Naukowcy wykorzystują śledzenie laserowe i dane dotyczące grawitacji, aby ulepszyć sposób monitorowania zarówno satelitów, jak i śmieci kosmicznych. Łącząc te metody, mogą teraz dokładniej przewidywać orbity i gromadzić informacje na temat grawitacji Ziemi i mas wody.
W jaki sposób pole grawitacyjne Ziemi jest powiązane z torami satelitów i śmieci kosmicznych? Ziemskie pole grawitacyjne kształtuje orbity satelitów i śmieci, a przesunięcia tych orbit mogą ujawnić zmiany w polu grawitacyjnym, co zapewnia również wgląd w rozkład masy wody na Ziemi.
W ramach projektu COVER naukowcy z Instytutu Geodezji TU Graz udoskonalili obliczenia pola grawitacyjnego, łącząc satelitarne pomiary grawitacji z satelitarnym pomiarem laserowym (SLR). Takie podejście nie tylko ulepsza modele pola grawitacyjnego, ale także udoskonala śledzenie i przewidywanie obiektów na orbicie. Udoskonalenia te są teraz dostępne w oprogramowaniu Gravity Recovery Object-Oriented Programming System (GROOPS) – narzędziu typu open source udostępnianym przez Instytut GitHub.
Poprawa rozdzielczości pola grawitacyjnego długofalowego
„Misje satelitarne Grace, Grace Follow-on, a wcześniej GOCE dostarczyły naprawdę cennych danych do obliczenia pola grawitacyjnego Ziemi. Jednak za pomocą tych misji nie można zbyt dobrze rozróżnić długich fal pola grawitacyjnego, które obejmuje masy wielkości kontynentu” – mówi Sandro Krauss z Instytutu Geodezji TU Graz.
Z drugiej strony pomiary za pomocą lustrzanki cyfrowej mogą bardzo precyzyjnie określić tę część o dużej długości fali. W tym celu sieć stacji SLR kieruje laser na satelitę wyposażonego w retroreflektory, które odbijają emitowane światło lasera. Mierząc czas podróży, można określić położenie satelitów z dokładnością do centymetra, a poprzez wielokrotne pomiary można również wykryć zmiany orbity wynikające ze zmian masy na powierzchni Ziemi.
„Jeśli połączymy lustrzankę jednoobiektywową z innymi metodami pomiarów satelitarnych, pole grawitacyjne można obliczyć znacznie dokładniej, ponieważ można precyzyjnie określić wszystkie długości fal pola grawitacyjnego. Dzięki temu możemy dokładniej określić masy wody występujące na Ziemi. Jednocześnie możemy wykorzystać dane uzyskane z pomiarów do znacznie lepszego przewidywania pozycji satelitów i śmieci kosmicznych, lokalizowania ich, mapowania za pomocą lustrzanki cyfrowej i bardzo precyzyjnego przewidywania ich przyszłych orbit, co przyczynia się do większego bezpieczeństwa na orbicie.”
Śledzenie śmieci kosmicznych w celu zapewnienia bezpieczniejszych orbit
Obecnie wokół Ziemi krąży około 40 000 kawałków śmieci kosmicznych o wielkości ponad dziesięciu centymetrów; istnieje około 1 miliona kawałków o średnicy jednego centymetra lub większych. Poruszają się z prędkością około 30 000 km/h (~20 000 mil/h) i nie wszystkie lecą w tym samym kierunku.
Kolizja miałaby zatem dość duże skutki i zniszczyłaby satelity oraz zagroziłaby życiu ludzi na stacjach kosmicznych lub innych załogowych statkach kosmicznych. Dlatego tym ważniejsze jest zlokalizowanie orbit wszystkich obiektów i jak najdokładniejsze przewidzenie ich przyszłych trajektorii.
Przejście z kilometrów na dokładność centymetrową
Pomiary radarowe są obecnie wykorzystywane do monitorowania wszystkich obiektów śmieci kosmicznych, ale ich dokładność jest ograniczona. Istniejące prognozy orbit również ucierpiały z powodu ich dokładności jedynie z dokładnością do kilku kilometrów. To później utrudniło ich zlokalizowanie. Wraz z satelitarną stacją pomiaru laserowego Instytutu Badań Kosmicznych Austriackiej Akademii Nauk w Obserwatorium Lustbühel poczyniono tutaj zdecydowane postępy.
Instytut Geodezji korzystał z własnych modeli sił, za pomocą których można określić położenie satelity lub gruzu z dokładnością do około 100 metrów. Ułatwiło to ich dokładne śledzenie i rejestrowanie za pomocą lasera geodezyjnego. Dalsze pomiary podczas kolejnych przelotów dostarczyły jeszcze dokładniejszego obrazu zachowania orbity, co umożliwiło badaczom ulepszenie przewidywań.
Ulepszone przewidywanie orbity za pomocą modelowania sił
„Aby przewidzieć orbitę, musimy modelować wszystkie siły działające na satelity” – mówi Torsten Mayer-Gürr z Instytutu Geodezji TU Graz. „Dotyczy to również siły grawitacyjnej Ziemi, na którą wpływa obecność mas takich jak woda. Połączenie naszego modelowania orbit z pomiarami lustrzankami umożliwia teraz znacznie dokładniejsze obliczenia w naszym oprogramowaniu GROOPS, które jest ogólnodostępne dla każdego.
„O ile nam wiadomo, jako jedyni oferujemy bezpłatnie tak kompleksowy pakiet do wyznaczania pola grawitacyjnego, wyznaczania orbity i przetwarzania lustrzanek jednoobiektywowych. Dostęp typu open source ma dla nas tę zaletę, że bardzo szybko otrzymujemy informację zwrotną, jeśli coś wymaga poprawy.
Odniesienie: „Wypełnianie luki pomiędzy GRACE i GRACE Follow-On poprzez połączenie danych śledzenia satelitarnego o wysokim i niskim poziomie z satelitarnym zasięgiem lasera” Matthias Weigelt, Adrian Jäggi, Ulrich Meyer, Daniel Arnold, Torsten Mayer-Gürr, Felix Öhlinger , Krzysztof Sośnica, Sahar Ebadi, Steffen Schön i Holger Steffen, 13 września 2024 r., Dziennik Geodezji.
DOI: 10.1007/s00190-024-01888-5
