Naukowcy z IGiG: Jak dokładnie można przewidzieć pozycję satelitów?

Dzięki zoptymalizowanej metodzie predykcji orbit satelitów pozycję po upływie 4 dni bez wykonywania dalszych pomiarów można przewidzieć z dokładnością 40 cm (w przypadku systemów Galileo i GPS), 60 cm (GLONASS i BeiDou) oraz 70 cm (QZSS).

Fot. Pixabay

To spore osiągnięcie zważywszy na to, że satelity nawigacyjne poruszają się z prędkością ok. 3,9 km/s (GPS), więc w ciągu 4 dni przebywają 1 350 000 km. W przypadku systemu Galileo bardzo pomocne okazały się informacje na temat szczegółów konstrukcyjnych satelitów, w tym materiałów i wielkości elementów korpusu oraz paneli słonecznych. Bez wykorzystania informacji o konstrukcji satelity, najlepsza metoda pozwala przewidywać pozycję po 4 dniach z dokładnością 120 cm, czyli trzykrotnie gorzej.

Najskuteczniejsze metody przewidywania pozycji satelitów nawigacyjnych zostały opublikowane w artykule zespołu naukowców z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu w czasopiśmie „Acta Astronautica”.

Obecnie istnieją cztery operacyjne globalne systemy nawigacji satelitarnej – amerykański GPS, rosyjski GLONASS, europejski Galileo i chiński BeiDou. Te cztery GNSS obsługują użytkowników przy użyciu ponad 120 satelitów na średniej orbicie okołoziemskiej (ang. MEO). Działanie systemów GNSS uzupełniają regionalne systemy nawigacji satelitarnej, takie jak japoński QZSS. Różne systemy, a nawet generacje satelitów w ramach poszczególnych systemów, różnią się pod względem charakterystyki orbity, konstrukcji satelity lub dostępności szczegółowych informacji o metadanych satelitarnych.

W przypadku satelitów nawigacyjnych głównymi perturbacjami orbitalnymi, które mogą wpływać na jakość predykcji orbity, czyli przewidywania pozycji satelity w przyszłości, są siły niegrawitacyjne, takie jak bezpośrednie ciśnienie promieniowania słonecznego (ang. SRP), oraz pośrednie efekty promieniowania słonecznego, w tym albedo i efekty termiczne. Wśród nich bezpośrednie SRP jest głównym niegrawitacyjnym źródłem przyspieszeń działających na satelity nawigacyjne. Aby ocenić jego wpływ, testowane są różne rozwiązania oparte na rozszerzonym Empirycznym Modelu Orbity CODE (ang. ECOM2) oraz analitycznym a priori modelu box-wing.

Zastosowanie odpowiednich modeli analitycznych pozwala na dokładne modelowanie sił działających na satelity, w tym przede wszystkim SRP. Niestety, modele analityczne możemy wykorzystywać tylko dla satelitów, dla których informacje na temat ich parametrów konstrukcyjnych są dostępne dla użytkownika. Na przestrzeni ostatnich lat informacje takie udostępnione zostały wyłącznie przez operatorów systemów Galileo, BeiDou oraz QZSS. Drugą kwestią wymagającą rozpatrzenia jest dokładność udostępnianych informacji, która często bywa niewystarczająca do precyzyjnego modelowania sił działających na satelity przy wykorzystaniu wyłącznie modeli analitycznych. Z pomocą przychodzą wtedy modele empiryczne, takie jak szwajcarski model ECOM lub modele hybrydowe łączące w sobie cechy obu tych grup.

Na przestrzeni lat jakość predykcji pozycji satelitów nawigacyjnych była analizowana w różnych opracowaniach. W opublikowanym badaniu naukowców z Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu oceniono wpływ strategii modelowania orbity na dokładność predykcji orbity w krótkich (jednodniowych) i długich (wielodniowych) skalach czasowych, skupiając się na wyborze optymalnego podejścia do modelowania SRP, wpływu parametrów pseudo-stochastycznych oraz długości łuku z rzeczywistymi obserwacjami użytego do początkowego dopasowania orbity.

Badania takie nigdy nie były wykonywane przy jednoczesnym wykorzystaniu pięciu konstelacji satelitów nawigacyjnych i rozróżnieniu każdej z nich na unikalne grupy. Liczba rozwiązań wykonanych dla każdego podejścia daje pełny obraz wpływu wszystkich badanych czynników na jakość predykcji orbity. Dla modelowania SRP nie ma uniwersalnej optymalnej metody dla wszystkich satelitów. Charakterystyka każdej grupy pod względem budowy satelity, parametrów optycznych i geometrii orbity powoduje, że dla każdej grupy satelitów różne podejścia są uznawane za najlepsze. Konkluzja płynąca z wyników analiz wskazuje, że należy odpowiednio dobrać rozwiązanie dla konkretnej grupy satelitów, aby właściwie zminimalizować wpływ bezpośredniego SRP na jakość rozwiązania predykcji orbity.

Wyniki analiz jednoznacznie wskazują, że istnieje korzyść zastosowania strategii hybrydowej polegającej na połączeniu modeli empirycznych i fizycznych, tj. z modelami box-wing, dla systemów, które posiadają oficjalne szczegółowe metadane o budowie satelitów dostarczone przez operatorów systemu, tj. Agencję Unii Europejskiej ds. Programu Kosmicznego EUSPA dla Galileo lub Japońską Agencję Eksploracji Kosmosu (ang. JAXA) dla QZSS. Z drugiej strony występuje co najwyżej niewielka poprawa jakości przy zastosowaniu przybliżonych modeli budowy satelitów, „best guess” lub uproszczonych, które nie zapewniają żadnej poprawy. Do tej grupy należą satelity GPS, BeiDou i GLONASS, więc użycie wyłącznie empirycznego modelu ECOM2 jest dla tych systemów lepszym wyborem. Przy zastosowaniu optymalnej wskazanej w badaniu strategii predykcji, 95 percentyle błędów predykcji pozycji po 4 dniach wynoszą około 0,9, 1,7, 1,8, 2,2, 2,3 m odpowiednio dla GPS, Galileo, BeiDou, GLONASS i QZSS.

Wyniki opublikowanych badań dotyczących optymalizacji strategii predykcji orbit znajdują zastosowanie w wielu kluczowych obszarach geodezji kosmicznej i naukach o Ziemi. Predykcja orbity satelitarnej jest jednym z kluczowych celów leżących u podstaw aplikacji GNSS w czasie zbliżonym do rzeczywistego i w czasie rzeczywistym, monitoringu atmosfery oraz precyzyjnego pozycjonowania punktów (ang. PPP). Zainteresowanie długością predykcji orbity zależy od zastosowania. Użytkownicy GNSS pracujący w czasie zbliżonym do rzeczywistego i w czasie rzeczywistym, którzy wykorzystują orbity satelitarne do pozycjonowania, są najczęściej zainteresowani krótkoterminowymi prognozami do 24 godzin. Długoterminowe predykcje orbit mogą mieć istotne znaczenie dla stacji wykonujących laserowe pomiary do satelitów (ang. SLR), aby efektywnie śledzić satelity nawigacyjne. Długoterminowe predykcje orbit GNSS powinny być interesujące również w przypadku przedłużającej się utraty kontaktu pomiędzy segmentem kontrolnym a satelitą GNSS, czyli w tzw. trybie rozszerzonym.

Więcej informacji: Nowak, A., Zajdel, R., Sośnica, K. (2023). Optimization of orbit prediction strategies for GNSS satellites. „Acta Astronautica”.

Źródło: IGiG UPWr