6d. Techniky kosmické geodézie (družicová altimetrie) Aleš Bezděk

Transkript

1 6d. Techniky kosmické geodézie (družicová altimetrie) Aleš Bezděk Teoretická geodézie 4 FSV ČVUT 2017/2018 LS 1

2 Co je družicová altimetrie? Družicová technika založená na radarovém snímání mořské hladiny: Radar na družici vysílá signál=krátké pulsy (nanosekundy) o frekvenci cca 14 GHz s opakováním 1kHz. Signál se odráží od mořské hladiny a podle okamžitých podmínek (vítr, velikost vln) je během několika milisekund v určitém stavu přijímán na družici. Vrácený signál je na družici analyzován s ohledem na: tranzitní čas tvar přijaté vlny energii odraženého signálu

3 Altimetrické měření Typické charakteristiky Frekvence 13.5 GHz Trvání pulsu 12.5 nsec Transitní čas 5 msec Opakování pulsu 1000 Hz Výška družice km stopa (footprint) 2-11 km Z analýzy přijatého signálu máme: tranzitní čas vzdálenost k mořské hladině sklon výška vln energie rychlost větru Proč 13.5 GHz?

4 Signál altimetrického měření Teoretický model Realita z ENVISATu Klidná hladina Vliv vln

5 Korekce altimetrického měření Na signál působí celá řada vlivů různého druhu: Chyba v určení dráhy (hlavně radiální složka) Vlivy v aparatuře Časové zpoždění v elektronice Chyba hodin (oscilátoru) Posun fázového centra Měření není v těžišti družice Chyba v měření z přirazení nesprávného času Doppler. posun přijatého signálu Atmosférické vlivy, refrakce ionosférická troposférická Vlivy na hladině oceánu slapy a slapové deformace, elektromagnetický šum=sedla a vrcholy vln odráží signál různě barometrický efekt, změny tlaku mění výšku vodního sloupce

6 Základní rovnice altimetrického měření Pokud altimetrické měření opravíme o předchozí výčet korekcí, dostáváme pro délku průvodiče družice r: r = R + DOT + N + r e (*) Kde: R měřená délka DOT dynamická topografie oceánu (±2 m) N odlehlost geoidu (±100 m) r e průvodič k povrchu elipsoidu Neznámé jsou N, DOT. Pokud máme model geoidu N, lze určovat DOT tzv. geodetický způsob určení topografie oceánu.

7 Historie měření družicové altimetrie Sahá až do 70. let, přičemž nejúspěšnější altimetrickou misí je dosud TOPEX/Poseidon. Tato mise prolomila hranici 10 cm v přesnosti měření a umožnila studium klimatických jevů spojených s výškou hladiny oceánu (El Niño, La Niña) Geodetická fáze, viz dále

8 Dráha a měření Sklon dráhy pokud bude nízký, nepokryje družice svým měření dostatečně povrch Země (oceánů), TOPEX/Poseidon (I=66 ), ERS-1(I=98.5 ), Geosat, GFO (108 ) Výška družice nízká dráha by trpěla silným odporem atmosféry, vysoká zase Van Allenovými pásy nabitých částic. V altimetrii obvykle km Excentricita dráhy používají se téměř kruhové dráhy Opakování dráhy (repeat cycle) celkové nastavení dráhy má vliv na vzorkování Země měřením, např. TOPEX/Poseidon se vracel za 10 dnů na totožné místo (obrázek ukazuje různou repeat periodu) ERM: oceánografická fáze, cílem je pravidelné opakování s kratší periodou, ale méně hustým pokrytím povrchu subsatelitními body GM: geodetická fáze, cílem je husté pokrytí povrchu, perioda opakování musí být delší ERM/GM Geosat 17/535 dnů ERS 35/168 dnů

9 TOPEX/Poseidon 13 let činnosti (srpen 1992 říjen 2005) Rozestup groundtrack 310km Přesná dráha (4cm) díky SLR, DORIS and GPS Dvoufrekvenční sensor (=>eliminace ionosféry) Nízkoexcentrická dráha, sklon dráhy i=66.0 H=800 km Navazující mise: Jason1 Cyklus měření(opakování) 10 dnů... během 10 dní se vrátí na stejné místo a pokryje tak měřením celou Zemi => vhodné pro sledování krátkoperiodických jevů

10 Současné mise: Jason-1, Jason-2 GPS anténa Laserový odražeč Projekt USA a Francie Pokračování mise TOPEX/Poseidon v činnosti od 2001(Jason-1) a 2008(Jason-2) dráha - SLR, DORIS and GPS 2 frekvence (=>eliminace ionosféry) Nízkoexcentrická dráha, sklon dráhy i=66.0 H=1336 km Cyklus měření 10 dnů Cíle: Měření výšky hladiny oceánů Sezónní klimatické změny (El Niño) Měření rychlosti větru a výšky vln Příspěvek ke studiu gravitačního pole

11 Současné mise: ENVISAT (Enviromental satellite) DORIS anténa Laserový odražeč Projekt ESA (European Space Agency) Pokračování mise ERS-1, ERS-2 v činnosti od 2002 dráha - SLR, DORIS 2 frekvence altimetru GHz & 3.2GHz Nízkoexcentrická dráha, sklon dráhy i=98.5 H=800 km, heliosynchronní dráha Cyklus měření 35 dnů Cíle: Sledování klimatických procesů v oceánech, na ledová pokrývce, v atmosféře + vzájemné interakce Sledování vegetace, znečištění atmosféry a vod Mapování topografie a mnoho dalšího

12 Současné mise: Cryosat-2 Startracker Laserový odražeč DORIS anténa Projekt ESA (European Space Agency) Pokračování mise ERS-1, ERS-2, v činnosti od 2010 dráha - SLR, DORIS, startracker(orientace) 1 frekvence altimetru GHz Nízkoexcentrická dráha, sklon dráhy i=92 H=717 km Cyklus měření 369 dnů Cíle: Sledování globálního oteplování, tloušťka ledové pokrývky Vliv tání ledovců na výšku hladiny oceánů cryosat

13 Současné mise: ERS-2 (Earth Remote Sensing) Laserový odražeč PRARE Projekt ESA (European Space Agency) Pokračování mise ERS-1 v činnosti od 1995 dráha - SLR, PRARE, startracker (orientace) 1 frekvence altimetru GHz Nízkoexcentrická dráha, sklon dráhy i=98.5 H=800 km Cyklus měření 35 dnů Cíle: Multiúčelová mise dálkový průzkum Země: monitoring topografie+vegetace, oceánů a ledové pokrývka, atmosféry (obsah ozónu)...

14 Laserový svazek je koheretní a zachytí tedy větší detaily ICESat - Laserová altimetrie ICESat= Ice, Cloud and land Elevation Satellite Projekt NASA v činnosti od 2004 GLAS laserový dálkoměr (altimetr) dráha SLR, GPS sklon dráhy i=94, H=600 km Cyklus měření 183 dnů Cíle: Topografie ledové pokrývky, oceánů... Časové změny topografie Výška oblačnosti Obsah aerosolů v atmosféře

15 Princip měření je založený na signálu GNSS družice (GPS, GLONASS, Galileo), který je po odrazu od mořské hladiny přijat na nízkoletící družici (případně letadle). Technika je stále ve vývoji a testování, zatím přesností nestačí radiální altimetrii V porovnání s klasickou altimetrií by mohla, díky vícenasobným odrazům, přinést mnohonásobně více dat GNSS altimetrie

16 Altimetrická DATA Altimetrická data jsou buď volně dostupná nebo poskytnuta uživatelům s přijatým vědeckým projektem u ESA. Mission Geosat Cycle [8days] GM & ERM(17) Provider Access Medium Volume [GByte] NOAA Free CD-ROM ~ 6.5 ERS-1 3,35,168 ESA Accepted proposal 1) DVD, ftp ~ 30.0 TOPEX/Pose idon 9,9516 CNES/JPL Free CD-ROM DVD, ftp ~ 80.0 ERS-2 35 ESA Accepted proposal 1) DVD, ftp ~ 55.0 GFO 17 NOAA Free DVD, ftp ~ 35.0 Jason1 9,9516 CNES/JPL Free DVD, ftp ~ 20.0 ENVISAT 35 ESA Accepted proposal 1) DVD, ftp ~ 1200 (Bosch W., DGFI, 2006)

17 Aplikace družicové altimetrie geodézie oceánský geoid, tíhové anomálie oceánografie slapy, mořské proudění, zvyšování hladiny oceánů kryosféra tloušťka ledu klimatologie El Niño, sezónní oscilace hydrologie a další geovědy

18 Oceánský geoid a tíhová anomálie Odhlehlost geoidu Tíhová anomálie

19 Různé: batymetrie (určení hloubky oceánů) Batymetrie (z řeckého βαθυς, hloubka, μετρον, míra) je obor zabývající se měřením hloubky moře. Máme-li tíhovou anomálii, pak můžeme z korelace mezi tíhovou anomálí a topografií odhadnout hloubku oceánů

20 Různé: vzestup střední hladiny oceánů Družicová altimetrie již takřka 20 let sbírá velmi přesná data o geometrii hladiny oceánu a patří mezi hlavní zdroje informací o klimatických změnách. Jak je vidět z obrázku, vzestup hladiny oceánu/moří není na zemském povrchu rovnoměrný. Geografický pohled Globální střední hodnota vzestupu hladiny moří