2251772476

gr inż. Janusz Zieliński

Geodezyjne aspekty problematyki sztucznych satelitów Ziemi

yrzucenie w przestrzeń pierwszego sztucznego satelity Ziemi otworzyło przed nauką nowe, olbrzymie perspektywy. Już program badań w ramach Między-arodowego Roku Geofizycznego zawierał bardzo bogaty achlarz zagadnień, jak badanie gęstości atmosfery, stref adiacji, magnetyzmu ziemskiego i wiele innych. W miarę aś obserwacji i analizy wyników, w miarę opracowywa-lia danych dostarczonych przez aparaturę naukową umiesz-zaną w ich wnętrzu, wyłoniły się sprawy nowe i ukazywały się nowe możliwości.

Wa.nto przyjrzeć się pokrótce korzyścirm, jakie osiągnąć oże z zainteresowania się sztucznymi satelitami geodezja ako nauka. Dla zorientowania się w zagadnieniu zapo-najmy się w sposób ogólny z prawami rządzącymi znaj-ującym się na orbicie satelitą i sposobami obserwacji.

ita, po której porusza się sa‘elita, jest zgcdnie z pra-em Keplera elipsą, w ognisku której znajduje się środek iemi. W ten sposób jego wysokość nad powierzchnią Zie-i jest zmienna, najmniejsza w punkcie przyziemnym — erigeum, najdalsza w apogeum.

Kształt orbity uzależniony jest od szybkości początko-ej, nadanej pociskowi przez ostatni stopień rakiety przy rowadzeniu na orbitę. Im ona jest większa, tym większy est mimośród elipsy, elipsa jest bardziej wydłużona. Opór tmosfery — działając hamująco — sprawia, że kształt rbity zbliża się do koła, jednakże wysokość w perigeum mienia się bardzo mało. Dopiero w ostatniej fazie „życia” atelity, kiedy szybkość staje się mniejsza od granicznej ybkości bliskiej 8 km/s-k^ł), tor jego staje się spiralny pocisk, zanurzając się w gęstszych warstwach atmosfery, lega zniszczeniu.

Płaszczyzna orbity względem gwiazd zmienia swoje połc-enie bardzo powoli, wygląda to tak, że satelita kreśli woja elipsę stale w jednej płaszczyźnie, niezależnie od iemi, która pod nim obraca się swoim ruchem. W czasie ednego, pełnego obiegu satelity po orbicie, Ziemia dokona brotu o kąt A X równy okresowi obiegu satelity, czyli ie znajdzie się on już nad tym samym punktem, lecz nad nnym, różniącym się w długości o A X.

Orbity radzieckich sputników nachylone były do równi-a pod kątem 65°, do tej też szerokości geograficznej można e było obserwować.

Satelity amerykańskie Explorer i Vanguard miały orbity achylone do równika pod kątem około 30°, dlatego też nie yły one u nas widoczne, jedynie D:scoverer miał orb tę rostopadłą do równika i mógł być obserwowany na całej uli ziemskiej.

Elementy orbity są zmienne, przy czym szybkosc tych ian zalaży od wysokości w perigeum, im jest ona więk-za — tym orbita jest bardziej stabilna. I tak Sputnik I rzy początkowej odległości w perigeum 225 km utrzymy-ał się w przestrzeni 92 dni, zaś amerykański Vanguard, tórego odpowiednia odległość wynosi około 650 km, będzie apewne utrzymywał się w przestrzeni przez wiele lat. Specyfiką obserwacji sztucznych satelitów jest, że są one idoczne tylko w porze wieczornej i porannej. Wynika to tego, że lecący na znacznej wysokości pocisk świeci odbi-ym światłem słonecznym, jest więc niewidoczny, kiedy się najdzie w cieniu Ziemi. Z drugiej strony obserwator może, względu na małą jasność, zauważyć go dopiero po zacho-zie słońca. Tak więc satelita widoczny jest tylko w rejo-ach przecięcia się orbity z płaszczyzną ziemskiego termi-atora. Wielkość tego obszaru widoczności zależy od wyso-ości przelotu. Ponieważ zarówno terminator, jak i płasz-zyzna orbity zmieniają swoje położenie, satelita jest bserwowany na coraz to innych szerokościach. Charakter ych zmian jest jeszcze funkcją nachylenia orbity. Dla orbit liskich równika obszar widzialności przesuwa się niewiele dół i w górę od równ.ka, a okresy widzialności dla po-zczególnych miejsc są prawie jednakowe; dla orbit o na-hyleniu 65°—70°, zmiany są bardziej złożone, a nawet ywają krótkie okresy, że satelita jest widoczny we wszyst-ich szerokościach geograficznych oczywiście do granicy = nachyleniu.

*) Szybkość graniczna pozwalająca utrzymać się na orbicie koło-ej zależy od promienia oroity. Na przykład dla wysokości 200 km ad powierzchnię Ziemi równa się ona 1191 m/sek. dla wysokości ooo km v =- 7356 m/jek.

Obserwacje sztucznych satelitów wykonuje się metodami: radiową, wizualną i fotograficzną. Obserwacje (namiary) radiowe możliwe są tylko wtedy, kiedy pracuje nadajnik; w przypadkach dotychczasowych (z wyjątkiem amerykańskiego Vanguarda pracującego na bateriach słonecznych) był to krótki okres po wystrzeleniu pocisku. Oparte są one na zasadzie wykorzystania efektu Dopplera i wcięć kierunkowych.

Metoda ta nie może być wykorzystana do określenia elementów orbity, przede wszystkim z powodu niedostatecznej dokładności: można jej użvć do oznaczenia z grubsza chwilowego położenia satelity. Wyniki obserwacji radiowych stają się ciekawym materiałem naukowym dopiero po porównaniu ich z danymi otrzymanymi dokładniejszymi metodami; pozwala to wykryć szereg zjawisk zachodzących w wyższych warstwach atmosfery i wpływających na rozchodzenie się fal elektromagnetycznych. Poza tym dla niektórych zagadiień najważniejsze są ostatnie chwile życia satelity i znajomość jego toru właśnie w końcowym okresie. Na;':⁵ k ładniejsze i najwartościowsze są obserwacje fotograficzne. Pozwalają one na względnie precyzyjne wyznaczenie miejsca i czasu przelotu satelity. Do wykonywania takich obserwacji konieczne są kamery z urządzeniem rejestrującym czas. Problem dokładnej rejestracji czasu jest najbardziej trudny. Należy pamiętać, że satelita porusza się z szybkością kątową względem obserwatora ca l°/sek, a więc błąd 0°,001 spowoduje około 4" błędu w określeniu położenia. Sumują się tu jeszcze błędy pozycji, którą określa się mierząc na kliszy odległość obrazu drogi satelity od obrazów gwiazd. Najwyższe dokładności, osiągane tą metodą, sięgają 2"—5" w wyznaczeniu kąta położenia i 0^S,001 — wyznaczenia czasu.

Tego rodzaju obserwacje wymagają jednak skomplikowanych i kosztownych urządzeń, co nie pozwala na szerokie ich stosowanie. Poza tym sztuczne satelity są obiektami trudnymi do fotografowania z powodu swojej dużej szybkości i jeżeli mamy do czynienia z przedmiotem słabo świecącym, o blasku poniżej 3 wielkości gwiazdowej, trudności w fotografowaniu go gwałtownie wzrastają.

Uzupełnieniem obserwacji fotograficznych są obserwacje wizualne, które z uwagi na taniość i prostotę wykonywania, przy jednoczesnym zapewnieniu dobrych wyników, są stosowane najszerzej. Technika tych obserwacji może być różna, sposób najbardziej przyjęty odbiega nieco od sposobów znanych nam z astronomii geodezyjnej. Tak tu. jak i tam mierzymy czas i kierunek do widocznego na niebie celu, robimy to jednak inaczej.

Położenie satelity określamy nie za pomocą odczytu kół: poziomego i pionowego, a przez oznaczenie jego miejsca wśród gwiazd w danej chwili. Do tego rodzaju obserwacji służy lunetka AT-1 o powiększeniu 6x śrean: obiektywu — 1,5 cm i polu widzenia 11", w który to rodzaj przyrządów zaopatrzone są polskie stacje obserwacyjne. W polu widzenia znajduje się diagram przedstawiony na rysunku. Koncentryczne koła mają promienie 1°, 2°, 3°, 4°. Dla wygody obserwacji przed obiektywem umieszczone jest lusterko zmieniające bieg promieni o 90°.

Sama obserwacja przebiega mniej więcej w taki sposób: obserwator, mając daną efemerydę przelotu satelity, wyznacza na nieboskłonie punkt, w którym powinien on się pojawić i kieruje tam oś celową lunetki. Kiedy latający obiekt pojawi się w polu widzenia, obserwator musi za-