Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Wettzell Laser Ranging System, спутниковая лазерная локационная станция

Спутниковая геодезия - это геодезия с помощью искусственных спутников - измерение формы и размеров Земли , расположения объектов на ее поверхности и формы гравитационного поля Земли с помощью искусственных спутниковых технологий. Он принадлежит к более широкой области космической геодезии . Традиционная астрономическая геодезия это не принято считать часть спутниковой геодезии, хотя существует значительное совпадение между методами. [1]

Основными задачами спутниковой геодезии являются:

  1. Определение фигуры Земли, позиционирование и навигация (геометрическая спутниковая геодезия [2] ).
  2. Определение геоида , гравитационного поля Земли и его временных вариаций (динамическая спутниковая геодезия [3] или спутниковая физическая геодезия )
  3. Измерение геодинамических явлений , таких как динамика земной коры и полярное движение [4] [5]

Спутниковые геодезические данные и методы могут применяться в различных областях, таких как навигация , гидрография , океанография и геофизика . Спутниковая геодезия в значительной степени полагается на орбитальную механику .

История [ править ]

Первые шаги (1957-1970) [ править ]

Спутниковая геодезия началась вскоре после запуска спутника в 1957 году. Наблюдения за спутниками Explorer 1 и Sputnik 2 в 1958 году позволили точно определить сплющенность Земли . [6] В 1960-х годах был запущен доплеровский спутник Transit-1B и спутники-аэростаты Echo 1 , Echo 2 и PAGEOS . Первым специализированным геодезическим спутником стал ANNA-1B, совместный проект НАСА , Министерства обороны и других гражданских агентств. [7] ANNA-1B несли первый самолет армии СШАинструменты SECOR (последовательное сопоставление диапазона). Эти миссии привели к точному определению ведущих коэффициентов сферической гармоники геопотенциала, общей формы геоида и связали мировые геодезические системы координат. [8]

Советские военные спутники выполняли геодезические миссии для помощи в наведении межконтинентальных баллистических ракет в конце 1960-х - начале 1970-х годов.

К мировой геодезической системе (1970–1990) [ править ]

Всемирная сеть геометрической спутниковой триангуляции с камерами BC-4

Transit спутниковая система широко используется для доплеровского съемки, навигации и позиционирования. Наблюдения за спутниками в 1970-х годах всемирными сетями триангуляции позволили создать Всемирную геодезическую систему . Разработка GPS в Соединенных Штатах в 1980-х годах позволила обеспечить точную навигацию и позиционирование и вскоре стала стандартным инструментом геодезической съемки. В 1980-х и 1990-х годах спутниковую геодезию начали использовать для мониторинга геодинамических явлений, таких как движение земной коры , вращение Земли и движение полярных полюсов .

Современная эра (1990-настоящее время) [ править ]

Художественная концепция GRACE

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 CHAMP , GRACE и GOCE . [10]

Методы измерения [ править ]

Система измерения Jason-1 сочетает в себе основные методы геодезических измерений, включая DORIS , SLR , GPS и альтиметрию .

Методы спутниковой геодезии можно классифицировать по инструментальной платформе: Спутник может

  1. наблюдаться с помощью наземных инструментов ( методы Земля-космос ),
  2. нести инструмент или датчик как часть полезной нагрузки для наблюдения за Землей ( методы космос-Земля ),
  3. или использовать его инструменты для отслеживания или отслеживания другим спутником ( методы космос-космос ). [11]

Методы Земля-космос (спутниковое слежение)[ редактировать ]

Радиотехника [ править ]

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 наклоном 55 ° . Принцип локации основан на трилатерации . Каждый спутник передает точные эфемериды с информацией о его собственном местоположении и сообщение, содержащее точное время передачи. Приемник сравнивает это время передачи со своими собственными часами во время приема и умножает разницу на скорость света, чтобы получить " псевдодальность".. »Четыре псевдодальности необходимы для получения точного времени и положения приемника в пределах нескольких метров. Более сложные методы, такие как кинематика в реальном времени (RTK), могут определять положение с точностью до нескольких миллиметров.

В геодезии GNSS используется как экономичный инструмент для съемки и передачи времени . Он также используется для наблюдения за вращением Земли , полярным движением и динамикой земной коры . Наличие сигнала GPS в космосе также делает его пригодным для определения орбиты и отслеживания спутников.

Примеры: GPS , ГЛОНАСС , Galileo.
Доплеровские методы [ править ]

Доплеровское 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 орбитальной механикой . 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 гравитации Земли. В DORIS наземная станция излучает сигнал, а спутник принимает.

Примеры: Transit , DORIS , Argos.

Оптическая триангуляция [ править ]

В оптической триангуляции спутник может использоваться как очень высокая цель для триангуляции 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]

Трек ANNA 1B на фотографии, сделанной станцией MOTS в Сантьяго ( Чили ) 11 ноября 1962 г.
Примеры: PAGEOS , Project Echo , ANNA 1B.

Лазерная локация [ править ]

В спутниковой лазерной локации (SLR) глобальная сеть наблюдательных станций измеряет время прохождения ультракоротких импульсов света до спутников, оборудованных ретрорефлекторами.. 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 радиолокационные высотомеры и отделить длительный дрейф приборов от вековых изменений топографии 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 [ править ]

Альтиметрия [ править ]

На этом графике показано повышение глобального уровня моря (в миллиметрах), измеренное миссией NASA / CNES по океанскому альтиметру TOPEX / Poseidon (слева) и последующей миссией Jason-1 . Изображение предоставлено: Университет Колорадо

Такие спутники, как Seasat (1978) и TOPEX / Poseidon (1992-2006), использовали усовершенствованные двухдиапазонные радиолокационные высотомеры для измерения высоты поверхности Земли (море, лед и земные поверхности) с космического корабля . "Джейсон-1" начался в 2001 году, " Джейсон-2" - в 2008 году, а " Джейсон-3" - в январе 2016 года. Это измерение в сочетании с элементами орбиты (возможно, дополненными GPS) позволяет определять местность . Две разные длины используемых радиоволн позволяют альтиметру автоматически корректировать различные задержки в ионосфере .

Космические радиолокационные высотомеры зарекомендовали себя как превосходные инструменты для картирования топографии поверхности океана , холмов и долин морской поверхности. Эти инструменты посылают микроволновый импульс на поверхность океана и регистрируют время, необходимое для его возвращения. Микроволновый радиометр корректирует любые задержки , которые могут быть вызваны водяным паром в атмосфере . Другие поправки также необходимы для учета влияния электронов в ионосфере.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 предоставляют информацию о скорости ветра и высоте океанских волн. Эти данные используются в моделях океана для расчета скорости и направления океанских течений, а также количества и местоположения тепла, хранящегося в океане, что, в свою очередь, выявляет глобальные климатические изменения .

Лазерная альтиметрия [ править ]

Лазерный высотомер использует оба конца полета времени пучка света на оптических или инфракрасных длинах волн , чтобы определить высоту космического корабля или, наоборот, заземляющий рельеф.

Примеры: ICESat , MOLA .
Радиолокационная альтиметрия [ править ]

Радиовысотомера использует оба конца полета время микроволнового импульса между спутником и поверхностью Земли , чтобы определить расстояние между космическим аппаратом 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 топографию поверхности океана .

Примеры: Seasat , Geosat , TOPEX / Poseidon , ERS-1 , ERS-2 , Jason-1 , Jason-2 , Envisat , SWOT (спутник).

Интерферометрический радар с синтезированной апертурой (InSAR) [ править ]

Интерферометрический радар с синтезированной апертурой (InSAR) - это радарный метод, используемый в геодезии и дистанционном зондировании . Этот геодезический метод использует два или более изображений радара с синтезированной апертурой (SAR) для создания карт деформации поверхности или цифрового возвышения с использованием различий в фазах волн, возвращающихся к спутнику. [16] [17] [18] Этот метод потенциально может измерять изменения деформации в сантиметровом масштабе за период от нескольких дней до нескольких 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 [ править ]

Гравитационная градиентометрия [ править ]

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 вектора гравитации, измеренную 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 - это 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 гравитационная модель 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 [ править ]

Этот метод использует спутники для отслеживания других спутников. Существует ряд вариантов, которые можно использовать для конкретных целей, таких как исследования гравитационного поля и улучшение орбиты .

  • Большая высота спутник может выступать в качестве реле от заземления станций слежения на низкую высоту спутник . 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 повторно передается 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 GRACE .
  • Несколько высотных спутников с точно известными орбитами, например спутники GPS , могут использоваться для определения местоположения низковысотного спутника.


Эти примеры представляют некоторые возможности применения слежения со спутника на спутник. Данные слежения со спутника на спутник сначала были собраны и проанализированы в конфигурации "высокий-низкий" между ATS-6 и GEOS-3 . Данные были изучены, чтобы оценить его потенциал для уточнения орбитальной и гравитационной модели. [21] [22]

Пример: GRACE
Отслеживание GNSS [ править ]
Примеры: CHAMP , GOCE.

Список геодезических спутников [ править ]

  • АННА-1Б
  • Бэйдоу
  • БЛИТЫ
  • ЧЕМПИОН
  • Diadème
  • Эхо
  • Envisat
  • ERS-1
  • ERS-2
  • Эталон
  • Экспериментальная геодезическая нагрузка "Аджисай"
  • Программа Explorer
  • Галилео
  • Гео-ИК-2
  • ГЕОС-3
  • Геосат
  • Слежение за спутником Geosat
  • ГФЗ-1
  • ГЛОНАСС
  • ГРЕЙС
  • GOCE
  • GPS
  • ICESat-1
  • ICESat-2
  • LAGEOS
  • ЛАРЕС
  • Ларец
  • Лазерное отражающее оборудование (LRE)
  • СТРАНИЦЫ
  • Seasat
  • Старлетт
  • Стелла
  • TOPEX / Посейдон
  • ТРАНЗИТ
  • ВЕСТПАК

См. Также [ править ]

  • Геодезическая астрономия

Ссылки [ править ]

  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.
  7. ^ a b 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 произведения, которое сейчас находится в общественном достоянии :
  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 произведения, которое сейчас находится в общественном достоянии :
  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 земной поверхности", Rev. Geophys. , 36 (4), стр 441-500,. Bibcode : 1998RvGeo..36..441M , DOI : 10,1029 / 97RG03139
  17. ^ Burgmann, R .; Розен, Пенсильвания; Филдинг, EJ (2000), «Радарная интерферометрия с синтезированной апертурой для измерения топографии поверхности Земли и ее деформации», Annual Review of Earth and Planetary Sciences , 28 , стр. 169–209, Bibcode : 2000AREPS..28..169B , doi : 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 произведения, которое сейчас находится в общественном достоянии :
  20. ^ Геодезия для обывателя (PDF) . Агентство оборонного картографирования. 1984. с. 71.
  21. ^ Одно или несколько предыдущих предложений включают текст из произведения, которое сейчас находится в общественном достоянии :
  22. ^ Геодезия для обывателя (PDF) . Агентство оборонного картографирования. 1984. с. 68.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • 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 геонауки (PDF) , Kluwer Academic Publishers

Внешние ссылки [ править ]

  • GOCE
  • ГРЕЙС
  • ЧЕМПИОН
  • Геодезия для обывателя
  • Авизо