С.И. Донченко, В.Ф. Фатеев, В.П. Лопатин, Р.А. Давлатов

ФГУП «ВНИИФТРИ», Менделеево, Московская обл., Россия
generalfat@mail.ru

«Альманах современной метрологии» № 1 (37) 2024, стр. 8–51

УДК 528.223

Аннотация. Рассмотрены космические бортовые методы определения параметров гравитационного поля Земли с помощью односпутниковых и двухспутниковых изме­рительных систем типа GOCE, CRACE, GRACE-FO. Показано, что эти системы обес­печивают измерения только составляющих вторых градиентов гравита­цион­ного поля и не предназначены для измерения разности потенциалов и первого градиента поля — гравитационного ускорения спутника. Рассмотрены известные проекты спутниковых радиовысотомеров, обеспечивающих измерение профиля текущей высоты геоида и составляющих уклонения отвесной линии. Представлен космический бортовой бистатический ГНСС-высотомер на отражённых от водной поверхности сигналах ГНСС, который обеспечивает многопозиционное определение профиля текущей высоты геоида на акватории Мирового океана. Рассмотрен ряд зарубежных реализаций этого измерителя, в том числе на основе наноспутников. Представлен анализ результатов наземных и космических экспериментов по ГНСС-рефлектометрии, проведённых как в России, так и за рубежом на наноспутниках. По результатам проведённого анализа сформулированы задачи исследований.

Ключевые слова: космический гравитационный градиентометр, геоид, спутни­ковый радиовысотомер, ГНСС-рефлектометрия, бистатическая радиолокация.

Цитируемая литература

1. Денисенко О.В., Фатеев В.Ф., Рыбаков Е.А. Ассистирующая технология гло­бальной навигации на основе геофизических полей Земли и оценка её точности // Мир измерений. — 2018. — № 1 (176). — С. 24–27.

2. Фатеев В.Ф., Денисенко О.В., Сильвестров И.С., Бобров Д.С., Мурзабеков М.М., Давлатов Р.А., Лопатин В.П. Новые методы и средства подготовки карт для на­ви­гации по геофизическим полям Земли // Геодезия и картография. — 2022. — № 11. — С. 21–31. — DOI: 10.22389/0016-7126-2022-989-11-21-32.

3. Грушинский Н.П. Теория фигуры Земли. — М.: Наука, 1976. — 512 с.

4. Фатеев В.Ф., Рыбаков Е.А. Экспериментальная проверка квантового нивелира на мобильных квантовых часах // Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки. — 2021. — Т. 496. — № 1. — С. 41–44; Fateev V.F., Rybakov E.A. Experimental verification of the quantum level on a mobile quantum clock // Doklady Physics. — 2021. — V. 66. — Part 1. — P. 17–19.

5. Донченко С.С., Карауш А.А., Колмогоров О.В. и др. Квантовые нивелиры и сеть «Квантовый футшток». Теория, эксперименты, макетирование / под ред. В.Ф. Фатеева. — Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ», 2024. — 343 с.

6. Vitushkin L. Measurement standards in gravimetry // International Symposium “Ter­res­trial Gravimetry: Static and Mobile Measurements”. TGSMM-2007. Proceedings. — St. Petersburg: State Research Center of Russia “Electropribor”, 2008. — P. 98–105.

7. Мурзабеков М.М., Фатеев В.Ф., Пругло А.В., Равдин С.С. Результаты астро­измерений уклонений отвеса с использованием нового метода измерений // Альманах современной метрологии. — 2020. — № 2 (22). — С. 42–56.

8. Wolff M. Direct measurements of the Earth’s gravitational potential using a satellite pair // Journal of Geophysical Research. — 1969. — V. 74. — № 22. — P. 5295–5300.

9. Colombo O.L. Global geopotential modelling from satellite-to-satellite tracking. Report. — Columbus, Ohio, US: The Ohio State University, Department of Geodetic Science and Surveying, 1981. — 137 p.

10. Pisacane V.L., Ray J.C., MacArthur J.L., Bergeson-Willis S.E. Description of the dedicated gravitational satellite mission (GRAVSAT) // IEEE Transactions on Geo­science and Remote Sensing. — 1982. — V. GE-20. — № 3. — P. 315–321.

11. Taylor P.T., Keating T., Kahn W.D., Langel R.A., Smith D.E., Schnetzler C.C. GRM: observing the terrestrial gravity and magnetic fields in the 1990s // EOS. —1983. — V. 64. — № 43. — P. 609–611.

12. Antreasian P.G., Lundberg J.B., Schutz B.E. Simulation of the GRM drag com­pensation system // The Journal of the Astronautical Sciences. — 1991. — V. 39. — № 4. — P. 487–518.

13. Vetter J.R., Nerem R.S., Cefola P.J., Hagar H. A historical survey of Earth gra­vi­ta­tional models used in astrodynamics from Sputnik and Transit to GPS and TOPEX // Advances in the Astronautical Sciences, Astrodynamics. AAS/AIAA Astrodynamics Conference. Proceedings. Victoria, British Columbia, Canada, August 16–19, 1993. AAS 93-620. —1994. — V. 85. — P. 1233–1252.

14. Tapley B.D. and et al. GRACE Mission Proposal to the ESSP Program. — 1997.

15. Tapley B.D. and et al. The Current Status of the GRACE Mission // GRACE Science Team Meeting. — GSTM proceedings, 2017.

16. Witkowski M., Massmann F.-H. Status GRACE mission operations // GRACE Science Team Meeting. — GSTM proceedings, 2014.

17. Thomas J.B. An analysis of gravity-field estimation based on intersatellite dual-1-way biased ranging // JPL Publication 98-15. — National Aeronautic and Space Admi­nistration; Jet Propulsion Laboratory, California Insitute of Technology, Pasadena, California, US. — 1999.

18. Kim J., Tapley B.D. Error analysis of a low-low satellite-to-satellite tracking mission // Journal of Guidance, Control and Dynamics. — 2002. — V. 25. — № 6. — P. 1100–1106.

19. Touboul P., Foulon B., Willemenot E. Electrostatic space accelerometers for present and future missions // Acta Astronautica. — 1999. — V. 45. — № 10. — P. 605–617.

20. Kang Z., Tapley B.D., Bettadpur S., Ries J.C., Nagel P. Precise orbit determination for GRACE using accelerometer data // Advances in Space Research. — 2006. — 38. — № 9. — P. 2131–2136.

21. Jäggi A., Hugentobler U., Bock H., Beutler G. Precise orbit determination for GRACE using undifferenced or doubly differenced GPS data // Advances in Space Research. — V. 39. — № 10. — P. 1612–1619.

22. Liu X. Global Gravity Field Recovery from Satellite-to-Satellite Tracking Data with the Acceleration Approach. PhD thesis // Delft University of Technology. — 2008.

23. Schumaker B.L. Scientific applications of frequency-stabilized laser technology in space // JPL Publication 90-50. — National Aeronautics and Space Administration; California Institute of Technology, Pasadena, CA. — 1990. — P. 133–146.

24. Bender P.L. Integrated laser Doppler method for measuring planetary gravity fields // From Mars to Greenland: Charting Gravity with Space and Airborne Instruments Intl Assoc. Geodesy Symposia 110. — New York: Springer-Verlag. — P. 63–72.

25. Colombo O.L., Chao, R.F. Global gravitational change from space in 2001 // lAG Symposium. — Potsdam, 1992. — V. 112.

26. Watkins M.M., Folkner W.M., Chao B., Tapley B.D. EX-5: A laser interferometer follow-on to the GRACE mission: presentation // GGG2000, Banff, Canada, 31 July — 5 August. — 2000.

27. Schütze D., et al. Laser beam steering for GRACE Follow-On intersatellite inter­fero­metry // Opt. Express. — 2014. — V. 22. — P. 24117–24132.

28. Elsaka B., Raimondo J., Brieden P., Reubelt T., Kusche J., Flechtner F., Iran S., Sne­euw N., Müller J. Comparing seven candidate mission configurations for temporal gravity field retrieval through full-scale numerical simulation // Geophys. Res. — 2014. — V. 88. — I. 1. — P. 31–43.

29. Elsaka B. Feasible Multiple Satellite Mission Scenarios Flying in a Constellation for Refinement of the Gravity Field Recovery // International Journal of Geosciences. — 2014. — 5(3). — P. 267–273.

30. Stummer C., Siemes C., Pail R., Frommknecht B., Floberghagen R. Upgrade of the GOCE Level 1b gradiometer processor // Advances in Space Research. — 2012. — V. 49. — Р. 739–752.

31. Langeman, et al. ARISTOTELES Additional Study Executive Summary Report. — June 1990. — ESA Contract 8355/89/NUJS(SC).

32. Balmino G., Letoquart D., Barlier F., Ducasse F., Bernard A., Sacleux B., Bouzat C., Le Pichon X., Souriau M. Le projet GRADIO et la determination a haute resolution du geopotentiel // Journal of Geodesy. — 58 (2). — P. 151–179.

33. Schrama E.J. Gravity Field Error Analysis: Applications of GPS Receivers and Gra­dio­meters on Low Orbitng Platfonns NASA TM 100769.

34. Wells W.C. Spaceborne Gravity Gradiometers // NASA Conf. Pub. 2305. — 1984.

35. Paik H.J. Superconducting tensor gravity gradiometer for satellite geodesy and inertial navigation // J. Astronautical Sci. — 1981. — V. 29. — P. 1–18; Moody M.V., Chan H.A., Paik H.J. Preliminary Tests of a Newly Developed Superconducting Gravity Gradiometer // IEEE Trans. Mag. — MAG-19. — 1983. — P. 461.

36. Popescu A. Satellite Design and Status GOCE: presentation // ESA/ESTEC.

37. Christophe B., Marque J-P., Foulon B. Accelerometers for the ESA GOCE mission: one year of in-orbit results // GPHYS SYMPOSIUM. — Paris, 2010. — 26 p.

38. Брагинский В.Б. Измерение малых сил в физических экспериментах. — М.: Наука, 1974.

39. Фатеев В.Ф., Сахно И.В. Особенности построения авиационно-космических двух­позиционных РСА с монохроматическим зондирующим сигналом: сб. трудов. — СПб.: МО РФ, 1996.

40. Lowe S.T., LaBrecque J.L., Zuffada C., Romans L.J., young L.E., Hajj G.A. First spaceborne observations of an Earth-Reflected GPS signal // Radio Science. — 2002. — V. 37. — № 1. — 1007.

41. Wagner C., Klokoсhnik J. The value of ocean reflections of GPS signals to enhance satellite altimetry: Data distribution and error analysis // J. Geodesy. — 2003. — 77. — 128–138.

42. Beyerle G., Hocke K. Observation and Simulation of Direct and Reflected GPS Signals in Radio Occultation Experiment // J. Geophys. Res. Lett. — 2001. — 28. — P. 1895–1898.

43. Beyerle G., Hocke K., Wickert J., Schmidt T., Reigber C. GPS radio occultation with CHAMP: Aradio holographic analysis of GPS signal propagation in the tropo­sphere and surface reflections // J. Geophysical Reseaech. Lett. — 2001. — 107. — 4802.

44. Montenbruck O., Remco K. In-flight performance analysis of the CHAMP Black­Jack GPS Receiver // GPS Solution. — 2003. — V. 7. — P. 74–86.

45. Clarizia M.P., Gommenginger C.P., Gleason S.T., Srokosz M.A., Galdi C., Bisceglie M. Analysis of GNSS-R delay-Doppler maps from the UK-DMC satellite over the ocean // Geophysical Research Letter. — 2009. — 36.

46. Unwin M., Jales P., Tye J., Gommenginger C., Foti G., Rosello J. Spaceborne GNSS-Reflectometry on TechDemoSat-1: Early Mission Operations and Exploitation // IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. — 2016. — V. 9. — № 10. — P. 4525–4539.

47. Описание спутниковой миссии ³Cat-2 // NanoSat Lab [сайт]. — URL: https:// nanosatlab.upc.edu/en/missions-and-projects/3cat-2 (дата обращения: 10.10.2023).

48. Cortiella A., Vidal D., Jané J., Juan E., Olivé R., Camps A. 3CAT-2: Attitude Deter­mination and Control System for a GNSS-R Earth Observation 6U CubeSat Mission // European Journal of Remote Sensing. — 2016. — 49:1. — P. 759–776.

49. Ruf C.S., Chew C., Lang T., Morris M.G., Nave K., Ridley A., Balasubramaniam R. A New Paradigm in Earth Environmental Monitoring with the CYGNSS Small Satellite Constellation, Scientific Reports, 2018.

50. Li W., Cardellach E., Fabra F., Ribó S., Rius A. Lake Level and Surface Topography Measured with Spaceborne GNSS‐Reflectometry from CYGNSS Mission: Example for the Lake Qinghai // Geophysical Research Letters. — 2018.

51. Wan B., Niu X., Jing C., Lei B., Han C. Calibration and Error Analysis of the BF-1 Demonstration GNSS-R Satellites // China Satellite Navigation Conference (CSNC). — 2020.

52. Unwin M. New Orbital GNSS-R Demonstration GNSS-Reflectometry on DoT-1 Micro­satellite // MERRBYS [web-site]. — September 10, 2020. — URL: http://merrbys.co.uk/new-orbital-gnss-r-demonstration.

53. Описание спутников — URL: https://directory.eoportal.org/web/eoportal/ satellite-missions/l/lemur.

54. Masters D. Seizing Opportunity: Spire’s CubeSat Constellation of GNSS, AIS, and ADS-B Sensors // Stanford PNT (Positioning, Navigation, and Timing) Symposium. — 7–8 November 2018.

55. ³Cat-4 // NanoSat Lab [web-site]. — URL: https://nanosatlab.upc.edu/en/missions-and-projects/3cat-4.

56. FSSCat // NanoSat Lab [web-site]. — URL: https://nanosatlab.upc.edu/en/missions-and-projects/fsscat.

57. Unwin M., Pierdicca N., Rautiainen K., Cardellach E., Foti G., Blunt P., Tossaint M., Worsley E. Scene Setting for the ESA HydroGNSS GNSS-Reflectometry Scout Mis­sion. — EGU General Assembly, 2020.

58. Mapping sea surface from the Space Station // The European Space Agency (ESA). — 16/03/2015. — URL: http://www.esa.int/Applications/Observing_the_Earth/Mapping_sea_surface_from_the_Space_Station.

59. Wickert J., Fragner H., Beck P., et al. PRETTY: Cubesat for precise altimetry using navigation satellites. — 2019. — URL: http://www.gnssr2019.org/files/02%202019_0519WICKERT_GNSS+R19.pdf.

60. Фатеев В.Ф., Ксендзук А.В., Обухов П.С., Крапивкин Г.И., Тимошенко Г.В., Король Г.Н., Новиков В.А., Герасимов П.А., Шахалов К.С. Эксперименталь­ный бистатический радиолокационный комплекс // Электромагнитные волны и элек­т­ронные системы. — 2012. — № 5. — Т. 17. — С. 58–61.

61. Фатеев В.Ф., Ксендзук А.В., Обухов П.С., Крапивкин Г.И., Тимошенко Г.В., Король Г.Н., Новиков В.А., Герасимов П.А., Шахалов К.С. Многопозиционная радиолокационная система с синтезированием апертуры антенны по отражён­ным сигналам ГНСС «ГЛОНАСС» // Электромагнитные волны и электронные системы. — 2012. — № 5. — Т. 17. — С. 62–67.

Статья поступила в редакцию: 04.12.2023 г.
Статья прошла рецензирование: 25.12.2023 г.
Статья принята в работу: 09.01.2024 г.

Статья в полном объеме в Научной электронной библиотеке eLIBRARY.
Оформить подписку и купить печатные номера журнала у издателя.

Содержание ……. Следующая статья