Rola i zadania geodezji satelitarnej Iwona Wytrzyszczak. Astronomia III rok

Transkrypt

1 Rola i zadania geodezji satelitarnej Iwona Wytrzyszczak Astronomia III rok

2 Geodezja Z greckiego ge Ziemia, dainein dzielić Geodezja to jedna z nauk o Ziemi zajmująca się wyznaczaniem jej kształtu i rozmiarów oraz sporządzaniem modelu matematycznego rzeczywistej bryły ziemskiej (również wyznaczaniem kształtu i rozmiarów tej części powierzchni Ziemi, która nie poddaje się modelowaniu, geoida), a także określaniem wzajemnego położenia punktów na wyznaczonej powierzchni. [Nowa Encyklopedia Powszechna PWN, Warszawa 1998]

3 Geodezja przed erą satelitarną Przed erą satelitarną lokalne układy geodezyjne, niepowiązane ze sobą: NAD North American Datum EUR50 European Datum Brak pomiarów oceanicznych (70% powierzchni Ziemi)

4 Różnie dopasowywane elipsoidy

5

6 Przykładowe elipsoidy odniesienia

7 Podstawowe równanie geodezji satelitarnej wielkość obserwowana, mogą to być pomiary różnego typu: pomiary odległości, prędkości, pomiary kierunkowe... położenie stacji, wielkość wyznaczana, Położenie stacji zmienia się w czasie z powodu pływów, ruchów tektonicznych, różnych efektów lokalnych, powinna być odniesiona do globalnego, ujednoliconego układu współrzędnych jednak układ współrzędnych związanych z Ziemią zmienia się w czasie charakteryzuje ruch satelity. Wielkościami wyznaczanymi są: orbita satelity parametry sił oddziaływujących na satelitę

8 Początki geodezji satelitarnej 4 października 1957 wystrzelenie Sputnika

9 Wczesne lata geodezji satelitarnej Obserwacje optyczne, fotograficzne a początkowo nawet wizualne Satelity geodezyjne (balony) ECHO1,2 ( m^2) PAGEOS (1966) jasność wizualna 1 mag Kamery śledzące ruch satelity: BC4, BMK, Baker_Nunn, SBG

10 Światowa sieć triangulacyjnych kamer BC-4

11 Lata Techniki obserwacyjne: optyczne (kierunek) laserowe (odległość) na częstotliwościach radiowych efekt Dopplera (prędkość radialna)

12 Obserwacje optyczne

13 Fotografia - kamery satelitarne - O montażu horyzontalnym: kamera nie śledzi ani gwiazd ani satelity, np. BC-4 szeroko stosowane do obserwacji PAGEOSa - o montażu paralaktycznym: kamera w płaszczyźnie równikowej - śledzenie ruchu dobowego gwiazd (punkt na kliszy, satelita - kreska) np. kamery BMK, Carl Zeiss

14 - o montażu trójosiowym: kamery śledzące ruch satelity, np. kamera Baker-Nunna. dokładność obserwacji 2, SAO Standard Earth - o montażu czteroosiowym: śledzące na zmianę satelitę i gwiazdy, SBG Zeiss, dokładność 1-2

15 Obserwacje laserowe

16 Pierwsze obserwacje laserowe Pierwsze obserwacje GSFC (Goddard Space Flight Center) grudzień 1964 CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) styczeń 1965

17 Zasada pomiaru d = c t / 2

18 Dokładność pomiarów laserowych

19 Współczesne stacje laserowe

20 Nadajnik i odbiornik w Borowcu Początki koniec lat 70-tych dzięki staraniom prof. Hurnika Zarówno nadajnik jak i odbiornik śledzą ruch satelity na tym samym montażu teleskopowym Fotony odbierane przechodzą przez filtr ~1nm minimalizacja światła przypadkowego

21 Satelity dedykowane do obserwacji laserowych serii GEOS (Geodetic Earth Orbiting Satellite), 1965, 1968, 1975 Lageos 1976, Starlette 1975 Obserwacje laserowe są mniej wrażliwe na opóźnienia w przesyłaniu sygnału przy przechodzeniu przez atmosferę, stąd laser używany jest nadal jako technika kalibracyjna dla innych systemów. Zapewnia długotrwałość obserwacji - można obserwować ruch satelity, gdy nie działają już nadajniki na jego pokładzie.

22 Laser księżycowy dwie stacje: McDonald Observatory, Austin, Texas Grasse, Observatoire de la Cote d Azur Odbłyśniki załoga Apollo 11, 14, 15 łazik Lunahod

23 Wyniki pomiarów do Księżyca odległość do Księżyca z dokładnością 1 cm prędkość oddalania się Księżyca od Ziemi 3.82 cm/rok libracje Księżycowe

24 Obserwacje dopplerowskie systemy TRANSIT, PRARE, DORIS

25 Transit - Navsat Pierwszy system nawigacyjny, używany od 1964 do 2000 Satelity umieszczone na niskich orbitach biegunowych (5) 1100 km Pomiary przesunięcia dopplerowskiego: stabilny oscylator pokładowy wysyła sygnał do odbiornika naziemnego - przy zbliżaniu odbiornik naziemny odbiera falę o wyższej częstotliwości niż wysłana - dokładnie nad odbiornikiem o tej samej częstotliwości - gdy się oddala o częstotliwości niższej niż wysłana Błędy przejście sygnału przez atmosferę

26 System DORIS oparty na precyzyjnym pomiarze przesunięcia dopplerowskiego częstotliwości transmitowanej z Ziemi i odbieranej na pokładzie satelity pomiary wykonywane na dwóch częstotliwościach: MHz (precyzyjny pomiar dopplerowski) i MHz (poprawka jonosferyczna i opóźnienie propagacji) pomiary pokładowe dokonywane co 10 sek., uzyskane prędkości radialne ( dokł. 0.4mm/s) używane do precyzyjnego wyznaczenia orbity (z dokł. lepszą niż 5 cm) sieć ponad 50-ciu latarni (beacon) naziemnych

27 Doris odbiornik pokładowy Wielokierunkowa antena podwójnej częstotliwości Ultrastabilny oscylator kwarcowy - wzorzec częstotliwości stabilność 5x10-13 w ciągu sek.

28 PRARE - Precise Range And Range rate Equipement Pomiary: - pozycja opóźnienie czasowe stacja-satelita-stacja - prędkość efekt Dopplera

29 Obserwacje altimetryczne

30 Altimetria Echo od powierzchni oceanu dostarcza informacji o: opóźnieniu czasowym nachyleniu i sile fal pomiary dokonywane 20 razy na sekundę, uśredniane co 1 sek

31 Zasada pomiaru 1. Radar altimetrowy mierzy wysokość H do powierzchni oceanu 2. Wysokość h satelity nad elipsoidą mierzona jest techniką laserową lub Dopplerowską 3. N=h-H jest tzw. undulacją geoidy, która w prosty sposób związana jest ze zmianami przyspieszenia grawitacyjnego: gdzie mgal jest jest średnim przyspieszeniem ziemskim, a jest undulacyjną długością fali (są ich 3 rodzaje: fale długie, średnie i krótkie -> patrz rys.)

32 Altimetria technika umożliwiająca obserwację geoidy Jednym z głównych zadań geodezji jest wyznaczenie geoidy z pomiarów grawitacyjnych. Altimetria satelitarna jest jedyną techniką pozwalającą na dokonanie odwrotnego procesu wyliczenie odchyłek grawitacyjnych z obserwacji geoidy.

33 Topografia dna oceanicznego może być określana altimetrycznie przez analizę wypiętrzeń i obniżeń Batymetria Wypiętrzenia i depresje rozpoznaje się po kierunku lokalnych prądów. Kierunki prądów różnią się na półkuli północnej i południowej

34 Batymetria Do określenia topografii dna oceanicznego wykorzystuje się pomiary pola grawitacji ziemskiej, topografii morza (altimetria) i pomiary tradycyjne (sondowanie dna za pomocą echosond ze statków oceanicznych). Rozdzielczość obrazu dna z pomiarów echosondą wynosi ok.100m lecz tylko 0.1% oceanów zmierzone jest tą techniką Batymetria satelitarna ma zasięg globalny choć rozdzielczość rzeźby dna jest obecnie na poziomie km

35 Satelity altimetryczne Pierwsze pomiary altimetryczne (1) S-193 SkyLab w 1973 r., (2) Geos-3 w 1978 r., (3) Seasat w 1978.r. Seasat pracował jedynie trzy miesiące, ale altimetr dokonał pomiarów wysokości oceanów z dokładnością do 10 cm, co umożliwiło opracowanie map topograficznych dna oceanicznego, cyrkulację prądów, kształt geoidy oceanicznej. Pozostałe przyrządy jak: Radar aperturowy dostarczył pierwszych obrazów radarowych powierzchni oceanów dokonanych z orbity, występowanie granic prądów morskich i wirów, Radar mikrofalowy do badania prędkości wiatrów (skaterometr) - zmierzył prędkości i kierunki wiatrów przy powierzchni oceanów. Powodują one powstawanie fal i prądów, stanowiąc związek między atmosferą a oceanami Radiometr mikrofalowy pomiary temperatury powierzchni oceanów, wiatrów i pokrywy lodowej

36 Satelity altimetryczne

37 Systemy nawigacyjne GPS, GLONASS, GALILEO

38

39

40

41 Satelita GLONASS GLONASS

42 a = km i =56 GALILEO

43 Giove System: 3-axis stabilised Sizes: cube-shaped body of 1.3 x 1.8 x 1.65 m Mass: 600 kg (dry mass) at launch Payload main elements: Signal-generation unit: To create two representative Galileo signals with flexible signal parameters Clocks: Two redundant, compact rubidium atomic clocks with a stability of 10 ns per day Laser reflector: Bigger than GPS but smaller than GLONASS (developed by Russian company)

44 Pierwsze wyniki

45 Wyniki kampanii optycznych pierwsze modele pola grawitacyjnego Ziemi Pierwsze modele pola grawitacyjnego Ziemi (Standard Earth) wyznaczone w latach 60-tych przez Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO), Cambridge, Massachusetts. SAO-SE I , wzięto pod uwagę obserwacji fotograficznych wykonanych kamerami Bakera-Nunna, wyznaczono model pola grawitacyjnego rzędu i stopnia 8, podano geocentryczne współrzędne 12 stacji, określono: GM = km^3/s^2 a = km SAO-SE III 1971, obserwacje optyczne i laserowe, model pola grawitacyjnego do l =18, geocentryczne współrzędne 90 stacji

46 Modele GEM (Goddard Earth Model) Wyznaczone przez NASA GSFC Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland GEM , pole grawitacyjne do l = 12 GEM , obserwacji optycznych, obserwacji laserowych, obserwacji doplerowskich, pole grawitacyjne do l = 20, współrzędne około 150 stacji GM = km^2/s^2 a = km

47 Modele GRIM i inne Wynik współpracy pomiędzy GRGS (Groupe de Recherche en Geodesie Spatiale) Tuluza, Francja a DGFI ( Deutsches Geodatisches ForschungsInstitut) Monachium, Niemcy Inne modele GRIM1 1976, pole grawitacyjne do l = 10 JGM (Joint Gravity Model) wspólnie przez NASA i University of Texas EGM (Earth Gravity Model) współpraca GSFC, NASA, NIMA ( National Imaginery and Mapping Agency) i OSU (Ohio State University)

48 Wczesne rezultaty Wyznaczenie z 10-krotnie lepszą dokładnością współczynnika J2 zmiany wiekowe i rzędu kilku stopni/dzień Pierwsze oszacowanie harmoniki J3 Wyznaczenie pozycji stacji, pierwsze wspólne obserwacje z dwóch kontynentów Dokładność wyznaczenia orbity Pageosa metrów

49 Współczesne modele Model Year Degree Data S tylko z satelitarnych danych orbitalnych C łącznie z innymi obserwacjami (A altimetria, G grawimetria) GO_CONS_GCF_2_TIM_R S(Goce) GO_CONS_GCF_2_DIR_R S(Goce,Grace,Lageos) JYY_GOCE04S S(Goce) GOGRA04S S(Goce,Grace) EIGEN-6S S(Goce,Grace,Lageos) GGM05S S(Grace) EIGEN-6C3stat S(Goce,Grace,Lageos),G,A Tongji-GRACE S(Grace) JYY_GOCE02S S(Goce) GOGRA02S S(Goce,Grace) ULux_CHAMP2013s S(Champ) ITG-Goce S(Goce) GO_CONS_GCF_2_TIM_R S(Goce) GO_CONS_GCF_2_DIR_R S(Goce,Grace,Lageos) EIGEN-6C S(Goce,Grace,Lageos),G,A DGM-1S S(Goce,Grace) GOCO03S S(Goce,Grace,...) AIUB-CHAMP03S S(Champ) EIGEN-CHAMP05S S(Champ) ITG-Grace2010s S(Grace) AIUB-GRACE02S S(Grace) GGM03C S(Grace),G,A GGM03S S(Grace) AIUB-GRACE01S S(Grace) EIGEN-5S S(Grace,Lageos) EIGEN-5C S(Grace,Lageos),G,A EGM S(Grace),G,A

50 Ewolucja modeli pola grawitacyjnego Kolejność modeli: GRIM 5 S1 najlepszy przed wystrzeleniem satelitów CHAMP i GRACE CHAMP03S pole grawitacyjne z danych CHAMP GRACE03S pole grawitacyjne z danych GRACE CG03C pole grawitacyjne z danych GRACE i danych naziemnych

51 Wyznaczanie stałej grawitacyjnej Explorer 27 satelita przeznaczony do badań atmosfery Ranger sondy księżycowe Mariner sonda marsjańska ATS satelita geostacjonarny GEOS, LAGEOS satelity dedykowane do cełów geodezyjnych

52 Powiązania między układami współrzędnych

53 Główne współczesne techniki GPS, SLR, LLR, VLBI, DORIS prowadzące do ujednolicania systemów odniesienia Stacje naziemne i satelity nawigacyjne są niezbędne do monitorowania układów współrzędnych, poza tym śledzą wybuchy wulkanów, trzęsienia ziemi, rejony aktywne tektonicznie. Satelity LEO monitorują poziom morza, ruchy gór lodowych, poziom wody w zbiornikach lądowych, poziom pary wodnej w atmosferze ruchy płyt tektonicznych, zmiany pola grawitacyjnego Ziemi Obserwacje VLBI pomagają powiązać układ współrzędnych niebieskich z ziemskim

54 Czas

55 Ewolucja zegarów od mechanicznych po atomowe X lata Y lata, po których zegar spóźnia się (spieszy) o jedną sekundę

56 Monitorowanie ruchów Ziemi

57 Globalne ruchy skorupy ziemskiej

58 Ruch rotacyjny Ziemi

59 Ruch bieguna Z danych astrometrycznych rok 1970 Z danych uzyskanych technikami geodezji satelitarnej rok 1990

60 Wyznaczanie geoidy

61 Definicja geoidy Powierzchnia ekwipotencjalna pola grawitacyjnego Ziemi, uzyskana w drodze najlepszego dopasowania (w sensie metody najmniejszych kwadratów) globalnego, średniego poziomu mórz.

62 Geoida z misji CHAMP

63 Oceanologia - wyniki

64 Średni poziom oceanów Topex/Poseidon oraz Jason1,2 pozwoliły na wyznaczenie średniego poziomu oceanów od 1993 roku. Przyrost oszacowano na nieco ponad 3 mm/rok (nachylenie prostej)

65 Średni poziom oceanów Mapa regionalnych różnic wzrostu poziomu oceanów. Różnice zawierają się w przedziale od 10 do +10 mm/rok i dotyczą rejonów występowania prądów oceanicznych.

66 Krótkookresowe zmiany pokazują cyrkulację prądów oceanicznych

67

68 Topografia powierzchni oceanów, prądy Na wysokość powierzchni oceanu wpływają czynniki grawitacyjne oraz ciągle zmieniająca się cyrkulacja oceanów (prądy)

69 Wyniki Seasata batymetria (głębokość oceanów)

70 Globalna topografia dna oceanów (dane altimetryczne z ERS)

71 Ocean Indyjski rozdzielanie się płyt tektonicznych (Seasat kontra Geosat z ERS-em) Rozdzielczość km

72 Badania atmosfery

73 Zawartość pary wodnej

74 Zadania geodezji satelitarnej Wyznaczanie pola grawitacyjnego Ziemi Oceanologia Nawigacja Badania atmosfery Układy współrzędnych Czas

75 Literatura Gunter Seeber Satellite Geodesy, Walter de Gruyter, Berlin- New York, McCarthy, D. and G. Petit, IERS Conventions (2003) Petit, G. and B. Luzum, IERS Conventions (2010) George H. Kaplan, 2005, The IAU Resolutions on Astronomical Reference Systems, Time Scales, and Earth Rotation Model, Explanation and Implementation, UNITED STATES NAVAL OBSERVATORY CIRCULAR NO