湯姆和傑瑞-聊聊GRACE重力場雙子星

文 ：晟宇

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本文圖片及信息來源：SpaceFlightNow，eoPortal

重力場衛星GRACE（Gravity Recovery And Climate Experiment）是NASA與德國航空中心的合作項目，任務目標是精確地測量地球重力場，從而更好地理解海平面洋流和海洋熱傳輸、研究海洋質量的變化、測量冰層和冰川的的質量平衡，監視地下水的變化情況等。在2002年三月正式發射入軌道工作後，至今已經工作了15年，遠遠超過了5年的預計工作壽命。（都留了很大餘量么～）重力場是2顆衛星協同工作，所以是真正的雙子星，而在今年年底隨著部分電池單元的失效，燃料即將耗盡等原因，在11月這對雙子星將結束15年來對地球的繞行，最終墜入大氣層燒毀。今天就來和大家聊聊這對雙子星。

Illustration of the flight configuration and ground support for the GRACE mission (image credit: NASA, UTA/CSR)

GRACE衛星的概念說白了就用測量2顆衛星之間距離的變化及變化速度來測量重力的變化。這兩顆衛星將在軌道上相距220公里進行編隊飛行，衛星在近地軌道上運行就會受到地球引力的影響，而由於地球不是理想球體，也就是地球既不是一個完美的球形也不是每個部分的密度都一樣，從而使得衛星在飛行的過程中受到的重力影響是不同的，這種引力攝動帶來的影響在編隊飛行的GRACE衛星間就是星間距離的變化。所以要實現通過測量衛星之間距離的細微變化來反推重力場的變化，就對這種測量提出了非常高的要求。而這個精度在GRACE衛星間是驚人的毫米級別，也就是俗話說的比頭髮絲還細。所以這個項目的中心就是測量，從上面的圖中我們可以看到，每顆衛星都需要進行高精度的精密定軌，並且利用微波進行高精度的星間測距。

GRACE衛星選擇了極軌軌道，為了更好地測量重力的變化，發射時的軌道高度是485km，如今已經衰減到了300多公里，這也是其進入壽命末期的很主要的一個原因。小科普一下，一般低於350km的軌道，衛星壽命大概也就是短短的幾個月了。GRACE衛星發射時攜帶了大量的燃料，進行大概50天一次左右的軌道維持，雖然較低的軌道對於重力的測量更有好處，卻也需要應對很大的大氣攝動使得軌道高度持續降低。

隨著軌道高度的降低，又遇到了太陽高年，所以軌道衰減的速度很快。

GRACE衛星的重訪周期大概在30天，也就是一個月可以完整地測量一次重力場，其精度之高可以測量1cm的地下水位的變化。

由於飛行器在空間受到的各種攝動與影響非常之多，高精度的測量還依賴各種演算法，才能準確地進行目標數據的反演。

下面聊聊GRACE衛星本身吧。

看看這個構型FLEXBUS，很眼熟有木有～是不是很像Iridium Next。GRACE的衛星長3m，高0.7m，下寬1.9m，上寬0.7m。採用了碳纖維加強結構，這種結構的熱變很小，就是為了服務與準確的測量。

兩顆衛星都採用了三軸穩定，姿控系統包含了太敏、磁強計、高精度星敏、GPS、3軸激光陀螺，執行機構有冷氣系統和3根磁力距器。

衛星重432公斤，燃料32公斤。太陽帆板可以提供150到210W的能源，科學在和功耗在75W，這就是在衛星電池部分損壞後，在陽照較好的情況下，衛星依舊可以正常工作的原因。衛星採用了很多COST部件，達到80%，所以設計壽命只有5年。

衛星採用ka進行星間的測距，地面安裝的LRR可以和地面進行高達1cm的測量。

11月，衛星即將離軌，原本計劃是等下一代衛星入軌後還可以利用它們進行數據的標定，現在看來是趕不及了，那最後我們再來看看GRACE衛星取得的成果吧，感謝它們。

都是全球的重力圖，每個月一幅

不平坦的地球（加強後）

完