VÝZNAMNÉ POZOROVACÍ TECHNIKY KOSMICKÉ GEODÉZIE

1. VÝZNAMNÉ POZOROVACÍ TECHNIKY KOSMICKÉ GEODÉZIE Klusoňová Pavla, H2KNE1

2. 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

3. OPTICKÉ METODY • 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

4. 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

5. 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 (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

6. 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

7. 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 altimetrietvoří 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

8. 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

9. 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 průvodičsubsatelitního 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

10. 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)

11. 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

12. 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

13. 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 ∆fje 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

14. 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)

15. 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)

16. 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

17. anténa na geodetické observatoři Wettzell, Německo

18. DĚKUJI ZA POZORNOST