Программы межспутниковых измерений

CHAMP и GRACE

Как уже указывалось выше, для построения детальных многопараметрических моделей потенциала высокого разрешения необходимо использование дифференциальных методов измерений в системах с изменяемой геометрией расположения элементов. Интерес к указанным методам обусловлен их высокой точностью и возможностями оперативного разрешения подробностей поля в широком диапазоне частот.

Рассмотрим две реализуемые в настоящее время космические программы, предусматривающие выполнение прецизионных дифференциальных межспутниковых измерений в интересах определения параметров внешнего гравитационного поля Земли и его изменений с течением времени.

Старт первой программы такого рода был дан запуском 15 июля 2000 года с космодрома Плесецк на близполярную круговую орбиту с номинальной высотой 400 км ИСЗ нового поколения CHAMP (CHAllenging Mini-satellite Payload for geophysical research and application).

Основные цели этого западноевропейского (GFZ-Потсдам, Германия) проекта заключаются

а) в определении параметров гравитационного поля Земли в области низких и средних частот и изменения этих параметров со временем,

б) в определении параметров глобального магнитного поля Земли и изменения этих параметров со временем.

Останавливаясь далее лишь на гравиметрической составляющей программы, перечислим виды выполняемых измерений:

1. Координаты ИСЗ и псевдодальности, измеряемые бортовыми 24-х канальными двухчастотными GPS-приемниками между высокими ИСЗ созвездия GPS (высота около 19 000 км) и низким ИСЗ CHAMP. Массив высокоточных координат ИСЗ CHAMP, отнесенных к конкретным моментам времени, служит основным источником информации о гравитационном поле Земли. Описанная схема измерений представляет собой вариант межспутникового слежения в системе разновысоких спутников (HL SST).

2. Измеряемые трехкомпонентным акселерометром составляющие вектора ускорения ИСЗ CHAMP, позволяющие оценить (и по возможности исключить) влияние возмущений негравитационной природы (в первую очередь, сопротивления атмосферы Земли).

3. Измеряемые звездным видеоприбором углы ориентации осей антенн бортовых GPS-приемников относительно звезд.

Кроме того, осуществляется бортовая альтиметрия поверхности Мирового океана и наземная лазерная локация спутника. Ресурс ИСЗ CHAMP рассчитан на пять лет работы, в результате которой полуволны геоида с простиранием от 500 км и более предполагается определить с ошибкой не хуже 1-2 см.

Продолжением и развитием исследований, начатых миссией CHAMP, стала реализация совместного германо-американского проекта GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment), в рамках которой 17 марта 2002 года также с космодрома Плесецк были запущены два спутника типа CHAMP. Запуск их осуществлен на близкие почти круговые близполярные ( i = 89˚ ) орбиты с номинальной высотой 485 км, при этом расстояние между спутниками изменяется в пределах от 170 до 270 км.

Каждый из этих спутников оснащен следующей бортовой аппаратурой:

· Двухчастотным (24.5 Ггц и 32.7 Ггц) радиодальномером, характеризуемого ошибкой единичного измерения дальности 10 микрон. Дифференцирование массива дальностей по времени позволяет определять относительную лучевую скорость объектов с ошибкой 0.1 микрона в секунду;

· 24-х канальным двухчастотным GPS-приемником класса “Blackjack”;

· Высокоточным 3-х компонентным акселерометром;

· Звездной видеокамерой, позволяющей определять ориентацию основных осей спутника среди звезд с ошибкой не хуже 10 дуговых секунд;

Программа GRACE, ориентированная на детальные исследования гравитационного поля Земли и его изменений во времени, предусматривает выполнение:

1. Бортовых межспутниковых измерений относительных дальностей и лучевых скоростей в системе двух низких ИСЗ GRACE, находящихся на расстояниях порядка 220 ± 50 км.

2. Высокоточного абсолютного и относительного позиционирования элементов системы GRACE посредством привязки к ИСЗ созвездия GPS.

3. Измерений компонент вектора ускорения и углов ориентации среди звезд основных осей каждого из летательных аппаратов.

Легко видеть, что в описанном проекте реализуется комбинация двух вариантов межспутникового слежения (LL SST + HL SST) как между низкими, так и низкими и высокими ИСЗ. Полученные результаты будут использованы для оперативного (каждые 30 дней) определения параметров геопотенциала в среднем и высоком диапазонах частот. Ожидаемая ошибка разрешения полуволн геоида с простиранием от 200 до 500 км - 1-2 см.

Весьма важно, что в каждом из рассмотренных проектов ключевую роль играет высокоточное позиционирование гравиметрического ИСЗ посредством привязки к созвездию спутников системы GPS. Ранее нами было отмечено, что применение дифференциальных спутниковых методов предъявляет достаточно строгие требования к точности положений элементов спутниковой системы. В частности, измерения межспутниковых расстояний с ошибкой 10 мкм и относительных лучевых скоростей с ошибкой 0.1 мкм/сек требуют точности позиционирования спутников с ошибкой не более нескольких сантиметров, недостижимой при использовании традиционных способов космической навигации. Получаемые в реальном времени расхождения результатов GPS-привязки ИСЗ GRACE с данными наземной лазерной локации составляют 2-3 см, что свидетельствует об эффективности применения спутниковых навигационно-геодезических систем для высокоточного позиционирования КА.

Таким образом, система GPS, представляющая собой одно из важнейших технических достижений конца прошлого столетия, в наши дни оказывается непосредственно интегрированной не только в навигацию и геодезию, но и в гравиметрию, геофизику и другие науки о Земле.

Завершая первую часть пособия, подчеркнем, что реализуемые в настоящее время программы CHAMP и GRACE подтверждают обоснованность надежд специалистов на высокую точность, информативность и качество данных бортовых межспутниковых измерений, а результаты определения многопараметрических моделей геопотенциала, приуроченных к конкретной эпохе, позволяют говорить о выходе динамической космической геодезии на качественно новый геодинамический этап своего развития.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Аппазов Р.Ф., Сытин О.Г. Методы проектирования траекторий носителей и спутников Земли. – М., Наука, 1987, 440 с.

2. http://www.gfz-potsdam.de