Nie tylko GPS Wydział Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Zielonogórskiego WFiA UZ 1 / 34
Satelity Satelitą nazywamy ciało niebieskie krążące wokół planety (np. Ziemi) o masie o wiele mniejszej od masy planety. jeśli rzucimy kamień pionowo w górę to uniesie się na pewną wysokość, a następnie spadnie (rzut pionowy) jeśli rzucimy kamień poziomo, to będzie poruszał się po paraboli i spadnie w pewnej odległości (rzut poziomy) jeśli rzucimy kamień poziomo z prędkością większą niż I prędkość kosmiczna 7.9 km/s= 28 500 km/h, to kamień dokona pełnego obiegu wokół Ziemi i wróci do rzucającego, utrzymując się na tej samej wysokości nad jej powierzchnią. Stanie się się satelitą Ziemi! Animacja. Ruch satelity wokół Ziemi z możliwością modyfikacji wektora prędkości początkowej WFiA UZ 2 / 34
Satelity Satelity dzielą się na: naturalne nazywane księżycami sztuczne (np. satelity telekomunikacyjne, meteorologiczne) satelity krążą po orbitach eliptycznych (w tym kołowych) wokół planet im większa orbita, tym dłuższy okres obiegu dla orbity kołowej prędkość liniowa na orbicie jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka promienia orbity WFiA UZ 3 / 34
Klasyfikacja orbit sztucznych satelitów ze względu na kształt: kołowe o środku w środku Ziemi eliptyczne z ogniskiem w środku Ziemi ze względu na ustawienie płaszczyzny orbity: w płaszczyźnie równika ziemskiego biegunowe zawierające oba bieguny inne orbity nazywane nachylonymi ze względu na wysokość: biegunowa środek Ziemi równik nachylona równikowa WFiA UZ 4 / 34
niskie orbity okołoziemskie (ang. low Earth orbit LEO), między powierzchnią Ziemi a pasami Van Allena, czyli na wysokości od 200 do 2000 kilometrów nad Ziemią, prędkość około 27 400 km/h (8 km/s), pełen obrót w ciągu około 90 minut, np. międzynarodowa stacja kosmiczna (ISS) 400 km. Znajdują się na nich satelity obserwacyjne, szpiegowskie, średnie orbity okołoziemskie (ang.: Medium Earth Orbit MEO), na wysokości 2000 km 35786 km. Znajdują się na nich satelity nawigacyjne, np. GPS (20200 km) i GLONASS (19100 km), orbita geostacjonarna, zapewnia krążącemu po niej satelicie zachowanie stałej pozycji nad wybranym punktem równika Ziemi, wysokości 35 786 km nad równikiem (42 160 km od środka Ziemi), okres obiegu: 23 godziny 56 minut i 4 sekundy. Znajdują się na niej satelity geostacjonarne, zwłaszcza telekomunikacyjne, meteorologiczne i telefonii satelitarnej oraz wspomagające GPS Animacje ruchu satelity geostacjonarnego WFiA UZ 5 / 34 Nie tylko GPS Orbity sztucznych satelitów
Parametry wybranych sztucznych satelitów Ziemi wielkości fizyczne na (pół)osiach: dodatnia oś x wysokość nad poziomem morza ujemna oś x promień orbity dodatnia oś y okres obiegu ujemna oś y prędkość orbitalna WFiA UZ 6 / 34
Podróże jak znaleźć drogę. Astronawigacja Astronawigacja ustalanie pozycji (długości i szerokości geograficznej) statku lub samolotu na podstawie pomiarów położenia niektórych ciał niebieskich. Wykorzystywano Słońce, Księżyc lub jakąś z 57 tzw. gwiazd nawigacyjnych pozycję wyznaczano na podstawie pomiaru wysokości ciał niebieskich nad horyzontem Stosowano: kwadrant, oktant, sekstant WFiA UZ 7 / 34
Podróże jak znaleźć drogę? Sekstant WFiA UZ 8 / 34
Nie tylko GPS Dzisiejsze gwiazdy nawigacyjne: Globalny System pozycyjny (GPS) Navigation Satelite Time and Ranging Global Positioning System = NAVSTAR-GPS jadro systemu: flota 24 satelitów zakodowany sygnał z satelity, który jest przetwarzany w odbiorniku GPS w celu wyznaczenia pozycji, prędkości i czasu pierwszy satelita wystrzelony w 1978, pełna flota w grudniu 1993, aktualnie 32 w użyciu, dodatkowe satelity poprawiają dokładność WFiA UZ 9 / 34
GPS moduły moduł kosmiczny moduł kontrolny moduł użytkownika WFiA UZ 10 / 34
Moduł kosmiczny jądro systemu: 24 satelity na 6 orbitach kołowych (po 4 na jednej) poruszające się na wysokości 20 162 km. Okres obiegu: 11 h 57 min 27 s czyli ok. połowa okresu obrotu Ziemi. Płaszczyzny orbit nachylone pod kątem 55 do płaszczyzny równika. Z każdego miejsca na Ziemi widać przynajmniej 4 satelity każdy satelita ma zegar atomowy. Emituje w sposób ciągły sygnał radiowy na częstościach ν 1 = 1575.42 MHz (λ 1 = 19.05 cm) i ν 2 = 1227.60 MHz (λ 1 = 24.45 cm) zawierający informację o czasie i pozycji satelity. pozycja każdego satelity na orbicie jest systematycznie monitorowana i aktualizowana przez stacje naziemne WFiA UZ 11 / 34
Moduł kosmiczny sygnał każdy satelita ma unikalny sygnał zawierający informację o czasie emisji i pozwalający na identyfikację satelity (dzięki unikalnej modulacji sygnału) nadaje w sposób ciągły i sygnał zawiera informację o czasie wysłania sygnał porusza się z prędkością światła odbiornik rejestruje sygnał przesunięty w stosunku do sygnału nadawanego co pozwala wyznaczyć odległość odbiornika od satelity. sygnał wysłany przesunięcie sygnału sygnał odebrany WFiA UZ 12 / 34
Moduł użytkownika tworzą go wszelkiego rodzaju odbiorniki GPS: cywilne i wojskowe ważnym parametrem jest ilość kanałów odbiornika: każdy kanał umożliwia śledzenie jednego satelity użytkownik przy pomocy odbiornika rejestruje sygnał sygnał z segmentu kosmicznego, który pozwala wyznaczać pozycję odbiornika aby wyznaczyć pozycję w dwóch wymiarach (długość i szerokość geograficzna) potrzebny sygnał z 3 satelitów Aby wyznaczyć pozycję w trzech wymiarach (długość, szerokość geograficzna i wysokość) potrzebny sygnał z 4 satelitów. WFiA UZ 13 / 34
Zadania realizowane przez odbiornik GPS identyfikacja poszczególnych satelitów odbiór sygnału satelitarnego obliczanie czasu dotarcia sygnału z satelity do odbiornika obliczanie odległości WFiA UZ 14 / 34
Jak znaleźć pozycję? Trilateracja 1 każdy satelita zna swoją pozycję i odległość względem środka Ziemi i w sposób ciągły wysyła tę informację w oparciu o te informacje odbiornik mierzy swoją odległość względem satelity a następnie swoją pozycję znajomość odległości od jednego odbiornika nie jest wystarczająca. Pozwala tylko na lokalizację na powierzchni Ziemi w ustalonej odległości od satelity czyli gdzieś na okręgu o środku zlokalizowanym dokładnie pod satelitą. z y x Ziemia odległość obliczana z y x Ziemia znana odległość odległość obliczana znana odległość WFiA UZ 15 / 34
Jak znaleźć pozycję? Trilateracja 2 znajomość pozycji dwóch satelitów i odległości od nich pozwala zawęzić lokalizację odbiornika do dwóch punktów. punkty te powstają z przecięcia dwóch okręgów na powierzchni równooddalonych od jednego i drugiego satelity z x Ziemia a odległość obliczana y znana odległość z b y x Ziemia WFiA UZ 16 / 34
Jak znaleźć pozycję? Trilateracja 3 znajomość odległości od trzech satelitów pozwala całkowicie wyznaczyć lokalizację bo przecięcia wyznaczają dwa punkty ale tylko jeden z nich leży na powierzchni Ziemi na rysunku jest to punkt b większa ilość satelitów pozwala zwiększyć precyzję wyznaczania pozycji. Film 1 o działaniu GPS i Film 2 przedstawiający ideę trilateracji (wyzaczanie pozycji na podstawie pomiarów odległości od trzech punktów) x z Ziemia odległość obliczana y z x Ziemia WFiA UZ 17 / 34 b a znana odległość y
Jak znaleźć pozycję w przestrzeni? nawigacja GPS Konieczna jest bardzo precyzyjna znajomość położenia czterech satelitów i czasów wysłania przez nie sygnałów elektromagnetycznych. Satelity GPS mają bardzo precyzyjne zegary atomowe. WFiA UZ 18 / 34
Moduł kontroli system naziemnych stacji monitorujących (sterujących i kontrolujących) funkcjonowanie satelitów Główne naziemne centrum GPS znajduje się w bazie sił powietrznych w w Colorado Springs (USA) (tzw. Master Control Station) + 4 bezobsługowe w paśmie równikowym: na Hawajach, Wyspie Wniebowstąpienia na Atlantyku, Kwajalein na Pacyfiku, Diego Garcia na Oceanie Indyjskim Od 2005 roku 6 dodatkowych stacji w: Ekwadorze, Waszyngtonie,Londynie, Argentynie, Bahrajnie i Australii. WFiA UZ 19 / 34
Zadania modułu kontroli wysyłanie i odbieranie sygnałów ze wszystkich satelitów. monitoring funkcjonowania i położenia satelitów, synchronizacja pokładowych i naziemnnych zegarów atomowych, sterowanie funkcjonowaniem GPS. sygnał do satelity GPS sygnał z satelity GPS sygnał z satelity GPS stacja kontrolna odbiornik moduł kontroli WFiA UZ 20 / 34
Satelity telekomunikacyjne służą do przekazywania sygnałów na częstościach radiowych i mikrofalowych na duże odległości satelita telekomunikacyjny otrzymuje sygnał ze stacji naziemnej i wysyła z powrotem na Ziemię. wyróżnia się dwa typy: satelity bierne i czynne. Satelita bierny przekazuje sygnał radiowy w wyniku jego odbicia od powierzchni satelity, Satelita czynny odbiera sygnał, wzmacnia go i odsyła w kierunku Ziemi WFiA UZ 21 / 34
Satelity telekomunikacyjne większość wykorzystuje orbity geostacjonarne, satelita 1 satelita 2 satelity geostacjonarne nie tracą łączności ze stacją odbiorczą, trzy satelity odległe od siebie o 120 pokrywają pełny kąt 360 część satelitów wykorzystuje niskie orbity. satelity satelita 3 tylko jeden satelita znajduje się w zasięgu nadajnika stacja naziemna Ziemia WFiA UZ 22 / 34
Nie tylko GPS Komercjalne satelity telekomunikacyjne WFiA UZ 23 / 34
System Iridium satelity telekomunikacyjne system 66 sztucznych satelitów telekomunikacyjnych rozmieszczonych na sześciu orbitach okołoziemskich na wysokości 780 km. Było planowanych 77 a 77 Ir to iryd system Iridium komunikuje się obecnie z sieciami naziemnymi za pomocą 250 stacji naziemnych i dwóch stacji kontroli. telefonia satelitarna inne systemy: Intelsat (52 satelity o nazwach Intelsat i Galaxy), brytyjski Inmarsat WFiA UZ 24 / 34
Drogi transmisji sygnału telewizyjnego z satelity http://visual.merriam-webster.com/communications/ communications/broadcast-satellite-communication.php #transceiving-parabolic-antenna33952 WFiA UZ 25 / 34
Satelity meteorologiczne. Europejski system EUMETSAT Europejska Organizacja Eksploatacji Satelitów Meteorologicznych (EUMETSAT). Uczestniczą wszystkie kraje europejskie i Turcja, siedziba w Darmstad aktualnie w użyciu 7 satelitów: 4 na orbicie geostacjonarnej Meteosat-7, -8, -9 and -10 nad Europą i Afryką: 3 satelity Metop-A, -B i -C na niskich orbitach biegunowych. Ponadto wykorzystywane są dane ze satelity Jason-2. Jej celem jest obserwacja powierzchni oceanów WFiA UZ 26 / 34
NOAA s Climate Prediction Center (CPC) amerykański WFiA UZ 27 / 34
Warstwy chmur obrazy z satelity meteorologicznego podczerwień światło widzialne WFiA UZ 28 / 34
Wykrywanie pożarów WFiA UZ 29 / 34
Satelity naukowe satelity prowadzą obserwacje ciał niebieskich i promieniowania, obserwacje nie są zakłócane przez atmosferę, Misje sond kosmicznych teleskop kosmiczny Hubbla Film Aktualne położenie ISS i obraz z kamer Film: Podsumowanie 15 lat dzialalności ISS Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS) WFiA UZ 30 / 34
Satelity rozpoznawcze Rodzaje do obserwowanie obiektów na Ziemi oraz przechwytywanie sygnałów z Ziemi w celach wojskowych lub wywiadowczych satelity rozpoznania obrazowego, wyposażone w kamery o dużej rozdzielczości (do poniżej 1 m) satelity rozpoznania sygnałów elektromagnetycznych satelity wczesnego wykrywania i ostrzegania, które prowadzą rozpoznanie startów pocisków balistycznych Amerykański satelita rozpoznawczy KH-4B Corona z lat 60 WFiA UZ 31 / 34
Ścieżki Kopernika http://sciezkikopernika.pl/ program Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego projekt System wizualizacji orbit sztucznych satelitów Ziemi oraz trajektorii sond kosmicznych w Układzie Słonecznym projekt realizowany przez Lubuskie konsorcjum wirtualnej eksploracji Układu Słonecznego, w skład którego wchodzą Uniwersytet Zielonogórski i Polskie Towarzystwo Miłośników Astronomii w Zielonej Górze, strona http://astro.ia.uz.zgora.pl/~scikop/ główny wynik: program komputerowy warsztaty z programowania cykle wykładów popularyzujących zagadnienia dynamiki ciał niebieskich naturalnych i sztucznych WFiA UZ 32 / 34
Jesienna Szkoła Ścieżek Kopernika, 22-23.11.2014 r., Instytut Astronomii UZ, ul. Szafrana 2, budynek A2 PROGRAM SZKOŁY: Sobota 22.11.2014: 10:00-10:45 - Grawitacja (A.J. Maciejewski) 11:00-11:45 - GPS i nie tylko. O dynamice i zastosowaniach sztucznych satelitów (M. Przybylska) 12:00-12:45 - Jak latają statki kosmiczne? Dynamika i sterowanie (M. Przybylska) 15:00-18:00 - zajęcia komputerowe (M. Kośmider) Niedziela 23.11.2014. 10:00-10:45 - Podbój Kosmosu. Przeszłość i przyszłość (M. Przybylska) 11:00-11:45 - Dynamika układów planetarnych i chaos (A.J. Maciejewski) 12:00-12:45 - Rezonanse i ruch obrotowy ciał niebieskich (A.J. Maciejewski) WFiA UZ 33 / 34
Dla zainteresowanych Pole grawitacyjne, ruchy planet i satelitów, prawa Keplera Global Positioning System GPS. Nawigacja satelitarna Jak działa GPS, Komputer Świat, 2008/07 Satelita telekomunikacyjny Telekomunikacyjne systemy satelitarne. Wiki Telekomunikacyjne systemy satelitarne Polskie Biuro do Spraw Przestrzeni Kosmicznej A. Ciołkosz, Wstęp do teledetekcji strona EUMETSAT Meteosat Serwer SAT24.COM http://pl.allmetsat.com/satelita-meteorologiczny.php P. Struzik, Satelity meteorologiczne od 40 lat w służbie Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej, Nauka 4/2008, 35 42 WFiA UZ 34 / 34