6a. Techniky kosmické geodézie (úvod, Doppler) Aleš Bezděk

Transkript

1 6a. ehniky kosmiké geodézie (úvod, Doppler) Aleš Bezděk eoretiká geodézie 4 FSV ČVU 2017/2018 LS 1

2 Přehled pozorovaíh přístrojů a metod Umělé družie země (UDZ) při pozorování ze zemského povrhu většinou málo jasné objekty s velkými úhlovými ryhlostmi (až 1 /s) radiálními ryhlostmi (3.5 km/s) dráhovými geoentrikými ryhlostmi (7.6 km/s) Z tohoto plynou základní požadavky na pozorovaí metody a přístroje Dalším požadavkem je nutnost mít pro časy pozorování: směry a přibližné vzdálenosti tzv. eemeridy pro pozorovaí místo s požadovanou přesností Eemeridy se počítají pomoí přibližnýh elementů dráhy a jejih časovýh změn např. NASA WO LINE elementy (LE=two line elements) 2

3 Rozdělení metod podle umístění observační tehnologie: Přístroj na zemském povrhu, na družii nebo přirozeném tělese je pouze pasivní zařízení dřívější metody: vizuální pozorování, otograiké metody, dnešní: laserový družiový dálkoměr (SLR), radar, radiointererometrie z velmi dlouhýh základen (VLBI) Přístroj je na zemském povrhu, na družii je aktivní zařízení z dřívějšíh metod: otograiká pozorování zábleskovýh druži, dopplerovská pozorování RANSI dnešní: jednosměrný dálkoměr (GPS NAVSAR, GLONASS, Galileo), dopplerovská pozorování (DORIS, PRARE) Altimetrie družie vysílá signál, který se odráží od zemského povrhu Pozorování mezi družiemi (satellite-to-satellite traking) pozorovaí systémy na družiíh (CHAMP, GRACE, GOCE). 3

4 1) Optiké metody nevýhoda: závislé na počasí Rozdělení metod podle používaného pásma elektromagnetikého záření: Obvykle se nevyžadují složitá zařízení na družii buď je tam pouze pasivní zařízení, nebo jednoduhé aktivní zařízení. 2) Radiotehniké metody na počasí praktiky nezávisí přístroje se snáze miniaturizují pro tranportovatelné verze Vyjma dvou metod (radar, VLBI) vyžadují speiální vybavení na družiíh buď vysílače kódu (tj. signály určité struktury) nebo přijímače kódu nebo spojení obou transpondery, které přijímají signály ze Země a po případné úpravě jej vysílají zpět. nevýhoda: oproti optikým metodám jejih měření jsou ovlivněna obsahem volnýh nabitýh části elektronů a iontů v atmoséře 4

5 Shrnutí přesnosti metod kosmiké geodézie radar (rádiová; LE) - určuje směry a vzdálenosti ke družiíh pomoí rádiovýh impulsů, přesnost směrů je v úhlovýh minutáh, délek v desítkáh metrů otograiká pozorování (optiká) dnes historiká metoda určuje směry k družii (hodinový úhel t, resp. rektasenzi α a deklinai δ) navázáním na hvězdy, přesnost směrů je 2 až 6, ázový dálkoměr (rádiová; GNSS) určuje vzdálenost z rozdílu modulae vysílaného a přijímaného signálu, upraveného transponderem dnes je využit ve spojení s jednosměrným dálkoměrem, přesnost v jednotkáh m, jednosměrný dálkoměr (rádiová; GNSS) určuje vzdálenosti z rozdílu časů radiotehniký systém, založený na pseudonáhodné modulai, která přenáší inormai o okamžiku vysílání signálu z družie, přesnost v jednotkáh m, dopplerovská metoda (rádiová; DORIS) využívá změny kmitočtu, ke které dohází, když se mění vzdálenost vysílače a přijímače. Přesnost měření časové změny vzdálenosti pozorovatel družie je 0.4 mm/se. laserový družiový dálkoměr (optiká; SLR) prinip měření vzdáleností je založen na využití impulsního laseru. V současné době jedna ze dvou nejpřesnějšíh tehnik: lasery III. generae určují vzdálenosti s přesností 1-3 m, je snaha o dosažení 0.5 m. radiointererometrie z velmi dlouhýh základen (rádiová; VLBI) pro tuto metodu je podstatné použití nejméně dvou stejnýh přijímaíh zařízení. Porovnáním zahyenýh signálů se získá inormae pro určení prostorovýh vztahů mezi anténami a pozorovaným objektem, který vysílá rádiové záření. Odvozené úhlové veličiny mají přesnost , vzdálenosti stani mají přesnost 2 až 3 m i na vzdálenost tisíů km. 5

6 Radar (Radio Detetion and Ranging = rádiové zjišťování objektu a měření vzdáleností) slouží ke kontrole startů druži průběžné sledování velkého počtu objektů měří vzdálenosti dobou šíření signálu (impulsu) k objektu a zpět směry určuje méně přesně podle orientae azimut a výška antény D = ½ v(t p t v ) kde D je vzdálenost, v ryhlost šíření signálu, t p čas příjmu a t v čas vyslání signálu Využívá se zejména pro zjištění předběžnýh eemerid druži. Přesnost směrů je v úhlovýh minutáh, délek v desítkáh metrů. jeden ze zdrojů dat pro orbitální data druži (LE=two line elements) 6

7 Fotograiká (a CCD) pozorování Směry k UDZ je možné určovat s poměrně vysokou přesností (kolem 2 až 6 ) speiálně upravenými komorami otograiké astrometrie navázáním na směry ke hvězdám, jejihž souřadnie jsou ve velkém počtu obsaženy ve hvězdnýh katalozíh. Fotograiké metody jsou univerzální, stačí aby jakákoliv družie byla osvětlena slunem a stanie byly v nočním stínu, ale existovaly i aktivní Podmínky otograikého pozorování druži (čáry vyházejíí z S vyznačují použitelné zenitové vzdálenosti) 7

8 Fotograiká (CCD) pozorování K výpočtu polohy družie mezi hvězdami se používá metod klasiké otograiké astrometrie a) Ze známýh souřadni hvězd α,δ se vypočítají ideální snímkové souřadnie hvězd b) Proměřením snímku se získají měřené snímkové souřadnie hvězd a družie ) Lineární rovinnou transormaí se určí ideální snímkové souřadnie družie d) Z ideálníh snímkovýh souřadni družie se určí α,δ družie, ze známého času pozorování pak t, δ 8

9 Fotograiké komory 9

10 Dopplerovská pozorování Vyházejí ze známého Dopplerova jevu příjmu jiného kmitočtu R než byl vysílaný, pohybují-li se zdroj a přijímač vzájemnou ryhlostí v. Odvození: vztahy mezi dráhou s, časem t a ryhlostí s = t a vlnovou délkou λ, rekvení a časovým intervalem Δt t 10

11 Dopplerovská pozorování Předpokládejme nejprve, že body a R se vzájemně nepohybují. Bod 2 vlny projde bodem za dobu Δt a bod 2 projde bodem R za dobu Δt R. Pokud se bod vůči bodu R nepohybuje jsou časové intervaly stejné Δt = Δt R. Nehť se nyní bod R vzdaluje od bodu ryhlostí v. Pak bod 2 projde bodem R později v pozii R 11

12 Dopplerovská pozorování Časový interval průhodu jedné vlny je tedy a z toho t Pro rekveni pak platí R Ve vakuu tedy máme t t t t z R 1 R pohybu v t 1 v v 1 2 v 1 1 s t v. t R v R 12

13 Dopplerovská pozorování Známe-li a změříme R, můžeme určit radiální ryhlost v. Z důvodů minimalizae ztrát signálu v ionoséře se pro používá kmitočtu většíh než 100 MHz, nelze snadno měřit dopplerovsky posunutý kmitočet R. Proto se při měření užívá v přijímači směšování s kmitočtem pomoného generátoru G a měří se rozdílový kmitočet Pak lze psát v D G R G Kmitočet D se měří čítačem během nejvýše jednotek sekund. R G D G 13

14 Dopplerovská pozorování 14

15 Dopplerovská pozorování Pokud počítáme periody kmitočtu D po delší dobu (DORIS:10 sek; RANSI: 2 min) dojdeme k integrální Dopplerovské metodě. Rozdíl radiálníh vzdáleností ke družii je D Čas t 1 volíme a čas t 2 určíme tak, aby integrál z D podle dt bylo elé číslo N, pak D 2 kde D 2 D 1 je určený rozdíl vzdálenosti k družii v časeh t 2 a t 1 a N je počet period mezi těmito časy. Změřené hodnoty v nebo D 2 D 1 se musí redukovat o přístrojové opravy, vlivy troposéry a ionoséry a o družiovou aberai. Dosažitelná teoretiká přesnost metody je D 1 D t 2 t 1 vdt N 0.4 mm.s -1 v ryhlosti a 1 až 5 m v rozdílu vzdáleností u integrální metody. Skutečná přesnost je o něo horší, ož je dáno vlivem nejistot v redukíh a šumem v aparatuře. t 2 t 1 D dt t 2 1 G 2 t1 - G t 2 t 1 dt 15

16 DORIS (r. Détermination d'orbite et Radiopositionnement Intégré par Satellite, ang. Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite vyvinutý Franií ve spoluprái s USA primární íl systému: určování přesnýh drah nízko letííh druži ( km) dalším produktem: souřadnie pozemníh stani Na zemi je umístěna sít vysílačů, které vysílají na dvou rekveníh MHz a MHz pro odstranění vlivu ionoséry. Na družii, jejíž dráha se má určit, prauje přijímač signálu, který využívá pro určení polohy dopplerovské metody. Pozemní stanie vyžadují pouze zdroj elektriké energie není nutné připojení k internetu pro přenos dat do datovýh enter, takže jejih rozložení může být rovnoměrné po elém světě. nízké náklady na vybudování stani O umístění stanie rozhoduje řídíí entrum v oulouse ve Franii. 16

17 Dopplerovská pozorování - systém DORIS vysílače tehnologie DORIS 17

18 DORIS Network stanie jsou rozmístěny poměrně rovnoměrně pozorování probíhá v dohledu stanie 18

19 Družiové mise DORIS Družie: Spot-2, -3, -4, -5, opex/poseidon, Jason, ENVISA, Cryosat, Sentinel-3A 19

20 Mezinárodní služba IDS (International DORIS Servie, data, metodologie, výsledky, koordinae 20