CN110031906A - 基于引力钟慢效应探测的全球重力场获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于引力钟慢效应探测的全球重力场获取方法，所述方法基于广义相对论原理，通过在卫星上搭载高精度原子光钟实现探测引力钟慢效应，进而获取全球重力场模型。本发明提出的测量方法有别于传统的基于牛顿力学的卫星重力测量方法，将先进的量子测量技术引入到大地测量中去，可获得较高的测量精度和稳定度，可应用于未来高分辨率的卫星重力测量任务。

Description

基于引力钟慢效应探测的全球重力场获取方法

技术领域

本发明涉及一种全球重力场获取的方法，具体地，涉及基于引力钟慢效应探测的全球重力场获取方法。该测量方法可高精度的获取全球重力场的分布模型，可应用于未来的卫星重力测量任务。

背景技术

高精度地球重力场在地球物理学、地下水存储、海洋学、冰川学、灾害预警等领域具有重要作用。因此提供高精度的全球重力场模型信息，是高分辨率重力测量卫星的重要使命之一。

二十一世纪以来，国际上已成功发射了高低卫卫跟踪重力测量卫星CHAMP、低低卫卫跟踪重力测量卫星GRACE以及重力梯度测量卫星GOCE三颗重力卫星，其观测数据将全球重力场模型恢复至200阶(空间分辨率100km)，目前国外提出的下一代低低跟踪重力测量卫星，也仅仅瞄准了200-250阶(空间分辨率80-100km)的重力场获取。但仍无法满足地球科学对250-400阶(对应空间分辨率50-80km)全球重力场模型的迫切需求。目前国内外已有的卫星重力测量手段均基于牛顿力学框架。受传统宏观惯性测量仪器加工精度等固有因素的限制，牛顿力学框架下的重力场天基探测精度已接近极限。而基于引力钟慢效应探测的全球重力场获取方法可突破牛顿力学的测量极限，该技术利用原子光钟这种先进的量子技术，基于广义相对论原理，实现引力钟慢效应的探测，进而可以超高精度的获取全球重力场模型。

引力钟慢效应是指根据广义相对论原理，引力场中，引力越强的地方，时间流逝越慢。由于地球各点引力场分布不均，当卫星搭载高精度冷原子钟遍历地球周围空间时，变化的引力场导致星上时钟读数产生快慢变化，通过对比“基准时钟”，可超高精度的反演出全球重力场分布。

近10年来，随着量子冷原子技术的飞速发展，日本研制出了频率准确度高达10^-18的冷原子光钟，我国2016年9月发射的天宫二号空间实验室也搭载了全球首台冷原子钟。NASA与日本均指出，冷原子光钟超高的频率准确度为测量相对论框架下引力钟慢效应提供一种有效的途径，将对高分辨率对地观测获取重力场信息产生不可估量的技术前景。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了基于引力钟慢效应探测的全球重力场获取方法，相比于现有牛顿力学框架下的卫星重力测量方法而言，本发明提出的测量方法采用先进的量子技术，基于广义相对论原理开展测量，不仅可以获得较高的测量精度，而且低频噪声稳定，测量数据可靠，可应用于未来高分辨率的卫星重力测量任务。

根据本发明提供的基于引力钟慢效应探测的全球重力场获取方法，利用广义相对论，利用星上时钟去探测引力钟慢效应，感知重力场分布，从而实现重力场的测量。根据广义相对论原理，任何质量会导致时空弯曲，时空弯曲会产生引力钟慢效应，即在引力场中，引力越强的地方，时间流逝越慢。具体的，在卫星上放置高精度时钟，由于地球形状不规则，且引力场分布不均匀，卫星在遍历地球周围空间时，变化的引力场导致星上时钟频率变化，对比“基准时钟”，可推演出卫星轨迹各点的引力场，进而获取地球重力场的分布。通过检测两个时钟频率的变化差异，即可获得地球重力场的分布信息，包括如下步骤：

1)卫星飞行在200-500km的近地轨道上，在卫星上搭载高精度时钟，设为A点；

2)放置一台引力钟，即基准时钟，将其设为B点；

3)考察沿地心径向相距一段位移的两点A与B，计算星上时钟所处的A点与基准时钟所处的B点之间的引力场强相差；

4)基于广义相对论，检测两点处两个时钟频率的变化差异，计算两钟的时间读数之差Δt；

5)获取Δt计算星上时钟所处的A点的重力加速度，获取地球重力场的分布信息。

优选地，步骤3)中，计算星上时钟所处的A点与“基准时钟”所处的B点之间的引力场强相差的方法为：

地心径向相距一段位移的两点A与B，A与B分别与地心相距r_A、r_B，其中r_A＝R+h_A，r_B＝R+h_B，R为地球半径，h_A与h_B为A、B两点的轨道高度；

当两点距离差值为Δh＝r_A-r_B>0时，星上时钟所处的A点与“基准时钟”所处的B点之间的引力场强相差：

优选地，步骤4)中，两钟的时间读数之差Δt的计算方法为：

根据广义相对论原理，假设A时钟经历ΔτA的时间内，看到B时钟走了ΔτB的时间，则

其中，c为光速，r_A、r_B是A与B分别与地心的距离；

由于2GM/c²r_A＝1，2GM/c²r_B＝1，因此由牛顿二项式定理可得：

因此两钟的时间读数之差Δt＝Δτ_A-Δτ_B为

优选地，星上时钟所处的A点的重力加速度的计算方法为：

其中c为光速，r_A、r_B是A与B分别与地心的距离。根据广义相对论原理，ΔτA为A时钟经历的时间，ΔτB为A时钟经历的ΔτA内所看到的B时钟走了的时间。

优选地，步骤1)中星上搭载高精度时钟为原子光钟。

优选地，基准时钟的放置地点选取地球表面或空间已知准确重力加速度的地点。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本方法突破传统的牛顿力学测量方法，将先进的量子测量技术应用到卫星重力测量中去，大大提升测量精度；

(2)引力钟慢效应的探测可以将时钟频率的快慢与重力场的大小建立联系，进而通过测量时钟频率的变化来获取全球重力场分布；

(3)该方法适用于星载测量，卫星飞行于200～500km的近极轨道，在飞行一定时间后可遍历全球；

(4)测量方法通过检测不同的两点处两个时钟频率的变化差异，来获得地球重力场的分布信息；

(5)测量方法将时钟频率的快慢与重力场的大小建立联系，进而通过测量时钟频率的变化来获取全球重力场分布；

(6)相比于基于牛顿力学的卫星重力测量方法而言，该方法采用先进的量子测量技术，直接测量轨道高度的重力加速度值；

(7)原子光钟具有非常高的频率准确度，将原子光钟搭载于卫星上，卫星在遍历地球周围空间时，与基准时钟做频率对比，可获取不同地点的重力场信息，大大提升测量精度；

(8)该方法可应用于未来高分辨率的卫星重力测量任务，高精度获取全球重力场信息。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1为基于引力钟慢效应探测的全球重力场获取方法示例图；

图2为基于引力钟慢效应探测的全球重力场获取方法应用场景示例图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在一个实施例中，本发明基于引力钟慢效应探测的全球重力场获取方法，主要特征是利用广义相对论引力钟慢效应去感知重力场分布。根据广义相对论原理，任何质量会导致时空弯曲，时空弯曲会产生引力钟慢效应，即在引力场中，引力越强的地方，时间流逝越慢。

具体地，在卫星上放置高精度时钟，由于地球形状不规则，且引力场分布不均匀，卫星在遍历地球周围空间时，变化的引力场导致星上时钟频率变化，对比“基准时钟”，可推演出卫星轨迹各点的引力场。引力钟慢效应的探测，可以将时钟频率的快慢与重力场的大小建立联系，进而通过测量时钟频率的变化来获取全球重力场分布，从而获取地球重力场的分布。即通过检测两个时钟频率的变化差异，获得地球重力场的分布信息。

1)卫星飞行在200-500km的近地轨道上，星上搭载高精度时钟，设为A点；

2)放置一台引力钟，即基准时钟，将其设为B点；

3)考察沿地心径向相距一段位移的两点A与B，计算星上时钟所处的A点与基准时钟所处的B点之间的引力场强相差；

4)基于广义相对论，检测两点处两个时钟频率的变化差异，计算两钟的时间读数之差Δt；

5)获取Δt计算星上时钟所处的A点的重力加速度，获取地球重力场的分布信息。

接下来对本发明进行详细的描述。

如附图1-2所示，本发明基于引力钟慢效应探测的全球重力场获取方法,采用星载时钟进行测量。卫星飞行在200～500km的近地轨道上，在飞行一定时间后可遍历全球。在卫星上搭载高精度时钟,如原子光钟，原子光钟具有非常高的频率准确度，将原子光钟搭载于卫星上，卫星在遍历地球周围空间时，与基准时钟做频率对比，可获取不同地点的重力场信息。将原子光钟设为A点，同时地面或其他已知精确重力值的地点放置一台“基准时钟”，设为B点。由于地球形状不规则，地球内部物质分布不均匀且随时间和空间变化，因此地球表面与空间各点引力场并不相同。在引力场中，引力越强的地方，时间流逝越慢。考察沿地心径向相距一段位移的两点A与B，它们分别与地心相距r_A、r_B，其中r_A＝R+h_A，r_B＝R+h_B，R为地球半径，h_A与h_B为A、B两点的轨道高度。当两点距离差值为Δh＝r_A-r_B>0时，计算星上时钟所处的A点与“基准时钟”所处的B点之间的引力场强相差：

其中GM为地心引力常数。

根据广义相对论原理，位于地球表面或空间两点的两个时钟所在位置的引力场强不同，此时在A点与B点分别放置高精度时钟，那么A点与B点这两个时钟的运行速度也并不相同。假设A时钟经历ΔτA的时间内，看到B时钟走了ΔτB的时间，则

其中，c为光速，r_A、r_B是A与B分别与地心的距离；

由于2GM/c²r_A＝1，2GM/c²r_B＝1，因此由牛顿二项式定理可得

因此两钟的时间读数之差Δt＝Δτ_A-Δτ_B为

将时钟频率的快慢与重力场的大小建立联系，进而通过测量时钟频率的变化来获取全球重力场分布。此时星上时钟所处的A点的重力加速度便可通过两时钟的时间读数差Δt测量出来，即：

当卫星沿轨道飞行遍历地球上空后，通过上述方法可以获取轨道上各点的重力加速度，进而反演出地球重力场模型。需要指出的是，根据轨道各点的重力加速度反演地球重力场模型属于现有成熟的数据处理技术，可直接沿用，这里不予赘述。

通过上述实施例可知，本发明提供的基于引力钟慢效应探测的全球重力场获取方法，至少实现了如下的有益效果：本方法突破传统的牛顿力学测量方法，将先进的量子测量技术应用到卫星重力测量中去，大大提升测量精度；引力钟慢效应的探测可以将时钟频率的快慢与重力场的大小建立联系，进而通过测量时钟频率的变化来获取全球重力场分布；该方法适用于星载测量，卫星飞行于200～500km的近极轨道，在飞行一定时间后可遍历全球；测量方法通过检测不同的两点处两个时钟频率的变化差异，来获得地球重力场的分布信息；测量方法将时钟频率的快慢与重力场的大小建立联系，进而通过测量时钟频率的变化来获取全球重力场分布；相比于基于牛顿力学的卫星重力测量方法而言，该方法采用先进的量子测量技术，直接测量轨道高度的重力加速度值；原子光钟具有非常高的频率准确度，将原子光钟搭载于卫星上，卫星在遍历地球周围空间时，与基准时钟做频率对比，可获取不同地点的重力场信息，提升测量精度；该方法可应用于未来高分辨率的卫星重力测量任务，高精度获取全球重力场信息。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种基于引力钟慢效应探测的全球重力场获取方法，其特征在于，利用星上时钟去探测引力钟慢效应，从而实现重力场的测量；包括如下步骤：

1)卫星飞行在200-500km的近地轨道上，在卫星上搭载高精度时钟，设为A点；

2)放置引力钟，即基准时钟，将其设为B点；

3)考察沿地心径向相距一段位移的两点A与B，计算星上时钟所处的A点与“基准时钟”所处的B点之间的引力场强相差；

4)基于广义相对论，检测两点处两个时钟频率的变化差异，计算两钟的时间读数之差Δt；

5)获取Δt计算星上时钟所处的A点的重力加速度，获取地球重力场的分布信息。

2.如权利要求1所述的基于引力钟慢效应探测的全球重力场获取方法，其特征在于，所述步骤3中，计算星上时钟所处的A点与“基准时钟”所处的B点之间的引力场强相差的方法为：

地心径向相距一段位移的两点A与B，A与B分别与地心相距r_A、r_B，其中r_A＝R+h_A，r_B＝R+h_B，R为地球半径，h_A与h_B为A、B两点的轨道高度；

当两点距离差值为Δh＝r_A-r_B>0时，星上时钟所处的A点与“基准时钟”所处的B点之间的引力场强相差：

3.如权利要求1所述的基于引力钟慢效应探测的全球重力场获取方法，其特征在于，所述步骤4中，两钟的时间读数之差Δt的计算方法为：

根据广义相对论原理，假设A时钟经历ΔτA的时间内，看到B时钟走了ΔτB的时间，则

其中，c为光速，r_A、r_B是A与B分别与地心的距离；

由于2GM/c²r_A＝1，2GM/c²r_B＝1，因此由牛顿二项式定理可得

因此两钟的时间读数之差Δt＝Δτ_A-Δτ_B为

4.如权利要求1或3所述的基于引力钟慢效应探测的全球重力场获取方法，其特征在于，星上时钟所处的A点的重力加速度的计算方法为：

其中c为光速，r_A、r_B是A与B分别与地心的距离。根据广义相对论原理，ΔτA为A时钟经历的时间，ΔτB为A时钟经历的ΔτA内所看到的B时钟已走的时间。

5.如权利要求1所述的基于引力钟慢效应探测的全球重力场获取方法，其特征在于，所述步骤1中星上搭载高精度时钟为原子光钟。

6.如权利要求1所述的基于引力钟慢效应探测的全球重力场获取方法，其特征在于，所述基准时钟的放置地点选取地球表面或空间已知准确重力加速度的地点。