Satelity Swarm rozwiązują zagadkę utraty sygnału GPS nad równikiem

dnia 31/10/2016

swarmreveals

Inżynierowie od dawna zastanawiają się dlaczego niektóre systemy nawigacji GPS zainstalowane na nisko orbitujących satelitach takich jak należące do ESA Swarm często tracą połączenie podczas przelatywania nad równikiem między Afryką i Ameryką Południową. Dzięki satelitom Swarm okazuje się, że przyczyną takiego zachowania mogą być burze w jonosferze.

Trio Swarm wyniesione w przestrzeń kosmiczną w 2013 roku mierzy i rozplątuje różne pola magnetyczne pochodzące z jądra, płaszcza i skorupy Ziemi, z oceanów, jonosfery i magnetosfery. To zadanie, które wymaga co najmniej 4 lat prowadzenia obserwacji.

Jak w przypadku wielu innych satelitów, trzy satelity Swarm wyposażone są w odbiorniki sygnału GPS, które stanowią element systemu ich pozycjonowania, dzięki któremu operatorzy mogą utrzymywać je na prawidłowych orbitach. Dodatkowo, GPS notuje także, w których miejscach satelity wykonują swoje pomiary naukowe.

Niemniej jednak czasami satelity tracą połączenie z GPS. De facto, w ciągu pierwszych dwóch lat na orbicie, połączenie zostało zerwane 166 razy.

Ostatnio opublikowany artykuł opisuje w jaki sposób satelity Swarm wskazały na bezpośredni związek między tymi zaciemnieniami i jonosferycznymi burzami, które pojawiają się 300-600 kilometrów nad powierzchnią Ziemi.

Claudia Stolle z centrum badawczego GFZ w Poczdamie powiedziała „Jonosferyczne burze to zjawisko dobrze znane, jednak teraz jesteśmy w stanie wykazać ich bezpośredni związek z utratami połączenia GPS.”

„To akurat zasługa satelitów Swarm. To one sprawiły, że po raz pierwszy z pokładu tego samego satelity można zmierzyć aktywność jonosfery oraz siłę sygnału GPS.”

Czerwonymi kropkami zaznaczono miejsca, w których satelita Swarm-C tracił połączenie GPS w okresie od listopada 2013 do marca 2015 roku. Utrata sygnału śledzenia spowodowana była równikowymi bąblami plazmy. Zieloną linią zaznaczono równik geomagnetyczny. Źródło: NASA/GFZ/ESA

Czerwonymi kropkami zaznaczono miejsca, w których satelita Swarm-C tracił połączenie GPS w okresie od listopada 2013 do marca 2015 roku. Utrata sygnału śledzenia spowodowana była równikowymi bąblami plazmy. Zieloną linią zaznaczono równik geomagnetyczny. Źródło: NASA/GFZ/ESA

Do owych burz dochodzi gdy nagle dochodzi do dużych zmian liczby elektronów w jonosferze. Tego typu zjawiska zazwyczaj zdarzają się blisko magnetycznego równika Ziemi i trwają zaledwie kilka godzin między zachodem Słońca a północą.

Jak sama nazwa wskazuje, jonosfera to warstwa atmosfery, w której atomy często rozbijane są przez promieniowanie słoneczne, co prowadzi do powstania dużej ilości wolnych elektronów. Tego typu burze rozpraszają wolne elektrony prowadząc do powstania niewielkich bąbli zawierających małą ilość lub w ogóle brak zjonizowanej materii. Te bąble zakłócają sygnały GPS.

Okazało się, że do 161 utrat sygnału GPS dochodziło właśnie w trakcie trwania jonosferycznych burz. Pozostałe pięć incydentów tego typu miało miejsce nad obszarami polarnymi i związane było ze wzmożoną intensywnością wiatrów słonecznych.

Rozwiązanie zagadki utraty sygnału to nie tylko dobra wiadomość dla sieci Swarm, ale także dla innych nisko orbitujących satelitów, które doświadczały problemów tego samego typu. Dzięki tej wiedzy inżynierowie będą mogli zminimalizować czas trwania „blackoutu” na kolejnych satelitach.

1-swarmreveals

„Fakt, że udało nam się zmierzyć odchylenia siły sygnału GPS jest interesujący nie tylko dla inżynierów opracowujących nowe instrumenty GPS, lecz także dla naukowców próbujących zrozumieć dynamikę górnych warstw ziemskiej atmosfery.”

Rune Floberghagen, menedżer misji Swarm (ESA) dodaje: „To z czym mamy tutaj do czynienia to doskonały przykład wyzwania technologicznego, które zamieniło się w ekscytującą wiedzę naukową.”

Źródło: ESA