Nowy standard orbit satelitów Galileo opracowany przez naukowców z IGiG

Naukowcy z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu opracowali sposób modelowania orbit Galileo, który pozwala na wyznaczanie orbit charakteryzujących się dotąd nieosiągalną dokładnością.

Wyznaczanie trajektorii ruchu satelitów Galileo, czyli tzw. precyzyjnych orbit, jest znacznie bardziej wymagające niż w przypadku systemu GPS. Dzieje się tak dlatego, że satelity Galileo mają znacznie mniejszą masę niż GPS, wydłużony kształt oraz większą powierzchnię paneli słonecznych, przez co bardziej są podatne na wpływ ciśnienia słonecznego, albedo Ziemi (czyli fotonów odbitych od powierzchni Ziemi), promieniowanie termiczne Ziemi oraz fluktuacje w wietrze słonecznym.

Model orbit Galileo opracowany przez IGiG jest hybrydowy – oznacza to, że większość sił działających na satelitę opiera się na znanych właściwościach konstrukcyjnych satelitów, natomiast elementy, których właściwości zmieniają się w czasie (np. współczynnik rozproszenia fotonów przez panele słoneczne lub podmuchy wiatru słonecznego), modelowane są poprzez zbiór dodatkowych zmiennych wyliczanych wraz z parametrami Keplerowskimi orbity opisującymi ruch satelity po orbicie eliptycznej lub kołowej.

Model orbit Galileo bazuje na właściwościach poszczególnych powierzchni korpusu i paneli słonecznych satelitów, biorąc pod uwagę współczynnik absorpcji, odbicia i rozproszenia padających fotonów. Opracowanie modelu było możliwe po publikacji metadanych dla systemu Galileo zawierających szczegóły konstrukcji satelitów. Fotony padające na korpus satelity zazwyczaj są wypromieniowane w tym samym kierunku, natomiast fotony padające na cienkie panele słoneczne mogą być wypromieniowane we wszystkich kierunkach. Korpus satelity w modelu nazywa się „box”, natomiast panele to „wing”, a cały model uwzględniający korpus i panele to „box-wing”. Wzięto pod uwagę dokładny czas wchodzenia satelitów w cień Ziemi oraz jaka część tarczy słonecznej jest potencjalnie zasłonięta przez Księżyc z punktu widzenia satelity. Ponadto model uwzględnia ciśnienie fotonów odbitych od powierzchni Ziemi ze zróżnicowaniem na pory roku oraz na pokrycie powierzchni Ziemi (oceany, pokrywa lodowa, powierzchnia kontynentów). Dodatkowo zostały uwzględnione mikroprzyspieszenia wynikające z ciągu anteny nadawczej wysyłającej sygnał nawigacyjny przez satelity w kierunku Ziemi, gdyż powodują przesunięcie satelity o około 10 mm na każde 100 W mocy sygnału, a moc sygnału najnowszych Galileo to ponad 250 W.

Pozostałe mikroprzyspieszenia, których nie można przewidzieć i wyliczyć precyzyjnie w postaci sił fizycznych, są uwzględniane za pomocą dodatkowych zmiennych. Do tych zmiennych można zaliczyć siłę wynikającą z niewłaściwego ułożenia paneli słonecznych, które powinny być prostopadłe do kierunku Słońca, ale czasem są wychylone o ułamek stopnia, co powoduje przyspieszenia boczne działające na satelity. Ponadto części korpusu satelity nagrzewają się nierównomiernie oraz nierównomiernie wypromieniowują ciepło, gdy satelita schładza się znajdując się w cieniu Ziemi. Zwiększona aktywność Słońca oraz rozbłyski obserwowane w postaci fluktuacji wiatru słonecznego powodują również większe zmiany sił działających na satelitę. Te siły łatwo jest modelować w przypadku paneli słonecznych, ponieważ są cały czas prostopadłe do kierunku Słońca, natomiast trudno w przypadku korpusu satelity, który ciągle zmienia swoją orientację tak, aby anteny nadawcze zawsze były skierowane na środek masy Ziemi (geocentrum). Zatem, w zaproponowanym modelu liczone są zarówno stałe przyspieszenia w kierunku satelita-Słońce, jak również przyspieszenia periodyczne, których wartość uzależniona jest od wzajemnego położenia satelity względem Ziemi i Słońca. Wszystkie te mikroprzyspieszenia o wielkości rzędu 10^-11 m/s² są uwzględniane przez dodatkowe tzw. zmienne empiryczne. Najmniejsze uwzględniane w modelu mikroprzyspieszenia działające na satelitę są równe 1/5 000 000 wagi komara na Ziemi, co jest już istotne z punktu widzenia precyzyjnych orbit Galileo.

Model orbit Galileo został zaimplementowany w oprogramowaniu Bernese GNSS Software, dzięki czemu może zostać wykorzystany w obliczeniach operacyjnych. Został on zweryfikowany z wykorzystaniem sygnałów mikrofalowych GNSS nadawanych przez satelity i 110 stacji referencyjnych rozmieszczonych na wszystkich kontynentach i śledzących satelity Galileo. Słuszność modelu została potwierdzona z wykorzystaniem obserwacji laserowych wykonywanych przez 50 naziemnych stacji SLR, w tym stacji europejskich, australijskich i NASA. Każda z metod obserwacji pokazała, że model jest znacznie lepszy od tych, które dotychczas były wykorzystywane w wyznaczaniu orbit Galileo i pozwala wyznaczyć orbity o dokładności około 2 cm. Tym samym orbity Galileo wyznaczane obecnie w IGiG są dokładniejsze niż te z Centrum Wyznaczania Orbit w Europie.

Model orbit Galileo został opracowany przez zespół w składzie: Grzegorz Bury, Krzysztof Sośnica, Radosław Zajdel oraz Dariusz Strugarek. Szczegóły dotyczące modelowania sił działających na satelity Galileo zostały opisane w cyklu składającym się z dwóch artykułów naukowych:
• Bury G., Sośnica K., Zajdel R., Strugarek D. (2020) Toward the 1-cm Galileo orbits: challenges in modeling of perturbing forces. Journal of Geodesy 94(16) https://doi.org/10.1007/s00190-020-01342-2;
• Bury G., Zajdel R., Sośnica K. (2019) Accounting for perturbing forces acting on Galileo using a box-wing model. GPS Solutions, 23:74, https://doi.org/10.1007/s10291-019-0860-0.

Opracowanie modelu było możliwe dzięki środkom Narodowego Centrum Nauki na projekty: „Wyznaczanie precyzyjnych orbit satelitów GNSS na podstawie kombinowanych rozwiązań laserowych oraz mikrofalowych” (kierownik Grzegorz Bury) oraz „Wyznaczanie globalnych parametrów geodezyjnych z wykorzystaniem systemu satelitarnego Galileo” (kierownik Krzysztof Sośnica).

Źródło: IGiG