卫星跟踪卫星技术（satellite-satellite tracking technology）是指通过一颗或若干颗卫星对另一颗卫星进行跟踪，测量卫星之间的相对位置以进行重力场探测的技术。卫星跟踪卫星技术包括两种技术模式，一种是高-低模式，即由若干颗高轨同步卫星跟踪低轨卫星的轨道摄动来确定扰动重力场；另一种是低-低模式，即通过测定在同一低地轨道上两颗卫星(相距约200 km)之间的相对速率变化来确定地球重力场。卫星跟踪卫星技术被认为是21世纪初最有价值和应用前景的高效重力探测技术之一，其主要科学目的包括：(1)测定地球重力场的精细结构及长波重力场随时间的变化；(2)以全球尺度精密测定磁场；(3)全球大气层及电离层探测。这一技术的实施对现代地球科学在研究地球岩石圈、水圈和大气圈及其相互作用领域具有重大贡献。该技术已成为当今物理大地测量研究的前沿和热点。
卫星跟踪卫星技术发展背景与概况
21世纪初现代地球科学的中心任务是致力于把地球作为一个整体而又复杂的静态和动态系统来研究，该系统主要由岩石圈(固体)、水圈(液体)和大气圈(气体)组成，重力场、电磁场和大气层及电离层反映其最重要的物理特性，制约着在该行星上及其邻近空间所发生的一切物理事件。其中地球重力场反映地球物质的空间分布、运动和变化,确定地球重力场的精细结构及其时间相依变化不仅是现代大地测量的主要科学目标之一，而且也将为现代地球科学解决人类面临的资源、环境和灾害等紧迫课题提供重要的基础地球空间信息。
现代大地测量、地球物理、地球动力学和海洋学等相关地学学科的发展均迫切需要更加精细的地球重力场支持。其中用GPS水准测定正高要求有全波段厘米级大地水准面；研究地球深部结构则要求在几十公里到几千公里的波长范围内具有厘米级精度的大地水准面和±1mGal的重力异常；最新地球重力场模型只能以优于亚分米级的精度满足中低轨卫星定轨的要求；利用卫星测高测定的海面高来研究海面地形和海流，则要求有相应波长的厘米级海洋大地水准面；建立全球高程系统要求在50～100km的波长范围内具有优于5cm精度的大地水准面。全球大地水准面的精细度与上述要求大约还相差一个量级，确定全波段厘米级大地水准面是21世纪初物理大地测量的主要目标之一。实现这一目标首先取决于在全球范围内测定重力和探测重力场信息的技术发展水平，传统重力探测技术获取全球均匀分布的高精度重力场信息的能力受到了限制，迫切需要新的技术突破。卫星跟踪卫星技术和卫星重力梯度测量技术被认为是21世纪初最有价值和应用前景的高效重力探测技术，其主要科学目的除了测定地球重力场的精细结构及长波重力场随时间的变化以外，还包括以全球尺度精密测定电磁场和全球大气层及电离层探测。这一技术的实施无疑对现代地球科学研究地球岩石圈、水圈和大气圈及其相互作用具有重大贡献。鉴于该技术所具有的重要科学和现实意义，因而已成为当今物理大地测量研究的前沿和热点。
卫星跟踪卫星(SST)有两种技术模式，即由若干高轨同步卫星跟踪低轨卫星轨道摄动确定扰动重力场，称为高-低SST，或通过测定在同一轨道上两颗卫星(相距约200km)之间的相对速率变化所求得的引力位变化来确定位系数，称为低-低SST。高-低SST的概念最初来源于60年代初建立轨道中继系统的设想以及后来Apollo计划轨道测定的需要。 70年代中期，美国以应用技术卫星ATS-6(1974.5)作为高轨道卫星作了三次高-低SST实验,即跟踪Apollo-Soyuz(1975.7)、NIMBUS-5气象卫星和GEOS-3测地卫星(1975.3)。实验表明，利用ATS-6对Apollo(轨道高度约240km)的跟踪数据获得了南大西洋和印度洋地区精度为7mGal的5°× 5°重力异常，ATS-6对GEOS-3(轨道高度约800km)的跟踪数据也被用于改进太平洋、非洲和印度洋地区的平均重力异常。
最新研究表明，GPS卫星跟踪中、低轨卫星或低轨飞行器能显著提高重力场的精度和分辨率，例如跟踪TOPEX卫星(轨高1335km)能以0.2mGal的准确度恢复25阶次重力场；跟踪轨高160km的飞行器能以4～ 5mGal准确度恢复180阶次重力场。从本质上看，高—低SST与地面站跟踪并无很大区别，但其数据的覆盖率和分辨率有较大提高，而在高—低SST的基础上发展起来的低—低SST测定地球重力场的精度和分辨率将更高。低—低SST的理论最初是由Wolff(1969)提出来的。1978年欧洲空间局(ESA)就提出了一项称为“ SLALOM飞行”的计划。 80年代初美国又提出了一项“重力卫星飞行计划”(GRAVSAT)，后被“重力位研究飞行计划” (GRM)所代替，其目的是通过在同一个低圆极轨道上的两颗卫星约六个月的连续跟踪测量，以100km的空间分辨率、2.5mGal和7cm的精度测定全球重力场和大地水准面，后因“挑战者号”航天飞机的失事而推迟了此项计划。
经过近30年的潜心研究，卫星跟踪卫星技术已趋向成熟和实用，欧洲空间局(ESA)和美国宇航局(NASA)陆续发射具有测定地球重力场能力的卫星，如CHAMP、GRACE和GOCE。其中CHAMP是用于地球物理研究的小卫星，采用高-低SST技术模式。GRACE是"探测重力场、磁场和气象实验"的卫星探测计划，同时采用高-低SST和低-低SST技术。GOCE是所谓"重力场和静态洋流探索"的卫星探测计划，同时实施高-低SST技术和卫星重力梯度测量技术。因GRACE同时采用高—低SST和低—低SST技术，并且测定重力场的设施与CHAMP类同，因此下面就以GRACE为例着重讨论SST技术的进展情况，包括系统的组成、关键技术及主要技术参数、卫星飞行方案和主要科学任务。
卫星跟踪卫星技术卫星跟踪卫星技术的进展
卫星跟踪卫星技术主要设施及技术参数
GRACE卫星上装备的主要仪器设备包括:
(2)加速度计(ACC)用于测定大气阻力和太阳辐射压等引起的非引力加速度，其设计采用静电悬浮加速度测量原理。用于CHAMP计划的加速度计(STAR)的预期精度为1× 10ms，有效频率范围为2× 10 Hz至0.1Hz,测量范围为10ms。由于GRACE卫星的低振荡设计和温度的高稳定度，用于GRACE计划的加速度计(SuperSTAR ACC)的测量范围可望达到5× 10ms，加上其它的改进措施，其精度可达到10ms。
(3)星载GPS接收机(GPS)由JPL提供的星载GPS接收机(TurboRogue)用于精密卫星定轨(精度为厘米级)、卫星姿态和轨道控制系统(AOCS)的实时粗定位(精度优于50m)、有效载荷数据的时间标记和大气层及电离层的剖面测量。
(4)激光回复反射器(LRR: Laser Retro-Re-flector)，GRACE计划采用与CHAMP计划相同的LRR，用于反射由地面激光跟踪站发射的可见短激光脉冲，从而可以1～ 2cm的精度直接测定地面激光跟踪站至LRR的距离。LRR数据主要用于：
①精密轨道确定，并联合GPS跟踪数据恢复地球重力场；
②星载GPS接收机的校准；
③技术实验，如双色测距(two-colour ranging)。
(5)恒星照相机组(SCA: Star Camera Assembly)，GRACE和CHAMP采用同样的SCA技术，在卫星姿态和轨道控制系统(AOCS)中用于卫星的精密定向和ACC观测值的正确解释，测定卫星姿态的精度优于0.3mrad，目标为0.1mrad。
(6)粗约的地球和太阳传感器(CES: CoarseEarth and Sun Sensor)，GRACE的卫星姿态和轨道控制系统利用CES获取初始数据和安全模式，而CES提供的定向精度为：卫星Z轴(指向天顶)的地球定向的平均精度优于15度，卫星Y轴相对于太阳的偏航角度不大于15度。
(7)超稳定振荡器(USO: Ultra-Stable Oscillator)作为K波段测距的频率发生器，运行30天以后每天的长期稳定度优于1× 10。
(8)质量修整装配中心(CMT: Center of MassTrim Assembly),卫星的质量中心与加速度计(ACC)的检测质量中心之间的偏移量必须精确测定，同时在3个坐标轴上的测定精度必须优于50μm，而GRACE的每个卫星上装备的CMT就是用于调节该偏移量，并且在每个坐标轴上调节的步长为10μm或甚至更小，总的调节范围为± 2mm。
卫星跟踪卫星技术主要科学任务
(2)大气层和电离层剖面测量GPS微波信号从GPS卫星传播到地面站和低轨道卫星(如SST卫星)过程中均要受到电离层和中性大气层的折射影响，影响信号折射的主要参数在大气层中为自由电子的浓度、大气温度和大气压，在对流层中则为水汽含量。最新实验研究表明，星载GPS利用掩星观测技术可以获得近地至40km高空的精确水汽含量截面，用于改善数值天气预报(NWP)的结果。通过测定电离层对GPS信号的延迟，可以确定在单位体积内的总自由电子含量(TEC)，用于建立全球的电离层数学模型。根据GRACE计划的设计，利用掩星观测技术每个GRACE卫星每天可获取200个大气层和电离层截面，因此，GRACE计划(包括CHAMP和GOCE)的实现将对数值天气预报和气象监测做出重大贡献。
卫星跟踪卫星技术应用前景
综上所述，新一代卫星跟踪卫星计划(包括CHAMP、GRACE和GOCE)的实现，其主要贡献在于： (1)精密测定地球重力场的精细结构及长波重力场的时间相依变化；(2)以全球尺度精密测定电磁场；(3)测定全球大气层和电离层。这些成果将有助于现代大地测量、地球物理、地球动力学和海洋学等地学学科研究相关地学问题，无疑对现代地球科学研究地球岩石圈、水圈和大气圈及其相互作用具有重大价值。首先,高精度全球重力场可为局部或区域大地水准面的确定提供好的参考场，同时又有助于全球高程基准的建立。其次，联合卫星测高数据和更加精细的大地水准面及其它相关信息，也有助于进一步研究海平面的长期变化、海洋热流量、由地球自转而引起的海洋洋流、精密定位和卫星定轨等。重力场的时变量信息有助于更好地认识深部海洋洋流、固体地球均衡响应、冰后回弹、地幔和岩石圈密度、陆地水和雪的储量等的时变过程和规律。此外，利用GPS掩星观测数据导出的温度、总自由电子含量和水汽含量等参数对数值天气预报和气象监测具有重要价值，并可改善全球电离层模型的分辨率和精度。
