郑伟：下一代卫星重力反演理论、方法与关键技术

　　卫星重力测量技术的实现是继美国GPS 星座成功构建之后在空间大地测量领域的又一项创新和突破。

　　自人类于1957 年10 月4 日成功发射第一颗人造卫星Sputnik-1 以来，国际众多科研机构通过多种卫星观测技术的联合已获得了全球、规则、密集和高精度的地球重力场信息，因此地球重力场反演方法的优劣是决定对“数字地球”认识水平的关键所在。迄今为止，国际众多科研机构基于车载、船载、机载和星载重力观测数据利用空域法和时域法已建立了不同精度和阶次的全球重力场模型，但由于目前地球重力场反演方法自身的不足和局限性，无论是各种方法单独还是联合均无法满足下一代国际卫星重力测量计划中精确和快速反演全频段地球重力场的需求，而且仅仅依靠各种方法的自我完善也无法满足21 世纪相关学科对地球重力场精度进一步提高的迫切要求，因此寻求新型、高精度、高效率和全频段的地球重力场反演方法是21 世纪国际大地测量和地球物理等领域正面临的挑战和亟待解决的难题之一。

　　▲国际三期卫星重力测量计划

　　德国CHAMP （ 2000-07-15 ～ 2010-09-19 ）、美德GRACE （ 2002-03-17 ～2017-10-27）、欧空局GOCE（2009-03-17～2013-11-10）和美德GRACE Follow-On（2018-05-22～）重力卫星各有所长，它们的相继发射不是相互竞争而是相互补充；另外，中国首期卫星重力测量计划已于2017 年正式立项。CHAMP（challenging minisatellite payload）是卫星重力测量计划成功实施的先行者，GRACE（gravity recovery and climate experiment）和GRACE Follow-On 的优越性体现于可高精度探测地球重力场的中长波信号及时变，而GOCE（gravity field and steady-state ocean circulation explorer）擅长于感测地球中短波静态重力场。联合上述四期卫星重力计划虽然可以精确测量重力场，从而获得地球总体形状随时间变化、地球各圈层物质的分布和变化、全球海洋质量的分布和变化、极地冰川的增大和缩小，以及地下蓄水总量信息的特性，但仍无法满足21 世纪相关学科对全频段地球重力场精度进一步提高的迫切需求。

　　因此，当前国际众多科研机构正积极寻求新型、高精度、高空间分辨率和全频段的下一代卫星重力测量计划：①双星重力计划：串行编队（如NGGM计划、Cartwheel-A/B 计划等）、钟摆编队（如E.MOTION 计划等）；②三星重力计划：串行-钟摆组合编队（如HIP-3S 计划等）；③四星重力计划：车轮编队（如FSCF 计划等）。国际大地测量学界众多科研工作者经过40 多年的探索终将卫星跟踪卫星（SST）和卫星重力梯度（SGG）计划推向实际操作阶段。

　　▲基于CHAMP、GRACE 和GOCE，以及下一代GOCE Follow-On 卫星重力计划反演地球重力场精度对比

　　我国众多学者在基于卫星重力测量技术反演地球重力场的理论和方法方面已开展了广泛研究。国外GRACE Follow-On 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，机遇是指我国应尽快汲取国外长期积累的下一代卫星重力测量技术的成功经验，积极推动我国下一代自主卫星重力测量计划的实施，加快研制重力卫星的步伐，通过下一代卫星重力测量计划的实现带动相关科学和国防领域的快速发展；挑战是指我国对下一代星载仪器的研制、观测手段的研究和卫星数据的处理尚处于跟踪阶段，而且对于下一代卫星重力反演方法以及观测结果地球物理解释的基础相对薄弱。

　　基于以上原因，《 下一代卫星重力反演理论、方法与关键技术 》（郑伟著. 北京：科学出版社,2019.6）一书开展了下一代卫星重力测量计划的研究论证，旨在为我国下一代卫星重力测量计划的成功实施提供可行性的理论依据和应用保证。该书开展了下一代卫星观测模式、载荷指标和轨道参数的需求论证，突破了我国下一代重力卫星顶层设计的一系列关键技术，研究成果有力支撑了我国下一代精密卫星重力测量规划。 研究成果有力支撑了我国下一代精密卫星重力测量规划

　　本书是作者在十多年（2002～2018 年）从事卫星重力学和空间大地测量学的科研［以第一作者在国内外权威学术期刊Surveys in Geophysics、IEEEGeoscience and Remote Sensing Letters、Journal of Geodynamics、Astrophysics and Space Science、Planetary and Space Science、Advances in Space Research等发表研究论文70 余篇（SCI 收录31 篇）；以第一发明人授权国家发明专利16 项和受理11 项］和教学工作总结的基础上扩充整理而成。 ））

　　本书的研究成果荣获中国测绘科技进步奖一等奖（2012、2018，第一完成人）、中国地球物理科技进步奖二等奖（2013，第一完成人）、湖北省自然科学二等奖（2012，第一完成人）等30 余项。本书的技术成果获测绘、航天、海洋、地震、国防等15 个部门的应用和好评（应用证明），具有重要的应用前景、经济价值和社会效益。书中的获奖成果受到《中国测绘报》《长江日报》《中国航天》等媒体的跟踪报道。本书的出版获得了国防科技创新特区创新工作站项目、中央军委科技委前沿科技创新项目、国家自然科学基金重点项目、国家863计划等联合资助。

　　该书不仅为我国卫星重力学与相关学科的交叉研究做出较大贡献，一定程度上提升了我国在该领域的研究水平和国际影响力，为解决我国下一代重力卫星系统的关键技术难题提供了科学依据和理论方法应用服务，还为满足空间大地测量学、地球物理学、国防建设等交叉研究领域对重力场精度进一步提高的迫切需求奠定了理论和技术基础，具有重要的经济价值和社会效益。

　　中国工程院院士

　　2018年8月8日于武汉大学测绘学院

　　为了适应卫星重力学、空间大地测量学等交叉学科的发展，我国很多高等院校都为大地测量专业的本科生和研究生开设了“卫星重力学”或与空间大地测量相关的其他课程。本书也是为满足此方面的教学和科研需要撰写而成，全书共19 章。

　　第1章基于卫星跟踪模式的优化选取、关键载荷的优化组合、轨道参数的优化设计、仿真模拟的先期启动和反演方法的优化改进，开展了我国下一代CSGM 卫星重力测量计划实施的研究论证；

　　第2 章基于新型能量插值法，利用美国喷气推进实验室公布的2008 年的GRACE-Level-1B 实测数据，反演了120 阶GRACE 地球重力场；

　　第3章基于6 点Lagrange 星间速度插值法和Taylor 星间速度插值法开展了下一代GRACE Follow-On 地球重力场反演的研究论证；

　　第4 章采用不同轨道高度、不同轨道倾角，以及不同星间距离反演了120 阶NGGM 地球重力场，并提出我国下一代卫星重力计划的最优轨道参数设计；

　　第5 章基于新型残余星间速度法反演了120 阶GRACE Follow-On 地球重力场；

　　第6 章基于下一代Pendulum-A/B 双星编队开展了卫星重力反演和需求论证研究；

　　第7 章基于星间速度插值法开展了利用下一代三向车轮双星编队ACR-Cartwheel 提高地球重力场空间分辨率的可行性研究论证；

　　第8 章开展了联合串行式和钟摆式卫星编队精确建立下一代HIP-3S 地球重力场模型研究；

　　▲下一代HIP-3S-A/B/C 三星编队测量原理

　　第9 章开展基于下一代四星转轮式编队系统精确和快速反演FSCF 地球重力场研究；

　　第10章基于GRACE Follow-On 卫星重力梯度法开展了精确和快速反演下一代地球重力场的可行性论证研究；

　　第11 章综述了重力梯度测量原理、重力梯度仪研究历程、卫星重力梯度仪技术特征、卫星重力梯度测量特点，以及卫星重力梯度反演法研究进展；

　　第12 章基于时空域混合法，利用Kaula 正则化反演了250 阶GOCE 地球重力场，旨在研究卫星重力梯度技术对中高频地球重力场反演精度的影响；

　　第13 章分别基于解析模型和数值模拟，对比论证了卫星重力梯度的一维垂向分量和三维全张量对250阶GOCE 地球重力场反演精度的影响；

　　第14 章基于解析法有效和快速估计下一代GOCE Follow-On 地球重力场精度；

　　第15 章基于功率谱原理精确建立了卫星重力梯度反演解析误差模型和开展了下一代GOCE Follow-On 需求论证研究；

　　第16 章开展了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研究；

　　▲我国将来SST-HL/LL-Doppler-VLBI 月球卫星重力计划的测量原理

　　第17章开展了国际火星探测计划进展和我国将来火星卫星重力测量计划研究；

　　第18 章开展了国际金星探测计划进展和我国金星重力梯度计划实施研究；

　　第19 章进行全书总结，并提出下一步工作计划。

　　由于作者的科研和教学水平有限，书中不足之处在所难免。如发现不妥之处，恳请广大读者批评指正，并与本书作者联系（Email：zhengwei1@qxslab.cn），作者将不胜感激。

　　郑 伟

　　2018 年8 月1 日

　　本文摘编自《下一代卫星重力反演理论、方法与关键技术》（郑伟著. 北京：科学出版社,2019.6）一书“前言”，有删减，标题为编者所加。

　　（地球观测与导航技术丛书）

　　“国家科学技术学术著作出版基金”资助

　　ISBN 978-7-03-059848-6

　　责任编辑：苗李莉

　　本书是一本较系统和翔实地论述下一代卫星重力反演理论、方法与关键技术的科学专著。全书共19 章，主要内容包括：基于Lagrange 和Taylor星间速度插值法反演GRACE Follow-On 重力场；NGGM 重力场反演和我国下一代卫星重力计划最优轨道设计；基于残余星间速度法反演120 阶GRACE Follow-On 重力场；基于下一代Pendulum-A/B 双星编队开展卫星重力反演和需求论证；基于星间速度插值法反演下一代三向车轮双星编队ACR-Cartwheel 重力场；联合串行式和钟摆式卫星编队精确建立下一代HIP-3S 重力场模型；基于下一代四星转轮式编队反演FSCF 重力场；基于GRACE Follow-On 卫星重力梯度法反演下一代重力场；基于时空域混合法反演250 阶GOCE 重力场；卫星重力梯度一维垂向分量和三维全张量对250阶GOCE 重力场反演精度影响；基于解析法和功率谱解析误差模型估计下一代GOCE Follow-On 重力场精度。

　　（本文编辑：刘四旦）