卫星和空间大地测量学

卫星大地测量学取得了变革性进展，提供了全球参考框架、毫米级定位以及对地球重力场及其随时间变化的直接测量。

Definition

卫星和空间大地测量学是利用对人造卫星和河外射电源的观测以及来自它们的观测，包括定位系统、测距、测高和重力测绘任务，来确定地球的几何形状、重力场、方向及其时间变化。

Scope

本主题涵盖了现代大地测量学的空间技术：用于精确定位的全球导航卫星系统、用于参考框架和地球自转的卫星激光测距和甚长基线干涉测量、用于海面和大地水准面测量的卫星测高，以及用于恢复时变重力场的专用重力任务。它涉及陆地参考框架的定义和实现，以及这些方法检测到的地球物理信号，从板块运动到质量再分配。重点在于空间观测如何确定位置、形状、自转和重力。

Core questions

• 卫星导航系统如何实现精确的全球定位？
• 陆地参考框架和地球自转如何通过空间技术实现？
• 卫星测高如何测量海面和海洋大地水准面？
• 专用任务如何恢复时变重力场？

Key concepts

• 全球导航卫星系统和精确定位
• 卫星激光测距和甚长基线干涉测量
• 陆地参考框架和地球定向
• 卫星测高
• 卫星任务的时变重力

Key theories

空间大地测量参考框架和定位

结合卫星导航、激光测距和射电干涉测量，可以获得稳定的全球参考框架和毫米级定位，从而能够直接测量板块运动、地壳变形和地球自转。

卫星时变重力

跟踪轨道卫星之间距离的变化或扰动，可以恢复重力场的月度图，其变化记录了地表和地下水、冰和其他质量的重新分布。

Mechanisms

导航卫星信号的精确计时、双向激光测距以及对遥远类星体的干涉观测确定了地球在空间中的位置和方向；对于重力，低轨卫星的轨道，或一对卫星之间变化的距离，响应着潜在的质量分布，因此测量这些随时间变化的轨道扰动可以得到静态和变化的重力场。

Clinical relevance

空间大地测量学提供了导航、测绘和授时基础设施所依赖的全球定位和参考框架，测量构造和火山变形以进行灾害监测，并跟踪冰盖融化、地下水枯竭和海平面上升，这些对气候科学至关重要。

History

卫星大地测量学始于对早期人造卫星的跟踪，这些跟踪完善了地球的扁率，在20世纪后期随着全球导航卫星系统和激光测距而成熟，并通过2002年发射的GRACE和GOCE等专用任务实现了重力测量。

Key figures

• Byron Tapley
• Reiner Rummel
• Günter Seeber

Seminal works

• seeber2003
• tapley2004
• torge2012

Frequently asked questions

卫星如何测量地球的重力场？

卫星的轨道会受到其下方地球不均匀重力的扰动；通过精确跟踪这些扰动，或跟踪两颗编队飞行卫星之间微小的距离变化，任务可以绘制重力场图，甚至观察它随水和冰的移动而变化。

空间大地测量学对研究气候变化有何贡献？

时变重力任务可以探测冰盖和冰川的质量损失以及地下水储量的变化，而卫星测高则测量海平面上升，提供了关于质量和水如何重新分布的直接全球测量数据。