Satelitarne Techniki Pomiarowe Wykład 1

„Satelita” = „towarzysz”; dotyczy obiektów naturalnych i sztucznych
SSZ utrzymują orbitę dzięki równowadze siły grawitacji i siły odśrodkowej
$F<em>g = F</em>o \;\,\Rightarrow\;\, \frac{GMm}{r^2} = m\frac{v^2}{r}$
$v = \sqrt{\frac{GM}{r}} \;\;(v \downarrow \text{ gdy } r \uparrow)$
Wyniesienie wymaga dużej energii i precyzji; stosuje się rakiety jednorazowe

Start: 4 X 1957, godz. 19:28 UTM (18:28 czasu PL) z rakiety 8K71PS
Parametry: kula Ø 58,5 cm, masa 83,46 kg, 2 nadajniki, 4 anteny
Orbita: $\sim250\,\text{km}$ perigeum, średni okres $96\,\text{min}$
Działanie: 21 dni transmisji, całkowita droga >60\,\text{mln km}; spłonął po 3 miesiącach

Łącznie 21 misji (USA & ZSRR); 12 niepowodzeń, 5 misji zakończonych, 4 trwające
Przykłady: Explorer 1 (USA, 1 II 1958–31 V 1970), Vanguard I (17 III 1958, wciąż na orbicie)

Średnia prędkość orbitalna: $1023\,\text{m/s}$
Okres synodyczny: $27^d\,7^h\,43^m\,11.5^s$
Orbita eliptyczna (ekscentryczność średnia $0.0549$ )
Parametry orbity (półoś wielka $\approx384\,748\,\text{km}$ ; perygeum $\approx364\,937\,\text{km}$ ; apogeum $\approx406\,731\,\text{km}$ )
Inklinacja: $5.145^{\circ}$ ; precesja $18.6$ lat

Łączna liczba aktywnych SSZ: $5465$
- USA $\approx3453$
- Chiny $\approx541$
- Rosja $\approx172$
- Pozostałe kraje $\approx1319$

LEO (Low Earth Orbit): $200−2000\,\text{km}$ ; ~4700 satelitów (ISS, Starlink, teleskopy)
MEO (Medium EO): $3000−30000\,\text{km}$ ; ~150 satelitów (GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou)
HEO (High EO): >36000\,\text{km}; ~60 satelitów badawczych (TESS, IBEX)
GEO / GSO: orbita kołowa nad równikiem, $35\,786\,\text{km}$ ; ~565 satelitów (telekomunikacja, SBAS, meteorologia)
Graveyard/supersynchroniczna: $\text{GEO}+300\,\text{km}$ ; „cmentarz” dla zużytych satelitów

Konstelacje meteorologiczne i badawcze na orbitach polarnych i geostacjonarnych: Meteosat, GOES, JPSS, FY-1/3, Terra, Aqua, Jason 1/2, ALOS, ENVISAT, ERS-2, etc.

Precyzyjne współrzędne stacji w układach globalnych/regionalnych/lokalnych
Model geoidy (pole grawitacyjne Ziemi)
Modelowanie procesów geodynamicznych: rotacja Ziemi, ruchy płyt, GIA (Glacial Isostatic Adjustment)
- GIA = reakcja skorupy na cofnięcie lądolodów (ostatnie zlodowacenie $110\,000–12\,000$ lat BP)

Globalna widoczność satelitów → trójwymiarowe sieci geodezyjne
Rozwój metod geometrycznych (wyznaczanie współrzędnych)
Satelita jako sensor pola grawitacyjnego → metody dynamiczne (analiza odchyleń od orbit keplerowskich)
Jednocześnie: koordynaty + geopotencjał = monitorowanie procesów geodynamicznych
Precyzyjne układy odniesienia (ICRF, ITRF)

GNSS to systemy militarne; możliwa degradacja/wyłączenie sygnału
Wymagany bezpośredni widok nieba; min. $4 − 6$ satelitów
Pomiary statyczne: długi czas obserwacji (wielo-godzinne/dobowe), wyniki w postprocessingu
RTK/RTN: droższy sprzęt, konieczność SBAS/GBAS

Earth-to-Space
• Kierunki optyczne (PAGEOS, ECHO-1)
• Laser ranging SLR/LLR
• Doppler (TRANSIT, DORIS, PRARE)
• GNSS (GPS, GLONASS, Galileo, BDS, QZSS, IRNSS)
Space-to-Earth
• Altimetria (TOPEX/Poseidon, JASON 1-3, ENVISAT, ERS 1-2, GFO)
• Laser pokładowy (ICESat)
• Grawimetria (CHAMP, GRACE, GRACE-FO, GOCE)
Space-to-Space
• SST (GRACE)
• ISL
• Star trackers

1957-1970
• Sputnik-1 (1957)
• Explorer-1: pierwsze oszacowanie spłaszczenia $f=1/298.3$
• 1959: wykrycie 3. harmoniki geopotencjału (kształt gruszkowy)
• Rozwój teorii ruchu satelitów (Brouwer, Kaula)
• System TRANSIT-1B (1960), balon-satelita ECHO-1
• Kamera BC-4: obserwacje PAGEOS, ECHO-1 → modele GEM, SAO
1970-1980
• Rozkwit TRANSIT, SLR, LLR, altimetrii
• Modele geopotencjału: GEM-10, GRIM
• Parametry orientacji Ziemi (EOP) – laser, VLBI, doppler
1980-1990
• Budowa NAVSTAR GPS; satelitarne metody zastępują astrometrię
• 1987: IERS (International Earth Rotation Service)
Po 1990
• Usługi międzynarodowe: IGS (1994), IVS (1998), ILRS (1998), IDS (2003)

RTKGPS+ – pomiary RTK na Androidzie
GNSS View – wizualizacja konstelacji (web, iOS, Android)
• Umożliwia wybór czasu, miejsca, maski elewacji; prezentacja w formie mapy nieba i tabel
GPS Data – diagnostyka odbiornika, siła sygnału, konstelacja
Sky Map – mobilne planetarium (identyfikacja gwiazd/planet)
Stellarium – symulator nieba (OpenGL, >600 000 gwiazd)
ISS Live Now – transmisja HD/SD z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej
Air Traffic – podgląd ruchu lotniczego w czasie rzeczywistym
Kompas z magnetometrem – wykorzystanie czujników do orientacji
AR: wyświetlanie obiektów 3D na obrazie z kamery (markery + pozycja), zastosowania dydaktyczne i terenowe
Roboty (np. Boston Dynamics „Spot”, Hovermap LIDAR) – autonomiczna nawigacja z wykorzystaniem GNSS/IMU/LIDAR

Łącznie satelitów GNSS: $164$ (operacyjnych $145$ )
GPS: $31/32$
GLONASS: $24/27$
Galileo: $27/31$
BeiDou: $44/54$ (w tym $9$ GEO, $12$ IGSO)
IRNSS: $7/8$ (3 GEO, 5 IGSO)
QZSS: $4/4$ (1 GEO, 3 IGSO)
SBAS satelity geostacjonarne: $8$
Orbity:
• MEO (~ $20\,200\,\text{km}$ ): GPS, Galileo, BeiDou-M, GLONASS
• GEO (~ $35\,786\,\text{km}$ ): SBAS, BeiDou-G, QZSS-G
• IGSO: nachylone geosynchroniczne (BeiDou, QZSS, IRNSS)
Prędkości orbitalne przykładowo:
• LEO (ISS) $\approx7.7\,\text{km/s}$
• MEO (GNSS) $\approx3.9\,\text{km/s}$
• GEO $\approx3.1\,\text{km/s}$