CHAMP、GRACE和GOCE分別代表SST hl、SST ll和SGG三種衛(wèi)星重力測(cè)量模式，原理各異，測(cè)定含不同頻譜信息的重力場(chǎng)量，用于恢復(fù)重力場(chǎng)有互補(bǔ)作用，可克服傳統(tǒng)基于衛(wèi)星軌道擾動(dòng)探測(cè)技術(shù)的局限性。CHAMP的高低衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星模式是通過(guò)高軌衛(wèi)星跟蹤低軌衛(wèi)星軌道的攝動(dòng)測(cè)定地球擾動(dòng)位及其一階梯度（擾動(dòng)重力）；GRACE的低低衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星模式是測(cè)定兩個(gè)同軌低軌衛(wèi)星間的距離及其一階、二階變化率，由此確定擾動(dòng)位的一階梯度向量和二階梯度張量；GOCE用低軌星載懸浮式三軸差分梯度儀直接測(cè)定擾動(dòng)位的二階梯度張量，也包含SST hl跟蹤測(cè)量。這三個(gè)衛(wèi)星重力場(chǎng)測(cè)量計(jì)劃本身相當(dāng)于一種重力傳感器系統(tǒng)，在低軌平臺(tái)上直接采集重力場(chǎng)信息，不需穿過(guò)低空大氣層觀測(cè)，且低軌衛(wèi)星利用加速度計(jì)分離出非保守力的影響（大氣阻力、太陽(yáng)輻射壓等），因而觀測(cè)精度高。采集的信息是衛(wèi)星軌道的空間重力場(chǎng)的局部精細(xì)結(jié)構(gòu)，即擾動(dòng)位的一階和二階導(dǎo)數(shù)。由于高軌衛(wèi)星的軌道可以精密測(cè)定，因此，SST hl相應(yīng)于測(cè)定低軌道衛(wèi)星的三維位置、速度和加速度，SST ll相應(yīng)于兩個(gè)低軌道衛(wèi)星之間的距離、距離變化或者加速度差值，而SGG則相應(yīng)于重力加速度短基線上的三維重力加速度差值。從數(shù)學(xué)上講，它們分別是重力位的一階導(dǎo)數(shù)（SST hl）、長(zhǎng)基線上一階導(dǎo)數(shù)的差分（SST ll）和二階導(dǎo)數(shù)（SGG）。新一代衛(wèi)星重力探測(cè)計(jì)劃的成功實(shí)施，在250～500km高度的近地空間形成了近于全球覆蓋的多模式重力信號(hào)傳感網(wǎng)絡(luò)，其空間分辨率最高相當(dāng)于地面100～200km，特別是其中低低跟蹤模式可提供10～30d時(shí)間分辨率的重力場(chǎng)時(shí)變信息，以及衛(wèi)星重力梯度測(cè)量可提供100km分辨率厘米級(jí)精度重力模型全球大地水準(zhǔn)面。這一代衛(wèi)星重力技術(shù)提供的靜態(tài)和時(shí)變重力場(chǎng)模型已在多個(gè)涉及重力場(chǎng)信息需求的相關(guān)地學(xué)領(lǐng)域得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。

需要指出的是，盡管新一代衛(wèi)星重力探測(cè)計(jì)劃取得了矚目的成果，大大拓展了經(jīng)典重力場(chǎng)理論的應(yīng)用領(lǐng)域，但這一系列的成果在時(shí)間分辨率和精度水平上的局限性，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足相關(guān)學(xué)科對(duì)靜態(tài)地球物理問(wèn)題作重力效應(yīng)解釋的需求，更難以滿(mǎn)足對(duì)地球動(dòng)力學(xué)全球變化作重力場(chǎng)響應(yīng)分析的需求。例如，用GPS水準(zhǔn)測(cè)定正高要求在100km波長(zhǎng)范圍內(nèi)有厘米級(jí)精度的大地水準(zhǔn)面；研究地球深部結(jié)構(gòu)則要求在幾十千米到幾千千米的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有厘米級(jí)精度的大地水準(zhǔn)面和±1mGal精度的重力異常；利用衛(wèi)星測(cè)高測(cè)定的海面高來(lái)研究海面地形和洋流，則要求有相應(yīng)波長(zhǎng)的厘米級(jí)海洋大地水準(zhǔn)面；建立全球高程系統(tǒng)要求在50～100km的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有優(yōu)于5cm精度的大地水準(zhǔn)面；區(qū)域或局部水儲(chǔ)量變化和淺層物質(zhì)質(zhì)量均衡研究均要求優(yōu)于200km甚至更高空間分辨率的時(shí)變重力場(chǎng)模型。目前全球靜態(tài)重力場(chǎng)和時(shí)變重力場(chǎng)模型的精度與上述要求大約還相差一個(gè)量級(jí)，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)首先取決于在全球范圍內(nèi)測(cè)定重力和探測(cè)近地空間重力場(chǎng)信息的技術(shù)發(fā)展水平。

當(dāng)前，CHAMP和GOCE衛(wèi)星任務(wù)已結(jié)束，只有原設(shè)計(jì)5a壽命的GRACE仍在運(yùn)行中，但也早已面臨升級(jí)換代提高系統(tǒng)性能問(wèn)題。在靜態(tài)重力場(chǎng)確定方面，當(dāng)前的衛(wèi)星重力任務(wù)的局限性主要體現(xiàn)在無(wú)法實(shí)質(zhì)性地降低衛(wèi)星飛行軌道高度和加速度計(jì)的實(shí)際測(cè)量精度，以及其他衛(wèi)星荷載的測(cè)量精度無(wú)法滿(mǎn)足更高精度和分辨率重力場(chǎng)的需求，這些問(wèn)題有望在未來(lái)的衛(wèi)星重力計(jì)劃中得到改進(jìn)。對(duì)于時(shí)變重力場(chǎng)的確定，主要依賴(lài)于GRACE衛(wèi)星重力探測(cè)計(jì)劃，其研究成果的局限性表現(xiàn)在：第一，GRACE受時(shí)空分辨率的限制（空間分辨率近似400km，時(shí)間分辨率近似mon），只能探測(cè)到以等效水高表示的10cm質(zhì)量變化或者是超過(guò)1cm/a的趨勢(shì)變化，不能滿(mǎn)足探測(cè)地球動(dòng)力系統(tǒng)不同過(guò)程質(zhì)量變化所需的時(shí)空分辨率，如小尺度范圍內(nèi)的大陸水文和冰川質(zhì)量變化、海洋的低振幅信號(hào)等。第二，測(cè)量誤差影響較大，特別是南北條帶誤差，若擴(kuò)大平滑濾波空間尺度，例如1000km，則進(jìn)一步降低了空間分辨率。

未來(lái)的衛(wèi)星重力計(jì)劃任務(wù)需要滿(mǎn)足更長(zhǎng)時(shí)間序列的觀測(cè)（GRACE任務(wù)的延續(xù)），更高的空間分辨率（400km→200km→100km），更高的時(shí)間分辨率（消除大氣、海洋等的混頻效應(yīng)）和更高精度靜態(tài)、時(shí)變重力場(chǎng)的確定，無(wú)需引入濾波技術(shù)（消除條紋帶現(xiàn)象）等要求。對(duì)已成功實(shí)施的衛(wèi)星重力任務(wù)的分析與研究表明，若滿(mǎn)足上述要求，新一代的衛(wèi)星重力計(jì)劃潛在的技術(shù)改進(jìn)有以下幾個(gè)方面：第一，采用新的或改進(jìn)的測(cè)量技術(shù)。如星間距離測(cè)量可聯(lián)合微波測(cè)距和激光干涉測(cè)距，采用革新的測(cè)量技術(shù)，引入冷原子梯度儀和光鐘，改進(jìn)推進(jìn)器技術(shù)，選用更優(yōu)姿態(tài)控制系統(tǒng)與無(wú)阻力系統(tǒng)。第二，數(shù)據(jù)處理方面與地球物理模型的聯(lián)合。利用改進(jìn)的地球物理模型消除混頻效應(yīng)，改進(jìn)時(shí)空參數(shù)，基于補(bǔ)充的信息改進(jìn)信號(hào)的可分離性。第三，優(yōu)化衛(wèi)星星座形態(tài)。基于特定數(shù)目衛(wèi)星星群的星座形態(tài)改進(jìn)時(shí)空分辨率，同時(shí)優(yōu)化軌道配置和軌道姿態(tài)。當(dāng)前國(guó)際上對(duì)基于衛(wèi)星跟蹤模式的優(yōu)化選取、關(guān)鍵載荷的優(yōu)化組合、軌道參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和反演方法的優(yōu)化改進(jìn)，開(kāi)展了一系列衛(wèi)星重力測(cè)量計(jì)劃的研究論證。

2010年，歐洲及加拿大科學(xué)團(tuán)隊(duì)向歐空局提出了新的衛(wèi)星重力計(jì)劃———地球系統(tǒng)質(zhì)量遷移任務(wù)（E.motion）。他們提出兩顆串行衛(wèi)星（星間距離約207km）位于高度為370km的近極鐘擺軌道，并攜帶激光干涉測(cè)距儀、改進(jìn)的加速計(jì)以及GNSS接收機(jī)。衛(wèi)星的低軌飛行高度可獲得200km空間分辨率的重力場(chǎng)信息，任務(wù)的重復(fù)周期為28.92d，可確定相同空間分辨率的時(shí)變重力場(chǎng)，鐘擺軌道的旋轉(zhuǎn)軌道平面技術(shù)，可消除單一南北方向觀測(cè)的局限性。相比于GRACE計(jì)劃，其不僅可以獲取近乎南北方向的信號(hào)，同時(shí)可以得到更多其他方向的重力場(chǎng)信息，在赤道位置雙星測(cè)距方向與子午方向最大偏差15°（見(jiàn)圖2、表1）。

 表1  E.motion衛(wèi)星任務(wù)參數(shù)

E.motion計(jì)劃獲取的多方向距離與距離變率信號(hào)將增強(qiáng)重力場(chǎng)恢復(fù)的時(shí)空能力，消除GRACE任務(wù)的南北條帶誤差，在數(shù)據(jù)后處理階段，可減少使用濾波技術(shù)，保留更多的地球重力場(chǎng)信息。

美國(guó)宇航局提出了用于高精度探測(cè)地球中短波靜態(tài)和中長(zhǎng)波時(shí)變重力場(chǎng)的下一代GRACE Follow-on衛(wèi)星重力計(jì)劃，該任務(wù)計(jì)劃將于2017年8月發(fā)射。雙星重力任務(wù)采用近圓、近極和低軌道設(shè)計(jì)，軌道高250km，利用激光干涉測(cè)距儀精確測(cè)量星間距離（約50km）和星間速度，基于高軌GPS衛(wèi)星確定軌道位置和軌道速度，通過(guò)星載加速度計(jì)感測(cè)作用于衛(wèi)星的非保守力以及依靠非保守力補(bǔ)償系統(tǒng)平衡非保守力（大氣阻力、太陽(yáng)光壓、地球輻射壓、軌道高度和姿態(tài)控制力等）?；谳^低的衛(wèi)星軌道高度和較高的關(guān)鍵載荷測(cè)量精度，利用下一代GRACE Follow-on計(jì)劃反演地球重力場(chǎng)精度較當(dāng)前GRACE計(jì)劃至少提高10倍。任務(wù)的首要目標(biāo)是延續(xù)GRACE衛(wèi)星任務(wù)獲取高分辨率月重力場(chǎng)模型，計(jì)劃飛行5a，目標(biāo)大于10a，GRACE衛(wèi)星的k/ka波段微波干涉計(jì)，GPS和加速度計(jì)仍將使用；第二個(gè)目標(biāo)是展示激光測(cè)距干涉計(jì)（LRI）改進(jìn)的效果，這是第一個(gè)攜帶激光干涉計(jì)的衛(wèi)星計(jì)劃，這個(gè)系統(tǒng)將改進(jìn)未來(lái)衛(wèi)星重力任務(wù)的空間分辨率；第三是繼續(xù)GRACE無(wú)線電掩星測(cè)量，提供垂直溫度變化和水汽剖面等信息，為天氣預(yù)報(bào)服務(wù)。

下一代衛(wèi)星重力任務(wù)（NGGM）計(jì)劃是歐空局和NASA聯(lián)合提出的兩隊(duì)四星衛(wèi)星重力任務(wù)。其主要目標(biāo)是提供長(zhǎng)時(shí)間跨度的時(shí)變地球重力場(chǎng)模型，盡可能完整覆蓋一個(gè)太陽(yáng)周期（11a），重力場(chǎng)模型具有高的空間分辨率和時(shí)間分辨率（1周，甚至更優(yōu)），并抑制GRACE時(shí)變重力場(chǎng)模型中所具有的高頻混頻現(xiàn)象。與此同時(shí)，NGGM任務(wù)期望確定的大地水準(zhǔn)面累計(jì)誤差為：球諧展開(kāi)150階，空間分辨率133km，精度優(yōu)于0.1mm；200階，100km分辨率，精度優(yōu)于1mm；250階，80km分辨率，精度優(yōu)于10mm。為了獲得最優(yōu)的重力場(chǎng)時(shí)空采樣，兩隊(duì)衛(wèi)星的傾角分別為90°和63°，為了實(shí)現(xiàn)11a的任務(wù)生命周期，獲得1個(gè)月重復(fù)周期（7d的子周期）的時(shí)變重力場(chǎng)，軌道平均高度為340km或者424km。

空間大地測(cè)量與時(shí)間參考系統(tǒng)（GETRIS）任務(wù)是一個(gè)創(chuàng)新理念，其主要目標(biāo)是為低軌衛(wèi)星導(dǎo)航提供一個(gè)高精度的空基大地參考系統(tǒng)，同時(shí)為空間和地面用戶(hù)提供超高精度的時(shí)頻參考基準(zhǔn)。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，GETRIS任務(wù)計(jì)劃發(fā)射多顆地球同步衛(wèi)星，這些同步衛(wèi)星關(guān)鍵星載設(shè)備是太空原子鐘（ACES）模塊，主要包括兩個(gè)原子鐘和用于時(shí)間傳輸?shù)逆溌?，可?shí)現(xiàn)時(shí)頻信息的傳輸與獲取。GETRIS的另外一個(gè)主要任務(wù)是距離觀測(cè)，利用微波鏈路或激光通訊終端（LCT），可實(shí)現(xiàn)靜止軌道衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星30000km距離測(cè)量的精度達(dá)到1μm，這些距離觀測(cè)可用于恢復(fù)地球靜態(tài)與時(shí)變重力場(chǎng)，其原理見(jiàn)圖5。

GRACE衛(wèi)星任務(wù)壽命已超預(yù)期，根據(jù)目前載荷運(yùn)行狀態(tài)，估計(jì)尚可延續(xù)至2016年，但其后續(xù)任務(wù)GRACE Follow-on（GFO）至今仍未列入發(fā)射計(jì)劃，在此期間，一個(gè)新的衛(wèi)星計(jì)劃SWARM將可替續(xù)GRACE任務(wù)至GFO發(fā)射，見(jiàn)圖6。

CHAMP、GRACE和GOCE三個(gè)新一代重力探測(cè)衛(wèi)星分別于2000、2002和2009年成功發(fā)射，至今只有原設(shè)計(jì)5a壽命的GRACE仍在運(yùn)行中，NASA已啟動(dòng)后續(xù)計(jì)劃，并決定保持原技術(shù)模式實(shí)施快速后續(xù)方案，但其后續(xù)任務(wù)至今仍未列入發(fā)射計(jì)劃。歐洲空間局于2013年11月22日成功發(fā)射了首個(gè)地球探測(cè)者編隊(duì)衛(wèi)星任務(wù)SWARM，該衛(wèi)星任務(wù)由三顆類(lèi)似CHAMP衛(wèi)星組成，載有精度更高的GNSS接收機(jī)、加速度計(jì)等重力探測(cè)關(guān)鍵有效載荷。

SWARM衛(wèi)星任務(wù)是一個(gè)由三顆位于不同極軌（軌道高在400～550km之間）衛(wèi)星組成的星座（見(jiàn)圖7），其中一顆衛(wèi)星在高軌道（530km）飛行，剩余兩顆衛(wèi)星在低軌道（450km）飛行，衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命為4a，預(yù)計(jì)產(chǎn)生10950個(gè)數(shù)據(jù)包、1.9×108衛(wèi)星位置信息以及26.5Ｇ的數(shù)據(jù)。SWARM攜帶的與重力場(chǎng)測(cè)量相關(guān)的關(guān)鍵載荷包括加速度計(jì)（ACC）、激光測(cè)距儀（激光后向反射器LRR）和GNSS接收機(jī)。SWARM搭載加速度計(jì)的精度能滿(mǎn)足恢復(fù)地球重力場(chǎng)的要求，其具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2  星載加速度計(jì)參數(shù)

SWARM攜帶的精密定軌設(shè)備包括GNSS接收機(jī)和激光測(cè)距儀，這些設(shè)備和其低軌飛行的特性可滿(mǎn)足地球重力場(chǎng)探測(cè)的需求。SWARM無(wú)論從技術(shù)設(shè)計(jì)和硬件設(shè)備都類(lèi)似于早期的CHAMP衛(wèi)星（見(jiàn)圖8），可以說(shuō)，SWARM任務(wù)是3顆類(lèi)似CHAMP衛(wèi)星的組合星群計(jì)劃。

由于CHAMP和GOCE衛(wèi)星任務(wù)已結(jié)束，GRACE任務(wù)隨時(shí)可能終止，GRACEFollow-on計(jì)劃于2017年發(fā)射，在此期間，缺少專(zhuān)門(mén)的重力衛(wèi)星對(duì)地球重力場(chǎng)及其時(shí)變進(jìn)行觀測(cè)，衛(wèi)星重力場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)將會(huì)中斷。雖然SWARM沒(méi)有SST ll星間測(cè)距功能，不是專(zhuān)用的重力衛(wèi)星，但SWARM載有精度更高的GNSS接收機(jī)、加速度計(jì)等重力探測(cè)關(guān)鍵有效載荷，可用于探測(cè)地球時(shí)變重力場(chǎng)。SWARM衛(wèi)星計(jì)劃的飛行時(shí)間是2013年11月到2017年底，可彌補(bǔ)GRACE衛(wèi)星重力觀測(cè)的空白，有利于保持地球時(shí)變重力場(chǎng)監(jiān)測(cè)的完整性。

CHAMP、GRACE和GOCE三個(gè)重力探測(cè)衛(wèi)星的成功實(shí)施，ESA和NASA已啟動(dòng)的4個(gè)后續(xù)計(jì)劃的仿真模擬研究，都為我國(guó)發(fā)射自主的重力衛(wèi)星計(jì)劃提供了很好的借鑒經(jīng)驗(yàn)?？紤]到我國(guó)當(dāng)前在GNSS接收機(jī)、激光干涉和微波星間測(cè)距儀、非保守力補(bǔ)償系統(tǒng)、衛(wèi)星體和加速度計(jì)質(zhì)心調(diào)節(jié)裝置等關(guān)鍵載荷研制方面與世界先進(jìn)水平仍存在差距，因此，我國(guó)應(yīng)先期開(kāi)展重力衛(wèi)星高精度關(guān)鍵載荷的研制工作。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)我國(guó)研制的重力衛(wèi)星高精度關(guān)鍵載荷的精度水平，設(shè)計(jì)衛(wèi)星重力衛(wèi)星任務(wù)的觀測(cè)模式和軌道參數(shù)等。就當(dāng)前國(guó)際衛(wèi)星重力任務(wù)實(shí)施的計(jì)劃和預(yù)演的結(jié)果來(lái)看，我國(guó)自主重力衛(wèi)星應(yīng)以GRACE報(bào)告地點(diǎn)Follow-on為基本藍(lán)圖，發(fā)射時(shí)間不晚于2025年，衛(wèi)星任務(wù)基于衛(wèi)衛(wèi)跟蹤觀測(cè)模式，采用激光干涉星間測(cè)距儀、多模GNSS接收機(jī)和非保守力補(bǔ)償系統(tǒng)等新技術(shù)，確定靜態(tài)和時(shí)變地球重力場(chǎng)模型的精度，滿(mǎn)足本世紀(jì)相關(guān)地球科學(xué)學(xué)科的迫切需求。