Geodésia de satélite - Satellite geodesy

Wettzell Laser Ranging System, uma estação de alcance a laser por satélite

Geodésia de satélite é a geodésia por meio de satélites artificiais - a medição da forma e dimensões da Terra , a localização de objetos em sua superfície e a figura do campo gravitacional da Terra por meio de técnicas de satélites artificiais. Pertence ao campo mais amplo da geodésia espacial . A geodésia astronômica tradicional não é comumente considerada uma parte da geodésia de satélite, embora haja uma sobreposição considerável entre as técnicas.

Os principais objetivos da geodésia por satélite são:

  1. Determinação da figura da Terra, posicionamento e navegação (geodésia geométrica de satélite)
  2. Determinação do geóide , campo gravitacional da Terra e suas variações temporais (geodésia dinâmica por satélite ou geodésia física por satélite )
  3. Medição de fenômenos geodinâmicos , como dinâmica crustal e movimento polar

Os dados e métodos geodésicos de satélite podem ser aplicados a diversos campos, como navegação , hidrografia , oceanografia e geofísica . A geodésia de satélite depende muito da mecânica orbital .

História

Primeiros passos (1957-1970)

A geodésia por satélite começou logo após o lançamento do Sputnik em 1957. As observações do Explorer 1 e do Sputnik 2 em 1958 permitiram uma determinação precisa do achatamento da Terra . A década de 1960 viu o lançamento do satélite Doppler Transit-1B e dos satélites balão Echo 1 , Echo 2 e PAGEOS . O primeiro satélite geodésico dedicado foi o ANNA-1B, um esforço colaborativo entre a NASA , o DoD e outras agências civis. ANNA-1B carregava o primeiro dos instrumentos SECOR (Sequential Collation of Range) do Exército dos EUA . Essas missões levaram à determinação precisa dos principais coeficientes harmônicos esféricos do geopotencial, a forma geral do geóide e ligou os datums geodésicos do mundo.

Os satélites militares soviéticos realizaram missões geodésicas para auxiliar na seleção de alvos ICBM no final dos anos 1960 e início dos anos 1970.

Rumo ao Sistema Geodésico Mundial (1970-1990)

Rede mundial de triangulação geométrica de satélite com câmeras BC-4

O sistema de satélite Transit foi usado extensivamente para levantamento Doppler, navegação e posicionamento. As observações de satélites na década de 1970 por redes de triangulação mundiais permitiram o estabelecimento do Sistema Geodésico Mundial . O desenvolvimento do GPS pelos Estados Unidos na década de 1980 permitiu navegação e posicionamento precisos e logo se tornou uma ferramenta padrão em levantamentos. Na década de 1980 e 1990 por satélite geodésia começou a ser usado para o monitoramento de geodinâmicos fenômenos, como o movimento da crosta terrestre , a rotação da Terra , e movimento polar .

Era Moderna (1990 até o presente)

Concepção artística de GRACE

A década de 1990 foi focada no desenvolvimento de redes geodésicas permanentes e quadros de referência. Satélites dedicados foram lançados para medir o campo gravitacional da Terra na década de 2000, como CHAMP , GRACE e GOCE .

Técnicas de medição

O sistema de medição Jason-1 combina as principais técnicas de medição geodésica, incluindo DORIS , SLR , GPS e altimetria .

As técnicas de geodésia de satélite podem ser classificadas por plataforma de instrumentos: Um satélite pode

  1. ser observada com instrumentos baseados em solo ( métodos da Terra para o espaço ),
  2. transportar um instrumento ou sensor como parte de sua carga útil para observar a Terra ( métodos espaço-terra ),
  3. ou usar seus instrumentos para rastrear ou ser rastreado por outro satélite ( métodos espaço-a-espaço ).

Métodos terra-espaço (rastreamento por satélite)

Técnicas de rádio

Os sistemas globais de navegação por satélite são serviços de posicionamento de rádio dedicados, que podem localizar um receptor a poucos metros. O sistema mais proeminente, GPS , consiste em uma constelação de 31 satélites (em dezembro de 2013) em órbitas circulares de 12 horas, distribuídas em seis planos com inclinações de 55 ° . O princípio da localização é baseado na trilateração . Cada satélite transmite uma efeméride precisa com informações sobre sua posição e uma mensagem contendo o tempo exato da transmissão. O receptor compara esse tempo de transmissão com seu próprio relógio no momento da recepção e multiplica a diferença pela velocidade da luz para obter um " pseudo- intervalo" . Quatro pseudo-intervalos são necessários para obter o tempo preciso e a posição do receptor dentro de alguns metros. Métodos mais sofisticados, como a cinemática em tempo real (RTK), podem render posições em alguns milímetros.

Em geodésia, o GNSS é usado como uma ferramenta econômica para levantamento topográfico e transferência de tempo . Ele também é usado para monitorar a rotação da Terra , o movimento polar e a dinâmica da crosta terrestre . A presença do sinal GPS no espaço também o torna adequado para determinação de órbita e rastreamento satélite a satélite.

Exemplos: GPS , GLONASS , Galileo
Técnicas Doppler

O posicionamento Doppler envolve o registro do deslocamento Doppler de um sinal de rádio de frequência estável emitido por um satélite à medida que o satélite se aproxima e se afasta do observador. A frequência observada depende da velocidade radial do satélite em relação ao observador, que é restringida pela mecânica orbital . Se o observador conhece a órbita do satélite, o registro do perfil Doppler determina a posição do observador. Por outro lado, se a posição do observador for conhecida com precisão, então a órbita do satélite pode ser determinada e usada para estudar a gravidade da Terra. No DORIS , a estação terrestre emite o sinal e o satélite recebe.

Exemplos: Transit , DORIS , Argos

Triangulação óptica

Na triangulação óptica, o satélite pode ser usado como um alvo muito alto para a triangulação e pode ser usado para determinar a relação geométrica entre várias estações de observação. A triangulação óptica com as câmeras BC-4, PC-1000, MOTS ou Baker Nunn consistia em observações fotográficas de um satélite, ou luz intermitente no satélite, contra um fundo de estrelas. As estrelas, cujas posições foram determinadas com precisão, forneceram uma estrutura na chapa fotográfica ou no filme para a determinação de direções precisas da estação da câmera ao satélite. O trabalho de posicionamento geodésico com câmeras geralmente era realizado com uma câmera observando simultaneamente com uma ou mais outras câmeras. Os sistemas de câmeras dependem do clima e esse é um dos principais motivos pelos quais eles caíram em desuso na década de 1980.

Faixa fotográfica ANNA 1B tirada pela estação MOTS de Santiago ( Chile ) em 11 de novembro de 1962
Exemplos: PAGEOS , Projeto Echo , ANNA 1B

Alcance do laser

No alcance do laser por satélite (SLR), uma rede global de estações de observação mede o tempo de ida e volta do voo de pulsos ultracurtos de luz para satélites equipados com retrorefletores . Isso fornece medições de alcance instantâneo de precisão de nível milimétrico que podem ser acumuladas para fornecer parâmetros de órbita precisos, parâmetros de campo de gravidade (das perturbações da órbita), parâmetros de rotação da Terra, deformações da maré da Terra, coordenadas e velocidades de estações SLR e outros dados geodésicos substanciais. O alcance do laser de satélite é uma técnica geodésica comprovada com potencial significativo para contribuições importantes para estudos científicos do sistema Terra / Atmosfera / Oceanos. É a técnica mais precisa atualmente disponível para determinar a posição geocêntrica de um satélite da Terra, permitindo a calibração precisa de altímetros de radar e separação de deriva de instrumentação de longo prazo de mudanças seculares na topografia da superfície do oceano . O alcance do laser de satélite contribui para a definição dos referenciais terrestres internacionais ao fornecer informações sobre a escala e a origem do referencial, as chamadas coordenadas do geocentro.

Exemplo: LAGEOS

Métodos espaço-terra

Altimetria

Este gráfico mostra o aumento do nível do mar global (em milímetros) medido pela missão de altímetro oceânico da NASA / CNES TOPEX / Poseidon (à esquerda) e sua missão subsequente Jason-1 . Crédito da imagem: Universidade do Colorado

Satélites como Seasat (1978) e TOPEX / Poseidon (1992-2006) usaram avançados altímetros de radar de banda dupla para medir a altura da superfície da Terra (mar, gelo e superfícies terrestres) de uma espaçonave . Jason-1 começou em 2001, Jason-2 em 2008 e Jason-3 em janeiro de 2016. Essa medição, juntamente com elementos orbitais (possivelmente aumentados por GPS), permite a determinação do terreno . Os dois comprimentos de onda diferentes das ondas de rádio usados ​​permitem que o altímetro corrija automaticamente os atrasos variáveis ​​na ionosfera .

Altímetros de radar espaciais provaram ser excelentes ferramentas para mapear a topografia da superfície do oceano , as colinas e vales da superfície do mar. Esses instrumentos enviam um pulso de microondas à superfície do oceano e registram o tempo que leva para retornar. Um radiômetro de microondas corrige qualquer atraso que possa ser causado pelo vapor d'água na atmosfera . Outras correções também são necessárias para levar em conta a influência dos elétrons na ionosfera e na massa de ar seco da atmosfera. A combinação desses dados com a localização precisa da espaçonave torna possível determinar a altura da superfície do mar em alguns centímetros (cerca de uma polegada). A força e a forma do sinal de retorno também fornecem informações sobre a velocidade do vento e a altura das ondas do mar. Esses dados são usados ​​em modelos oceânicos para calcular a velocidade e a direção das correntes oceânicas e a quantidade e localização do calor armazenado no oceano, que por sua vez revela as variações climáticas globais .

Altimetria a laser

Um altímetro a laser usa o tempo de vôo de ida e volta de um feixe de luz em comprimentos de onda ópticos ou infravermelhos para determinar a altitude da espaçonave ou, inversamente, a topografia do solo.

Exemplos: ICESat , MOLA .
Altimetria de radar

Um altímetro de radar usa o tempo de vôo de ida e volta de um pulso de micro-ondas entre o satélite e a superfície da Terra para determinar a distância entre a espaçonave e a superfície. A partir dessa distância ou altura, os efeitos locais da superfície, como marés, ventos e correntes, são removidos para obter a altura do satélite acima do geóide. Com uma efeméride precisa disponível para o satélite, a posição geocêntrica e a altura elipsoidal do satélite estão disponíveis para qualquer momento de observação. É então possível calcular a altura do geóide subtraindo a altitude medida da altura elipsoidal. Isso permite a medição direta do geóide, uma vez que a superfície do oceano segue de perto o geóide. A diferença entre a superfície do oceano e o geóide real dá a topografia da superfície do oceano .

Exemplos: Seasat , Geosat , TOPEX / Poseidon , ERS-1 , ERS-2 , Jason-1 , Jason-2 , Envisat , SWOT (satélite)

Radar de abertura sintética interferométrica (InSAR)

O radar interferométrico de abertura sintética (InSAR) é uma técnica de radar usada em geodésia e sensoriamento remoto . Este método geodésico usa duas ou mais imagens de radar de abertura sintética (SAR) para gerar mapas de deformação de superfície ou elevação digital , usando diferenças na fase das ondas que retornam ao satélite. A técnica pode medir potencialmente mudanças na escala centimétrica na deformação ao longo de períodos de dias a anos. Possui aplicações para monitoramento geofísico de riscos naturais, por exemplo, terremotos, vulcões e deslizamentos de terra, e também em engenharia estrutural, em particular monitoramento de subsidência e estabilidade estrutural.

Exemplo: Seasat , TerraSAR-X

Métodos espaço-a-espaço

Gradiometria de gravidade

Um gradiômetro de gravidade pode determinar independentemente os componentes do vetor de gravidade em tempo real. Um gradiente de gravidade é simplesmente a derivada espacial do vetor de gravidade. O gradiente pode ser pensado como a taxa de variação de um componente do vetor de gravidade medida em uma pequena distância. Portanto, o gradiente pode ser medido determinando a diferença de gravidade em dois pontos próximos, mas distintos. Este princípio está incorporado em vários instrumentos de base móvel recentes. O gradiente de gravidade em um ponto é um tensor , pois é a derivada de cada componente do vetor de gravidade tomado em cada eixo sensível. Assim, o valor de qualquer componente do vetor de gravidade pode ser conhecido ao longo de todo o caminho do veículo se gradiômetros de gravidade forem incluídos no sistema e suas saídas forem integradas pelo computador do sistema. Um modelo de gravidade preciso será calculado em tempo real e um mapa contínuo de gravidade normal, elevação e gravidade anômala estará disponível.

Exemplo: GOCE

Rastreamento satélite a satélite

Esta técnica usa satélites para rastrear outros satélites. Existem várias variações que podem ser usadas para fins específicos, como investigações de campo gravitacional e melhoria da órbita .

  • Um satélite de alta altitude pode atuar como um retransmissor de estações de rastreamento no solo para um satélite de baixa altitude . Desta forma, satélites de baixa altitude podem ser observados quando não são acessíveis às estações terrestres. Neste tipo de rastreamento, um sinal gerado por uma estação de rastreamento é recebido pelo satélite retransmissor e então retransmitido para um satélite de altitude inferior. Este sinal é então devolvido à estação terrestre pelo mesmo caminho.
  • Dois satélites de baixa altitude podem rastrear um ao outro observando variações orbitais mútuas causadas por irregularidades do campo gravitacional. Um excelente exemplo disso é GRACE .
  • Vários satélites de alta altitude com órbitas conhecidas com precisão, como satélites GPS , podem ser usados ​​para fixar a posição de um satélite de baixa altitude.


Esses exemplos apresentam algumas das possibilidades de aplicação do rastreamento satélite a satélite. Os dados de rastreamento satélite a satélite foram primeiro coletados e analisados ​​em uma configuração alto-baixo entre ATS-6 e GEOS-3 . Os dados foram estudados para avaliar seu potencial para o refinamento do modelo de órbita e gravitacional.

Exemplo: GRACE
Rastreamento GNSS
Exemplos: CHAMP , GOCE

Lista de satélites geodésicos

Veja também

Referências

Atribuição

Este artigo incorpora texto de uma publicação agora em domínio público : Defense Mapping Agency (1983). Geodésia para o Layman (PDF) (Relatório). Força Aérea dos Estados Unidos.

Leitura adicional

links externos