This is an old revision of the document!
Table of Contents
How does Bolidozor network work
Bolidozor is a network designed for meteor observations on different level of professionalism. It uses observation stations located either at amateurs, volunteer or at professional or public astronomical observatories. The map with locations of the stations can be found at Astrozor.cz website.
The network brings revolutionary approaches in meteor observations and potentially in detecting their fragments' impacts. At the current stage it focuses mainly on the obtaining the trajectory based on the radio reflections from their ionised trails in combination with visual observations. Other measuring modalities and analysis methods are planned in the future.
The meteoroid passage through the atmosphere causes, apart from a classical optical phenomena (meteor) - often visible by a naked eye, a number of other phenomena, which can be measured on the ground and used for scientific processing. Examples of such phenomena include: radio waves reflections, optical emissions, radio emissions from ion recombination, spreading of shockwave cause by hypersonic flyby. The shockwave, for example, is able to reach distances of orders of hundreds of kilometres, as it is damped by the viscosity of air only. Thanks to that, ground pressure sensors are able to measure it, thus obtaining further informations about the flyby of the body.
V případě pokusu o nalezení úlomků (meteoritů) je důležité také určení temné dráhy pádu meteoritu, zvláště v případě méně hmotných částí, kdy dochází k ovlivnění jejich dráhy prouděním v troposféře. Tento problém by měl být řešen měřením provedeným těsně po detekci průletu tělesa v oblasti s předpokladem dopadu. Takové měření je možné realizovat například automatickým vypuštěním sondážního balónu.
V případě samotného dopadu je důležité, aby meteorit byl dopraven co nejrychleji do laboratoře pro případ následné analýzy. K vyřešení takového úkolu je potřebné využít kvůli rychlosti vzdušnou dopravu. V tomto případě se uplatní technologie bezpilotních prostředků.
Celý kybernetický systém skládající se z přístrojů určených k detekci meteorů, pátrání po meteoritech, analýzy a dopravy do laboratoře vyžaduje interaktivní plánování a využití pokročilých algoritmů pro zpracování signálu.
Pokud by bylo dosaženo možnosti řešení všech těchto kroků v reálném čase a systém by byl rozšiřitelný i mimo Evropské území, tak vedle vědeckého přínosu by pro instituce, jako jsou planetária mohl být zajímavý interaktivní popularizační výstup měřených drah a událostí vedoucích k dohledání meteoritu.
Stav vývoje
Monitorování meteorů a případné dohledávání meteoritů je mezioborový problém, který vyžaduje zkušené odborníky z Astronomie, kosmické mechaniky, meteorologie, aerodynamiky, radioelektroniky, navigace, geologie a dalších disciplín. Jde tak o téměř ideální výukový projekt, do kterého se mohou zapojit jak vzdělávací instituce od základních škol až po univerzity, včetně profesionálních znalců problému, kteří mohou získaná data využívat pro výzkum. Lze tak v sítí najít uplatnění pro řešitele mnoha dílčích problémů základního i aplikovaného výzkumu.
Parametry sítě
Radiový subsystém Bolidozoru využívá k detekci meteorů metodu známou jako forward-scatter, kde je v současné době jako vysílač využíván radar GRAVES vysílající kontinuálním výkonem několika MW na frekvenci 143.050 MHz.
Pro příjem odrazů jsou využívány stanice MLAB RMDS. Citlivost této stanice je při použití standardní konfigurace softwaru -135dBm a dynamický rozsah je limitován dynamickým rozsahem použité zvukové karty. Obvykle je ale použito vzorkování 16bit@96kHz. Při použití jednoduché GroundPlane antény stanice s touto konfigurací detekuje v průměru 1000 meteorů za den.
Stanice jsou časově synchronizovány signálem GPS s přesností 65ns (1σ). GPS signál je také využíván, pro kontrolu stavu lokálních oscilátorů na stanicích. (Frekvence oscilátoru je měřena s rozlišením 0.1 Hz, přesnost měření vychází z přesnosti časové synchronizace)
Datové výstupy jsou ve formátu FITS s kompresí RICE, buď jako navzorkované signály a nebo předpočítané spektrogramy. Všechna naměřená data jsou veřejně dostupná na datovém serveru. Záznamy meteorů jsou vytvářeny na základě měření intenzity signálu ve frekvenční oblasti, kde se očekává odražený signál a ukládají se všechny signály, které mají větší než prahovou intenzitu nad šumem.
| Silné stránky | Slabiny |
|---|---|
| Levná konstrukce přijímače | Nepříliš dobrá odolnost proti rušení |
| Malá anténa umístitelná i na balkon | Anténa má malý zisk a je citlivá především v nízkých elevacích |
| Modularita detekční stanice umožňuje vývoj systému | Pro obsluhu stanice je potřeba nadstandardní technické vzdělání |
| Použitý vysílač GRAVEs díky výkonu umožňuje detekci i malých meteorů | Vysílač je pouze jeden a rozšíření sítě je tak omezeno pouze na plochu Evropy |
| Zvolená vlnová délka umožňuje lepší rozlišení detailů | Kratší vlnová délka snižuje odraženou energii od stopy meteoru |
| Zvolený koncept umožňuje spolupráci mezi amatéry a profesionály | Síť generuje data různorodé kvality |
Vědecký význam
Z astronomického pohledu je jasným přínosem Bolidozoru možnost získat o meteorech kvalitní data i v době, kdy to není jinými metodami možné (Denní světlo, špatná viditelnost, nevhodné povětrnostní podmínky atd.).
Vedle přímého přínosu základnímu výzkumu meziplanetární hmoty, jsou dalšími výstupy vývoje také algoritmy zpracování signálu. Neboť rádiové a elektronické problémy v síti Bolidozor jsou podobné nebo identické s úkoly řešenými v moderní radioelektronice. Aktuální radarová a navigační technika často využívá pasivní a multistatické rádiové systémy. Kde vysílače a přijímače jsou vzájemně separovány a z pravidla i polohově odděleny. Takto koncipované systémy mají široké využití ve vojenské i civilní technice (např. řízení letového provozu), kde jsou důležité jejich přednosti jako je zvýšení spolehlivosti díky redundanci a zlepšení pokrytí díky změně rozložení energetické bilance odrazu. Technicky jde o problémy které jsou velmi podobné rádiové navigaci. Z pohledu energetické bilance a poměru mimospektrálních rušivých signálů jde konkrétně o problematiku družicové navigace.
Všechny tyto podobné rádiové systémy jsou z technického pohledu nejvíce limitovány současnými algoritmy zpracování signálu. Neboť multistatický systém vyžaduje numericky náročné statistické výpočty, které se navíc provádí v reálném čase a na signálu obsahující velký podíl šumu. Pro efektivní využití multistatického signálu musí proto být vyvinuty a algoritmy umožňující detekci objektů pod šumem za použití informací z více stanic.
Síť Bolidozor umožňuje díky svému zaměření na meteory testování takových algoritmů a pro případy objektů o hypersonických rychlostech. Na jejichž sledování nejsou současné radarové systémy připraveny. A je proto zapotřebí výzkum nových metod určování polohy letících objektů pomocí rádiového signálu.
Nejbližší cíle
Vzhledem k výše uvedený slabým místům v realizaci projektu se vývoj sítě bude nadále zaměřovat na zlepšení kvality dat vylepšením konstrukce rádiových přijímačů. Cílem tohoto kroku je překonat současná profesionální měření založená na podobném principu a odstranit vliv provozovatele stanice na kvalitu dat.
Následným krokem bude vylepšení současných detekčních metod a vývoj algoritmů pro výpočet dráhy meteoru pokud možno v reálném čase. Je pravděpodobné, že tyto nové algoritmy budou vyžadovat vysokou paralelizaci a využití speciálního výpočetního hardware. V tomto případě by bylo vhodné navázat na poznatky z vývoje přijímačů GNSS systémů.
Výsledky projektu
Metoda rádiového pozorování meteorů metodou forward-scatter je známá již od 60. let 20. století. Nikdy však díky technickým omezením a náročnosti zpracování signálu nebyla rozvinuta do podoby, kdy by bylo možné z pozorovaných údajů meteorů určovat dráhu. Pozorování tohoto druhy byla vždy omezena na měření četností průletů meteorů a mapování toků meteorických rojů, kdy radianty rojů byly určovány převážně z optických pozorování.
Je však potřeba si uvědomit, že obě tyto metody trpí silným výběrovým efektem a také metodickou chybou. Například rádiová pozorování nebyla schopna rozpoznat rojovou příslušnost meteoru - dávala pouze data o četnosti. Optická data naopak umožňovala velmi přesná měření drah meteorů a tím pádem určení rojové příslušnosti meteoru. Nebyla však schopna přesně určit čas průletu. Navíc u optických dat vznikal výběrový efekt díky dennímu cyklu. Tento cyklus je vidět na následujícím grafu vytvořeném z dat sítě Bolidozor:
Je zřejmé, že nejvíce meteorů je v atmosféře pozorovatelných. V době, kdy ráno již není astronomická tma, tedy v době, kdy optický způsob pozorování nefunguje. Nebo je použitelný pouze na velké meteory. Optické bolidové sítě ale nejsou schopny přes den zaznamenávat ani velké meteory, které by teoreticky byly viditelné i na denní obloze. Důvodem k tomu je komplikovanost zpracování složitého denního obrazu, ve kterém by bylo těžké detekovat průlet meteoru. V tomto případě může pomoci rádiové pozorování sloužící jako trigger pro záznam optických dat pro jejich případnou pozdější analýzu.
Možný nový přínos sítě Bolidozor se ukázal ihned v počátcích vzniku, kdy existovaly pouze dvě funkční stanice. Na následujícím obrázku je historický záznam odrazu ze dvou stanic. Časová osa záznamu zde ubíhá vodorovně zleva do prava.
V levé části je vidět odraz od rázové vlny při průletu meteoru tento jev je snadno odlišitelný, neboť je doprovázen výrazným dopplerovským posunem. Dále následuje časová oblast kdy dochází k víceméně statickému odrazu od zanechané ionizované stopy.
V levé části však vidíme časové rozdíly průletu z pohledu každé stanice. (obrázek je srovnán podle časových značek.) Taktéž vidíme, že dopplerovské posuny odrazů od rázové vlny jsou pro každou stanici jiné. Z toho je možné usoudit, že v tomto případě meteor letěl ze severu na jih pod úhlem, který by bylo možné určit z dopplerovkých posuvů, pokud by jsme měli záznamy z více stanic.
Relevantní publikace
Externí zdroje
Prezentace
Kontakty
Spojit se s námi můžete například přes emailovou konferenci bolidozor@googlegroups.com.