[发明专利]降低重力卫星质心调整误差对地球重力场精度影响的方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及卫星大地测量学、卫星重力学、航空航天等交叉技术领域，特别是涉及一种基于新型扰动能量原理，通过建立重力卫星质心调整观测方程，有效降低重力卫星质心调整误差对地球引力位系数精度影响的方法，进而高精度和高空间分辨率反演地球重力场。

二、背景技术

自1957年10月4日成功发射第一颗人造卫星Sputnik-1以来，国内外的许多学者在利用卫星技术精密探测地球重力场方面取得了辉煌成就。21世纪是人类利用SST（Satellite-to-Satellite Tracking）和SGG（Satellite Gravity Gradiometry）技术提升对“数字地球”认知能力的新纪元。地球重力场及其时变特性反映地球表层及内部物质的空间分布、运动和变化，同时决定着大地水准面的起伏和变化。因此，确定地球重力场的精细结构及其时变不仅是大地测量学、地震学、海洋学、空间科学、国防建设等的需求，同时也将为寻求资源、保护环境和预测灾害提供重要的信息资源。

GRACE由美国宇航局（NASA）和德国航天局（DLR）共同研制开发，已于2002年3月17日发射升空。如图1所示，GRACE初始轨道高度为500km，采用近圆和极地轨道设计，轨道倾角89°，轨道离心率e<0.004，在10年的飞行使命中轨道高度由500km降到300km。GRACE-A/B双星采用卫星跟踪卫星高低/低低相结合的飞行模式（SST-HL/LL），除利用高轨GPS卫星对低轨双星精密跟踪定位，同时两颗低轨卫星在同一轨道平面内前后相互跟踪（星间距离220±50km）编队飞行，并利用共轨双星轨道摄动之差高精度测量地球重力场。GRACE卫星利用冷气微推进器和磁力矩器辅助双频GPS接收机精密定轨，利用K波段高频链路高精度测量星间距离和星间速度，利用高精度SuperSTAR静电悬浮加速度计测量作用于卫星的非保守力。

在地心惯性系中研究卫星绕地球的运动规律，通常将卫星视为质点。因此，在卫星飞行中作用于卫星的非保守力可以等效为作用于卫星的质点处。在卫星重力测量中，为了将地球引力从卫星受到的合外力中有效分离，作用于卫星的非保守力的精确扣除是能否反演高精度和高空间分辨率地球重力场的关键技术，因此GRACE星载加速度计检验质量的质心要求精确定位于卫星体的质心处。由于卫星在实际飞行中，卫星体的质心和星载加速度计检验质量的质心实时存在偏移，因此质心偏差的研究是加速度计能否将作用于卫星体的非保守力精确扣除的关键技术。GRACE卫星体和星载加速度计检验质量的质心偏差源主要来自于两个方面：第一，地面安装误差源：由于在地面安装时卫星体质心和加速度计检验质量质心存在偏移，导致了GRACE卫星加速度计的静电力和作用于卫星的非保守力存在固有偏差。第二，在轨飞行误差源：由于空间环境（温度、压力等）的复杂性导致在轨飞行的卫星发生形变以及对卫星进行实时轨道和姿态控制引起喷气燃料消耗（每2～3min喷气1次，每次喷气时间200～300ms），将会导致GRACE卫星体和星载加速度计检验质量的质心存在实时偏差。由于GRACE卫星体和星载加速度计检验质量的质心偏差和卫星姿态测量具有耦合效应，因此在地球重力场反演时会同时将卫星姿态测量误差引入卫星观测方程。GRACE星体和加速度计检验质量的质心偏差以及卫星姿态测量误差的引入必将会在加速度计的三轴测量中附加扰动误差，从而影响地球重力场反演的精度。因此，GRACE星体和星载加速度计检验质量质心偏差的系统研究是提高地球重力场反演精度的重要保证。

国际卫星重力测量计划的成功实施对我国既存在机遇又不乏挑战。我国应尽快汲取国外长期积累的成功经验，积极推动我国卫星重力测量计划的实施，加快自主研制重力卫星的步伐，通过卫星重力测量计划的实现带动相关领域（地学、航天、电子、通信、材料等）的发展。目前国内大地测量学界紧跟国际卫星重力测量的动态，积极投身于重力卫星需求分析的研究当中。如果GRACE星体和星载加速度计检验质量的质心调整精度设计合理，在保证利用加速度计精确扣除非保守力的前提下，可以适当降低星载加速度计和质心调整系统研制的难度以及避免不必要的人力、物力和财力的浪费。基于此目的，本发明开展了GRACE星体和星载加速度计检验质量的不同质心偏差影响GRACE地球重力场精度的研究论证，不仅为我国卫星重力测量计划中质心调整精度的优化选取提供了理论基础和技术保证，同时为将来研究工作的深入开展搭建了桥梁和纽带。

三、发明内容

本发明的目的是：基于新型扰动能量原理，通过建立重力卫星质心调整观测方程，有效降低重力卫星质心调整误差对地球引力位系数精度影响，进而高精度和高空间分辨率反演地球重力场。