基于卫星观测数据的地球重力场探测技术发展趋势分析

分析研究了公开发布的全球重力场模型,根据已有真实卫星数据的重力场反演结果,依次分析了激光地球动力学卫星、重力卫星和测高卫星用于地球重力场探测的特点和局限性,并针对上述缺点和局限性,进一步介绍和分析了当前出现的可用于地球重力探测的新型载荷,如激光测距仪、原子干涉绝对重力梯度仪、干涉SAR高度计等,以及新载荷可能产生的探测效益。以上研究可为地球重力场探测技术未来的发展提供参考。     

高精度星间微波测距技术

卫卫跟踪（SST）技术是目前地球重力场测量最有价值和应用前景的方法之一。高精度K波段星间微波测距系统（KBR K Band Ranging System）低低卫卫跟踪（SST-Ⅱ）重力卫星的关键有效载荷，它是一微米量级的测距系统，通过处理高精度的星间距离和距离变化率数据，可以恢复出地球重力场。在研究星间双路微波测距原理的基础上，提出了一种KBR系统的基本结构，详细描述了数据处理过程和KBR系统研究需要突破的关键技术，分析了国内目前的研究水平，给出了我国未来开展KBR系统研究的一些建议。     

重力梯度仪及其应用

旋转加速度计重力梯度仪是一种高精度的可直接用于测量重力梯度空间张量的精密仪器，安装在动基座上并进行误差的动态实时补偿后，可实现大范围快速测量重力和重力场，这对于提高弹道导弹的精度以及快速测量发射首区重力场以及快速选取发射阵地等都具有十分重要的意义。     

低低卫-卫跟踪重力测量物理模型及部分姿轨控技术需求

文章从低低卫-卫跟踪(SST-LL)重力测量的基本物理思想出发,导出了SST-LL重力测量的物理模型,并由此确定了SST-LL重力测量所需要的观测量;从重力测量对低低孪星的编队要求出发,得出了孪星轨道的平均半长轴之差最低控制需求,导出了卫星姿态俯仰角控制与孪星到地心的距离、及与孪星沿迹相对距离的关系,并估算了孪星两次编队保持机动的时间间隔。     

超高精度星间距离测量及其在卫星重力场测量中的应用

介绍卫星重力场测量的最新技术——GRACE低-低卫-卫跟踪的基本思想及其关键有效载荷。在此基础上,对高精度KBR星间距离测量的基本原理进行简要分析,并探讨其关键技术。     

基于激光干涉星间测距原理的下一代月球卫星重力测量计划需求论证

月球卫星重力测量是21世纪国际开展深空探测的发展趋势和追逐热点。月球重力场的精密测量是国际探月计划的重要组成部分,它决定着月球探测器的轨道优化设计和载人登月飞船月面理想着陆点的合适选取。本文首先介绍未来国际GRAIL（Gravity Recovery and Interior Laboratory）月球重力场探测双星计划的总体概述、关键载荷以及科学目标和研究方向。其次,重点阐述月球卫星观测模式可行性论证、月球卫星关键载荷的优化选取、卫星轨道参数的优化设计、仿真模拟研究的先期开展等我国将来月球卫星重力测量计划的实施建议。第一,由于高低/低低卫星跟踪卫星结合多普勒和甚长基线干涉系统观测模式（SST-HL/LL-Doppler-VLBI）对中长波月球重力场的探测精度较高,技术要求相对较低,月球重力场测定速度快、代价低和效益高,可借鉴地球重力卫星GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）系统的成功经验,对定轨精度的要求较低,而且可有效探测远月面区域的月球重力场信号,因此我国将来首期月球卫星重力测量计划采用SST-HL/LL-Doppler-VLBI观测模式较优。第二,我国应先期开展高精度的月球重力卫星关键载荷（激光干涉星间测距仪、非保守力补偿系统等）和地面Doppler\|VLBI系统的研制工作。第三,月球卫星轨道高度（50~100 km）和星间距离（100±50 km）的优化设计是成功实施将来我国月球卫星重力测量计划的重要保证。第四,建议我国将仿真技术应用于月球重力卫星的方案论证、系统设计、部件研制、产品检验、实际应用、故障分析等研制和运行的全过程。本文的研究不仅对我国将来首期月球卫星重力测量计划的成功实施具有重要的参考价值,同时对未来国际太阳系行星重力探测的发展方向具有广泛的指导意义。
     

K频段测距系统星间高精度指向控制算法

为了避免多路径噪声对低低星间跟踪(SST-LL)重力测量卫星K频段测距(KBR)系统测距精度的影响,基于SST-LL重力测量卫星的超静卫星平台,提出了一种磁控制与喷气控制相结合的KBR系统星间高精度指向控制算法。首先,利用喷气执行机构使卫星快速机动到目标姿态角;然后,利用磁力矩器和喷气执行机构对卫星进行联合稳定控制,在满足省电和节省喷气量的条件下,实现长周期、高精度的天线相对指向控制。利用"重力场反演与天气试验"(GRACE)卫星参数进行仿真验证,结果表明:在正常轨道运行模式下,该算法能实现俯仰和偏航方向优于1mrad的控制精度,可为KBR系统在轨高精度测距提供保证。     

空间应用激光干涉测距技术发展综述

近年来,长基线高精度激光干涉距离测量技术的空间应用,为空间引力波探测(天琴计划、太极计划、LISA计划)、系外生命探测(觅音计划)、先进重力场测量(GRACE Follow-on)等大科学计划,以及高精度多星组网技术的实现提供了不可或缺的条件.ESA研制的星间激光干涉测距仪随GRACE Follow-on卫星于2018...     

微米级微波测距系统时延稳定性的测试研究

微米级微波测距系统是低低卫-卫跟踪重力探测卫星的核心载荷,是反演地球重力场的主要数据来源,星间距离变化的测量精度达微米量级,对系统有源组件的时延稳定性要求非常高,搭建了时延稳定性测试系统,对有源组件进行时延稳定性地面测试验证,得到微米级微波系统有源组件的时延稳定性系数为19.02μm/K,结合无源组件的时延稳定系数及卫星轨道的温度环境,证明轨道谐波误差满足设计要求,微米级微波测距系统的距离变化测量精度满足研制需求.     

重力场测量卫星应用电推进技术

全球重力场的精确测量对于地球物理学、卫星定轨等均有至关重要的意义。对于全球重力场测量卫星而言,其姿态和轨道的保持精度直接影响着全球重力场测量的精度。从重力场测量卫星要求出发,对卫星参数进行了假设,对重力场测量卫星采用离子推进技术的适用性进行了分析。     

卫星跟踪卫星测量模式中关键载荷精度指标不同匹配关系论证

本文基于改进的能量守恒法,对GRACE星载K波段星间测量系统、GPS接收机和SuperSTAR加速度计精度指标的不同匹配关系进行了系统论证。模拟结果表明：第一,各关键载荷精度指标呈线性匹配关系;第二,由于耗散能表现为累积变化特性,加速度计误差对恢复重力场的贡献不同于其它载荷;第三,以K波段星间测速精度指标1～10μm/s为标准并结合其它载荷匹配指标,在120阶处大地水准面累积误差为17.6～174.8cm,1.5°×1.5°重力异常累积误差为0.3～2.8mGal,其中K波段星间测速精度指标取1μm/s时,结果与德国地学研究中心（GFZ）公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型符合较好;第四,建议我国将来采用的卫星跟踪卫星测量模式中关键载荷精度指标设计为星间测速1～3μm/s、轨道位置3～10cm、轨道速度0.03～0.10mm/s和非保守力 0.3～1.0 nm/s 2较优。本文的研究为将来GRAIL月球重力探测计划和太阳系其它行星探测计划（如火星）中全球重力场的精确和快速测量提供了理论基础和计算保证。
     

三体随动跟踪式重力卫星姿态与无拖曳控制方法

采用非接触洛伦兹力执行器代替微推进系统,提出一种“质量块—载荷舱—平台舱”三体随动跟踪式重力卫星总体架构,避免传统低低跟踪重力场测量卫星设计中的质心波动与执行机构带来的动力学不确定性影响。其次,建立了该架构下的卫星姿轨耦合动力学模型,并在此基础上针对动力学非线性耦合项的影响,构建了一种基于带宽参数化自适应补偿的复合自抗扰控制方法,提升姿态与无拖曳控制性能。最后,采用数学仿真验证了所提出的重力卫星总体架构及其控制方法的有效性。仿真结果表明,该方法有效提升了系统的频域性能。     

俄罗斯将发射欧洲GOCE卫星

俄罗斯赫鲁尼契夫国家研究生产中心称,预计2008年9月10日用俄罗斯Rockot火箭发射欧洲首颗重力场与规则洋流探测器(GOCE)卫星,将其送入距地约270~300 km的低地球轨道。由欧空局(ESA)研发的GOCE卫星将用高精度和高空间分辨率技术测量地球的重力场和稳态洋流,可得空间分辨率为80~200km的全球重力场模型和精度1 cm的大地水准面。俄罗斯将发射欧洲GOCE卫星@肖择     

重力场测量卫星研究概况

首先给出了地球重力场和重力测量卫星的内涵，然后概要介绍了地球重力场、月球重力场的作用和意义及国外地球重力场测量技术的发展现状和趋势，比较了目前国际上具有代表性的CHAMP、GRACE和GOCE等重力卫星测量系统。最后阐述我国重力场测量的现状以及发展我国重力场测量卫星系统的必要性，并简要介绍了最新研究进展。     

卫星跟踪卫星应用于月球重力场探测的模拟研究

月球卫星跟踪卫星技术作为月球和行星重力场探测的一种解决方案已经初步研究和讨论。文章引入已有的解析方法在理论上分析卫星间精密测距与月球重力场信号的频率响应关系，并通过模拟计算，以分析月球卫星跟踪卫星方法应用于月球重力场探测的可行性和恢复重力场的能力。由于月球卫星跟踪卫星方法是目前解决远月面重力探测最有潜力的方法之一，且已为一些月球探测计划采用，而我国的月球探测计划也同样面，临远月面探测的难题，文章的研究成果可为我国月球和行星重力场的探测提供参考。     

基于单基线干涉测量的GEO卫星轨道测定与验证

干涉测量具有被动式测量特点,对空间非合作目标轨道监测具有天然优势。利用5.5公里基线干涉测量系统,针对GEO卫星开展了差分干涉测量实验。引入群时延辅助的相时延处理技术,GEO卫星干涉测量噪声约9.4ps。基于"2小时标校-13小时跟踪-2小时标校"的长时差分观测模式,GEO卫星干涉测量误差约0.267ns,定轨解算星历与精密星历最大径向偏差为35.7公里。结果表明,单基线干涉测量可以收敛解算GEO卫星轨道,实现较高精度的GEO卫星轨道被动式监测。     

低轨星载光学测量确定静止卫星轨道的方法

为了研究低地球轨道(LEO)卫星对地球静止轨道(GEO)卫星的跟踪定轨能力,文章提出利用LEO星载光学测量技术对GEO卫星进行轨道确定.文章充分考虑光学可视条件与星载相机的观测区域,对LEO卫星跟踪GEO卫星的空间环境以及测量模式进行模拟.利用模拟得到的测角数据采用数值方法对GEO卫星进行定轨并与参考轨道进行重叠对比....     

高精度星间测距与超稳振荡器研究

高精度K频段微波星间测距系统（KBR）采用双路微波测距技术,测量精度可达到1μm／s,是地球重力场测量卫星的三大有效载荷之一。作为整个系统时间基准的超稳定振荡器（USO）,是实现KBR微米级测量精度的关键。文章在研究KBR测距技术的基础上,对USO进行了研究和设计,研制成功的USO的短期频率稳定度达到了5×10^-13／s（Allan方差）,达到了指标要求。     

欧洲发卫星研究地球重力场

欧空局“重力场与稳态洋流探测器”（GOCE）卫星于3月17日由欧洲呼啸发射服务公司的俄制呼啸号运载火箭在普列谢茨克发射场发射成功。卫星被送入一条低高度近太阳同步轨道。本次发射原定去年9月份进行,但由于火箭的“和风”KM上面级出现制导与导航系统故障而推迟。GOCE是迄今最复杂的一颗用于地球重力场研究和地球水准面测绘的卫星．重约1050公斤．所携重力梯度仪由6台（3对）当今最先进的高灵敏度加速度计组成．用于在全部三个轴向上测量重力场各分量．     

卫星微波干涉测高体制及性能分析研究

针对传统卫星星下点高度计测高体制只能实现一维测量,不能兼顾时间和空间分辨率的问题,重点分析了可实现宽刈幅测高的传统合成孔径雷达干涉(InSAR)测量和新型InSAR高度计测高两种体制;阐述了卫星微波干涉测高的工作原理及误差传播关系;研究了不同雷达下视角情况下随基线倾角的变化相位与基线误差对干涉测高精度的影响,从测高精度与地面分辨率方面分析两种体制的异同及应用范围。文章最后对不同的测高体制的测高精度和应用进行了总结对比,提出了可使测高体制充分发挥优势的应用范围和条件。