1. Uvod

 

European Space Agency (ESA) otvorila je novi ciklus programa satelitskih misija s temom istraživanja Zemlje. Satelitske misije ESA-e podijeljene su na dva glavna programa:

 

·        Earth Exploration Missions − istraživačko−demonstrativne misije kojima su cilj napredne spoznaje različitih procesa u geosustavu,

·        Earth Watch Missions − misije koje se odnose na specifične zahtjeve iz područja nadgledanja Zemlje.

 

Devet satelitskih misija bilo je predloženo za potencijalne kandidate Earth Explorer Missions programa. Misija GOCE odabrana je 1999. godine kao prva misija tog programa, kao dio potprograma The Living Planet Programme kojemu je cilj promatranje geosustava (Rebhan i dr. 2000). Strategija je potprograma korištenje vremenski kraćih, jeftinijih, tematski ciljanih misija koje će omogućiti jednostavniji i fleksibilniji pristup problematici nadgledanja i premjera Zemlje iz svemira. Ciljevi misija bit će fokusirani na potrebe korisnika u javnom i privatnom sektoru. Takva organizacija i ciljevi misija javljaju se zbog sve većih zahtjeva za brzim i specijaliziranim informacijama kako bi se čim prije moglo reagirati na probleme vezane uz okoliš. Primjena novih satelitskih tehnologija omogućuje nove spoznaje i razvoj više područja vezanih uz geosustav, a njihova primjena postala je svakodnevna potreba pri rješavanju širokog spektra praktičnih zadataka. U tablici 1 dan je pregled važnijih aktivnih satelitskih misija. 

 

 

Tablica 1. Važnije aktivne satelitske misije za oceanografiju, geodeziju, glaceologiju i proučavanje čvrste Zemlje (Rummel 2003)

 

Misija	Voditelj misije	Primarni interes misije	Trajanje misije
CHAMP	Njemačka	gravitacija, magnetizam, atmosfera	2000. − 2005.
GRACE	SAD, Njemačka	gravitacija (stacionarno i vremenski promjenjivo polje), atmosfera	2002. − 2007.
GOCE	ESA	gravitacija (stacionarno polje velike rezolucije)	2006. − 2008.
TOPEX/POSEIDON	SAD, Francuska	oceanska altimetrija	1992. − 2004.
Jason−1	SAD, Francuska	oceanska altimetrija	2001. − 2006.
ICESAT	SAD	altimetrija leda	2003. − 2008.
CRYOSAT	ESA	altimetrija leda	2004. − 2007.
ERS−2	ESA	altimetrija, klima, okoliš	1995. − 2005.
ENVISAT	ESA	altimetrija, klima, okoliš	2002. − 2007.
TerraSAR−X	Njemačka	SAR, INSAR, atmosfera	2005. − 2010.
LAGEOS−1 & 2	SAD	referentni sustavi, gravitacija	1975. −
GPS	SAD	navigacija, pozicioniranje, određivanje putanje, prijenos vremena, rotacija Zemlje,...	1978. −
GALILEO	EU, ESA	navigacija, pozicioniranje	2008. −

 

Raspoloživi modeli globalnoga gravitacijskog polja Zemlje velike rezolucije dobiveni su primjenom podataka iz više satelitskih misija i terestričkih podataka. Na taj način koriste se nehomogeni podaci s obzirom na gustoću i kvalitetu. Oni se odnose na različite visinske datume. Terestrički podaci (anomalije ubrzanja sile teže, otkloni vertikala, GPS/nivelmanske undulacije, modeli reljefa i dr.) odnose se na nacionalne visinske referentne okvire koji su tradicionalno definirani primjenom mareografskih mjerenja. Referentne plohe visinskih sustava globalno odstupaju ±2 m (Rapp i Balasubramania 1992), a preliminarna razlika između hrvatskog visinskog datuma i United European Levelling Network (UELN) iznosi −0,33 m (Sacher i dr. 1999). Nekonzistentnost datuma nacionalnih i regionalnih visinskih sustava postao je ograničavajući faktor za povećanja kvalitete globalnih geopotencijalnih modela Zemljina gravitacijskog polja. Misija GOCE omogućiti će dobivanje globalnoga geopotencijalnog modela velike rezolucije primjenom homogenih, gotovo globalnih podataka (Wermuth 2001).

2. Satelitska misija Gravity Field and Steady−State Ocean Circulation Explorer (GOCE)

 

GOCE je prva satelitska misija programa ESA-e posvećena Zemljinu gravitacijskom polju. Ona ima dužu povijest razvoja u projektima Consortium for Investigations in Gravity Anomalies Research (CIGAR) I − IV (Sünkel 2002). Tematska su područja te misije: geodezija, geofizika, oceanografija, čvrsta Zemlja, glaciologija i dr. Kao tehnika mjerenja ona će se koristiti satelitskom gradiometrijom gravitacijskog polja Zemlje (Satellite Gravity Gradiometry, SGG) i praćenjima satelit−satelit (Satellite−to−satellite tracking, SST). SGG mjerenja provodit će se s pomoću troosnoga gradiometra za mjerenje drugih derivacija potencijala gravitacijskog polja. Dobivat će se gradiometrijska mjerenja u sva tri smjera prostora. To je prva primjena gradiometrije gravitacijskog polja u satelitskoj misiji. SGG mjerenja davat će lokalne karakteristike gravitacijskog polja u putanji satelita, a SST mjerenja, koja uključuju određivanje realne putanje satelita s pomoću radionavigacijskih sustava GPS/GLONASS, davat će poremećaje realne u odnosu na nominalnu putanju. SGG i SST su GOCE mjerenja koja će se koristiti za modeliranje gravitacijskog polja (Johannessen 1999). Na slici 1 prikazana je konfiguracija misije GOCE.

 

 

Slika 1. GOCE-konfiguracija

 

 

Satelitske metode nadgledanja i proučavanja Zemlje služe se mjerenjima koja se odnose na površinu Zemlje. Na osnovi tih informacija ne mogu se pouzdano interpretirati procesi unutar Zemlje. Gravitaciju uzrokuju mase u unutrašnjosti Zemlje te se na osnovi nje može procijeniti njihovo stanje i gibanje te modelirati procesi u kojima sudjeluju. Nepoznavanje Zemljina gravitacijskog polja s odgovarajućom pouzdanošću postao je ograničavajući čimbenik za razvoj više područja i za pouzdano rješavanje niza praktičnih problema. To je razlog zašto se u posljednje vrijeme znatno povećao interes za satelitske misije s temom proučavanja Zemljina gravitacijskog polja.

Glavni je cilj misije GOCE dobivanje modela statičkoga gravitacijskog polja Zemlje velike rezolucije (ESA 2000). Vrlo kvalitetna mjerenja gravitacijskog polja omogućit će bolje razumijevanje procesa unutar Zemlje, na njoj i izvan nje.

 

GOCE model Zemljina gravitacijskog polja koristit će se u multidisciplinarne svrhe za dobivanje:

• novih spoznaja o fizici Zemljine unutrašnjosti uključujući geodinamiku litosfere i  sastav plašta,
• preciznoga globalnog modela geoida koji će se u kombinaciji s altimetrijskim mjerenjima koristiti za modeliranje apsolutnih oceanskih struja i prijenosa topline,

• modela debljine polarnog leda primjenom podataka o topografiji čvrstog tla i mjerenja visine leda primjenom satelitske altimetrije,

• vrlo kvalitetnoga globalnoga referentnog sustava visina koji će služiti kao referentna ploha za proučavanje topografskih procesa.

Sva ta istraživanja pridonijet će studiji globalne promjene razine oceana.

 

Glavni proizvodi misije GOCE koji će se koristiti u drugim znanstvenim područjima su globalni geoid i anomalije ubrzanja sile teže velike rezolucije. Zahtjevi u pogledu rezultata GOCE misije, s obzirom na pojedina znanstvena područja (Rebhan i dr. 2000) su:

 

Geodezija:

•  GPS nivelman: nepouzdanost visina 1 cm, prostorna razlučivost 100−1000 km,
• definiranje globalnog visinskog sustava: nepouzdanost visina 1 cm, prostorna razlučivost 100−20 000 km,
• inercijalni navigacijski sustavi: nepouzdanost približno 1−5 mGal^{( [1] )}, prostorna razlučivost 100−1000 km,
• putanje satelita: nepouzdanost približno 1−3 mGal, prostorna razlučivost 100−1000 km.

 

Čvrsta Zemlja:

• gustoća litosfere i gornjeg plašta: nepouzdanost 1−2 mGal, prostorna razlučivost 100 km,
• kontinentalna litosfera, sedimentna osnova: nepouzdanost 1−2 mGal, prostorna razlučivost 50−100 km,
• kontinentalna litosfera, tektonska gibanja: nepouzdanost 1−2 mGal, prostorna razlučivost 100−500 km,
• kontinentalna litosfera, seizmički rizik: nepouzdanost 1 mGal, prostorna razlučivost 100 km,
• oceanska litosfera, seizmički rizik: nepouzdanost 0,5−1 mGal, prostorna razlučivost 100−200 km.

 

Oceanografija:

• kratka skala: nepouzdanost 1−2 cm, prostorna razlučivost 100 km,
• skala bazena: nepouzdanost oko 0,1 cm, prostorna razlučivost 1000 km.

 

Ledeni pokrivač:

• čvrsta osnova: nepouzdanost 1−5 mGal, prostorna razlučivost 50−100 km,
• vertikalno gibanje leda: nepouzdanost 2 cm, prostorna razlučivost 100−1000 km.

 

Gradiometrijska mjerenja koja će osigurati misija GOCE omogućit će kvalitetnije modeliranje Zemljina oblika nego što to omogućuju trenutačno raspoloživi podaci. Podaci misija CHAMP i GRACE omogućuju modeliranje gravitacijskog signala topografije   (Hećimović i Bašić 2004a, Hećimović i dr. 2004). Problem određivanja Zemljina oblika temeljni je problem geodezije te će GOCE znatno utjecati na rješavanje više zadataka u geodeziji, od kojih su najvažniji:

 

• Dobivanje kvalitetnijeg modela Zemljina oblika. Očekuje se dobivanje globalnoga geoida s nepouzdanošću od 1 cm u prostornoj razlučivosti od 100 km. GOCE modeli sfernih harmonika bit će razvijeni do reda i stupnja 200 i više. Globalni geopotencijalni modeli dobiveni na osnovi samo satelitskih mjerenja, prije pojave modela CHAMP i GRACE, razvijani su maksimalno do reda i stupnja 72 (Hećimović i Bašić 2002).
• Definiranje novoga standarda primjene GPS nivelmana kojim bi se zamijenio klasični geometrijski nivelman. GPS−om se mogu dobiti vrlo kvalitetne elipsoidne visine. Da bi se s pomoću njih dobile ortometrijske visine, geoid treba poznavati s odgovarajućom pouzdanošću. Od GOCE modela očekuje se znatan doprinos u tom području.
• Unificiranje visinskih sustava na globalnoj razini sa centimetarskom pouzdanošću.
• Odvajanje inercijalnog signala i gravitacijskog signala pri inercijalnoj navigaciji. Žiroskop i akcelerometar osnovni su senzori inercijalnog sustava (Inertial Measuring Unit, IMU), koji se montiraju na pomičnu platformu. Akcelerometar mjeri ubrzanja na osnovi kojih se dobiju brzine i razlike položaja, a promjene orijentacije pomične platforme registriraju se žiroskopom. Akcelerometar mjeri ubrzanja koja su rezultanta ubrzanja pomične platforme i gravitacijskog ubrzanja. Ako se gravitacijsko ubrzanje ne može odkloniti iz mjerenja sa zadovoljavajućom pouzdanošću, nit ubrzanja gibanja pomične platforme ne mogu se pouzdano procijeniti.
• Pouzdanije određivanje putanje Zemljinih umjetnih satelita (ZUS). Poboljšani model Zemljina gravitacijskog polja omogućit će bolje modeliranje poremećaja putanje i bolje razumijevanje uzroka poremećaja putanje. To će osobito utjecati na kvalitetnije modeliranje putanje niskoletećih satelita. Novi model omogućit će bolje odvajanje poremećaja zbog anomalnosti statičkoga gravitacijskog polja i ostalih poremećajnih sila.

 

Signal Zemljina gravitacijskog p

 

olja slabi s povećanjem visine te putanja satelita mora biti čim niža. Međutim, na manjim su visinama poremećajne sile veće (u prvom redu trenje zraka) te dolazi do jačeg usporavanja satelita i bržega gubljenja visine satelita. Jakost gravitacijskog polja, osjetljivost mjernog senzora, željeno trajanje misije i opadanje visine satelita glavni su utjecaji koji se optimiraju pri odabiru visine putanje satelita u svrhu prikupljanja podataka o gravitacijskom polju. Visina niskoletećih satelita korigira se dodatnim uključivanjem mlaznica da bi se produljilo trajanje misije.

 

Dana 23. studenoga 2001. godine potpisan je ugovor između ESA−e i Alenia Spazio o izradi dizajnu, razvoju, testiranju i operacijama prije i nakon lansiranja te o podršci pri kalibraciji misije GOCE. Vrijednost je ugovora 149 milijuna EUR (Earth Observation Quarterly 2002). GOCE projekt podijeljen je na: razdoblje A (lipanj 1998. − lipanj 1999), razdoblje B  (prosinac 2000. − prosinac 2001), razdoblje C/D (siječanj 2002. − srpanj 2005). Zbog kašnjenja u realizaciji došlo je do produljenja rokova. Zato je predviđeno lansiranje GOCE satelita u 2005. godini odgođeno za početak 2006. godine.

U realizaciji projekta sudjeluje više tvrtki. Važnije su: Alenia Spazia, Astrium GmbH, Alcatel Space Industries i ONERA. Tvrtka Alenia Spazia vodila je A razdoblje projekta. U tom je razdoblju izrađeno više studija koje su uključivale: simulaciju GOCE mjerenja, pripremu za obradbu podataka, procjenu utjecaja GOCE misije na studije cirkulacije oceana, probleme u geodeziji, praćenje razine oceana i regionalne tektoničke studije.

 

3. Zemaljski segment, satelit, instrumenti i putanja misije GOCE

 

Zemaljski segment misije GOCE nalazi se u postaji Kiruna (Švedska), a podijeljen je na:

 

• komandni dio i odjel za prikupljanje podataka,
• kontrolni dio misije i satelita,
• dio za obradbu i arhiviranje podataka.

 

Satelit ima oblik ortogonalne prizme duljine 4 m i promjera 0,90 cm (v. sl. 2). Ukupna mu je duljina 5,02 m, a raspon duž fiksnih krila 2,20 m. Da bi se smanjio utjecaj vanjskih sila, satelit je dizajniran simetrično tako da ima malen promjer u smjeru leta. Površina je poprečnog presjeka satelita oko 0,9 m².

 

 

Slika 2. GOCE-satelit (URL 1)

 

Planirano je trajanje misije 20 mjeseci (nominalno) uz mogućnost produljenja do 30 mjeseci. Masa za lansiranje iznosit će 980 kg, od toga je 194 kg masa instrumenata. Planirana je visina putanje između 250 i 270 km. Inklinacija je putanje 96,5°, te samo polarni predjeli radijusa 700 km neće biti prekriveni putanjom. Putanja je približno kružna (ekscentricitet < 0,001), što će osigurati homogenost mjerenja s obzirom na visinu putanje. Putanja je sinkronizirana sa Suncem, a orijentacija satelita bit će održavana s obzirom na Zemlju (Ditmar i Klees 2002).

Iako je putanja zbog svoje male visine sinhronizirana sa Suncem GOCE satelit imat će dva razdoblja ulaska u sjenu Zemlje (eklipsa) (Johannessen 1999). Razdoblje duže eklipse ponavljat će se 135 dana. Utjecaj eklipse na misiju GOCE važan je zbog velikih termičkih promjena kroz koje satelit prolazi i zbog nemogućnosti prikupljanja Sunčeve energije za stvaranje potrebne električne energije dok je satelit u sjeni. Misija je dizajnirana tako da se mjerenja provode kontinuirano dok je satelit u razdoblju kraće eklipse, a kada uđe u razdoblje duljih eklipsa GOCE satelit bit će stavljen u stanje mirovanja (hibernacije). Također su lansiranje i početak mjerenja dizajnirani s obzirom na taj utjecaj. Zbog njega je razdoblje mjerenja ograničeno na šest mjeseci, a vrijeme je kalibracije, nakon izlaska iz stanja mirovanja, 1,5 mjesec.

 

Glavni su instrumenti misije GOCE:

Electrostatic Gravity Gradiometer (EGG) osnovni je GOCE senzor. Izradila ga je tvrtka ONERA [2] . Sastoji se od kapacitativnih akcelerometara pričvršćenih na dijamantsku konfiguraciju na ultrastabilnoj karbonskoj strukturi (v. sl. 3). Duljina je baza između parova mjernih masa 0,5 m. Mjeri se utjecaj gravitacijskog polja na mjerne mase na krajevima baza. Svaki gradiometar mjeri napon koji je potreban da se mjerna masa održi centriranom između elektroda. Prati se kapacitativni napon između mase i elektroda. Tri gradiometrijske poluge postavljene su međusobno okomito: duž putanje (along−track), poprijeko u odnosu na putanju (cross−track) i okomito na prethodna dva smjera. Koristit će se razlike mjerenja napona akcelerometrijskog para za svaku od tri prostorne osi. Primjena razlika ima prednost jer se poremećajne sile koje djeluju na satelit kompenziraju. Šum akcelerometra izražen je u tradicionalnim i službenim jedinicama [3] < 3 mE = 3 · 10⁻¹² s⁻². Gradiometrom se dobivaju informacije o stacionarnom gravitacijskom polju. Veličine za modeliranje gravitacijskog polja koje će se dobivati primjenom troosnog elektrostatičkoga gradiometra bit će druge derivacije gravitacijskog potencijala, tj. elementi SGG tenzora. Taj instrument davat će visokofrekventne informacije o gravitacijskom polju, što će omogućiti dobivanje modela gravitacijskog polja vrlo velike rezolucije.

 

 

Slika 3. Shema troosnog gradiometra

 

Prijamnik signala globalnih navigacijskih satelitskih sustava (GNSS) davat će poremećaje putanje GOCE satelita. GNSS prijamnik prikupljat će pseudoudaljenosti između GOCE satelita i GPS/GLONASS satelita što će se koristiti za dobivanje realne putanje. Usporedbom realne i nominalne putanje dobit će se SST veličine za modeliranje gravitacijskog polja. Za ta mjerenja koristi se satelit kao senzor i davat će, s obzirom na SGG mjerenja, podatke o uglačanom gravitacijskom polju nižih rezolucija.

 

Laserski retroreflektor (LRR) sastoji se od deveterokutne prizme. Isti model koristio se u misijama ERS i ENVISAT. Prizma će biti pričvršćena s donje strane kako bi se omogućila laserska mjerenja Zemlja−GOCE satelit. Laserskim će se mjerenjima neovisno određivati GOCE putanja s centimetarskom pouzdanošću. Ona će služiti za provjeru kvalitete određivanja putanje GPS/GLONASS. 

 

Standard Radiation Environment Monitor (SREM) provodit će mjerenja ionizirajućeg zračenja u okolici satelita. Razlog je primjene tih mjerenja osjetljivost gradiometra na električna pražnjenja. SREM mjerenja primjenjivat će se za dobivanje korelacije GOCE mjerenja s obzirom na tok elektrona i protona u okolici satelita. Ova će se mjerenja provoditi u području osjetljivosti gradiometra.

 

Kontrolu visine i putanje GOCE satelita osiguravaju GPS/GLONASS prijamnik i star kamera.

 

Električna energija bit će osigurana primjenom kolektora Sunčeve energije na GOCE satelitu koji osiguravaju snagu od 1,3 kW iz 19 Ah NiCd baterija.

 

Komunikacija sa zemaljskom postajom u Kiruni provodit će se S−bandom. Podaci će se prebacivati maksimalnom brzinom od 1 Mbit/s.

 

 

4. Mjerenja

 

GOCE misija primjenjivat će dvije osnovne tehnike mjerenja za prikupljanje podataka:

 

• satelitska gradiometrija (satellite gravity gradiometry, SGG),
• praćenje visoki−niski satelit−satelit (high−low satellite−to−satellite tracking, SST).

 

SGG mjerenja davat će komponente SGG tenzora u lokalnom referentnom okviru putanje satelita, a SST mjerenja dobit će se kao vremenski osrednjena rezidualna ubrzanja GOCE satelita dobivena na osnovi razlika između realnih i referentnih putanja. Primarne su nepoznanice koeficijenti sfernih harmonika do 200 reda i stupnja i više. Tehnika mjerenja SST primjenjuje se u aktivnim satelitskim misijama CHAMP i GRACE (Hećimović i Bašić 2004b, Hećimović i Bašić 2004c) i postoje iskustva u obradbi te vrste informacija. Međutim, SGG je nova tehnika mjerenja i podaci te vrste do sada nisu bili na raspolaganju. SGG mjerenjima dobivat će se elementi SGG tenzora kao veličine za modeliranje Zemljina gravitacijskog polja. SGG mjerenja, za razliku od SST mjerenja, sadržavat će finiji signal (veće frekvencije) gravitacijskog polja. Zbog toga se s pomoću SGG mjerenja mogu razviti globalni modeli Zemljina gravitacijskog polja do većeg stupnja i reda sfernih harmonika. Veće frekvencije signala Zemljina gravitacijskog polja u SGG mjerenjima omogućit će modeliranje finije strukture gravitacijskog polja u kojem će slabi gravitacijski signal prouzrokovan topografijom i anomalijama gustoće doći jače do izražaja.

 

Komponente tenzora gravitacijskog polja mjerit će se u lokalnom referentnom okviru putanje satelita (Local Orbital Reference Frame, LORF). Ishodište tog referentnog okvira smješteno je u središtu masa satelita. Os X usmjerena je u smjeru trenutačnog vektora brzine satelita, smjer osi Y koincidirat će s trenutačnim kutnim momentom putanje, a os Z bit će orijentirana tako da definira desni referentni okvir. Pri obradbi simuliranih GOCE podataka neki se autori koriste modificiranom definicijom referentnog okvira u kojoj je os Z usmjerena u radijalnom smjeru suprotno od središta Zemlje, os X leži u ravnini putanje, ortogonalna je na os Z i približno će (zbog malih ekcentriciteta putanje) koincidirati s vektorom brzine, a os Y  okomita je na njih i definira desni koordinatni okvir. Taj referentni okvir naziva se referentni okvir putanje s obzirom na smjer prema Zemlji (Earth−Pointing Orbital Frame, EPOF). Prednost je EPOF−a što je os Z definirana u smjeru radijalne komponente u kojem se gravitacijsko polje najviše mijenja te se modeliranjem promjene polja u smjeru osi Z modelira gotovo cijelo polje.

 

GOCE satelitska gradiometrijska mjerenja prikupljat će druge derivacije potencijala gravitacijskog polja, tj. elemente SGG tenzora (Karrer 2000). SGG tenzor ima oblik

.                                                   (1)

 

On je simetričan (V_XY = V_YX, V_XZ = V_ZX, V_YZ = V_ZY). Dijagonalni elementi V_XX, V_YY, V_ZZ zadovoljavaju Laplaceovu diferencijalnu jednadžbu

 

,                                                     (2)

 

zbog koje je:

 

.                                                               (3)