La geodesia satelital es la geodesia por medio de satélites artificiales : la medición de la forma y dimensiones de la Tierra , la ubicación de objetos en su superficie y la figura del campo gravitatorio de la Tierra por medio de técnicas de satélites artificiales. Pertenece al campo más amplio de la geodesia espacial . La geodesia astronómica tradicional no se considera comúnmente parte de la geodesia satelital, aunque existe una superposición considerable entre las técnicas. [1] : 2
Los principales objetivos de la geodesia satelital son:
Los datos y métodos geodésicos satelitales se pueden aplicar a diversos campos, como la navegación , la hidrografía , la oceanografía y la geofísica . La geodesia satelital se basa en gran medida en la mecánica orbital .
La geodesia satelital comenzó poco después del lanzamiento del Sputnik en 1957. Las observaciones del Explorer 1 y del Sputnik 2 en 1958 permitieron una determinación precisa del aplanamiento de la Tierra . [1] : 5 En la década de 1960 se lanzó el satélite Doppler Transit-1B y los satélites globo Echo 1 , Echo 2 y PAGEOS . El primer satélite geodésico dedicado fue el ANNA-1B , un esfuerzo colaborativo entre la NASA , el Departamento de Defensa y otras agencias civiles. [3] : 51 El ANNA-1B transportaba el primero de los instrumentos SECOR (Sequential Collation of Range) del Ejército de los EE. UU . Estas misiones llevaron a la determinación precisa de los principales coeficientes armónicos esféricos del geopotencial, la forma general del geoide y vincularon los datos geodésicos del mundo. [1] : 6
Los satélites militares soviéticos realizaron misiones geodésicas para ayudar a apuntar misiles balísticos intercontinentales a finales de la década de 1960 y principios de la de 1970.
El sistema satelital Transit se utilizó ampliamente para la topografía, la navegación y el posicionamiento Doppler. Las observaciones de satélites en la década de 1970 por redes de triangulación mundiales permitieron el establecimiento del Sistema Geodésico Mundial . El desarrollo del GPS por parte de los Estados Unidos en la década de 1980 permitió una navegación y un posicionamiento precisos y pronto se convirtió en una herramienta estándar en topografía. En las décadas de 1980 y 1990, la geodesia por satélite comenzó a utilizarse para el seguimiento de fenómenos geodinámicos , como el movimiento de la corteza , la rotación de la Tierra y el movimiento polar .
La década de 1990 se centró en el desarrollo de redes geodésicas permanentes y marcos de referencia. [1] : 7 En la década de 2000 se lanzaron satélites dedicados a medir el campo gravitatorio de la Tierra, como CHAMP , GRACE y GOCE . [1] : 2
Las técnicas de geodesia satelital se pueden clasificar según la plataforma del instrumento: Un satélite puede
Los sistemas globales de navegación por satélite son servicios de posicionamiento por radio dedicados, que pueden localizar un receptor con un margen de error de unos pocos metros. El sistema más destacado, el GPS , consiste en una constelación de 31 satélites (a diciembre de 2013) en órbitas circulares altas de 12 horas, distribuidas en seis planos con inclinaciones de 55° . El principio de localización se basa en la trilateración . Cada satélite transmite una efeméride precisa con información sobre su propia posición y un mensaje que contiene la hora exacta de transmisión. El receptor compara esta hora de transmisión con su propio reloj en el momento de la recepción y multiplica la diferencia por la velocidad de la luz para obtener una " pseudodistancia ". Se necesitan cuatro pseudodistancias para obtener la hora precisa y la posición del receptor con un margen de error de unos pocos metros. Métodos más sofisticados, como la cinemática en tiempo real (RTK), pueden proporcionar posiciones con un margen de error de unos pocos milímetros.
En geodesia, el GNSS se utiliza como una herramienta económica para la topografía y la transferencia de tiempo . [4] También se utiliza para monitorear la rotación de la Tierra , el movimiento polar y la dinámica de la corteza . [4] La presencia de la señal GPS en el espacio también lo hace adecuado para la determinación de la órbita y el seguimiento de satélite a satélite.
El posicionamiento Doppler implica registrar el desplazamiento Doppler de una señal de radio de frecuencia estable emitida desde un satélite a medida que el satélite se acerca y se aleja del observador. La frecuencia observada depende de la velocidad radial del satélite en relación con el observador, que está limitada por la mecánica orbital . Si el observador conoce la órbita del satélite, entonces el registro del perfil Doppler determina la posición del observador. Por el contrario, si la posición del observador se conoce con precisión, entonces se puede determinar la órbita del satélite y utilizarla para estudiar la gravedad de la Tierra. En DORIS , la estación terrestre emite la señal y el satélite la recibe.
En la triangulación óptica, el satélite puede utilizarse como un objetivo muy alto para la triangulación y puede utilizarse para determinar la relación geométrica entre múltiples estaciones de observación. La triangulación óptica con las cámaras BC-4, PC-1000, MOTS o Baker Nunn consistía en observaciones fotográficas de un satélite, o de la luz destellante sobre el satélite, contra un fondo de estrellas. Las estrellas, cuyas posiciones se determinaban con precisión, proporcionaban un marco en la placa o película fotográfica para determinar direcciones precisas desde la estación de la cámara hasta el satélite. El trabajo de posicionamiento geodésico con cámaras se realizaba habitualmente con una cámara observando simultáneamente con una o más cámaras. Los sistemas de cámaras dependen del clima y esa es una de las principales razones por las que dejaron de utilizarse en la década de 1980. [3] : 51
En la medición de distancias por láser satelital (SLR), una red global de estaciones de observación mide el tiempo de ida y vuelta de pulsos de luz ultracortos a satélites equipados con retrorreflectores . Esto proporciona mediciones de distancia instantáneas con precisión milimétrica que se pueden acumular para proporcionar parámetros de órbita precisos, parámetros del campo gravitatorio (a partir de las perturbaciones de la órbita), parámetros de rotación de la Tierra, deformaciones de la Tierra por mareas, coordenadas y velocidades de estaciones SLR y otros datos geodésicos sustanciales. La medición de distancias por láser satelital es una técnica geodésica probada con un potencial significativo para realizar contribuciones importantes a los estudios científicos del sistema Tierra/Atmósfera/Océanos. Es la técnica más precisa actualmente disponible para determinar la posición geocéntrica de un satélite terrestre, lo que permite la calibración precisa de altímetros de radar y la separación de la deriva de la instrumentación a largo plazo de los cambios seculares en la topografía de la superficie del océano . La medición de distancias por láser satelital contribuye a la definición de los marcos de referencia terrestres internacionales al proporcionar información sobre la escala y el origen del marco de referencia, las llamadas coordenadas del geocentro. [5]
Satélites como Seasat (1978) y TOPEX/Poseidon (1992-2006) utilizaron altímetros de radar de doble banda avanzados para medir la altura de la superficie de la Tierra (mar, hielo y superficies terrestres) desde una nave espacial . Jason-1 comenzó en 2001, Jason-2 en 2008 y Jason-3 en enero de 2016. Esa medición, junto con elementos orbitales (posiblemente aumentados por GPS), permite la determinación del terreno . Las dos longitudes de onda diferentes de las ondas de radio utilizadas permiten que el altímetro corrija automáticamente los retrasos variables en la ionosfera .
Los altímetros de radar a bordo de vehículos espaciales han demostrado ser herramientas excelentes para cartografiar la topografía de la superficie del océano , las colinas y los valles de la superficie del mar. Estos instrumentos envían un pulso de microondas a la superficie del océano y registran el tiempo que tarda en regresar. Un radiómetro de microondas corrige cualquier retraso que pueda ser causado por el vapor de agua en la atmósfera . También se requieren otras correcciones para tener en cuenta la influencia de los electrones en la ionosfera y la masa de aire seco de la atmósfera. La combinación de estos datos con la ubicación precisa de la nave espacial permite determinar la altura de la superficie del mar con una precisión de unos pocos centímetros (aproximadamente una pulgada). La fuerza y la forma de la señal de retorno también proporcionan información sobre la velocidad del viento y la altura de las olas del océano. Estos datos se utilizan en modelos oceánicos para calcular la velocidad y la dirección de las corrientes oceánicas y la cantidad y la ubicación del calor almacenado en el océano, lo que a su vez revela variaciones climáticas globales .
Un altímetro láser utiliza el tiempo de vuelo de ida y vuelta de un haz de luz en longitudes de onda ópticas o infrarrojas para determinar la altitud de la nave espacial o, por el contrario, la topografía del terreno.
Un altímetro de radar utiliza el tiempo de vuelo de ida y vuelta de un pulso de microondas entre el satélite y la superficie de la Tierra para determinar la distancia entre la nave espacial y la superficie. A partir de esta distancia o altura, se eliminan los efectos locales de la superficie, como las mareas, los vientos y las corrientes, para obtener la altura del satélite sobre el geoide. Con una efemérides precisa disponible para el satélite, la posición geocéntrica y la altura elipsoidal del satélite están disponibles para cualquier tiempo de observación dado. Luego es posible calcular la altura del geoide restando la altitud medida de la altura elipsoidal. Esto permite la medición directa del geoide, ya que la superficie del océano sigue de cerca al geoide. [3] : 64 La diferencia entre la superficie del océano y el geoide real proporciona la topografía de la superficie del océano .
El radar de apertura sintética interferométrica (InSAR) es una técnica de radar utilizada en geodesia y teledetección . Este método geodésico utiliza dos o más imágenes de radar de apertura sintética (SAR) para generar mapas de deformación de la superficie o elevación digital , utilizando diferencias en la fase de las ondas que regresan al satélite. [6] [7] [8] La técnica puede medir potencialmente cambios a escala centimétrica en la deformación en lapsos de tiempo de días a años. Tiene aplicaciones para el monitoreo geofísico de peligros naturales, por ejemplo terremotos, volcanes y deslizamientos de tierra, y también en ingeniería estructural, en particular el monitoreo de hundimientos y estabilidad estructural.
Un gradiómetro de gravedad puede determinar de forma independiente los componentes del vector de gravedad en tiempo real. Un gradiente de gravedad es simplemente la derivada espacial del vector de gravedad. El gradiente puede considerarse como la tasa de cambio de un componente del vector de gravedad medido en una pequeña distancia. Por lo tanto, el gradiente puede medirse determinando la diferencia de gravedad en dos puntos cercanos pero distintos. Este principio está incorporado en varios instrumentos de base móvil recientes. El gradiente de gravedad en un punto es un tensor , ya que es la derivada de cada componente del vector de gravedad tomado en cada eje sensible. Por lo tanto, el valor de cualquier componente del vector de gravedad puede conocerse a lo largo de la trayectoria del vehículo si se incluyen gradiómetros de gravedad en el sistema y sus salidas son integradas por la computadora del sistema. Se calculará un modelo de gravedad preciso en tiempo real y estará disponible un mapa continuo de gravedad normal, elevación y gravedad anómala. [3] : 71
Esta técnica utiliza satélites para rastrear otros satélites. Existen diversas variantes que pueden utilizarse para fines específicos, como investigaciones del campo gravitatorio y mejora de la órbita .
Estos ejemplos presentan algunas de las posibilidades de aplicación del seguimiento de satélite a satélite. Los datos de seguimiento de satélite a satélite se recopilaron y analizaron primero en una configuración alta-baja entre ATS-6 y GEOS-3 . Los datos se estudiaron para evaluar su potencial para el refinamiento de modelos tanto orbitales como gravitacionales. [3] : 68
Este artículo incorpora texto de esta fuente, que se encuentra en el dominio público : Defense Mapping Agency (1983). Geodesia para el profano (PDF) (Informe). Fuerza Aérea de los Estados Unidos. Archivado desde el original (PDF) el 2017-05-13 . Consultado el 2021-02-19 .