基于激光测距原理的下一代GRACE-II重力卫星系统的理论研究与优化设计

本申请项目紧跟国际卫星重力测量的最新热点和动态，以解决本世纪大地测量学等交叉领域的前沿性科学难题为目标，以寻求新型和高精度的卫星重力测量计划为目的，以提升我国在卫星重力测量领域的国际地位为导向，以满足我国的科学和国防需求为宗旨，创新地开展激光测距的下一代卫星重力测量预先研究论证。第一，通过将高精度的星间速度引入双星相对轨道速度矢量首次建立星间速度插值观测方程；第二，论证首次采用激光干涉星间测量系统和非保守力补偿系统等新技术的有效性；第三，基于星间速度插值法、能量法和半解析法联合提出优化的卫星关键载荷精度指标、轨道高度和星间距离；第四，开展卫星重力测量系统的误差分析并提出物理解释；第五，利用优化的载荷精度指标和轨道参数建立下一代高精度全球重力场模型。本申请项目不仅可为全人类寻求资源、保护环境和预测灾害提供重要的信息资源，而且对将来月球和太阳系行星的卫星重力探测具有广泛的参考价值。

本项目紧跟国际卫星重力测量的最新热点和动态，有利于为我国下一代基于激光测距原理的卫星重力计划的成功实施奠定理论和方法基础、以及提供技术和应用保障。本项目组已按照预定研究计划顺利完成了所有研究任务，同时较预期超额获得了研究成果。. 1、研究内容：（1）不同于目前美国、德国等采用的动力学法，通过将高精度的星间速度引入相对轨道速度矢量的视线分量构建了新型星间速度插值法，并基于GRACE-Level-1B实测数据建立了120阶全球重力场模型WHIGG-GEGM02S，与国外公布的高精度GGM02S模型符合较好。（2）开展了插值公式、相关系数和采样间隔影响GRACE-II重力场精度的研究论证。（3）基于星间速度/距离插值法、能量守恒法、能量插值法、星间加速度法，利用优化的关键载荷匹配精度指标和轨道参数恢复了高精度重力场。（4）论证了我国将来GRACE-II卫星采用激光干涉测距仪和非保守力补偿系统可行。（5）通过能量守恒法、残余星间速度法等联合提出了GRACE-II卫星关键载荷精度指标的匹配关系。由于GPS定轨精度无法大幅度提高，因此GRACE-II关键载荷测量精度（星间距离10-6 m、星间速度10-7 m/s、轨道位置10-3 m、轨道速度10-6 m/s、非保守力10-11 m/s2）较当前GRACE卫星提高10倍较优。（6）验证了我国GRACE-II卫星的轨道高度（300～400 km）和星间距离（50～100 km）设计在国际已有重力卫星的测量盲区较合理。（7）开展了GRACE-II卫星重力测量系统的误差分析研究，并提出了合理物理解释。. 2、研究成果：以第一作者发表论文28篇（SCI收录11篇）和出版学术专著1部（国家出版基金资助）；以第一发明人授权国家发明专利5项和受理10项；以排名第一荣获中国测绘科技进步一等奖、中国地球物理科技进步二等奖、湖北省自然科学二等奖、中科院卢嘉锡青年人才奖、中科院青年创新促进会奖、湖北省新世纪高层次人才工程奖、领跑者5000—中国精品科技期刊顶尖论文奖、湖北省自然科学优秀论文奖等10余项；自主编写了卫星轨道仿真、卫星重力反演和科学应用等软件系统20余套；研究成果在《长江日报》刊登报道。. 本项目不仅有利于为寻求资源、保护环境和预测灾害提供重要信息资源，而且对将来月球和太阳系行星的卫星重力探测具有广泛借鉴价值。