Uvod v tehnike vesoljske in satelitske geodezije/gstebe/Seminarji - končni/Bojan... · Web viewAMR: Advanced Microwave Radiometer ali napredni radiometer na mikrovalove, ki meri

Seminarska naloga pri predmetu Satelitska geodezija in navigacija:

Tehnike vesoljske in satelitske geodezije

Avtorici: Daša Natlačen in Irena Rojko

Mentor: prof. dr. Bojan Stopar

Magistrski študijski program Geodezija in geoinformatika

2

Natlačen, Rojko Satelitska geodezija in navigacija FGG, GIG II

Kazalo

Uvod v tehnike vesoljske in satelitske geodezije....................................................................................3

Very long baseline interferometry.........................................................................................................3

Osnovni princip..................................................................................................................................3

Bistvene prednosti VLBI......................................................................................................................6

Satelitska altimetrija...............................................................................................................................7

Osnovni princip..................................................................................................................................7

Primer altimetrijskega satelita: Jason 2..............................................................................................8

Satellite Laser Ranging..........................................................................................................................10

Osnovni princip................................................................................................................................10

Uporaba SLR.....................................................................................................................................11

Prispevek SLR na različna področja...................................................................................................12

Lunar Laser Ranging.............................................................................................................................15

Zaključek...............................................................................................................................................16

Viri:.......................................................................................................................................................17

3


Uvod v tehnike vesoljske in satelitske geodezije

Merska tehnike vesoljske geodezije so osnova sodobne vzpostavitve nebesnih in terestričnih

referenčnih sestavov. Poznamo tehnike VLBI, SLR/LLR – ti dve tehniki sta predstavljeni tudi v tej

seminarski nalogi – GPS in DORIS. Kombinacija teh tehnik zagotavlja konsistenco rezultatov meritev.

V seminarski nalogi je predstavljena tudi tehnika satelitske altimetrije, ki deluje na osnovi naštetih

tehnik, a je specializirana posebej za opazovanja gladine morja.

Very long baseline interferometry

Osnovni princip

Tehnologija VLBI uporablja radijske teleskope na Zemljinem površju, ki so med seboj zelo oddaljeni.

Razdalja med dvema teleskopoma je baza, po teh dolgih bazah se tehnika tudi imenuje Very Long

Baseline Interferometry. Teleskopi sprejemajo signale virov radijskih valov, takoimenovanih kvazarjev

(zelo oddaljen, zvezdi podoben izvor močnega radijskega sevanja). Eden od delujočih teleskopov je

prikazan na sliki 1. S pomočjo sprejemanja valovanja lahko točno določimo lego vsake VLBI postaje.

(NASA, 1995)

Slika 1: Primer VLBI postaje, ki se nahaja v Alonquinu, Kanadi. (NASA, 1995)

4


VLBI temelji na predpostavki, da lahko zaradi razdalje do kvazarja isto radijsko valovanje, ki prispe do

dveh VLBI postaj, obravnavamo kot dve identični vzporedni valovanji. Tako je mogoče izračunati

časovno razliko med sprejemom določenega dela valovanja na prvi postaji in sprejemu njemu

identičnega dela valovanja na drugi postaji. Za najbolj učinkovito rabo tehnologije VLBI to množično

ponovimo v različnih trenutkih glede na valovanja oddana iz različnih kvazarjev in ob uporabi

globalnega omrežja VLBI postaj, ki je prikazan na sliki 2. (NASA, 1995)

Slika 2: Osnoven princip delovanja VLBI. (NASA, 1995)

Ko skozi čas na enak način opazujemo lego postaj, ugotovimo, da se le-ta spreminja. Določamo lahko

torej tudi premike postaj – tektonskih plošč, na katerih ležijo. Rezultat ene od tovrstnih študij je

prikazan na sliki 3 in sliki 4.

5


Slika 3: Graf prikazuje 10 let neprekinjenih meritev razmikanja evropske in severnoameriške postaje.

Sodeč po tem grafu se postaji, torej tektonski plošči, na leto razmakneta za 17 mm (+0,3 mm) na leto.

(NASA, 1995)

Slika 4: Puščice na sliki grafično prikazujejo premike tektonskih plošč na leto (v merilu). (NASA, 1995)

6


Bistvene prednosti VLBI

Naloga geodezije je pridobivanje in upravljanje s podatki o prostoru. Lociranje in nujnost povezovanja

teh podatkov zahteva uporabo koordinatnega sistema. Zagotoviti je potrebno vzpostavitev in

vzdrževanje koordinatnega sistema in to karseda kvalitetno, s sodobnimi merskimi tehnikami. Danes

potekata vzpostavitev in vzdrževanje koordinatnih sistemov skoraj izključno z metodami in tehnikami

satelitske geodezije za vzpostavitev horizontalne komponente in s kombinacijo gravimetričnih

opazovanj in geometričnega nivelmana za vzpostavitev višinske komponente koordinatnega sistema.

Smiselno je obravnavanje prostorskih podatkov v koordinatnem sistemu, ki je skupen celotni Zemlji.

Vzpostavitev koordinatnega sistema vključuje dve osnovni nalogi: teoretično je potrebno definirati

koordinatni sistem in povezati ta sistem z obravnavanim objektom. Za teoretično definicijo

koordinatnega sistema se je potrebno dogovoriti o lastnostih koordinatnega sistema. Težje pa je

povezati teoretično definiran koordinatni sistem z obravnavanim objektom – s telesom Zemlje. To

povezavo lahko izvedemo preko trajno stabiliziranih geodetskih točk pa površju Zemlje, ki omogočajo

pridobivanje informacij o geodetskem datumu, ki je potreben za definiranje koordinatnega sistema –

zagotavljajo praktično realizacijo koordinatnega sistema. Praktično realiziran koordinatni sistem

imenujemo koordinatni sestav.

V klasični geodeziji koordinatni sestav predstavljajo fizično stabilizirane točke na površju Zemlje,

katerih koordinate so določene v izbranem koordinatnem sistemu. Zaradi Zemljine tektonike pa se

položaj točk koordinatnega sestava spreminja. Če hočemo ustrezno obravnavati koordinatni sestav,

moramo v naše delo vključiti tudi spremembe položaja točk, ki koordinatni sistem praktično

realizirajo. (Stopar et al., 2002)

Do danes je tehnika, ki zna najbolje določiti premike točk na Zemljinem površju prav VLBI.

Tehnologija VLBI z najboljšo možno natančnostjo določa lokacijo VLBI postaj in njihove premike in s

tem zagotavlja referenčni koordinatni sestav, ki je potreben za vzpostavitev terestričnega

koordinatnega sistema, kar je za nas bistvenega pomena. Poleg tega je VLBI edini, ki lahko z

določanjem položaja kvazarjev zagotavlja tudi koordinatni sestav za nebesni koordinatni sistem,

(NASA, 1995) določa smer vrtilne osi Zemlje v nebesnem koordinatnem sestavu in povezuje

terestrični in nebesni koordinatni sestav. (Barlier, Lefebvre, 2001)

VLBI je torej temeljna in nenadomestljiva tehnologija v sodobni vesoljski tehnologiji.

7


Satelitska altimetrija

Satelitska altimetrija hibrid med tehnikama določanja položaja in določanja gravitacijskega polja

Zemlje. (Vaniček, 2001) Na oceanskih območjih je z njeno pomočjo možno izmeriti nivo morske

gladine. Ker so to težko dostopno območja in je težko zagotoviti stabilno postajo za izvedbo

opazovanj, satelitska altimetrija deluje s pomočjo satelitov. (EUMETSAT, 2009) Uporablja se jo kot

alternativo oziroma v kombinaciji z mareografi.

Osnovni princip

Altimeter je naprava za merjenje višine, najsodobnejši altimetri dosegajo natančnost merjenja razdalj

okrog +2 cm. Sateliti, namenjeni altimetriji vsebujejo altimetre, ki oddajao radarske impulze

pravokotno na morsko gladino, kjer se odbijejo in vrnejo nazaj v altimeter na satelitu – rezultat

meritev je torej razdalja med satelitom in trenutno morsko gladino. Potek je prikazan na sliki 5.

Slika 5: Skica poteka satelitske geometrije.

8


Zveza med geoidnimi višinami N in altimetrskimi meritvami a je podana z enačbo:

N = hs – a – H,

Kjer je hs višina altimetra nad elipsoidom in H topografija morske gladine. (Kuhar, 2007)

Primer altimetrijskega satelita: Jason 2

Jason 2 leti na višini 1336 kilometrov. V desetih dneh posname kar 95 odstotkov Zemljinega morja v

tekoči obliki. Trenutno določa nivo morske gladine z natančnostjo 3,4 centimetra, v prihodnosti

pričakujejo izboljšavo natančnosti na 2,5 centimetra. (EUMETSAT, 2009)

Slika 6: Najpomembnejši deli Jasona-2

Na sliki 6 so prikazani najpomembnejši deli Jasona-2:

- Poseidon-3: dvofrekvenčni altimeter z anteno, meri višino morske gladine, hitrost vetra in

višino značilnih valov,

- AMR: Advanced Microwave Radiometer ali napredni radiometer na mikrovalove, ki meri

moteče vplive, ki jih pozročata voda in atmosfera,

9


- DORIS, LRA in GPSP: trije sistemi za precizno določanje satelitovega položaja v orbiti – DORIS

pomeni Doppler Orbitograph and Radio-positioning Integrated by Satellite package, LRA

predstavlja Laser Retrorefelctor Array, GPSP pa Global Positioning System Payload receiver.

(EUMETSAT, 2009)

Satelitska altimetrija ima mnogo uporab. Z njeno pomočjo se je močno izboljšalo naše poznavanje

topografije morske gladine, morskih tokov, plimovanja in podobno. S satelitsko altimetrijo je mogoče

opazovati tudi nivo rečne gladine. Z rezultati te tehnologije si lahko najbolje pomagajo raziskovalci

fizikalne oceanografije, morske biologije, kemije in geologije.

Primer produkta te tehnike je prikazan na sliki 7.

Slika 7: Prikaz morske gladine, katere višina in oblika sta močno povezani, pogojeni s topografijo

oceanskega dna. (NGDC)

10


Satellite Laser Ranging

Osnovni princip

Kot že samo ime pove je SLR tehnika, ki uporablja laserski žarek, da zazna premikajoči se satelit nad

observatorijem. Observatorij na Zemlji meri povratni čas potovanja kratkih impulzov laserskega

žarka, ki se odbijejo od reflektorjev na satelitu in se vrnejo nazaj proti Zemlji. Ker je hitrost potovanja

laserskega žarka konstantna, je merjenje povratnega časa potovanja žarka enaka merjenju razdalje

observatorjih-satelit-observatorij. Metoda omogoča meritve natančnosti pod centimetrom. Osnovni

princip SLR tehnike je prikazan na sliki 8. (Geoscience Australia, 2012)

Slika 8: Osnovni princip SLR tehnike. (NASA, 2011)

SLR tehnika je mogoča le z uporabo satelitov z ustreznimi reflektorji. Žarek, ki ga prejme reflektor na

satelitu, mora biti poslan nazaj proti Zemlji v popolnoma enaki smeri iz katere je prišel. Take tipe

reflektorjev imenujemo retroreflektorji, v večini so narejeni iz steklenih prizem. Na sliki 9 je primer

satelita LAGEOS. Pričakovana življenska doba tega pasivnega satelita je nekaj milijonov let. Omogoča

natančnost meritev v rangu nekaj milimetrov, nanjo pa vplivajo tudi oblika satelita in njenih

odsevnikov. (Seeber, 2003)

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0273117710001134

11


Slika 9: Levo satelit LAGEOS, desno njegova struktura. (Seeber, 2003)

LAGEOS z aluminijem prekrita medeninasta krogla, s premerom 60 cm in maso 441 kg. Pokrita je z

odsevniki, ki ji dajejo videz golf žoge. (Seeber, 2003)

Uporaba SLR

SLR uporabljamo za:

- z merjenjem geocentričnih položajev satelitov omogoča zaznavanje majhnih sprememb v

gravitacijskem polju Zemlje,

- vplive sončne energije in letnih časov na Zemeljsko atmosfero,

določitev težišča Zemlje (najbolj natančna metoda),

- spremembe nivoja morja,

- spremembe volumna ledu na polih,

- premike zemeljskih mas,

- kalibracija radarskih altimetrov,

- zagotavljanje podatkov za GPS, PRARE in DORIS,

- potrditev splošne teorije relativnosti . (Kuhar, 2003)

Glavni cilji so določanje in vzdrževanje terestričnega referenčnega sestava (ITRF) in določanje ter

opazovanje Zemljinega gravitacijskega polja. (NASA, 2011)

SLR tehnika s svojimi meritvami prispeva k znanosti o Zemlji, podpira preučevanja o atmosferi,

hidrosferi, neposredno zaznavanje dviganja površja, prispeva k opazovanju nivoja morja in ledu, meri

dolgotrajne premike trdne Zemlje, oceanov in atmosfere, podpira preučevanje tektonskega gibanja,

raziskave temeljne fizike in podobno. (NASA, 1995)

12


Prispevek SLR na različna področja

NASA je začela pisati zgodbo leta 1964, z izstrelitvijo satelita Beacon-B. Od takrat so se natančnosti v

koraku z razvojem znanosti izboljšale za kar 1000-krat. Slika 10 prikazuje izboljšanje natančnosti od

takratnih nekaj metrov, do današnjih nekaj milimetrov. (NASA, 1995)

Slika 10: Natančnost meritev SLR tehnike od nekoč do danes. (NASA, 1995)

Svetovno omrežje SLR postaj nam posreduje podatke za oceno parametrov orbit satelitov, ki se

gibljejo okoli masnega središča Zemlje. Ker je SLR edina vesoljska geodetska tehnika, ki definira

masno središče Zemlje, lahko z njo opredelujemo terestrični referenčni sestav (ITRF). Naloga SLR je

zagotavljati geocenter in merilo sestavu. (Geoscience Australia, 2012)

Če se satelitu sledi iz različnih postaj na različnih kontinentih, tektonskih ploščah in delih tektonskih

plošč skozi leta opazimo, da se plošče premikajo glede na satelit, katerega položaj stalno poznamo.

Na sliki 11 je prikazano simultano delovanje SLR postaj, kar omogoča še bolj natančno določitev lege

postaje.

Slika 11: Simultano delovanje SLR postaj.

13


Tehnika SLR zagotavlja natančnost določitve gibanja v globalnem merilu geocentričnega referenčnega

sistema v rangu mm/leto. Opazovanje horizontalnih premikov v Sredozemlju nam dajo vpogled v

naravo sodobne tektonike. (NASA, 1995)

Osnova za preučevanje gravitacije in natančno določenih orbit je standardni visoko natančni

referenčni model dolgovalovnega gravitacijskega polja, ki je rezultat petindvajsetletnega pridobivanja

SLR podatkov.

Na podlagi valovne dolžine manjše od 1500 km, je višina geoida določena na manj kot 10 cm

natančno. Na sliki 12 so prikazanja opazovanja EGM96, ki prikazujejo podrobnosti v anomaliji

težnosti. (NASA, 2011)

Slika 12: Gravitacijsko polje Zemlje. (NASA, 1995)

SLR zagotavlja podatke o orbitah satelitov, kar v povezavi s satelitsko altimetrijo omogoča meritve

sprememb srednjega nivoja morja (v mm/leto) in kartiranje področij prekritih z ledom, ki se jih

uporablja za določanje spremembe količine ledu. (NASA, 1995)

Na sliki 13 so prikazani rezultati meritev srednjega nivoja morja.

14


Slika 13: Slika prikazuje opazovanje srednje morske gladine iz štirih satelitov, podatki so zabeleženi

vsakih 10 dni. Očitno je, da je vzpon srednje morske gladine za 3,1 mm/leto. (NASA, 2012)

Satelitska altimetrija se uporablja za pripravo kotidialnih kart (to so karte, ki prikazujejo plimovanje

ob istem trenutku), prikazanih na sliki 14, glavnega luninega plimovanja (M2). Razumevanje narave

plimovanja in dinamike oceanskega dna zahteva bolj podrobno znanje o oceanskem plimovanju.

Boljše modele plimovanja uporabljajo tudi za analizo precizne gravimetrije. (NASA, 1995)

Slika 14: Amplitude plimovanja M2 v cm. (NASA, 1995)

15


Lunar Laser Ranging

LLR tehnika deluje na podoben način kot SLR. Laserji v observatorijih oddajajo kratke impulze, ki se

odbijajo od reflektorjev na Luni. Od leta 1969 so na Luni nameščena zrcala, do katerih najmočnejši

laserji še vedno opravljajo meritve. Zgodba se je začela z misijo Apollo 11 (na sliki 15 je prikazan

primer reflektorja in postavitev reflektorjev na Luni). (Kuhar, 2012)

Slika 15: Levo Apollo 11, desno porazdelitev reflektorjev na Luni. (NASA, 2012)

Od vseh ILRS observatorijev (okoli 40), jih ima samo nekaj tehnično opremo, ki omogoča meritve na

površini Lune (označeni na sliki 16).

Slika 16: Observatoriji, ki omogočajo LLR. (NASA, 2012)

V zgodnjih letih delovanja LLR tehnike, so bile natačnosti določitve razdalj od 10 do 15 cm, danes so

se izboljšale na od 3 do 5 cm, lahko pa tudi do 1 cm.

16


Uporaba LLR meritev:

- precizno določanje dimenzij, rotacije in orbite Lune, ugotovljeno premikanje

Lune stran od Zemlje 3,8 cm na leto,

- variacije v dolžini dneva na Zemlji,

- premiki tektonskih plošč na Zemlji,

- preizkus Einsteinove teorije relativnosti. (Kuhar, 2003)

ZaključekMednarodna mreža vesoljskih geodetskih observatorijev vključuje SLR/LLR, VLBI, GPS in DORIS

sisteme. Kombinacija teh tehnik je nujna za uspeh – meritve so v rangu natančnosti pod milimetrom.

Za zelo učinkovito se je izkazalo lociranje teh tehnologij na enem mestu, kot je prikazano na sliki 17.

Slika 17: Vesoljske merske tehnike na enem mestu.

Ker so merske zahteve zelo stroge, če želimo da so uporabne in ker vsaka tehnika opravi meritve na

drugačen način, s svojimi prednostmi in slabostmi lahko samo kombinacija vseh štirih omogoči, da

izkoristijo svoje prednosti in ublažijo slabosti.

17


Viri:- NASA. 1995. Nasina brošura VLBI – Measuring Our Changing Earth. Dostopna na:

http://lupus.gsfc.nasa.gov/brochure/bintro.html (Pridobljeno dne: 29. 12. 2012)

- Stopar, B., Radovan., D., Berk, S., Bilc, A., 2002. Projekt izgradnje slovenskega omrežja

permanentnih GPS-postaj in izpostavitve GPS-službe. Dostopno na:

http://www.fgg.uni-lj.si/sugg/referati/2002/Stopar_et_al2002.pdf (Pridobljeno dne: 30. 12.

2012)

- Kuhar, M., 2007. Skripta Geofizika. Dostopna na:

http://www.fgg.uni-lj.si/~/mkuhar/Zalozba/Geofizika_skripta.pdf (Pridobljeno dne: 10. 11.

2012)

- EUMETSAT. 2009. Jason-2: Using satellite altimetry to monitor the ocean, University

Corporation for Atmospheric Research. Dostopno na:

http://www.eumetsat.int/jason/print.htm (Pridobljeno dne: 29. 12. 2012)

- Barlier, F., Lefebvre, M., 2001. A new look at planet Earth: Satellite geodesy and geosciences.

The Century od Space Science, 1-29. Kluwer Academic Publishers.

- Vaniček, P., 2001. An online tutorial in geodesy. AcademicPress.

- NGDC. National geophisical data center, National oceanic and atmospheric administration,

USA.

- Seeber , G., 2003. Satellite Geodesy, Walter de Gruyter, Berlin

- Drewes, H., 2006. Geodetic Reference Frames, Springer, München

- Kuhar, M., 2012. Skripta Osnove satelitske geodezije. Dostopna na:

http://www.fgg.uni-lj.si/~/mkuhar/Zalozba/SG_skripta.pdf (Pridobljeno dne: 3.1.2013)

- NASA. 1995. Nasina brošura Satellite Laser Ranging And Earth Science. Dostopna na:

http://ilrs.gsfc.nasa.gov/docs/slrover.pdf (Pridobljeno dne: 3. 1. 2013)

- NASA. 2011. Nasina brošura Current Trends in Satellite Laser Ranging. Dostopna na: http://ilrs.gsfc.nasa.gov/docs/Current_Trends_LR_2011.pdf (Pridobljeno dne: 23.12.2012)

- NASA. 2012. Lunar Laser Ranging (LLR). Dostopno na: http://ilrs.gsfc.nasa.gov/science/scienceContributions/lunar.html (Pridobljeno dne: 3.1.2013)

- Geoscience Australia. 2012. Earth Monitoring and Reference Systems. Dostopno na: http://www.ga.gov.au/earth-monitoring/geodesy/geodetic-techniques/satellite-laser-

ranging-slr.html#Eart (Pridobljeno dne: 3.1.2013)

http://ilrs.gsfc.nasa.gov/docs/slrover.pdf

http://www.fgg.uni-lj.si/~/mkuhar/Zalozba/SG_skripta.pdf

http://www.eumetsat.int/jason/print.htm

http://www.fgg.uni-lj.si/~/mkuhar/Zalozba/Geofizika_skripta.pdf

http://www.fgg.uni-lj.si/sugg/referati/2002/Stopar_et_al2002.pdf

http://lupus.gsfc.nasa.gov/brochure/bintro.html

Documents

Uvod v tehnike vesoljske in satelitske geodezije/gstebe/Seminarji - končni/Bojan... · Web viewAMR: Advanced Microwave Radiometer ali napredni radiometer na mikrovalove, ki meri