A műholdas helymeghatározást terhelő légköri hatások modellezésére dolgozott ki új eljárást a témával foglalkozó öt legjelentősebb hazai intézmény, köztük a BME Építőmérnöki Kara.

„A pontos műholdas helymeghatározási technológiáknak óriási jelentőségük van a geodéziai mérésekben és az építőipari kivitelezéseknél, így például ingatlanok határvonalának kijelölésekor vagy a munkagépek GPS-szel végzett automatikus vezérlésében. Kutatásainkkal kettős célt szolgálunk: létrehoztunk egy eljárást, amellyel figyelembe tudjuk venni a légkör páratartalmának a navigációra gyakorolt torzító hatását, e mellett feltártuk az összefüggéseket a helymeghatározás és a rövidtávú időjárás-előjelzési lehetőségek között” – összegezte Rózsa Szabolcs, a BME Építőmérnöki Kar Általános és Felsőgeodézia Tanszék tanszékvezető egyetemi docense.

A műegyetemi tanszék az öt legnagyobb hazai, műholdas helymeghatározási, illetve meteorológia kutatásokkal foglalkozó intézmény egyikeként az ELTE Meteorológiai Tanszékével, az Országos Meteorológiai Szolgálattal (OMSZ), a Földmérési és Távérzékelési Intézettel (FÖMI) és az MTA Csillagászati és Földtudományi Kutatóintézetének Geodéziai és Geofizikai Kutatóintézetével közösen folytat vizsgálatokat. Legutóbb egy Országos Tudományos Kutatási Alapprogramok (OTKA) pályázat részeként elemezték a troposzféra vízgőztartalma által okozott eltéréseket a navigációs számításokban. A tanszék szakértői e területen végzett tudományos munkájukkal a Műegyetem két évvel ezelőtt meghirdetett, 6. kiemelt kutatási területéhez, a katasztrófa-megelőzés és a katasztrófa-menedzsment területén elért eredményekhez járulnak hozzá (bővebben ITT olvashat e kiemelt kutatási területről - szerk.).

„Ma már gyakorlatilag bárki képes a GPS alapú helymeghatározásra a mobiltelefonja segítségével” – fogalmazott Rózsa Szabolcs. „A telefonban elhelyezett GPS vevő megméri az ismert helyzetű műholdakról sugárzott elektromágneses hullámok futási idejét. E futási időt a fény vákuumbeli sebességével megszorozva határozható meg a műhold és a vevő (telefon) közötti távolság. Ha minden egyes ismert helyzetű műhold köré egy-egy ennek megfelelő sugarú gömböt szerkesztünk, akkor a gömbök metszéspontjában helyezkedik el a telefonunk, így meg tudjuk határozni helyzetünket a világban” – részletezte az ÉMK tanszékvezetője, majd hozzátette, hogy „a gyakorlatban azonban ez nem ilyen egyszerű, hiszen a méréseket számos hiba ’terheli’. A Föld nehézségi erőterének szabálytalan alakja és egyéb hatások miatt nem ismerjük pontosan a műholdak helyzetét. A relativisztikus hatások miatt az időmérést hiba ’terheli’, de a fény sem a vákuumbeli sebességgel terjed a légkörben. Az alsó légrétegben – a troposzférában – a légköri gázok és a vízgőz jelenléte miatt halad lassabban a jel. E hatásokat meghatározzuk, és korrekcióként vesszük figyelembe a helymeghatározáskor” – magyarázta a műegyetemi szakértő, aki társaival a helymeghatározási technikák pontosítására dolgoz ki megoldásokat.

„Ha a GPS vevőket ismert koordinátájú pontokon helyezzük el, akkor e pontok és a műhold ismert koordinátái alapján kiszámítható a valódi távolság, a mérési adatokat felhasználva következtethetünk a különféle hibák hatására és azok további vizsgálatára.” A kutatócsoport szakértői előbb a fent leírt késleltető hatást modellezik, majd a modellből nyert adatokból határozzák meg a légkör teljes vízgőz-tartalmát, amelyből azután rövidtávú meteorológiai, főként csapadék-előrejelzési következtetések vonhatók le. „A GPS-vevőkkel folyamatosan nyomon követjük a vizsgált légréteg páratartalmát, így az időjárás-előrejelzés és a katasztrófavédelem számára is fontos információval szolgálhatnak a kísérleteink. Az első eredményeink azt mutatják, hogy pontosítani lehet a 3-4 órán belüli prognózisokat, és az ezekre alapozott hatósági figyelmeztetéseket például a csapadék várható intenzitásáról és jellegéről egy adott területen” – jegyezte meg Rózsa Szabolcs, aki kutatócsoportjával egy, az integrált vízgőztartalom kiszámításához szükséges algoritmust és egy óránként automatikusan lefutó feldolgozórendszert alakított ki.

Az Országos Meteorológiai Szolgálat jelenleg teszteli BME-s szakértők adatait. Az eredmények egyelőre nem jelennek meg az OMSZ jelentéseiben, ám az első kísérletek megerősíteni látszanak a műegyetemi kutatók feltételezéseit. „Az időjárás-előrejelzésnél néhány perc is számíthat egy váratlan helyzetben. A földrajzi pontosság és az idejében kiadott figyelmeztetés az emberi életekre és az értékek megőrzésére is nagy hatással lehet” – fűzte hozzá a műegyetemi tanszékvezető, majd a terveket részletezve elárulta, hogy a jövőben nemcsak óránként, hanem néhány percenként szeretnék elvégezni e számításokat, és ezzel még aktuálisabb prognózist adni. Az adatok feldolgozását segíti a FÖMI  által üzemeltetett GNSS-hálózat (Global Navigation Satellite System, globális navigációs műholdrendszer, amely magába foglalja az amerikai GPS, az orosz GLONASS, az európai Galileo, a kínai COMPASS és egyéb kiegészítő rendszereket – szerk.). Ennek meteorológiai célú hazai adatfeldolgozását a BME kutatói alakították ki az egyetemen (lásd kiemelt képünkön – szerk.), valamint a FÖMI Kozmikus Geodéziai Obszervatóriumában.

Mivel a GNSS-hálózat egyes állomásai, így az ÉMK tanszéke által fenntartott permanens GNSS állomás is, lassan két évtizede működnek, az észlelésekből nyert vízgőztartalom-becslések hamarosan akár az éghajlatváltozás kutatásában is felhasználhatók. „Ehhez azonban egységes elvek alapján újra fel kell dolgozni az elmúlt évtizedek méréseit, hogy lehetőleg homogén pontosságú eredményekhez juthassunk” – ecsetelte Rózsa Szabolcs. Az OTKA kutatás eredményei lehetővé tették, hogy a BME, az OMSZ és a FÖMI kutatói a COST ES-1206 program (GNSS alkalmazása a heves időjárási helyzetek előrejelzésében és a klímakutatásban – szerk.) keretében folytathassák kutatásaikat mindkét témában.

A csapadék-előrejelzés szempontjából fontos légköri vízpára eloszlásának ismerete lehetővé teszi a troposzféra okozta jelkésleltetések pontosabb modellezését is. Egy már befejezett és egy futó ESA-PECS projekt keretében az Általános- és Felsőgeodézia Tanszék kutatói a műholdas helymeghatározás továbbfejlesztését tűzték célul a légiközlekedésben történő alkalmazáshoz. „A repülőgépekbe szerelt GPS alkalmas a troposzféra torzító hatásának kiküszöbölésére, ám módszerünkkel az eszköz még pontosabb számításokra és a magassági koordináták jobb meghatározására képes.”

A navigáció elsődleges célja ugyan a helymeghatározás, ám e téma a felhasználási területek széles tárházával kecsegteti a kutatókat. Rózsa Szabolcs beszámolt a helymeghatározás témájában folytatott egyéb kutatásokról is. Új kísérleteikben a hidrodinamikával összefüggésben kutatják a lehetőségeket. A nyílt vízfelület különböző területeiről visszaverődő GPS-jelek tanulmányozásával a hullámzás amplitúdójának és frekvenciájának meghatározására törekszenek. A hullámmező jobb megismerése révén elérhető például az üledék-lerakódás pontosabb modellezése, így akár jobban ütemezhetők a mederkotrási munkálatok is.

Tény, hogy a navigációs rendszerek fejlődése újabb és újabb felhasználói igényeket vet fel, és a pontosság növelése, mint tudományos cél is újdonságok megteremtésére sarkallja a kutatókat. „Mérnökként inspirál, hogy nem egy ’polcról levett’ szoftverrel dolgozunk. Az új rendszerek és módszerek kidolgozása egyben kihívás tudásunk határainak feszegetésére” – fejtette ki a kutató. Szintén inspirációként éli meg, hogy kutatási eredményeikkel több szakterület (például az irányítástechnika, a repülés, a hidrodinamika, a klímakutatás – szerk.) haladását szolgálják.

Rózsa Szabolcs örömét leli abban, hogy a kutatói kreativitás egyre nagyobb szerepet kap a kísérleteiben. Eloszlatta azt a gyakori tévhitet, miszerint az övéhez hasonló kutatásokhoz kizárólag informatikai ismeretekre és nagyteljesítményű számítógépekre van szükség. „A saját szakterületünkön túl a társtudományokban is széleskörű ismeretekre kell szert tennünk ahhoz, hogy új ötleteket, új összefüggéseket és következtetéseket vonhassunk le. Ez is bizonyítja, hogy egy kutató nem állhat meg a szakterülete határainál, túl kell lépnie a saját korlátain, és nyitottá válnia az újdonságokra.”

TZS - TJ

Fotó: Takács Ildikó, Philip János