Alternatywne do GNSS metody obserwacji satelitarnych - Akademia ...

Alternatywne do GNSSmetody obserwacjisatelitarnych[na podstawie Seeber G., „Satellite Geodesy”]dr inż. Paweł ZalewskiAkademia Morska w Szczecinie

Przegląd operacyjnych technik obserwacji satelitarnych:1. GNSS (GPS, Glonass, Beidou / Compass, ...)2. DORIS – dopplerowskie pomiary satelitarne3. SLR – satelitarne pomiary laserowe4. LLR – pomiary laserowe Księżyca5. RA – radarowa altymetria satelitarna6. LA – laserowa altymetria satelitarna7. SST – wzajemne śledzenie satelitów8. SGG – gradiometria satelitarna grawitacji lub grawimetria9. VLBI – interferometria wielkobazowaStrona International Association of Geodesy - Global Geodetic ObservingSystem:http://www.ggos-portal.org/lang_en/GGOS-Portal/EN/Topics/SatelliteMissions/SatelliteMissions.html- 2 -

DORIS:DORIS (Doppler Orbitography and Radio Positioning Integrated bySatellite) jest francuskim systemem (zbudowany przez CNES), którypodobnie jak TRANSIT bazuje na zjawisku Dopplera, ale odwrotnie niżw systemie amerykańskim: stała częstotliwość emitowana jest przezradiolatarnie na Ziemi a pomiar dopplerowski wykonywany jest przezsatelitę.- 3 -

DORIS:Równanie Dopplera:ffrt1vcv1ccosq22f t – stała częstotliwość nadawcza – źródła na Ziemi w punkcie P,f r – częstotliwość odbierana przez satelitę w punkcie S,v – prędkość satelity,c – prędkość fali elektromagnetycznej,q – kąt pomiędzy wektorem prędkości satelity a linią łączącą stacjęnaziemną z satelitą,r – odległość pomiędzy stacją naziemną a satelitą.- 4 -

DORIS:Satelita teledetekcyjny SPOT-5 oraz teledetekcyjno-altymetryczny Envisat,współpracujące z systemem DORIS- 5 -

SLR – satelitarne pomiary laserowe:W pomiarach laserowych odległości do satelitów (Satellite Laser Ranging,SLR) mierzony jest czas przelotu krótkiego impulsu laserowego pomiędzystacją naziemną a obserwowanym satelitą. Część generowanego wsystemie optycznym stacji naziemnej impulsu wykorzystana jest do startuelektronicznego licznika czasu (zegara użytkownika). Śledzony satelitawyposażony jest w powłokę odblaskową (retro-reflektory). Odbity impulsjest odbierany w stacji naziemnej, wzmacniany, analizowany orazzatrzymuje licznik czasu.- 6 -

SLR – satelitarne pomiary laserowe:Zmierzona przez licznik czasu wartość Dt odpowiada czasowi pokonaniapodwójnej drogi d pomiędzy stacją naziemną a satelitą.dDt c2Głównymi komponentami segmentu naziemnego są:− generator i nadajnik impulsów laserowych wraz z systemem optycznymi obudową,− czujnik i analizator powracających impulsów w tym teleskop odbiorczy,− jednostka pomiaru czasu przelotu (licznik).Dodatkowo potrzebne są subkomponenty celowniczo-kontrolne systemuśledzenia laserowego oraz odniesienia czasu (zegary atomowe,komputery, oprogramowanie).Segment kosmiczny stanowią satelity wyposażone w retro-reflektory.- 7 -

SLR – satelitarne pomiary laserowe:Obecnie na świecie pracuje około 40 stacji SLR, a w retro-reflektorywyposażone były lub są satelity TOPEX/POSEIDON, LAGEOS, GRACE,ICESat oraz niektóre GPS i Glonass.Osiągana dokładność pomiarów odległości jest ściśle skorelowanaz długością i rozdzielczością impulsów laserowych:1ns15 cmPoprawa dokładności SLR w ubiegłym wieku- 8 -

SLR – satelitarne pomiary laserowe:Cztery generacje SLR:1. Długości impulsów 10 do 40ns, odpowiadające dokładności 1 do 6m;lasery rubinowe.2. Długości impulsów 2 do 5ns, odpowiadające dokładności 30 do100cm; złożona analiza impulsu.3. Długości impulsów 0,1 do 0,2ns, odpowiadające dokładności 1 do3cm; lasery Nd:YAG (neodymium-doped yttrium aluminium garnet);zdolność detekcji pojedynczych fotonów.4. Długości impulsów poniżej 0,1ns, odpowiadające dokładności 1 do3mm.W Polsce stacja SLR znajduje się w Obserwatorium Astro-Geodynamicznym CBK PAN w Borowcu pod Poznaniem. Uzyskiwanedokładności są porównywalne z techniką GPS (trzecia generacja SLR)i wynoszą kilka cm dla mierzonej odległości do satelity. Ze względu naznacznie wyższe koszty wybudowania stacji SLR a później jejeksploatacji technika ta jest powoli wypierana przez permanentne stacjeGPS.- 9 -

SLR – satelitarne pomiary laserowe:- 10 -

SLR – satelitarne pomiary laserowe:- 11 -

LLR – pomiary laserowe Księżyca:LLR (Lunar Laser Ranging):Geometryczne zależności w pomiarach laserowych Księżyca- 12 -

LLR – pomiary laserowe Księżyca:Wyznaczenie parametrów ruchu obrotowego Ziemi techniką LLR- 13 -

LLR – pomiary laserowe Księżyca:Centrum badań kosmicznych Mount Stromlo w USA dokonujące pomiarów SLR i LLR- 14 -

RA – radarowa altymetria satelitarna:Altymetria radarowa jest jedną z nowszych metod obserwacjisatelitarnych stosowanych geodezyjnie i, jak do tej pory, dominującątechniką operacyjną pomiarów wykonywanych z satelity do Ziemi (ang.Space to Earth).W altymetrii radarowej satelita jest wykorzystywany jako ruchomaplatforma dla radaru wysyłającego impulsy mikrofalowe do Ziemii odbierającego sygnały odbite od jej powierzchni.Wysokość a satelity ponad powierzchnią Ziemi może być wyznaczona, wpierwszym przybliżeniu, na podstawie czasu pokonania drogi do Ziemi i zpowrotem przez impuls radarowy (zależność analogiczna do pomiaruodległości w SLR).Dta 2c- 15 -

RA – radarowa altymetria satelitarna:Ze względu na cechy wodysprzyjające odbiciom sygnałuradarowego, metoda ta jestszczególnie przydatna do pomiarówoceanicznych. Chwilową powierzchnięodbicia stanowi koło ośrednicy kilku kilometrów, tzw. ślad(ang. footprint), którego rozmiarzależny jest od szerokości wiązkimikrofalowej. W związku z tymobserwacje dotyczą średniegochwilowego poziomu morza, któryróżni się od wysokości geoidalnej No wysokość niwelacyjną H.Wysokość elipsoidalna h satelitymoże być wyznaczona na podstawiechwilowej pozycji satelity w układziegeocentrycznym.Pomijając dodatkowe poprawki:hN H a- 16 -

RA – radarowa altymetria satelitarna:Równanie obserwacji altymetrycznej:hN H DH a dh - wysokość elipsoidalna satelityN - wysokość geoidalnaH - wysokość niwelacyjnatopografii morzaDH - chwilowa wysokość pływua - pomiar altymetrycznyd - różnica pomiędzy wyliczonąorbitą a rzeczywistą (z błędówparametrów efemerydalnych)- 17 -

RA – radarowa altymetria satelitarna:Generator mikrofalowy na pokładzie satelity (altymetr radarowy) pracujew zakresie częstotliwości około 13,5 GHz (pasmo Ku), odpowiadającemudługości fali 2,2 cm.Stosowane długości impulsów to kilka nanosekund, skąd możliwedokładności pomiarów wynoszą kilka centymetrów.Europejski satelita ERS-1 z altymetremradarowym – misja pomiarowa rejonówbiegunowych w latach 1991-1996; orazEnvisat z radarem ASAR – 2002-obecnie- 18 -

LA – laserowa altymetria satelitarna:Amerykańska misja ICESat2003 – 2010 r., trzy lasery napokładzie satelity.- 19 -

LA – laserowa altymetria satelitarna:Amerykańska misja ICESat- 20 -

SST – wzajemne śledzenie satelitów:SST (Satellite-to-Satellite Tracking) – pomiary odległości i pochodnychodległości (względnej prędkości) pomiędzy satelitami.SST w trybie wysoko-nisko (SST high-low mode, SST-HL) odnosi się dometody wykorzystującej satelitę LEO śledzonego przez wyżej położonesatelity np. GPS, GLONASS lub GALILEO, względem sieci stacjinaziemnych.Przyśpieszenia pozagrawitacyjne oddziaływujące na satelitę LEO sąmierzone akcelerometrami. Pozostałe przyśpieszenia satelity (w trzechwymiarach) odpowiadają przyśpieszeniom grawitacyjnym Ziemi.Wynikiem pomiarów są pierwsze pochodne potencjału grawitacyjnego.Satelita misji CHAMP z 2000 r.- 21 -

SST – wzajemne śledzenie satelitów:SST w trybie nisko-nisko (SST low-low mode, SST-LL) odnosi się dometody, w której dwa satelity LEO umieszczone na tej samej orbiciew odległości rzędu kilkuset kilometrów mierzą wzajemną odległość D(linię bazy). Efekty pozagrawitacyjne, podobnie jak w trybie high-low sąmierzone lub kompensowane.Na podstawie zmian odległości wyznaczana jest różnica przyśpieszeńobu satelitów wynikająca z przyśpieszenia grawitacyjnego Ziemi.Połączenie trybów HL i LL umożliwia znaczne poprawienie czułościi dokładności pomiarów.Wynikiem pomiarów jest różnica pierwszych pochodnych potencjaługrawitacyjnego na długiej linii bazy.Satelity misji GRACE z 2002 r.- 22 -

SST – wzajemne śledzenie satelitów:SST w trybie nisko-nisko (SST low-low mode, SST-LL)Satelity misji GRACE z 2002 r.- 23 -

SGG – grawimetria satelitarna:SGG (Satellite Gravity Gradiometry) –pomiar różnic przyśpieszeńwykonywany jest bezpośredniowewnątrz jednego satelity.Przyśpieszenia są mierzone w punktachoddalonych od centrum masy satelityw trzech wymiarach.Zaletą w stosunku do technik SST jestto, że pozagrawitacyjne przyśpieszeniasą takie same dla wszystkich czujnikówwewnątrz satelity w związku z czymmożna je zniwelować poprzezróżnicowanie pomiarów.Wynikiem pomiarów są drugiepochodne potencjału grawitacyjnego.Satelita misji GOCE,2009 – 2011 pierwszy z serii- 24 -

SGG – grawimetria satelitarna:GOCE first global gravity model- 25 -

SST i SGG:Zasada pomiarów w metodach (od lewej): SST-HL, SST-LL i SGG- 26 -

SST i SGG:Skumulowane błędy geoidy - modelu polagrawitacyjnego EGM96 z trzech misji satelitarnych- 27 -

VLBI – interferometria wielkobazowa:VLBI (Very Long Baseline Interferometry) – nie jest metodą stosowanąbezpośrednio w pomiarach geodezyjnych.Interferometr wielkobazowy jest filtrem częstości przestrzennychprzepuszczającym selektywnie tylko określone struktury rozkładuczęstotliwości radioźródeł. Synteza apertury, czyli technika odtwarzaniaobrazów albo map radioźródeł, polega na formowaniu charakterystykiprzenoszenia takiego filtru. Radioastronomowie uzyskują w ten sposóbnowe narzędzie badawcze, które jest równoważne pojedynczemuteleskopowi o średnicy 10 000 km.32m radioteleskopw obserwatorium przyUniwersytecie MikołajaKopernika w Piwnicachk.Torunia- 28 -

VLBI – interferometria wielkobazowa:Ilustracja zasady działania radioastronomicznych systemów antenowych.Miejsca pomiędzy literami A 1 i A 2 symbolizują powierzchnie zbierające sygnał.Na skraju czaszy różnica dróg sygnałów osiąga wartość Dsinq.- 29 -

VLBI – interferometria wielkobazowa:Jeszcze do niedawna radiowe pomiary położeńradioźródeł na niebie nie dorównywały swądokładnością tradycyjnej astrometrii optycznej, awykonywano je głównie w celu identyfikacjioptycznych odpowiedników radioźródeł. Obecniepomiary takie radioastronomowie wykonują zprecyzjami tysiąckrotnie lepszymi, niż ich koledzyposługujący się techniką optyczną.Przewrót ten odbił się oczywiście w innychdziedzinach, które zawsze były spokrewnione zastrometrią - geodezji, astronomii dynamicznej itestach teorii grawitacyjnych.Daleko zaawansowane są już prace nadprzygotowaniem nieinercjalnego układu odniesieniaopartego na radioźródłach pozagalaktycznych,praktycznie nieruchomych dla ziemskiegoobserwatora (ze względu na ich olbrzymieodległości).Terminal VLBIw obserwatorium przyUniwersytecie MikołajaKopernika w Piwnicachk.Torunia- 30 -

VLBI – interferometria wielkobazowa:VLBI jest techniką pomiarową umożliwiającą osiągnięcie lepszychparametrów pracy innych systemów wykorzystywanych w geodezjisatelitarnej. Tą techniką wykonywane są:− pomiary parametrów systemu odniesienia dla GPS (GNSS),− utworzenie i monitorowanie Międzynarodowego Niebieskiego UkładuOdniesienia (International Celestial Reference Frame - ICRF),− utworzenie i monitorowanie Międzynarodowego Ziemskiego UkładuOdniesienia (International Terrestrial Reference Frame - ITRF),− wyznaczenie i monitorowanie zależnych czasowo parametrów ruchuobrotowego Ziemi (Earth Orientation Parameters - EOP), które sąskładowymi ITRF oraz ICRF.- 31 -

Berlin Air Show 2012- 32 -

- 33 -

- 34 -

- 35 -

- 36 -