Отражение массива лазерных ретрорефлекторов через испытательное устройство. Фото: НАСА/Зак Денни.
Наиболее известное использование спутников GPS — это помощь людям в определении своего местоположения при управлении автомобилем, кораблем или самолетом или при путешествии по отдаленной территории. Другое важное, но менее известное применение — распространение информации на другие спутники наблюдения за Землей, чтобы помочь им точно определить размеры нашей планеты.
НАСА и ряд других федеральных агентств, в том числе Космические силы США, Космическое командование США, Лаборатория военно-морских исследований США и Национальное агентство геопространственной разведки, повышают точность определения местоположения этих измерений до миллиметра с помощью нового набора лазерных ретрорефлекторных решеток. или LRA.
«Основное преимущество лазерной локации и LRA заключается в улучшении геолокации всех наших наблюдений за Землей», — сказал Стивен Мерковиц, руководитель проекта НАСА по космической геодезии в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд.
Группа ученых и инженеров, участвовавшая в проекте, протестировала эти массивы в начале этого года, чтобы убедиться, что они справляются со своей задачей и могут противостоять суровым условиям космоса. Недавно первый комплект этих новых лазерных ретрорефлекторных решеток был отправлен Космическим силам США и компании Lockheed Martin в Литтлтоне, штат Колорадо, для добавления к следующему поколению спутников GPS.
Как работают лазерные ретрорефлекторы?
Лазерные ретрорефлекторы позволяют осуществлять лазерную локацию — используя небольшие вспышки лазерного света для определения расстояний между объектами. Импульсы лазерного света от наземной станции направляются на орбитальный спутник, который затем отражается от массива и возвращается на станцию. Время, необходимое свету, чтобы пройти путь от земли до спутника и обратно, можно использовать для расчета расстояния между спутником и землей.
Лазерные дальномеры и лазерные ретрорефлекторы были частью космических миссий на протяжении десятилетий, и в настоящее время они установлены на спутниках наблюдения за Землей, таких как ICESat-2 (спутник для измерения льда, облаков и высоты суши 2), SWOT (поверхность). Топография воды и океана) и GRACE-FO (продолжение эксперимента по восстановлению гравитации и изменению климата). LRA для лазерной локации даже были развернуты на поверхности Луны во время миссий «Аполлон».
«ЛРА — это особые зеркала», — сказал Мерковиц. «Они отличаются от обычного зеркала, потому что отражают свет прямо к его первоначальному источнику».
Для лазерной локации ученые хотят направить лучи света обратно к исходному источнику. Они делают это, размещая три зеркала под прямым углом, образуя, по сути, внутренний угол куба. Лазерные ретрорефлекторы состоят из 48 зеркальных углов.
LRA на испытаниях в Годдарде, захвачены Заком Денни. Синий цвет, отражающийся от ретрорефлекторов диаметром 3,5 дюйма, — это отражение перчаток, которые носил Денни, а черный цвет — отражение линзы его телефона. Фото: НАСА/Зак Денни.
«Когда свет попадает в массив, из-за этих углов в 90 градусов свет будет отражаться и принимать серию отражений, но выходной угол всегда будет выходить под тем же углом, что и тот, который пришел», — сказал Зак Денни, инженер-оптик проекта космической геодезии в Годдарде.
Чему помогут лазерные ретрорефлекторы?
Геодезия — это изучение формы Земли, а также ее гравитации и вращения, а также того, как все они меняются с течением времени. Лазерная локация до массивов лазерных ретрорефлекторов является ключевым методом в этом исследовании.
Поверхность Земли постоянно незначительно меняется из-за смещения тектонических плит, таяния льда и других природных явлений. Учитывая эти постоянные сдвиги и тот факт, что Земля не является идеальной сферой, должен быть способ определить размеры на поверхности Земли. Ученые называют это системой отсчета.
Эти массивы и лазерная локация не только помогают точно определить местонахождение спутников на орбите, но также предоставляют точную информацию о местоположении наземных станций на Земле. Обладая этой информацией, ученые могут даже найти центр массы Земли, который является началом или нулевой точкой системы отсчета.
Геодезические измерения — лазерная локация для опорных спутников, таких как LAGEOS (лазерные геодинамические спутники) — используются для постоянного определения местоположения центра масс Земли с точностью до миллиметра. Эти измерения имеют решающее значение для того, чтобы дать ученым возможность присвоить долготу и широту спутниковым измерениям и нанести их на карту.
Значительные события, такие как цунами и землетрясения, могут вызвать небольшие изменения в центре масс Земли. Ученым нужны точные измерения лазерной локации, чтобы количественно оценить и понять эти изменения, говорит Линда Томас, инженер-исследователь Исследовательской лаборатории ВМС США в Вашингтоне.
Спутниковые измерения тонких, но важных земных явлений, таких как повышение уровня моря, основаны на точной системе отсчета. Долгосрочная глобальная тенденция повышения уровня моря, а также его сезонные и региональные колебания происходят со скоростью всего несколько миллиметров в год. Система отсчета должна быть более точной, чем такие изменения, если ученые хотят их точно измерить.
«Геодезия является фундаментальной частью нашей повседневной жизни, поскольку она говорит нам, где мы находимся, и показывает, как меняется мир», — сказал Фрэнк Лемуан, научный сотрудник проекта космической геодезии НАСА.
