Βασίλειος Δ. Ανδριτσάνος Δρ. Αγρονόμος και Τοπογράφος Μηχανικός Α.Π.Θ. Επιστημονικός συνεργάτης Τ.Ε.Ι. Αθήνας

Transcript

1 Βασίλειος Δ. Ανδριτσάνος Δρ. Αγρονόμος και Τοπογράφος Μηχανικός Α.Π.Θ. Επιστημονικός συνεργάτης Τ.Ε.Ι. Αθήνας

2 Περιεχόμενα Το αντικείμενο της Δορυφορικής Γεωδαισίας Ορισμός Σύνδεση με την κλασική Γεωδαισία Δορυφορική Γεωδαισία και Γεωεπιστήμες Αρχές και κατηγοριοποίηση των μεθόδων μέτρησης Ιστορική αναδρομή και εξέλιξη Από τη Γεωδαισία στη Δορυφορική Γεωδαισία ( ) Πρώτες διερευνητικές προσπάθειες ( ) Πρώτα στάδια ανάπτυξης ( ) Τρίτη φάση: ωρίμανση ( ) Φάση των αποτελεσμάτων αποφάσεις πλήρους ανάπτυξης ( ) Νέα δυναμική ( ) Μελλοντικές αποφάσεις ανάπτυξης 2

3 Ορισμοί 3

4 Αρχές μέτρησης Η μέτρηση βασίζεται στην παρατήρηση τεχνητών δορυφόρων Παρατηρήσεις διευθύνσεις, αποστάσεις, μεταβολές αποστάσεων από γήινους σταθμούς σε δορυφόρους ή μεταξύ δορυφόρων Σύνδεση με γεωεπιστήμες - Εφαρμογές εγκατάσταση γεωδαιτικών δικτύων ελέγχου προσεγγίσεις του γήινου πεδίου βαρύτητας (γεωειδές) μέτρηση και ανάλυση γεωδυναμικών φαινομένων (κίνηση του Πόλου, περιστροφή της Γης, παραμορφώσεις του γήινου φλοιού) 4

5 Κατηγοριοποίηση μετρήσεων Οι δορυφόροι χρησιμοποιούνται ως στόχοι σε υψηλές τροχιές και ακολουθούνται οι κλασικοί τρόποι τριγωνισμού δικτύων Καθαρά γεωμετρική μέθοδος αρχικός τρόπος παρατήρησης (BC4 παγκόσμιο δίκτυο καμερών) Πλεονέκτημα: η σύνδεση μεταξύ περιοχών που απέχουν μεταξύ του μακρινές αποστάσεις (π.χ. σύνδεση ηπειρωτικών δικτύων, σύνδεση νησιωτικών περιοχών) Η μέθοδος αυτή ονομάζεται και ευθεία μέθοδος παρατήρησης Courtesy Seeber (2001) 5

6 Κατηγοριοποίηση μετρήσεων Οι δορυφόροι χρησιμοποιούνται ως δέκτες δυνάμεων μέσα στο πεδίο βαρύτητας Μελετάται η επίδραση του πεδίου βαρύτητας στην κίνηση του δορυφόρου δυναμική μέθοδος Ονομάζεται και έμμεση μέθοδος παρατήρησης οι άγνωστες παράμετροι προκύπτουν από τη μελέτη της τροχιακής συμπεριφοράς των δορυφόρων Courtesy Seeber (2001) Ο διαχωρισμός γεωμετρικής και δυναμικής μεθόδου χαρακτήριζε τις απαρχές της δορυφορικής γεωδαισίας δεν υφίσταται πλέον 6

7 Ιστορική αναδρομή και εξέλιξη Απο την κλασική στη δορυφορική γεωδαισία ( ) Η έναρξη της περιόδου της δορυφορικής γεωδαισία τοποθετείται στις 4 Οκτωβρίου 1957 εκτόξευση του SPUTNIK-1 Οι ρίζες της ανάπτυξης μπορούν να εντοπιστούν νωρίτερα 1802 (Laplace): παρατηρήσεις της κίνησης της Σελήνης εκτίμηση της γήινης επιπλάτυνσης (f = 1/303) Παρατηρήσεις κλασικής γεωδαισίας ανομοιογενείς διαφορετικές χρονικές περιόδους διαφορετικά όργανα μετρήσεων απουσία μετρήσεων σε θαλάσσιες περιοχές (70% της γήινης επιφάνειας) Απουσία ενοποιημένου συστήματος αναφοράς μετρήσεων 7

8 Ιστορική αναδρομή και εξέλιξη Πρώτες διερευνητικές προσπάθειες ( ) SPUTNIK-1 Πρώτες μελέτες της επίδρασης της ατμόσφαιρας στη μετάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων Σήμα παλμός ανά 0.3 δευτερόλεπτα 8

9 Ιστορική αναδρομή και εξέλιξη Πρώτες διερευνητικές προσπάθειες ( ) Καθηγητής Γ. Βέης 1958: Geodetic Applications of Observations of the Moon, Artificial Satellites and Rockets Φωτογραφία από Δ. Παυλή Η πρώτη μελέτη για τη χρήση των παρατηρήσεων των τεχνητών δορυφόρων στη γεωδαισία : Επιστημονικά συνέδρια στην Ελλάδα πάνω στις εξελίξεις της δορυφορικής γεωδαισάις 9

10 Πρώτες διερευνητικές προσπάθειες ( ) Αρχική μέθοδος παρατήρησης οπτική μέθοδος Φωτογραφίες των δορυφόρων από τη Γη και εντοπισμός τους από τους γύρω αστέρες Πηγή: Γ. Βέης (2009) Διασύνδεση τριγωνομετρικών δικτύων ο δορυφόρος δε γνωρίζει σύνορα 10

11 Πρώτες διερευνητικές προσπάθειες ( ) Ειδικοί δορυφόροι μπαλόνια (satelloons) μεγάλης αντανάκλασης ECHO 1 ( ), ECHO 2 ( ) Courtesy NASA/JPL-Caltech Φαίνονταν και με γυμνό μάτι στο βραδυνό ουρανό πρώτη κοινή αντίληψη της εισόδου στη διαστημική εποχή Αποτελέσματα: αρχικές προσεγγίσεις του γήινου πεδίου βαρύτητας και της πυκνότητας της ανώτερης ατμόσφαιρας Γεωδαιτική ένωση των δικτύων Ευρώπης και Αφρικής 11

12 Πρώτες διερευνητικές προσπάθειες ( ) PAGEOS (PAssive Geodetic Earth Orbiting Satellite): Η βαλλιστική κάμερα BC-4 Courtesy NASA/JPL-Caltech Ο δορυφόρος παρακολουθήθηκε από μία σειρά βαλλιστικών καμερών BC-4 σε ένα δίκτυο 40 σταθμών σε όλη τη Γη Αποτελέσματα: το πρώτο παγκόσμιο ομογενές σύστημα αναφοράς. Αδιέξοδο Συντεταγμένες με ακρίβεια m και μη διαθέσιμο στους απλούς χρήστες 12

13 Πρώτες διερευνητικές προσπάθειες ( ) Οι φωτογραφικές παρατηρήσεις αποτέλεσαν και τα πρώτα δεδομένα για μία αρχική λύση για το γήινο πεδίο βαρύτητας (Smithsonian Standard Earth) Το πρώτο ολοκληρωμένο παγκόσμιο δίκτυο καμερών Smithsonian Astrophysical Observatory: Baker-Nunn κάμερες Courtesy Smithsonian Astrophysical Observatory Μέρος του παγκοσμίου δικτύο αποτέλεσε και το κέντρο δορυφόρων του Διονύσου (1969) 13

14 Πρώτες διερευνητικές προσπάθειες ( ) 10/4/1964 Δορυφόρος Beacon Explorer B Πρώτη δοκιμή της νέας τεχνολογίας laser στη μέτρηση αποστάσεων από τη Γη προς τους δορυφόρους Satellite Laser Ranging (SLR) Courtesy Goddard Space Flight Center - NASA Courtesy Goddard Space Flight Center - NASA Η δέσμη laser ανακλάται σε ειδικές διατάξεις γωνιακών πρισμάτων πάνω στο δορυφόρο COSPAR Committee of Space Research 1965 ακρίβειες της τάξης m rms στον προσδιορισμό της θέσης 14

15 Πρώτες διερευνητικές προσπάθειες ( ) Δεκαετία του 1960 Σύστημα TRANSIT του Ναυτικού των Η.Π.Α. σύστημα πλοήγησης στόλου (πρόδρομος του G.P.S.) Δορυφόρος TRANSIT Δορυφόρος DIADEME Courtesy USNavy Courtesy CNES Ο πομπός βρίσκεται στο δορυφόρο και ο δέκτης στο έδαφος φαινόμενο Doppler: Μέτρηση της σχετικής ταχύτητας μεταξύ του δορυφόρου και του σταθμού στο έδαφος 1967 CNES δορυφόροι DIADEME 15

16 Πρώτες διερευνητικές προσπάθειες ( ) 1965 Δορυφόροι ως μέρη ενός δυναμικού συστήματος πρώτες προσεγγίσεις του πεδίου βαρύτητας Lundquist, C. A.; Veis, G. Geodetic Parameters for a 1966 Smithsonian Institution Standard Earth, SAO Special Report #200 (1966) Προσεγγίσεις συντελεστών αρμονικών συναρτήσεων Χρησιμοποιήθηκαν φωτογραφικές παρατηρήσεις από ειδικά τροποποιημένες Baker Nunn κάμερες Τα μοντέλα Smithsonian Standard Earth είναι η πρώτη προσπάθεια χρήσης των τεχνητών δορυφόρων της Γης χωρίς την εμπλοκή στρατιωτικών Την περίοδο αυτή προετοιμάζεται και η εισαγωγή μετρήσεων της δορυφορικής αλτιμετρίας 16

17 Πρώτα στάδια ανάπτυξης ( ) Νέοι δορυφόροι εφοδιασμένοι με πρίσματα Beacon Explorer C Courtesy of NASA Νέοι επίγειοι σταθμοί SLR Geos 3 Courtesy of NASA International SAtellite Geodesy EXperiment (ISAGEX) δορυφόροι σε τροχία με κλίση μικρότερη των 40 Βελτιωμένα μοντέλα βαρύτητας (Goddard Earth Model GEM, GRgs/IMunich GRIM) 17

18 Πρώτα στάδια ανάπτυξης ( ) Νέες δυνατότητες των επίγειων σταθμών μετρήσεις κατά τη διάρκεια της ημέρας και αυτόματη σκόπευση των δορυφόρων από δεδομένα εφημερίδων Κατασκευή δορυφόρων αποκλειστικής χρήσης SLR STARLETTE LAGEOS AJISAI 1986 Courtesy of CNES Courtesy of ASI ETALON 1989 GFZ Courtesy of JAXA Courtesy of GFZ 18

19 Πρώτα στάδια ανάπτυξης ( ) Ανάπτυξη νέων συστημάτων χρήσης μετρήσεων Doppler (TRANSIT EOLE PRARE ARGOS) Παρατηρήσεις της επιφάνειας της θάλασσας: αναγκαιότητα της χρήσης δορυφόρων στις ανεξερεύνητες γήινες εκτάσεις δορυφορική αλτιμετρία 1973 SKYLAB: αλτιμετρικό ραντάρ: πρώτες μετρήσεις γύρω από τη Γη σε πραγματικό χρόνο περιγραφή των λεπτομερειών μικρού μήκους κύματος των ωκεανών 1975 GEOS3 πρώτος καθαρά αλτιμετρικός δορυφόρος 3,5 χρόνια λειτουργίας: πληροφορίες για τις υψηλές συχνότητες του πεδίου βαρύτητας Courtesy of NASA Courtesy of NASA SKYLAB GEOS3 19

20 Πρώτα στάδια ανάπτυξης ( ) 1978: JPL SEASAT: πληροφορίες για την επιφανειακή θαλάσσια θερμοκρασία, το ύψος των κυμάτων και την τοπογραφία της θαλάσσιας επιφάνειας Ο δορυφόρος κατόρθωσε να συγκεντρώσει 42 ώρες δεδομένων περισσότερα δεδομένα από τα προηγούμενα 100 χρόνια επίγειων παρατηρήσεων! SEASAT Κατονόηση των μεγάλων δυνατοτήτων των δορυφόρων στη μελέτη του γήινου συστήματος Courtesy of JPL/NASA SEASAT 20

21 Τρίτη φάση Ωρίμανση ( ) Βελτιωμένες τεχνικές μέτρησης του χρόνου υψηλές ακρίβειες ατομικών ρολογιών προτάσεις για νέες εφαρμογές (GPS) Χρήση των δορυφορικών μετρήσεων στον ορισμό και την υλοποίηση νέων συστημάτων αναφοράς παράμετροι προσανατολισμού της Γης Παράδειγμα βελτίωσης πληροφορίας Η κίνηση του πόλου όπως περιγράφεται από παλιότερες αστρογεωδαιτικές μετρήσεις και όπως αποδίδεται με τη χρήση δορυφορικών μετρήσεων Courtesy of the Observatoire de Paris 21

22 Τρίτη φάση Ωρίμανση ( ) Δορυφορικά μοντέλα προσέγγισης του πεδίου βαρύτητας χαμηλές συχνότητες του πεδίου ανάγκαιότητα για ειδικές βαρυτημετρικές αποστολές (Satellite to Satellite tracking H-L and L-L modes, gradiometry) Οι πρώτες προτάσεις δεν έγιναν δεκτές χρειάστηκαν περισσότερα από 20 χρόνια για να πεισθούν τα κέντρα αποφάσεων για την αναγκαιότητα των παραπάνω αποστολών Mοντέλο γεωειδούς GEM Courtesy of the Observatoire de Paris 22

23 Ιστορική αναδρομή και εξέλιξη Τρίτη φάση Ωρίμανση ( ) 1985 GEOSAT: 2 φάσεις Γεωδαιτική αποστολή για την προσέγγιση του ωκεάνιου γεωειδούς Αλτιμετρική αποστολή (Exact Repeat Mission ERM) για την παρακολούθηση της στάθμης της θάλασσας Courtesy GSFC/NASA Σημαντικό ζήτημα της δεκαετίας η βελτίωση της ακρίβειας στην τροχιά των δορυφόρων αναγνώριση των εποχικών φαινομένων (El-Nino) Αναγκαιότητα για ένα σύστημα συνεχούς παρακολούθησης και βελτίωσης της τροχιας 23

24 Τρίτη φάση Ωρίμανση ( ) 1986 Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite DORIS system Courtesy AVISO 50 σταθμοί εκπέμπουν δύο σήματα υψηλών συχνοτήτων συγκρίνονται στο δέκτη του δορυφόρου Σήμερα η εκτίμηση της τροχιάς είναι της τάξης του 1 cm 24

25 Τρίτη φάση Ωρίμανση ( ) Courtesy AVISO Βελτίωση των μοντέλων αλτιμετρικών διορθώσεων Δορυφόροι ERS1 και ERS2 Courtesy ESA 25

26 Τρίτη φάση Ωρίμανση ( ) Ακριβής προσδιορισμός θέσης 1984: DOD Global Positioning System (GPS) Courtesy GPS Magazine 26

27 Τρίτη φάση Ωρίμανση ( ) Εντοπισμός κάθε αντικειμένου, ανεξαρτήτως ταχύτητας, σε πραγματικό χρόνο οπουδήποτε στη Γη Στρατιωτικοί σκοποί σήματα κωδικοποιημένα, εσκεμμένα σφάλματα στις εκπομπές Διαφορικές μέθοδοι προσδιορισμού αντιμετώπιση των προβλημάτων χρήση σε πολιτικές εφαρμογές Μοντέλο διπλών διαφορών Μοντέλο τριπλών διαφορών Πηγή: Φωτίου Πικριδάς (2006) 27

28 Τρίτη φάση Ωρίμανση ( ) Τα αποτελέσματα του GPS δεν περιορίζονται μόνο στη χρήση προσδιορισμού θέσης σε μη-στρατιωτικές εφαρμογές Κίνηση του Πόλου Παράμετροι της περιστροφής της Γης Συμβολή στην παρακολούθηση άλλων δορυφορικών αποστολών Βασικό μετρητικό σύστημα για το Παγκόσμιο Πλαίσιο Αναφοράς (ITRF) Μελέτες παραμορφώσεων του γήινου φλοιού Η ανάπτυξη παρόμοιων συστημάτων θα βοηθήσει στην καλύτερη κάλυψη της επιφάνειας της Γης (GLONASS, GALILEO, COMPASS) Global Navigation Satellite Systems - GNSS 28

29 Φάση των αποτελεσμάτων αποφάσεις πλήρους ανάπτυξης ( ) 10/8/1992 κοινή αλτιμετρική αποστολή TOPEX/Poseidon (NASA/CNES) Αναμενόμενη διάρκεια ζωής του δορυφόρου 5 χρόνια: Η πρώτη επιστημονική αποστολή μεγάλης διάρκειας ( 18/1/2006) Νέα δορυφορικά μοντέλα για το πεδίο βαρύτητας (JGM-models) βελτίωση της ακρίβειας της τροχιάς από τα 13 cm στα 5 cm Το βασικό εργαλείο του ερευνητικού προγράμματος WOCE (World Ocean Circulation Experiment UNESCO) Courtesy of JPL/NASA 29

30 Φάση των αποτελεσμάτων αποφάσεις πλήρους ανάπτυξης ( ) Η περίοδος χαρακτηρίζεται από τη διεθνή συνεργασία πάνω στην αξιοποίηση των δορυφορικών δεδομένων International Earth Rotation Service (IERS) υιοθέτηση παγκόσμιων πλαισίων αναφοράς ICRF (International Celestial Reference Frame): Very Long Baseline Interferometry Courtesy IERS Courtesy Wikipedia ITRF (International Terrestrial Reference Frame): GPS, SLR, DORIS, VLBI Courtesy IERS 30

31 Φάση των αποτελεσμάτων αποφάσεις πλήρους ανάπτυξης ( ) Οι μετρήσεις και τα αποτελέσματα των προηγούμενων δεκαετιών αξιολογήθηκαν Οι δορυφορικές αποστολές άλλαξαν τον τρόπο μελέτης της Γης και επηρέασαν τη Γεωδαισία «ξαναγράφεται από την αρχή» Μεγάλος όγκος δεδομένων νέες μεθοδολογίες επεξεργασίας συστήματα διαχείρισης GGOS Global Geodetic Observing System Courtesy GFZ-Potsdam 31

32 Νέα δυναμική (2000 -) Η δεκαετία της μελέτης του πεδίου βαρύτητας Αναγνώριση της αναγκαιότητας περισσότερης και ακριβέστερης πληροφορίας για τις μεταβολές του 15/7/2000: CHAllenging Mini-satellite Payload (CHAMP) Μελέτη του πεδίου βαρύτητας και των διαχρονικών μεταβολών του Courtesy of GFZ-Potsdam 32

33 Νέα δυναμική (2000 -) Μάρτιος 2002: Gravity Recover And Climate Experiment (GRACE) «Δίδυμοι» δορυφόροι Παρακολουθείται και μετριέται η σχετική μεταβολή της θέσης τους Νέα μοντέλα του πεδίου βαρύτητας καθώς και μοντέλα συνδυασμού (EGM2008) Διαχρονικές μεταβολές Courtesy of CSR - UTexas 33

34 Νέα δυναμική (2000 -) 17/3/2009: Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer (GOCE) Μετρήσεις βαθμιδομετρίας (δεύτερες παράγωγοι του δυναμικού της βαρύτητας Προσδιορισμός ανωμαλιών βαρύτητας με ακρίβεια 1 mgal Προσδιορισμός γεωειδούς με ακρίβεια 1 2 cm Διακριτική ικανότητα των παραπάνω 100 km Courtesy ESA 34

35 Νέα δυναμική (2000 -) Προσδιορισμός θέσης Νέα συστήματα και ανανέωση των παλαιών δορυφόρων (Block IIF) Δημιουργία συστημάτων παρακολούθησης της πλοήγησης (Wide Area Augmentation System WAAS, European Geostationary Navigation Overlay Service EGNOS) 35

36 Νέα δυναμική (2000 -) Δημιουργία συστημάτων συνεχούς παρακολούθησης και μέτρησης Μόνιμοι σταθμοί GNSS παγκοσμίως (δίκτυο IGS) Σε εθνικό επίπεδο ανάπτυξη σταθμών μόνιμης καταγραφής και συνεχούς αποστολής δεδομένων στους χρήστες CORS (USA), CACS (Canada), SAPOS (Germany) HEPOS Πηγή: Κτηματολόγιο Α.Ε. 36

37 Μελλοντικές αποφάσεις ανάπτυξης Ύστερα από περισσότερα από 50 χρόνια δορυφορικής γεωδαισίας η ανάπτυξη συνεχίζεται Νέες αποστολές είναι προγραμματισμένες για την παρατήρηση του συστήματος της Γης (νέοι αλτιμετρικοί δορυφόροι Saral, HY-2, Sentinel-3, Jason-3, Jason-CS series) Σε εξέλιξη βρίσκονται οι αποστολές μέτρησης συνιστωσών του πεδίου βαρύτητας και σύντομα αναμένονται νέα αποτελέσματα υψηλής ακρίβειας και διακριτικής ικανότητας Ανάπτυξη της τεχνικής SAR (Synthetic Aperture Radar) με σκοπό τη βελτίωση τη διακριτικής ικανότητας στην αποτύπωση της γήινης επιφάνειας (αποστολές SRTM και TerraSAR-X) Ανάπτυξη αλγορίθμων συνδυαμού δορυφορικών δεδομένων και διαχείριση αυτών από κατάλληλα ολοκληρωμένα συστήματα παρακολούθησης αφομοίωση νέων δεδομένων στα μοντέλα (data assimilation) 37