Введение

Измерение Земли с помощью спутников

Спутниковая геодезия – это геодезия с использованием искусственных спутников – измерение формы и размеров Земли, определения местоположения объектов на её поверхности и фигуры гравитационного поля Земли посредством искусственных спутниковых технологий. Она относится к более широкой области космической геодезии. Традиционная астрономическая геодезия обычно не рассматривается как часть спутниковой геодезии, хотя между этими методами существует значительное пересечение. Основные цели спутниковой геодезии:

Определение фигуры Земли, позиционирование и навигация (геометрическая спутниковая геодезия).
Определение геоида, гравитационного поля Земли и его временных изменений (динамическая спутниковая геодезия или спутниковая физическая геодезия).
Измерение геодинамических явлений, таких как динамика земной коры и движение полюсов.

Спутниковые геодезические данные и методы могут применяться в различных областях, таких как навигация, гидрография, океанография и геофизика. Спутниковая геодезия в значительной степени опирается на небесную механику.

Первые шаги (1957-1970)

Спутниковая геодезия началась вскоре после запуска спутника "Спутник" в 1957 году. Наблюдения за "Эксплорером-1" и "Спутником-2" в 1958 году позволили точно определить сжатие Земли. В 1960-х годах были запущены доплеровский спутник Transit 1B и спутники-баллоны Echo 1, Echo 2 и PAGEOS. Первым специализированным геодезическим спутником был ANNA 1B, разработанный в рамках сотрудничества NASA, Министерства обороны и других гражданских ведомств. ANNA 1B нес на борту первое оборудование SECOR (Sequential Collation of Range) разработанное Армией США. Эти миссии привели к точному определению основных сферических гармонических коэффициентов геопотенциала, общей формы геоида и объединили мировые геодезические системы отсчета. Советские военные спутники выполняли геодезические миссии для повышения точности наведения межконтинентальных баллистических ракет в конце 1960-х и начале 1970-х годов.

На пути к мировой геодезической системе (1970-1990)

Спутниковая система "Транзит" широко использовалась для допплеровской геодезии, навигации и определения местоположения. Наблюдения за спутниками в 1970-х годах с использованием глобальных триангуляционных сетей позволили установить Всемирную геодезическую систему. Разработка GPS в США в 1980-х годах обеспечила высокоточную навигацию и определение местоположения и вскоре стала стандартным инструментом в геодезических работах. В 1980-х и 1990-х годах спутниковая геодезия стала применяться для мониторинга геодинамических явлений, таких как движения земной коры, вращение Земли и смещение полюсов.

Современная эра (1990-ныне)

В 1990-е годы основное внимание уделялось развитию постоянных геодезических сетей и опорных систем координат. В 2000-х годах были запущены специализированные спутники для измерения гравитационного поля Земли, такие как CHAMP, GRACE и GOCE.

Высотомер

Спутники, такие как Seasat (1978) и TOPEX/Poseidon (1992–2006), использовали передовые двуполосные радиолокационные высотомеры для измерения высоты поверхности Земли (моря, льда и суши) с космического аппарата. Jason 1 начал работу в 2001 году, Jason 2 – в 2008 году, а Jason 3 – в январе 2016 года. Это измерение, в сочетании с орбитальными элементами (возможно, дополненными данными GPS), позволяет определять рельеф местности. Использование двух различных длин волн радиоволн позволяет высотомеру автоматически корректировать различные задержки в ионосфере. Космические радиолокационные высотомеры зарекомендовали себя как отличный инструмент для картографирования топографии поверхности океана, его возвышенностей и впадин. Эти приборы посылают микроволновый импульс на поверхность океана и регистрируют время его возвращения. Микроволновый радиометр корректирует любые задержки, вызванные водяным паром в атмосфере. Также необходимы другие поправки для учета влияния электронов в ионосфере и сухой воздушной массы атмосферы. Комбинируя эти данные с точным местоположением космического аппарата, можно определить высоту поверхности моря с точностью до нескольких сантиметров (около одного дюйма). Интенсивность и форма отраженного сигнала также предоставляют информацию о скорости ветра и высоте океанских волн. Эти данные используются в океанологических моделях для расчета скорости и направления океанских течений, а также количества и местоположения тепла, накопленного в океане, что, в свою очередь, позволяет выявлять глобальные изменения климата.

Лазерная высотометрия

Лазерный альтиметр определяет высоту космического аппарата или, наоборот, рельеф земной поверхности, измеряя время прохождения луча света в обе стороны на оптических или инфракрасных длинах волн. Примеры: ICESat, MOLA.