重力遥感与导航团队提出多倾角重力星链方案，低成本小卫星助力时变重力场监测

研究背景

      近二十年来，GRACE、GRACE Follow-On（GFO）、ChiGaM等国内外重力卫星，已实现对全球地球系统质量迁移与时空重分布的常态化观测，为水文循环、地壳形变、极地变化等领域研究提供了核心数据支撑。但传统极轨单对卫星观测存在采样率不足与采样各向异性的短板，其无约束月时变重力场普遍存在显著的南北向条带噪声，难以满足高精度、高分辨率时变重力场监测需求。

      业界公认的Bender双星方案（极轨+倾轨双星组合）可有效改善观测缺陷、大幅提升重力场反演精度。该方案依赖高精度载荷，存在研制成本高昂、技术门槛高、研制周期漫长等现实瓶颈，极大限制了新一代卫星重力观测系统的落地应用与规模化推广。

      针对当前卫星重力观测领域的技术痛点与发展困境，中山大学重力遥感与导航团队提出了多倾角轨道（Multiple Inclination Orbit, MIO）重力卫星星座方案。该方案摒弃了成本高昂、技术难度大的低低卫星跟踪卫星（ll-SST）技术，依托技术成熟、稳定性更高的高低卫星跟踪卫星（hl-SST）技术搭建观测系统。方案规划部署80颗轨道高度约350 km的低轨小卫星，均匀排布于70°（MIO-A）、75°（MIO-B）、80°（MIO-C）和85°（MIO-D）四个倾角轨道面，通过多倾角轨道协同组网，有效弥补单一极轨采样缺陷，实现全球全域空间均匀采样，提升时变重力场观测精度与时空分辨率，为低成本、高性能卫星重力观测提供了全新技术路径。

研究进展

      团队基于全闭环数值模拟仿真平台，系统对比分析了单一GFO星座、多组GFO+MIO子星座组合及传统Bender星座在周尺度时变重力场监测中的综合性能，量化评估了不同组网方案的误差分布与精度优势。

      仿真结果表明，在无平滑降噪的情况下（图1a–g），GFO卫星受轨道采样特性影响，误差呈现显著的纬度依赖性（图1h），高纬度区域采样密集、误差较小，赤道及中低纬度区域采样稀疏、噪声突出，南北条带误差特征明显。相较于单一GFO卫星，各类GFO+MIO子星座组合均可实现观测性能全方位提升，其中，GFO+MIO组合方案可在中低纬度提升至与Bender星座持平的高精度水平。

      为进一步验证MIO星座的实际应用价值，团队分别针对水文信号监测与固体地球物理探测两大应用场景开展仿真验证。如图2所示，在水文信号监测场景中，采用300 km高斯平滑处理压制条带噪声后，单一GFO卫星数据仍无法还原信号的基本空间分布特征；而GFO+MIO组合方案与Bender星座反演结果高度一致，能够精准揭示真实模型的信号空间分布规律，水文监测精度大幅提升。

      在固体地球强信号探测场景中，以苏门答腊大地震的重力响应信号监测为研究案例，采用100 km高斯平滑进行降噪处理。如图3所示，面对强震引发的重力异常信号，GFO+MIO组合方案可准确捕捉地震重力信号的空间分布与强度特征，探测效果与Bender星座基本一致，充分验证了MIO星链在重大地球物理事件监测中的应用潜力。

图1. GFO、GFO+MIO-A、GFO+MIO-B、GFO+MIO-C、GFO+MIO-D、GFO+MIO及Bender星座反演的七天重力场误差空间分布（a-g）及误差均方根与纬度的关联（h）。

图2. 七天解（300 km高斯平滑）与真实模型（无平滑）对应的南美洲、非洲、大洋洲及东亚地区质量变化空间分布。

图3. 七天解（100 km高斯平滑）与真实模型（无平滑）在苏门答腊地震区对应的重力异常图（a-d）及其对应的剖面图（e-f）。

研究展望

      系列仿真研究表明，基于80颗多倾角（70°~85°）高低跟踪低轨小卫星构建的MIO重力星链，可与现有GFO卫星系统高效协同组网，实现高精度、高稳定性的全球时变重力场监测。在水文动态监测、固体地球物理探测等核心应用场景中，GFO+MIO组合方案可达到传统高成本Bender星座的同等观测性能，具备技术替代性与应用优势。

      相较于传统高精度重力卫星动辄4.3亿美元的研制成本及其单星失效即导致整体任务瘫痪的风险，MIO星座依托成熟的高低跟踪技术，搭载低成本小卫星平台，具备批量量产、成本可控、系统鲁棒性强、组网灵活的核心优势，契合新一代卫星重力观测体系低成本、高可靠和高分辨率的发展趋势。

      未来，团队将持续优化MIO星座轨道倾角、卫星数量与组网构型等核心参数，进一步提升星座观测效能与适配性。同时将依托在轨真实小卫星数据开展实证验证，论证分布式小卫星重力测量系统的工程可行性，打造下一代高分辨率、高可靠性和低成本的全球时变重力场监测新方案。

成果发表与项目资助

      该研究成果近期正式发表于期刊《IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing》，题为“A Multiple Inclination Orbit Constellation With High-Low Satellite-to-Satellite Tracking for Weekly Gravity Field Recovery”。中山大学遥感科学与技术学院重力遥感与导航团队简光煜博士为论文第一作者，钟敏教授、冯伟教授为共同通讯作者，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院王长青副研究员、朱紫彤博士等为主要合作作者。

      本研究得到国家自然科学基金（42574069、42174103、42061134010）、国家重点研发计划项目（2022YFC2204601）及国际空间科学研究所（ISSI）的联合资助。