Измерение топографии океана: миссии TOPEX/Poseidon, Jason и другие.

Введение

Спутниковая миссия для картографирования топографии поверхности океана.

Измерения продолжаются

Следующая за миссией TOPEX/Poseidon, Jason 1, была запущена в 2001 году для продолжения непрерывных измерений топографии морской поверхности. Два спутника, TOPEX/Poseidon и Jason 1, работали в тандемном режиме в течение трех лет, обеспечивая двукратное покрытие морской поверхности и позволяя ученым изучать более мелкие детали, чем это было возможно с использованием только одного спутника. Накопленные TOPEX/Poseidon и Jason 1 данные о глобальной высоте уровня моря продолжают собираться в рамках миссии по топографии поверхности океана на спутнике Jason 2, запущенном в июне 2008 года. Миссия Jason 3 была запущена 17 января 2016 года.

Инструменты

TOPEX/Poseidon использовал два бортовых высотомера, использующих одну и ту же антенну, но в любой момент времени работал только один, при этом приоритет отдавался TOPEX (в среднем 9 из 10 циклов в течение первых 10 лет миссии). TOPEX: радиолокационный высотомер, ориентированный в зенит (Nadir), разработанный NASA, использующий C-диапазон (5,3 ГГц) и Ku-диапазон (13,6 ГГц) для измерения высоты над уровнем моря. Poseidon: твердотельный радиолокационный высотомер, ориентированный в зенит (Nadir), разработанный CNES, использующий Ku-диапазон (13,65 ГГц). Помимо высотомеров, для коррекции задержки распространения радиоволн в атмосфере, вызванной водяным паром, использовался микроволновый радиометр TOPEX (TMR), работающий на частотах 18, 21 и 37 ГГц. Спутник также был оснащен приборами для точного определения своего местоположения. Точное определение орбиты критически важно, поскольку ошибки в определении местоположения космического аппарата привели бы к искажению измерений уровня моря, рассчитанных на основе показаний высотомера. Положение космического аппарата определялось тремя независимыми системами слежения. Первая – ретрорефлекторный массив NASA (LRA), отражавший лазерные лучи от сети из 10–15 наземных лазерных станций в ясную погоду. Вторая, обеспечивающая глобальное всепогодное слежение, – приемник системы CNES для доплеровской орбитографии и радиопозиционирования, интегрированной со спутниковой системой слежения (DORIS). Это устройство использует микроволновые доплеровские методы (изменения радиочастоты, соответствующие относительной скорости) для отслеживания космического аппарата. DORIS состоит из бортового приемника и глобальной сети из 40–50 наземных передающих станций. Третья система использовала экспериментальный бортовой приемник демонстрационной системы глобального позиционирования (GPS) для непрерывного и точного определения положения спутника путем анализа сигналов, принимаемых от группировки спутников GPS ВВС США на околоземной орбите. TOPEX/Poseidon стал первой миссией, продемонстрировавшей возможность использования глобальной системы позиционирования для определения точного местоположения космического аппарата и отслеживания его на орбите. Знание точного положения спутника с точностью до 2 сантиметров (менее 1 дюйма) по высоте было ключевым фактором, позволившим проводить точные измерения высоты океана. Ряд спутников (см. ссылки) используют сложные двухдиапазонные радиолокационные высотомеры для измерения высоты с космического аппарата. Это измерение, в сочетании с орбитальными элементами (возможно, полученными с помощью GPS), позволяет определять топографию. Использование двух длин радиоволн позволяет высотомеру автоматически корректировать различные задержки в ионосфере.

TOPEX/Poseidon flew two onboard altimeters sharing the same antenna, but only one altimeter was operated at any time, with TOPEX given preference (on average 9 in 10 cycles during the first 10 years of the mission). TOPEX: The NASA built Nadir pointing Radar Altimeter using C band (5.3 GHz) and Ku band (13.6 GHz) for measuring height above sea surface. Poseidon: The CNES built solid state Nadir pointing Radar Altimeter using Ku band (13.65 GHz). In addition to the altimeters, the TOPEX Microwave Radiometer (TMR) operating at 18, 21, and 37 GHz was used to correct for atmospheric wet path delay. The satellite was also equipped with instruments to accurately pinpoint its location. Precise orbit determination is crucial because errors in locating the spacecraft would distort the sea level measurement calculated from the altimeter readings. Three independent tracking systems determined the position of the spacecraft. The first, the NASA laser retroreflector array (LRA) reflected laser beams from a network of 10 to 15 ground based laser ranging stations under clear skies. The second, for all weather, global tracking, was provided by the CNES Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite tracking system receiver (DORIS). This device uses microwave doppler techniques (changes in radio frequency corresponding to relative velocity) to track the spacecraft. DORIS consists of an on board receiver and a global network of 40 to 50 ground based transmitting stations. The third system used an on board experimental Global Positioning System (GPS) demonstration receiver to precisely determine the satellite's position continuously by analyzing the signals received from the U. S. Air Force's GPS constellation of Earth orbiting satellites. TOPEX/Poseidon was the first mission to demonstrate that the Global Positioning System could be used to determine a spacecraft's exact location and track it in orbit. Knowing the satellite's precise position to within 2 centimeters (less than 1 inch) in altitude was a key component in making accurate ocean height measurements possible. A number of satellites (See links) use exotic dual band radar altimeters to measure height from a spacecraft. That measurement, coupled with orbital elements (possibly from GPS), enables determination of the topography. The two lengths of radio waves permit the altimeter to automatically correct for varying delays in the ionosphere.