بازیابی سیگنال های جاذبی پتانسیل زمین (ژئوپتانسیل) و تغییرات زمانی آنها در مقیاس های جهانی نیاز به اندازه گیری های ماهواره ای دارد. تا پیش از پرتاب CHAMP در سال ۲۰۰۱ و به ویژه GRACE در سال ۲۰۰۲, مدل های ژئوپتانسیل و تغییرات زمانی پتانسیل توسط ماهواره هایی نظیر LAGEOS با فاصله یابی لیزری میان ماهواره و ایستگاه های زمینی امکان پذیر بود. ارتفاع مدار ماهواره LAGEOS, شش هزاز کیلومتری از سطح زمین می باشد.
با آغاز ماموریت جاذبه سنجی ماهواره های GRACE درسال ۲۰۰۲ فصل تازه ای در مطالعه مسیر های انتقال جرم در اطراف کره زمین, با مشخص کردن اینکه چه میزان جرم در حال حرکت است و چگونه درطول زمان تغییر میکند؛ گشوده شد. هدف اولیه از این ماموریت ، دریک دوره زمانی ۵ ساله, به دست آوردن مدل های جهانی ژئوپتانسیل در قالب مجموعه مولفه های هارمونیک کروی و درعین حال تعیین تغییرات زمانی میدان ژئوپتانسیل می باشد. دومین هدف از مطالعه اتمسفر زمین از طریق تکنیکی به نام GPS limb sounding در وضعیت occultation می باشد. برای درک بهتر ماهواره های گریس و کاربردهای آن؛ مطالعه مفاهیمی چون پتانسیل جاذبی زمین و نیروهای جاذبی وغیر جاذبی وارد بر ماهواره همواره ضروری می باشد.
ماهواره های گریس (GRACE)
پروژه gravity recovery and climate experiment یا به اختصار GRACE, یکی از ماموریت های ماهواره ای که به منظور تعیین میدان جاذبی زمین طراحی شده است, با کار مشترک میان NASA و DLR ساخته شده و در ۱۷ مارچ ۲۰۰۲ ایستگاه پلستیک در روسیه به فضا پرتاب شده است.
هدف اولیه از این ماموریت ,در یک دوره زمانی ۵ ساله , به دست آوردن مدل های جهانی میدان پتانسیل جاذبی زمین یا ژئوپتانسیل و تغییرات آن در طول زمان می باشد, چنین مدل هایی میتوانند ورودی مورد نیاز برای علومی چون: اقیانوس شناسی , اب شناسی , یخ شناسی و پوسته جامد زمین را تامین نمایند. دومین هدف از ماموریت ماهواره ای GRACE مطالعه اتمسفر زمین از طریق تکنیکی به نام GPS limb sounding می باشد؛ دانشمندان با استفاده ازاین تکنیک که به occultation معروف است؛ میزان شکسته شدن امواج GPS را به دلیل عبور از لایه های اتمسفر و یونسفر ؛تعیین نموده و سپس با دو پارامتر TEC و اندکس شکست تولید شده از این لایه ها به پروفیل های اتمسفری چون فشار, دما و رطوبت دست می یابند.
ماهواره های دوقلو GRACE
هر دو ماهواره GRACE دریک مدار قطبی و تقریبا کروی در ارتفاع ۳۰۰-۵۰۰ کیلومتر از سطح زمین و به فاصله ۵۰+- ۲۲۰ کیلومتر از یکدیگر در حال پرواز می باشند. تغییرات فاصله نسبی میان دو ماهواره P با دقت یک میکرومتر بر ثانیه به صورت پیوسته به وسیله سیستم KBR تعبیه شده در ماهواره ها ,اندازه گیری می شوند.
مدارهای ماهواره های GRACE
در ضمن هر کدام از ماهواره ها دارای گیرنده GPS می باشند که امکان تعیین دقیق مدار را فراهم نموده و همچنین مجهز به یک شتاب سنج با دقت ۱۰^-۱۰ متر بر مجذور ثانیه می باشد تا شتاب های غیر جاذبی وارد بر ماهواره همچون کشش اتمسفر ,فشار ناشی از تشعشعات خورشیدی و … را اندازه گیری نماید. سیستم منعکس کننده لیزر نصب شده در هردو ماهواره امکان کالیبراسیون خارجی گیرنده های GPS را فراهم نموده و علاوه بر آن با ترکیب مشاهدات حاصل از فاصله یابی لیزری از زمین با مشاهدات GPS تعیین دقیق تر مدار ماهواره را امکان پذیر مینمایند. سیستم GPS موجود در ماهواره های گریس,ساختار این ماموریت را ترکیبی از هر دو روش low-low و high-low از روش های فضا به فضا در مطالعه میدان جاذبه زمین؛ تبدیل نموده است.
ساختار ماهواره های GRACE
هرکدام از ماهواره های گریس به عرض ۱۹۴۲ میلیمتر,طول ۳۱۲۳ میلیمتر,ارتفاع ۴۲۰میلیمتر و جرم ۴۷۸ کیلوگرم می باشند.نمای درونی, بیرونی و زیرین یکی از ماهواره های گریس در شکل های بعدی نشان داده شده اند.
نمای درونی یکی از ماهواره های گریس
از جمله مهمترین تجهیزات به کار رفته در ساختار ای ماهواره ها عبارتند از:
- KBR
k-band ranging system = KBR
این سیستم یکی از اصلی ترین قسمت های علمی گریس میباشد که به کمک امواج مایکروویو که بین دو ماهواره منتشر می شود , تغییرات فاصله بین دو ماهواره را بادقتی در حدود یک میکرومتر برثانیه اندازه گیری می نماید و در پایان تغییرات میدان جاذبه از روی این مشاهدات, حاصل خواهد شد. جهت حذف خطای یونوسفری, امواج ارسالی از دوماهواره , با فرکانس های مختلف به یکدیگر فرستاده میشوند. این سیستم شامل قسمت های زیر می باشد:
- Ultra-stable oscillator: فرکانس مورد نیاز را برای سیستم فاصله سنجی مایکروویو تولید می نماید.
- K-band ranging horn: سبب انتقال و دریافت سیگنال های K-band (۲۴گیگا هرتز)و ka-band (32گیگا هرتز) میان دو ماهواره می شود.
- Sampler:به ساده سازی فازهای حامل K و ka می پردازد.
- Instruments processing unit:این قسمت توابع مور نیاز برای پردازش سیگنال های رقومی حاصل از سیستم K-band و ka-band و GPS و همینطور سیگنال های حاصل از سیستم عکس برداری از ستارگان را فراهم می آورد.
نمای زیرین یکی از ماهواره های گریس
۲٫ S-band boom
اطلاعات از طریق امواج رادیویی s-band از ماهواره به ایستگاه های زمینی فرستاده می شوند.
۳٫ super star accelometers
شتاب های غیرجاذبی وارد بر ماهواره را به دقت اندازه گیری می نماید.
۴٫ center of mass trim assembly
این سیستم در طول پرواز مرکز ثقل ماهواره را برمرکز ثقل شتاب سنج منطبق می نماید.
۵٫ coarse erth and sun sensor
از این سیستم هنگامی که جمع آوری داده های گریس به تازگی آغاز شده بود به منظور زیر نظر گرفتن زمین و خورشید استفاده میشد.
۶٫ black- jack GPS receiver
به منظور تعیین دقیق مدار ماهواره تعیین موقعیت لحظه ای ماهواره توسط ماهواره های GPS موجود در فضا و همینطور بدست آوردن پروفیل های اتمسفری با استفاده از تکنیک occultation استفاده می شود.
۷٫ laser retro-reflective assembly
اندازه گیری فاصله ماهواره را از شبکه های زمینی امکان پذیر می نماید.
