CHAMP

CHAMP (Challenging Minisatellite Payload) – satelita geo-naukowy (geologiczny, geofizyczny...) wystrzelony w lipcu 2000 roku z rosyjskiego kosmodromu. Niska orbita o początkowej wysokości lotu 452 km. Inklinacja orbity sprawia, że przelatuje nad biegunami, jest uzupełnieniem systemu GPS bowiem dostarcza danych z niezbadanych dotychczas obszarów.

Charakterystyka misji

• Rakieta nośna/miejsce startu: Kosmos 11K65M/kosmodrom Plesetsk, Rosja
• Parametry orbity: 421 × 475 km; 87,2°
• Czas trwania: 15 lipca 2000 – 19 sierpnia 2010
• Masa: masa całk. 500 kg, w tym 30 kg ładunku

Ładunek

• magnetometr wektorowy
• magnetometr skalarny
• cyfrowy miernik dryftu jonów
• kamera gwiazdowa
• ogniwa słoneczne
• antena GPS do określania orbity
• antena GPS do sondowania atmosfery
• akcelerometr

Cele misji

Prowadzenie pomiarów pola grawitacyjnego Ziemi

Ze względu na nieregularny rozkład mas we wnętrzu Ziemi przyspieszenie rzeczywiste różni się od przyspieszenia normalnego a powierzchnia ekwipotencjalna jest zdeformowana w stosunku do powierzchni elipsoidy. Geoida, anomalie siły ciężkości, odchylenia pionu i inne funkcje pola siły ciężkości są wielkościami bazowymi dla realizacji spójnego globalnego systemu odniesienia w geodezji, stosowanego do pomiarów praktycznych i modelowania geodynamicznego. Undulacje geoidy i anomalie pola siły ciężkości reprezentują nieregularną strukturę pola siły ciężkości wzdłuż powierzchni Ziemi. Może ono zostać przedstawione w formie funkcji harmonicznych sferycznych. Pole siły ciężkości Ziemi zmienia się nie tylko przestrzennie, ale i czasowo. Każda zmiana w podziale mas atmosfery, mas wody w oceanach, mas lodów na Antarktydzie i Grenlandii, jak również mas wód podziemnych i mas we wnętrzu Ziemi prowadzi do krótkookresowych, sezonowych, rocznych, wieloletnich aż do wiekowych wariacji pola siły ciężkości i z tym związanych zmian geoidy.

Globalne modele pola siły ciężkości Ziemi są uzyskiwane w geodezji od rozpoczęcia ery satelitów poprzez obserwacje ruchu torowego sztucznych satelitów. Aż do startu niskolatających satelitów CHAMP i GRACE modele pola siły ciężkości Ziemi były obliczane z kierunkowych, oddaleniowych i dopplerowskich obserwacji od stacji naziemnej do wielkiej liczby satelitów na bardzo różnorodnych torach i za czasem obserwacji przynajmniej 20 lat. Ze względu na niepełne i mało dokładne obserwacje, co wiązało się z problemami ujęcia działających na lecącego na wyższych wysokościach satelitę wpływu sił zakłócających, otrzymane wyniki przed erą CHAMP i GRACE dawały tylko ograniczone dokładności pola siły ciężkości i stanowiły tylko długofalowy udział przy modelowaniu tego pola. Powód tego można było zobaczyć w tym, że dla czujnika ciężkości lecącego na wysokości setek kilometrów nad powierzchnią Ziemi problematyczne jest wymierzenie przestrzennej struktury pola ciężkości i przeprowadzenie ekstremalnie dokładnych obserwacji, na dodatek w szybkim czasie i bez wpływu niegrawitacyjnych sygnałów zakłóceniowych. Dokładnie powiodło się to pierwszy raz w 40-letniej historii geodezji satelitarnej niemieckiej misji CHAMP i poprawionej i rozbudowanej współpracy z amerykańska misją GRACE. Obie misje wykorzystują zasadę, która w latach 70. była intensywnie propagowana i studiowana przez niektóre amerykańskie i europejskie grupy naukowców, mianowicie – międzysatelitarne obserwacje w wysoko-niskiej, względnie nisko-niskiej wersji i pomiar działających na satelitę niegrawitacyjnych przyspieszeń zakłócających z wykorzystaniem wysokoodczuwalnego 3 osiowego przyrządu do pomiaru przyspieszenia. W 2000 roku pierwszy satelita CHAMP został wystrzelony na niski 450km tor i po raz pierwszy został z powodzeniem zrealizowany pomiar intersatelitarny w wysoko-niskiej wersji i jednoczesny pomiar przyspieszenia zakłócającego z użyciem precyzyjnego akcelerometru. Z pomocą rozwiniętego i ukończonego przez NASA (Jet Propulsion Laboratory, Pasadena) odbiornika GPS -Black – Jack na pokładzie niskolecącego satelity CHAMP są uzyskiwane ciągłe obserwacje kodów i faz aż do 10 wysokolatających satelitów GPS. Ukończony przez francuską firmę ONERA precyzyjny akcelerometr STAR dostarcza biegnąc wzdłuż toru CHAMP pomiaru przyspieszenia. Już podczas pierwszych 30 dni pracy CHAMP – GPS i danych z akcelerometru mógł nastąpić przełom w określaniu globalnego pola siły ciężkości Ziemi. Długofalowe udziały pola siły ciężkości mogły po raz pierwszy zostać określone danymi z pojedynczego satelity z wyraźnie wyższą dokładnością niż było to możliwe jak dotąd ze wszystkimi danymi satelitarnymi z ostatnich 20-30 lat.

Prowadzenie obserwacji atmosfery/jonosfery

Pierwsze wykorzystanie pomiarów satelitarnych GPS dla celu meteorologii nastąpiło w połowie lat 90. przez amerykańską misję Microlab 1. W lipcu 2000 roku wystartował niemiecki satelita geo-naukowy, który sonduje również regiony, które jak do tej pory ubogie były w dane. Satelita obiega Ziemie na orbicie 450 km w 93 min, ma na pokładzie ulepszony odbiornik GPS a po spodniej stronie specjalną antenę.

Podczas gdy jeden z satelitów ginie z widoczności CHAMP-a za horyzontem Ziemi, dochodzą do odbiornika CHAMP radiosygnały GPS przechodzące przez atmosferę w coraz krótszych odległościach od powierzchni Ziemi. Podczas czegoś takiego, tzw. okultacji, która trwa od 1 do 2 minut, rejestrowane jest pasmo strumienia widoczności atmosfery pomiędzy wysokością 120 km a powierzchnią. Powodem refrakcji strumienia fal radiowych jest odchylanie się fal radiowych podczas drogi przez atmosferę; miarą tego jest kąt załamania. Znajomość dokładnych efemeryd pozwala obliczyć współczynnik załamania atmosfery w funkcji wysokości geometrycznej. W suchych rejonach atmosfery (stratosfera, obszary biegunowe) można z takich pomiarów obliczyć ciśnienie i temperaturę z wysoką dokładnością. Sygnały GPS mają długość fali w zakresie ok. 20 cm i dlatego są praktyczne wolne od wpływu kropelek wody i kryształków lodu. Pomiary okultacyjne bazujące na GPS są metodą przedstawiania ciśnienia, temperatury i wilgotności niezależnie od pogody. Dzięki limb-geometrii oferują one w porównaniu do tradycyjnych satelitów pogodowych istotnie wyższą dokładność. Dzięki misji CHAMP z pojedynczego satelity otrzymujemy dziennie ok. 200-250 okultacji, na dodatek dostarczają one danych w rejonach, które do tej pory były słabo poznane. Dlatego też radio-okultacja stanowi dobre i ważne uzupełnienie dotychczasowych meteorologicznych systemów obserwacyjnych, jak globalna sieć radiosond.

W pierwszych 7 miesiącach od rozpoczęcia pomiarów sondujących przez CHAMP otrzymano i wykorzystano ok. 2000 obserwacji okultacji. Pierwsze profile pokazały dobrą zgodność z analizami meteorologicznymi. Niemiecki instytut naukowy pracuje nad metodą wykorzystania radio-okultacji do numerycznego modelowania prognoz pogody. Ze względu na zwiększenie ilości danych nad oceanami i w stratosferze oczekuje się że zastosowanie radio-okultacji będzie stanowiło duże ulepszenie przy średnioterminowych prognozach pogody.

Prowadzenie pomiarów pola magnetycznego Ziemi

Główne pole nie jest przedmiotem badań satelity CHAMP. Pomiary pola magnetycznego za pomocą magnetometru fluxgate umieszczonego na pokładzie satelity CHAMP dotyczą pulsacji geomagnetycznych i są niezwykle dokładne. Dane o polu magnetycznym z satelity CHAMP zapewniają unikatowy sposób na studiowanie efektu propagacji fal MHD w atmosferze z dwóch powodów:

1. w przeszłości nie było generalnie możliwe obserwowanie pulsacji geomagnetycznych z satelitów na niskich orbitach nad Ziemią z powodu wyjątkowo małych amplitud oscylacji nakładających się na duże pole główne.
2. niska orbita CHAMP jest też unikatowa z powodu podobnego dystansu nad jonosferą co stacji naziemnych do jonosfery.

Linki zewnętrzne

• Strona oficjalna
• Strona NASA