[论文解读] On the orbit of the LARES satellite

Ignazio Ciufolini|ArXiv.org|Sep 20, 2006

Geophysics and Gravity Measurements参考文献 4被引用 8

一句话总结

本文研究了在低地球轨道（1000–2000 公里）且近乎极地倾角的条件下，利用 LARES 卫星测量 Lense-Thirring 效应的可行性。通过结合 LARES、LAGEOS 和 LAGEOS-2 的轨道交点章动，证明了地球偶阶带谐球谐项引起的不确定性可被最小化；在使用改进的重力模型时，Lense-Thirring 效应的测量精度可达约 3–5%，表明低轨道、低成本发射具有可行性。

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.

研究动机与目标

• 评估是否可使用低成本运载火箭将 LARES 发射至远低于原计划（12,270 公里）的低轨道（1000–2000 公里）。
• 评估轨道高度降低对 Lense-Thirring 效应测量精度的影响，特别是地球偶阶带重力谐球谐项不确定性的影响。
• 确定 LARES 的最优轨道倾角，以最小化重力和潮汐扰动引起的误差。
• 研究在低轨道条件下，粒子阻力和时变潮汐（如 $K_1$）是否会对测量产生显著影响。
• 确认三颗激光测距卫星（LARES、LAGEOS、LAGEOS-2）的轨道交点章动组合可有效消除前 N-1 个偶阶带谐球谐项引起的长期误差。

提出的方法

• 本研究利用 LARES、LAGEOS 和 LAGEOS-2 的轨道交点章动速率组合，以消除地球偶阶带谐球谐项（$J_2$、$J_4$、$J_6$、$J_8$、$J_{10}$）引起的主导长期效应。
• 在假设偏心率为零的前提下，将 Lense-Thirring 效应的不确定性建模为 LARES 半长轴和轨道倾角的函数，并使用 EIGEN-GRACE02S 重力模型系数。
• 分析包括时变重力场的影响，特别是 $K_1$ 振球潮汐，该影响通过在 3 年轨道交点周期内进行拟合以降低其不确定性。
• 假设存在小偏心率（例如 0.01）来评估粒子阻力的影响，结果表明阻力引起的轨道交点偏移与偏心率成正比，对近圆轨道可忽略不计。
• 通过在 INFN Frascati 进行的精确卫星和角反射器热特性表征，将热阻力不确定性降至最低。
• 该方法依赖于：对于圆形轨道，阻力引起的轨道交点章动在轨道周期内平均为零，且在低偏心率轨道中仍保持较小。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 1000–2000 公里的低轨道中，LARES 是否仍能实现对 Lense-Thirring 效应的精确测量，尽管轨道高度降低？
• RQ2 LARES 的何种轨道倾角可使地球偶阶带谐球谐项不确定性引起的误差最小化？
• RQ3 时变潮汐（特别是 $K_1$ 潮汐）如何影响测量结果？是否可被有效缓解？
• RQ4 在低轨道条件下，粒子阻力和热阻力扰动对轨道交点章动测量精度的退化程度如何？
• RQ5 三颗激光测距卫星（LARES、LAGEOS、LAGEOS-2）的轨道交点章动组合是否能有效抵消前 N-1 个偶阶带谐球谐项的长期效应？

主要发现

• 在约 1500 公里高度的近乎极地轨道中，LARES 可实现对 Lense-Thirring 效应约 3–5% 的测量精度。
• 轨道倾角偏离极地方向约 4°（即约 86° 或 94°）时，可使偶阶带谐球谐项误差引起的不确定性最小化。
• $K_1$ 潮汐效应可通过在 3 年周期内进行拟合，有效降低其不确定性至可忽略水平。
• 对于近圆轨道（e=0），粒子阻力对轨道交点章动的影响可忽略不计；即使在 e=0.01 时，其影响仍较小，这是由于其与真近点角的正弦依赖关系。
• 通过精确表征卫星和角反射器的热特性，热阻力不确定性可被显著降低，从而减小其对测量的影响。
• 使用 GRACE 衍生的重力模型（如 EIGEN-GRACE02S）可显著降低地球重力场不确定性，使即使在较低轨道也能实现高精度测量。