CHAMP、GRACE和GOCE分別代表SST hl、SST ll和SGG三種衛(wèi)星重力測量模式，原理各異，測定含不同頻譜信息的重力場量，用于恢復重力場有互補作用，可克服傳統(tǒng)基于衛(wèi)星軌道擾動探測技術的局限性。CHAMP的高低衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星模式是通過高軌衛(wèi)星跟蹤低軌衛(wèi)星軌道的攝動測定地球擾動位及其一階梯度（擾動重力）；GRACE的低低衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星模式是測定兩個同軌低軌衛(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定擾動位的二階梯度張量，也包含SST hl跟蹤測量。這三個衛(wèi)星重力場測量計劃本身相當于一種重力傳感器系統(tǒng)，在低軌平臺上直接采集重力場信息，不需穿過低空大氣層觀測，且低軌衛(wèi)星利用加速度計分離出非保守力的影響（大氣阻力、太陽輻射壓等），因而觀測精度高。采集的信息是衛(wèi)星軌道的空間重力場的局部精細結構，即擾動位的一階和二階導數(shù)。由于高軌衛(wèi)星的軌道可以精密測定，因此，SST hl相應于測定低軌道衛(wèi)星的三維位置、速度和加速度，SST ll相應于兩個低軌道衛(wèi)星之間的距離、距離變化或者加速度差值，而SGG則相應于重力加速度短基線上的三維重力加速度差值。從數(shù)學上講，它們分別是重力位的一階導數(shù)（SST hl）、長基線上一階導數(shù)的差分（SST ll）和二階導數(shù)（SGG）。新一代衛(wèi)星重力探測計劃的成功實施，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傳感網(wǎng)絡，其空間分辨率最高相當于地面100～200km，特別是其中低低跟蹤模式可提供10～30d時間分辨率的重力場時變信息，以及衛(wèi)星重力梯度測量可提供100km分辨率厘米級精度重力模型全球大地水準面。這一代衛(wèi)星重力技術提供的靜態(tài)和時變重力場模型已在多個涉及重力場信息需求的相關地學領域得到相當廣泛的應用。

需要指出的是，盡管新一代衛(wèi)星重力探測計劃取得了矚目的成果，大大拓展了經(jīng)典重力場理論的應用領域，但這一系列的成果在時間分辨率和精度水平上的局限性，還遠遠不能滿足相關學科對靜態(tài)地球物理問題作重力效應解釋的需求，更難以滿足對地球動力學全球變化作重力場響應分析的需求。例如，用GPS水準測定正高要求在100km波長范圍內(nèi)有厘米級精度的大地水準面；研究地球深部結構則要求在幾十千米到幾千千米的波長范圍內(nèi)具有厘米級精度的大地水準面和±1mGal精度的重力異常；利用衛(wèi)星測高測定的海面高來研究海面地形和洋流，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(tǒng)要求在50～100km的波長范圍內(nèi)具有優(yōu)于5cm精度的大地水準面；區(qū)域或局部水儲量變化和淺層物質(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變重力場模型。目前全球靜態(tài)重力場和時變重力場模型的精度與上述要求大約還相差一個量級，實現(xiàn)這一目標首先取決于在全球范圍內(nèi)測定重力和探測近地空間重力場信息的技術發(fā)展水平。

當前，CHAMP和GOCE衛(wèi)星任務已結束，只有原設計5a壽命的GRACE仍在運行中，但也早已面臨升級換代提高系統(tǒng)性能問題。在靜態(tài)重力場確定方面，當前的衛(wèi)星重力任務的局限性主要體現(xiàn)在無法實質(zhì)性地降低衛(wèi)星飛行軌道高度和加速度計的實際測量精度，以及其他衛(wèi)星荷載的測量精度無法滿足更高精度和分辨率重力場的需求，這些問題有望在未來的衛(wèi)星重力計劃中得到改進。對于時變重力場的確定，主要依賴于GRACE衛(wèi)星重力探測計劃，其研究成果的局限性表現(xiàn)在：第一，GRACE受時空分辨率的限制（空間分辨率近似400km，時間分辨率近似mon），只能探測到以等效水高表示的10cm質(zhì)量變化或者是超過1cm/a的趨勢變化，不能滿足探測地球動力系統(tǒng)不同過程質(zhì)量變化所需的時空分辨率，如小尺度范圍內(nèi)的大陸水文和冰川質(zhì)量變化、海洋的低振幅信號等。第二，測量誤差影響較大，特別是南北條帶誤差，若擴大平滑濾波空間尺度，例如1000km，則進一步降低了空間分辨率。

未來的衛(wèi)星重力計劃任務需要滿足更長時間序列的觀測（GRACE任務的延續(xù)），更高的空間分辨率（400km→200km→100km），更高的時間分辨率（消除大氣、海洋等的混頻效應）和更高精度靜態(tài)、時變重力場的確定，無需引入濾波技術（消除條紋帶現(xiàn)象）等要求。對已成功實施的衛(wèi)星重力任務的分析與研究表明，若滿足上述要求，新一代的衛(wèi)星重力計劃潛在的技術改進有以下幾個方面：第一，采用新的或改進的測量技術。如星間距離測量可聯(lián)合微波測距和激光干涉測距，采用革新的測量技術，引入冷原子梯度儀和光鐘，改進推進器技術，選用更優(yōu)姿態(tài)控制系統(tǒng)與無阻力系統(tǒng)。第二，數(shù)據(jù)處理方面與地球物理模型的聯(lián)合。利用改進的地球物理模型消除混頻效應，改進時空參數(shù)，基于補充的信息改進信號的可分離性。第三，優(yōu)化衛(wèi)星星座形態(tài)?；谔囟〝?shù)目衛(wèi)星星群的星座形態(tài)改進時空分辨率，同時優(yōu)化軌道配置和軌道姿態(tài)。當前國際上對基于衛(wèi)星跟蹤模式的優(yōu)化選取、關鍵載荷的優(yōu)化組合、軌道參數(shù)的優(yōu)化設計和反演方法的優(yōu)化改進，開展了一系列衛(wèi)星重力測量計劃的研究論證。

2010年，歐洲及加拿大科學團隊向歐空局提出了新的衛(wèi)星重力計劃———地球系統(tǒng)質(zhì)量遷移任務（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，并攜帶激光干涉測距儀、改進的加速計以及GNSS接收機。衛(wèi)星的低軌飛行高度可獲得200km空間分辨率的重力場信息，任務的重復周期為28.92d，可確定相同空間分辨率的時變重力場，鐘擺軌道的旋轉(zhuǎn)軌道平面技術，可消除單一南北方向觀測的局限性。相比于GRACE計劃，其不僅可以獲取近乎南北方向的信號，同時可以得到更多其他方向的重力場信息，在赤道位置雙星測距方向與子午方向最大偏差15°（見圖2、表1）。

 表1  E.motion衛(wèi)星任務參數(shù)

E.motion計劃獲取的多方向距離與距離變率信號將增強重力場恢復的時空能力，消除GRACE任務的南北條帶誤差，在數(shù)據(jù)后處理階段，可減少使用濾波技術，保留更多的地球重力場信息。

美國宇航局提出了用于高精度探測地球中短波靜態(tài)和中長波時變重力場的下一代GRACE Follow-on衛(wèi)星重力計劃，該任務計劃將于2017年8月發(fā)射。雙星重力任務采用近圓、近極和低軌道設計，軌道高250km，利用激光干涉測距儀精確測量星間距離（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，通過星載加速度計感測作用于衛(wèi)星的非保守力以及依靠非保守力補償系統(tǒng)平衡非保守力（大氣阻力、太陽光壓、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鍵載荷測量精度，利用下一代GRACE Follow-on計劃反演地球重力場精度較當前GRACE計劃至少提高10倍。任務的首要目標是延續(xù)GRACE衛(wèi)星任務獲取高分辨率月重力場模型，計劃飛行5a，目標大于10a，GRACE衛(wèi)星的k/ka波段微波干涉計，GPS和加速度計仍將使用；第二個目標是展示激光測距干涉計（LRI）改進的效果，這是第一個攜帶激光干涉計的衛(wèi)星計劃，這個系統(tǒng)將改進未來衛(wèi)星重力任務的空間分辨率；第三是繼續(xù)GRACE無線電掩星測量，提供垂直溫度變化和水汽剖面等信息，為天氣預報服務。

下一代衛(wèi)星重力任務（NGGM）計劃是歐空局和NASA聯(lián)合提出的兩隊四星衛(wèi)星重力任務。其主要目標是提供長時間跨度的時變地球重力場模型，盡可能完整覆蓋一個太陽周期（11a），重力場模型具有高的空間分辨率和時間分辨率（1周，甚至更優(yōu)），并抑制GRACE時變重力場模型中所具有的高頻混頻現(xiàn)象。與此同時，NGGM任務期望確定的大地水準面累計誤差為：球諧展開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)的重力場時空采樣，兩隊衛(wèi)星的傾角分別為90°和63°，為了實現(xiàn)11a的任務生命周期，獲得1個月重復周期（7d的子周期）的時變重力場，軌道平均高度為340km或者424km。

空間大地測量與時間參考系統(tǒng)（GETRIS）任務是一個創(chuàng)新理念，其主要目標是為低軌衛(wèi)星導航提供一個高精度的空基大地參考系統(tǒng)，同時為空間和地面用戶提供超高精度的時頻參考基準。為了實現(xiàn)上述目標，GETRIS任務計劃發(fā)射多顆地球同步衛(wèi)星，這些同步衛(wèi)星關鍵星載設備是太空原子鐘（ACES）模塊，主要包括兩個原子鐘和用于時間傳輸?shù)逆溌?，可實現(xiàn)時頻信息的傳輸與獲取。GETRIS的另外一個主要任務是距離觀測，利用微波鏈路或激光通訊終端（LCT），可實現(xiàn)靜止軌道衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星30000km距離測量的精度達到1μm，這些距離觀測可用于恢復地球靜態(tài)與時變重力場，其原理見圖5。

GRACE衛(wèi)星任務壽命已超預期，根據(jù)目前載荷運行狀態(tài)，估計尚可延續(xù)至2016年，但其后續(xù)任務GRACE Follow-on（GFO）至今仍未列入發(fā)射計劃，在此期間，一個新的衛(wèi)星計劃SWARM將可替續(xù)GRACE任務至GFO發(fā)射，見圖6。

CHAMP、GRACE和GOCE三個新一代重力探測衛(wèi)星分別于2000、2002和2009年成功發(fā)射，至今只有原設計5a壽命的GRACE仍在運行中，NASA已啟動后續(xù)計劃，并決定保持原技術模式實施快速后續(xù)方案，但其后續(xù)任務至今仍未列入發(fā)射計劃。歐洲空間局于2013年11月22日成功發(fā)射了首個地球探測者編隊衛(wèi)星任務SWARM，該衛(wèi)星任務由三顆類似CHAMP衛(wèi)星組成，載有精度更高的GNSS接收機、加速度計等重力探測關鍵有效載荷。

SWARM衛(wèi)星任務是一個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)星設計壽命為4a，預計產(chǎn)生10950個數(shù)據(jù)包、1.9×108衛(wèi)星位置信息以及26.5Ｇ的數(shù)據(jù)。SWARM攜帶的與重力場測量相關的關鍵載荷包括加速度計（ACC）、激光測距儀（激光后向反射器LRR）和GNSS接收機。SWARM搭載加速度計的精度能滿足恢復地球重力場的要求，其具體參數(shù)見表2。

表2  星載加速度計參數(shù)

SWARM攜帶的精密定軌設備包括GNSS接收機和激光測距儀，這些設備和其低軌飛行的特性可滿足地球重力場探測的需求。SWARM無論從技術設計和硬件設備都類似于早期的CHAMP衛(wèi)星（見圖8），可以說，SWARM任務是3顆類似CHAMP衛(wèi)星的組合星群計劃。

由于CHAMP和GOCE衛(wèi)星任務已結束，GRACE任務隨時可能終止，GRACEFollow-on計劃于2017年發(fā)射，在此期間，缺少專門的重力衛(wèi)星對地球重力場及其時變進行觀測，衛(wèi)星重力場觀測數(shù)據(jù)將會中斷。雖然SWARM沒有SST ll星間測距功能，不是專用的重力衛(wèi)星，但SWARM載有精度更高的GNSS接收機、加速度計等重力探測關鍵有效載荷，可用于探測地球時變重力場。SWARM衛(wèi)星計劃的飛行時間是2013年11月到2017年底，可彌補GRACE衛(wèi)星重力觀測的空白，有利于保持地球時變重力場監(jiān)測的完整性。

CHAMP、GRACE和GOCE三個重力探測衛(wèi)星的成功實施，ESA和NASA已啟動的4個后續(xù)計劃的仿真模擬研究，都為我國發(fā)射自主的重力衛(wèi)星計劃提供了很好的借鑒經(jīng)驗?？紤]到我國當前在GNSS接收機、激光干涉和微波星間測距儀、非保守力補償系統(tǒng)、衛(wèi)星體和加速度計質(zhì)心調(diào)節(jié)裝置等關鍵載荷研制方面與世界先進水平仍存在差距，因此，我國應先期開展重力衛(wèi)星高精度關鍵載荷的研制工作。在此基礎上，根據(jù)我國研制的重力衛(wèi)星高精度關鍵載荷的精度水平，設計衛(wèi)星重力衛(wèi)星任務的觀測模式和軌道參數(shù)等。就當前國際衛(wèi)星重力任務實施的計劃和預演的結果來看，我國自主重力衛(wèi)星應以GRACE報告地點Follow-on為基本藍圖，發(fā)射時間不晚于2025年，衛(wèi)星任務基于衛(wèi)衛(wèi)跟蹤觀測模式，采用激光干涉星間測距儀、多模GNSS接收機和非保守力補償系統(tǒng)等新技術，確定靜態(tài)和時變地球重力場模型的精度，滿足本世紀相關地球科學學科的迫切需求。