VÝZNAMNÉ POZOROVACÍ TECHNIKY KOSMICKÉ GEODÉZIE Klusoňová Pavla, H2KNE1

POZOROVACÍ METODY – ROZDĚLENÍ 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) Dle určovaných parametrů topocentrický směr topocentrická vzdálenost změna topocentircké vzdálenosti rychlost a zrychlení družice výška družice nad mořskou hladinou Dle typu pozorovacího přístroje metody optické metody elektronické

OPTICKÉ METODY ad 1) Vizuální ad 2) Fotografické Vizuální Fotografické 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: Laserová lokace družice (SLR – Space-borne Laser Ranginig) 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: Radiolokační metody Kódové měření Fázová měření Měření dopplerovského posunu 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