Transcript 02. Vyznamne pozorovaci techniky kosmicke geodezie

VÝZNAMNÉ POZOROVACÍ
TECHNIKY KOSMICKÉ GEODÉZIE
Klusoňová Pavla, H2KNE1
POZOROVACÍ METODY – ROZDĚLENÍ
1) Dle umístění přístroje a cíle
-
přístroj je na Zemi a sledují se družice (SLR – GPS)
-
přístroj je na družici a sledují se cíle na Zemi (altimetrie – TOPEX/POSEIDON)
-
přístroj je na družici a cíle jsou na družicích (GRACE)
2) Dle určovaných parametrů
-
topocentrický směr
-
topocentrická vzdálenost
-
změna topocentircké vzdálenosti
-
rychlost a zrychlení družice
-
výška družice nad mořskou hladinou
3) Dle typu pozorovacího přístroje
-
metody optické
-
metody elektronické
OPTICKÉ METODY
1) Vizuální
2) Fotografické
3) Laserové
ad 1) Vizuální
-
patří mezi nejjednodušší metody určování směru stanice – družice
-
vyžívána hlavně v počátcích družicové geodezie pro určení přibližných dráhových elementů UDZ
-
princip: měřič odhadem určí polohu průsečíku dráhy UDZ s úsečkou spojující dvě blízké hvězdy
známých rovníkových souřadnic
-
přístroje: teleskopy, teodolity, kinoteodolity + zařízení pro registraci času
ad 2) Fotografické
-
princip: poloha UDZ se určovala vzhledem k tzv. opěrným hvězdám v blízkosti dráhy družice,
obraz družice se získal fotografováním odražených slunečních (nebo laserových) paprsků od
pasivní družice, nebo se fotografovaly záblesky aktivní družice
-
přístroje: kamery s balistickou nebo orbitální montáží
ad 3) Laserové
-
k měření topocentrické vzdálenosti k družicím se využívají lasery
-
Podle cíle laserového měření se metoda dělí na:
a) Laserová lokace družice (SLR – Space-borne Laser Ranginig)
b) Laserová lokace Měsíce (LLR – Lunar Laser Ranginig)
-
princip: generátor vyšle v čase t1 světelný impuls a současně spustí čítač (t1), paprsek se odrazí
od koutového odražeče na družici a je přijat receptorem, zesílen a předán čítači jako stop
impuls (t2), pomocí transitního času se poté určí vzdálenost
-
pro měření vzdáleností ke družicím je nutná znalost efemerid družice nebo poloh laserových
odražečů (pokud jsou umístěny na planetě nebo na Měsící)
-
přesnost určení vzdálenosti se pohybuje kolem 1cm a je ovlivněna především chybami přístroje a
zemskou atmosférou
SLR – laserová lokace družice
-
-
využití:
-
data pro určování absolutních souřadnic vztažených k těžišti Země (přesnost 1cm)
-
pro sledování pohybů tektonických bloků (přesnost 2mm/rok)
-
k určování přesných (~2 cm) drah a efemerid družic s altimetry
-
pro zpřesňování zemského gravitačního pole
-
sledování orientace zemského tělesa v prostoru (pohyb pólu, délka dne)
-
pro “údržbu“ celozemského souřadnicového systému
-
pro kalibraci mikrovlnných aparatur
družice SLR létají na nízkých oběžných drahách (400 – 36000 km) a jsou poroto mnohem
citlivější na změny gravitačního potenciálu Země než družice systému GPS
-
Pro měření se používají jak speciálně konstruované družice:
-
Francouzská družice STARLETTE, americká LAGEOS, japonská EGS
Tak i družice jiné:
- SEASAT, ERS-1/2, TOPEX/POSEIDON či JANSON (= altimetrické družice)
- CHAMP či GRACE A/B (= družice pro výzkum tíhového pole)
- všechny družice GLONASS a dvě družice GPS
ELEKTORNICKÉ METODY
-
využívají elektromagnetické vlnění
-
výhoda: nejsou závislé na době pozorování a na meteorologických podmínkách
-
v přístrojích pro geodetické aplikace se nejčastěji pro získání tranzitního času, popřípadě
rekonstruované, nemodulované nosné příslušné signály, využívají hlavně následující metody:
1) Radiolokační metody
2) Kódové měření
3) Fázová měření
4) Měření dopplerovského posunu
5) Interferometrická měření
Všechna tato měření jsou zatížena řadou vlivů, které se projevují jako systematické nebo
náhodné chyby, zhoršují přesnost určení polohy, rychlosti a času
ad 1) Radiolokační metody
-
měřícím elementem je tranzitní čas, který potřebuje krátkodobý mikrovlnný impuls k
překonání vzdálenosti mezi pozemní stanicí k družici a zpět
-
z měření se získá okamžitá dvojnásobná topocentrická vzdálenost
-
při měření se využívá radarových dálkoměrů
-
řadí se mezi méně přesné metody
-
družicová altimetrie tvoří výjimku
– v současné době patří k nejpřesnějším metodám pro určování průběhu geoidu v oblasti
moří
a oceánů
- umožňuje studium podrobné struktury gravitačního pole Země a přispívá k řešení
dynamických úloh družicové geodezie
Družicová altimetrie
-
na družici je ve směru tížnice orientovaný radarový dálkoměr (altimetr), který měří
výšku nad vodní hladinou, ta až na malé odchylky představuje plochu geoidu
altimetrické družice:
-
-
TOPEX/POSEIDON
JASON-1
ERS-2
GFO
ENVISAT-1
ICE-SAT
Je třeba znát souřadnice družice nebo určit okamžitý průvodič družice, pro zvýšení
přesnosti v určení souřadnic družice jsou družice opatřeny koutovými odražeči a poloha
družice se určuje pomocí laserové lokace
-
k určení orbitálních parametrů drah: techniky SLR, doplerovské měření, GPS, DORIS
Družicová altimetrie: r = ρ+h+ζ+(∆h+H+ ∆H+k+m+k´)
h = výška nad hladinovou plochou zaměřena altimetrem
∆h = oprava výšky družice (chybné dráhové elementy družice)
H = střední hladina moře
∆H = kolísání okamžité hladiny vzhledem ke střední hladině
(vyvoláno slapy, změnami atmosférického tlaku – až 2m)
r = geocentrický průvodič družice D
ρ = geocentrický průvodič subsatelitního bodu D´na použitém
hladinovém elipsoidu
ζ = převýšení geoidu nad elipsoidem
k,m,k´= opravy z modelu atmosféry, z fyzikálních a
chemických vlastností mořské vody a zavádí se opravy z
kalibrace
- nepřesnosti v určení geoidu a chyby v permanentní složce H topografie světového
oceánu se vyloučí v případě, že se použije tzv. diferenciální altimetrie
ad 2) Kódová měření
-
používá se pro měření tranzitního času – tento způsob měření pseudovzdáleností se
využívá v systému GPS
-
princip: družice vysílá signál k Zemi, kde na přijímači je generován stejný signál, v
přijímači se oba signály porovnají – posun zjištění kolerací se pak vyhodnotí jako tranzitní
čas a získá se tzv. pseudovzdálenost (rozdíly v synchronizaci dvojice zdrojů signálu vnášejí
chybu)
ad 3) Fázová měření
-
využívají se pro určení vzdálenosti mezi družicí a stanovištěm na Zemi
-
princip: vysílané a přijaté vlny jsou vůči sobě fázově posunuty (v rozsahu jednoho cyklu)
v závislosti na frekvenci a měřené vzdálenosti, vysílač vysílá z pozemní stanice
frekvenčně modulovanou nosnou vlnu, přijímač na družici po úpravě v tzv. transponderu
tento signál vysílá na změněné nosné frekvenci zpět, signál od družice je v přijímači
porovnáván s původním vyslaným signálem
Počet celých cyklů N lze určit:
-
pomocí více frekvencí – na družici umístěný transpondér vysílá na jiné frekvenci
modulovaný signál pomocí stejných čtyřech frekvencí
-
za předpokladu, že známe přibližnou hodnotu měřené vzdálenosti s přesností lepší než je
polovina zvolené nosné vlnové délky
-
pokud budeme od počátečního okamžiku měření nepřetržitě měřit fázový rozdíl a
zaznamenávat i celé cykly
-
vhodnou kombinací fázových rozdílů více zdrojů stejného vlnění získaných z měření
minimálně na dvou bodech
Ad 4) Měření dopplerovského posunu
-
založeno na změně frekvence signálu, ke kterému dochází důsledkem pohybu družice a
pozemní stanice - Dopplerův efekt
-
princip: měří se radiální vzdálenost stanice-družice, na stanovišti se přijímá proměnný
družicový signál fp, který je vyslán z družice na frekvenci fv, stejná frekvence jako na
družici je generována v přijímači, rozdíl frekvence ∆f je přímo úměrný radiální rychlosti
vr pohybu vysílače vzhledem k přijímači
-
využití: dovoluje v reálném čase určit rychlost přijímače, lze ho použít k určení celých
cyklů při kinematických měřeních, nebo se dá využít jako další nezávislé pozorování při
určování polohy přijímače
-
Dopplerovská frekvence = (fp – f0), tento rozdíl závisí na okamžité změně topocentrické
vzdálenosti stanice – družice
-
fp = proměnná frekvence
-
f0 = frekvence vytvářená vlastním frekvenčním generátorem přijímače
Dopplerovské techniky
Transit
= první globální námořní navigační systém, pracoval na principu dopplerovského posunu
-
byl tvořen 5 družicemi, které se pohybovaly na pólových drahách
-
byl využíván pro určování poloh, pro řešení vědeckých a technických úloh
-
Postupně byl systém nahrazen systémem GPS
Doris
= francouzský satelitní systém využívající dopplerovských měření
-
pracuje opačně než systém TRANSIT či GPS - signály vysílají pozemní vysílače, přijímače
jsou umístěné na družicích
-
byl vyvinut pro přesné určování drah nízko letících satelitů
-
systém se skládá ze sítě přibližně 50 pozemních vysílačů rozmístěných na všech
kontinentech
(každý vysílač je vybaven velice přesnými hodinami, meteorologickými senzory, zdrojem elektřiny a
anténou, která vysílá všemi směry signál na dvou frekvencích)
ad 5) Interferometrická měření
-
vychází z interference světla
-
princip: měření vyžaduje dvojici antén se stejným časovým oscilátorem, umístěné na
základně. Obě antény přijímají stejný signál, ale v různém časovém okamžiku a proto
mají i rozdílnou fázi příjmu. Měřenou veličinou je pak fázový rozdíl ∆φ, který vznikne v
časovém intervalu mezi dopadem signálu na anténu 1 a na anténu 2. Tento rozdíl se
skládá z celého počtu vlnových délek n a fázového doměrku ∆φ. Celý počet n period nosné
se musí určit jinou metodou.
-
využití: např. v letectví(určování náklonu)
VLBI (Very Long Baseline Interferometry)
= interferometrie z velmi dlouhých základen
-
jedna z nejpřesnějších metod kosmické geodézie
-
princip:
soustava
dvou
parabolických
antén
(průměr
70-100m)
detekuje
elektromagnetické záření přicházející z extragalaktických radiových zdrojů – kvasarů.
Antény jsou od sebe vzdáleny až několik tisíc km. Takto dlouhá základna při měření
zajišťuje, že přicházející vlnoplochy radiového signálu jsou dokonale rovinné.
-
pro měření se využívají atomové hodiny, měření je tedy zatíženo chybou atomových hodin
a chybami z vlivu zemské atmosféry na elektromagnetické vlnění
-
je to jedna z nejpřesnějších metod kosmické geodézie – lze pomocí ni určit parametry
orientace Země a lze přímo určit rozdíl času světového UT1 a koordinovaného UTC,
nevýhodou je velká náročnost na přístrojové vybavení a na dobu pozorování
anténa na geodetické observatoři Wettzell, Německo
DĚKUJI ZA POZORNOST