ESA sfinansuje misję GENESIS przygotowaną z udziałem zespołu z IGiG UPWr

Europejska Agencja Kosmiczna przyjęła budżet na kolejne lata działalności oraz wyznaczyła priorytety przyszłych misji satelitarnych. W dniach 22–23 listopada w Paryżu odbyło się spotkanie ESA na poziomie ministerialnym, podczas którego zapadła decyzja o sfinansowaniu m.in. misji GENESIS za 80 milionów euro. W skład zespołu przygotowującego koncepcję misji weszło czterech naukowców z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu. Nowy satelita przyczyni się do zwiększenia dokładności pomiarów geodezyjnych na powierzchni Ziemi, gdyż celem misji jest osiągnięcie poziomu jednego milimetra.

Jeden z radioteleskopów VLBI, który będzie zaangażowany nie tylko w śledzenie pozagalaktycznych radioźródeł, ale także sygnałów mikrofalowych z misji GENESIS (fot. Krzysztof Sośnica)

Dlaczego potrzebny nam jest nowy satelita?
Misja GENESIS ma za zadanie dokonanie czegoś, co wcześniej nigdy nie udało się w badaniach satelitarnych i kosmicznych. Będzie to pierwsza misja wykorzystująca nie tylko klasyczne metody śledzenia satelitów na podstawie m.in. nawigacyjnych sygnałów GPS i Galileo. Ale po raz pierwszy satelita będzie nadawał sygnały na częstotliwościach odbieranych przez radioteleskopy. Dotychczas radioteleskopy były wykorzystywane do obserwacji pozagalaktycznych źródeł tzw. kwazarów lub też otoczenia czarnych dziur z wykorzystaniem tzw. interferometrii wielkobazowej. Radioteleskopy nie śledziły dotychczas ziemskich satelitów z tego względu, że ich częstotliwości nie były dostosowane do radioteleskopów (np. w przypadku systemu GPS) albo satelity poruszały się zbyt szybko względem stacji na orbitach niskich, a duże anteny radioteleskopów nie były w stanie w stanie śledzić tak szybko poruszających się obiektów.

Cztery sposoby śledzenia satelitów
Misja GENESIS będzie znajdowała się na orbicie średniej na wysokości ok. 6000 km nad Ziemią. Dzięki temu będzie śledzona jednocześnie przez kilka radioteleskopów z powierzchni Ziemi, a także znajdowała się znacznie poniżej pułapu satelitów nawigacyjnych GPS i Galileo, żeby śledzić ich sygnały mikrofalowe (satelity nawigacyjne GPS i Galileo znajdują się na wysokości ok. 20200–23200 km).
Ponadto satelita GENESIS będzie śledzony przez naziemne stacje laserowe wykonujące pomiary odległości do satelitów (SLR – Satellite Laser Ranging), które wymagają najwyższej dokładności. Dzięki temu wykorzystane zostaną nie tylko obserwacje mikrofalowe, ale również laserowe. Czwartą techniką, która zostanie wykorzystana na pokładzie, będzie śledzenie częstotliwości sygnałów mikrofalowych przez misję GENESIS, ale nie z „góry” jak w przypadku GPS i Galileo, ale z „dołu” od tzw. stacji DORIS – znajdujących się na powierzchni Ziemi. DORIS umożliwia pozycjonowanie satelitów na podstawie tzw. efektu Dopplera, czyli przesunięcia częstotliwości sygnału odbieranego i nadawanego za sprawą względnej prędkości pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem.

Planeta Ziemia wymaga ciągłego i dokładnego monitoringu
GENESIS będzie zatem pierwszą misją satelitarną śledzoną przez 4 różne systemy obserwacyjne: radioteleskopy, DORIS, stacje laserowe, a także sama misja będzie odbierała sygnały GPS i Galileo od satelitów znajdujących się powyżej. Dotychczasowe połączenie technik opierało się wyłącznie o pomiary naziemne pomiędzy np. radioteleskopami a naziemnymi odbiornikami GPS. Jednak takie pomiary były bardzo często niedokładne, gdyż występowały trudności w milimetrowej identyfikacji centrów fazowych anten, czyli miejsc, w którym sygnały mikrofalowe GPS są rzeczywiście odbierane.
Misja GENESIS pozwoli na integrację wszystkich 4 technik i połączenie najdokładniejszych metod śledzenia satelitów na pokładzie jednego satelity ziemskiego. Celem misji jest osiągnięcie dokładności realizacji ziemskich układów odniesienia na poziomie 1 mm oraz jego zmian w czasie na poziomie nie gorszym niż 0.1 mm rocznie. Tak wysoka dokładność jest podyktowana koniecznością monitorowania zmian klimatycznych w systemie ziemskim, m.in. dokładnością obserwacji zmian wysokości poziomu wód w morzach i oceanach, aby przeciwdziałać negatywnym skutkom zmian środowiska na społeczeństwo.

GENESIS pozwoli rozwiązać szereg problemów
Obecnie niespójności pomiędzy technikami satelitarnymi znacząco przekraczają poziom 1 mm, w tym niespójności pomiędzy systemami nawigacyjnymi, laserowymi pomiarami do satelitów, czy też interferometrią wielkobazową. Przyczyną niespójności jest m.in. brak dedykowanej misji satelitarnej integrującej na pokładzie jednego satelity wszystkie cztery główne techniki obserwacyjne – mikrofalowe i laserowe.
Integracja przeprowadzona na pokładzie satelity GENESIS znacząco poprawi dokładność realizacji geodezyjnych układów odniesienia, pozwoli na lepsze poznanie procesów geodynamicznych, przyczyni się do zwiększenia dokładności pozycjonowania satelitarnego i nawigacji, umożliwi satelitarną synchronizację czasu pozbawioną błędów instrumentalnych, a także umożliwi badania naukowe testujące efekty relatywistyczne oraz nad lepszym poznaniem procesów zachodzących w górnych warstwach atmosfery, a przede wszystkim w jonosferze ziemskiej i w zakresie pogody kosmicznej. Jak stwierdzono w rezolucji ONZ A/RES/69/266: „Globalne geodezyjne układy odniesienia dla zrównoważonego rozwoju”: ONZ uznaje znaczenie „inwestycji państw członkowskich w rozwój misji satelitarnych do pozycjonowania i teledetekcji Ziemi, wspierając szereg przedsięwzięć naukowych, które poprawiają nasze zrozumienie systemu ziemskiego i wspierają podejmowanie decyzji”. Misja GENESIS bezpośrednio odpowiada na wezwanie ONZ.

Rola polskiego zespołu w przygotowaniu misji
Współautorami artykułu, który opisuje koncepcję misji GENESIS są trzy osoby z Polski – prof. Krzysztof Sośnica, dr inż. Radosław Zajdel oraz dr inż. Grzegorz Bury, natomiast w skład zespołu doradczego misji wszedł również dr inż. Dariusz Strugarek. Polski zespół posiada doświadczenie w zakresie łączenia różnych technik obserwacyjnych satelitów, m.in. techniki laserowej i mikrofalowej na pokładzie satelitów Galileo. Jako pierwszy zespół na świecie połączył dwie techniki celem poprawy orbit satelitów Galileo oraz stworzył metodologię wyznaczania współrzędnych stacji na Ziemi z wykorzystaniem tzw. space-ties na pokładach satelitów Galileo.
Ponadto, zespół zajmował się łączeniem obserwacji GPS i laserowych na podkładach satelitów niskich, takich jak satelity SWARM do obserwacji pola magnetycznego Ziemi, satelity GOCE do obserwacji pola grawitacyjnego, satelitów Jason-2 i Sentinel-3 do obserwacji poziomu mórz i oceanów, a także TerraSAR-X do radarowych obserwacji deformacji powierzchni Ziemi i budowy numerycznych modeli terenu.
We Wrocławiu znajduje się Stowarzyszone Centrum Analiz Międzynarodowej Służby Pomiarów Laserowych do Sztucznych Satelitów i Księżyca (ILRS), które specjalizuje się w analizie dokładnościowej wyznaczania orbit mikrofalowych GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou i QZSS oraz porównywaniu ich z laserowymi pomiarami odległości. Wrocławskie Centrum współpracuje m.in. z Międzynarodową Służbą GNSS w zakresie oceny jakości orbit satelitów systemów nawigacyjnych GNSS wyznaczonych na podstawie obserwacji mikrofalowych.

Nowa misja ESA będzie sukcesem światowej geodezji
Doświadczenie polskiego zespołu w zakresie łączenia technik GNSS i laserowych na pokładzie różnych misji satelitarnych stanowiło nieodzowny element, który przyczynił się do doskonałości w zakresie przygotowania merytorycznego misji. Spośród wielu misji rozważanych przez ESA, tylko kilka procent z koncepcji przechodzi do fazy finansowania i realizacji. Koncepcja GENESIS przygotowana m.in. przez polski zespół jest zatem niepodważalnym sukcesem, gdyż przekonała kraje członkowskie ESA do inwestycji finansowej w realizację misji, jako tej, która przyczyni się znacząco do poprawy jakości ziemskich pomiarów satelitarnych.
Zakłada się, że misja zostanie wyniesiona na orbitę okołoziemską w 2026 r., a koszty realizacji w latach 2023–2026 r. wyniosą ok. 80 milionów euro. Cały budżet przeznaczany na nawigację w ESA został zwiększony z poziomu 73 do 351 milionów euro w stosunku do 2019 r.
Misja GENESIS powstała dzięki wsparciu Komitetu Naukowego ds. GNSS Europejskiej Agencji Kosmicznej, w którym zasiada Prof. Paweł Wielgosz z UWM w Olsztynie. Pełna lista osób wspierających misję znajduje się na stronie konferencji dedykowanej przygotowaniu misji: https://genesis-1.sciencesconf.org/resource/listeparticipants

Źródło: IGiG