[发明专利]基于引力钟慢效应探测的全球重力场获取方法

说明书

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。

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；