Polscy naukowcy zwiększają precyzję nawigacji satelitarnej

Geodezyjny układ odniesienia jest dla większości ludzi hasłem pojęciowo obcym, lecz jednocześnie czymś, co miliardy użytkowników nawigacji satelitarnych na całym świecie wykorzystuje każdego dnia. To układ ortokartezjański w przestrzeni trójwymiarowej, którego początek pokrywa się ze środkiem masy Ziemi (mówimy, że jest geocentryczny) i który wraz z Ziemią rotuje. To właśnie dzięki niemu możemy odnaleźć się w przestrzeni i bezpiecznie nawigować do celu.

Praktyczną realizacją założeń systemu odniesienia jest ITRF (ang. International Terrestrial Reference Frame), którego najnowsza realizacja pochodzi z roku 2022 (nazwany ITRF2020). Bazuje on na czterech technikach kosmicznych i satelitarnych. Są to nawigacyjne systemy satelitarne GPS i GLONASS, pomiary interferometryczne do kwazarów (ang. Very Long Baseline Interferometry), pomiary laserowe do satelitów (ang. Satellite Laser Ranging) oraz dopplerowska technika DORIS (ang. Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite).

„Ten ostatni system wykorzystuje orbitujące satelity altymetryczne i teledetekcyjne, na których zostały umieszczone specjalne odbiorniki, gdyż działa inaczej niż systemy nawigacyjne. Satelity systemów nawigacyjnych nadają sygnał odbierany przez odbiorniki na powierzchni Ziemi, natomiast satelity systemu DORIS odbierają sygnał nadawany z około 60 nadajników naziemnych, nazywanych po angielsku „beacons”” – tłumaczy prof. dr hab. inż. Janusz Bogusz z Wydziału Inżynierii Lądowej i Geodezji WAT.

Pomysłodawcą i twórcą systemu DORIS była Francuska Agencja Kosmiczna CNES (fr. Centre National d’Etudes Spatiales), a jej partnerami zostali Francuski Narodowy Instytut Geografii IGN (fr. Institut Géographique National) oraz Instytut Kosmicznych Badań Geodezyjnych GRGS (fr. Groupe de Recherches de Géodésie Spatiale). Oprócz zastosowań w konstrukcji ziemskiego układu odniesienia system służy do wyznaczania orbit, badania pola grawitacyjnego Ziemi i jej ruchu obrotowego oraz precyzyjnego wyznaczania pozycji na powierzchni Ziemi.

W najnowszej publikacji naukowcy z Wojskowej Akademii Technicznej przedstawili analizy ukierunkowane na weryfikację założeń przyjętych do opracowania danych w celu utworzenia wkładu służby IDS (ang. International DORIS Service) do układu ITRF2020 w stosunku do założeń wykorzystanych do konstrukcji poprzedniego układu odniesienia ITRF2014.

Podczas przetwarzania danych do ITRF2020 zastosowano nowy model średniego bieguna i zmienności orientacji Ziemi o wysokiej częstotliwości zgodnie z zaleceniami Międzynarodowej Służby Obrotu Ziemi i Systemu Odniesienia IERS (ang. International Earth Rotation and Reference Systems Service), wykorzystano kwaterniony, czyli system liczbowy rozszerzający liczby zespolone, niezwykle przydatny do opisu obrotów w przestrzeni 3D, do określenia położenia satelitów Jason i Cryosat-2, dodano obserwacje z nowych misji satelitarnych Jason-3 i Sentinel-3A/B, wdrożono strategię łagodzenia skutków wpływu anomalii magnetycznej SAA (ang. South Atlantic Anomaly) na satelitę Jason-2 oraz zastosowano nowy model centrum fazowego anten Alcatel oraz nowy sposób redakcji danych.

Na podstawie szeregów zmian czasowych pozycji stacji permanentnych systemu DORIS zespół badaczy zbadał ewolucję zarówno części deterministycznej, jak i stochastycznej szeregów w odniesieniu do 3 faz rozwoju systemu DORIS: „faza zagęszczenia sieci”, poprzez „renowację sieci” do „ery modernizacji”.

„Wyniki pokazały jednoznacznie, iż zarówno technologiczna ewolucja systemu, jak i zastosowanie najnowszych modeli i standardów opracowania obserwacji poprawiają jakość wykorzystywanych szeregów czasowych zmian pozycji stacji systemu DORIS, co przenosi się wprost na wiarygodniejszy wkład do układu odniesienia” – wyjaśnia profesor Janusz Bogusz.

Poprawa jakości obserwacji DORIS skutkować będzie zwiększeniem stabilności geodezyjnego układu odniesienia, który wymaga stabilności zmian długookresowych na poziomie 1 mm/rok. Autorzy wykazali, iż technika DORIS pozwala na wyznaczenie prędkości stacji permanentnych z porównywalnym błędem średnim wyznaczonym z optymalnym modelem szumu opisującym część stochastyczną, otwierając jednocześnie potencjał tej techniki do wiarygodnej interpretacji zjawisk geofizycznych.

Wyniki badań ukazały się w czasopiśmie „Measurement” pod tytułem „Assessing the evolution of position time series derived from satellite Doppler measurements”. W badaniach udział wzięli: prof. dr hab. inż. Janusz Bogusz, dr hab. inż. Anna Kłos, dr inż. Artur Leńczuk z Wydziału Inżynierii Lądowej i Geodezji WAT oraz dr Guilhem Moreaux z CLS Collect Localisation Satellites. Artykuł otrzymał 200 punktów, wskaźnik cytowań dla czasopisma (IF) to 5,6.

Opracowanie: Marcin Wrzos, Wojskowa Akademia Techniczna (WAT)