行。然而，由於空域法存在較多人為性的假設且隨著近年來並行計算機技術的飛速發展及各種快速算法的廣泛套用，計算量的大小不再是制約地球重力場反演精度的重要因素，時域法的優點正逐漸體現於地球重力場反演之中。時域法主要包括四種類型：（1）Kaula線性攝動法[6]，僅適合於求解低階地球重力場且計算精度較低。（2）加速度法[7]，優點是基於數值微分原理有利於提高中高頻地球重力場的感測精度；缺點是在差分掉雙星共同誤差的同時，也差分掉了部分地球重力場的低頻信號，因此降低了重力場長波信號的靈敏度。（3）動力學法[8]，優點是求解精度較高；缺點是將衛星軌道參數對引力位係數偏微分的初值設定為零違背了天體運動的物理規律，求解過程複雜程度較高且需要高性能的並行計算機支持。（4）能量守恆法[9]，優點是觀測方程物理含義明確且易於地球重力場的敏感度分析；缺點是對衛星軌道的測量精度要求較高。
發展歷史
自伽利略於16世紀末第一次進行重力測量以來，國際眾多科研機構（如美國宇航局(NASA)、德國航天局(DLR)、歐洲空間局(ESA)等）通過地面、海洋、空間等多種觀測技術的聯合已獲得了全球的、規則的、密集的和高精度的地球重力場信息，因此全球重力場反演方法的優劣是決定人類對"數字地球"認識水平的關鍵所在。由於目前全球重力場反演方法自身的固有局限性，因此無論是各種方法單獨還是聯合均無法滿足將來國際衛星重力測量計畫中精確和快速反演全頻段全球重力場的需求。因此，尋求新的、有效的和快速的全球重力場反演方法是本世紀國際地球物理學和大地測量學界的熱點和亟待解決的難題之一。自1957年10月4日第一顆人造衛星Sputnik-1成功發射以來，國際眾多學者在利用衛星技術精密探測地球重力場方面取得了輝煌的成就。21世紀是人類利用衛星跟蹤衛星（SST）和衛星重力梯度（SGG）技術提升對地球重力場認知能力的新紀元。重力衛星CHAMP（Challenging Minisatellite Payload，2000.7.15發射）、GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment，2002.3.17發射）和GOCE（Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer，2009.3.17發射）的成功升空以及GRACE Follow-On的即將發射昭示著人類將迎來一個前所未有的衛星重力探測時代.
