Współczesne satelitarne systemy obserwacyjne w badaniu i zrozumieniu Ziemi

Transkrypt

1 Współczesne satelitarne systemy obserwacyjne w badaniu i zrozumieniu Ziemi Janusz Bogusz Wydział Inżynierii Lądowej i Geodezji Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego janusz.bogusz@wat.edu.pl 1/75

2 4 października 1957 r. o godz. 18:28 GMT z kosmodromu Bajkonur rakieta R-7 typu Wostok wyniosła na orbitę Sputnik 1 pierwszego sztucznego satelitę Ziemi. średnica: 58 cm, masa: 83 kg, wyposażenie: dwa nadajniki radiowe. Poruszał się 21 dni po orbicie odległej o ok. 250 km od powierzchni Ziemi. 2/75

3 31 stycznia 1958 r. rakieta JUPITER C wynosi na orbitę pierwszego amerykańskiego satelitę EXPLORER r.: TIROS 1 pierwszy satelita meteorologiczny pierwsze w historii zdjęcie Ziemi widzianej z kosmosu (USA); TRANSIT 1B pierwszy satelita nawigacyjny (USA); ECHO 1 pierwszy satelita telekomunikacyjny (USA); 3/75

4 Perspektywa spojrzenia na Ziemię z oddali daje nieograniczone możliwości 4/75

5 Pierwsza prędkość kosmiczna: Ziemia Księżyc Słońce km v I = s km v I =1. 68 s km v I = s 5/75

6 6/75

7 Prędkości : niskie (450 km) średnie (GPS km) geostacjonarne ( km) wysokie ( km) km v = s km v = s v = v = km s km s 7/75

8 Podział orbit : 8/75

9 Podział orbit : orbita geostacjonarna; 9/75

10 Podział orbit : orbita geostacjonarna; orbita biegunowa; 10/75

11 Podział orbit : orbita geostacjonarna; orbita biegunowa; orbita nachylona. 11/75

12 Podział ze względu na odległość od powierzchni Ziemi: niskie (LEO Low Earth Orbit); średnie (MEO Medium Earth Orbit); geostacjonarne (GEO geostationary); wysokie (HEO High Earth Orbit). 12/75

13 Podział ze względu na odległość od powierzchni Ziemi: 13/75

14 Podział ze względu na własności: geosynchroniczne; 14/75

15 Podział ze względu na własności: geosynchroniczne; heliosynchroniczne; 15/75

16 Podział ze względu na własności: geosynchroniczne; heliosynchroniczne; utrzymujące satelitę w wybranym punkcie przestrzeni (punkty Lagrange a). 16/75

17 Podział ze względu na masę: femtosatelity(<0.1 kg); pikosatelity(0.1-1 kg); nanosatelity (1-10 kg); PW-SAT (2012), Lem (2013), Heweliusz(2014) mikrosatelity( kg); minisatelity( kg); średnie satelity ( kg); duże satelity (>1000 kg). 17/75

18 Podział ze względu na zastosowania: telekomunikacyjne (1962 r.): otrzymują sygnał ze stacji naziemnej i wysyłają z powrotem na Ziemię (bierny) lub wzmacniają i wysyłają (czynny). 3 dobrze umieszczone satelity mogą objąć obszar całej kuli ziemskiej. Prawie wszystkie satelity telekomunikacyjne krążą po orbicie geostacjonarnej. 18/75

19 Podział ze względu na zastosowania: meteorologiczne (1960 r.): uzyskane informacje dotyczą rozkładu temperatur i wilgotności w przekroju pionowym i poziomym, a także rozkładu zachmurzenia, pomagając dokładniej sporządzić prognozę pogody. Satelity meteorologiczne krążą po orbitach biegunowych i geostacjonarnej. 19/75

20 Podział ze względu na zastosowania: nawigacyjne (1959 r.): satelita nawigacyjny emituje sygnały radiowe, których odbiór oraz przetwarzanie pozwalają na pomiar pozycji, kursu, prędkości ruchu odbiornika, czasu oraz określanie innych danych nawigacyjnych. Satelity nawigacyjne krążą po orbitach nachylonych o inklinacji ok /75

21 Podział ze względu na zastosowania: obserwacyjne (1960 r.): satelity wykonujące zdjęcia powierzchni Ziemi w pasmach: optycznym, radarowym lub podczerwonym i wywiadowcze: służą głównie do obserwowania obiektów znajdujących się Ziemi i przechwytywania sygnałów z Ziemi w celach wojskowych i wywiadowczych. Satelity krążą po orbitach okołobiegunowych. 21/75

22 Podział ze względu na zastosowania: badawcze: o astronomiczne, o biologiczne, o geofizyczne, o geodezyjne, o 22/75

23 Sektor kosmiczny to jedna z najnowocześniejszych i najbardziej zaawansowanych technologicznie gałęzi przemysłu. Sektor kosmiczny można podzielić na cztery segmenty: związany z produkcją rakiet nośnych, opierający się na dostarczaniu infrastruktury kosmicznej do celów naukowych, infrastrukturę naziemną związaną z monitoringiem satelitów, produkcję i obsługę systemów satelitarnych plus cały wachlarz potencjalnych zastosowań produktów misji satelitarnych. 23/75

24 Index of Objects Launched into Outer Space (United Nations Office for Outer Space Affairs (UNOOSA), marzec 2017 r.): orbitujących satelitów. 24/75

25 Techniki obserwacji Ziemi umożliwiają uzyskiwanie zwięzłych i powtarzających się informacji na temat każdego z obszarów geograficznych oraz wszystkich obiektów sztucznych i naturalnych, jakie się tam znajdują. The Earth observation handbook (marzec 2017 r.): 137 currently being flow ; 86 approved (do 2026); 73 planned (do 2024); 27 considered (do 2030). 25/75

26 Mnogość sztucznych satelitów Ziemi wymusiła integrowanie (połączenie danych części w całość) pojedynczych obiektów w systemy obserwacyjne, czyli układ elementów powiązanych ze sobą w określony sposób i tworzących pewną całość. 26/75

27 27/75

28 GEOSS (Global Earth Observation System of Systems) Globalny System Systemów Obserwacji Ziemi powstał na III Szczycie Obserwacji Ziemi w Brukseli 16 lutego 2005 roku, kiedy to 61 państw przyjęło 10-letni plan wdrożenia w życie. Projekt ten, wspierany przez niemal 40 organizacji międzynarodowych, ma skoordynować i zharmonizować pracę ok. 100 tys. urządzeń pomiarowych rozmieszczonych na lądzie, bojach, statkach, dnach oceanów, a także satelitów obserwujących Ziemię z kosmosu. 28/75

29 Idea GEOSS nie polega na stworzeniu jednego, monolitycznego, centralnie sterowanego systemu, lecz na poprawieniu dostępu do danych przez koordynowanie już prowadzonych działań (np. poprzez ograniczenie powielania takich samych obserwacji, wskazywanie nieciągłości lub braku obserwacji oraz przez inicjowanie nowych obserwacji). 29/75

30 Umożliwia on: zapobieganie skutkom kataklizmów; usprawnienie monitorowania zmian klimatu, a także dokładniejsze prognozowanie pogody; przewidywanie wpływu środowiska na zdrowie człowieka; walkę z chorobami zakaźnymi poprzez stworzenie mapy siedlisk bakterii i ostrzeganie społeczności zagrożonych epidemią; ochronę i zarządzanie zasobami wody oraz energii; monitoring i ochronę ekosystemów; wspomaganie rolnictwa i zapobieganie pustynnieniu 30/75

31 Umożliwia on: badanie systemu przyrodniczego Ziemi (i jego dynamiki), który tworzą elementy zwane geosferami: magnetosfera (powłoka pola magnetycznego), litosfera, astenosfera, mezosfera i batysfera (wnętrze Ziemi), atmosfera (powłoka gazowa), hydrosfera (powłoka wodna), kriosfera (powłoka lodowa), pedosfera (powłoka glebowa), biosfera (sfera życia), antroposfera (sfera życia i działalności człowieka). 31/75

32 Magnetosfera: Pole magnetyczne występujące naturalnie wewnątrz i wokół Ziemi wywołane ruchami ciała ciekłego, przewodzącego materiału jądra ziemskiego w polu elektromagnetycznym przestrzeni okołoziemskiej (ziemskie dynamo). 32/75

33 Magnetosfera: Pole magnetyczne występujące naturalnie wewnątrz i wokół Ziemi wywołane ruchami ciała ciekłego, przewodzącego materiału jądra ziemskiego w polu elektromagnetycznym przestrzeni okołoziemskiej (ziemskie dynamo). 33/75

34 Magnetosfera: misja SWARM (2013 r.), badanie: dynamiki jądra ziemskiego, ziemskiego dynama oraz interakcji na granicy jądro-płaszcz; namagnesowania litosfery i jego geologicznej interpretacji; przewodnictwa elektrycznego 3D płaszcza ziemskiego; prądów magnetycznych w magnetosferze i jonosferze. 34/75

35 Magnetosfera: 35/75

36 Litosfera: 36/75

37 Litosfera: zewnętrzna sztywna powłoka Ziemi obejmująca skorupę ziemską i warstwę perydotytową zaliczaną do górnej części płaszcza ziemskiego. 37/75

38 Litosfera: 38/75

39 Litosfera: 39/75

40 Nawigacyjne systemy satelitarne: 1842 Christian Doppler odkrywa zjawisko zmiany częstotliwości rejestrowanej fali dźwiękowej w zależności od tego, czy źródło oddala się czy przybliża (efekt Dopplera) Robert Watson-Watt przeprowadza pierwsze próby z radarem na falach krótkich pierwsza stacja radarowa Orford Ness (Anglia) w MIT (Massachusetts Institute of Technology, USA) rozpoczynają się prace nad systemem nawigacji dalekiego zasięgu LORAN (Long Range Navigation). 40/75

41 Nawigacyjne systemy satelitarne: 41/75

42 Nawigacyjne systemy satelitarne: Są to systemy stadiometryczne, czyli pozycja jest wyznaczana w punkcie przecięcia czterech sfer o promieniach obliczonych na podstawie czasu propagacji sygnału i środkach znanych z depesz nawigacyjnych wysyłanych przez satelity. 42/75

43 Nawigacyjne systemy satelitarne: GPS 31 satelitów operacyjnych, osiągnięta konstelacja docelowa, orbita km; GLONASS 24 satelity operacyjne, orbita km; Galileo 11 satelitów operacyjnych, docelowo 27 operacyjnych + 3 zapasowe, orbita km; BDS (Beidou Navigation Satellite System) 15 satelitów operacyjnych, docelowo (do 2020 r.) ma ich być 35, orbita km ( km geostacjonarne); QZZS (Quasi-Zenith Satellite System) regionalny system japoński składający się z trzech (docelowo z czterech) satelitów; IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System) docelowa konstelacja to 24 satelity na wysokości ok km + 3 satelity geostacjonarne i 4 geosynchroniczne. 43/75

44 Nawigacyjne systemy satelitarne: Warunki konieczne do obliczenia pozycji w odbiorniku: odebranie sygnałów z odpowiedniej liczby satelitów; identyfikacja każdego satelity; określenie położenia satelitów w chwili nadania sygnału; pomiar czasu przebiegu sygnałów od satelity do odbiornika; obliczenie odległości odbiornika do każdego satelity (pseudoodległość); rozwiązanie równań pozycji (trilateracja lub przestrzenne wcięcie wstecz). 44/75

45 Nawigacyjne systemy satelitarne: Techniki pomiarowe: dokładności nawigacyjne, np. SPP (Single Point Positioning) kilkanaście do kilkudziesięciu metrów; dokładności geodezyjne, np. DD (Double Difference) kilkanaście do kilkudziesięciu milimetrów. 45/75

46 Litosfera: Alfred Wegener Entstehung der Kontinente und Ozeane ( Pochodzenie kontynentów i oceanów ): (1915, 1920, 1922, 1929). W 1928 r. American Association of Petroleum Geologists uznaje ją jako oficjalną teorię geodynamiczną. 46/75

47 Litosfera: ITRF2014, styczeń 2016 r. 47/75

48 Litosfera: ITRF2014, styczeń 2016 r. 48/75

49 Litosfera: Trzęsienia ziemi drgania skorupy ziemskiej wywołane rozchodzeniem się w niej fal sprężystych (sejsmicznych). Wśród nich około 90% to trzęsienia pochodzenia tektonicznego, których przyczyną jest gwałtowne przemieszczanie się mas skalnych w skorupie i płaszczu ziemskim. 49/75

50 Litosfera: Maksymalne odnotowane na Ziemi trzęsienia (skala magnitudowa) wg. NEIC (National Earthquake Information Centre): 50/75

51 Litosfera: Maksymalne odnotowane na Ziemi trzęsienia (skala magnitudowa) wg. ISC (International Seismological Centre) (ML>8, , 171 trzęsień): 51/75

52 Litosfera: Trzęsienie Ziemi Tohoku-Oki w Japonii ( ): 52/75

53 Litosfera: 53/75

54 Litosfera: 54/75

55 Litosfera: Tsunami Warning System (TWS) system detekcji fal tsunami. Oparty jest na bojach typu DART (Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis), systemie pozycjonowania GPS oraz satelitarnym systemie łączności Iridium. 55/75

56 Litosfera: Misja GOCE (granica MOHO, marzec 2012): 56/75

57 Atmosfera: Badania meteorologiczne i klimatologiczne: dane o aktualnym stanie pogody panującej na kuli ziemskiej (uzyskiwane również w nocy dzięki obserwacjom w podczerwieni), pomiary pionowych i poziomych profili temperatury i wilgotności atmosfery, obrazowanie stref opadowych i burzowych, przewidywanie tworzenia się cyklonów w obszarach tropikalnych oraz śledzenie ich ewolucji i ruchu, określanie kierunków i prędkości wiatrów, badanie zmian składu chemicznego atmosfery, pomiary składowych bilansu radiacyjnego. 57/75

58 Atmosfera: 58/75

59 Atmosfera: Huragan Matthew październik 2016, huragan atlantycki kategorii 5. w skali Saffira-Simpsona. 59/75

60 Atmosfera: Badanie zawartości swobodnych elektronów w jonosferze i pary wodnej w troposferze. 60/75

61 Atmosfera: Opóźnienie jonosferyczne (system GPS). 61/75

62 Hydrosfera: Poziom mórz i oceanów, misja TOPEX/ Poseidon. 62/75

63 Hydrosfera: Woda zawarta w kontynentach, misja GRACE. 63/75

64 Kriosfera: Najnowszy (marzec 2017 r.) trójwymiarowy model pokrywy lodowej wokół bieguna południowego efekt misji Cryosat-2 (250 mln pomiarów wykonanych w latach ). 64/75

65 Pole grawitacyjne Ziemi: 65/75

66 Europejska Agencja Kosmiczna (European Space Agency, ) Międzynarodowa organizacja krajów europejskich, której celem jest eksploracja i wykorzystanie przestrzeni kosmicznej. Siedziba organizacji znajduje się w Paryżu. Agencja powstała w 1975 r. z połączenia jej poprzedniczek Europejskiej Organizacji Badań Kosmicznych (ESRO) i Europejskiej Organizacji Rozwoju Rakiet Nośnych (ELDO). Polska przystąpiła do 13 września 2012 roku. 66/75

67 Galileo Europejski system nawigacyjny, pierwszy satelita wystrzelony r., r. po raz pierwszy udało się wyznaczyć pozycję, pełną operacyjność osiągnął r. Docelowo zapewniać będzie 5 typów serwisów: 1. OS (Open Service); 2. SoL (Safety of Life Service); 3. CS (Commercial Service); 4. PRS (Public Regulated Service); 5. SRS (Search and Rescue Service). 67/75

68 Galileo 1. OS (Open Service) serwis otwarty: darmowy serwis przeznaczony do wyznaczania współrzędnych horyzontalnych z dokładnością do 4 m w poziomie i do 8 m w pionie. Będzie to również zależne od rodzaju odbiornika (jednoczęstotliwościowe, dwuczęstotliwościowe i trzyczęstotliwościowe). 68/75

69 Galileo 2. SoL (Safety of Life Service) serwis bezpieczeństwa życia: jego zadaniem będzie rozszerzenie serwisu otwartego o ostrzeżenia o utracie integralności danych. Użytkownik w czasie kilku sekund zostanie powiadomiony o spadku dokładności wyznaczanej pozycji, co ma szczególne znaczenie np. w lotnictwie, transporcie morskim itd. 69/75

70 Galileo 3. CS (Commercial Service) serwis komercyjny: Serwis płatny, który będzie oferował większą dokładność niż serwis otwarty (do 0.8 m w poziomie i do 1 m w pionie) oraz umożliwi przesyłanie wiadomości od stacji naziemnych do użytkowników. 70/75

71 Galileo 4. PRS (Public Regulated Service) serwis regulowany publicznie: będzie przeznaczony dla wybranych użytkowników wymagających bardzo wysokiej dokładności i wiarygodności danych. Poza danymi niezbędnymi do określenia pozycji i czasu będzie dostarczał wiadomości związane z bezpieczeństwem narodowym, dotyczące transportu, telekomunikacji i energetyki itd. 71/75

72 Galileo 5. SRS (Search and Rescue Service) serwis poszukiwania i ratowania: umożliwi odebranie sygnału wzywania pomocy wraz z pozycją pławy ratunkowej i przekazanie go do służb ratowniczych. Będzie zintegrowany z funkcjonującym już systemem ratownictwa morskiego i lotniczego Cospas-Sarsat. 72/75

73 Copernicus: Najważniejszy program badania Ziemi z kosmosu. Sentinel-2b (wystrzelony r.) zobrazowania Ziemi w 13 zakresach światła; Sentinel-3 obserwacje poziomu oceanu i temperatury powierzchni Ziemi; Sentinel-4 i 5 badanie atmosfery; Sentinel-6 radarowe badanie poziomu oceanu. 73/75

74 W latach Unia Europejska przeznaczyła na budowę systemu nawigacji satelitarnej Galileo i obserwacji Ziemi Copernicus 4.9 mld euro. Natomiast do 2020 r. nakłady na działalność kosmiczną wzrosną do 15.5 mld euro. Roczne obroty sektora kosmicznego na świecie to ok. 300 mld dolarów przy stopie zwrotu aż 1:80 (szacowany ogólny wpływ ekonomiczny systemu Galileo szacuje się na 90 mld euro w ciągu najbliższych 20 lat). Przemysł kosmiczny jest w tej chwili najbardziej innowacyjnym sektorem gospodarki światowej z uwagi na swoją interi multidyscyplinarność. 74/75

75 PODSUMOWA NIE Potencjalne możliwości zastosowania już dawno wykroczyły poza naukę. W dniu dzisiejszym mogą to być między innymi: informacje o istotnych wydarzeniach w czasie rzeczywistym, np. korkach czy wypadkach; aplikacje, które pomogą w przeprowadzaniu operacji ratunkowych; programy wspomagające: poruszanie się osób niepełnosprawnych, informujące o pogodzie oraz rozkładach jazdy komunikacji publicznej, podpowiadające, gdzie znajdują się wolne miejsca parkingowe, społecznościowe oraz informujące o pobliskich restauracjach, teatrach czy hotelach... 75/75

76 na obszarze 3.7 hektara w polu kukurydzy niemiecki rolnik wykorzystując system GPS wykosił ogromną świnkę. PODSUMOWA NIE DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ. 76/75