12 дек 2023 46

Как лазерные рефлекторы помогут точнее измерить Землю

Традиционное использование спутников GPS — помощь людям в определении своего местоположения. Еще одно важное, но мало известное применение — взаимодействие с другими спутниками, наблюдающими за Землей, чтобы помочь им точно определить параметры нашей планеты.

NASA и несколько других федеральных агентств, включая U.S. Space Force, U.S. Space Command, U.S. Naval Research Laboratory и National Geospatial-Intelligence Agency, улучшают точность определения местоположения с помощью новых лазерных ретрорефлекторных массивов, или LRAs.

Для измерения расстояний ученые направляют световые лучи от объекта обратно к исходному источнику. Они делают это, размещая три зеркала под прямым углом, по сути, образуя внутренний угол куба. Решетки лазерных ретрорефлекторов являются массивом из 48 таких зеркальных углов.

Основное преимущество лазерного измерения и LRAs — улучшение геолокации всех наших наблюдений Земли. LRA — это специальные зеркала, они отличаются от обычного зеркала тем, что отражают свет прямо к его первоисточнику. Когда свет попадает в решетку, из-за 90-градусных углов свет будет отражаться и создавать серию отражений, но выходной угол всегда будет равен входящему

— Стивен Мерковиц, руководитель проекта Space Geodesy в НАСА на Goddard Space Flight Center.

Команда ученых и инженеров, работающих над проектом, тестировала ретрорефлекторные массивы ранее в этом году, чтобы убедиться, что они готовы к задаче и способны выдержать суровые условия космической среды. Недавно первый набор новых ретрорефлекторных массивов был отправлен в U.S. Space Force и компанию Lockheed Martin в Литтлтоне, штат Колорадо, чтобы быть установленным на следующее поколение спутников GPS.

Как работают лазерные ретрорефлекторные массивы?

Лазерные ретрорефлекторные массивы позволяют проводить измерение с использованием коротких вспышек лазера для определения расстояний между объектами. Импульсы света с земной станции направляются на орбитальный спутник, который отражает их с помощью массива, и возвращает на станцию. Время, которое требуется для перемещения света от земли до спутника и обратно, может быть использовано для вычисления расстояния между спутником и землей.

Лазерное измерение и лазерные ретрорефлекторные массивы были частью космических миссий на протяжении десятилетий и в настоящее время используются в работе спутников, наблюдающих за Землей, таких как ICESat-2 (сателлит для измерения льда, облаков и высоты), SWOT (измерение поверхностных вод и океанов) и GRACE-FO (миссия для изучения гравитации и климата). Ретрорефлекторные массивы для лазерного измерения даже развернули на поверхности Луны во время миссий Аполло.

В чем практическая польза ретрорефлекторного массива?

Поверхность Земли незаметно, но постоянно меняется из-за движения тектонических плит, таяния льда и других природных явлений. С учетом этих постоянных сдвигов — и факта, что Земля не является идеальной сферой — необходимо иметь способ определения измерений на поверхности Земли. Ученые называют это точкой отсчета.

Эти массивы и лазерное измерение не только помогают точно определить местоположение спутников на орбите, но и обеспечивают точную позиционную информацию для земных станций. Имея эту информацию, ученые могут даже найти центр массы Земли, который является исходной точкой, или нулевой точкой, для точки отсчета.

Значительные события, такие как цунами и землетрясения, могут вызывать незаметные изменения в центре массы Земли. Ученым нужны точные измерения, чтобы количественно оценить и понять эти изменения

— Линда Томас, исследователь-инженер в U.S. Naval Research Laboratory в Вашингтоне.

Измерения спутником явлений на Земле, таких как изменение уровня моря, опираются на точную систему отсчета. Долгосрочная глобальная тенденция повышения уровня моря, а также ее сезонные и региональные вариации, происходят со скоростями всего несколько миллиметров в год. Система отсчета должна быть более точной, чем такие изменения.