引力场绘制仪。航天器利用激光干涉测量它们相互的分离情况，绘制了地球引力场的微小变化
（图片来源：NASA VTAD/NASA Visible Earth/UF S. Barke/AEI）
检测地球引力场中，通过洋流或冰川运动等由质量大幅变动所引起的微小引力变化来监测地球物理变化过程是一种有利的办法。目前，一项太空任务展现了一个以前所未有的精度进行此项测量的技术，利用激光束干涉探测两颗轨道卫星之间的距离变化。这项技术不仅对卫星科学，而且对探测宇宙中剧烈的天体事件产生的引力波也有价值。
利用激光干涉测量距离的方法曾有过一次展现，2015年发射的LISA Pathfinder（激光干涉仪空间天线探路者）任务中被视为天基探测引力波技术的原理证明。但该方法只在40cm内测试过。目前，计划于21世纪30年代建成的成熟的引力波观测站Lisa（激光干涉仪空间天线）将在相隔250万公里的三个航天器之间进行干涉距离测量。
新的测量来自GRACE Follow-On，是GRACE（引力恢复和气候实验）的后继任务，该任务从2002年到2017年，由美国宇航局（NASA）和德国宇航中心（DLR）管理。GRACE包含两个位于地球上空450公里轨道上的航天器。它们相距大约200公里，通过反射微波来跟踪它们的分离情况，同时利用全球定位系统精确监控其运行轨道。每当卫星经过一个引力稍强或稍弱的地球区域时，分离的航天器会经历晃动。
为了说明引力绘图技术，请想象一个最简单的例子，当GRACE Follow-On的航天器遇到一座孤耸的大山。当航天器经过山顶时，航天器会被额外的引力向下拉一点，这将导致两颗航天器之间的分离距离增加和减少。
（图片来源：D. Schütze and G. Heinzel/AEI Hannover）
2018年，美国宇航局和几个德国机构共同发射了GRACE的后续任务，其中包括两台更加灵敏的测距仪，仪器不是基于微波而是基于激光束。这种测量原理在地球上得到了很好了测验，但要让它们在太空中运作是一个重大挑战。激光的频率必须要保持一致。研究人员要纠正非重力引起的测量距离的变化，例如，航天器受到的稀薄的大气阻力。他们还需要滤除激光工作时产生的数据噪声。
激光束的方向需要时刻调整，使其保持在目标上。一位来自汉诺威（Hannover）马克思普朗克引力物理研究所的项目领军人Gerhard Heinzel说：“如果我们没有激光束连续追踪控制机制，那么每个航天器的随机抖动幅度足以使光束完全错过另一个航天器。”他说,“对于两个相距200公里的航天器，追踪光束将激光锁定在一个移动不超过一米的区域中。”来自帕萨迪纳加州理工学院（the California Institute of Technology in Pasadena）的美国项目领军人Kirk McKenzie说，“即使在条件优良的实验室环境下建立能保持这种精度和稳定性的光学系统都是一个挑战，更不用说在通过猛烈发射进入太空和空气与地球引力向真空和零重力的过渡环境中。”
GRACE后续任务产生的第一个结果证明设备有能力进行高精度测距。航天器在相距220公里，该系统能够探测到仅仅200皮米的变化，相当于一个原子的大小，每秒一次，持续数秒。
Heinzel说：“激光链路在地球上数百个轨道上保持着不间断无干扰运作，伴随着航天器相互追逐，以25000多公里每小时的速度从一个极点到另一个极点。”多亏了这个结果，他说“下一代地球引力测定任务很可能使用激光测距。”
来自德国汉诺威大学大地测量研究所（Institute of Geodesy at the University of Hannover）的Jakob Flury说：“测距设备的可靠性对于“地球观测”是非常重要的。”高精度的激光干涉测距对于监控由冰川融化，干旱和洪水以及构造变化等过程导致地球引力及质量大规模变化可能有很大帮助。
苏格兰格拉斯哥大学（University of Glasgow）研究空间干涉探测的Christian Killow说：“随着数据收集的不断进行，我相信这项工作将带来新的物理学和新的科学知识。”“我们不应低估实现这一目标所需的技能和奉献精神。”
这项研究发表在《物理评论快报》上。
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