ＧＲＡＣＥ（Ｇｒａｖｉｔｙ　Ｒｅｃｏｖｅｒｙ?。粒睿洹。茫欤椋恚幔簦濉。牛穑澹颍椋恚澹睿簦?span style="line-height:1.5;">衛(wèi)星是由美國(guó)國(guó)家航空航天局（ＮＡＳＡ）和德國(guó)航空太空中心（ＤＬＲ）聯(lián)合研究和發(fā)射的“重力場(chǎng)重建與氣候?qū)嶒?yàn)”衛(wèi)星，主要科學(xué)目標(biāo)是提供高精度和高空間分辨率的靜態(tài)及時(shí)變地球重力場(chǎng)（Ｔａｐｌｅｙ　ｅｔ?。幔欤?/span>２００４）．ＧＲＡＣＥ由兩顆近圓形極軌衛(wèi)星組成，在相同的軌道上前后跟飛，軌道傾角為８９°，初始高度約５００ｋｍ，衛(wèi)星之間的距離約為１８０～２２０ｋｍ，于２００２年３月１７日發(fā)射升空，設(shè)計(jì)壽命為５年，實(shí)際已經(jīng)運(yùn)行了１２年多，至今還在運(yùn)行．為了進(jìn)行高精度重力場(chǎng)測(cè)算，ＧＲＡＣＥ星座裝載有兩星之間微波測(cè)距系統(tǒng)（ＫＢＲ，Ｋ　ＢａｎｄＲａｎｇｉｎｇ）和星載ＧＰＳ雙頻接收機(jī)．微波測(cè)距數(shù)據(jù)中含有電離層的影響，電離層引起的載波相位超前所導(dǎo)致的測(cè)距誤差需要消除；在消除電離層影響獲取星間真實(shí)距離過(guò)程中，可提供電波傳播路徑上與積分電子密度有關(guān)的電離層修正量．本文介紹如何利用ＧＲＡＣＥ兩顆衛(wèi)星之間Ｋ 波段載波相位測(cè)量和軌道數(shù)據(jù)，得到星間積分電子密度（ＴＥＣ，ＴｏｔａｌＥｌｅｃｔｒｏｎ?。茫铮睿簦澹睿簦┖推骄娮用芏?，并借助ＣＨＡＭＰ衛(wèi)星的朗繆探針當(dāng)?shù)販y(cè)量與ＧＰＳ掩星遙測(cè)得到的電子密度與等離子體垂直梯度標(biāo)高（ＶＳＨ，ＶｅｒｔｉｃａｌＳｃａｌｅ?。龋澹椋纾瑁簦?shù)據(jù)，消除所得平均電子密度固有的偏差．最后，通過(guò)與非相干散射雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以及從不同的時(shí)空變化角度，利用ＣＨＡＭＰ當(dāng)?shù)販y(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)所得多年的ＧＲＡＣＥ－Ａ／Ｂ星間平均電子密度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，證明其可靠性和可用價(jià)值．

  ＧＲＡＣＥ兩顆衛(wèi)星間的測(cè)距主要由星載精密微波測(cè)距系統(tǒng)（ＫＢＲ）和雙頻ＧＰＳ接收機(jī)來(lái)完成（Ｔｈｏｍａｓ，１９９９；Ｋｉｍ，２０００），測(cè)距精度可達(dá)１０微米．該系統(tǒng)是一個(gè)雙向雙頻單程微波測(cè)距系統(tǒng)，每顆衛(wèi)星都裝載有發(fā)射和接收Ｋ波段（２４ＧＨｚ）和Ｋａ波段（３２ＧＨｚ）微波信號(hào)的喇叭形天線(xiàn)，兩顆衛(wèi)星上的天線(xiàn)互成鏡像，接收對(duì)方發(fā)射的Ｋ／Ｋａ波段雙頻微波信號(hào)，同時(shí)向另一顆衛(wèi)星發(fā)射雙頻正弦型連續(xù)微波信號(hào)；有超穩(wěn)振蕩器（ＵＳＯ）提供高精度基準(zhǔn)頻率．為了區(qū)分相同頻段的微波信號(hào)，其中一顆衛(wèi)星相對(duì)另一顆衛(wèi)星所發(fā)射的Ｋ／Ｋａ波段信號(hào)的中心頻率都偏移０．５ＭＨｚ，即為２４／３２ＧＨｚ＋０．５ＭＨｚ．每個(gè)衛(wèi)星接收到的信號(hào)經(jīng)下變頻混頻后，通過(guò)ＧＰＳ黑杰克（Ｂｌａｃｋｊａｃｋ）接收機(jī)的專(zhuān)用ＤＳＰ通道反向旋轉(zhuǎn)該變頻信號(hào)相位，利用鎖相環(huán)路跟蹤和提取載波相位信息，以１０Ｈｚ的采樣速率輸出相位數(shù)據(jù)。

  本文通過(guò)恰當(dāng)處理ＧＲＡＣＥ－Ａ／Ｂ兩顆衛(wèi)星Ｋ／Ｋａ波段雙頻測(cè)距提供的電離層修正量和衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，計(jì)算得到了兩顆衛(wèi)星之間的平均電子密度；利用軌道電子密度極小值對(duì)應(yīng)的星間電子總含量值遠(yuǎn)小于Ｋ／Ｋａ波段相位測(cè)量的一個(gè)整周模糊度所對(duì)應(yīng)的電子總含量這一特點(diǎn)，采用連續(xù)測(cè)量軌道電子密度極小值零對(duì)齊方法，消除了整周模糊度；并借助ＣＨＡＭＰ衛(wèi)星朗繆探針的電子密度當(dāng)?shù)販y(cè)量和ＧＰＳ掩星測(cè)量提供的電離層等離子體垂直梯度標(biāo)高，大致消除了相位測(cè)量技術(shù)局限性所固有的未知偏差；從而得到長(zhǎng)達(dá)十年之久的約５００ｋｍ 高度上電離層電子密度數(shù)據(jù)．為了檢驗(yàn)消除偏差后ＧＲＡＣＥ星間電子密度數(shù)據(jù)的可靠性，對(duì)比了ＧＲＡＣＥ衛(wèi)星觀測(cè)的電子密度與衛(wèi)星過(guò)Ｍｉｌｌｓｔｏｎｅ?。龋椋欤焐峡崭浇?/span>時(shí)，非相干散射雷達(dá)觀測(cè)到的大致同時(shí)和相近位置的電子密度數(shù)據(jù)，對(duì)比結(jié)果顯示ＧＲＡＣＥ衛(wèi)星觀測(cè)的電子密度相對(duì)于非相干散射雷達(dá)觀測(cè)的電子密度的偏差平均為－７．２６％，偏差的標(biāo)準(zhǔn)差為１８．６２％，證明了本文所得ＧＲＡＣＥ星間電子密度數(shù)據(jù)基本可信．為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)據(jù)的可用價(jià)值，我們利用消除偏差后的電子密度數(shù)據(jù)，對(duì)ＧＲＡＣＥ衛(wèi)星與ＣＨＡＭＰ衛(wèi)星在近乎相同的地方時(shí)而高度不同的近圓極軌道上飛行的情況下，兩顆衛(wèi)星觀測(cè)到的電子密度隨經(jīng)度和緯度的全球分布進(jìn)行了對(duì)比；對(duì)比分析表明，兩顆衛(wèi)星高度上電子密度的全球分布特征極為相似，所顯示的電子密度大小的高度差異合理．從多種不同角度進(jìn)行的對(duì)比檢驗(yàn)，證明了本文方法得到的幾乎連續(xù)１０年的約５００ｋｍ 高度上全球電子密度數(shù)據(jù)基本可靠，為電離層氣候?qū)W與天氣學(xué)研究提供了寶貴資料．

  應(yīng)該指出，在修正測(cè)量偏差過(guò)程中，我們采用了電子密度隨高度分布呈指數(shù)衰減的近似，且使用了固定的等離子體垂直梯度標(biāo)高，這將會(huì)在利用ＣＨＡＭＰ衛(wèi)星高度電子密度和等離子垂直梯度標(biāo)高來(lái)確定ＧＲＡＣＥ衛(wèi)星高度上的電子密度基值的過(guò)程中產(chǎn)生誤差，特別是對(duì)于存在較強(qiáng)擾動(dòng)時(shí)，有可能垂直梯度標(biāo)高增大（或減?。┒鴮?dǎo)致計(jì)算所得到的ＧＲＡＣＥ衛(wèi)星高度上電子密度值偏?。ɑ蚱螅?/span>以后的工作中將進(jìn)一步細(xì)致分析軌道電子密度基值以及垂直梯度標(biāo)高隨太陽(yáng)活動(dòng)水平、季節(jié)、地方時(shí)等變化的規(guī)律，以給出更為精準(zhǔn)的修正．另一方面，本文利用非相干散射雷達(dá)數(shù)據(jù)來(lái)檢驗(yàn)軌道極小值修正方法的效果，實(shí)際上也可以直接使用雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)校準(zhǔn)ＧＲＡＣＥ衛(wèi)星星間有偏電子密度，這方面的工作及其與本文方法的比較將另文介紹．

   感謝德國(guó)地學(xué)研究中心提供ＣＨＡＭＰ 和ＧＲＡＣＥ衛(wèi)星數(shù)據(jù)，感謝Ｈｅｒｍａｎｎ?。蹋酰澹瑁蚪淌诘膸?/span>助．本文所用的Ｍｉｌｌｓｔｏｎｅ?。龋椋欤炫_(tái)站非相干散射雷達(dá)數(shù)據(jù)，來(lái)自于ＭＩＴ?。龋幔螅簦幔悖搿。希猓螅澹颍觯幔簦铮颍。停幔洌颍椋纾幔鞌?shù)據(jù)庫(kù)；感謝Ｄｒ．Ｓｈｕｎｒｏｎｇ?。冢瑁幔睿纾ǎ停椋欤欤螅簦铮睿濉。龋椋欤欤┨?/span>供使用數(shù)據(jù)方面的協(xié)助；Ｍｉｌｌｓｔｏｎｅ　Ｈｉｌｌ非相干散射雷達(dá)系由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金和ＭＩＴ之間的合作項(xiàng)目所支持．