Geodesia satelital - Satellite geodesy
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La geodesia satelital es la geodesia por medio de satélites artificiales : la medición de la forma y dimensiones de la Tierra , la ubicación de los objetos en su superficie y la figura del campo gravitatorio de la Tierra por medio de técnicas de satélites artificiales. Pertenece al campo más amplio de la geodesia espacial . Tradicional geodesia astronómica se no considera comúnmente una parte de la geodesia por satélite, aunque existe una considerable superposición entre las técnicas.
Los principales objetivos de la geodesia satelital son:
- Determinación de la figura de la Tierra, posicionamiento y navegación (geodesia geométrica satelital)
- Determinación del geoide , el campo de gravedad de la Tierra y sus variaciones temporales (geodesia satelital dinámica o geodesia física satelital )
- Medición de fenómenos geodinámicos , como la dinámica de la corteza y el movimiento polar.
Los datos y métodos geodésicos satelitales se pueden aplicar a diversos campos, como la navegación , la hidrografía , la oceanografía y la geofísica . La geodesia satelital se basa en gran medida en la mecánica orbital .
Historia
Primeros pasos (1957-1970)
La geodesia por satélite comenzó poco después del lanzamiento del Sputnik en 1957. Las observaciones de Explorer 1 y Sputnik 2 en 1958 permitieron una determinación precisa del aplanamiento de la Tierra . La década de 1960 vio el lanzamiento del satélite Doppler Transit-1B y los satélites de globos Echo 1 , Echo 2 y PAGEOS . El primer satélite geodésico dedicado fue ANNA-1B, un esfuerzo de colaboración entre la NASA , el Departamento de Defensa y otras agencias civiles. ANNA-1B llevaba el primero de los instrumentos SECOR (Sequential Collation of Range) del Ejército de EE. UU . Estas misiones llevaron a la determinación precisa de los principales coeficientes armónicos esféricos del geopotencial, la forma general del geoide , y vincularon los datums geodésicos del mundo.
Los satélites militares soviéticos llevaron a cabo misiones geodésicas para ayudar en la selección de misiles balísticos intercontinentales a finales de la década de 1960 y principios de la de 1970.
Hacia el sistema geodésico mundial (1970-1990)
El sistema de satélites Transit se utilizó ampliamente para levantamientos, navegación y posicionamiento Doppler. Las observaciones de satélites en la década de 1970 por redes de triangulación mundiales permitieron el establecimiento del Sistema Geodésico Mundial . El desarrollo del GPS por parte de los Estados Unidos en la década de 1980 permitió una navegación y un posicionamiento precisos y pronto se convirtió en una herramienta estándar en la topografía. En las décadas de 1980 y 1990, la geodesia satelital comenzó a usarse para monitorear fenómenos geodinámicos , como el movimiento de la corteza , la rotación de la Tierra y el movimiento polar .
Era moderna (1990-presente)
La década de 1990 se centró en el desarrollo de redes geodésicas permanentes y marcos de referencia. Se lanzaron satélites dedicados para medir el campo de gravedad de la Tierra en la década de 2000, como CHAMP , GRACE y GOCE .
Técnicas de medición
Las técnicas de geodesia satelital pueden clasificarse por plataforma de instrumentos: Un satélite puede
- ser observado con instrumentos terrestres ( métodos Tierra-espacio ),
- llevar un instrumento o sensor como parte de su carga útil para observar la Tierra ( métodos espacio-Tierra ),
- o utilizar sus instrumentos para rastrear o ser rastreados por otro satélite ( métodos espacio-espacio ).
Métodos tierra-espacio (seguimiento por satélite)
Técnicas de radio
Los sistemas globales de navegación por satélite son servicios de posicionamiento por radio dedicados, que pueden localizar un receptor a pocos metros. El sistema más destacado, GPS , consta de una constelación de 31 satélites (a diciembre de 2013) en órbitas circulares altas de 12 horas, distribuidas en seis planos con inclinaciones de 55 ° . El principio de ubicación se basa en la trilateración . Cada satélite transmite una efeméride precisa con información sobre su propia posición y un mensaje que contiene la hora exacta de transmisión. El receptor compara este tiempo de transmisión con su propio reloj en el momento de la recepción y multiplica la diferencia por la velocidad de la luz para obtener un " pseudodistancia ". Se necesitan cuatro pseudorrangos para obtener la hora precisa y la posición del receptor en unos pocos metros. Los métodos más sofisticados, como la cinemática en tiempo real (RTK), pueden producir posiciones en unos pocos milímetros.
En geodesia, GNSS se utiliza como una herramienta económica para topografía y transferencia de tiempo . También se utiliza para monitorear la rotación de la Tierra , el movimiento polar y la dinámica de la corteza . La presencia de la señal GPS en el espacio también lo hace adecuado para la determinación de la órbita y el seguimiento de satélite a satélite.
Técnicas Doppler
El posicionamiento Doppler implica registrar el desplazamiento Doppler de una señal de radio de frecuencia estable emitida por un satélite cuando el satélite se acerca y se aleja del observador. La frecuencia observada depende de la velocidad radial del satélite en relación con el observador, que está limitada por la mecánica orbital . Si el observador conoce la órbita del satélite, el registro del perfil Doppler determina la posición del observador. Por el contrario, si la posición del observador se conoce con precisión, entonces la órbita del satélite se puede determinar y utilizar para estudiar la gravedad de la Tierra. En DORIS , la estación terrestre emite la señal y el satélite la recibe.
Triangulación óptica
En la triangulación óptica, el satélite se puede utilizar como un objetivo muy alto para la triangulación y se puede utilizar para determinar la relación geométrica entre múltiples estaciones de observación. La triangulación óptica con las cámaras BC-4, PC-1000, MOTS o Baker Nunn consistió en observaciones fotográficas de un satélite, o luz intermitente en el satélite, sobre un fondo de estrellas. Las estrellas, cuyas posiciones se determinaron con precisión, proporcionaron un marco en la placa o película fotográfica para determinar las direcciones precisas desde la estación de la cámara hasta el satélite. El trabajo de posicionamiento geodésico con cámaras generalmente se realizaba con una cámara observando simultáneamente con una o más cámaras. Los sistemas de cámaras dependen del clima y esa es una de las principales razones por las que dejaron de usarse en la década de 1980.
- Ejemplos: PAGEOS , Project Echo , ANNA 1B
Alcance láser
En el rango de láser por satélite (SLR), una red global de estaciones de observación mide el tiempo de ida y vuelta de vuelo de pulsos de luz ultracortos a satélites equipados con retrorreflectores . Esto proporciona mediciones de rango instantáneo de precisión de nivel milimétrico que se pueden acumular para proporcionar parámetros de órbita precisos, parámetros de campo de gravedad (de las perturbaciones de la órbita), parámetros de rotación de la Tierra, deformaciones de las mareas de la Tierra, coordenadas y velocidades de las estaciones SLR y otros datos geodésicos sustanciales. La medición por láser de satélite es una técnica geodésica probada con un potencial significativo para importantes contribuciones a los estudios científicos del sistema Tierra / Atmósfera / Océanos. Es la técnica más precisa disponible actualmente para determinar la posición geocéntrica de un satélite terrestre, lo que permite la calibración precisa de los altímetros de radar y la separación de la deriva de la instrumentación a largo plazo de los cambios seculares en la topografía de la superficie del océano . El alcance láser por satélite contribuye a la definición de los marcos de referencia terrestres internacionales proporcionando la información sobre la escala y el origen del marco de referencia, las llamadas coordenadas del geocentro.
- Ejemplo: LAGEOS
Métodos espacio-Tierra
Altimetría
Los satélites como Seasat (1978) y TOPEX / Poseidon (1992-2006) utilizaron altímetros de radar avanzados de doble banda para medir la altura de la superficie de la Tierra (mar, hielo y superficies terrestres) desde una nave espacial . Jason-1 comenzó en 2001, Jason-2 en 2008 y Jason-3 en enero de 2016. Esa medición, junto con elementos orbitales (posiblemente aumentados por GPS), permite la determinación del terreno . Las dos longitudes de onda diferentes de ondas de radio utilizadas permiten que el altímetro corrija automáticamente los diferentes retrasos en la ionosfera .
Los altímetros de radar espaciales han demostrado ser excelentes herramientas para cartografiar la topografía de la superficie del océano , las colinas y los valles de la superficie del mar. Estos instrumentos envían un pulso de microondas a la superficie del océano y registran el tiempo que tarda en regresar. Un radiómetro de microondas corrige cualquier retraso que pueda ocasionar el vapor de agua en la atmósfera . También se requieren otras correcciones para tener en cuenta la influencia de los electrones en la ionosfera y la masa de aire seco de la atmósfera. La combinación de estos datos con la ubicación precisa de la nave espacial permite determinar la altura de la superficie del mar con una precisión de unos pocos centímetros (aproximadamente una pulgada). La fuerza y la forma de la señal de retorno también proporciona información sobre la velocidad del viento y la altura de las olas del océano. Estos datos se utilizan en modelos oceánicos para calcular la velocidad y dirección de las corrientes oceánicas y la cantidad y ubicación del calor almacenado en el océano, que a su vez revela variaciones climáticas globales .
Altimetría láser
Un altímetro láser utiliza el tiempo de vuelo de ida y vuelta de un rayo de luz en longitudes de onda ópticas o infrarrojas para determinar la altitud de la nave espacial o, a la inversa, la topografía del suelo.
Altimetría de radar
Un altímetro de radar utiliza el tiempo de vuelo de ida y vuelta de un pulso de microondas entre el satélite y la superficie de la Tierra para determinar la distancia entre la nave espacial y la superficie. A partir de esta distancia o altura, los efectos de la superficie local como las mareas, los vientos y las corrientes se eliminan para obtener la altura del satélite sobre el geoide. Con una efeméride precisa disponible para el satélite, la posición geocéntrica y la altura elipsoidal del satélite están disponibles para cualquier tiempo de observación dado. Entonces es posible calcular la altura del geoide restando la altitud medida de la altura elipsoidal. Esto permite la medición directa del geoide, ya que la superficie del océano sigue de cerca al geoide. La diferencia entre la superficie del océano y el geoide real da la topografía de la superficie del océano .
- Ejemplos: Seasat , Geosat , TOPEX / Poseidon , ERS-1 , ERS-2 , Jason-1 , Jason-2 , Envisat , SWOT (satélite)
Radar interferométrico de apertura sintética (InSAR)
El radar interferométrico de apertura sintética (InSAR) es una técnica de radar utilizada en geodesia y teledetección . Este método geodésico utiliza dos o más imágenes de radar de apertura sintética (SAR) para generar mapas de deformación de la superficie o elevación digital , utilizando diferencias en la fase de las ondas que regresan al satélite. La técnica puede medir potencialmente cambios en la deformación a escala de centímetros a lo largo de períodos de tiempo de días a años. Tiene aplicaciones para el monitoreo geofísico de peligros naturales, por ejemplo, terremotos, volcanes y deslizamientos de tierra, y también en ingeniería estructural, en particular monitoreo de hundimientos y estabilidad estructural.
- Ejemplo: Seasat , TerraSAR-X
Métodos espacio-espacio
Gradiometría de gravedad
Un gradiómetro de gravedad puede determinar de forma independiente los componentes del vector de gravedad en tiempo real. Un gradiente de gravedad es simplemente la derivada espacial del vector de gravedad. El gradiente se puede considerar como la tasa de cambio de un componente del vector de gravedad medido en una pequeña distancia. Por lo tanto, el gradiente se puede medir determinando la diferencia de gravedad en dos puntos cercanos pero distintos. Este principio está incorporado en varios instrumentos recientes de base móvil. El gradiente de gravedad en un punto es un tensor , ya que es la derivada de cada componente del vector de gravedad tomado en cada eje sensible. Así, el valor de cualquier componente del vector de gravedad puede conocerse a lo largo de la trayectoria del vehículo si se incluyen gradiómetros de gravedad en el sistema y sus salidas están integradas por la computadora del sistema. Se calculará un modelo de gravedad preciso en tiempo real y estará disponible un mapa continuo de gravedad normal, elevación y gravedad anómala.
- Ejemplo: GOCE
Seguimiento de satélite a satélite
Esta técnica utiliza satélites para rastrear otros satélites. Hay una serie de variaciones que pueden utilizarse para fines específicos, como investigaciones de campo gravitatorio y mejora de la órbita .
- Un satélite de gran altitud puede actuar como un relé de las estaciones de seguimiento en tierra a un satélite de baja altitud . De esta manera, los satélites de baja altitud pueden observarse cuando no son accesibles a las estaciones terrestres. En este tipo de seguimiento, el satélite de retransmisión recibe una señal generada por una estación de seguimiento y luego la retransmite a un satélite de menor altitud. Esta señal luego se devuelve a la estación terrestre por el mismo camino.
- Dos satélites de baja altitud se pueden rastrear entre sí observando las variaciones orbitales mutuas causadas por las irregularidades del campo de gravedad. Un buen ejemplo de esto es GRACE .
- Se pueden utilizar varios satélites de gran altitud con órbitas conocidas con precisión, como los satélites GPS , para fijar la posición de un satélite de baja altitud.
Estos ejemplos presentan algunas de las posibilidades para la aplicación del seguimiento de satélite a satélite. Los datos de seguimiento de satélite a satélite se recopilaron y analizaron primero en una configuración alto-bajo entre ATS-6 y GEOS-3 . Los datos se estudiaron para evaluar su potencial para el refinamiento del modelo gravitacional y de la órbita.
- Ejemplo: GRACIA
Seguimiento GNSS
Lista de satélites geodésicos
- ANNA-1B
- Beidou
- BLITS
- MORDER
- Diadème
- Eco
- Envisat
- ERS-1
- ERS-2
- Etalon
- Carga útil geodésica experimental "Ajisai"
- Programa explorador
- Galileo
- Geo-IK-2
- GEOS-3
- Geosat
- Seguimiento de Geosat
- GFZ-1
- GLONASS
- GRACIA
- GOCE
- GPS
- ICESat-1
- ICESat-2
- LAGEOS
- LARES
- Larets
- H-IIA - LRE
- PAGEOS
- Seasat
- Starlette y Stella
- TOPEX / Poseidón
- TRÁNSITO
- WESTPAC
Ver también
Referencias
Atribución
Este artículo incorpora texto de una publicación que ahora es de dominio público : Defense Mapping Agency (1983). Geodesia para el profano (PDF) (Informe). Fuerza Aérea de los Estados Unidos.
Otras lecturas
- Smith, David E. y Turcotte, Donald L. (eds.) (1993) Contribuciones de la geodesia espacial a la geodinámica: Crustal Dynamics Vol 23, Earth Dynamics Vol 24, Technology Vol 25, American Geophysical Union Geodynamics Series ISSN 0277-6669
- François Barlier; Michel Lefebvre (2001), Una nueva mirada al planeta Tierra: geodesia satelital y geociencias (PDF) , Kluwer Academic Publishers