Geodezie prin satelit

Wettzell Laser Ranging System, o stație de distanță cu laser prin satelit

Geodezia prin satelit se ocupă cu măsurarea formei și dimensiunii Pământului , determinarea poziției obiectelor pe suprafața acestuia și reconstituirea câmpului gravitațional al Pământului prin intermediul sistemelor de geodezie bazate pe sateliți artificiali . Geodezia prin satelit aparține sferei mai largi a geodeziei spațiale , care include, de asemenea, tehnici de geodezie bazate pe interferometrie cu baze lungi (VLBI) și razele laser lunare (deși aceasta din urmă ar putea fi clasificată ca geodezie prin satelit, fiind Luna efectele unui satelit terestru) . ^[1]

Principalele scopuri ale geodeziei prin satelit sunt:

1. Determinarea formei Pământului, poziționare și navigație;
2. Determinarea câmpului gravitațional al Pământului și a geoidului ;
3. Măsurarea fenomenelor geodinamice , cum ar fi mișcările scoarței terestre și mișcarea polilor .

Datele din geodezie prin satelit pot fi aplicate la diferite discipline, cum ar fi navigația , hidrografia și geofizica . Geodezia prin satelit se bazează în special pe mecanica orbitală .

Istorie

Originile (1957-1970)

Geodezia prin satelit a început imediat după lansarea Sputnik în 1957. Observațiile făcute de satelitul Vanguard 1 în 1958 au permis o măsurare exactă a aplatizării polilor ^[2] . În 1960 a fost lansat satelitul Transit-1B , pentru determinarea poziției prin efectul Doppler , care a permis măsurarea componentelor armonice ale câmpului gravitațional al Pământului. ^{[3] [4]} . Primul satelit dedicat geodeziei a fost ANNA-1B, lansat în 1962, rezultatul unei colaborări între NASA , Departamentul Apărării al Statelor Unite și alte agenții civile. ^[5] . Între 1960 și 1966 au fost lansați sateliții cu baloane ECHO 1 , ECHO 2 și PAGEOS (PAssive Geodetic Earth Orbiting Satellite).

Aceste misiuni prin satelit au permis determinarea principalelor armonici ale câmpului gravitațional și a formei geoidului.

Între 1968 și 1978 Uniunea Sovietică a lansat seria SFERA de 18 sateliți de geodezie militară, cu scopul de a studia deriva continentală și de a îmbunătăți sistemele de localizare.

Rețeaua mondială de stații geodezice BC-4 pentru triangulare prin satelit, operată de NOAA . Stațiile BC-4 au fotografiat pasajele sateliților ECHO și PAGEOS, triangulația dintre stațiile din rețea a servit ca bază pentru un sistem de referință geodezic. Acest sistem a fost utilizat până în 1972. ^[6]

Către sistemul geodezic mondial (1970-1990)

Sistemul de satelit Transit a fost utilizat pe scară largă pentru navigație și poziționare. Observațiile sateliților efectuate de rețelele de triangulare la nivel mondial au făcut posibilă înființarea sistemului geodezic mondial . Între 1976 și 1992, sateliții LAGEOS au fost lansați pentru măsurători geodezice folosind distanța cu laser . Începând cu anii 1980, sistemul GPS din Statele Unite a permis dezvoltarea sistemelor de navigație și poziționare de înaltă precizie și a devenit în curând un instrument standard pentru geodezie. Între anii 80 și 90 ai secolului al XX-lea, geodezia spațială a început să fie utilizată pentru monitorizarea fenomenelor geodinamice, cum ar fi deriva continentală , rotația Pământului și măsurarea polodului.

Era contemporană (1990-prezent)

GRAŢIE

Geodezia prin satelit se concentrează pe dezvoltarea rețelelor geodezice permanente și a sistemelor de referință. Sunt lansați sateliți dedicați măsurării câmpului gravitațional al Pământului, precum CHAMP , GRACE și GOCE .

Tehnici de geodezie prin satelit

Misiunea Jason 1 , lansată în 2001, combină mai multe tehnologii de măsurare a geodeziei, cum ar fi urmărirea Doppler ( DORIS ), distanța cu laserul prin satelit , poziționarea GPS și altimetria prin satelit.

Tehnicile de geodezie prin satelit pot fi clasificate în funcție de platforma instrumentală. Un satelit poate:

1. să fie observat folosind instrumente de la sol ( metode sol-spațiu );
2. aduce instrumente sau senzori sau o parte din sarcina sa utilă pentru a observa Pământul ( metode spațiu-pământ );
3. folosiți instrumentele sale pentru a urmări sau a fi urmărit de un alt satelit ( metode Space-to-Space ).

Metode pământ-spațiu

Urmărire optică

Un satelit poate fi folosit ca o țintă de mare altitudine pentru a triangula și a obține astfel relațiile geometrice dintre poziția diferitelor stații de observare. Urmărirea optică cu camerele BC-4, PC-1000, MOTS sau Baker-Nunn constă în fotografierea satelitului sau a blițurilor de lumină reflectate de satelit, cu stele de referință în fundal. Stelele de fundal din fotografie vă permit să determinați cu exactitate direcția de îndreptare a camerei. Poziționarea geodezică a fost realizată atunci când trei camere indicau același satelit în același timp. Având o rețea de stații la sol, cu triangulație a fost posibil să se obțină geometria rețelei de stații. Prin măsurarea distanței dintre două stații care fac parte din rețeaua de observare, poziția tuturor celorlalte poate fi reconstituită cu precizie. O limitare majoră a acestui sistem este că este foarte dependent de condițiile meteorologice, iar observațiile simultane ale aceluiași satelit nu sunt întotdeauna posibile. Din acest motiv a fost înlocuită începând cu anii '70 ai secolului al XX-lea prin alte metode, precum cele bazate pe efectul Doppler, care au și avantajul suplimentar de a folosi instrumente mai ieftine și mai puțin greoaie. ^[7]

Exemple: PAGEOS , ECHO 1

efectul Doppler

Tehnicile de poziționare bazate pe efectul Doppler implică măsurarea deplasării Doppler a unui semnal de frecvență stabilă și cunoscută emis de un satelit, înregistrat pe măsură ce satelitul se apropie și se îndepărtează de un observator de pe sol. Frecvența semnalului măsurat de observator depinde de viteza relativă radială a satelitului, care la rândul său este descrisă de legile mecanicii orbitale . Cunoscând orbita satelitului, este posibilă reconstituirea poziției observatorului din măsurarea efectului Doppler. În schimb, dacă poziția observatorului este cunoscută cu exactitate, măsurarea efectului Doppler poate fi utilizată pentru a determina cu exactitate orbita satelitului și pentru a studia câmpul gravitațional al Pământului. În cazul sistemului DORIS (Orbitografia Doppler și Radiopoziționarea integrată prin satelit), prin CNES , receptorul se află la bordul satelitului, în timp ce stația de la sol emite semnalul. ^[8]

Exemple: tranzit , DORIS

Utilizarea geodezică a sistemelor GPS / GNSS

Același subiect în detaliu: GNSS .

Sistemele globale de navigație prin satelit ( GNSS ) sunt sisteme de poziționare care vă permit să determinați poziția receptorului la cel mai apropiat de câțiva metri. Principalul acestor sisteme GPS constă într-o constelație de 31 de sateliți, dintre care 24 sunt operaționali, pe orbite circulare înalte, cu o perioadă de 12 ore, distribuite pe 6 planuri cu o înclinare de 55 °. ^[9] Principiul pe care se bazează localizarea este triangularea . Fiecare satelit transmite un semnal care conține efemerida , informații despre poziția sa și un mesaj care conține ora exactă a transmisiei. Receptorul compară timpul de transmisie cu cel măsurat de propriul ceas intern, obținând astfel timpul luat de semnal pentru a ajunge de la satelit; acest interval de timp este apoi multiplicat cu viteza luminii pentru a obține o „pseudo-distanță”, sau pseudorange . Pentru a determina timpul și poziția receptorului cu o eroare de câțiva metri, sunt necesare 4 pseudorange. Metodele de rafinare, cum ar fi corecția cinematică în timp real sau GPS diferențial, vă permit să îmbunătățiți precizia la nivelul centimetrului.

În domeniul geodeziei, sistemele GNSS sunt un instrument economic și eficient pentru măsurători de topografie și ca referință de timp. Prezența semnalului GPS în spațiu permite utilizarea acestuia și pentru determinarea orbitală și pentru poziționarea relativă a unui satelit față de alt satelit.

Exemple: GPS , GLONASS , Galileo

Gamă laser

Același subiect în detaliu: Rază laser prin satelit .

Tehnica distanțării cu laser prin satelit ( SLR , Satellite Laser Ranging ) constă în măsurarea timpului de zbor al impulsurilor laser trimise de la stațiile terestre către sateliții echipați cu retroreflectoare speciale; în acest fel este posibil să se obțină poziția satelitului cu precizia de câțiva milimetri. O rețea mondială de stații de distanțare cu laser este gestionată de Serviciul Internațional de Laser ^[10] , care colectează și gestionează datele obținute de la stațiile de măsurare. Datele obținute prin laser sunt utilizate atât pentru geodezie, cât și pentru alte scopuri științifice, cum ar fi studiul interacțiunii Pământ-Oceane-Atmosferă ^[11] . În special, datele privind distanța cu laserul sunt utilizate pentru a defini sistemul internațional de referință terestru (ITRF, International Terrestrial Reference Frame). ^{[12] [13]} În prezent, este cea mai precisă tehnologie disponibilă pentru a determina poziția unui satelit în sistemul de referință geocentric, permițând o mai bună calibrare a radio-altimetrelor și a altor instrumente la bordul sateliților.

Exemple: LAGEOS , LARES

Metode spațiu-pământ

Altimetre radio

Un altimetru radio măsoară timpul de zbor al unui impuls de microunde emis de satelit și reflectat de la suprafața Pământului pentru a determina distanța satelitului de sol (înălțime). Efectele datorate atmosferei, mareelor ​​și curenților sunt îndepărtate de la înălțimea măsurată pentru a obține înălțimea satelitului față de geoid. Cunoscând efemerida satelitului, este posibil să se determine distanța satelitului de centrul Pământului și raza elipsoidului terestru în momentul observării; geoidul terestru este apoi obținut din aceste date. ^[14]

Exemple: Geosat , TOPEX / Poseidon , ERS ,, Jason , Envisat

Altimetrie laser

Același subiect în detaliu: LIDAR .

Un altimetru laser măsoară timpul de zbor al unui impuls laser (în spectrul vizibil sau în infraroșu) emis de satelit și reflectat de la suprafața Pământului pentru a determina distanța satelitului de sol (înălțime). Altimetrele LIDAR au fost testate în timpul unor misiuni ale navetei spațiale și au fost utilizate pe sateliții ICESat și Calypso ai NASA.ESA și JAXA planifică, de asemenea, misiuni cu tehnologia LIDAR. ^[15]

Exemple: ICESat

Interferometrie radar cu diafragmă sintetică (InSAR)

Interferometria radar cu diafragmă sintetică (InSAR) este o tehnică radar utilizată în domeniul geodeziei și al teledetecției. Tehnica InSAR folosește imagini obținute din două sau mai multe radare cu diafragmă sintetică (SAR) pentru a genera hărți ale deformărilor suprafeței terestre sau modele digitale de înălțime , utilizând diferențele de fază ale undelor reflectate spre satelit. ^{[16] [17] [18]} Această tehnică permite potențial măsurarea deformațiilor de ordinul unui centimetru în zile sau ani și, prin urmare, poate fi aplicată pentru monitorizarea dezastrelor naturale, cutremurelor, vulcanilor și alunecărilor de teren. ^{[19] [20]} Poate fi folosit și în ingineria structurală, în special pentru monitorizarea subsidenței sau a stabilității structurale. ^[21]

Exemple: TerraSAR-X , COSMO-SkyMed

Gradometru gravimetric

Același subiect în detaliu: Gradiometria gravimetrică .

Un gradometru gravimetric este capabil să determine în timp real componentele vectorului de accelerație gravitațională; gradientul gravitațional este derivatul spațial al vectorului gravitațional. Gradientul poate fi văzut ca variația unei componente a vectorului gravitațional măsurată pe o distanță mică; astfel gradientul poate fi măsurat prin determinarea diferenței de accelerație a gravitației în două puncte apropiate, dar distincte. Acest principiu este utilizat în multe instrumente portabile pentru topografie geofizică. ^[22] Gradientul gravitațional într-un punct este un tensor , fiind derivatul fiecărei componente a vectorului gravitațional de-a lungul fiecărei axe a sistemului de referință. Deci, un satelit care poartă un gradometru gravimetric ar putea măsura valoarea tuturor componentelor vectorului gravitațional de-a lungul traiectoriei sale; în acest fel este posibil să se obțină un model precis al câmpului gravitațional în timp real, mapând componenta normală a vectorului gravitațional și anomaliile gravitaționale. Un sistem de acest tip a fost folosit pentru prima dată în misiunea GOCE . ^{[23] [24]} .

Exemplu: GOCE

Metode spațiu-spațiu

Urmărirea de la satelit la satelit

Această tehnică folosește un satelit pentru a urmări traiectoria unui alt satelit; există numeroase variante care pot fi utilizate în scopuri specifice precum studiul câmpului gravitațional sau îmbunătățirea determinării orbitelor.

• Un satelit pe o orbită de altitudine medie poate fi folosit ca repetor pentru a conecta o stație terestră la un satelit pe o orbită joasă ; în acest fel stația poate trimite și primi date de la satelit pe orbită mică chiar și atunci când acesta din urmă se află sub orizont și nu este accesibil cu o legătură radio directă. Primul experiment de urmărire satelit-satelit într-o configurație care implică un satelit pe orbită joasă și unul pe orbită înaltă a fost realizat între sateliții ATS-6 și GEOS-3 . Datele obținute au servit pentru a evalua potențialul acestei tehnici atât pentru rafinarea modelelor de determinare orbitală, cât și pentru studiul câmpului gravitațional. ^[25]
• Doi sateliți pe orbită joasă își pot urmări pozițiile respective observând diferențele orbitale datorate poziției lor diferite pe aceeași orbită; de fapt, datorită poziției lor diferite, suferă accelerații gravitaționale diferite. Această tehnică a fost utilizată în misiunea GRACE .

Exemplu: GRACE

Utilizarea sistemelor de navigație prin satelit (GNSS)

Sistemele de navigație prin satelit ( GNSS ) pot fi utilizate pentru a determina poziția unui satelit pe o orbită joasă. Sistemele GNSS sunt alcătuite din constelații de sateliți pe orbite înalte a căror poziție este cunoscută cu precizie ridicată, cum ar fi sistemele GPS , GLONASS și Galileo . Această tehnică a fost utilizată în unele misiuni, în general împreună cu alte tehnici de poziționare de la stațiile terestre, cum ar fi distanța cu laser sau poziționarea prin efect Doppler; un exemplu de aplicare sunt misiunile Jason 1 , GOCE și GRACE . ^[26]

Exemple: Jason 1 , GOCE , GRACE

Lista sateliților pentru geodezie

• ANNA-1B , la nssdc.gsfc.nasa.gov .
• Beidou
• BLITS
• CAMPION
• Diadème , pe ilrs.gsfc.nasa.gov .
• Ecou
• Envisat
• ERS-1
• ERS-2
• Etalon , la ilrs.gsfc.nasa.gov .
• Sarcină utilă geodezică experimentală "Ajisai"
• Programul Explorer
• Galileo
• GEO-IK
• GEOS-3 , la ilrs.gsfc.nasa.gov .
• Geosat
• Urmărire Geosat
• GFZ-1 , la ilrs.gsfc.nasa.gov .
• GLONASS
• GRAŢIE
• GOCE
• GPS
• ICESat-1
• ICESat-2
• LAGEOS
• LARI
• Larets , la ilrs.gsfc.nasa.gov .
• Echipamente de reflecție laser (LRE) , la ilrs.gsfc.nasa.gov .
• PAGEOS
• Seasat
• Starlette , la ilrs.gsfc.nasa.gov .
• Stella , la ilrs.gsfc.nasa.gov .
• TOPEX / Poseidon
• TRANZIT
• WESTPAC , la ilrs.gsfc.nasa.gov .

Notă

Elemente conexe

• Varianta laserului lunar
• Interferometrie cu bază lungă
• Geodezie

linkuri externe

• GOCE , pe esa.int .
• GRACE , pe csr.utexas.edu .
• CHAMP , la www-app2.gfz-potsdam.de .
• Geodezie pentru Layman , la ngs.noaa.gov .
• Aviso , pe aviso.oceanobs.com. Adus la 28 iunie 2013 (arhivat din original la 4 martie 2008) .
• ILRS: Satellite and Lunar Laser Ranging Science , la ilrs.gsfc.nasa.gov .
• COSMO-SkyMed , pe cosmo-skymed.it .