Спутниковая геодезия

Спутниковая геодезия — геодезия с помощью искусственных спутников — измерение формы и размеров Земли , расположения объектов на ее поверхности и фигуры гравитационного поля Земли средствами искусственной спутниковой техники. Это относится к более широкой области космической геодезии . Традиционная астрономическая геодезия считается обычно не частью спутниковой геодезии, хотя между этими методами существует значительное совпадение. ^[1]^: 2

Основными задачами спутниковой геодезии являются:

Определение фигуры Земли, позиционирования и навигации (геометрическая спутниковая геодезия) ^[1]^: 3
Определение геоида , гравитационного поля Земли и его временных вариаций (динамическая спутниковая геодезия). ^[2] или спутниковая физическая геодезия )
Измерение геодинамических явлений , таких как динамика земной коры и движение полюсов. ^[1]^: 4^[1]^: 1

Спутниковые геодезические данные и методы могут применяться в различных областях, таких как навигация , гидрография , океанография и геофизика . Спутниковая геодезия во многом опирается на орбитальную механику .

История

Первые шаги (1957–1970)

Спутниковая геодезия началась вскоре после запуска «Спутника» в 1957 году. Наблюдения «Эксплорера-1» и «Спутника-2» в 1958 году позволили точно определить сплющивание Земли . ^[1]^: 5 В 1960-е годы были запущены доплеровский спутник «Транзит-1Б» и спутники-зонды «Эхо-1» , «Эхо-2» и «PAGEOS» . Первым специализированным геодезическим спутником был ANNA-1B , созданный в результате сотрудничества НАСА , Министерства обороны и других гражданских агентств. ^[3]^: 51 ANNA-1B нес первый из США приборов SECOR (последовательное сопоставление дальностей) армии . Эти миссии привели к точному определению ведущих сферических гармонических коэффициентов геопотенциала, общей формы геоида и связали мировые геодезические данные. ^[1]^: 6

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

На пути к мировой геодезической системе (1970–1990 гг.)

Спутниковая система Transit широко использовалась для доплеровской съемки, навигации и позиционирования. Наблюдения за спутниками в 1970-х годах всемирными триангуляционными сетями позволили создать Всемирную геодезическую систему . Развитие GPS в Соединённых Штатах в 1980-х годах позволило обеспечить точную навигацию и позиционирование и вскоре стало стандартным инструментом геодезии. В 1980-х и 1990-х годах спутниковая геодезия стала использоваться для мониторинга геодинамических явлений, таких как движение земной коры , вращение Земли и движение полюсов .

Современная эпоха (1990 – настоящее время)

1990-е годы были сосредоточены на разработке постоянных геодезических сетей и систем отсчета. ^[1]^: 7 В 2000-х годах для измерения гравитационного поля Земли были запущены специальные спутники, такие как CHAMP , GRACE и GOCE . ^[1]^: 2

Методы измерения

Методы спутниковой геодезии можно классифицировать по инструментальной платформе: Спутник может

наблюдаться с помощью наземных приборов ( методы Земля-космос ),
носить с собой прибор или датчик как часть своей полезной нагрузки для наблюдения за Землей ( методы космос-Земля ),
или использовать свои инструменты для отслеживания или отслеживания другого спутника ( методы космос-космос ). ^[1]^: 6

Методы Земля-космос (спутниковое слежение)

Радиотехника

Глобальные навигационные спутниковые системы представляют собой специализированные службы радиопозиционирования, которые могут обнаружить приемник с точностью до нескольких метров. Самая известная система, GPS , состоит из созвездия из 31 спутника (по состоянию на декабрь 2013 года) на высоких 12-часовых круговых орбитах, распределенных в шести плоскостях с наклонением 55° . Принцип расположения основан на трилатерации . Каждый спутник передает точные эфемериды с информацией о своем местоположении и сообщением, содержащим точное время передачи. Приемник сравнивает это время передачи со своими собственными часами в момент 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 . ^[4] Он также используется для мониторинга вращения Земли , движения полюсов и земной коры . динамики ^[4] Наличие сигнала GPS в космосе также делает его пригодным для определения орбиты и отслеживания спутников.

Примеры: GPS , ГЛОНАСС , Галилео.

Допплеровские методы

Доплеровское позиционирование включает регистрацию доплеровского сдвига радиосигнала стабильной частоты, излучаемого спутником, когда спутник приближается и удаляется от наблюдателя. Наблюдаемая частота зависит от лучевой скорости спутника относительно наблюдателя, которая ограничена орбитальной механикой . Если наблюдатель знает орбиту спутника, то запись доплеровского профиля определяет положение наблюдателя. И наоборот, если точно известно положение наблюдателя, то можно определить орбиту спутника и использовать ее для изучения гравитации Земли. В DORIS наземная станция излучает сигнал, а спутник принимает.

Примеры: Транзит , ДОРИС , Аргос.

Оптическая триангуляция

При оптической триангуляции спутник можно использовать в качестве очень высокой цели для триангуляции и для установления геометрического соотношения 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 фотопластине или пленке для определения точных направлений от фотостанции к спутнику. Работа по геодезическому позиционированию с помощью камер обычно выполнялась с помощью одной камеры, осуществляющей наблюдение одновременно с одной или несколькими другими камерами. Системы камер зависят от погоды, и это одна из основных причин, по которой они вышли из употребления к 1980-м годам. ^[3]^: 51

Примеры: PAGEOS , Project Echo , ANNA 1B.

Лазерная локация

В спутниковой лазерной локации (SLR) глобальная сеть наблюдательных станций измеряет время прохождения туда и обратно ультракоротких импульсов света до спутников, оснащенных ретрорефлекторами . Это обеспечивает мгновенные измерения дальности с точностью до миллиметра, которые можно накапливать для получения точных параметров орбиты, параметров гравитационного поля (на основе возмущений орбиты), параметров вращения Земли, приливных деформаций Земли, координат и скоростей станций SLR, а также других важных геодезических данных. Спутниковая лазерная локация — это проверенный геодезический метод, обладающий значительным потенциалом для внесения важного вклада в научные исследования системы Земля/Атмосфера/Океан. Это самый точный из доступных в настоящее время методов определения геоцентрического положения спутника Земли, позволяющий точно калибровать радиолокационные высотомеры и отделять долгосрочный 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 называемых координатах геоцентра. ^[5]

Пример: ЛАГЕОС

Методы космос-Земля

Альтиметрия

Такие спутники, как Seasat (1978 г.) и TOPEX/Poseidon (1992–2006 гг.), использовали усовершенствованные двухдиапазонные радиолокационные высотомеры для измерения высоты поверхности Земли (моря, льда и земной поверхности) с космического корабля . «Джейсон-1» начался в 2001 году, «Джейсон-2» в 2008 году и «Джейсон-3» в январе 2016 года. Это измерение в сочетании с орбитальными элементами (возможно, дополненными GPS) позволяет определить местность . Две разные длины используемых радиоволн позволяют альтиметру автоматически корректировать различные задержки в ионосфере .

Космические радиолокационные высотомеры зарекомендовали себя как превосходные инструменты для картографирования топографии поверхности океана , холмов и долин морской поверхности. Эти инструменты посылают микроволновый импульс на поверхность океана и фиксируют время, необходимое для возвращения. Микроволновой радиометр корректирует любую задержку, которая может быть вызвана водяным паром в атмосфере . Требуются и другие поправки для учета влияния электронов в ионосфере и сухой воздушной массы атмосферы. Сочетание этих данных с точным местоположением космического корабля позволяет определить высоту морской поверхности с точностью до нескольких сантиметров (около одного дюйма). Сила и форма отраженного 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 изменения климата .

Лазерная альтиметрия

Лазерный высотомер использует время полета луча света туда и обратно в оптических или инфракрасных длинах волн для определения высоты космического корабля или, наоборот, топографии земли.

Примеры: ICESat , MOLA .

Радарная альтиметрия

Радарный высотомер использует время полета микроволнового импульса туда и обратно между спутником и поверхностью Земли для определения расстояния между космическим кораблем и поверхностью. С этого расстояния или высоты локальные поверхностные эффекты, такие как приливы, ветры и течения, удаляются, чтобы получить высоту спутника над геоидом. Благодаря точным эфемеридам, доступным для спутника, геоцентрическое положение и эллипсоидальная высота спутника доступны для любого заданного времени наблюдения. Затем можно вычислить высоту геоида, вычитая измеренную высоту из высоты эллипсоида. Это позволяет напрямую измерять геоид, поскольку поверхность океана близко следует за геоидом. ^[3]^: 64 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)

Интерферометрический радар с синтезированной апертурой (InSAR) — это радиолокационный 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 цифровых высот с использованием различий в фазе волн, возвращающихся на спутник. ^[6]^[7]^[8] Этот метод потенциально может измерять изменения деформации в сантиметровом масштабе в течение нескольких дней.годы. Он применяется для геофизического мониторинга природных опасностей, например, землетрясений, вулканов и оползней, а также в строительном проектировании, в частности, для мониторинга просадки и устойчивости конструкций.

Пример: Seasat , TerraSAR-X.

Методы космос-космос

Гравитационная градиентометрия

Градиентометр силы тяжести может самостоятельно определять компоненты вектора силы тяжести в режиме реального времени. Градиент гравитации — это просто пространственная производная вектора гравитации. Градиент можно рассматривать как скорость изменения компонента вектора силы тяжести , измеренную на небольшом расстоянии. Следовательно, градиент можно измерить, определив разницу силы тяжести в двух близких, но различных точках. Этот принцип воплощен в нескольких последних инструментах с подвижной базой. Градиент силы тяжести в точке является тензором , поскольку он является производной каждой компоненты вектора силы тяжести, взятой по каждой чувствительной оси. Таким образом, значение любой компоненты вектора силы тяжести может быть известно на всем протяжении пути транспортного средства, если в систему включены гравитационные градиентометры и их выходные данные интегрируются системным компьютером. Точная гравитационная модель будет рассчитываться в режиме реального времени, и будет доступна непрерывная карта нормальной гравитации, высоты и аномальной гравитации. ^[3]^: 71

Пример: ГОЦЕ

Спутниковое слежение

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

может Высокогорный спутник действовать как ретранслятор от наземных станций слежения к низковысотному спутнику . Таким образом, спутники, находящиеся на малой высоте, можно наблюдать, когда они недоступны наземным станциям. При этом типе слежения сигнал, генерируемый станцией слежения, принимается спутником-ретранслятором и затем ретранслируется на спутник с меньшей высотой. Затем этот сигнал возвращается на наземную станцию по тому же пути.
Два низковысотных спутника могут отслеживать друг друга, наблюдая взаимные изменения орбит, вызванные неравномерностями гравитационного поля. Ярким примером этого является GRACE .
Несколько высотных спутников с точно известными орбитами, таких как спутники GPS , могут использоваться для определения положения низковысотного спутника.

Эти примеры представляют некоторые возможности применения межспутникового слежения. Данные слежения между спутниками сначала собирались и анализировались в конфигурации «высокий-низкий» между ATS-6 и GEOS-3 . Данные были изучены, чтобы оценить их потенциал для уточнения как орбитальной, так и гравитационной модели. ^[3]^: 68

Пример: БЛАГОДАТЬ

ГНСС- слежение

Примеры: CHAMP , GOCE.

Список геодезических спутников

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Сибер, Гюнтер (2003). Спутниковая геодезия . Берлин Нью-Йорк: Вальтер де Грюйтер . дои : 10.1515/9783110200089 . ISBN 978-3-11-017549-3 .
^ Сосница, Кшиштоф (2014). Определение точных орбит спутников и геодезических параметров с помощью спутниковой лазерной локации . Берн: Астрономический институт Бернского университета, Швейцария. п. 5. ISBN 978-8393889808 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Агентство оборонных карт (1983). Геодезия для непрофессионала (PDF) (Отчет). ВВС США.
^ Jump up to: ^а ^б Огая, Клемент (2022). Введение в GNSS-геодезия: основы точного позиционирования с использованием глобальных навигационных спутниковых систем . Чам, Швейцария: Springer International Publishing AG. ISBN 978-3-030-91821-7 .
^ Сосница, Кшиштоф (2014). Определение точных орбит спутников и геодезических параметров с помощью спутниковой лазерной локации . Берн: Астрономический институт Бернского университета, Швейцария. п. 6. ISBN 978-8393889808 .
^ Массонне, Д.; Фейгл, К.Л. (1998), «Радиолокационная интерферометрия и ее применение к изменениям земной поверхности», Rev. Geophys. , том. 36, нет. 4, стр. 441–500, Bibcode : 1998RvGeo..36..441M , doi : 10.1029/97RG03139 , S2CID 24519422.
^ Бургманн, Р.; Розен, Пенсильвания; Филдинг, Э.Дж. (2000), «Радарная интерферометрия с синтезированной апертурой для измерения топографии поверхности Земли и ее деформации», Annual Review of Earth and Planetary Sciences , vol. 28, стр. 169–209, Bibcode : 2000AREPS..28..169B , doi : 10.1146/annurev.earth.28.1.169
^ Ханссен, Рамон Ф. (2001), Радарная интерферометрия: интерпретация данных и анализ ошибок , Kluwer Academic, ISBN 9780792369455
^ «Международная служба лазерной локации» . Ilrs.gsfc.nasa.gov. 17 сентября 2012 г. Проверено 20 августа 2022 г.
^ H2A-ЖРД
^ «Международная служба лазерной локации» . Ilrs.gsfc.nasa.gov. 17 сентября 2012 г. Проверено 20 августа 2022 г.

Атрибуция

В эту статью включен текст из этого источника, который находится в свободном доступе : Агентство оборонных карт (1983). Геодезия для непрофессионала (PDF) (Отчет). ВВС США. Архивировано из оригинала (PDF) 13 мая 2017 г. Проверено 19 февраля 2021 г.

Дальнейшее чтение

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

Внешние ссылки

[Seeber-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Сибер, Гюнтер (2003). Спутниковая геодезия . Берлин Нью-Йорк: Вальтер де Грюйтер . дои : 10.1515/9783110200089 . ISBN 978-3-11-017549-3 .

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

[GfL-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Агентство оборонных карт (1983). Геодезия для непрофессионала (PDF) (Отчет). ВВС США.

[gnssgeodesy-4] Jump up to: ^а ^б Огая, Клемент (2022). Введение в GNSS-геодезия: основы точного позиционирования с использованием глобальных навигационных спутниковых систем . Чам, Швейцария: Springer International Publishing AG. ISBN 978-3-030-91821-7 .

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

[6] Массонне, Д.; Фейгл, К.Л. (1998), «Радиолокационная интерферометрия и ее применение к изменениям земной поверхности», Rev. Geophys. , том. 36, нет. 4, стр. 441–500, Bibcode : 1998RvGeo..36..441M , doi : 10.1029/97RG03139 , S2CID 24519422.

[7] Бургманн, Р.; Розен, Пенсильвания; Филдинг, Э.Дж. (2000), «Радарная интерферометрия с синтезированной апертурой для измерения топографии поверхности Земли и ее деформации», Annual Review of Earth and Planetary Sciences , vol. 28, стр. 169–209, Bibcode : 2000AREPS..28..169B , doi : 10.1146/annurev.earth.28.1.169

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

[9] «Международная служба лазерной локации» . Ilrs.gsfc.nasa.gov. 17 сентября 2012 г. Проверено 20 августа 2022 г.

[10] H2A-ЖРД

[11] «Международная служба лазерной локации» . Ilrs.gsfc.nasa.gov. 17 сентября 2012 г. Проверено 20 августа 2022 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

Базы данных авторитетного контроля
National	Germany Israel United States Czech Republic
Other	NARA