Satelity naukowe GRACE i GRACE-FO
Organizacja | NASA DLR |
---|---|
Budowniczy | Airbus Defence and Space (Niemcy) |
Program | Earth System Science Pathfinder ( ESSP ) |
Pole | Pomiar pola grawitacyjnego Ziemi |
Status |
Misja zakończona (GRACE) Operacyjna (FO) |
Inne nazwy | Odzyskiwanie grawitacji i eksperyment klimatyczny |
Uruchomić |
17 marca 2002 (GRACE) 22 maja 2018 (FO) |
Wyrzutnia |
Rokot (GRACE) Falcon 9 (FO) |
Koniec misji | Październik 2017 (GRACE) |
Trwanie | 5 lat (misja główna) |
Identyfikator COSPAR | 2002-012A |
Teren | http://www.csr.utexas.edu/grace/ |
Msza przy starcie | 487 kg |
---|---|
Energia elektryczna | 210 watów |
Orbita | Polarny |
---|---|
Wysokość | 500 km |
Nachylenie | 89 ° |
Gravity Recovery And Climate Experiment, lepiej znany pod akronimemGRACEiGRACE-FO(GRACE-Follow on), to dwie podobne misje kosmiczneNASAiNiemieckiej Agencji Kosmicznej(DLR), wystrzelone odpowiednio wMarzec 2002 i Maja 2018. Obaj wykonują szczegółowe pomiary grawitacji Ziemi. Zebrane dane umożliwiają poznanie szczegółowego rozkładu mas na planecie i jej zmian w czasie. Aby to osiągnąć, misje te wykorzystują dwa satelity pracujące w tandemie. Względne pozycje dwóch satelitów i zmiany ich orbit są wykorzystywane do pomiaru ewolucji pola grawitacyjnego w rejonie, w którym nastąpiło przelanie. Ten rodzaj informacji odgrywa ważną rolę w badaniach oceanów , geologii i klimatu Ziemi.
GRACE jest opracowany wspólnie przez Centrum Badań Kosmicznych z University of Texas w Austin , w Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie , w Kalifornii , w Agencji Kosmicznej niemieckiego , Niemieckiego Centrum Badań Nauk o Ziemi w Poczdamie . JPL odpowiada za całokształt misji w ramach programu Earth System Science Pathfinder ( ESSP ) NASA . Misja ta przestrzeń jest częścią programu System Obserwacji Ziemi, która łączy szereg satelitów NASA odpowiedzialnych za gromadzenie danych przez dłuższy czas na powierzchni Ziemi, w biosferze , w atmosferze ziemskiej i ziemskich oceanach .
Mapy generowane co miesiąc przez GRACE są 1000 razy dokładniejsze niż mapy istniejące wcześniej, co poprawia dokładność wielu technik stosowanych przez oceanografów , hydrologów , glacjologów , geologów , klimatologów i innych obserwatorów zjawisk przyrodniczych. Pomiar pola grawitacyjnego Ziemi za pomocą GRACE pozwala więc naukowcom lepiej zrozumieć ważne procesy naturalne, takie jak między innymi ubytek grubości polarnych pokryw lodowych , cyrkulacja wody w oceanach ( cyrkulacja termohalinowa ) czy duże baseny hydrograficzne. (dystrybucja między warstwami wodonośnymi a systemem rzecznym , czas transferu i przepływy) oraz powolne przepływy płaszcza Ziemi (ciało stałe), szybsze w jądrze zewnętrznym (ciecz) we wnętrzu Ziemi.
W oceanologii jednym z najważniejszych zastosowań jest zrozumienie globalnej cyrkulacji oceanicznej . „Doliny” i „wzgórza” powierzchni oceanu, różnice w topografii między „rzeczywistą powierzchnią” oceanu a geoidą , są z jednej strony wytwarzane przez prądy morskie , z drugiej strony przez wahania czasowe i geograficzne. w ciśnieniu atmosferycznym i powiązanych polach wiatrowych, a wreszcie przez lokalne zmiany pola grawitacyjnego. Projekt GRACE umożliwia oddzielenie tych różnych źródeł i dokładniejszy pomiar prądów oceanicznych i ich wpływu na klimat. Dane GRACE są również ważne przy określaniu pochodzenia podniesienia się poziomu morza oraz zakresu, w jakim jest to spowodowane masą wody z topniejących lodowców lub rozszerzalnością cieplną wód ciepłych lub zmianami zasolenia .
GRACE to pierwsza misja w historii lotów kosmicznych, która nie wykorzystuje fal elektromagnetycznych przenoszonych z powierzchni Ziemi i / lub atmosfery do wykonywania pomiarów. Zamiast tego GRACE wykorzystuje mikrofalowy system pomiaru odległości, który mierzy zmiany prędkości i odległości między dwoma identycznymi satelitami lecącymi na tej samej orbicie polarnej w odległości 220 km od siebie i 500 km nad powierzchnią ziemi. System pomiarowy jest tak czuły, że może wykryć zmiany w odległości 10 mikronów lub jednej dziesiątej grubości ludzkiego włosa na całkowitej odległości 220 km . Kiedy dwa satelity GRACE wykonują swoje 16 codziennych obrotów wokół Ziemi, ich trajektoria jest zakłócana przez zmiany pola grawitacyjnego Ziemi . Kiedy pierwszy satelita przelatuje nad regionem, w którym grawitacja jest nieco ważniejsza, satelita jest przyciągany przez anomalię pola grawitacyjnego i zmienia się odległość do następnego satelity. Po przejściu przez anomalię pierwszy satelita powraca do normalnej prędkości, co z kolei wpływa na parametry trajektorii drugiego satelity. Ciągle mierząc zmiany odległości między dwoma satelitami i łącząc te informacje z pozycjami satelitów dostarczanymi przez odbiorniki GPS , naukowcy mogą odtworzyć szczegółową mapę pola grawitacyjnego Ziemi.
Oba satelity stale utrzymują między sobą łącze w górę i w dół. Pomiar odległości jest dokonywany poprzez porównanie przesunięcia częstotliwości na tym łączu. Aby uzupełnić te dane, statki mierzą własne ruchy za pomocą akcelerometrów. Wszystkie te informacje są przesyłane do stacji naziemnych. Aby zapewnić punkty odniesienia i utrzymać orientację statków, wykorzystują one czujniki gwiazd, magnetometry i odbiorniki GPS. Satelity GRACE posiadają również reflektory laserowe, które umożliwiają laserowy pomiar odległości od stacji naziemnej.
Misja wykorzystuje dwa dokładnie identyczne satelity. Każdy satelita ma przekrój trapezoidalny i ma 3,122 m długości, 0,72 m wysokości i 1,942 m szerokości u podstawy i 0,693 m u góry. Każdy z satelitów ma masę 432 kg, w tym 34 kg gazu napędowego i 40 kg ładunku . Konstrukcja wykonana jest z polimeru wzmocnionego włóknami węglowymi o bardzo niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej, co gwarantuje jakość pomiarów odległości między satelitami. Satelita jest stabilizowany na 3 osiach : jego orientacja w przestrzeni jest ustalana za pomocą sześciu kolektorów słonecznych CESS ( czujnik Coarse Earth Sun Sensor ) zamontowanych po obu stronach satelity. Umożliwiają one wyznaczenie kierunku Słońca z dokładnością od 3 do 6 °, a kierunku Ziemi z dokładnością od 5 do 10 stopni, za pomocą magnetometru Förstera zamocowanego na słupie, który udoskonala te pomiary. Precyzyjne wskazywanie odbywa się za pomocą szukacza gwiazd ASC Star Camera Assembly (SCA) (używanego przez satelitę Ørsted ) i odbiornika GPS . 3 oś bezwładnościowy jednostka zakończeniu tych danych. Korekty orientacji dokonywane są za pomocą 3 magneto-sprzęgieł i 12 silników odrzutowych z zimnym gazem ( azotem ). Górna i boczna powierzchnia satelity jest pokryta ogniwami fotowoltaicznymi dostarczającymi od 150 do 210 watów energii elektrycznej, z czego 75 jest wykorzystywanych przez ładunek. Z akumulatorów niklowo-wodorowych o pojemności 16 Ah dostarczają energię, gdy satelita znajduje się w cieniu Ziemi. Żywotność platformy to 5 lat. Około 80% komponentów elektronicznych to komponenty kupowane w handlu.
KBR ( K / Ka-Band Ranging ) jest głównym instrumentem satelity. Jego rolą jest pomiar odległości między dwoma satelitami z dokładnością rzędu mikrona. Opiera się na analizie fazy sygnałów wysyłanych przez dwa satelity w paśmie K i Ka . Każdy satelita analizuje sygnały przesyłane przez drugiego satelitę.
LRI (tylko GRACE-FO)LRI ( Laser Ranging Interferometer ) to eksperymentalny instrument na pokładzie tylko GRACE-FO, który spełnia ten sam cel co KBR, a mianowicie mierzy odległość między dwoma satelitami. W tym celu wykorzystuje laser, którego światło analizowane jest na drugim satelicie.
AkcelerometrAkcelerometr SuperStar, wywodzący się z instrumentu STAR na pokładzie CHAMP, ale z 10-krotnie większą dokładnością, mierzy przyspieszenie grawitacyjne spowodowane siłami oporu i ciśnieniem promieniowania (Słońce i Ziemia) i doświadczane przez satelitę. SuperStar jest zamontowany w środku ciężkości satelity.
Odbłyśnik laserowySatelita posiada retroreflektor laserowy LRA ( Laser Corner-cube Reflector Assembly ), który jest oświetlany laserem skierowanym z ziemi, umożliwiając pomiar wysokości orbity z dokładnością od 1 do 2 centymetrów.
Odbiornik GPSOdbiornik GPS służy do bardzo dokładnego określania orbity, po której porusza się satelita, oraz do wykonywania pomiarów okultacji radiowej. Urządzenie zastosowane w GRACE-FO, w przeciwieństwie do GRACE, umożliwia również wykorzystanie sygnałów z europejskich systemów nawigacji satelitarnej Galileo i rosyjskiego GLONASS .
Satelity są budowane przez Astrium w Niemczech i korzystają z platformy „Flexbus”. Mikrofalowe systemy częstotliwości i algorytmy do kontrolowania i określania orientacji są dostarczane przez Space Systems / Loral . Kamera używana do łapacza gwiazd jest dostarczana przez Politechnikę Danii . Wysoce precyzyjny komputer i odbiornik GPS są dostarczane przez JPL w Pasadenie. Bardzo precyzyjny akcelerometr używany do izolowania wpływu atmosfery i wiatru słonecznego od zmian grawitacyjnych jest dostarczany przez ONERA .
Satelity GRACE są umieszczane na orbicie 17 marca 2002przez wyrzutnię Rokot wystrzeloną z kosmodromu Plessetsk w Rosji dostarczonej przez firmę Eurockot . Dwa satelity o przydomkach Tom i Jerry są umieszczone na tej samej orbicie polarnej, znajdującej się na wysokości 500 kilometrów i nachylonej pod kątem 89 °. Górny stopień wyrzutni Briz-KM uwalnia jeden z dwóch satelitów z nieco większą prędkością (0,5 m / s), dzięki czemu dzieli je odległość od 170 do 270 kilometrów. Satelity następnie wykorzystują swój napęd na zimny gaz, aby utrzymać odpowiednią odległość w tym zakresie wartości. W tym czasie planowano, że wysokość orbity będzie stopniowo spadać do 300 km pod koniec głównej misji.
Faza akceptacji kończy się w dniu14 maja 2003. WPaździernik 2005NASA wyraża zgodę na przedłużenie misji do 2009 roku. W grudzień 2005, odpowiednie położenie obu satelitów jest odwrócone, aby zachować antenę tubową ( pasmo Ka ) głowicy satelity, która ulega erozji związanej z uderzeniem atomów tlenu obecnych w resztkowej atmosferze. NASA i DLR decydują o tymczerwiec 2010przedłużyć misję do wyczerpania paliwa, co powinno nastąpić w latach 2013-2015 w zależności od aktywności słonecznej, stopnia obciążenia silników rakietowych oraz stanu akumulatorów. Degradacja orbity jest znacznie niższa niż oczekiwano, ponieważ w 2011 roku satelity nadal krążą na wysokości 455 km. Wwrzesień 2014wysokość wynosi 410 kilometrów i spada o około 49 metrów dziennie. Każdy satelita wciąż ma od 9 do 10 kilogramów zimnego gazu, co gwarantuje ich działanie co najmniej do 2017 roku. Odpowiednie położenie obu satelitów jest ponownie odwrócone wlipiec 2014. W 2016 roku satelity GRACE zaczęły znacznie zmniejszać swoją zdolność operacyjną. Na gromadzenie danych wpływa utrata kilku ogniw z akumulatorów i jednego z dwóch akcelerometrów. NASA życzy sobie ożywienia między GRACE a jej następcą GRACE-FO, którego uruchomienie zaplanowano na koniec 2017 r.październik 2017degradacja stanu akumulatorów jednego z dwóch satelitów powoduje zakończenie misji. Pozostałe paliwa są używane do przyspieszenia powrotu do atmosfery i zniszczenia dwóch satelitów, które występują na24 grudnia 2017 r dla GRACE-2 i 10 marca 2018 r dla GRACE-1.
Dwie agencje kosmiczne rozpoczęły pod koniec 2012 roku prace nad drugą serią satelitów o charakterystyce bardzo podobnej do oryginałów, aby kontynuować pomiary pola grawitacyjnego Ziemi. Charakterystyka satelitów jest prawie identyczna jak w poprzedniej misji, z wyjątkiem nowego instrumentu składającego się z eksperymentalnego interferometru laserowego używanego do pomiaru odległości między dwoma satelitami. Uruchomienie początkowo planowane wsierpień 2017jest wielokrotnie odkładany w wyniku problemów z programem uruchamiającym. Początkowo planowana wyrzutnia Dniepr stała się niedostępna w 2016 r., A następnie wyrzutnia Falcon 9 wybrana jako zamiennik doznała eksplozji na ziemi wwrzesień 2016co przesuwa datę premiery o kilka miesięcy. Dwa satelity GRACE-FO mają wystartować z bazy startowej Vandenberg ( Kalifornia ). Ładowność od Falcon 9 wyrzutni zawiera również 5 Iridium NEXT telekomunikacyjnych satelitów . GRACE-FO startuje z Vandenberg dalej22 maja 2018 r19:48 i znajduje się na orbicie polarnej na wysokości 490 kilometrów z nachyleniem orbity 89 °.
Poniższe wyniki uzyskano przy użyciu danych zebranych przez GRACE:
Anomalie pola grawitacyjnego na poziomie kontynentów.
Anomalie pola grawitacyjnego na poziomie oceanu.