[论文解读] On the impact of the atmospheric drag on the LARES mission

Lorenzo Iorio|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2008

Geophysics and Gravity Measurements参考文献 4被引用 7

一句话总结

本文研究了在1450公里高度的LARES卫星上，中性与带电大气阻力如何引起其轨道倾角的长期衰减，该衰减与地球重力带谐波（尤其是J₂）发生耦合，导致轨道节点进动每年产生3%至9%的系统性偏差。这一偏差可能降低Lense-Thirring效应测量所宣称的1%精度，对5至10年观测期内的数据分析构成重大挑战。

ABSTRACT

The goal of the recently approved space-based LARES mission is to measure the general relativistic Lense-Thirring effect in the gravitational field of the spinning Earth at a repeatedly claimed 1% accuracy by combining its node Omega with those of the existing LAGEOS and LAGEOS II laser-ranged satellites. In this paper we show that, in view of the lower altitude of LARES (h=1450 km) with respect to LAGEOS and LAGEOS II (h\approx 6000 km), the cross-coupling between the effect of the atmospheric drag, both neutral and charged, on the inclination of LARES and its classical node precession due to the Earth's oblateness may induce a 3-9% year^-1 systematic bias on the total relativistic precession. Since its extraction from the data will take about 5-10 years, such a perturbing effect may degrade the total accuracy of the test, especially in view of the large uncertainties in modeling the drag force.

研究动机与目标

• 评估非保守摄动（尤其是大气阻力）对LARES任务实现1%精度测量Lense-Thirring效应的影响。
• 研究大气阻力引起的倾角变化与地球扁率（J₂, J₄）导致的经典节点进动之间的交叉耦合。
• 量化由此产生的节点进动速率系统性误差，该误差可能降低5至10年数据分析窗口内相对论信号的提取精度。
• 评估热效应（如Rubincam力）是否可能进一步导致倾角漂移，并使校正策略更加复杂。

提出的方法

• 在1450公里高度对LARES的气动阻力进行建模，包括中性和带电分量，以估算其对轨道倾角的长期影响。
• 应用Kaula（1966）的交叉耦合形式：δΩ̇_I^obl ≤ |∂Ω̇_ℓ/∂I| × Jₗ × δI，其中δI为阻力引起的倾角变化。
• 使用Lense-Thirring效应的节点进动速率公式：Ω̇_LT = 2GL/(c²a³(1−e²)^1.5)，并与J₂和J₄的古典进动进行比较。
• 通过将阻力驱动的倾角变化与J₂进动对倾角的敏感性相结合，估算总节点进动中产生的偏差量级。
• 利用公式⟨dI/dt⟩ = −A_Rub/(8na) × sinθ × sin(2I) × (3σ_z² − 1)评估Rubincam热效应对倾角的影响。
• 评估在未事先联合估计倾角与节点参数的前提下，是否可行对倾角变化进行校正而不影响Lense-Thirring信号的测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 LARES上的大气阻力在多大程度上引起其轨道倾角的长期变化？
• RQ2 由此产生的倾角漂移如何与地球的J₂和J₄重力带谐波交叉耦合，从而对节点进动速率造成偏差？
• RQ3 由于这种交叉耦合，节点进动速率的系统性误差有多大？其对Lense-Thirring测试1%精度目标有何影响？
• RQ4 Rubincam热效应对倾角的影响是否可忽略，还是会对同一偏差产生显著贡献？
• RQ5 在不降低Lense-Thirring信号测量精度的前提下，是否可行对倾角变化进行校正？

主要发现

• 大气阻力在LARES上引起轨道倾角的长期衰减，该衰减与J₂引起的节点进动发生耦合，产生系统性偏差。
• 由此产生的节点进动速率偏差达到总相对论性Lense-Thirring进动信号的每年3%至9%。
• 该效应的成因在于J₂进动速率对倾角敏感（通过∂Ω̇_J₂/∂I），而阻力引起δI ≠ 0，从而导致δΩ̇_I^obl ∝ |∂Ω̇_J₂/∂I| × δI。
• 由于LARES轨道高度较低（1450公里），大气阻力强于LAGEOS和LAGEOS II（6000公里），该效应尤为严重。
• 由于阻力建模存在不确定性，该偏差极难校正，尤其是在5至10年的数据分析周期内。
• Rubincam热效应也可能引起约0.7 mas yr⁻¹的长期倾角变化，尽管其量级可能小于阻力效应，且目前尚未与其他轨道参数联合估算。