Изучение гравитационного поля Земли (ГПЗ) является неотъемлемой частью развития фундаментальной и прикладной геодезической науки, результаты которой используются во многих областях знаний (изучение внутреннего строения Земли, океанической циркуляции, предсказания природных катастроф, прогноз орбиты спутников, увеличение срока жизнедеятельности космических аппаратов за счет оптимизации коррекции орбиты и т.д.).
Наибольшее разрешение моделей ГПЗ достигнуто с помощью уникального спутникового гравиградиентометра GOCE (ONERA/TAS, Франция), состоящего из 6 трехкомпонентных электростатических акселерометров рекордного разрешения (3,1±6,7)•10-12м/с-2Гц-1/2 в интервале частот от 0,004 до 0,1 Гц, размещенных на шести гранях куба с длиной его ребра 0,5 м [1].
Одной из ключевых проблем обеспечения высокой точности съемки ГПЗ является его метрологической обеспечение.
В наземных условиях масштабные коэффициенты акселерометров более менее адекватно можно было бы определить в башнях свободного падения, но точность в этом случае ограничена малым временем падения 4,7 с, вращением капсулы, ее вибрацией и сопротивлением остаточного газа в башне. В связи с этим масштабирование гравиградиентометра производится при его эксплуатации в космосе путем встряхивания спутника путем модуляции ионной тяги и двумя калибровочными системами из четырех двигателей холодного газа в каждом [2].
Эта система калибровки связана с энергозатратами, сокращающими время жизнедеятельности спутника и не обеспечивает амплитудную модуляцию возмущений.
Нами предлагается альтернативная система аттестации гравиградиентометра с помощью колебательных систем гантельного типа, обеспечивающих периодическое воздействие гравитирующих масс гантелей на пробные массы акселерометров.
Рассматривается 2 варианта организации колебательных систем: три пары гантелей на трех упругих торсионах и пара из трех масс на одном торсионе колеблющееся в противофазе, обе композиции обеспечивают калибровку всех 18 компонентов акселерометров.
При амплитуде колебаний колебательных систем 0,2 рад., расстоянии гравитирующей массы (0,7 кг) от пробных тел гравиградиентометра 0,05м амплитуда периодического сигнала (пик-тупик) градиентометра с базой 0,5м будет ≈ 20 Е (Этвеш), а акселерометров соответственно ≈ 10-8 м/с2.
Данная система позволяет определять как амплитудные, так и фазовые характеристики гравиградиентометра, практически без затрат энергии, благодаря высокой добротности колебательных систем в вакууме (Q=2÷3•10-3), что увеличивает время жизнедеятельности спутника и повышает точность определения характеристик гравиградиентометра до величины 0,1 -0,2%.
Приводятся расчеты системы, оценка точностных характеристик, фотографии макета колебательной системы, экспериментальные результаты макетирования процесса на спутниковом гравиградиентометре разработки ИФЗ РАН [3].