Программа GОCE и перспективы

Спутниковой градиентометрии

Среди разрабатываемых в настоящее время космических программ, предусматривающих выполнение на околоземной орбите бортовых измерений вторых производных гравитационного потенциала, наиболее близкой к осуществлению является программа Европейского Космического Агентства (ESA) GOCE, предусматривающая запуск специального ИСЗ в первой половине 2006 года.

Главная цель проекта состоит в построении высокоточной модели гравитационного поля Земли и фигуры геоида высокого разрешения. В результате реализации программы предполагается определение превышений геоида для модели с разрешением подробностей его фигуры (длиной полуволны) от 100 км с ошибкой не превышающей 1-2 см. Такая модель послужит уточнению представлений исследователей о внутреннем строении Земли и динамических процессах, происходящих в ее коре и внешней мантии, в частности, о движении литосферных плит. В сочетании с имеющимися данными спутниковой альтиметрии высокоточная модель геопотенциала расширит понимание процессов глобальной циркуляции вод Мирового Океана и связанных с ней изменениями климата.

Искусственный спутник Земли GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) массой около 1000 кг должен быть выведен на сверхнизкую почти круговую солнечно-синхронную орбиту с примерными значениями наклонения , эксцентриситета , и высоты над поверхностью Земли км.

Комплекс бортовой аппаратуры предположительно будет включать:

· систему компенсации негравитационного сноса (атмосферного торможения);

· двухчастотный 24-х канальный комбинированный GPS/ГЛОНАСС приемник, обеспечивающий высокоточное позиционирование спутника с ошибкой порядка 1-2 см;

·
звездный видеоприбор для контроля ориентации главных осей искусственного спутника;

· прецизионный бортовой градиентометр для измерения вторых производных геопотенциала с ошибкой 10 (-3) Этвеш.

В процессе подготовки космической программы рассматривались два варианта конструкции градиентометра: индуктивный (сверхпроводящий) и емкостной. По ряду технических причин в качестве реализуемого варианта был выбран емкостной градиентометр, состоящий из трех высокочувствительных акселерометров (см. рис. 2б). Каждый из этих акселерометров представляет собой пару пробных масс, располагающихся на близком расстоянии (около 0.5 м) симметрично относительно центра масс ИСЗ вдоль одной из трех взаимно перпендикулярных главных осей летательного аппарата (так называемая «конфигурация алмазного кристалла»).

В ходе эксперимента планируется измерять относительные ускорения каждой пары пробных масс, что позволит определять лишь диагональные элементы тензора (1) вторых производных гравитационного потенциала.

Принципиально важной составляющей проекта является непрерывная (каждые 10 секунд) высокоточная привязка спутника GOCE к ИСЗ созвездий космических навигационно-геодезических систем GPS и ГЛОНАСС, одновременно решающая две задачи. Во-первых, обеспечивается высокоточная пространственная привязка каждого градиентометрического измерения, что позволяет в уравнениях поправок (33) принимать . Во-вторых, прямоугольные координаты спутника GOCE рассматриваются как псевдоизмерения, выполненные методом межспутникового слежения по схеме «высокий-низкий» (HL-SST) в системе высокоорбитальных ИСЗ систем GPS или ГЛОНАСС и низкоорбитального спутника GOCE. Такого рода псевдоизмерения обладают высокой информативностью с точки зрения оценивания низкочастотной компоненты модели гравитационного потенциала Земли и потому обрабатываются далее совместно с данными градиентометрических измерений.

Ожидаемое время существования спутника GOCE на рабочей орбите – около двух лет, при этом период активных измерений включает два сеанса по 6 месяцев, разделенных периодом гибернации длительностью около 5 месяцев.

Обработка результатов космического эксперимента, как уже указывалось в работе [1], может быть выполнена либо в рамках пространственного (space-wise), либо в рамках временного (time-wise) подходов. Напомним, что пространственный SW-подход предполагает обработку предварительно отнесенных к узлам регулярной пространственной сетки измерений в системе координат, жестко связанной с телом вращающейся Земли. Идеология временного TW-подхода основывается на представлении массива измерений в виде дискретных временных рядов, в силу чего моменты измерений соотносятся с точками орбитальной системы координат. Понятно, что аналитический вид уравнений наблюдений и уравнений поправок будет определяться выбранным способом обработки. В то же время, независимо от него мы можем в конечном итоге записать систему уравнений поправок в виде:

(51)

где – вектор свободных членов уравнений поправок, а – вектор искомых неизвестных параметров модели геопотенциала. Оценка неизвестных выполняется по методу наименьших квадратов:

(52)

где – весовая матрица, как обычно формируемая, исходя из ошибок измерений и наших представлений об их корреляции друг с другом.

Начиная разговор о перспективах развития метода спутниковой градиентометрии необходимо указать на его неразрывную связь с методом межспутникового слежения. В самом деле, орбитальную конфигурацию из двух ИСЗ всегда возможно рассматривать как гигантский однокомпонентный градиентометр, с базой, равной расстоянию между спутниками, играющими роль пробных гравиметрических масс. На языке математики это обстоятельство может быть записано, исходя из формулы (10) пособия [1]:

(53)

где - межспутниковое расстояние (дальность);

- скорость изменения межспутниковой дальности;

- орт направления ;

- вектор относительной линейной скорости спутников;

- вектор относительного ускорения спутников.

Левая часть формулы (53) представляет собой градиент силы притяжения вдоль прямой , а тензор вторых производных относится к средней точке этой прямой. Заметим также, что выражение (53) справедливо для произвольного расположения искусственных спутников в пространстве.

В будущем, с целью повышения пространственного и временного разрешения, а также точности моделей гравитационного поля, целесообразно выполнение межспутниковых измерений в системе (группировке) нескольких близких спутников, обращающихся вокруг некоего общего центра, который, в свою очередь, обращается по круговой геоцентрической орбите. Напомним, что в этом случае относительное движение близких спутников описывается системами уравнений (30) и (31), приведенными нами в уже цитировавшемся выше пособии [1].

Завершая обсуждение проблемы применения новых дифференциальных спутниковых методов динамической космической геодезии, необходимо подчеркнуть, что только методы измерений в спутниковых системах с изменяемой геометрией расположения элементов в состоянии обеспечить прецизионную точность оценивания искомых параметров модели геопотенциала, а также ее высокое пространственное и временное разрешение, доставляющее необходимую информацию для мониторинга геодинамических процессов. Заметим также, что дифференциальные спутниковые методы обладают универсальными свойствами, обеспечивающими эффективность их применения для исследования Луны и других тел Солнечной системы.