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给力的新一代重力卫星

2012-10-22 16:36:04 来源:

前不久,美国国家航空航天局(NASA)公布的最新资料显示,地球的重力正在随着全球气温的上升而发生变化。NASA表示,1900~2012年的100多年里,全球气温上升了0.75℃。尽管升高了不到1℃,地球的重力还是发生了不小的变化。

NASA的这份报告出自“格瑞斯(GRACE)”重力测量卫星的监控结果。通过测量卫星轨道飞行路径的变化,可以得出冰川融化对地球 质量和引力的影响。电脑将数据综合分析后发现,“非正常的融冰正在影响着地球的重力”。德国科学家也利用“格瑞斯”在2002~2011年的数据发现,格陵兰冰川的质量在10年间减少了240亿吨,这意味着海平面平均每年上升0.7毫米。

人造地球卫星:重力测量的另一种可能

地球表面上的许多地方人类无法抵达,重力测量难以实现。人造地球卫星的发射,为观测全球范围内的重力场及其随时间的变化提供了可能,重力测量精度也随之提高。

人造地球卫星在空间运行时,主要受地球的引力和离心力影响,换句话说,卫星主要受地球重力的作用。基于此,20世纪50年代末和20世纪60年代初期,人们就已经利用对近地卫星的光学观测(主要是在地面对卫星拍照,根据照片上卫星和恒星的位置关系,确定卫星的坐标)来跟踪卫星。20世纪60年代中期出现的卫星激光测距技术,因为测量精度更高,逐渐取代了卫星的光学观测技术。到20世纪80年代中后期,研究人员利用卫星轨道反算地球重力场的参数,建立了早期的低阶全球地球重力场模型,当时确定的全球大地水准面的精度为米级。

20世纪70年代末出现的卫星雷达测高技术,利用星载激光雷达测定海面高度。精度从起初的米级达到了厘米级;同时卫星激光测距技术的测量精度也从米级、分米级达到了厘米级别。在这一阶段人们先后建立了较高阶次的地球重力场模型,相当于100千米至50千米的分辨率。相应地,确定大地水准面(大地水准面是由静止海水面向大陆延伸所得到的封闭曲面,它是描述地球形状的一个重要物理参考面,也是海拔高的起算面)的精度为分米或者亚分米级,对于重力异常(理论值和实际数值的差值)的确定精度达到了几个毫伽(毫伽是表示重力场强度的单位,1毫伽=10-5米/平方秒)(-5为上角标)的数量级。

不过,上面提到的这些卫星,都不是直接用来测定地球重力场的。

经过数十年的理论研究、技术设计和试验,直接使用卫星测定地球重力场的计划终于在2000年变为现实,2002年和2009年又有3颗重力卫星发射。这4颗卫星分为3种:2000年发射的挑战微小卫星平台(CHAMP)、2002年发射的重力恢复和气候试验(GRACE—音译为格瑞斯)以及2009年发射的重力场和静态洋流探索(GOCE)。其中,格瑞斯由两颗卫星组成,由美国航空航天局和德国空间局联合研制,“挑战微小卫星平台”和“重力恢复和气候试验”分别由德国空间局和欧洲空间局研制。

这样一来,最近10年间,已经有4颗新一代重力卫星成功发射、运行并用于地球重力场的观测。所谓新一代重力卫星,指的是这些卫星的发射目的本身就是用于重力测量的;老一代卫星的数据用于重力测量,是进行了间接计算。

由于轨道高度约为两万千米的美国全球导航卫星已经开始运行,这4颗轨道高度数百千米的低轨卫星都可以接收导航卫星数据,确定自身的运行轨道,用于地球重力场的确定,这就是所谓的“高-低卫星追踪技术”。

重力卫星数据的应用

重力卫星的发射和应用为人们了解地球提供了更多的技术手段。通过重力卫星所获取的大量数据,已经被广泛应用到科学研究中。例如:格瑞斯卫星获取的连续10年重力场数据,为国内外科研人员在地球物理学、大地测量学、海洋学等学科进行相关的研究提供了支撑。

观测地球重力场随时间的变化,可以用于反演地下水储量的变化。国外学者研究了水量充沛的亚马逊河流域的重力变化,对该区域的水储量的季节性变化进行了研究,发现这种季节变化趋势和重力卫星格瑞斯观测到的重力变化一致,和水文资料得到的结果也吻合。我国学者利用格瑞斯卫星数据对于我国华北地区尤其是京津冀区域的地下水储量进行了考察,为决策部门提供了科学决策的依据。

在精密工程建设中有重要意义的我国厘米级的大地水准面建设,除了利用地面、海洋和航空重力数据,也采用了格瑞斯等重力卫星数据进行参考。在航天领域,精确的重力卫星数据为航天器的发射和测量控制提供了保障,它可以极大改善在轨卫星的轨道确定精度。例如,我国发射的海洋卫星、资源卫星和神舟系列飞船的轨道精密确定,都受益于重力卫星数据。在海洋和导航领域,重力卫星也可以提供支持。在军事领域,重力卫星的数据可以为提高远程武器的命中精度提供有力保证。

重力卫星数据计算出的地球形状

这里的地球形状,并不是地球的自然形状,而是最接近于地球平均海平面的大地水准面,它的形状接近于旋转椭球。

德国科学家采用了上述3种重力卫星的数据,也采用了地球动力学卫星的观测数据研究地球的大地水准面。自1995年以来,德国科学家陆续推出彩色的大地水准面模型,他们绘制的不是地球表面点位的高程值而是所谓的“波茨坦重力土豆”。德国科学家如此命名地球重力异常的分布图,可能和他们的饮食习惯有关。“波茨坦重力土豆”以不同的版本在网上传播,比较新的是2009年的版本。需要澄清的是:“波茨坦重力土豆”是重力异常在全球分布的直观显示,并不等于地球的理论形状,与地球的真实形状相差更大。

同样是基于格瑞斯等重力卫星研究大地水准面,美国学者则把他们的成果命名为“大苹果”,和纽约的外号一样。

我国曾经广泛流传的说法是,地球的形状是梨形的。这种不甚准确的说法,也是来自人们对地球卫星早期数据观测的分析。利用多年、多种卫星的数据,科学家们分析了地球的大地水准面的形状,用椭球表示时,南极凹陷、北极凸起,幅度在数十米的数量级。在绘制插图时,人们夸张地描述了这种凹陷和凸起,并且用“梨形”来描述。地球形状为近似“梨形”的报道因而一度广为流传,这其实也是一种误导。

重力卫星的后续卫星与我国的重力卫星计划

格瑞斯卫星已经运行了10年,可能将于2013 年停止工作。美国计划明年发射的重力卫星后续卫星,名字叫格瑞斯后续星(GRACE Follow-On)。格瑞斯后续星仍为两颗卫星在同一轨道上相随运行,轨道高度250千米,轨道倾角89°,两星相距约50千米,采用激光测距,重力测量模式为高-低、低-低卫星跟踪模式。

与格瑞斯相比,格瑞斯后续星在以下4个方面进行了改进:在双星之间,用干涉激光测距替换格瑞斯的电磁波测距,卫星之间的距离测量精度更高,重力测量的精度也更高;后续星的双星间距由200千米缩短为50千米;双星高度由300~500千米降至250千米,可以更准确地进行重力测量;由于配置了无阻尼测距仪,格瑞斯后续星测定的静态和动态地球重力场的精度,比原来的格瑞斯卫星测定的要高近一个量级,也就是10倍,分辨率提高近3倍。

我国科学工作者也一直在关注和研究欧美国家的重力卫星进展情况。由于挑战微小卫星平台(CHAMP)采用的技术已经落伍,重力场和静态洋流探索(GOCE)采用的卫星重力梯度仪,我国近期内难以在研制上有所突破。为此,研究人员建议我国的重力卫星最好采用重力恢复和气候试验(GRACE)的双星工作模式,同时利用高-低卫星跟踪卫星技术和低-低卫星跟踪卫星技术。

目前,我国已经启动了发射重力卫星的关键技术论证,可以乐观地预期:在不久的将来,我国将拥有自己的重力卫星。利用它们,我国科学家在科技和工程建设上会取得丰硕的成果。

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