Twin probes for space geodesy

Summary Thetwin probe method, proposed by Bertotti and Colombo (1972) to get rid of nongravitational forces in interplanetary space, can be applied to a near-Earth orbit to eliminate the atmospheric drag. Two equal pairs of probes, each pair consisting of two passive, small and dense spheres of equal surface and different masses, are flown on a circular orbit at an altitude of about 300 km. Each pair determines the motion of an ideal point which feels only the gravitational forces. They are separated by a distanced of (100÷200) km and are tracked from a spacecraft or the Space Shuttle, flying at the same altitude. The relative motion of the two ideal points is reconstructed and yields a measurement of the fine structure of the Earth gravitational field, corresponding to a harmonic orderl∼a/d (a is the radius of the Earth). The tracking can be done by laser ranging to the four spheres, covered by corner reflectors; Doppler ranging is more convenient for higher values ofl and can also be used. The accuracy in the compensation of the nongravitational forces and in the measurements one needs for a givenl are discussed in detail.

---

Riassunto Il metodo dellesonde gemelle, proposto da Bertotti e Colombo per eliminare le forze non gravitazionali nello spazio interplanetario, può essere applicato a un'orbita terrestre bassa per la forza di trascinamento atmosferico. Due coppie eguali di sonde sono lanciate in un'orbita circolare all'altezza di circa 300 km; ciascuna coppia è composta da due sfere passive, piccole e dense, di egual superficie e massa diversa e determina il moto di un punto ideale soggetto solamente alla forza gravitazionale. Le due coppie sono separate da una distanzad di (100÷200) km e sono soggette a misure da un satellite artificiale o dalla ?Space Shuttle?, che vola alla stessa altezza. Il moto relativo dei due punti ideali è ricostruito e conduce ad una misura della struttura fine del campo gravitazionale terrestre, corrispondente ad armoniche di ordinel∼d/a (a è il raggio della terra). La misura può consistere in una misura di distanza (per mezzo di un laser) delle quattro sfere (coperte da retroriflettori); misure Doppler sono più convenienti per valori dil più elevati. Si discute in dettaglio l'accuratezza nella compensazione delle forze non gravitazionali e nelle misure che è necessaria per raggiungere un dato valore dil.

---

Резюме Метод сдвоенных зондов, предложенный Бертотти и Коломбо для устранения негравитационных сил в межпланетном пространстве, может быть применен к околоземной орбите для исключения атмосферного сопротивления. Две одинаковых пары зондов, причем каждая пара состоит из двух пассивных, малых и плотных сфер с одинаковой поверхностью, но с различными массами, движутся по круговой орбите на высоте около 300 км. Каждая пара определяет движение идеальной точки, на которую действуют только гравитационные силы. Они разделены расстояниемd порядка (100÷200) км и прослеживаются с космического корабля, движущегося на той же высоте. Реконструируется относительное движение двух идеальных точек. Проводится измерение тонкой структуры гравитационного поля Земли, соответствующей порядку гармоникиl∼a/d (гдеa радиус Земли). Прослеживание может осуществляться с помощью лазерного определения расстояния между четырьмя сферами, снабженными уголковыми отражателями. Допплеровское измерение расстояния является более удобным для больших значенийl и также может быть использовано. Подробно обсуждается точность в компенсации негравитационных сил и в проведении измерений для заданногоl.