ＧＲＡＣＥ（Ｇｒａｖｉｔｙ　Ｒｅｃｏｖｅｒｙ　Ａｎｄ　Ｃｌｉｍａｔｅ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ）卫星是由美国国家航空航天局（ＮＡＳＡ）和德国航空太空中心（ＤＬＲ）联合研究和发射的“重力场重建与气候实验”卫星，主要科学目标是提供高精度和高空间分辨率的静态及时变地球重力场（Ｔａｐｌｅｙ　ｅｔ　ａｌ．２００４）．ＧＲＡＣＥ由两颗近圆形极轨卫星组成，在相同的轨道上前后跟飞，轨道倾角为８９°，初始高度约５００ｋｍ，卫星之间的距离约为１８０～２２０ｋｍ，于２００２年３月１７日发射升空，设计寿命为５年，实际已经运行了１２年多，至今还在运行．为了进行高精度重力场测算，ＧＲＡＣＥ星座装载有两星之间微波测距系统（ＫＢＲ，Ｋ　ＢａｎｄＲａｎｇｉｎｇ）和星载ＧＰＳ双频接收机．微波测距数据中含有电离层的影响，电离层引起的载波相位超前所导致的测距误差需要消除；在消除电离层影响获取星间真实距离过程中，可提供电波传播路径上与积分电子密度有关的电离层修正量．本文介绍如何利用ＧＲＡＣＥ两颗卫星之间Ｋ 波段载波相位测量和轨道数据，得到星间积分电子密度（ＴＥＣ，ＴｏｔａｌＥｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｏｎｔｅｎｔ）和平均电子密度，并借助ＣＨＡＭＰ卫星的朗缪探针当地测量与ＧＰＳ掩星遥测得到的电子密度与等离子体垂直梯度标高（ＶＳＨ，ＶｅｒｔｉｃａｌＳｃａｌｅ　Ｈｅｉｇｈｔ）数据，消除所得平均电子密度固有的偏差．最后，通过与非相干散射雷达数据进行对比，以及从不同的时空变化角度，利用ＣＨＡＭＰ当地测量数据，对所得多年的ＧＲＡＣＥ－Ａ／Ｂ星间平均电子密度数据进行对比验证，证明其可靠性和可用价值．

  ＧＲＡＣＥ两颗卫星间的测距主要由星载精密微波测距系统（ＫＢＲ）和双频ＧＰＳ接收机来完成（Ｔｈｏｍａｓ，１９９９；Ｋｉｍ，２０００），测距精度可达１０微米．该系统是一个双向双频单程微波测距系统，每颗卫星都装载有发射和接收Ｋ波段（２４ＧＨｚ）和Ｋａ波段（３２ＧＨｚ）微波信号的喇叭形天线，两颗卫星上的天线互成镜像，接收对方发射的Ｋ／Ｋａ波段双频微波信号，同时向另一颗卫星发射双频正弦型连续微波信号；有超稳振荡器（ＵＳＯ）提供高精度基准频率．为了区分相同频段的微波信号，其中一颗卫星相对另一颗卫星所发射的Ｋ／Ｋａ波段信号的中心频率都偏移０．５ＭＨｚ，即为２４／３２ＧＨｚ＋０．５ＭＨｚ．每个卫星接收到的信号经下变频混频后，通过ＧＰＳ黑杰克（Ｂｌａｃｋｊａｃｋ）接收机的专用ＤＳＰ通道反向旋转该变频信号相位，利用锁相环路跟踪和提取载波相位信息，以１０Ｈｚ的采样速率输出相位数据。

  本文通过恰当处理ＧＲＡＣＥ－Ａ／Ｂ两颗卫星Ｋ／Ｋａ波段双频测距提供的电离层修正量和卫星轨道数据，计算得到了两颗卫星之间的平均电子密度；利用轨道电子密度极小值对应的星间电子总含量值远小于Ｋ／Ｋａ波段相位测量的一个整周模糊度所对应的电子总含量这一特点，采用连续测量轨道电子密度极小值零对齐方法，消除了整周模糊度；并借助ＣＨＡＭＰ卫星朗缪探针的电子密度当地测量和ＧＰＳ掩星测量提供的电离层等离子体垂直梯度标高，大致消除了相位测量技术局限性所固有的未知偏差；从而得到长达十年之久的约５００ｋｍ 高度上电离层电子密度数据．为了检验消除偏差后ＧＲＡＣＥ星间电子密度数据的可靠性，对比了ＧＲＡＣＥ卫星观测的电子密度与卫星过Ｍｉｌｌｓｔｏｎｅ　Ｈｉｌｌ上空附近时，非相干散射雷达观测到的大致同时和相近位置的电子密度数据，对比结果显示ＧＲＡＣＥ卫星观测的电子密度相对于非相干散射雷达观测的电子密度的偏差平均为－７．２６％，偏差的标准差为１８．６２％，证明了本文所得ＧＲＡＣＥ星间电子密度数据基本可信．为了进一步验证数据的可用价值，我们利用消除偏差后的电子密度数据，对ＧＲＡＣＥ卫星与ＣＨＡＭＰ卫星在近乎相同的地方时而高度不同的近圆极轨道上飞行的情况下，两颗卫星观测到的电子密度随经度和纬度的全球分布进行了对比；对比分析表明，两颗卫星高度上电子密度的全球分布特征极为相似，所显示的电子密度大小的高度差异合理．从多种不同角度进行的对比检验，证明了本文方法得到的几乎连续１０年的约５００ｋｍ 高度上全球电子密度数据基本可靠，为电离层气候学与天气学研究提供了宝贵资料．

  应该指出，在修正测量偏差过程中，我们采用了电子密度随高度分布呈指数衰减的近似，且使用了固定的等离子体垂直梯度标高，这将会在利用ＣＨＡＭＰ卫星高度电子密度和等离子垂直梯度标高来确定ＧＲＡＣＥ卫星高度上的电子密度基值的过程中产生误差，特别是对于存在较强扰动时，有可能垂直梯度标高增大（或减小）而导致计算所得到的ＧＲＡＣＥ卫星高度上电子密度值偏小（或偏大）．在以后的工作中将进一步细致分析轨道电子密度基值以及垂直梯度标高随太阳活动水平、季节、地方时等变化的规律，以给出更为精准的修正．另一方面，本文利用非相干散射雷达数据来检验轨道极小值修正方法的效果，实际上也可以直接使用雷达观测数据来校准ＧＲＡＣＥ卫星星间有偏电子密度，这方面的工作及其与本文方法的比较将另文介绍．

   感谢德国地学研究中心提供ＣＨＡＭＰ 和ＧＲＡＣＥ卫星数据，感谢Ｈｅｒｍａｎｎ　Ｌｕｅｈｒ教授的帮助．本文所用的Ｍｉｌｌｓｔｏｎｅ　Ｈｉｌｌ台站非相干散射雷达数据，来自于ＭＩＴ　Ｈａｙｓｔａｃｋ　Ｏｂｓｅｒｖａｔｏｒｙ　Ｍａｄｒｉｇａｌ数据库；感谢Ｄｒ．Ｓｈｕｎｒｏｎｇ　Ｚｈａｎｇ（Ｍｉｌｌｓｔｏｎｅ　Ｈｉｌｌ）提供使用数据方面的协助；Ｍｉｌｌｓｔｏｎｅ　Ｈｉｌｌ非相干散射雷达系由美国国家科学基金和ＭＩＴ之间的合作项目所支持．