基于原子干涉技术的卫星重力梯度测量机理研究

Satellite gravity gradiometry is one of the most effective ways to recovery the Earth's static gravity field with high precision. The space resolution of 100km has been achieved by satellite gravity gradiometry, which is mainly limited to the precision of the core sensor electrostatic gravity gradiometer. Unfortunately, the design precision of this type of gradiometer reaches its noise limitation. High potential precision can be obtained by space-borne atom-interferometry gravity gradiometry because of the long interference time, which provides a feasible way to improve the precision of the satellite gravity gradiometry. However, the atom is suspending in the micro-gravity environment, and accordingly, the measurement mechanism and the parameters selection in the space are quite different from that on the ground. Based on the background of high-precision recovery of the Earth's gravity field, we will study the measurement mechanism of space-borne atom-interferometry gravity gradiometry with the following steps: First, the measurement method of the atom interferometry gravity gradiometry in the micro-gravity environment will be given. Second, the measurement parameters and the satellite operating parameters in the new measurement scheme will be optimized. Third, the expected precision of the gravity field recovery based on this method will be discussed, combined with the outfield environments influence analysis. The achievements of this project will contribute to the theory of high-precision satellite gravity gradiometry using space-borne atom interferometry, and benefit the refinement of the Earth’s gravity filed model within a space resolution ranging from 55km to 100km.

卫星重力梯度测量是恢复高精度地球静态重力场最有效的手段之一。目前卫星重力梯度测量的空间分辨率约100km，主要受限于核心载荷静电重力梯度仪的测量精度，该仪器设计精度已接近其噪声极限。原子干涉重力梯度测量技术在空间微重力环境下具有很高的潜在精度，为提升卫星重力梯度测量精度提供了一种可能的途径。但空间环境下原子处于悬浮状态，测量机理和参数选择并不能简单类比地面情况。本项目将以高分辨率地球重力场测量为研究背景，开展星载原子干涉重力梯度测量机理研究：给出适合于微重力环境的原子干涉重力梯度测量方法，并在新的测量方法下，优化设计测量参数与卫星运行参数，同时结合星载外场环境影响分析来探讨基于原子干涉型的卫星重力梯度测量技术恢复地球重力场能达到的预期精度。本项目研究结果将为未来更高分辨率的卫星重力梯度测量采用原子干涉的技术手段提供理论参考，对完善55~100km空间分辨率下的全球重力场模型具有重要意义。

原子干涉型重力梯度仪在空间微重力环境下可获得较长的干涉时间间隔，具有高精度、小型化的星载应用优势，是下一代卫星重力梯度测量的候选载荷之一。但星载环境下，原子与卫星同做自由落体运动，测量方案与现有地面方案存在较大差异。本项目以高精度获取空间分辨率55~100 km的全球重力场模型为目标，开展了星载原子干涉重力梯度测量机理研究，这也是实现原子干涉重力梯度测量法恢复高分辨率地球重力场的重要步骤之一。.主要研究内容和取得的重要结果如下：.(1) 利用空间中原子失重自由飘浮的独特条件，提出了一种适用于星载微重力环境的原子干涉重力梯度测量方法：通过采用“原子团无初速释放”的测量方式取代地面“原子团上抛下落”的测量方式，来获取更长的干涉时间间隔，提高测量分辨率，既能实现多梯度分量测量，又有利于星载小型化设计；.(2) 针对该方法，分析了星载原子干涉重力梯度测量关键参数的制约关系，优化设计了干涉时间间隔、测量频带、原子制备个数与速率等干涉测量参数和轨道高度、飞行模式、角速度提取方式等卫星运行参数，给出了一套星载原子干涉重力梯度测量任务的参数配置建议；.(3) 对采用原子干涉型卫星重力梯度测量技术恢复全球重力场的预期精度进行了评估。仿真结果表明，在小于68mHz的测量频带内，星载原子干涉重力梯度测量的潜在噪声约1.9mE/Hz^(1/2)。在不同观测天数下，有望将全球重力场恢复的空间分辨率提升至73~63km，全球大地水准面累积误差0.85~3.5cm@80km，全球重力异常累积误差0.3~1.2 mGal@80km，优于目前GOCE重力梯度测量卫星的结果。.本项目的研究结果一方面为未来原子干涉重力梯度仪的星载应用提供理论参考，另一方面为实现更高分辨率的卫星重力梯度测量提供了一种可能的技术途径，有望满足地球物理学、空间科学等领域对55~100km空间分辨率的全球重力场模型的迫切需求。