„Не вярвай на морската тишина: морето е тихо, докато стоиш на брега.“

В публикацията се разглежда използването на лазерни методи и средства за мониторинг на аномалии в гравитационното поле на Земята и гравитационни деформации на геоида. Комплексът за получаване на данни за тази цел съдържа пасивни ниско орбитални лазерни спътници (сонди), активни лазерни геодезични спътници, мрежа от наземни точки за стандартизиране на гравиметричен модел на базата на радиолазерни станции и високоточни гравиметри (градиентометри).

Най-голямо влияние върху движението на нискоорбиталните космически кораби сред негравитационните фактори има атмосферното спиране. Ускорението на атмосферното забавяне е почти ортогонално на гравитационното ускорение, т.е. влиянието му върху оценката на промяната в обхвата до пасивен спътник е минимално за квазивертикално сондиране. Средната стойност на това ускорение (не е повече от 10^-9 м/с² ) и промените му по време на сондажната сесия се вземат предвид в добре познатите програми на динамичния метод за наблюдение на геодинамични аномалии (GRAPE; LENTA; Geo-IS). ).

За да се оценят промените в атмосферната плътност и скоростите на атмосферния поток при височини на полета на космически кораби с ниска орбита, по косвени данни (температура, индекс на слънчева активност, геомагнитен индекс и т.н.), са общо достъпни в публичното пространство атмосферните модели HWM107; DTM-2013 и др.

За да се сведе до минимум влиянието на негравитационните фактори, е препоръчително да се калибрират пасивните сателити, когато летят над геофизични полигони. Операцията по калибриране трябва да включва:

– привързване към едни и същи моменти от време на измерванията на тримерна позиция (траектория) на пасивен спътник, високоточно определяне на гравитационното поле чрез наземни и морски полигони за гравиметрия, както и текуща лазерно-радиотехническа сателитна алтиметрия на морския полигон;

– идентифициране на влиянието на негравитационни фактори върху траекторията на пасивен спътник по време на калибриране;

– локална статистическа интерполация на вариациите на остатъчната плътност на атмосферата над зоната на изследване на гравитационната аномалия въз основа на моделиране на стойностите на ковариационната функция на случайни промени в плътността на атмосферата, като се вземе предвид стандартизацията на модела при прелитане над геодезически полигони (преди и след предполагаемите сесии за контрол на аномалии).

Мониторингът на формата на геоида с поддециметрова точност се извършва с помощта на лазерно-радиотехническо оборудване.

Методът на високопрецизната лазерно-радиотехническа морска геодезия се основава на решаването на следните измервателни и комуникационни задачи:
– алтиметрия на повърхността на океана, базирана на измерване на средното разстояние до повърхността на океана и височината на отделните вълни с точност до сантиметър;
– квазиедновременно (с точност до микросекунди) съвместно измерване на височината над океана и междуспътниковите разстояния (с подсантиметрова точност) в съзвездие от нискоорбитални геодезически спътници (НГС);
– високоточна ориентация на инструменталните системи на координатната лазерна апаратура на НГС чрез: астроизмервания; намиране на посока; лазерни излъчватели на „съседни“ спътници на нискоорбитални геодезични и навигационни средноорбитални съзвездия; вътрешнообектно координиране на координати на нискоорбитални геодезически спътници;

– високо прецизно определяне на местоположението на геодезически спътници чрез лазерни измервания на разстояние спрямо навигационния космически кораб (НКА) на системата GLONASS, оборудвана с активни лазерни съоръжения (по-специално спътници «Глонасс-К2») и наземни лазерни мрежови станции (контролно-измервателни комплекси – КИК);
– бързо предаване до наземния център (НЦ) на данни от океански мониторинг чрез лазерни измервателни и комуникационни и радиокомуникационни канали: «НГС – НКА», «НКА – НКА», «НКА – КИК», а также «НГС – НГС», и «НГС – КИК».

Общата схема на свързаните с измерване канали на метода за многосателитна алтиметрия на океана е показана на рис. 3, където:
НГС – нискоорбитален геодезически спътник;
НКА – навигационен космически апарат на орбиталната група (ОГ) на системата ГЛОНАСС;

СНОП_ГС – лазерна система за наземна опорна точка на геодезическата мрежа,
използвани в ГСМ ГПЗ;
1k, 2k, 3k, 4k – референтни точки на океанската геодезическа мрежа с висока точност (ОГС);
H_ik– разстояния, измерени от лазерно-радиотехническия алтиметър до повърхността (до опорните точки на ОГС);

r_m – междуспътникови разстояния на спътниците ГЛОНАСС, измерени с бордови лазерни средства;
r_ОПij – разстояние между референтните точки на ОГС (изчислено на базата на: лазерни измервания на междуспътникови разстояния в орбиталното съзвездие на НГС; фиксиране на посоката на сондиране на океана с алтиметричен лазерен сигнал спрямо бордовата астрокоординатна основа; високо- прецизни далекомерни измервания на висотомери);
R_ГСij – междуспътниково разстояние „НГС_i – НГС_j„, което се измерва с лазерни средства;
R_Hkl – обхват на навигационния лазер с двойно излъчване (и/или радиотехнически псевдообхват) между k-я НГС и l-я НКА;
r_МНij – разстоянието между i-та океанска и j-та референтни точки на глобалната геодезическа мрежа, използвана в интерес на ГСМ ГПЗ (изчислено на базата на измерване на разстояния по двоен път между сателитите НГС и наземната точка с помощта на алтиметър данни и междусателитни измервания в ОГ ГНС);

D_ij – двупътно разстояние, измерено от квантовата оптична система СНОП_i до НГС.

Рис. 3. Обща схема на измервателно-комуникационните канали на метода на много сателитната океанска алтиметрия (поясненията са в текста)

Квазипостоянен лазерен контрол на междусателитните разстояния в ОГ НГС и периодична лазерна навигация на НГС в локално създадено лазерно навигационно поле от обещаваща глобална навигационна спътникова система ГНСС (по-специално работещи съзвездия от КА на Глонас-К2) предоставя възможност за използване за създаване и наблюдение на ОГС както високопрецизна висотомерна сателитна триангулация, така и динамични методи за мултисателитна гравиметрична геодезия. В Русия са създадени няколко поколения бордови лазерни висотомери за топографски спътници. Данните от тези висотомери се използват за обвързване и калибриране на топографски сателитни изображения във височина. Най-добрите условия за работа на лазерния алтиметър НГС могат да бъдат създадени чрез разполагане на съзвездието НГС в слънчево-синхронни орбити (Н = 600–800 км). В този случай е възможно да се осигури мониторинг на ОГС алтиметрия изключително през нощта с най-малко фонов шум.

За осъществяване на многосателитен мониторинг на ОГС на НГС е целесъобразен следният състав на оборудването:
– лазерно-радиотехнически алтиметричен комплекс;
– междуспътников лазерен навигационно-комуникационен комплекс;
– астросистема;
– лазерна вътрешнообектна координатна система;
– оптична ретрорефлекторна система.

Мониторингът на разстоянието между референтната точка на океанската геодезическа решетка и референтната точка на наземната геодезическа решетка, както и между референтните точки на наземната решетка, може да се извършва с помощта на сателити на НГС. Схемата за лазерно и радио сондиране на океана е показана на рис. 4,
където НГС – нискоорбитален геодезически спътник;
H_j – височина на полета на спътника над средното ниво на океана, измерена с радиовисотомер;
r_j – е разстояние до водната повърхност, измерено с лазерен далекомер;
r_ij – разстояние между сателитите, измерено с лазерни средства;
ППО – подводен пасивен транспондер;
τ_Л – продължителност на лазерния импулс τ_Л ( 0,1 3,0 ) нс;
τ_ФР – еквивалентна продължителност на предния фронт на радиоимпулса τ_ФР (0,2 15) нс;
θ_Р – ширина на лъча на радиотехническия висотомер Δθ_{Р =} (2–10).10^-2 рад;
Δθ_Л – ширина на лъча на лазерния далекомер Δθ_{Л =} (0,1-1,0 ).10^-4 рад.

Основните технически параметри на висотомера, които определят неговите тактически характеристики, като разделителна способност по височина и в план, скорост и плътност на снимката, точност на координатния репер и др., са: продължителност на импулса, ширина на лъча, точност на ориентация (определяне на посоката на сондиране), обхват, честота на повторение на пробните импулси.

Рис. 4. Схема на лазерно и радио сондиране на океана (пояснения – в текста)

Предните фронтове на радарните сигнали се формират от отражения на сферична радиовълна от най-близките елементарни цели (фрагменти от водната повърхност), перпендикулярни на посоката на разпространение на излъчването. Средната стойност на закъсненията на предния фронт на приетите (отразени) радиосигнали спрямо излъчените характеризират средната височина на полета над средното морско ниво. Морската вълна води до произволни измествания на предния ръб. Оценката на дисперсиите на изместванията на предния фронт на радиосигнала позволява да се определи средната височина на океанската вълна в зоната на сондиране.
Диаметърът на петното на сферична радиовълна на повърхността на океана е няколко и десетки километра, така че радиовисотомерът не е подходящ за изследване на вълновата топология. По същата причина е невъзможно да се определят точно планираните координати на надморската височина на подспътниковата точка.

Оценките на височината на полета трябва периодично да се променят (калибриране на висотомера), за да се компенсира изместването на центъра на обхвата (фазовия център на антената на висотомера) спрямо центъра на масата на спътника. Диаметърът на петното на лазерен далекомер на повърхността на океана е с около три порядъка по-малък от този на радиовисотомер. Посоката на излъчване на лазерния лъч може да се определи на борда на спътника с микрорадианова точност. Резултатите от измерването могат да бъдат обвързани с радиус вектора на сателита с подсантиметрова точност на продължителността и микрорадианова точност на ъгловите координати. Отразеният лазерен сигнал съдържа суперпозиция на отражения в предно огледало от елементарните фасети на водната повърхност, които могат да бъдат записани с времева разделителна способност, близка до продължителността на сондиращия импулс (т.е. разделителната способност на обхвата може да достигне няколко сантиметра).

Използването на високоточен лазерен далекомер за геодезически мониторинг на океана ще осигури:
– определяне на координатите на подсателитни точки с точност, достатъчна за организиране на геодезическа океанска мрежа;
– калибриране на радиовисотомер с подсантиметрова точност;
– определяне на ъгъла между средната геодезическа височина на полета и посоката към геоцентричната подспътникова точка, което ще намали загубата на точност на навигационни и геодезически данни по време на съответните междукоординатни преходи;
– оценка на вълновия профил на океана и практическата радарна грапавост на океанската повърхност, от която зависят енергийните и точните характеристики на обратно разсеяното лъчение на радиовисотомера.

Със съчетаването на силно насочен астролазер (т.е. с посока на сондиране, свързана с астрономически ориентири) обхват и радиотехническа алтиметрия са постижими качествено нови резултати от изучаването на динамичните и геодезически параметри на Океана. Висока (единици сантиметри) точност на радиовисотомера може да бъде постигната само въз основа на усредняване на голям (> 1000) брой радиоизмервания на височина за интервали от време t 1 s . През това време надирната точка се измества с няколко километра (при височина на полета около 1000 км – поне с 5,8 км), което налага въвеждането на високоточни балистични корекции при обработката на радиоизмерванията. В лазерния канал за измерване на обхвата сантиметрова точност може да се постигне с едноимпулсно измерване. В този случай обаче времето за разпространение на сигнала е единици и десетки милисекунди, т.е. и в далекомерни системи е
необходимо да се въведат балистични корекции на сантиметрова точност.

Заключение.
Използването на лазерни методи за определяне на разстоянието с подсантиметрова точност в схемата на измерване „високоактивен спътник – нископасивен сондажен спътник“ е целесъобразно за наблюдение на гравитационното поле на Земята с разделителна способност десетки метри.
За да се наблюдава деформацията на геоида с точност до сантиметър, препоръчително е да се използва многосателитна констелация от нискоорбитални геодезични спътници, всеки от които е оборудван с: – лазерни и радиотехнически висотомери; – лазерна система за междуспътникови измервания; – астросистема и лазерно оборудване на потребителя ГЛОНАСС.