近日，华中科技大学国家精密重力测量科学中心团队首次针对Bender型编队中的倾斜轨道卫星，开展了探测其观测区域外质量信号的研究。该研究首先基于数值法和解析法评估了星间距变率与加速度的探测能力，确认星间距变率为更优观测量；在此基础上，基于星间距变率分析了不同轨道倾角条件下卫星对质量信号的探测能力，最终表明了独立倾斜轨道卫星仍具备探测区外质量信号的能力。相关研究成果已发表于空间科学领域国际主流期刊《Advances in Space Research》。
1、研究背景
基于GRACE系列卫星观测数据的时变重力场模型存在着严重的南北条带噪声，这主要受限于星载仪器噪声、背景力模型误差以及星下点覆盖不足引起的混叠误差。为克服这些限制，研究学者从改进重力场解算方法、探索新型编队等方面进行深入研究，力图提高时变重力场模型的精度水平。在众多新型编队中，由极轨卫星与倾斜轨道卫星（以下称为倾轨卫星）组成的Bender型编队，已被确立为下一代重力卫星任务（如MAGIC与天琴二号重力卫星计划）的编队构型。在此背景下，前期研究验证了倾轨卫星在其覆盖区域内的观测可行性，但针对倾轨卫星对观测范围外（|纬度| > 卫星轨道倾角i）的质量信号探测能力，以及星间距变率与加速度两种在轨观测量在星载仪器噪声影响下的相对探测效能，仍缺乏系统性的比较评估。
2、研究内容
本研究系统评估了倾轨卫星在地球重力场监测中对区外质量信号的探测能力。通过解析建模与数值模拟，在时频域内比较分析了星间距变率和加速度测量值的抗噪能力，结果表明星间距变率在高频仪器噪声影响下具备更强的质量探测能力。研究采用信噪比作为定量指标，在仪器噪声影响下评估了以规则区块质量信号（包含等效水高、空间大小以及地理位置等参数）的探测阈值。针对下一代重力卫星任务相关的两种倾角——70°（全球尺度监测）和56°（中国区域增强）进行了相关研究。
数值模拟中，质量信号设置为3°×3°或5°×5°的区块，等效水高范围为20–100 cm，分布于多个纬度带。通过生成含有观测噪声的星间距变率数据，计算信噪比以量化卫星的探测能力。结果表明：56°倾角构型对3°×3°（等效水高100 cm）的质量信号可探测至65°纬度，对5°×5°（等效水高100 cm）可探测至70°纬度。受地球扁率引起的几何畸变约束，当相同空间大小的质量信号偏离卫星观测边界的纬度间隔相同时（如6°），70°倾角构型所需的等效水高阈值高于56°倾角构型。在偏离6°的情况下，前者信噪比约为1，后者信噪比约为2。当质量信号（3°×3°，100 cm）位于（63°N，107°E）时，两种轨道在其观测边界处测得的信噪比同为1.55。此外，探测能力与测量仪器的噪声水平及质量信号量级高度相关：质量信号越强或卫星与信号间距离越近，可探测的质量信号越显著。值得注意的是，该模拟工作并未考虑背景力模型误差、混叠误差等，但为量化倾轨卫星区外质量信号的探测能力建立了基本理论框架。
图 1 不同轨道倾角及质量信号下的星间距变率信噪比
3、研究总结
本研究通过基于信噪比的分析，评估了倾轨卫星观测区域外质量信号的探测能力。关键发现包括：（1）倾斜轨道不仅能够获取观测区域内的信号，还具备对区外质量信号的探测能力；（2）星间距变率在高频仪器噪声污染下相比星间距加速度具有更优越的探测性能；（3）探测可行性对仪器噪声特性和质量信号强度具有强依赖性，质量信号不足时难以与高频仪器噪声区分。实际探测性能需在Bender型下一代重力卫星任务发射后通过实际星间测距数据验证。尽管采用了简化的物理假设，但研究结果描绘了倾斜轨道构型在全球质量信号监测中可实现的最高科学效用，为下一代重力卫星任务中独立倾斜轨道编队与Bender型编队的观测价值评估及轨道设计优化提供了关键见解。
华中科技大学国家精密重力测量科学中21级博士生卿田田为论文第一作者，华中科技大学国家精密重力测量科学中心周浩教授为论文通讯作者。研究工作获得国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助以及国家精密重力测量科学中心的支持。
Qing, T. et al. (2026), “Detecting extralateral mass variations using inclined satellite pair configuration” in Advances in Space Research. https://doi.org/10.1016/j.asr.2026.03.064
