地球引力场与卫星和太空碎片的轨迹有何联系？ 地球的重力场决定了卫星和碎片的轨道，这些轨道的变化可以揭示重力场的变化，而重力场的变化也有助于了解地球上水的质量分布。科学家们正在利用激光跟踪和重力数据来改进我们监测卫星和太空碎片的方法。 通过融合这些方法，他们现在可以更精确地预测轨道，并收集有关地球引力和水团的信息。
位于 Lustbühel 天文台的奥地利科学院空间研究所卫星激光测距站。 图片来源：Christian Kettenbach 博士
在 COVER 项目中，格拉茨理工大学大地测量研究所的研究人员通过将卫星重力测量与卫星激光测距（SLR）相结合，增强了重力场计算。 这种方法不仅改进了重力场模型，还完善了对在轨物体的跟踪和预测。 这些先进技术现在可以在重力恢复面向对象编程系统（GROOPS）软件中使用，该软件是研究所在GitHub上提供的一个开源工具。
格雷斯卫星、格雷斯后续卫星以及之前的 GOCE 卫星任务为计算地球重力场提供了非常宝贵的数据。 然而，这些任务无法很好地解决重力场的长波长问题，因为重力场覆盖了大陆大小的质量。
另一方面，利用 SLR 进行的测量可以非常精确地分辨出这一长波长部分。 为此，一个 SLR 站网络将激光对准卫星，卫星上的逆反射器会反射发射的激光。 通过测量移动时间，可以确定卫星的位置，误差不超过几厘米；通过多次测量，还可以检测到地球表面质量变化导致的轨道变化。
如果将 SLR 与其他卫星测量方法结合起来，就可以更精确地计算重力场，因为可以精确分辨重力场的所有波长。 这样就能更详细地确定地球上存在的水团。 与此同时，我们还可以利用测量获得的数据更好地预测卫星和空间碎片的位置，确定它们的位置，用 SLR 绘制它们的地图，并非常精确地预测它们未来的轨道，这有助于提高轨道安全。
目前，约有 40000 块大小超过 10 厘米的空间碎片环绕地球运行；约有 100 万块大小为 1 厘米或更大的空间碎片环绕地球运行。 它们的飞行速度约为每小时 30000 公里（约每小时 20000 英里），而且并非都朝着同一个方向飞行。因此，碰撞将产生巨大的影响，摧毁卫星，危及空间站或其他载人航天器中的人类生命。 因此，尽可能精确地定位所有物体的轨道并预测其未来轨迹就显得尤为重要。
雷达测量目前用于监测所有空间碎片物体，但其精度有限。 而现有的轨道预测也存在精度仅在几公里之内的问题。 这就增加了定位的难度。 与位于 Lustbühel 天文台的奥地利科学院空间研究所卫星激光测距站一起，我们在这方面取得了决定性的进展。
大地测量研究所使用了自己的力模型，该模型可用于确定卫星或碎片的位置，精确度约为 100 米。 这使得用激光测量仪精确跟踪和记录它们变得更加容易。 在随后的飞越过程中进行的进一步测量，使研究人员能够更准确地了解轨道的运行情况，从而改进预测结果。
格拉茨理工大学大地测量研究所的托尔斯滕-迈尔-古尔（Torsten Mayer-Gürr）说："为了进行轨道预测，我们必须对卫星上的所有作用力进行建模。这还包括地球引力，它受到水等质量的影响。 将我们的轨道建模与 SLR 测量相结合，现在可以在我们的 GROOPS 软件中进行更精确的计算，该软件可供所有人免费使用。据我们所知，我们是唯一一家免费提供重力场测定、轨道测定和 SLR 处理等综合软件包的公司。 这种开放源代码的访问方式对我们来说有一个好处，那就是如果有什么地方需要改进，我们可以很快得到反馈"。
编译自/ScitechDaily