發展背景與概況
21世紀初現代地球科學的中心任務是致力於把地球作為一個整體而又複雜的靜態和動態系統來研究，該系統主要由岩石圈(固體)、水圈(液體)和大氣圈(氣體)組成，重力場、電磁場和大氣層及電離層反映其最重要的物理特性，制約著在該行星上及其鄰近空間所發生的一切物理事件。其中地球重力場反映地球物質的空間分布、運動和變化,確定地球重力場的精細結構及其時間相依變化不僅是現代大地測量的主要科學目標之一，而且也將為現代地球科學解決人類面臨的資源、環境和災害等緊迫課題提供重要的基礎地球空間信息。
現代大地測量、地球物理、地球動力學和海洋學等相關地學學科的發展均迫切需要更加精細的地球重力場支持。其中用GPS水準測定正高要求有全波段厘米級大地水準面；研究地球深部結構則要求在幾十公里到幾千公里的波長範圍內具有厘米級精度的大地水準面和±1mGal的重力異常；目前最新地球重力場模型只能以優於亞分米級的精度滿足中低軌衛星定軌的要求；利用衛星測高測定的海面高來研究海面地形和海流，則要求有相應波長的厘米級海洋大地水準面；建立全球高程系統要求在50～100km的波長範圍內具有優於5cm精度的大地水準面。目前全球大地水準面的精細度與上述要求大約還相差一個量級，確定全波段厘米級大地水準面是21世紀初物理大地測量的主要目標之一。實現這一目標首先取決於在全球範圍內測定重力和探測重力場信息的技術發展水平，傳統重力探測技術獲取全球均勻分布的高精度重力場信息的能力受到了限制，迫切需要新的技術突破。衛星跟蹤衛星技術和衛星重力梯度測量技術被認為是21世紀初最有價值和套用前景的高效重力探測技術，其主要科學目的除了測定地球重力場的精細結構及長波重力場隨時間的變化以外，還包括以全球尺度精密測定電磁場和全球大氣層及電離層探測。這一技術的實施無疑對現代地球科學研究地球岩石圈、水圈和大氣圈及其相互作用具有重大貢獻。鑒於該技術所具有的重要科學和現實意義，因而已成為當今物理大地測量研究的前沿和熱點。
衛星跟蹤衛星(SST)有兩種技術模式，即由若干高軌同步衛星跟蹤低軌衛星軌道攝動確定擾動重力場，稱為高-低SST，或通過測定在同一軌道上兩顆衛星(相距約200km)之間的相對速率變化所求得的引力位變化來確定位係數，稱為低-低SST。高-低SST的概念最初來源於60年代初建立軌道中繼系統的構想以及後來Apollo計畫軌道測定的需要。 70年代中期，美國以套用技術衛星ATS-6(1974.5)作為高軌道衛星作了三次高-低SST實驗,即跟蹤Apollo-Soyuz(1975.7)、NIMBUS-5氣象衛星和GEOS-3測地衛星(1975.3)。實驗表明，利用ATS-6對Apollo(軌道高度約240km)的跟蹤數據獲得了南大西洋和印度洋地區精度為7mGal的5°× 5°重力異常，ATS-6對GEOS-3(軌道高度約800km)的跟蹤數據也被用於改進太平洋、非洲和印度洋地區的平均重力異常。
最新研究表明，GPS衛星跟蹤中、低軌衛星或低軌飛行器能顯著提高重力場的精度和解析度，例如跟蹤TOPEX衛星(軌高1335km)能以0.2mGal的準確度恢復25階次重力場；跟蹤軌高160km的飛行器能以4～ 5mGal準確度恢復180階次重力場。從本質上看，高—低SST與地面站跟蹤並無很大區別，但其數據的覆蓋率和解析度有較大提高，而在高—低SST的基礎上發展起來的低—低SST測定地球重力場的精度和解析度將更高。低—低SST的理論最初是由Wolff(1969)提出來的。1978年歐洲空間局(ESA)就提出了一項稱為“ SLALOM飛行”的計畫。 80年代初美國又提出了一項“重力衛星飛行計畫”(GRAVSAT)，後被“重力位研究飛行計畫” (GRM)所代替，其目的是通過在同一個低圓極軌道上的兩顆衛星約六個月的連續跟蹤測量，以100km的空間解析度、2.5mGal和7cm的精度測定全球重力場和大地水準面，後因“挑戰者號”太空梭的失事而推遲了此項計畫。
經過近30年的潛心研究，衛星跟蹤衛星技術已趨向成熟和實用，歐洲空間局(ESA)和美國宇航局(NASA)陸續發射具有測定地球重力場能力的衛星，如CHAMP、GRACE和GOCE。其中CHAMP是用於地球物理研究的小衛星，採用高-低SST技術模式。GRACE是"探測重力場、磁場和氣象實驗"的衛星探測計畫，同時採用高-低SST和低-低SST技術。GOCE是所謂"重力場和靜態洋流探索"的衛星探測計畫，同時實施高-低SST技術和衛星重力梯度測量技術。因GRACE同時採用高—低SST和低—低SST技術，並且測定重力場的設施與CHAMP類同，因此下面就以GRACE為例著重討論SST技術的進展情況，包括系統的組成、關鍵技術及主要技術參數、衛星飛行方案和主要科學任務。
衛星跟蹤衛星技術的進展
衛星跟蹤衛星技術 GRACE是美國NASA和德國DLR(Deutsches Zentrum fǜr Luft-und Raumfahrt e.V.)的聯合研究項目，早在1996年就由美國JPL和Texas大學的空間研究中心(UTCSR)、德國的地球科學中心(GFZ)、SSL(Space System/Loral)、DLR及Dornier衛星系統DSS (Dornier Satelliten-systeme)聯合提出，並於1997年被選定為NASA地球系統科學探險者項目(ESSP: Earth SystemScience Pathfinder Project)的第二飛行計畫。圖1為GRACE計畫的配置示意圖。
主要設施及技術參數
GRACE衛星上裝備的主要儀器設備包括:
衛星跟蹤衛星技術 (1)K波段測距系統(KBR: K-Band RangingSystem)這是GRACE計畫的關鍵技術，用於精確測定兩衛星之間的雙向單程距離變化，其測距精度約為1μm/s，圖2為KBR的測距原理示意圖。
(2)加速度計(ACC)用於測定大氣阻力和太陽輻射壓等引起的非引力加速度，其設計採用靜電懸浮加速度測量原理。用於CHAMP計畫的加速度計(STAR)的預期精度為1× 10 ms ，有效頻率範圍為2× 10 Hz至0.1Hz,測量範圍為10 ms 。由於GRACE衛星的低振盪設計和溫度的高穩定度，用於GRACE計畫的加速度計(SuperSTAR ACC)的測量範圍可望達到5× 10 ms ，加上其它的改進措施，其精度可達到10 ms 。
(3)星載GPS接收機(GPS)由JPL提供的星載GPS接收機(TurboRogue)用於精密衛星定軌(精度為厘米級)、衛星姿態和軌道控制系統(AOCS)的實時粗定位(精度優於50m)、有效載荷數據的時間標記和大氣層及電離層的剖面測量。
(4)雷射回復反射器(LRR: Laser Retro-Re-flector)，GRACE計畫採用與CHAMP計畫相同的LRR，用於反射由地面雷射跟蹤站發射的可見短雷射脈衝，從而可以1～ 2cm的精度直接測定地面雷射跟蹤站至LRR的距離。LRR數據主要用於：①精密軌道確定，並聯合GPS跟蹤數據恢復地球重力場；②星載GPS接收機的校準；③技術實驗，如雙色測距(two-colour ranging)。
(5)恆星照相機組(SCA: Star Camera Assembly)，GRACE和CHAMP採用同樣的SCA技術，在衛星姿態和軌道控制系統(AOCS)中用於衛星的精密定向和ACC觀測值的正確解釋，測定衛星姿態的精度優於0.3mrad，目標為0.1mrad。
(6)粗約的地球和太陽感測器(CES: CoarseEarth and Sun Sensor)，GRACE的衛星姿態和軌道控制系統利用CES獲取初始數據和安全模式，而CES提供的定向精度為：衛星Z軸(指向天頂)的地球定向的平均精度優於15度，衛星Y軸相對於太陽的偏航角度不大於15度。
(7)超穩定振盪器(USO: Ultra-Stable Oscillator)作為K波段測距的頻率發生器，運行30天以後每天的長期穩定度優於1× 10 。
(8)質量修整裝配中心(CMT: Center of MassTrim Assembly),衛星的質量中心與加速度計(ACC)的檢測質量中心之間的偏移量必須精確測定，同時在3個坐標軸上的測定精度必須優於50μm，而GRACE的每個衛星上裝備的CMT就是用於調節該偏移量，並且在每個坐標軸上調節的步長為10μm或甚至更小，總的調節範圍為± 2mm。
主要科學任務
衛星跟蹤衛星技術 (1)以前所未有的精度和解析度測定地球重力場的精細結構及長波重力場隨時間的變化。根據GRACE計畫的設計要求，兩顆GRACE衛星之間的距離及其變化可以被精確測定，這一觀測量是衛星軌道位置和重力場參數的函式，主要反映了中長波重力場變化，因而利用SST數據可恢復得到高精度中長波重力場及長波重力場的時變數(見圖3)。
(2)大氣層和電離層剖面測量GPS微波信號從GPS衛星傳播到地面站和低軌道衛星(如SST衛星)過程中均要受到電離層和中性大氣層的折射影響，影響信號折射的主要參數在大氣層中為自由電子的濃度、大氣溫度和大氣壓，在對流層中則為水汽含量。最新實驗研究表明，星載GPS利用掩星觀測技術可以獲得近地至40km高空的精確水汽含量截面，用於改善數值天氣預報(NWP)的結果。通過測定電離層對GPS信號的延遲，可以確定在單位體積內的總自由電子含量(TEC)，用於建立全球的電離層數學模型。根據GRACE計畫的設計，利用掩星觀測技術每個GRACE衛星每天可獲取200個大氣層和電離層截面，因此，GRACE計畫(包括CHAMP和GOCE)的實現將對數值天氣預報和氣象監測做出重大貢獻。
套用前景
綜上所述，新一代衛星跟蹤衛星計畫(包括CHAMP、GRACE和GOCE)的實現，其主要貢獻在於： (1)精密測定地球重力場的精細結構及長波重力場的時間相依變化；(2)以全球尺度精密測定電磁場；(3)測定全球大氣層和電離層。這些成果將有助於現代大地測量、地球物理、地球動力學和海洋學等地學學科研究相關地學問題，無疑對現代地球科學研究地球岩石圈、水圈和大氣圈及其相互作用具有重大價值。首先,高精度全球重力場可為局部或區域大地水準面的確定提供好的參考場，同時又有助於全球高程基準的建立。其次，聯合衛星測高數據和更加精細的大地水準面及其它相關信息，也有助於進一步研究海平面的長期變化、海洋熱流量、由地球自轉而引起的海洋洋流、精密定位和衛星定軌等。重力場的時變數信息有助於更好地認識深部海洋洋流、固體地球均衡回響、冰後回彈、地幔和岩石圈密度、陸地水和雪的儲量等的時變過程和規律。此外，利用GPS掩星觀測數據導出的溫度、總自由電子含量和水汽含量等參數對數值天氣預報和氣象監測具有重要價值，並可改善全球電離層模型的解析度和精度。
