地球引力場與衛星和太空碎片的軌跡有何關聯？ 地球的重力場決定了衛星和碎片的軌道，這些軌道的變化可以揭示重力場的變化，而重力場的變化也有助於了解地球上水的質量分佈。科學家正在利用雷射追蹤和重力數據來改進我們監測衛星和太空碎片的方法。 透過融合這些方法，他們現在可以更精確地預測軌道，並收集有關地球引力和水團的資訊。

位於Lustbühel 天文台的奧地利科學院太空研究所衛星雷射測距站。 圖片來源：Christian Kettenbach 博士

在COVER 計畫中，格拉茨理工大學大地測量研究所的研究人員透過將衛星重力測量與衛星雷射測距（SLR）結合，增強了重力場計算。 這種方法不僅改進了重力場模型，還完善了對在軌物體的追蹤和預測。 這些先進技術現在可以在重力復原物件導向程式設計系統（GROOPS）軟體中使用，該軟體是研究所在GitHub上提供的一個開源工具。

格雷斯衛星、格雷斯後續衛星以及先前的GOCE 衛星任務為計算地球重力場提供了非常寶貴的數據。 然而，這些任務無法很好地解決重力場的長波長問題，因為重力場覆蓋了大陸大小的質量。

另一方面，利用SLR 進行的測量可以非常精確地分辨出這一長波長部分。 為此，一個SLR 站網路將雷射對準衛星，衛星上的逆反射器會反射發射的雷射。 透過測量移動時間，可以確定衛星的位置，誤差不超過幾公分；透過多次測量，還可以偵測到地球表面質量變化導致的軌道變化。

如果將SLR 與其他衛星測量方法結合起來，就可以更精確地計算重力場，因為可以精確分辨重力場的所有波長。 這樣就能更詳細地確定地球上存在的水團。 同時，我們還可以利用測量獲得的數據來更好地預測衛星和太空碎片的位置，確定它們的位置，用SLR 繪製它們的地圖，並非常精確地預測它們未來的軌道，這有助於提高軌道安全。

目前，約有40,000 塊大小超過10 公分的太空碎片環繞地球運行；約有100 萬塊大小為1 公分或更大的太空碎片環繞地球運行。 它們的飛行速度約為每小時30000 公里（約每小時20000 英里），而且並非都朝著同一個方向飛行。因此，碰撞將產生巨大的影響，摧毀衛星，危及太空站或其他載人太空船中的人類生命。 因此，盡可能精確地定位所有物體的軌道並預測其未來軌跡就顯得尤為重要。

雷達測量目前用於監測所有空間碎片物體，但其精度有限。 而現有的軌道預測也存在著精度僅在幾公里內的問題。 這就增加了定位的難度。 與位於Lustbühel 天文台的奧地利科學院太空研究所衛星雷射測距站一起，我們在這方面取得了決定性的進展。

大地測量研究所使用了自己的力模型，可用於確定衛星或碎片的位置，精確度約為100 公尺。 這使得用雷射測量儀精確追蹤和記錄它們變得更加容易。 在隨後的飛越過程中進行的進一步測量，使研究人員能夠更準確地了解軌道的運行情況，從而改善預測結果。

格拉茨理工大學大地測量研究所的托爾斯滕-邁爾斯-古爾（Torsten Mayer-Gürr）說：”為了進行軌道預測，我們必須對衛星上的所有作用力進行建模。這也包括地球引力，它受到水等質量的影響。我們是唯一一家免費提供重力場測定、軌道測定和SLR 處理等綜合軟體包的公司。快得到回饋”。

編譯自/ ScitechDaily

DOI：10.1007/s00190-024-01888-5