本世纪初卫星跟踪卫星(SST)和卫星重力梯度(SGG)等新一代卫星重力探测技术的快速发展昭示着人类进入到一个全新的卫星重力探测时代,尤其是CHAMP、GRACE及GOCE卫星的成功发射,极大地鼓舞了国内外众多研究机构对下一代重力卫星任务实施的信心。目前,CHAMP和GOCE卫星任务均已完成其重力场探测的使命,GRACE卫星任务也早已超期服役。因此,寻求新型高效、高精度的下一代卫星重力任务是当前国内外众多专家学者研究的热点问题。本文在此背景下针对下一代重力卫星串联编队(GRACE-type)的参数指标设计展开系统研究,并对几种卫星编队和卫星星座探测地球重力场的能力进行仿真分析,主要的研究工作和成果包括:(1)综合分析了不同的参考重力场模型对重力卫星轨道仿真及星间观测值的影响,结果表明参考模型应尽量选择最新、精度最高的重力场模型;(2)在低-低卫星跟踪卫星(SST-11)模式下,基于双星能量守恒原理,建立了两颗低-低卫星跟踪卫星的扰动位差与地球重力场位系数的严密数学模型,系统地分析了重力卫星轨道参数对重力场反演精度的影响。结果表明:轨道高度的选择应充分考虑大气阻力和衰减因子的影响,尽量选择具有长重复周期的轨道高度,同时考虑到轨道高度对卫星寿命的影响,轨道高度指标设在300～350km之间比较适宜,而轨道倾角的选择最好以卫星长重复周期和减少极空白的影响为依据,选择近极轨的轨道倾角;(3)在轨道基本参数确定的前提下分析了不同的星间距离对地球重力场反演的影响。结果表明:大的星间距离有利于提高恢复重力场低阶项的精度,但随着卫星间距增大,在高阶项,其对重力场精度的提升作用并不明显。此外,星间距离较大时其权函数值波动变化较大,不利于恢复高阶项的重力场。结合未来卫星重力任务的科学目标是要获得具有更高空间分辨率的重力场,因此星间距离应设在100km左右比较适宜;(4)针对不同的轨道误差和星间距离变率误差对重力场反演精度的影响进行了分析。实验结果显示:在只利用轨道数据解算重力场时,提高定轨精度后其恢复的重力场在中长波部分精度有很大的提高。当加入星间距离变率数据后,恢复的地球重力场精度主要依赖于星间距离变率的精度,且随着星间距离变率精度的提高,恢复的重力场精度都是成量级的变化。结合目前的定轨水平,对于下一代GRACE类型重力卫星任务而言,其定轨精度指标应设在1～3cm左右,而星间距离变率精度指标应设在10-8m/s左右;(5)研究了由两组GRACE类型的串联编队卫星构成的两种卫星星座模式:不同平近点角(△M)的卫星星座、不同升交点赤经(△Ω)的卫星星座,设计了 4种仿真方案进行对比分析。结果表明,采用卫星星座模式代替传统的单一卫星编队模式可以在较短的任务周期里获得经过长时间卫星观测解算的同等精度的重力场模型,这样能有效提高重力卫星任务的时空分辨率。