Космический градиентометр: принципы измерения гравитационного поля Земли

В. Е. Жаров ^1,2, А. С. Жамков ¹, А. В. Логинов ¹, В. Н. Семенцов ¹, В. К. Милюков ¹, С. В. Аюков ¹, И. Ю. Власов ¹

В работе изложены принципы измерения глобального гравитационного поля Земли (ГПЗ) с помощью космического аппарата (КА) на низкой околоземной орбите, оснащенного высокоточным трехосным гравитационным градиентометром. Такой КА предназначен в первую очередь для измерения высокочастотных гармоник ГПЗ. Градиентометрические измерения не чувствительны к гармоникам ГПЗ низких степеней, поэтому для восстановления ГПЗ во всём диапазоне частот, начиная от n = 2, необходимы высокоточные измерения орбиты КА, которые выполняются бортовым высокоточным ГНСС-приемником. Рассмотрены теоретические аспекты космической градиентометрии, и решена задача восстановления гармоник ГПЗ на основе модельных измерений. Для вычисления измеряемых компонент тензора гравитационного потенциала использовалась модель ГПЗ EGM2008.

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: градиентометра, системы компенсации негравитационного сноса, которая выполнена на основе ионных двигателей, системы определения ориентации на основе звездных датчиков, системы навигации с использование сигналов глобальных навигационных спутниковых систем.