Jak łączyć ze sobą obserwacje z satelitów na niskich i wysokich orbitach?

Zrozumienie i opisanie procesów związanych ze zmianami zachodzącymi na Ziemi wymaga nie tylko wykonania obserwacji, ale również umiejscowienia ich w czasie i przestrzeni. Dzięki obserwacjom satelitarnym możemy dowiedzieć się znacznie więcej o zjawiskach zachodzących na naszej planecie w sposób ciągły i globalny. Obserwacje zmian poziomu wód w morzach i oceanach wymagają milimetrowej dokładności pomiarowej, gdyż samo zjawisko przyjmuje wielkość 3-4 mm/rok. Podobnie jest w przypadku monitorowania zmian w położeniu bieguna, nieregularności w ruchu obrotowym Ziemi, czy też zmian wartości spłaszczenia i położenia środka masy Ziemi - wszystkie te zjawiska wymagają technik wyznaczania pozycji z dokładnością milimetrów. fot. M. Łepecki, prof. dr hab. Krzysztof Sośnica

Dotychczas obserwacje do satelitów na różnych wysokościach były traktowanie oddzielnie. W tym projekcie obserwacje do satelitów na niskich, średnich i wysokich orbitach są ze sobą integrowane za sprawą naziemnych stacji laserowych wykonujących pomiary odległości. Satelity na orbitach niskich monitorują m.in. poziom mórz i oceanów (tzw. satelity altimetryczne np. Jason-3, Sentinel-6), zmiany w polu grawitacyjnym Ziemi (satelity grawimetryczne, np. GRACE), a także pogodę kosmiczną i pole magnetyczne Ziemi (satelity SWARM). Satelity geodezyjne na średnich orbitach pozwalają na wyznaczenie środka Ziemi, stałej grawitacji, czy też efektów relatywistycznych (LAGEOS, LARES). Satelity na wysokich orbitach wykorzystywane są do nawigacji i pozycjonowania, a także do zakładania osnów geodezyjnych (np. system GPS i Galileo). Niestety, satelity systemu nawigacyjnego GPS nie zostały wyposażone w urządzenia do pomiarów laserowych w przeciwieństwie do aktualnie budowanego systemu europejskiego Galileo, w którym wszystkie satelity umożliwiają łączenie obserwacji mikrofalowych i laserowych na pokładach statków kosmicznych. Traktowanie oddzielnie różnych misji satelitarnych dotychczas prowadziło do błędów wynikających z niespójnościami w układach odniesienia.

Laserowe pomiary odległości do satelitów różnego typu na orbitach znajdujących się na różnych wysokościach są integrowane ze sobą w ramach projektu OPUS „Zintegrowane ziemskie układy odniesień przestrzennych oparte o laserowe pomiary odległości do satelitów geodezyjnych, teledetekcyjnych oraz GNSS”. Pomiar laserowy wykonywany jest ze stacji naziemnej, w której generowane są bardzo krótkie impulsy laserowe wysyłane w kierunku do satelity, następnie odbijane i powracają do detektora na stacji. Dzięki pomiarom różnicy czasu pomiędzy wysłaniem i odbiorem tego samego impulsu można wyliczyć odległość pomiędzy stacją i sztucznym satelitą. Obserwacje laserowe wymagają szeregu poprawek związanych m.in. z błędami pomiarowymi i refrakcją wiązki laserowej w atmosferze, co również stanowi przedmiot badań w projekcie. Ponadto, po raz pierwszy ziemskie układy odniesienia zostały oparte o technikę laserową do satelitów o różnorodnej konstrukcji na orbitach o różnej charakterystyce. Dzięki temu skutecznie udało się zrealizować ziemskie układy odniesienia, które są niezbędne do odniesienia zjawisk zachodzących na Ziemi obserwowanych przez satelity. fot. M. Łepecki, prof. dr hab. Krzysztof Sośnica

Projekt ma również na celu przeprowadzenie symulacji dla przyszłych misji satelitarnych wykorzystanych w geodezji. Ma za zadanie odpowiedzieć na pytanie: Gdzie umieścić przyszłe satelity? – na jakiej wysokości, pod jakim kątem względem płaszczyzny równika, na orbitach kołowych czy eliptycznych – żeby zmaksymalizować dokładności obserwacji zjawisk zachodzących na Ziemi.

Wyniki projektu już spotkały się z zainteresowaniem Europejskiej Agencji Kosmicznej. ESA nagrodziła pierwszym miejscem prezentację dotyczącą integracji obserwacji laserowych i mikrofalowych na pokładach satelitów Galileo podczas Międzynarodowego Kolokwium na temat Naukowych i Fundamentalnych Aspektów GNSS. Wyniki projektu mają zatem kluczowe znaczenie dla przyszłych misji satelitarnych oraz w zakresie umiejscowienia w przestrzeni wszystkich tych zjawisk na Ziemi, które są obserwowane przez satelity i wymagają milimetrowej dokładności.