Grawimetria satelitarna
Misje satelitarne, pomiary g z kosmosu
http://earth.eo.esa.int/eosummerschool/envschool_2010/
Ruch satelity dookoła Ziemi
To też swobodny
spadek!
Ruch satelity wokół planet&
Spłaszczenie Ziemi
Zmierzone dokładnie:
Na podstawie analiz
orbit satelitów
Spłaszczenie Ziemi
Spłaszczenie Ziemi  maleje!
Przed epokÄ… GPS&
Obserwatoria  widziały
tylko małe wycinki orbit,
więc badania były
utrudnione&
Nowa era
Od orbit satelitów  do znajomości
pola grawitacyjnego Ziemi
x0, t0 x1,t1 x2,t2 &
Od orbit satelitów  do znajomości
pola grawitacyjnego Ziemi
Od orbit satelitów  do znajomości
pola grawitacyjnego Ziemi
Mody SST (Satellite-to-Satellite
Tracking)
" High-low: orbita satelity LEO jest określona przez
GPS, GLONASS etc., pomiar przyspieszeń
zaburzajÄ…cych  przez LEO
" Low-low: 2 satelity LEO, śledzopne przez GNSS,
odległe od siebie o kilkaset km, odległości między
nimi mierzone bardzo dokładnie => odzwierciedlają
niejednorodności pola grawitacyjnego
" Pomiar gradiometryczny: pomiar gradientu
(odległości między akcelerometrami są bardzo małe 
sÄ… one na 1 satelicie)
Misja
CHAMP
Cel: badanie Ziemi
jako systemu
(pole grawitacyjne
i pole magnetyczne)
Misja CHAMP  ogólne omówienie
" Satelita wystrzelony w roku 2000
" Orbita prawie kołowa (e=0.004) i prawie polarna
(i=87 stopni)
" Wysokość orbity: ok. 450 km
" Długość satelity 8.3 m (razem z masztem, który ma
dł. Ok. 4 m), szerokość 1.6 m, wysokość 0.75 m
" Wyposażenie na pokładzie:
a) odb. GPS L1/L2
b) akcelerometr 3D
c) reflektor światła laserowego (śledzenie)
d) dodatkowe przyrzÄ…dy do pomiaru pola magnetycznego
Misja CHAMP  wyposażenie do
pomiaru pola grawitacyjnego
" Grawitacja: odbiornik GPS nowej
generacji do ciągłego śledzenia i
wyznaczania jak najdokładniejszej orbity
=> czyli perturbacji oraz akcelerometr
precyzyjny trójosiowy do pomiarów
przyspieszeń sił powierzchniowych
Misja CHAMP  wyposażenie do
pomiaru pola magnetycznego
" Magnetyzm: zestaw magnetometru
Fluxgate, mierzący 3 składowe pola
magnetycznego w układzie instrumentu,
działający wspólnie z kamerą (zdjęcia
gwiazd) określającą orientację zestawu w
odniesieniu do układu gwiezdnego oraz
instrument Overhauser - magnetometr
skalarny służący do ustalenia odniesienia
magnetycznego.
Misja CHAMP  wyposażenie do
pomiaru atmosfery (jonosfery)
" Atmosfera/jonosfera: instrumenty wykorzystywane do
pomiaru pól magntycznego i grawitacyjnego dają
jednocześnie zestaw czujników do pomiaru parametrów
potrzebnych do opisu stanu i dynamiki neutralnej części
atmosfery oraz jonosfery.
" Na podstawie poprawki troposferycznej obliczonej z
GPS można wyliczać temperaturę, ciśnienie i
wilgotność atmosfery
" Gęstość swobodnych elektronów określa na
podstawie pomiarów GPS, wyliczając efekt
jonosferyczny
" Dodatkowo, gęstość neutralnej części atmosfery może
być wyliczana na podstawie dokładnych pomiarów
przyspieszenia akcelerometrem
Cele naukowe misji
" Opis grawitacyjnego pola Ziemi
( długofalowy , p. rozwinięcie potencjału w
szereg)  części statycznej i zmian tego pola
" Dokładny opis pola magnetycznego Ziemi oraz
zmian tego pola w czasie i przestrzeni
(dotychczas nie było jeszcze tak dokładnych
pomiarów globalnych)
" Na podstawie refrakcji sygnałów GPS 
wyprowadzenie globalnego rozkładu
temperatur, ciśnienia pary wodnej i zawartości
wolnych elektronów
Wkład w poznanie następujących
składowych opisu Ziemi jako systemu
" Geosfera: poznanie struktury i dynamiki skorupy
Ziemi, Ziemi, oceanów, interakcje oceanu z
atmosferÄ…
" Hydrosfera: dokładniejszy monitoring stanu
oceanu, prądów, zmian poziomu, interakcji z
klimatem
" Atmosfera: globalne poznanie poziomych
warstw neutralnych i zjonizowanych powłok
gazowych, ich oddziaływanie ze  stałą Ziemią,
klimatem, pogodÄ…
CHAMP  Poznanie pola grawitacyjnego
(Gravity Field Recovery)
" Modele powstajÄ…ce na podstawie tylko danych
satelitarnych reprezentujÄ… tylko  grubÄ… strukturÄ™
pola grawitacyjnego (gdyż malutkie
niejednorodności pola umykają  ze względu na
dokładność samego pomiaru, jak i wysokość)
" Dodając do wspólnego opracowania dane
grawimetryczne naziemne uzyskujemy
dokładniejsze rozwiązania  uwzględnienie
 subtelnych struktur i zmian pola grawitacyjnego
CHAMP  Poznanie pola grawitacyjnego
(Gravity Field Recovery)
" Dzięki danym z tej misji poznaliśmy geoidę z
dokładnościami lepszymi niż 10 cm, z
rozdzielczością rzędu 500 km.
" Otrzymana geoida odzwierciedla (zawiera
informacje o) nieregularnościach pola
grawitacyjnego wynikajÄ…cych z niejednorodnego
rozkładu mas wewnątrz Ziemi
" Taka  długofalowa geoida otrzymana z misji CHAMP
służy następnie jako odniesienie (lub rozwiązanie
wstępne) do budowy modeli pola grawitacyjnego o
wyższej rozdzielczości (GGM01s, GGM02s)
Globalny model geoidy z danych
z misji CHAMP
CHAMP  zmiany rozkładu mas
też można monitorować
Klimat, morza i oceany
Dzięki misji CHAMP
rozdzielczość modelu
cyrkulacji mórz i oceanów
wzrosła z 4000 km
do ok. 1000 km
Misja GRACE - podstawy
" 2 identyczne satelity poruszajÄ… siÄ™ po tej samej
orbicie
" Wykonywany jest dokładny pomiar odległości
między nimi (ok. 220 km)
" Gdy natrafią na niejednorodność pola
grawitacyjnego: pierwszy z nich  podskoczy
najpierw => zmieni się odległość
" Mamy dodatkową, bardzo dokładną obserwację
do układu równań obserwacyjnych
Misja GRACE - podstawy
" Na podstawie monitorowanej odległości
wykrywane sÄ… fluktuacje pola
grawitacyjnego
" A z tego wynika możliwość wykrycia
nierównomierności rozkładu mas w
okolicach punktu podsatelitowego
" Po połączeniu z danymi z GPS => można
robić dokładne mapy pola grawitacyjnego
Ziemi (średnio: raz na miesiąc)
Misja GRACE - podstawy
" US National Aeronautics, NASA, Deutches
Zentrum fur Luft und Raumfahrt)
" Cele: określić g, zmiany g, TEC (Total electron
Content)
" 2 satelity wystrzelono 17.03.2007 r.
" e=0.005, i=89 stopni, wysokość orbity ok 500
km
" Odległość low-low 220 km
" Ciężar każdego ok. 480 kg, długość ok 3 m
Misja GRACE  informacje
ogólne
GRACE  pierwszy satelita
LPR  Laser Retro Reflective Assembly
Misja GRACE - podstawy
" Zmiany odległości  dokładności pomiaru do
ok. 1 mikrometra/s
" Idea: zmiany g powodują zmiany odległości
" Wyposażenie:
a) system do pomiaru odległości low-low (K-band), co 1/10
sek.
b) odbiornik GPS L1/L2
c) akcelerometry (pomiar przysp. niegrawitacynych)
d) reflektor laserowy
Model GGM-02  z GRACE (160)
Różnice pomiędzy EGM96 a
GGM01c i GGM02c
GRACE
Model GGM  porównanie z
EGM 96
GRACE
Na podstawie błędów niwelacji satelitarnej w Kanadzie
Fig. 1. Comparison of annual variation in the geoid height from GRACE and the GLDAS
hydrology model (smoothing radius 400 km; degree-2 coefficients not included).
GRACE
B D Tapley et al. Science 2004;305:503-505
Fig. 2. Geoid height differences between each 2003 monthly gravity solution and the
14-month mean for equatorial South America (smoothing radius 400 km; degree-2
coefficients not included).
GRACE
B D Tapley et al. Science 2004;305:503-505
GOCE  misja ESA y
http://youtube/fBA7nQRiZMY (spr. kropke!)
GOCE  do pomiaru pola grawitacyjnego Ziemi, modelowania z dużą
dokładnością. Dane będą wykorzystane do opisu cyrkulacji mórz i ocenów
(znaczenie w poznaniu procesów zachodzących wewnątrz Ziemi), ich poziomu.
Postęp w geodezji i miernictwie
GOCE na orbicie
WewnÄ…trz GOCE
Szczegóły misji
" Wystrzelenie: 17 March 2009
" Po 10 latach przygotowań
" Czas trwania: ok. 20 miesięcy,
" w tym 3-miesięczny okres wstępny
(umieszczanie na orbicie, kalibracja, pomiary
tylko dla naukowców).
Orbita satelity GOCE
" Zsychronizowana z ruchem Słońca
" prawie kołowa
" niska (ok. 250 km nad p. Z.)
" prawie polarna (nachylenie 96.7°)
Konfiguracja satelity
" GOCE wydłużony, ośmiokątny, ok 5 m długości, 1 m w
przekroju
" waga: ok 1050 kg.
" Wyposażenie (Payload)
 gradiometr: 3 pary 3-osiowych akcelerometrów (w każdej
parze odległość między nimi wynosi 0.5 m)
 12-kanałowy, dwuczęstotliwościowy odbiornik GPS o jakości
geodezyjnej
 laserowy reflektor umożliwiający śledzenie laserowe ze
stacji śledzących.
Nośnik (rakieta)
" Rockot (converted SS-19), z Plesetsk, Rosja.
" Kontrola lotu:
Monitorowanie i sterowanie przez ESA
poprzez Kiruna (szwedzka stacja naziemna) i
Svalbard, (Norwegia)
Opracowanie danych
" Produkty poziomu Level 1b  generowane
przez the Payload Data Ground Segment
(PDGS) w ESA.
" Produkty poziomu Level 2 (w tym: modele
pola grawitacyjnego i orbity precyzyjne GOCE)
generowane przez the High-level Processing
Facility (HPF)  europejskie konsorcjum
ośrodków naukowych.
Wsparcie przemysłu
zaawansowanego technologicznie
" Thales Alenia Space (Italy)  satellite prime
contstructor
EADS Astrium GmbH (Germany)  platform
constructor
Thales Alenia Space (France)  gradiometer
ONERA (France) accelerometer & system support
" The Core Team led a consortium of 41 companies
distributed over 13 European countries.
GOCE  cele misji
Cele misji
" określić anomalie pola grawitacyjnego z
dokładnościami 1 mGal
" określić geoidę z dokładnościami do 1-2 cm.
" osiągnąć to z rozdzielczością lepszą niż 100
km.