Geodetické družice

Jedna z prvních praktických aplikací kosmonautiky byla geodetická měření. Přesným změřením polohy objektu společně s přesnými elementy oběžné dráhy umožnily zjistit vzájemnou polohu míst na Zemi.

Balónová družice Echo při pozemních zkouškáchNASA

První geodetické informace (o gravitačním poli Země, o jejím přesném tvaru nebo zjišťování vzdálenosti míst, která se přímo nevidí) byly získávány už po startu první umělé družice Země Sputniku 1 v říjnu 1957. Na mnoha pozorovatelnách byla fotografována pozice jasného objektu, v tomto případě horního stupně nosné rakety, mezi hvězdami (Sputnik byl příliš malý na to, aby mohl sloužit jako objekt pozorování) a na základě dalších výpočtů byla určována poloha vzdálených míst na Zemi. Pozorování se prováděla nejprve běžnými teodolity, později byly využívány dokonalejší kamery. V provozu byly nejčastěji americké komory Baker-Nunn nebo sovětské AFU-75. Přesnost takovýchto měření sice nebyla příliš veliká, ale byl učiněn první krok ke geodetickým družicím. Jedním z prvních úspěchů geodetických pozorování umělých kosmických objektů bylo zjištění, že u Země existuje nesymetrie severní a jižní polokoule (zjednodušeně řečeno: Země má tvar hrušky). Prvotní pozorování na Hopkinsonově universitě v říjnu 1957 ale vedla ke stavbě prvních specializovaných družic řady Transit, které využívala americká armáda k navigačním účelům.

První speciální geodetické družice tak vypustily Spojené státy (např. ANNA 1B, Beacon), ale ke geodetickým účelům byly využívány také horní stupně raket, které vzhledem ke svým rozměrům byly na oběžné dráze lépe pozorovatelné. Geodetické (a navigační) družice vypouštěl také Sovětský svaz v rámci série družic Kosmos - první dvě v roce 1965 a 1967 od roku 1968 jich startovalo v průběhu jednoho roku několik. Ovšem jejich výsledky nebyly veřejně dostupné (jednalo se o vojenské družice!) a nebyla možnost ověření, nebo zpřesnění výsledků "západních" družic.
Třetí zemí, která vyvinula a vypustila geodetické družice, byla Francie. Družice, jejichž vynesení mělo otestovat francouzskou nosnou raketu Diamant startující z alžírské základny Hammaguir, byly určeny právě ke geodetickým účelům. První z nich - Diapason - startovala v únoru 1966, další dvě - Diadème - byly vypuštěny v týdenním intervalu o rok později. Družice Diapason měla na palubě dopplerovský převaděč pro přesné měření dráhy využitelné pro geodetické účely, družice Diadème byly na dráze magneticky stabilizovány a byly kromě dopplerovského převaděče opatřeny ještě souborem koutových odražečů pro laserová pozorování. Tyto tři družice vyrobila pro CNES (Centre National d'Etudes Spatiales) francouzská firma Matra.

U prvých geodetických družicových měření byla dosahována přesnost určení bodu na Zemi v řádu desítek metrů (při využití amerických družic ANNA a GEOS-B to už bylo 5 až 10 metrů), což ještě nevyhovovalo hlavnímu uživateli dat - armádě. Ta potřebovala mnohem lepší přesnost, zejména pro navigaci řízených střel a mezikontinentálních balistických raket. Zlepšení přesnosti se dosáhlo zavedením laserové techniky, která umožnila zpřesnit určení polohy až na 30 cm.
Ke zvýšení přesnosti stanovení polohy přispěly i technické pomůcky na družicích. Například již zmíněná družice ANNA 1B (název je zkratkou z prvních písmen účastnických organizací projektu: Army, Navy, NASA a Air Force) byla první družicí vybavenou xenonovými výbojkami, které v pravidelných intervalech vydávaly světelné záblesky pozorovatelné z pozemských stanovišť. Na družici byly ještě dva rádiové systémy, jež sloužily k přesnému určení polohy. Prvními koutovými odražeči pro laserová pozorování byly vybaveny americké družice typu Beacon, které byly na dráze zaregistrovány jako Explorer 22 a Explorer 27. Obě družice byly sice prvotně určeny k průzkumu ionosféry, ale tělesa družic byla na spodní straně opatřena 350 kusy koutových odražečů. Díky prostorové orientaci byly družice právě touto částí stále natočeny k Zemi a tak se odražeče mohly využívat k laserovým měřením.
V této části se ještě zmíním o jedné sérii specializovaných geodetických družic. Jedná se o tři americké satelity typu GEOS, který byly vypuštěny v letech 1965 (GEOS A), 1968 (GEOS B) a 1975 (GEOS C). První dvě družice měly kromě rádiových systémů s přesným frekvenčním standardem ještě xenonové výbojky a koutové odražeče, třetí družice měla navíc rádiový výškoměr, který určoval výšku družice nadzemským povrchem s přesností jednoho metru. Údaje z výškoměru se využívaly nejen pro geodetické, ale i pro oceánografické účely. V roce 1976 byla vypuštěna ještě družice Lageos, která byla určená nejen k měření geodetických parametrů, ale i k zaznamenání jejich časové změny; sledovací program probíhal řadu let. Zajímavostí je, že družice Lageos není vybavená žádnou aparaturou. Jedná se pouze o mosaznou kouli o průměru 60 cm s hmotností 411 kg, na jejímž povrchu je rovnoměrně rozmístěno celkem 426 koutových odražečů.

Dalším důležitým cílem geodetických družic bylo vytvořit celosvětovou triangulační síť, která by propojila body stávající triangulační sítě. Propojením kontinentálních geodetických sítí se tak zpřesnilo určení vzdáleností míst, která nejsou vzhledem k zakřivení zemského povrchu vzájemně viditelná. Rovněž to umožnilo sledovat změny vzdáleností v čase a poznat tak lépe pohyby pevninských desek. V letech 1969 až 1973 postupně vznikala mezinárodní triangulační síť, jejíž přesnost byla asi 5 metrů a byly vytvořeny základy spolupráce evropských zemí s NASA v oblasti družicové geodézie.

Geodetické družice, které přispěly k určení přesného tvaru Země a jejího tíhového pole, byly následovány družicemi navigačními. První řada navigačních družic byla zkonstruována v USA a na oběžnou dráhu byly tyto družice vypouštěny od roku 1960. V současné době jsou navigační družice, aniž si to uvědomujeme, běžnou součástí našeho života - termíny GPS nebo satelitní navigace se dostaly do našeho slovníku a málokdo si uvědomuje, že k jejich správné funkci je potřeba desítek družic na oběžných drahách kolem Země.

Jak jsem již napsal na začátku článku, bylo v minulosti ke geodetickým měřením využíváno i jiných typů družic - hlavní byla jejich jasnost při průletu nad pozorovatelem. Jedním z typů takových družic byly balónové družice, které byly prvotně určeny pro sledování hustoty vysokých vrstev vzdušného obalu Země, případně byly zkoušeny jako pasivní retranslátory radiového vysílání. Jejich předností pro použití geodetiky byla poměrně vysoká jasnost; balónové družice měly oproti jiným umělým tělesům mnohem větší rozměry. Typickým představitelem balónových družic byl americký satelit Echo 1, který se po navedení na oběžnou dráhu nafoukl do tvaru koule o průměro téměř 30,5 metru (při startu byl balón z mylaru složev v kulovém pouzdru o průměru 67,3 cm).

HLAVNÍ PRAMENY:
[1] P. Lála, A. Vítek: Malá encyklopedie kosmonautiky, Mladá fronta, Praha 1982
[2] P. Toufar, M. Balous: Cesty ke hvězdám, Albatros, Praha 1976
[3] http://www.lib.cas.cz/space.40/[4] http://www.vugtk.cz/nzk/c1-11/kovalevsky.pdf

-----
Příště: Robert Ésnault-Peltérie; plánované zveřejnění: 21.11.2011.