Wrocławscy badacze odkryli sposób na dokładniejsze pomiary odległości do satelitów i Księżyca

Badacze z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki UPWr dowiedli, że dotychczasowe podejście do korygowania błędów wynikających z opóźnienia wiązki laserowej w atmosferze było wadliwe. Proponują pomiar uwzględniający grubości warstw atmosfery, przez które przechodzi laser.

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.

Do wyznaczenia wartości opóźnienia lasera wykorzystuje się odczyty meteorologiczne na stacji. Do tych pomiarów wyliczana jest poprawka zależna od wysokości satelity nad horyzontem oraz od początkowej wartości opóźnienia wiązki lasera. Wrocławscy naukowcy proponują, aby analizie poddawać wszystkie pomierzone odległości na wszystkich stacjach. Wówczas można dla każdej stacji wyliczyć poprawki, które są wprost proporcjonalne do opóźnienia wiązki lasera wynikającego z bezpośrednich pomiarów meteorologicznych i grubości atmosfery.

Jak zapewniają naukowcy z grupy kierowanej przez prof. Krzysztofa Sośnicę, taką poprawkę meteorologiczną wystarczy wyliczać raz na tydzień dla każdej stacji laserowej. Dzięki temu 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 proc. do 90 proc. błędów systematycznych w pomiarach laserowych wynikających z błędów opóźnienia atmosferycznego.

Zdaniem autorów, sposób redukcji błędów meteorologicznych ma szansę stać się standardem w laserowych pomiarach odległości do satelitów. Dzięki swojej prostocie i uniwersalności zwiększy dokładność nawet historycznych obserwacji Księżyca i satelitów. Pozwoli 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.

Dzięki pomiarom laserowym do sztucznych i naturalnego satelity Ziemi naukowcy dowiedzieli się, ile wynosi stała grawitacji i masa Ziemi, o ile zmienia się spłaszczenie Ziemi w czasie. Mogą korygować i wyliczać poprawki pozycji satelitów Galileo i GLONASS. Zidentyfikowali, 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. Umożliwiły dokładny opis wahań w ruchu Księżyca, czyli tzw. libracji oraz zrewidować pochodzenie srebrnego globu.

Grupa badawcza kierowana przez prof. Sośnicę zajmuje się rozwojem technik laserowych i mikrofalowych w geodezji satelitarnej, a także wyznaczaniem precyzyjnych orbit sztucznych satelitów i parametrów opisujących Ziemię. W Instytucie Geodezji i Geoinformatyki UPWr od 2017 roku funkcjonuje Stowarzyszone Centrum Analiz Międzynarodowej Służby Pomiarów Laserowych do Sztucznych Satelitów i Księżyca (ang. International Laser Ranging Service, ILRS). Centrum odpowiada za monitorowanie jakości orbit satelitów Globalnych Nawigacyjnych Systemów Satelitarnych (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.