Laserowe pomiary odległości do satelitów i Księżyca będą dokładniejsze

Dotychczasowe podejście do korygowania błędów wynikających z opóźnienia wiązki laserowej w atmosferze było wadliwe – wynika z najnowszego odkrycia naukowców z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu. Jednocześnie naukowcy proponują zupełnie nowe rozwiązanie bazujące na pomiarach meteorologicznych i grubości atmosfery, jaką musi pokonać laser w kierunku do satelity.

Teleskop laserowy oraz antena do interferometrii wielobazowej VLBI i obserwacji pozagalaktycznych kwazarów w Obserwatorium Geodezyjnym Wettzell (Fot. Krzysztof Sośnica)

Laserowe pomiary odległości do satelitów i Księżyca
Najdokładniejsze pomiary odległości ze stacji naziemnych do sztucznych satelitów i Księżyca wykonywane są za pomocą laserów generujących krótkie impulsy. Na sztucznych satelitach instaluje się tzw. retroreflektory zbudowane z pryzmatów, które odbijają impuls laserowy w tym samym kierunku, co kierunek padania wiązki. Retroreflektory instalowane są na wszystkich misjach satelitarnych, które wymagają dokładnej znajomości pozycji satelity, na przykład w misjach altimetrycznych służących do pomiaru zmian poziomu mórz i oceanów wynoszących średnio 3,6 mm rocznie. Techniki pomiarowe muszą gwarantować wysoką dokładność wyznaczenia pozycji satelity, żeby umożliwić monitorowanie nawet milimetrowych zjawisk na Ziemi. Podobne urządzenia zainstalowali ponad 50 lat temu na Księżycu astronauci misji Apollo 11, a później Apollo 14 i 15. Reflektory znalazły się również na autonomicznych łazikach księżycowych, a detektory wiązki lasera uwzględniono na pokładzie satelity LRO krążącego wokół srebrnego globu.

Po co mierzymy odległości do satelitów?
Dzięki pomiarom laserowym do sztucznych i naturalnego satelity Ziemi dowiedzieliśmy się, ile wynosi stała grawitacji i masa Ziemi, o ile zmienia się spłaszczenie Ziemi w czasie, możemy korygować i wyliczać poprawki pozycji satelitów Galileo i GLONASS oraz zidentyfikowaliśmy, gdzie znajduje się środek masy Ziemi i jak przemieszcza się w czasie za sprawą topniejących lodowców na Grenlandii. Pomiary laserowe do Księżyca pozwoliły odkryć, że Księżyc oddala się od Ziemi o 3,8 cm rocznie. Ponadto pozwoliły na dokładny opis wahań w ruchu Księżyca, czyli tzw. libracji, oraz zrewidowanie pochodzenia srebrnego globu.

Skąd wynikają błędy w pomiarach laserowych?
Pomiary laserowe opierają się na rejestracji różnicy czasu pomiędzy momentem wysłania impulsu laserowego na stacji a momentem powrotu tego samego impulsu po tym, gdy zostanie on odbity przez retroreflektor na satelicie lub Księżycu. Podczas pomiaru wiązka laserowa przechodzi dwukrotnie przez atmosferę ziemską, gdzie ulega ugięciu i opóźnieniu. Technologia detektorów laserowych pozwala na uzyskanie dokładności sub-milimerowych. Jednakże błędy wyznaczenia opóźnienia wiązki laserowej w atmosferze są wielokrotnie większe i stanowią główne źródło błędów w pomiarach laserowych do satelitów i Księżyca.

Opóźnienie wiązki laserowej w kierunku do satelity jest wyliczane na podstawie wartości ciśnienia atmosferycznego, temperatury i wilgotności powietrza mierzonych na stacji laserowej. Zauważono jednak, że niektóre sensory podają błędne wartości meteorologiczne – ze względu na błędy w kalibracji albo degradację sensorów w czasie. Koszt budowy stacji laserowej wykonującej pomiary do satelitów to kilkanaście milionów dolarów, natomiast koszt stacji meteorologicznej wspomagającej pomiary to zaledwie kilka tysięcy. Jednakże nie wszystkie stacje posiadają odpowiednie stacje meteorologiczne gwarantujące najwyższe dokładnościowo pomiary. Błąd barometru o wielkości 5 hPa przekłada się na błąd wyznaczenia opóźnienia wiązki laserowej w zenicie równy 12 mm, co może się przełożyć na błąd wyznaczenia wysokości stacji na poziomie 30 mm. Tak duże błędy nie pozwalają na monitorowanie np. zmian wysokości poziomu mórz i oceanów, gdyż przekraczają wielkość mierzoną.

Jak zwiększyć dokładność pomiarów laserowych?
Metodą stosowaną dotychczas do eliminacji błędów w pomiarach laserowych było wyliczanie tzw. opóźnień sprzętowych. Opóźnienia te są niezależne od kierunku pomiaru do satelity – stanowią stałą wartość, o którą trzeba poprawić każdy pomiar laserowy, niezależnie od wysokości satelity nad horyzontem, aby uzyskać rzeczywistą odległość pomiędzy stacją a satelitą. Opóźnienia sprzętowe wynikają nie tylko z atmosfery ziemskiej, ale także z opóźnień na obwodach i detektorach stacji laserowej oraz wadliwej kalibracji. W najnowszym artykule opublikowanym w „Journal of Geodesy”, naukowcy z Polski udowadniają, że podejście zakładające stałość błędów systematycznych w pomiarach laserowych w każdym kierunku jest błędne i zwiększa błąd pomiaru odległości i wyznaczenia wysokości stacji, a także rozmiaru Ziemi (skali) i współrzędnych środka masy Ziemi.

Na czym polega nowatorstwo rozwiązania?
Naukowcy z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki UPWr zaproponowali zupełnie nowe i innowacyjne podejście do korygowania opóźnienia wiązki laserowej w atmosferze. Podejście opiera się na uwzględnieniu grubości warstw atmosfery, przez które przechodzi laser. Do wyznaczenia wartości opóźnienia lasera wykorzystuje się odczyty meteorologiczne na stacji, dla których wyliczana jest poprawka zależna od wysokości satelity nad horyzontem oraz od początkowej wartości opóźnienia wiązki lasera. W zaproponowanej metodzie analizuje się wszystkie pomierzone odległości na wszystkich stacjach i wylicza się dla każdej stacji poprawki, które są wprost proporcjonalne do opóźnienia wiązki lasera wynikającego z bezpośrednich pomiarów meteorologicznych i grubości atmosfery, którą musi pokonać laser. Poprawkę meteorologiczną wystarczy wyliczać raz na tydzień dla każdej stacji laserowej, dzięki czemu obliczenia pozostają stabilne nawet dla stacji z niewielką liczbą zarejestrowanych pomiarów laserowych do satelitów, a zarazem błąd wynikający z opóźnienia atmosferycznego zostaje prawie całkowicie usunięty. Metoda opracowana przez polski zespół pozwala na skuteczną eliminację od 75 do 90% błędów systematycznych w pomiarach laserowych wynikających z błędów opóźnienia atmosferycznego.

Sposób redukcji błędów meteorologicznych już niedługo ma szansę stać się standardem w laserowych pomiarach odległości do satelitów, zwiększając dokładność nawet historycznych obserwacji Księżyca i satelitów, dzięki swojej prostocie i uniwersalności. Pozwala również na wykrycie błędnych odczytów z barometrów, które wcześniej negatywnie wpływały na satelitarne obserwacje Ziemi i Księżyca. Przełoży się to na poprawę przyszłych oraz wcześniejszych obserwacji kształtu Ziemi, tzw. geoidy, zmiany centrum masy Ziemi i obserwacji nieregularności w ruchu obrotowym, obserwacji topniejących lodowców oraz zmian poziomu wód oceanicznych.

Wrocławskie centrum obliczeniowe pomiarów laserowych
Grupa badawcza kierowana przez profesora Krzysztofa Sośnicę od wielu lat zajmuje się rozwojem technik laserowych i mikrofalowych w geodezji satelitarnej, a także wyznaczaniem precyzyjnych orbit sztucznych satelitów i parametrów opisujących Ziemię. W IGiG UPWr od 2017 roku funkcjonuje Stowarzyszone Centrum Analiz Międzynarodowej Służby Pomiarów Laserowych do Sztucznych Satelitów i Księżyca (International Laser Ranging Service, ILRS). Centrum odpowiada za monitorowanie jakości orbit satelitów GNSS: Galileo, GLONASS, BeiDou i QZSS z wykorzystaniem orbit opartych o obserwacje mikrofalowe i bezpośrednie pomiary laserowe. Jako jedyne na świecie wrocławskie centrum specjalizuje się w kombinacji dwóch technik obserwacyjnych sztucznych satelitów: laserowej i mikrofalowej GNSS. Szczegółowe informacje na temat centrum można znaleźć na stronie www.govus.pl.

Więcej na temat innowacyjnego podejścia do modelowania opóźnienia wiązki laserowej w atmosferze można przeczytać w artykule:
• Drożdżewski, M., Sośnica, K. (2021) „Tropospheric and range biases in Satellite Laser Ranging”. „Journal of Geodesy” 95, 100 (2021).
Natomiast wykorzystanie obserwacji laserowych do wyznaczania orbit satelitów Galileo zostało opisane w artykule:
• Bury, G., Sośnica, K., Zajdel, R., Strugarek D., Hugentobler U. (2021) „Determination of precise Galileo orbits using combined GNSS and SLR observations”. „GPS Solutions” 25, 11 (2021).
O wrocławskim centrum obliczeniowym pomiarów laserowych można poczytać w artykule:
• Zajdel, R., Sośnica, K., Bury, G. (2017) „A New Online Service for the Validation of Multi-GNSS Orbits Using SLR”. „Remote Sensing” 9(10), 1049 (2017).
Link do filmu przedstawiającego pomiar laserowy do satelitów w Obserwatorium Zimmerwald.

Badania pt. „Zintegrowane ziemskie układy odniesień przestrzennych oparte o laserowe pomiary odległości do satelitów geodezyjnych, teledetekcyjnych oraz GNSS” zostały sfinansowane ze środków Narodowego Centrum Nauki OPUS; kierownik projektu: prof. dr hab. inż. Krzysztof Sośnica.

Źródło: IGiG UPWr