[논문 리뷰] On the orbit of the LARES satellite

Ignazio Ciufolini|ArXiv.org|2006. 09. 20.

Geophysics and Gravity Measurements참고 문헌 4인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 LARES 위성이 저지구궤도(1000–2000 km)에서 위상경사가 약 90도인 궤도를 도는 조건에서 레인-시르링 효과를 측정할 수 있는지의 가능성을 조사한다. LARES, LAGEOS, LAGEOS-2의 절두진동률을 조합함으로써 지구의 짝수 단극형 중력항($J_2$, $J_4$, $J_6$, $J_8$, $J_{10}$)에 기인한 불확실성을 최소화할 수 있으며, 향상된 중력모델을 사용할 경우 레인-시르링 효과를 약 3–5%의 정확도로 측정할 수 있다. 이는 저고도, 저비용 발사가 실현 가능하다는 것을 의미한다.

ABSTRACT

This paper is motivated by the recent possibility to find an inexpensive launching vehicle for the LARES satellite, however at an altitude much lower than originally planned for the LAGEOS III/LARES satellite. We present here a preliminary error analysis corresponding to a lower, quasi-polar, orbit, in particular we analyze the effect on the LARES node of the Earth's static gravitational field, and in particular of the Earth's even zonal harmonics, the effect of the time dependent Earth's gravitational field, and in particular of the K1 tide, and the effect of particle drag.

연구 동기 및 목표

• 원래 계획된 궤도(12,270 km)보다 훨씬 낮은 고도(1000–2000 km)에서 저비용 로켓을 활용해 LARES를 발사할 수 있는지의 가능성을 평가하는 것.
• 저궤도에서의 궤도 고도 감소가 지구의 짝수 단극형 중력항에 기인한 불확실성으로 인해 레인-시르링 효과 측정 정확도에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 중력 및 tidal 교란에 의한 오차를 최소화하는 LARES의 최적 궤도 기울기를 결정하는 것.
• 저고도에서 입자 항력 및 시간에 따라 변화하는 tidal(예: $K_1$)이 측정에 상당한 영향을 미치는지 조사하는 것.
• 세 대의 레이저 레인지드 위성(LARES, LAGEOS, LAGEOS-2)의 절두진동률 조합이 첫 번째 몇 개의 짝수 단극형 중력항에 기인한 비주기적 오차를 효과적으로 상쇄시킬 수 있는지 확인하는 것.

제안 방법

• 지구의 짝수 단극형 중력항($J_2$, $J_4$, $J_6$, $J_8$, $J_{10}$)에 기인한 주요 비주기적 영향을 상쇄시키기 위해 LARES, LAGEOS, LAGEOS-2의 절두진동률 조합을 사용한다.
• LARES의 반장경과 궤도 기울기를 변수로 하여 레인-시르링 효과의 불확실성을 모델링하며, 타원도가 0인 조건에서 EIGEN-GRACE02S 중력모델 계수를 사용한다.
• 시간에 따라 변화하는 중력장의 영향, 특히 $K_1$ 테세랄 조석을 고려하며, 3년간의 절두진동 주기 동안 이를 적합시켜 불확실성을 최소화한다.
• 입자 항력 영향은 소규모 타원도(예: 0.01)를 가정하여 평가하였으며, 그 결과 항력에 기인한 절두진동은 타원도에 비례하고, 거의 원형 궤도에서는 무시할 만큼 작다.
• 열항력 불확실성은 INFN 프라카티에서 수행한 바와 같이 위성 및 후방반사체의 정밀한 열특성 분석을 통해 최소화된다.
• 이 방법은 원형 궤도에서 항력에 기인한 절두진동 평균이 0이 되며, 낮은 타원도 궤도에서도 여전히 작다는 사실에 기반한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1000–2000 km의 저고도 궤도에서 LARES가 여전히 레인-시르링 효과를 정밀하게 측정할 수 있는가?
• RQ2 지구의 짝수 단극형 중력항 불확실성에 기인한 오차 기여도를 최소화하는 LARES의 궤도 기울기는 무엇인가?
• RQ3 시간에 따라 변화하는 조석(특히 $K_1$ 조석)은 측정에 어떤 영향을 미치며, 이를 완화할 수 있는가?
• RQ4 입자 항력 및 열항력 교란이 저고도에서 절두진동 측정 정확도를 어느 정도 떨어뜨리는가?
• RQ5 세 대의 레이저 레인지드 위성의 절두진동률 조합이 첫 N-1개의 짝수 단극형 중력항에 기인한 비주기적 영향을 효과적으로 상쇄시킬 수 있는가?

주요 결과

• 약 1500 km 고도의 준극궤도에서 LARES를 운용할 경우, 약 3–5%의 정확도로 레인-시르링 효과를 측정하는 데 적합하다.
• 극방향에서 약 4도 기울인 궤도 기울기(즉, 약 86도 또는 94도)가 짝수 단극형 중력항 오차의 불확실성을 최소화한다.
• $K_1$ 조석 효과는 3년 주기 동안 적합시켜 불확실성을 측정에 영향을 주지 않을 정도로 낮출 수 있다.
• 근원형 궤도(e=0)에서는 입자 항력이 절두진동에 미치는 영향이 무시할 만큼 작고, e=0.01일 경우에도 진동수의 사인함수적 의존성 덕분에 여전히 작다.
• 위성 및 후방반사체의 정밀한 열특성 분석을 통해 열항력 불확실성을 최소화하여 측정에 미치는 영향을 줄일 수 있다.
• GRACE 기반 중력모델(EIGEN-GRACE02S 등)을 사용함으로써 지구 중력장에 기인한 불확실성이 크게 감소하여, 낮은 고도에서도 고정밀 측정이 가능해진다.