Спутниковая геодезия - Satellite geodesy

Лазерная система дальности Wettzell, a спутниковая лазерная локация станция

Спутниковая геодезия является геодезия посредством искусственные спутники - измерение формы и размеров земной шар, расположение предметов на его поверхности и фигура Земли гравитационное поле с помощью искусственных спутников. Это относится к более широкой области космическая геодезия. Традиционный астрономическая геодезия является нет обычно считается частью спутниковой геодезии, хотя между этими методами существует много общего.^[1]

Основными задачами спутниковой геодезии являются:

Определение фигуры Земли, позиционирование и навигация (геометрическая спутниковая геодезия).^[2])
Определение геоид, Земное притяжение поле и его временные вариации (динамическая спутниковая геодезия^[3] или спутник физическая геодезия )
Измерение геодинамические явления, Такие как коровая динамика и полярное движение^[4]^[5]

Спутниковые геодезические данные и методы могут применяться в различных областях, таких как навигация, гидрография, океанография и геофизика. Спутниковая геодезия сильно зависит от орбитальная механика.

История

Первые шаги (1957-1970)

Спутниковая геодезия началась вскоре после запуска Спутник в 1957 г. Исследователь 1 и Спутник 2 в 1958 г. позволил точно определить Уплощение Земли.^[6] В 1960-е годы был запущен спутник Доплера. Транзит-1Б и воздушные шары-спутники Эхо 1, Эхо 2 и СТРАНИЦЫ. Первым специализированным геодезическим спутником был ANNA-1B, результат совместных усилий НАСА, то DoD, и другие гражданские агентства.^[7] ANNA-1B нес первый из Армия США инструменты SECOR (последовательное сопоставление диапазона). Эти миссии привели к точному определению ведущих сферическая гармоника коэффициенты геопотенциала, общий вид геоид, и связал мировые геодезические системы координат.^[8]

Советские военные спутники предприняли геодезические миссии для оказания помощи в МБР нацелены в конце 1960-х - начале 1970-х годов.

К мировой геодезической системе (1970–1990)

Всемирная сеть геометрической спутниковой триангуляции с камерами BC-4

В Транзит Спутниковая система широко использовалась для доплеровской съемки, навигации и определения местоположения. Наблюдения за спутниками в 1970-х годах всемирными триангуляционными сетями позволили установить Мировая геодезическая система. Развитие GPS в Соединенных Штатах Америки в 1980-х годах позволили точную навигацию и позиционирование и вскоре стали стандартным инструментом геодезической съемки. В 1980-х и 1990-х годах спутниковая геодезия стала использоваться для мониторинга геодинамический явления, такие как движение земной коры, Вращение Земли, и полярное движение.

Современная эра (1990-настоящее время)

Представление художника о ГРЕЙС

1990-е годы были сосредоточены на развитии постоянных геодезических сетей и опорных систем.^[9] В 2000-х годах для измерения гравитационного поля Земли были запущены специальные спутники, такие как ЧЕМПИОН, ГРЕЙС, и GOCE.^[10]

Методы измерения

Измерительная система Jason-1 объединяет основные методы геодезических измерений, включая ДОРИС, SLR, GPS, и альтиметрия.

Методы спутниковой геодезии можно классифицировать по инструментальной платформе: Спутник может

наблюдаться наземными приборами (Земля-космос-методы),
нести прибор или датчик как часть полезной нагрузки для наблюдения за Землей (методы космос-Земля),
или использовать его инструменты для отслеживания или отслеживания другим спутником (Космические методы).^[11]

Методы Земля-космос (спутниковое слежение)

Геодезическое использование GPS / GNSS

Глобальные навигационные спутниковые системы - это специализированные службы радиопозиционирования, которые могут определять местонахождение приемника с точностью до нескольких метров. Самая известная система, GPS, состоит из созвездия из 31 спутника (по состоянию на декабрь 2013 г.) на высоких 12-часовых круговых орбитах, распределенных в шести плоскостях с углом 55 °. наклонности. Принцип расположения основан на трилатерация. Каждый спутник передает точную эфемериды с информацией о собственном местоположении и сообщением, содержащим точное время передачи. Приемник сравнивает это время передачи с его собственными часами во время приема и умножает разницу на скорость света, чтобы получить "псевдодиапазон. "Четыре псевдодальности необходимы для получения точного времени и положения приемника в пределах нескольких метров. Более сложные методы, такие как кинематика в реальном времени (RTK) может уступать позиции с точностью до нескольких миллиметров.

В геодезии GNSS используется как экономичный инструмент для геодезия и перевод времени. Он также используется для мониторинга Вращение Земли, полярное движение, и корковый динамика. Наличие сигнала GPS в космосе также делает его пригодным для определение орбиты и спутниковое слежение.

Примеры: GPS, ГЛОНАСС, Галилео

Доплеровские методы

Допплер Позиционирование включает запись доплеровского сдвига радиосигнала стабильной частоты, излучаемого спутником, когда спутник приближается и удаляется от наблюдателя. Наблюдаемая частота зависит от радиальной скорости спутника относительно наблюдателя, которая ограничена орбитальная механика. Если наблюдатель знает орбиту спутника, то запись доплеровского профиля определяет положение наблюдателя. И наоборот, если положение наблюдателя точно известно, то можно определить орбиту спутника и использовать ее для изучения силы тяжести Земли. В ДОРИС, наземная станция излучает сигнал, а спутник принимает.

Примеры: Транзит, ДОРИС

Оптическая триангуляция

В оптической триангуляции спутник может использоваться как очень высокая цель для триангуляция и может использоваться для определения геометрической взаимосвязи между несколькими станциями наблюдения. Оптическая триангуляция с помощью камер BC-4, PC-1000, MOTS или Baker Nunn состояла из фотографических наблюдений спутника или мигающего света спутника на фоне звезд. Звезды, положение которых было точно определено, служили основой на фотопластинке или пленке для определения точного направления от камеры к спутнику. Работы по геодезическому позиционированию с помощью камер обычно выполнялись одной камерой, ведущей наблюдение одновременно с одной или несколькими другими камерами. Системы видеокамер зависят от погоды, и это одна из основных причин, по которой они вышли из употребления к 1980-м годам.^[7]^[12]

ANNA 1B трек на фотографии, сделанные Сантьяго (Чили ) Станция МОТС 11 ноября 1962 г.

Примеры: СТРАНИЦЫ, Проект Эхо, АННА 1Б

Лазерная дальность

В спутниковой лазерной локации (SLR) глобальная сеть станций наблюдения измеряет время прохождения сверхкоротких импульсов в оба конца. свет на спутники, оснащенные световозвращатели. Это обеспечивает мгновенные измерения дальности с точностью до миллиметра, которые можно накапливать для получения точных параметров орбиты, параметров гравитационного поля (по возмущениям орбиты), параметров вращения Земли, приливных деформаций Земли, координат и скоростей станций SLR и других важных геодезических данных. Спутниковая лазерная локация - проверенный геодезический метод со значительным потенциалом для важного вклада в научные исследования системы Земля / Атмосфера / Океаны. Это наиболее точный доступный в настоящее время метод определения геоцентрического положения спутника Земли, позволяющий точно калибровать радар. высотомеры и отделение долгосрочного дрейфа приборов от вековых изменений в топография поверхности океана Спутниковая лазерная локация способствует определению международных наземных систем отсчета, предоставляя информацию о масштабе и происхождении системы отсчета, так называемые координаты геоцентра.^[13]

Пример: LAGEOS

Методы космос-Земля

Альтиметрия

На этом графике показано повышение глобального уровня моря (в миллиметрах), измеренное НАСА /CNES миссия океанского альтиметра TOPEX / Посейдон (слева) и его последующая миссия Джейсон-1. Изображение предоставлено: Университет Колорадо

Спутники, такие как Seasat (1978) и TOPEX / Посейдон (1992-2006) использовал усовершенствованный двухдиапазонный радар высотомеры для измерения высоты поверхности Земли (море, лед и земные поверхности) от космический корабль. Джейсон-1 началось в 2001 году, Джейсон-2 в 2008 г. и Джейсон-3 в январе 2016 года. Это измерение вместе с орбитальный элементов (возможно, дополненных GPS), позволяет определять местность. Два разных длины волн используемых радиоволн позволяет высотомеру автоматически корректировать различные задержки в ионосфера.

Космические радиолокационные высотомеры зарекомендовали себя как превосходные инструменты для картографии топография поверхности океана, холмы и долины морской глади. Эти инструменты посылают микроволновый импульс на поверхность океана и регистрируют время, необходимое для его возвращения. А микроволновый радиометр исправляет любую задержку, которая может быть вызвана водяной пар в атмосфера. Также требуются другие поправки для учета влияния электронов в ионосфера и сухая воздушная масса атмосферы. Объединение этих данных с точным местоположением космического корабля позволяет определять высоту поверхности моря с точностью до нескольких сантиметров (около одного дюйма). Сила и форма возвращаемого сигнала также предоставляет информацию о скорости ветра и высоте океанских волн. Эти данные используются в моделях океана для расчета скорости и направления движения. Океанские течения а также количество и расположение тепла, хранящегося в океане, что, в свою очередь, показывает глобальные вариации климата.

Лазерная альтиметрия

А лазерный высотомер использует время полета в оба конца луча света в оптическом или инфракрасном диапазоне длин волн для определения высоты космического корабля или, наоборот, топографии земли.

Примеры: ICESat, MOLA.

Радиолокационная альтиметрия

А радиолокационный высотомер использует время полета в оба конца микроволнового импульса между спутником и поверхностью Земли для определения расстояния между космическим кораблем и поверхностью. С этого расстояния или высоты удаляются местные поверхностные эффекты, такие как приливы, ветры и течения, чтобы получить высоту спутника над геоидом. При наличии точных эфемерид для спутника геоцентрическое положение и эллипсоидальная высота спутника доступны для любого заданного времени наблюдения. Затем можно вычислить высоту геоида, вычтя измеренную высоту из эллипсоидальной высоты. Это позволяет проводить прямые измерения геоида, поскольку поверхность океана точно следует за геоидом.^[14]^[15] Разница между поверхностью океана и реальным геоидом дает топография поверхности океана.

Примеры: Seasat, Геосат, TOPEX / Посейдон, ERS-1, ERS-2, Джейсон-1, Джейсон-2, Envisat, SWOT (спутник)

Интерферометрический радар с синтезированной апертурой (InSAR)

Интерферометрический радар с синтезированной апертурой (InSAR) - это радар техника, используемая в геодезия и дистанционное зондирование. Этот геодезический метод использует два или более радар с синтезированной апертурой (SAR) изображения для создания карт деформации поверхности или цифровая высота, используя разницу в фазе возвращающихся к спутнику волн.^[16]^[17]^[18] Этот метод потенциально может измерять изменения деформации в сантиметровом масштабе в течение нескольких дней или лет. Он применяется для геофизического мониторинга опасных природных явлений, например, землетрясений, извержений вулканов и оползней, а также в проектировании конструкций, в частности, для мониторинга оседания и устойчивости конструкций.

Пример: Seasat, TerraSAR-X

Космические методы

Гравитационная градиентометрия

Градиентометр силы тяжести может независимо определять компоненты вектора силы тяжести в реальном времени. Градиент силы тяжести - это просто пространственная производная вектора силы тяжести. Градиент можно рассматривать как скорость изменения компонента силы тяжести. вектор как измерено на небольшом расстоянии. Следовательно, градиент можно измерить, определив разницу силы тяжести в двух близких, но разных точках. Этот принцип воплощен в нескольких недавних приборах с подвижным основанием. Градиент силы тяжести в точке равен тензор, поскольку это производная каждого компонента вектора силы тяжести, взятого по каждой чувствительной оси. Таким образом, значение любого компонента вектора силы тяжести может быть известно на всем пути движения транспортного средства, если в систему включены градиентометры силы тяжести, а их выходные данные интегрированы в системный компьютер. Точная модель гравитации будет рассчитана в режиме реального времени, и будет доступна непрерывная карта нормальной силы тяжести, высоты и аномальной силы тяжести.^[19]^[20]

Пример: GOCE

Спутниковое отслеживание

Этот метод использует спутники для отслеживания других спутников. Существует ряд вариантов, которые можно использовать для определенных целей, например: сила тяжести полевые исследования и орбита улучшение.

А высотный спутник может действовать как ретранслятор от наземных станций слежения к спутник на малой высоте. Таким образом, спутники на малой высоте можно наблюдать, когда они недоступны для наземных станций. В этом типе слежения сигнал, генерируемый станцией слежения, принимается ретрансляционным спутником и затем ретранслируется на спутник с меньшей высотой. Затем этот сигнал по тому же пути возвращается на наземную станцию.
Два низколетящих спутника могут отслеживать друг друга, наблюдая взаимные изменения орбиты, вызванные неоднородностями гравитационного поля. Ярким примером этого является ГРЕЙС.
Несколько высотных спутников с точно известными орбитами, например GPS спутники, могут использоваться для определения местоположения низковысотного спутника.

Эти примеры представляют некоторые возможности применения слежения со спутника на спутник. Данные спутникового слежения сначала были собраны и проанализированы в конфигурации высокого-низкого между АТС-6 и ГЕОС-3. Данные были изучены, чтобы оценить его потенциал для уточнения орбитальной и гравитационной модели.^[21]^[22]

Пример: ГРЕЙС

GNSS отслеживание

Примеры: ЧЕМПИОН, GOCE

Список геодезических спутников

Смотрите также

Геодезическая астрономия

дальнейшее чтение

Смит, Дэвид Э. и Теркотт, Дональд Л. (ред.) (1993) Вклад космической геодезии в геодинамику: динамика земной коры, том 23, динамика Земли, том 24, технология, том 25, Серия геодинамики Американского геофизического союза ISSN 0277-6669
Франсуа Барлье; Мишель Лефевр (2001), Новый взгляд на планету Земля: спутниковая геодезия и науки о Земле (PDF), Kluwer Academic Publishers

внешняя ссылка

[1] Сибер, Гюнтер (2003). Спутниковая геодезия. Берлин Нью-Йорк: Вальтер де Грюйтер. п.2. ISBN 978-3-11-017549-3.

[2] Сибер, Гюнтер (2003). Спутниковая геодезия. Берлин Нью-Йорк: Вальтер де Грюйтер. п.3. ISBN 978-3-11-017549-3.

[3] Сосница, Кшиштоф (2014). Определение точных спутниковых орбит и геодезических параметров с помощью спутниковой лазерной локации. Берн: Астрономический институт Бернского университета, Швейцария. п. 5. ISBN 978-8393889808.

[4] Сибер, Гюнтер (2003). Спутниковая геодезия. Берлин Нью-Йорк: Вальтер де Грюйтер. п.4. ISBN 978-3-11-017549-3.

[5] Сибер, Гюнтер (2003). Спутниковая геодезия. Берлин Нью-Йорк: Вальтер де Грюйтер. п.1. ISBN 978-3-11-017549-3.

[6] Сибер, Гюнтер (2003). Спутниковая геодезия. Берлин Нью-Йорк: Вальтер де Грюйтер. п.5. ISBN 978-3-11-017549-3.

[autogenerated51-7] а ^б Геодезия для обывателя (PDF). Агентство оборонного картографирования. 1984. с. 51.

[8] Сибер, Гюнтер (2003). Спутниковая геодезия. Берлин Нью-Йорк: Вальтер де Грюйтер. п.6. ISBN 978-3-11-017549-3.

[9] Сибер, Гюнтер (2003). Спутниковая геодезия. Берлин Нью-Йорк: Вальтер де Грюйтер. п.7. ISBN 978-3-11-017549-3.

[10] Сибер, Гюнтер (2003). Спутниковая геодезия. Берлин Нью-Йорк: Вальтер де Грюйтер. п.2. ISBN 978-3-11-017549-3.

[11] Сибер, Гюнтер (2003). Спутниковая геодезия. Берлин Нью-Йорк: Вальтер де Грюйтер. п.6. ISBN 978-3-11-017549-3.

[12] Одно или несколько предыдущих предложений включают текст из работы, которая сейчас находится в всеобщее достояние:

[13] Сосница, Кшиштоф (2014). Определение точных спутниковых орбит и геодезических параметров с помощью спутниковой лазерной локации. Берн: Астрономический институт Бернского университета, Швейцария. п. 6. ISBN 978-8393889808.

[14] Одно или несколько предыдущих предложений включают текст из работы, которая сейчас находится в всеобщее достояние:

[15] Геодезия для обывателя (PDF). Агентство оборонного картографирования. 1984. с. 64.

[16] Massonnet, D .; Фейгл, К. Л. (1998), "Радарная интерферометрия и ее применение к изменениям на земной поверхности", Rev. Geophys., 36 (4), стр. 441–500, Bibcode:1998RvGeo..36..441M, Дои:10.1029 / 97RG03139

[17] Burgmann, R .; Rosen, P.A .; Филдинг, Э.Дж. (2000), "Радарная интерферометрия с синтезированной апертурой для измерения топографии поверхности Земли и ее деформации", Ежегодный обзор наук о Земле и планетах, 28, стр. 169–209, Bibcode:2000AREPS..28..169B, Дои:10.1146 / annurev.earth.28.1.169

[18] Ханссен, Рамон Ф. (2001), Радарная интерферометрия: интерпретация данных и анализ ошибок, Kluwer Academic, ISBN 9780792369455

[19] Одно или несколько предыдущих предложений включают текст из работы, которая сейчас находится в всеобщее достояние:

[20] Геодезия для обывателя (PDF). Агентство оборонного картографирования. 1984. с. 71.

[21] Одно или несколько предыдущих предложений включают текст из работы, которая сейчас находится в всеобщее достояние:

[22] Геодезия для обывателя (PDF). Агентство оборонного картографирования. 1984. с. 68.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]