Спутниковая геодезия — это геодезия с помощью искусственных спутников — измерение формы и размеров Земли , расположения объектов на ее поверхности и фигуры гравитационного поля Земли с помощью методов искусственных спутников. Она относится к более широкой области космической геодезии . Традиционная астрономическая геодезия обычно не считается частью спутниковой геодезии, хотя между этими методами существует значительное совпадение. [1] : 2
Основными задачами спутниковой геодезии являются:
Спутниковые геодезические данные и методы могут применяться в различных областях, таких как навигация , гидрография , океанография и геофизика . Спутниковая геодезия в значительной степени опирается на орбитальную механику .
Спутниковая геодезия началась вскоре после запуска Спутника в 1957 году. Наблюдения Explorer 1 и Sputnik 2 в 1958 году позволили точно определить сплющивание Земли . [1] : 5 В 1960-х годах был запущен спутник Доплера Transit-1B и воздушные шары-спутники Echo 1 , Echo 2 и PAGEOS . Первым специализированным геодезическим спутником был ANNA-1B , совместный проект NASA , DoD и других гражданских агентств. [3] : 51 ANNA-1B нес первый из инструментов SECOR (Sequential Collation of Range) армии США . Эти миссии привели к точному определению ведущих сферических гармонических коэффициентов геопотенциала, общей формы геоида и связали мировые геодезические датумы. [1] : 6
В конце 1960-х и начале 1970-х годов советские военные спутники выполняли геодезические миссии для оказания помощи в наведении МБР .
Спутниковая система Transit широко использовалась для доплеровской съемки, навигации и позиционирования. Наблюдения за спутниками в 1970-х годах всемирными сетями триангуляции позволили создать Всемирную геодезическую систему . Разработка GPS Соединенными Штатами в 1980-х годах позволила осуществлять точную навигацию и позиционирование и вскоре стала стандартным инструментом в геодезии. В 1980-х и 1990-х годах спутниковая геодезия начала использоваться для мониторинга геодинамических явлений, таких как движение земной коры , вращение Земли и движение полюсов .
1990-е годы были сосредоточены на разработке постоянных геодезических сетей и систем отсчета. [1] : 7 В 2000-х годах были запущены специальные спутники для измерения гравитационного поля Земли, такие как CHAMP , GRACE и GOCE . [1] : 2
Методы спутниковой геодезии можно классифицировать по инструментальной платформе: Спутник может
[ требуется разрешение неоднозначности ]
Глобальные навигационные спутниковые системы — это специализированные службы радиопозиционирования, которые могут определять местоположение приемника 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 наклоном 55° . Принцип определения местоположения основан на трилатерации . Каждый спутник передает точные эфемериды с информацией о своем 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 ». Для получения точного времени и местоположения приемника с точностью до нескольких метров необходимы четыре псевдодальности. Более сложные методы, такие как кинематика в реальном времени (RTK), могут определять позиции 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 динамики земной коры . [4] Наличие сигнала GPS в космосе также делает его пригодным для определения орбиты и отслеживания спутников.
Доплеровское позиционирование включает в себя регистрацию доплеровского сдвига радиосигнала стабильной частоты, излучаемого спутником, по мере того, как 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 регистрация доплеровского профиля определяет положение наблюдателя. И наоборот, если положение наблюдателя точно известно, то орбиту спутника можно определить и использовать для изучения гравитации Земли. В DORIS наземная станция излучает сигнал, а спутник его принимает.
При оптической триангуляции спутник может использоваться в качестве очень высокой цели для триангуляции и может использоваться для установления геометрической связи между несколькими станциями наблюдения. Оптическая триангуляция с камерами BC-4, PC-1000, MOTS или Baker Nunn состояла из фотографических наблюдений спутника или мигающего света на спутнике на фоне звезд. Звезды, чьи положения были точно определены, обеспечивали каркас на фотопластинке или пленке для определения точных направлений от станции камеры к спутнику. Геодезические работы по позиционированию с камерами обычно выполнялись с одной камерой, наблюдающей 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
В спутниковой лазерной локации (SLR) глобальная сеть станций наблюдения измеряет время прохождения туда и обратно сверхкоротких импульсов света к спутникам, оборудованным ретрорефлекторами . Это обеспечивает мгновенные измерения дальности с точностью до миллиметра, которые могут быть накоплены для предоставления точных параметров орбиты, параметров гравитационного поля (из возмущений орбиты), параметров вращения Земли, приливных деформаций Земли, координат и скоростей станций SLR и других существенных геодезических данных. Спутниковая лазерная локация является проверенным геодезическим методом со значительным потенциалом для внесения важного вклада в научные исследования системы Земля/Атмосфера/Океаны. Это самый точный метод, доступный в настоящее время для определения геоцентрического положения спутника Земли, позволяющий выполнять точную калибровку радиолокационных высотомеров и разделять долгосрочный дрейф приборов от вековых изменений в 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]
Такие спутники, как Seasat (1978) и TOPEX/Poseidon (1992-2006) использовали усовершенствованные двухдиапазонные радиолокационные высотомеры для измерения высоты поверхности Земли (моря, льда и земной поверхности) с космического корабля . Jason-1 был запущен в 2001 году, Jason-2 — в 2008 году, а Jason-3 — в январе 2016 года. Это измерение в сочетании с орбитальными элементами (возможно, дополненными GPS) позволяет определять рельеф местности . Две различные длины используемых радиоволн позволяют высотомеру автоматически корректировать различные задержки в ионосфере .
Космические радиолокационные высотомеры оказались превосходными инструментами для картирования топографии поверхности океана , холмов и долин морской поверхности. Эти приборы посылают микроволновый импульс на поверхность океана и регистрируют время, необходимое для возвращения. Микроволновый радиометр корректирует любую задержку, которая может быть вызвана водяным паром в атмосфере . Другие поправки также требуются для учета влияния электронов в ионосфере и сухой воздушной массы атмосферы. Объединение этих данных с точным местоположением космического корабля позволяет определить высоту поверхности моря с точностью до нескольких сантиметров (около одного дюйма). Сила и форма возвращающегося 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 .
Лазерный высотомер использует время прохождения луча света в оптическом или инфракрасном диапазоне в обоих направлениях для определения высоты космического корабля или, наоборот, рельефа местности.
Радиолокационный высотомер использует время прохождения туда и обратно микроволнового импульса между спутником и поверхностью Земли для определения расстояния между космическим аппаратом и поверхностью. Из этого расстояния или высоты локальные поверхностные эффекты, такие как приливы, ветры и течения, удаляются для получения высоты спутника над геоидом. При наличии точной эфемериды для спутника геоцентрическое положение и эллипсоидальная высота спутника доступны для любого заданного времени наблюдения. Затем можно вычислить высоту геоида, вычитая измеренную высоту из эллипсоидальной высоты. Это позволяет напрямую измерить геоид, поскольку поверхность океана близко следует за геоидом. [3] : 64 Разница между поверхностью океана и фактическим геоидом дает топографию поверхности океана .
Интерферометрический радиолокатор с синтезированной апертурой (InSAR) — это радиолокационный метод, используемый в геодезии и дистанционном зондировании . Этот геодезический метод использует два или более изображений радиолокатора с синтезированной апертурой (SAR) для создания карт деформации поверхности или цифрового возвышения , используя различия в фазе волн, возвращающихся к спутнику. [6] [7] [8] Этот метод потенциально может измерять изменения деформации в масштабе сантиметра в течение промежутков времени от нескольких дней до нескольких лет. Он применяется для геофизического мониторинга стихийных бедствий, например, землетрясений, вулканов и оползней, а также в строительной инженерии, в частности, для мониторинга проседания и структурной устойчивости.
Гравитационный градиентометр может независимо определять компоненты вектора силы тяжести в режиме реального времени. Гравитационный градиент — это просто пространственная производная вектора силы тяжести. Градиент можно рассматривать как скорость изменения компонента вектора силы тяжести , измеренную на небольшом расстоянии. Следовательно, градиент можно измерить, определив разницу в силе тяжести в двух близких, но различных точках. Этот принцип воплощен в нескольких последних инструментах с подвижным основанием. Гравитационный градиент в точке является тензором , поскольку он является производной каждого компонента вектора силы тяжести, взятого по каждой чувствительной оси. Таким образом, значение любого компонента вектора силы тяжести может быть известно по всему пути транспортного средства, если в систему включены гравитационные градиентометры, а их выходные данные интегрируются системным компьютером. Точная модель силы тяжести будет вычисляться в режиме реального времени, и будет доступна непрерывная карта нормальной силы тяжести, высоты и аномальной силы тяжести. [3] : 71
Эта техника использует спутники для отслеживания других спутников. Существует ряд вариаций, которые могут использоваться для определенных целей, таких как исследования гравитационного поля и улучшение орбиты .
Эти примеры представляют несколько возможностей для применения спутникового слежения. Данные спутникового слежения были впервые собраны и проанализированы в конфигурации «высокий-низкий» между ATS-6 и GEOS-3 . Данные были изучены для оценки их потенциала для уточнения как орбитальной, так и гравитационной модели. [3] : 68
В этой статье используется текст из этого источника, который находится в общественном достоянии : Defense Mapping Agency (1983). Geodesy for the Layman (PDF) (Отчет). ВВС США. Архивировано из оригинала (PDF) 2017-05-13 . Получено 2021-02-19 .