Aktualności

Gdzie umieścić przyszłego satelitę do zbadania kształtu Ziemi?

19-08-2024

Zależność wysokości satelity (height) i kąta nachylenia względem równika (inclination) od możliwości wyznaczenia składowej Z geocentrum (C10) oraz parametrów opisujących kształt Ziemi (C30 - C70) z perturbacji długookresowych. Istniejące satelity geodezyjne zaznaczono symbolem rombów.

Pomimo tego, że wokół Ziemi orbitują obecnie setki tysięcy sztucznych satelitów, okazuje się, że żaden z nich nie posiada optymalnej orbity do wyznaczenia stałej grawitacji, współrzędnych środka Ziemi, czy też spłaszczenia i kształtu Ziemi. Większość satelitów umieszczana jest na orbitach niskich (pon. 1500 km), geostacjonarnych lub w wysokiej strefie orbit średnich (np. GPS i Galileo). Pomiędzy wysokością 1500 a 5800 km nie orbituje żaden satelita geodezyjny czy teledetekcyjny. Ponadto satelity umieszczane są zazwyczaj pod kątami nachylenia orbit od 50 do 110 stopni, co pokrywa zaledwie 33% możliwych kątów nachylenia orbit względem równika.

Projekt orbity przyszłego satelity, który pozwoli najlepiej wyznaczyć zarówno pole grawitacyjne, kształt Ziemi, jak i współrzędne jej środka (geocentrum), a także iloczyn stałej grawitacji oraz masy Ziemi został przedstawiony w najnowszym artykule w Journal of Geodesy. Publikacja opisuje teoretyczne zależności pomiędzy perturbacjami orbit a polem grawitacyjnym Ziemi, który powoduje anomalia w ruchu satelitów. Podczas optymalizacji wysokości orbity wzięto pod uwagę: (1) widoczność satelity ze stacji naziemnych w celu śledzenia dalmierzami laserowymi, (2) liczbę obiegów satelitów wokół Ziemi (ruch średni), (3) możliwość wyznaczenia danego współczynnika opisującego kształt Ziemi na zadanej wysokości.

W wyniku badań okazało się, że optymalne nachylenie dla przyszłego satelity geodezyjnego wynosi 35°-45° lub 135°-145° przy wysokości około 1500-1700 km w celu najlepszego wyznaczenia spłaszczenia Ziemi oraz jej „gruszkowatości”, czyli asymetryczności względem płaszczyzny równika. W celu lepszego określenia współrzędnych środka Ziemi i wyznaczenia iloczynu stałej grawitacji oraz masy Ziemi (GM), preferowana wysokość wynosi 2300–3500 km. Niestety, żaden z istniejących satelitów nie ma optymalnej wysokości i kąta nachylenia do wyznaczenia GM, środka masy i spłaszczenia Ziemi, a więc najważniejszych parametrów opisujących jej kształt, ponieważ nie ma satelitów geodezyjnych na wysokościach pomiędzy 1500 (Ajisai i LARES-1) a 5800 km (LAGEOS-1/2, LARES-2).

Optymalna wysokość satelity do wyznaczenia parametrów opisujących pole grawitacyjne Ziemi danego stopnia (degree)

Więcej na temat procesu projektowania optymalnej orbity dla przyszłych misji satelitarnych:

Sośnica, K. (2024) Orbit design for a future geodetic satellite and gravity field recovery. Journal of Geodesy 98, 77 (2024). https://doi.org/10.1007/s00190-024-01884-9

Przeprowadzone badania zostały zrealizowane ze środków Narodowego Centrum Nauki, Sonata BIS, projekt "Ewolucja ziemskiego pola grawitacyjnego (EAGLE) / EArths Gravity fieLd Evolution", UMO-2021/42/E/ST10/00020.