Rádiócsillagászat és műholdas navigáció
(Rovat: Navigáció és térképészet, Galileo - 2018.05.24 07:15.)

Látszólag két különböző dolog, de sok közös van bennük. Most az égbolt ugyanazon pontjait figyelve a földi ionoszféráról szeretnének többet megtudni.

Az eredményektől egyaránt remélik a műholdas helymeghatározás és a rádiócsillagászati mérések pontosságának javulását.

Az alacsony frekvenciás rádiótartományban érzékeny LOFAR (LOw Frequency ARray) rádiótávcső-hálózat központja Hollandia északkeleti részén van, de a teleszkópok a kontinens több országában is megtalálhatók. A jelenleg 51 állomásból álló hálózat észak–déli irányban Svédországtól Franciaországig, kelet–nyugati irányban Lengyelországtól Írországig terjed. Üzemeltetője a Holland Rádiócsillagászati Intézet (Netherlands Institute for Radio Astronomy, ASTRON).

A nemzetközi LOFAR állomáshálózat. Az apertúraszintézis elvét használó berendezés elemei közötti leghosszabb távolság kb. 1500 km, ami segít a minél nagyobb szögfelbontás elérésében. (Kép: LOFAR / ASTRON)

A LOFAR a Földről megfigyelhető legalacsonyabb rádiófrekvenciákon (10 és 90 MHz, illetve 110 és 250 MHz között) dolgozik. Főbb tudományos céljai az égbolt rádióforrásainak feltérképezése, rádiógalaxisok vizsgálata, pulzárok felfedezése, valamint az Univerzum nagyon korai, az első csillagok és galaxisok felfénylését megelőző időszakának kutatása a semleges hidrogén rádió-színképvonalában végzett mérésekkel.

A LOFAR hálózat központi „magja” Hollandia északkeleti részén, Exloo, Buinen és Buinerveen települések között épült. A kör alakú területen jól megkülönböztethetők az alacsonyabb és a magasabb frekvenciasávban méréseket végző antennaelemek. (Kép: LOFAR / ASTRON)

Az európai Galileo, valamint a többi navigációs műholdrendszer (a globálisak közül az amerikai GPS, az orosz GLONASSZ és a kínai Beidou) is rádióhullámokat használ, de a vevőberendezések felé sugárzott jeleik a magasabb frekvenciájú mikrohullámú tartományba esnek. Mindenesetre ezek a jelek is, akárcsak a csillagászati forrásból érkezők, át kell haladjanak a Föld légkörén. A légkörben kb. 80 km fölötti magasságban kezdődik az ionoszféra, amelyben elektromosan töltött részecskék találhatók. A kb. 20 ezer km magasból lesugárzott, a földfelszínre irányuló műholdas navigációs jelek számára az ionoszféra az egyik legkomolyabb hibaforrás. A rétegen áthaladó elektromágneses jelek futamideje késést szenved, aminek a mértéke akár több tíz méteres eltérést is okozhat a vevő által mért távolságban. De nem is ez a legnagyobb probléma, hanem hogy az ionoszféra folyamatosan változik, a naptevékenység és az űridőjárás jelenségeivel összefüggésben.

A komolyabb, két különböző frekvencián működő navigációs vevőberendezések úgy kezelik az ionoszféra okozta késést, hogy a különböző frekvenciákon végzett méréseiket kombinálják. Az ionoszféra késleltető hatása ugyanis arányos a frekvenciával. Az egyszerűbb, egyfrekvenciás vevőkészülékek – mint például az okostelefonokban vagy az autós navigációs eszközökben működők – azonban nem képesek elvégezni ezt a korrekciót. A csillagászati rádióinterferométeres megfigyelések estén, ahogy a LOFAR-nál is, az ionoszféra zavaró hatásának kiküszöbölése érdekében közeli, fényes égi rádióforrásokra végeznek kalibrációs méréseket.

Az Európai Űrügynökség (ESA) most az ASTRON és a holland NLR (Netherlands Aerospace Centre) intézetekkel együttműködésben az ionoszféra viselkedésének jobb modellezése érdekében indított kutatási programot. Ebből a célból LOFAR állomások mellett (Exloo, Steenwijk) kétfrekvenciás vevőberendezéseket telepítettek. Ezeknek a méréseit összevetik a LOFAR eredményeivel, amiket a Föld körül keringő műholdak aktuális látóiránya közelében végzett mérésekből kapnak.

Egy európai Galileo műhold. (Fantáziakép: ESA / Pierre Carril)

Az ionoszféra késleltető hatása arányos az ún. teljes elektrontartalommal (total electron content, röviden TEC). Ez egy elképzelt 1 m² egységnyi alapterületű hasábban található szabad elektronok száma (másképp fogalmazva az elektronok oszlopsűrűsége). Egy TEC egység (TEC Unit, TECU) azt jelenti, hogy az 1 m² alapterületű függőleges oszlopban 10¹⁶ darab (10 milliószor egymilliárd) szabad elektron található. A kiugróan magas, esetenként több száz TECU-t is elérő értékek akár jelvesztést is előidézhetnek a műholdas navigációs vevőberendezésekben.

Az első kombinált rádiócsillagászati és műholdas navigációs kísérleti eredmények biztatónak tűnnek. Kétfrekvenciás vevők segítségével nagyjából 1 TECU pontossággal lehet megállapítani az ionoszféra aktuális elektron-oszlopsűrűségét. A LOFAR állomások méréseinek bevonásával viszont a hibák a tizedére csökkenthetők. Úgy tűnik, egy dedikált ionoszféra-megfigyelő rendszer jövőbeli felállításával tovább lehetne javítani a műholdas helymeghatározás pontosságát, az ionoszféra állapotát leíró adatoknak pedig a rádiócsillagászok is hasznát vennék.