CN102736118B - 一种用于全球重力场测量的综合型卫星系统 - Google Patents

Abstract

一种用于全球重力场测量的综合型卫星系统，包括以前后跟飞方式飞行于同一近极近圆轨道上的两颗卫星。除卫星平台保障分系统外，两颗卫星上均装载有双频GNSS接收机，分别与高轨导航卫星系统构成高低卫星跟踪卫星链路，进行卫星轨道的高精度确定，获取卫星轨道信息中包含的地球重力场长波波段的信息。同时，两颗卫星上分别装载高精度激光干涉测距装置，通过激光干涉构成低低卫星跟踪卫星链路，获取激光干涉信号中含有的地球重力场中长波波段的信息。此外，一颗卫星上装载高精度重力梯度仪，高精度重力梯度仪形成了卫星重力梯度测量，其测量输出信号中包含有地球重力场的中短波波段信息，由此完成长波、中长波、中短波的全球时变和静态重力场测量。

Description

一种用于全球重力场测量的综合型卫星系统

技术领域

本发明涉及一种用于地球高精度全球重力场测量的卫星系统，特别是一种能够同时在长波、中长波、中短波进行高精度全球时变和静态重力场测量的卫星系统。

背景技术

地球重力场反映地球物质的空间分布、运动和变化，确定地球重力场的精细结构及其变化，可以为进一步认识地球和解决人类面临的资源、环境、灾害等紧迫问题提供重要的基础地学信息。

与地面、海洋、航空地球重力场测量相比，卫星重力场测量具有高精度、高效率、全球覆盖等特点，典型代表是CHAMP卫星、GRACE卫星、GOCE卫星。

CHAMP(ChallengingMini-SatellitePayloadforGeophysicalResearchandApplication)卫星由德国研制，2000年7月发射，用于测定中长波地球重力场(70阶)，进行新体制的技术验证。GRACE(GravityRecoveryandClimateExperiment)卫星由德国、美国联合研制，2002年3月发射，以前所未有的精度(120阶)测定中长波地球重力场。GOCE(GravityFieldandSteady-StateOceanCirculationExplorer)卫星由欧空局研制，2009年3月发射，可以测量200阶以上的全球准静态地球重力场。

以上卫星获得了很大的成功，在地震监测、海洋环流、地下水分布、全球气候变化等领域获得广泛应用。但同时，它们都存在着一定的局限性。主要表现在：GRACE卫星虽具有时变测量能力，但反演的地球重力场模型最高只有120阶次，精度相对较低；，GOCE卫星反演的地球重力场模型最高虽然可达200阶次，但主要是进行静态测量，时变测量能力较差，且在中低频部分误差较大。

目前，尚没有在长波、中长波、中短波均具有高精度测量能力，且能够进行时变和静态测量的卫星系统。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高精度全球重力场测量的综合型卫星系统，在长波、中长波、中短波均具有高精度测量能力，且能够进行时变和静态测量。

本发明的技术解决方案是：一种用于全球重力场测量的综合型卫星系统，包括两颗以前后跟飞的方式飞行于同一近极近圆轨道的卫星，两颗卫星上均搭载有双频GNSS接收机、星间距离测量装置，任意一颗卫星上搭载有重力梯度仪；两颗卫星分别通过各自搭载的双频GNSS接收机与导航卫星系统构成高低卫星跟踪系统，通过实时获取两颗卫星的轨道信息，可以获得地球长波波段的重力场信息；两颗卫星分别通过各自搭载的星间距离测量装置构成低低卫星跟踪系统，通过实时获取两颗卫星之间的星间距离变化信息，可以获得地球中长波波段的重力场模型；搭载有重力梯度仪的卫星通过重力梯度仪进行空间重力梯度测量，由此获得地球中长波波段和中短波波段的重力场信息。

所述的星间距离测量装置为激光干涉测量装置。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明提出的用于高精度全球重力场测量的综合型卫星系统，综合了“高低卫卫跟踪(SST-HL)+低低卫卫跟踪(SST-LL)+卫星重力梯度(SGG)”等三种卫星重力测量模式，是一种新型的重力测量卫星系统。该卫星系统充分发挥“高低卫卫跟踪(SST-HL)”测量模式在地球重力场信息的长波波段精度高、“低低卫卫跟踪(SST-LL)”测量模式在地球重力场信息的中长波波段精度高且时变能力强、“卫星重力梯度(SGG)”测量模式在地球重力场信息的中长波/中短波波段精度高且静态测量效果好的技术特点，能够以较高的精度，在长波、中产波、中短波三个波段，不仅可以获得高精度的全球静态重力场信息，还可以获得高精度的全球时变重力场信息。通过本发明获得的测量数据，进而反演的高精度全球静态和时变重力场信息，可以进一步满足全球测绘、地震监测、海洋、气象、水文、固体地球物理、资源勘探、全球气候变化研究等领域对高精度全球时变和静态重力场的迫切需求。

附图说明

图1为本发明卫星系统的组成原理图；

图2为本发明卫星系统的工作原理图。

具体实施方式

本发明提出的是一种新型综合重力场测量卫星系统，如图1所示，采用“高低卫卫跟踪(SST-HL)+低低卫卫跟踪(SST-LL)+卫星重力梯度(SGG)”的综合型测量模式。

(1)卫星轨道及主要有效载荷

卫星系统由两颗卫星(简称A星和B星)构成编队，以前后跟飞的方式飞行于同一近极近圆轨道上。轨道高度一般应在300km以下，两星之间的距离一般应在100km以下，可根据具体目标进行调整。

两颗卫星上均安装有双频GNSS接收机(GlobalNavigationSatelliteSystem)，与GPS导航卫星系统、GLONASS导航卫星系统、伽利略导航卫星、北斗导航卫星系统中的一种或多种，构成高低卫星跟踪卫星(SST-HL)，主要用于获得高精度卫星定轨信息。

两颗卫星上分别安装高精度激光干涉测量装置，构成低低卫星跟踪卫星(SST-LL)，将两星之间的距离变化连续测出，获得高精度星间距离变化信息。

卫星系统中的其中一颗卫星上安装高精度三轴重力梯度仪(如静电重力梯度仪、原子干涉重力梯度仪、超导重力梯度仪等)，以重力梯度方式测量地球重力场。

两颗卫星上的卫星定轨信息、相对距离变化信息、重力梯度信息以及卫星其它信息通过卫星星地数传链路发送至地面，如图2所示。

(2)A星主要组成

A星的主要有效载荷包括：高精度重力梯度仪、双频GNSS接收机、高精度激光干涉测距装置、星敏感器、激光反射镜。

高精度重力梯度仪用于高精度测定引力梯度张量的Vxx，Vxz，Vyy，Vzz等分量，这是获取高精度高分辨率全球重力场模型的重要保证。

高精度激光干涉测距装置的任务是高精度测量两星之间的距离变化量和变化率。

双频GNSS接收机的目标是通过实时跟踪8-12颗导航卫星来实现卫星精密定轨和恢复重力场的目的，根据其提供的精密定轨数据，可对卫星进行实时导航和姿态控制。

激光反射镜可使现有的SLR(卫星激光测距)地面跟踪站对卫星进行跟踪，从而获得SLR地面跟踪站与卫星间距离的精密观测量(精度在±1-2cm)，该观测量可作为数据后处理中的辅助数据，将利用其求解的卫星轨道与GNSS接收机确定的轨道进行比较，达到相互检核和校准的目的。

星敏感器确定卫星在惯性空间中的姿态指向，对于加速度计测量获得非引力模型具有重要意义。

此外，卫星还包括结构、星上能源、星上电子、测控通信等保障分系统。

(3)B星主要组成

B星的主要有效载荷包括：高精度加速度计、激光干涉测距装置、双频GNSS接收机、星敏感器、激光反射镜、在轨质心调整机构等。

高精度加速度计的任务是测量B星质心处受到的非保守力加速度，联合在轨质心测定算法和在轨质心调整机构可在轨进行卫星质心的高精度测定与调整。

激光干涉测距装置的任务是高精度测量两星之间的距离变化量和变化率。

其他有效载荷和平台保障系统的功能与A星相同。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种用于全球重力场测量的综合型卫星系统，其特征在于包括：两颗以前后跟飞的方式飞行于同一近极近圆轨道的卫星，两颗卫星上均搭载有双频GNSS接收机、星间距离测量装置，任意一颗卫星上搭载有重力梯度仪；两颗卫星分别通过各自搭载的双频GNSS接收机与导航卫星系统构成高低卫星跟踪系统，通过实时获取两颗卫星的轨道信息，可以获得地球长波波段的重力场信息；两颗卫星分别通过各自搭载的星间距离测量装置构成低低卫星跟踪系统，通过实时获取两颗卫星之间的星间距离变化信息，可以获得地球中长波波段的重力场模型；搭载有重力梯度仪的卫星通过重力梯度仪进行空间重力梯度测量，由此获得地球中长波波段和中短波波段的重力场信息；所述的星间距离测量装置为激光干涉测量装置；所述的导航卫星系统包括GPS导航卫星系统、GLONASS导航卫星系统、伽利略导航卫星、北斗导航卫星系统中的一种或多种；所述的重力梯度仪包括静电重力梯度仪、原子干涉重力梯度仪、或者超导重力梯度仪。