GRACE重力卫星运行管理的参考借鉴.pdf

第43卷第3期2023年5月引文格式：李静静，黄令勇，张驰，等.CRACE重力卫星运行管理的参考借鉴J.海洋测绘，2 0 2 3,43（3）：6-10.D0I:10.3969/j.issn.1671-3044.2023.03.002海洋测绘HYDROGRAPHIC SURVEYING AND CHARTINGVol.43,No.3May.,2023GRACE重力卫星运行管理的参考借鉴李静静,黄令勇,张驰,金贤咏,柳丽（地理信息工程国家重点实验室,陕西西安7 10 0 54)摘要：低低跟踪重力卫星在全球重力获取、反演应用等方面有着重要的战略作用，我国已布局相关卫星的研制建设。为确保未来我国自主低低跟踪重力卫星系统的高效稳定运行，重点对GRACE及其后续星组CRACE-FO卫星的组织模式和管理机制进行了系统梳理与总结分析。基于我国重力卫星技术发展研究现状，对未来卫星运行管理模式进行了探讨分析，给出了实用的工程运行管理建议，可为后续卫星运行管理提供参考借鉴。关键词：低低跟踪重力测量卫星；GRACE卫星；重力场模型；卫星运行管理；卫星观测质量记录中图分类号：P2231 引 言GRACE(gravity recovery and climate experiment)卫星作为国际大地测量学界公认的继GPS卫星以后又一大里程碑节点,GRACE及其后续GRACE-FO(gravity recovery and climate experiment-follow on)卫星在轨运行近2 0 年，其观测成果在全球重力场反演、水文冰川变化监测、地球动力学研究等方面得到了广泛应用。自从GRACE卫星数据发布以来,我国科研工作者紧跟CRACE卫星发展1-2 ,在反演算法3-4、重力场模型构建5 技术研究和冰盖质量变化6 、地形变化监测7 应用等方面开展了广泛深人研究8 ,并就低低跟踪重力卫星（以下简称重力卫星)系统研制建设9-10 和关键技术指标1 开展了系统论证研究。随着“天琴一号”卫星完成在轨验证，“天琴二号”等卫星列人建设规划，我国自主低低跟踪重力测量卫星即将步入实际运行。但现阶段，面向重力卫星工程化运行管理的研究分析相对较少，且因重力卫星“超稳、超静、超高精度”的工程运行要求，使得现有光学、微波测绘卫星常规运行管理模式难以满足重力卫星运行管理要求。针对以上问题,有必要系统研究CRACE卫星运行管理经验，有针对性开展我国重力卫星相关运行管理模式的研究，以确保后续卫星正常平稳运行。本文在介绍GRACE卫星平台载荷组成、任务组织流程、运行管理模式和产品分发应用基础上，对GRACE卫星运行管理模式进行了系统总结分析；然收稿日期：2 0 2 2-0 4-2 4；修回日期：2 0 2 2-0 8-0 8作者简介：李静静（19 8 7-），女，山东沾化人，工程师，主要从事航天测绘卫星运行管理研究。文献标志码：A文章编号：16 7 1-30 44(2 0 2 3)0 3-0 0 0 6-0 5后探讨分析了我国重力卫星运行管理模式，并给出了工程运行管理建议，旨在为后续卫星运行管理提供技术参考借鉴2GRACE卫星工程介绍GRACE卫星主要任务是获取地球静态重力场中长波信息以及地球时变重力场，进而应用气候变化分析研究。该型卫星由美国国家航空航天局NASA(national aeronautics and space administration)和德国宇航中心 DLR（d e u t s c h e s z e n t r u m f u r l u f t u n draumfahrt)联合研制，于2 0 0 2 年3月17 日发射，卫星寿命设计为5年，实际超期服役至2 0 17 年。后续星组GRACE-FO卫星于2 0 18 年5月2 2 日发射，目前在轨运行。2.1平台载荷组成如图1所示,GRACE卫星采用低低跟踪（通过星间微波测距仪测量跟踪两颗低轨卫星之间的距离和距离变率）测量模式，兼具高低跟踪（低轨卫星跟踪高轨GPS卫星得到相应轨道位置、速度等信息）能力，卫星轨道倾角约为8 9.7、轨道高度约50 0 km，搭载GPS接收机、加速度计、星敏感器（s t a r-t r a c k e r）、K 波段测距系统KBR（k-b a n dranging)等有效载荷12 ,见图2。后续星组CRACE-FO卫星同样由美国NASA与德国GFZ(geo forschungszentrum)合作研制,除KBR星间测距仪改为星间高精度激光干涉仪 LRI（l a s e r r a n g i n g i n t e r f e r o me t e r）外,其他载荷与CRACE卫星保持一致。第3期图1GRACE卫星原理示意图星敏感器SAMPLERMTOroMTMACEGNSS接收机SCGPS NAVANTENNANADIRGPS BKUPANTENNA李静静，等：GRACE重力卫星运行管理的参考借鉴GNSS卫星Neustrelifz科学数据+遥测数据高低跟踪Leve11数据处理（JPL.GFZ）低低跟踪Wellheim科学数据+遥测数据科学数据+遥测数据GPS数据地球测距数据数据全球观测网络欧洲中期天气预报中心大气数值预授数据汇聚质量异常Level1数据处理（GFZ）大气海洋模型建模全球观测网络IGS和CDO1S数据分析KBRASSEMBLYK-BANDHORNTANKTANK7成Level 2级产品。GRACEGPSB测/运控指令上注GRACEA图3GRACE卫星任务数据流程示意图12 Level 0数据（二进制）LevelIA数据处理（解压，读取单位转换）无损处理SO.科学数据+遥测数据原始数据中心Level-0(PO.DAAC)运控系统Level-IK波段加速计Leve12数据处理（UT-CSR.GFZ）6小时重力数据GPS卫星数据产品GPS地面数据产品Level1B数据处理Level2数据处理（时标改正，降采（轨道，重力场样，误差处理等）解算）DLR姿态数据重力场月模型、平均重力场模型、卫星星历、加速度计定标参数、修正的Level1数据Level3数据处理（重力场数据应用后处理）BDHGPSoCCANTENNA图2（GRACE卫星有效载荷组成示意图12 2.2任务组织流程如图3所示，GRACEA、B双星接收德国太空运行中心 GSOC(german space operation center)测运控指令（图中红色箭头所示），在轨获取GPS数据、星敏数据和非保守力测量数据、磁力距器数据等原始载荷数据,其载荷数据和遥测数据经星地链路（图中绿色所示)传回地面接收站。其中,遥测数据汇总至GSOC,科学数据和遥测数据汇总至原始数据中心RDC（r a w d a t a c e n t e r），再由美国德克萨斯大学空间研究中心 UT-CRS(university of texas/center forspace research）、德国地学中心GFZ和美国喷气推进试验室JPL（j e t p r o p u l s i o n l a b o r a t o r y）负责处理Level 0Level 2级数据预处理产品。其中,JPL和GFZ两家机构主要负责LevelO级和Level1级数据生产;UT-CRS和GFZ两家单位，在GPS精密星历、6h频次的大气与海洋混频模型产品等外源数据支撑下，完成Level2产品处理。如图4所示，具体地面数据处理流程为：原始码流经去重、拼接、格式化等处理，生成Level 0级产品；然后分载荷开展数据读取、单位转换等生产Level1A级产品；再经时标改正、降采样处理等得到Level1B级产品；结合轨道数据，开展重力场解算形K波段星间测距仪SCA+YAAINGYRO加速度计Level 1A数据图4CRACE卫星数据处理流程示意图12 2.3卫星运行管理GRACE卫星地面运控系统由德国太空运行中心GSOC负责。卫星在轨运行过程中,除需要2 4 h不间断保持有效载荷开关机、数据回放等正常测控模式之外,还包括KBR天线中心在轨标定、卫星质心在轨标定与调节等运控模式，并且核心载荷定标任务还需要解除、建立星间指向、开关磁力距与冷气喷气阀等操作，以配合载荷定标产生一定规律的姿态机动。此外，双星17 0 2 7 0 km的星间距离维持、轨道高度保持等亦需实施定期或者不定期的喷气机动操作，以上卫星平台部件的开启和整星机动，均会对高精度的非保守力测量造成影响。针对以上事件，GRACE卫星运行管理部门会定期公布卫星事件顺序记录文件SOE（s e q u e n c e o f e v e n t）和运行管理月报,以标注非正常观测数据时刻信息并提出数据预处理质量情况。2.4产品分发应用GRACE卫星依托3个运行管理中心,对外提供数据下载服务，其网址分别为：UT-CRS：h t t p:/www2.csr.utexas.edu/grace/RL06_ mascons.html;JPL:https:/search.earthdata.nasa.gov;GFZ:https:/earth.gsfc.nasa.gov/geo/data/grace-mascons。基于 GRACE卫星公开数据的静态重力场模型和时变场模型处理Level IB数据数据存储Level2数据Level 3数据8是GRACE卫星数据产品最直接应用，目前仅时变重力场、静态重力场模型成果，就吸引了国际上众多知名大地测量学界研究机构常态持续投入研究。截止2 0 2 2 年，共发布静态重力场模型17 7 个，时变重力场主要由GRACE卫星3个运行管理机构JPL、GFZ、U T-C SR每月定期常态发布1版,此外亦有包括荷兰代尔夫特理工大学、法国国家太空研究中心、德国波恩大学和中国科学院测地所、同济大学、上海天文台、武汉大学、华中科技大学等在内的10 余个国际知名院所研究发布动态时变模型。正是基于全球范围各大知名研究院所针对GRACE卫星的广泛研究,使得其成为继GNSS卫星以外大地测量学界应用最广泛的卫星。基于CRACE重力场模型数据,融合地面重力、航空重力形成了国际著名的EGM2008、EI G EN系列重力场模型和时变模型,为全球统一高程提供了参考系统。高精度时变重力场信息，为地球动力学研究提供了新的理解，为全球水文监测提供了全新手段，为研究海洋环境变化提供了精确海洋大地水准面13,为地震研究提供了重力场变化支撑14。3GRACE卫星工程管理模式3.1严格管控核心数据与技术鉴于重力卫星所处于的基础性战略性地位，GRACE数据三大运行机构不曾对外提供原始码流和Level 1A观测数据，且卫星运行管理、载荷在轨检测定标策略以及载荷硬件误差预处理等公开技术文献、参考资料较少。由此确保了三大机构及其所在国家在全球重力场获取数据、处理技术与高精度应用等方面的优势地位。3.2坚持应用数据开放共享基于三大运行管理机构的公开ftp网址,全球用户均可免费在线获取Level1B级以上产品；GRACE卫星运行管理机构建有 International Center forGlobal Earth Models(ICGEM)网站 http:/icgem.gfz-potsdam.de/,专用于汇总发布国际各研究机构处理生成的模型产品，便于国际同行开展技术交流。应用数据的开放共享是GRACE卫星得以广泛应用的最重要保障。3.3产品服务周到为便于用户友好使用CRACE卫星各级产品数据,以及数据重生产形成的新版本数据,GRACE卫星三大运行机构在提供全周期观测数据的同时，均以专栏形式给出了详细数据格式说明15-16 ,确保了数据易用。GRACE卫星运行管理部门还按照卫星海洋测绘活动、任务状态与计划、相关科学事件/计划、轨道参数、数据处理情况、日程安排、资源链接等分栏编制月报，详细具体地给出单载荷执行动作内容、事件，详细地描述了每个自然月卫星运行情况和数据处理指令。卫星事件文件和月报质量模板，使数据使用者能够很好地理解数据对应的卫星状态和产品质量，做到了数据好用。3.4持续升级算法精化产品重力卫星长期观测过程中,存在因观测数据质量变化、长期误差特性规律变动、精密轨道和地球背景重力场模型等外源支撑数据不断精化等客观条件变化，使得重力卫星数据处理有别于其他一般遥感卫星，需要不断采用新的平差处理策略,组织数据再生产、再处理。基于此考虑，GRACE卫星三大运行机构会定期、不定期地组织召开卫星工程或关键技术研究讨论会,并据此推动处理算法升级，不断更新数据版本，提升产品质量，4对我国重力卫星的借鉴参考4.1坚持做好分段管理鉴于重力卫星数据的战略价值，参照CRACE卫星运行管理规范要求，做好我国自主重力卫星运控、前端数据和技术资料的安全管控。在符合管理规定条件下，重点面向中科院精密测量创新研究院、武汉大学、华中科技大学、同济大学、中国测绘科学院、中山大学以及军队相关优势研究院所,甚至在条件允许情况下吸纳国际优势研究单位参与，开展Level 1B级以上数据应用研究,以此通过“用”“研”相长模式，不断推动对国产重力卫星的持续研究攻关，不断推进重力卫星工程实践。4.2构建全寿命监管与迭代升级运行机制参照GRACE卫星SOE文件、月报等运行模式，加强过程数据质量监管，做好产品信息服务，确保卫星数据可用、易用；遵循重力卫星科学研究属性规律，持续开展数据异常排查和数据处理策略研究，秉持信息系统是“用出来的”的发展理念，持续迭代升级地面应用系统，不断维持更新卫星数据版本，确保卫星工程质量。4.3积极培塑应用研究生态正视重力研究属于“小众”专业的现实处境，充分吸收借鉴北斗导航卫星系统推广应用经验，首先依托国内优势单位构建多个数据分析监测中心，持续攻关重力场模型构建、算法优化，以发现问题、解决问题；其次加大在全球重力场精确建模、大比例尺地形图高程基准转化等工程实践，确保数据真正发第43卷第3期挥应用价值；再者，积极推动重力卫星数据在地球动力学、气象水文学、海洋学、空间天气等学科的研究应用,拓展重力卫星效益发挥。5结束语GRACE系列卫星在卫星测控与运控、数据处理模型算法精化、产品运行服务方面积累的宝贵经验，可作为我国重力卫星发展的借鉴参考，以帮助我国重力卫星工程少走弯路。同时,GRACE卫星数据的高度开放共享和全球广大用户业已形成的使用习惯，尤其在大地测量、地球动力学、海洋动力环境、水文监测等领域形成的广泛应用生态，又对我国重力卫星成果运用好、推广好提出了更大挑战。为确保后续我国自主重力卫星数据可用、易用、好用，建议我国重力卫星运行管理要做好以下几点：要坚持精益求精，通过建立固定分析中心和定期召开会议等形式,不断加强对卫星工程运行管理过程中新问题的研究攻关，不断提升卫星产品数据质量，确保工程质量品牌；要在坚持严格把控核心数据和技术前提下,加快制定合理的分类、分级共享政策，建立基于网络的共享分发手段，确保广大用户对自主重力卫星数据有获得感，并通过广大用户的使用反馈，推动技术创新和应用领域拓展；要建立重力场模型等产品共享发布平台，以推动我国自主重力场模型定期发布为抓手，吸引一大批研究学者,对重力卫星工程存在的困难点形成持续攻关，打破国外在载荷定标、前端数据处理等方面的技术封锁，并逐步形成技术优势。下步，将结合我国自主重力卫星研制建设进展，加强对重力卫星运行管理规章制度的学习研究，及时订立与修订相关运行标准规范，确保卫星工程运行顺畅、应用广泛、服务高效。参考文献：1宁津生，王正涛,超能芳.国际新一代卫星重力探测计划研究现状与进展J.武汉大学学报（信息科学版),2 0 16,41(1):1-8.2万晓云，张润宁，睦晓虹，等.基于卫星观测数据的地球重力场探测技术发展趋势分析J.航天器工程，2017,26(2):121-129.【3周浩.联合多类卫星重力数据反演地球重力场的研究D.武汉：武汉大学,2 0 15.李静静,等：GRACE重力卫星运行管理的参考借鉴2019,44(3):340-346.5 CHEN Q,SHEN Y,FRANCES O,et al.Tongji-Grace02s and Tongji-Grace02k:High-Precision StaticGRACE-Only Global Earth s Gravity Field ModelsDerived by Refined Data Processing Strategies J.Geophys Res Solid Earth,2018,123(7):6111-6137.6陈威，钟敏，冯伟，等.基于GRACE/GRACE-FO和Swarm卫星研究2 0 0 2 一2 0 2 0 年南极和格陵兰岛冰盖质量时空变化J.地球物理学报，2 0 2 2,6 5（3）：952-964.7李婉秋，王伟，章传银，等.区域地壳结构差异对GRACE-FO反演中国近10 个月陆地水负荷垂直形变的影响J.大地测量与地球动力学，2 0 2 1,41(7):707-713.8孙和平，孙文科，申文斌，等.地球重力场及其地学应用研究进展2 0 2 0 中国地球科学联合学术年会专题综述J.地球科学进展，2 0 2 1,36（5）：445-46 0.9程芦颖.卫星重力测量系统的发展和测量模式J.海洋测绘,2 0 12,32(6)：6 3-6 7.10 郑伟,许厚泽,钟敏，等.国际重力卫星研究进展和我国将来卫星重力测量计划J.测绘科学,2 0 10,35(1):5-9.11】肖云,刘晓刚,郭飞霄.新一代重力测量卫星核心指标分析J.大地测量与地球动力学,2 0 17,37（1)：1-4.12 PRESTI D,HERMAN J,CODAZZI A.Mission OperationSystem Design and Adaptations for the Twin-satelliteMission GRACEC/Jessica Loayza.Space OPS 2004Conference Meeting Paper.Reston of American:American Institute of Aeronautics and Astronautics,2004.【13姜文观.联合卫星测高和卫星重力数据监测海水文变化D.成都：西南交通大学,2 0 2 1.14祝意青，张勇，杨雄，等.时变重力在地震研究方面的进展与展望J.地球与行星物理评论,2 0 2 2,53（3）：278-291.15 HUIYING WEN,GERHARD KRUIZINGA,MEEGYEONGPAIK,et al.Gravity Recovery and Climate ExperimentFollow-On（G RA C E-FO）Le v e l-1 D a t a Pr o d u c t U s e rHandbookR/OL.https:/podaac.jpl.nasa.gov,2019-9-11.16 YUAN D N.GRACE-FO Level-2 Gravity Field ProductUser Handbook R/OL.ftp:/isdeftp.gfz-potsdam.de,2019-5-22.94肖云，王云鹏,刘晓刚，等.空域最小二乘法用于重力卫星误差分析J.武汉大学学报（信息科学版），10海洋测绘第43卷Reference of GRACE satellite operation and applicationLI Jingjing,HUANG Lingyong,ZHANG Chi,JIN Xianyong,LIU Li(State Key Laboratory of Geo-Information Engineering,Xian 710054,China)Abstract:Low-Low Satellite-Satellite Tracking Gravity Satellite plays an important strategic role in global gravityacquisition and inversion application.China has also arranged the development and construction of relevantsatellites.In order to ensure the efficient and stable operation of China s autonomous Low-Low Satellite-SatelliteTracking Gravity Satellite in the future,this paper focuses on systematically ordering the organization mode andmanagement mechanism of GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)Satellite and its subsequentsatellite group GRACE-FO(Gravity Recovery And Climate Experiment-Follow on)satellite,summarizing andanalyzing the characteristics of its operation and management.Based on the development and research status ofgravity satellite technology in China,the future satellite operation management mode is discussed and analyzed.And the practical engineering operation management suggestions are given,which can provide technical referencefor subsequent satellite operation.Key words:low-low satellite-satellite tracking gravity satellite;GRACE(gravity recovery and climateexperiment)satellite;gravity field model;satellite operation management;satellite observation quality record三+三+三+三+三三三三+三+三+三三三三+三+三+三+三+三三+郑重声明近期有读者举报，个别网站以与本刊建立合作关系为名，或冒用海洋测绘编辑部名义，向读者征稿和承诺快速推荐发表论文,并以此从中获利,这种不良行为给本刊造成了负面影响。为维护海洋测绘的声誉与合法性，保护广大读者和作者的合法权益,现郑重声明如下：1.海洋测绘电子版合作单位只有中国知网、万方数据、重庆维普等知名数据库网站，除此之外，没有与任何单位、个人或网站有合作关系，也没有设置单独的网站和网页,并且本刊不收取作者任何费用。2本刊从未委托或授权任何单位或个人负责稿件征集与编辑、期刊出版和发行等具体事项。3.海洋测绘的版权和相关信息归本刊所有，所有假借本刊名义建立网站、从事征稿、编辑出版等行为的单位和个人，应立即停止非法侵权活动，我们保留依法追究当事单位和个人法律责任的权利。4感谢多年来信任和支持本刊的广大读者和作者。投送海洋测绘的稿件，请直接参照以下信息：E-mail:；通信地址：天津市河西区友谊路40 号，海洋测绘编辑部；邮政编码：30 0 0 6 1；联系电话：[phone]。海洋测绘编辑部