? اهداف و دستاوردهای ماموریت های ماهواره ای اختصاصی ثقل سنجی CHAMP,GRACE و GOCE
با پرتاب ماهواره GOCE در سال ۲۰۰۹، هر سه ماموریت ماهواره ای ثقل سنجی CHAMP,GRACE و GOCE به مرحله عملیاتی رسیدند. دانش ما در زمینه میدان ثقل زمین و ژئوئید و تغییرات زمانی آن بعد از این ماموریت ها به طرز چشمگیری افزایش یافته است. برای درجات پایین میدان ثقل دقت مدل ماهواره GRACE از دیگر مدل ها بیشتر است و در بازه فرکانسی میانی از درجه ۸۰ تا ۱۴۰ مدل های GRACE و GOCE دقت یکسانی دارند. مدل GOCE در طول موج های کوتاه میدان ثقل برتری خود را نسبت به مدل GRACE آشکار می سازد. در نهایت به مقایسه این مدل ها با یک مدل ژئوپتانسیل ترکیبی موجود در حوزه مکان پرداخته می شود و دقت و قدرت تفکیک مکانی هریک از آنها سنجیده می شود.
تعیین میدان ثقل و متعاقبا ژئوئید یکی از اهداف اساسی ژئودزی می باشد ولی دانش و اطلاعات ما در این زمینه تا پیش از استفاده از داده های فضایی ناکافی و اندک بود.
یکی از اولین دستاوردها دراین زمینه تعیین میزان پخ بودن زمین با استفاده از مشاهدات مداری اولین ماهواره ها بود. پس از تخمین میزان پخ بودن زمین،ضرایب هارمونیک کروی تا درجات محدودی با استفاده از مشاهدات مداری ماهواره ها محاسبه شد. تا قبل از پرتاب اولین ماهواره های ارتفاع سنجی مدل های جهانی ژئوپتانسیل زمین با استفاده از داده های گرانی سنجی و داده های ردیابی ماهواره ای از ایستگاه های زمینی تعیین می گردید.در این مدل ها فرکانس های بالای میدان ثقل زمین با استفاده از داده های گرانی سنجی زمینی و فرکانس های پایین میدان ثقل از مشاهدات ردیابی ماهواره ها تعیین می شد. قابل ذکر است که فقط ضرایب درجات پایین تا درجه و مرتبه ۲۰ از مشاهدات ماهواره ای قابل برآورد بود؛چراکه به دلیل عدم پوشش یکنواخت و جهانی ایستگاه های ردیابی زمینی،تعیین میدان ثقل با دقت و قدرت تفکیک مکانی بالا با استفاده از این مشاهدات امکان پذیر نبود.این محدودیت ها و مشکلات باعث شد که تکنیک های مشاهداتی جدیدی علاوه بر تکنیک ردیابی ماهواره از ایستگاه های زمینی مورد مطالعه و تحقیق قرار بگیرد.
در سال ۱۹۷۳ با پرتاب اولین ماهواره ارتفاع سنجی، دقت تعیین میدان ثقل در مناطق اقیانوسی افزایش چشمگیری یافت ولی هنوز در مناطق قاره ای دقت موردنظر و ایده آل با استفاده از داده های گرانی سنجی زمینی و مشاهدات ردیابی ماهواره ها از ایستگاه های زمینی حاصل نشده بود.به همین دلیل تمرکز و مطالعه بیشتری درمورد طراحی و استفاده از تکنیک های فضایی مشاهداتی جدید در مناطق قاره ای صورت گرفت. نتایج این مطالعات به صورت دو تکنیک کلی برای پیاده سازی در ماموریت های اختصاصی میدان ثقل زمین پیشنهاد گردید:
- ردیابی ماهواره به ماهواره(SST)
- گرادیومتری ماهواره ای
در یک بازه زمانی نه چندان طولانی پیشرفت های زیادی در اطلاعات ما از میدان ثقل زمین با استفاده از این تکنیک های فضایی حاصل گردید. این تکنیک ها در سه ماموریت ماهواره ای CHAMP،GRACE و GOCE پیاده سازی شده اند.
از ویژگی های اساسی این سه ماموریت میتوان به مدار قطبی با ارتفاع پایین، ردیابی پیوسته این ماهواره ها در سه بعد با استفاده از سامانه تعیین موقعیت جهانی و همچنین توانایی این ماهواره ها در جدا کردن قسمت غیر جاذبی سیگنال از سیگنال جاذبی به وسیله شتاب سنج ها اشاره کرد.
برای تقویت بیشتر سیگنال جاذبی از تکنیک ردیابی دو ماهواره با ارتفاع پایین در ماموریت GRACE و تکنیک گرادیومتری در ماموریت GOCE استفاده شده است.هر یک از ماموریت های فوق کاربردهای زیادی در زمینه فیزیک زمین، اقیانوس شناسی، ژئودزی، پایش تغییرات سطح دریا و اقلیم شناسی دارند.
ماموریت های اختصاصی ثقل سنجی
? CHAMP
ماموریت گرانی سنجی ماهواره ای CHAMP اولین پروژه گرانی سنجی بود که در سال ۲۰۰۰ با موفقیت پرتاب شد.دوره ماموریت این ماهواره پنج سال درنظر گرفته شده بود در حالیکه اطلاعات آن تا اواخر سال ۲۰۰۸ موجود است. یکی از اصلی ترین ماموریت های آن تعیین میدان ثقل زمین با دقت بی نظیر،از مشاهدات گیرنده GPS و شتاب سنج های نیروهای غیرپایستار نصب شده بر روی بدنه آن است.
CHAMP با مداری تقریبا دایره ای و قطبی و با ارتفاع اولیه ۴۵۴ کیلومتر از سطح زمین و میل ۸۷ درجه از ایستگاه پلستسک روسیه پرتاب شد. این ماهواره گرانی سنجی مبتنی بر تکنیک ردیابی ماهواره به ماهواره (SST) با ساختار HL (HIGH-LOW) (ردیابی یک ماهواره گرانی سنجی با ارتفاع مداری پایین نسبت به چند ماهواره تعیین موقعیت ژئودتیک با ارتفاع مداری بالا مثلا GPS طراحی شده است). در این ماموریت مطابق با ساختار SST-HL ماهواره CHAMP دارای ارتفاع مداری پایین است که با ماهواره های سامانه تعیین موقعیت جهانی (GPS) با ارتفاع مداری بالا،به منظور محاسبه بردار موقعیت ماهواره جاذبی، ردیابی می گردد.
شکل ۱- ساختار ماموریت CHAMP
شتاب سنج سه محوره نصب شده در مرکز ثقل ماهواره برای جداسازی شتاب های غیرجاذبی مانند فشار اصطکاک جو و فشار تشعشعات خورشیدی از سیگنال اندازه گیری شده، برای رسیدن به شتاب جاذبی مورد نیاز است.
از دستاوردهای اصلی این ماموریت میتوان به افزایش دقت مدل های ژئوپتانسیل در طول موج های بلند میدان ثقل اشاره کرد.هرچند که با پرتاب این ماهواره دقت و قدرت تفکیک مکانی مدل های جهانی ثقل زمین به طرز چشمگیری بهبود یافت ولی به دلیل میرایی سگنال در ارتفاع ماهواره CHAMP دقت ایده آل مورد نظر در مدل های ژئوپتانسیل حاصل نشد.لذا برای غلبه براین مشکل،دوماهواره GRACE و GOCE طراحی گردید.
شکل ۲- ماهواره CHAMP
? GRACE
در مارس ۲۰۰۲ ماموریت گرانی سنجی ماهواره ای GRACE شامل دو ماهواره گرانی سنجی مشابه مبتنی بر تکنیک SST با ساختاری تلفیقی از دو آرایش HL و LL (ردیابی دو ماهواره گرانی سنجی با ارتفاع مداری پایین نسبت به یکدیگر) با موفقیت وارد مرحله اجرایی شد.
در این ماموریت مطابق با ساختار SST-HL بردار موقعیت هر یک از زوج ماهواره مشاهده می شود.همچنین ماموریت ماهواره ای GRACE مطابق با ساختار SST-HL شامل دو ماهواره گرانی سنجی مشابه است که در یک مدار به دنبال هم در حرکت اند. در این تکنیک، زوج ماهواره در ساختار LL به یک سامانه فاصله یابی بین ماهواره ایKBR مجهز است که فاصله بین دو ماهواره،تغییرات زمانی و نرخ تغییرات زمانی آن را اندازه گیری می کند.با آنالیز این حرکت نسبی، طول موج های بلند و متوسط میدان ثقل تعیین می گردد.علاوه بر میدان ثقل استاتیک، تغییرات زمانی میدان ثقل را با مقایسه جواب های مربوط به هر ماه می توان بررسی کرد.
شکل ۳- ساختار ماموریت GRACE
شکل۴- ماهواره GRACE
? GOCE
اخیرا نیز در مارس سال ۲۰۰۹ ماموریت ماهواره ای GOCE مبتنی بر تکنیک گرادیومتری ماهواره ای (SGG) وارد مرحله اجرایی گردید. در این ماموریت براساس تکنیک SGG گرادیان های جاذبی به عنوان مشاهدات برای تعیین طول موج های کوتاه میدان ثقل به کار می رود. در ماهواره GOCE یک دستگاه گرادیومتر سه بعدی با شش شتاب سنج وجود دارد که این شتاب سنج ها به صورت جفت در راستای سه محور گرادیومتر قرار می گیرند و گرادیان های جاذبی را اندازه گیری می کنند. تکنیک گرادیومتری ماهواره ای به ارائه مدل های ماهواره GOCE امکان یکسان سازی دیتوم های ارتفاعی فراهم نبود.به عنوان آخرین کاربرد از ماموریت GOCE می توان به تعیین عمق لایه moho (لایه جداکننده پوسته از جبه) با استفاده از داده های گرادیومتری این ماهواره اشاره کرد.
شکل ۵- ماهواره GOCE و ساختار آن
? ارزیابی مدل های ژئوپتانسیل ماموریت های CHAMP،GOCE و GRACE
برای مقایسه مدل های ژئوپتانسیل این ماهواره ها از اختلاف این مدل ها با مدل های جهانی میدان ثقل موجود در دو حوزه فرکانس و مکان استفاده می کنیم.به این منظور سه مدل ماهواره های خاص:
- AIUB-CHAMP03S
- ITG-GRACE2010S
- GO_CONS_GCF_2_TIM_R3
که اخیرا ارائه شده اند،انتخاب شده است.
مدل AIUB-CHAMP03S از ماهواره CHAMP تا درجه ۱۰۰ با استفاده از ۸ سال مشاهدات این ماهواره با استفاده از روش مکانیک سماوی محاسبه شده است.قدرت تفکیک مکانی این مدل ۲۰۰ کیلومتر می باشد.
مدل ITG-GRACE2010S از ماهواره GRACE تا درجه و مرتبه ۱۸۰، متناظر با قدرت تفکیک مکانی ۱۰۰ کیلومتر و با استفاده از ۷ سال داده این ماهواره بدست آمده است.
مدل ماهواره ای خاص GO_CONS_GCF_2_TIM_R3 براساس مشاهدات ماهواره ای GOCE از نوامبر ۲۰۰۹ تا آوریل ۲۰۱۱ تا درجه ۲۵۰ با قدرت تفکیک مکانی ۸۰ کیلومتر به روش Time-Wise تولید شده است. در این مدل طول موج های بلند میدان ثقل مین با استفاده از مشاهدات مدار کینماتیک ماهواره و طول موج های کوتاه با استفاده از مشاهدات گرادیومتری بدست آمده است.قابل ذکر است که دلیل انتخاب این مدل از بین مدل های دیگر ماهواره GOCE استقلال کامل آن از هرنوع اطلاعات اولیه و یا مدل های ژئوپتانسیل موجود می باشد.
مدل EGM2008 که به عنوان یک مرجع برای مقایسه این سه مدل در این مقاله به کار رفته است، یک مدل ژئوپتانسیل ترکیبی کامل تا درجه و مرتبه ۲۱۶۰ با قدرت تفکیک مکانی ۹ کیلومتر است.در این مدل از مشاهدات آنومالی جاذبه زمینی، آنومالی جاذبی حاصل از ارتفاع سنجی ماهواره ای و مدل ژئوپتانسیل ماهواره GRACE استفاده شده است.
شکل (۶) اختلاف بین سه مدل فوق با مدل ژئوپتانسیل مرجع EGM2008 را برحسب واریانس درجه نشان می دهد این شکل به خوبی ویژگی هریک از ماموریت ها و حساسیت تکنیک های مورد استفاده در آن ها را به بازه فرکانسی خاص نشان می دهد.برای نمونه می توان به حساسیت تکنیک SST-HL به طول موج های بلند و حساسیت تکنیک SST-LL به طول موج های متوسط میدان ثقل زمین اشاره کرد.یکی از برجسته ترین اختلاف بین مدل ها، رفتار آنها در درجات پایین می باشد. برای درجات کوچکتر از ۸۰ دقت ماهواره GRACE از دو مدل دیگر بیشتر است که این مساله نشان دهنده این واقعیت است که مدل های ماهواره GOCE به هیچ عنوان توانایی رقابت با مدل های ماموریت GRACE در این بازه فرکانسی را ندارند.باید توجه شود که اگرچه مدل ماهواره CHAMP نسبت به دو مدل دیگر دقت و قدرت تفکیک مکانی کمتری دارد، اما مدل های مربوط به این ماموریت باعث افزایش دقت و قدرت تفکیک مکانی و همچنین ناهمبسته کردن مدل های ژئوپتانسیلی شدند که تا پیش از عصر ثقل سنجی ماهواره ای ارائه شده بودند.
در بازه فرکانسی میانی(بین درجات ۸۰ تا ۱۴۰) مدل های GRACE و GOCE رفتار یکسانی را از خود نشان می دهند. افزایش ناگهانی اختلاف بین مدل های GARCE و GOCE با مدل EGM2008 در این بازه فرکانسی به دلیل استفاده از داده های زمینی با دقت اندک در بعضی مناطق در این مدل ترکیبی می باشد. این مساله در مقایسه مدل ها در حوزه مکان بیشتر شرح داده خواهد شد. بنابراین می توان بیان کرد که دقت مدل های GRACE و GOCE از مدل EGM2008 در بازه فرکانسی میانی بیشتر است. در طول موج های کوتاه میدان ثقل (از درجه ۱۵۰ به بالاتر) خطای مدل GRACE به تدریج افزایش می یابد، درحالیکه مدل GOCE با دقت قابل قبولی ضرایب مربوط به این بازه فرکانسی را در بر دارد. این ویژگی مدل GOCE از حساسیت تکنیک گرادیومتری به طول موج های کوتاه میدان ثقل ناشی می شود و باعث می شود که مدل های مربوط به این ماهواره برتری خود را در این بازه فرکانسی نسبت به مدل های ماموریت GRACE آشکار سازند.
یکی از مهم ترین مشخصه های مدل های ماهواره ای خاص GOCE قدرت تفکیک مکانی بالاتر آنها نسبت به مدل های ماموریتهای پیشین CHAMP و GRACE می باشد. این واقعیت را می توان در شکل های ۷ و ۸ و ۹ مشاهده کرد که در آن آنومالی جاذبی در منطقه ایران برای هر یک از سه مدل نشان داده شده است. قدرت تفکیک مکانی بالاتر مدل ماهواره GOCE نسبت به دو مدل دیگر در اکثر مناطق مانند کوههای زاگرس و البرز و منطقه کرمان در این شکل به راحتی قابل تشخیص است.البته هنگام مقایسه مدل ماهواره GOCE با مدل GRACE باید به این نکته توجه داشت که مدل ماهواره GOCE با استفاده از تقریبا ۱٫۵ سال داده ولی مدل ITG-GRACE2010S با استفاده از ۷ سال داده ماهواره GRACE محاسبه شده است.
علاوه بر دو ارزیابی انجام شده در بالا مقایسه مدل های ماهواره ای خاص GRACE و GOCE با مدل های ژئوپتانسیل ترکیبی اخیر در حوزه مکان نتایج جالبی را نشان می دهد که پتانسیل این ماموریت ها علی الخصوص GOCE را به خوبی نمایان می سازد. شکل های ۹ و۱۰ اختلاف ارتفاع ژئوئید بین مدل های GOCE و GRACE را با مدل EGM2008 نشان می دهند.شکل ۹ نشان می دهد که GOCE و EGM2008 در مناطق اقیانوسی، اروپا، آمریکای شمالی و شمال آسیا سازگاری بالایی از خود نشان می دهند.قابل ذکر است که GOCE در این مناطق ژئوئید با قدرت تفکیک مکانی بالا ارائه می دهد که مستقل از داده های ارتفاع سنجی ماهواره ای می باشد. بنابراین می توان آنرا در محاسبه جریانات دریایی و یکسان سازی دیتوم ها به کار گرفت.
شکل ۶- اختلاف وریانس درجه بین مدل EGM2008 و مدل های ژئوپتانسیل CHAMP , GRACE و GOCE
شکل ۷- آنومالی جاذبی محاسبه شده از مدل ژئوپتانسیل CHAMP در منطقه ایران
شکل ۸- آنومالی جاذبی محاسبه شده از مدل ژئوپتانسیل GRACE در منطقه ایران
شکل ۹- آنومالی جاذبی محاسبه شده از مدل ژئوپتانسیلی GOCE در منطقه ایران
شکل ۱۰- اختلاف ارتفاع ژئوئید بین مدل GOCE و مدل EGM2008 تا درجه و مرتبه ۲۵۰
شکل ۱۱- اختلاف ارتفاع ژئوئید بین مدل GRACE و مدل EGM2008 تا درجه و مرتبه ۱۸۰
در آمریکای جنوبی،آفریقا و هیمالیا اختلاف ژئوئید به بیشینه مقدار خود می رسد که نشان دهنده کیفیت و دقت پایین داده های زمینی مورد استفاده در این مناطق در مدل EGM2008 می باشد.باید توجه شود که اثر داده های زمینی با کیفیت پایین در اختلاف ارتفاع ژئوئید بین جدیدترین مدل ماهواره GRACE , ITG-GRACE2010S و مدل EGM 2008 هم قابل تشخیص می باشد اما این اثر در مدل مربوط به ماهواره GOCE خیلی بیشتر قابل تشخیص است، چراکه طول موج های کوتاه مدل GRACE به دلیل نوارهای نصف النهاری و خطای aliasing از دقت پایین تری برخوردارند. واضح است که اثر این داده های کم دقت زمینی در اختلاف ارتفاع ژئوئید بین مدل های GRACE و GOCE قابل مشاهده نمی باشد.
? نتیجه گیری
امروزه با پرتاب ماهواره های اختصاصی ثقل سنجی CHAMP, GRACE و GOCE مدل های ژئوپتانسیل با دقت و قدرت تفکیک مکانی بالا تولید شده اند. دراین مقاله ابتدا به صورت اجمالی ویژگی ها و تکنیک های فضایی به کار رفته در هریک از این ماهواره ها بررسی شده است؛سپس براساس آخرین مدل های ژئوپتانسیل ماهواره ای خاص ارائه شده با استفاده از مشاهدات این ماهواره ها به ارزیابی و مقایسه این ماموریت ها پرداخته شده است.
ارزیابی طیفی نشان می دهد که در طول موج های بلند میدان ثقل مدل ماهواره GRACE از مدل های ماهواره های CHAMP و GOCE دقت بالاتری دارد. در طول موج های میانی (از درجه ۸۰ تا ۱۴۰) مدل های دو ماهواره اخیر کارایی و دقت یکسانی دارند و درنهایت GOCE در طول موج های کوتاه میدان ثقل خیلی بهتر از GRACE عمل می کند.این ارزیابی مکمل بودن ماموریت های GRACE و GOCE را نشان میدهد. بنابراین با ترکیب مشاهدات این دو ماهواره می توان به مدل های ژئوپتانسیلی دست یافت که در تمامی بازه های فرکانسی دقت بالایی داشته باشند.
مقایسه کمیت های محاسبه شده از این مدل ها قدرت تفکیک مکانی بالاتر مدل GOCE را نسبت به مدل های دیگر آشکار می سازد. علاوه بر این، یکی از مهمترین نتایجی که از مقایسه مدل های این ماهواره ها با مدل های ژئوپتانسیل ترکیبی موجود بدست می آید، کشف وجود مشاهدات با کیفیت پایین در بعضی مناطق در این مدل های ترکیبی موجود می باشد. این مساله به خوبی می تواند به کشف نقاط ضعف و بهبود مدل های ژئوپتانسیل موجود کمک کند. درپایان می توان نتیجه گرفت که دانش ما در زمینه میدان ثقل زمین پس از این سه ماموریت ماهواره ای پیشرفت چشمگیری یافته است.
