Спутниковый градиентометр: Принципы измерения гравитационного поля Земли

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе изложены принципы измерения глобального гравитационного поля Земли (ГПЗ) с помощью космического аппарата (КА), оснащенного высокоточным трехосным гравитационным градиентометром и находящегося на низкой околоземной орбите. Такой космический аппарат предназначен в первую очередь для измерения высокочастотных гармоник ГПЗ. Градиентометрические измерения не чувствительны к гармоникам ГПЗ низких степеней, поэтому для восстановления ГПЗ во всем диапазоне частот, начиная от n = 2, необходимы высокоточные измерения орбиты КА, которые выполняются бортовым высокоточным ГНСС-приемником. Рассмотрены теоретические аспекты спутниковой градиентометрии и решена задача восстановления гармоник ГПЗ на основе модельных измерений. Для вычисления “измеряемых” компонент тензора гравитационного потенциала использовалась модель ГПЗ EGM2008. Также была разработана программа численного интегрирования орбиты КА на основе этой модели, включая дополнительные силы, действующие на КА. Для восстановления ГПЗ используется прямой метод: составляется матрица условных уравнений относительно коэффициентов Стокса. Решение этой системы методом наименьших квадратов позволяет получить поправки к гармоникам априорной (исходной) модели ГПЗ, в качестве которой использована модель EGM96. Таким образом формируются гармоники восстановленного поля. Критерием качества решения служит согласие разности амплитуд гармоник восстановленной модели и модели EGM2008. На основе полученных модельных решений сделан выбор оптимальной орбиты КА для проведений градиентометрических измерений, а также получены оценки точностных характеристик основных ключевых элементов научных бортовых приборов КА.

Об авторах

В. Е. Жаров

Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга МГУ им. М.В.Ломоносова

Email: zharov@sai.msu.ru
г. Москва

А. С. Жамков

Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга МГУ им. М.В.Ломоносова

Email: zharov@sai.msu.ru
г. Москва

А. В. Логинов

Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга МГУ им. М.В.Ломоносова

Email: zharov@sai.msu.ru
г. Москва

В. Н. Семенцов

Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга МГУ им. М.В.Ломоносова

Email: zharov@sai.msu.ru
г. Москва

В. К. Милюков

Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга МГУ им. М.В.Ломоносова

Email: zharov@sai.msu.ru
г. Москва

С. В. Аюков

Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга МГУ им. М.В.Ломоносова

Email: zharov@sai.msu.ru
г. Москва

И. Ю. Власов

Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга МГУ им. М.В.Ломоносова

Email: zharov@sai.msu.ru
г. Москва

А. И. Филеткин

Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга МГУ им. М.В.Ломоносова

Email: zharov@sai.msu.ru
г. Москва

Список литературы

  1. Беликов М.В., Тайбаторов К.А. Эффективный метод вычисления производных от гравитационного потенциала Земли для решения задач динамики ИСЗ. Институт теоретической астрономии АН СССР. Препринт No 7. 1990.
  2. Дубошин Г.Н. Небесная механика. Методы теории движения искусственных небесных тел. М.: Наука. 1983.
  3. Жамков А.С., Аюков С.В., Филеткин А.И., Милюков В.К., Власов И.Ю., Семенцов В.Н., Гусев И.В., Жаров В.Е. Отечественный программный комплекс обработки информации космической геодезической системы спутник-спутник // Астрономический журнал. 2024. Т. 101. No 3. С. 271–283. doi: 10.31857/S0004629924030087
  4. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука. 1977.
  5. Милюков В.К., Филеткин А.И., Жамков А.С. Космический гравитационный градиентометр: пути повышения точности моделей гравитационного поля Земли // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2022. Т. 161. No 4. С. 596–609. doi: 10.31857/S0044451022040149
  6. Филеткин А.И., Жамков А.С., Аюков С.В., Милюков В.К. Гравитационные миссии следующего поколения: исследование возможностей мультипарных конфигураций // Астрономический журнал. 2023. Т. 100. No 11. С. 1033–1045. doi: 10.31857/S0004629923110063
  7. Яшкин С.Н. Спутниковая градиентометрия и системы спутник-спутник. Изд-во МИИГАиК. 2009. ISBN 978-5-91188-020-0
  8. Baur O., Reubelt T., Weigelt M., Roth M., Sneeuw N. GOCE orbit analysis: Long-wavelength gravity field determination using the acceleration approach // Advances in Space Research. 2012. V. 50. No 3. P. 385–396. doi: 10.1016/j.asr.2012.04.022
  9. Bruinsma S.L., Marty J., Balmino G., Biancale R., Foerste C., Abrikosov O., Neumayer H., Flechtner F. A gravity field model inferred from 6 months of GOCE data using the direct numerical method (Invited) // AGU Fall Meeting Abstracts. 2010. V. 2010. P. G33B-02.
  10. Bruinsma S.L., Förste C., Abrikosov O., Marty J.–C., Rio M.–H., Mulet S., Bonvalot S. The new ESA satellite-only gravity field model via the direct approach // Geophys. Res. Lett. 2013. V. 40. No 14. P. 3607–3612. doi: 10.1002/grl.50716
  11. Cesare S. Performance requirements and budgets for the gradiometric mission. GO-TN-Al-0027, Thales Alenia Space. 2008.
  12. Drinkwater M.R., Floberghagen R., Haagmans R., Muzi D., Popescu A. GOCE: ESA’s first earth explorer core mission / G. Beutler, M.R. Drinkwater, R. Rummel, R. Von Steiger (eds.). Earth Gravity Field from Space — From Sensors to Earth Sciences: Proceedings of an ISSI Workshop 11–15 March 2002, Bern, Switzerland. P. 419–432. Springer Netherlands, Dordrecht. 2003. ISBN 978-94-017-1333-7. doi: 10.1007/978-94-017-1333-7\s\do6(3)6
  13. Gill E.K.A., Montenbruck O. Satellite orbits: Models, methods and applications. Springer. 2013. doi: 10.1007/978-3-642-58351-3
  14. Heiskanen W.A., Moritz H. Physical Geodesy. Series of books in geology / W.H. Freeman (ed.). 1967. ISBN 9780608309231
  15. Johannessen J.A., Balmino G., Le Provost C., Rummel R., Sabadini R., Sünkel H., Tscherning C.C., Visser P., Woodworth P., Hughes C., Legrand P., Sneeuw N., Perosanz F., Aguirre–Martinez M., Rebhan H., Drinkwater M. The European Gravity Field and Steady–State Ocean Circulation Explorer Satellite Mission Its Impact on Geophysics // Surveys in Geophysics. 2003. V. 24. No 4. P. 339–386. doi: 10.1023/B:GEOP.0000004264.04667.5e
  16. Koch K.–R., Kusche J. Regularization of geopotential determination from satellite data by variance components // Journal of Geodesy. 2002. V. 76. P. 259–268. doi: 10.1007/s00190-002-0245-x
  17. Lemoine F., Kenyon S.C., Factor J., Trimmer R., Pavlis N., Chinn D., Cox C., Klosko S., Luthcke S., Torrence M., Wang Y., Williamson R., Pavlis E., Rapp R., Olson T. The development of the joint NASA GSFC and the national imagery and mapping agency (NIMA) geopotential model EGM96. Technical report. NASA Goddard Space Flight Center. 1998.
  18. Metzler B., Pail R. GOCE data processing: The spherical cap regularization approach // Stud. Geophys. Geod. 2005. V. 49. P. 441–462. doi: 10.1007/s11200-005-0021-5
  19. Pail R., Bruinsma S., Migliaccio F., Förste C., Goiginger H., Schuh W.–D., Höck E., Reguzzoni M., Brockmann J.M., Abrikosov O., Veicherts M., Fecher T., Mayrhofer R., Krasbutter I., Sansò F., Tscherning C.C. First GOCE gravity field models derived by three different approaches // Journal of Geodesy. 2011. V. 85. No 11. P. 819–843. doi: 10.1007/s00190-011-0467-x
  20. Pavlis N.K., Holmes S.A., Kenyon S.C., Factor J.K. The development and evaluation of the earth gravitational model 2008 (EGM2008) // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2012. V. 117. B04406. doi: 10.1029/2011JB008916
  21. Petit G., Luzum B. IERS conventions (2010). IERS Technical Note No 36. January 2010.
  22. Picone J.M., Hedin A.E., Drob D.P., Aikin A.C. NRLMSISE–00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparisons and scientific issues // Journal of Geophysical Research (Space Physics). 2002. V. 107. No A12. P. 1468. doi: 10.1029/2002JA009430
  23. Rummel R., Wang Y., Stummer C. GOCE gravitational gradiometry // Journal of Geodesy. 2011. V. 85. No 11. P. 777–790. doi: 10.1007/s00190-011-0500-0
  24. Sünkel H. From eötvös to milligal. ESA final report. Graz, Austria. 2000. 418 p.
  25. Tapley B.D., Bettadpur S., Watkins M., Reigber C. The gravity recovery and climate experiment: Mission overview and early results // Geophysical Research Letters. 2004. V. 31. No 9. 4 p. doi: 10.1029/2004GL019920
  26. Voevodin V.V., Antonov A.S., Nikitenko D.A., Shvets P.A., Sobolev S.I., Sidorov I. Yu., Stefanov K.S., Voevodin Va. V., Zhumatiy S.A.. Supercomputer Lomonosov–2: Large scale, deep monitoring and fine analytics for the user community // Supercomputing Frontiers and Innovations. 2019. V. 6. No 2. P. 4–11. doi: 10.14529/jsfi190201
  27. Zhamkov A.S., Milyukov V.K., Ayukov S.V., Filetkin A.I., Vlasov I. Yu, Zharov V.E. Modeling the recovery of the Earth’s gravitational field from satellite measurements using parallel computations // Supercomputing Frontiers and Innovations. 2024. V. 11. No 1. P. 67–80. doi: 10.14529/jsfi240103
  28. Zhivomirov H. Method for colored noise generation // Romanian Journal of Acoustics and Vibration. 2018. V. 15. No 1. P. 14–19.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).