La geodesia por satélite es la geodesia mediante satélites artificiales : la medición de la forma y dimensiones de la Tierra , la ubicación de los objetos en su superficie y la figura del campo gravitatorio de la Tierra mediante 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 por satélite, aunque existe una superposición considerable entre las técnicas. [1] : 2
Los principales objetivos de la geodesia por satélite son:
Los datos y métodos geodésicos satelitales pueden aplicarse a diversos campos como la navegación , la hidrografía , la oceanografía y la geofísica . La geodesia por satélite depende en gran medida de la mecánica orbital .
La geodesia por satélite 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 La década de 1960 vio el lanzamiento del satélite Doppler Transit-1B y los satélites globo Echo 1 , Echo 2 y PAGEOS . El primer satélite geodésico dedicado fue ANNA-1B , un esfuerzo de colaboración entre la NASA , el Departamento de Defensa y otras agencias civiles. [3] : 51 ANNA-1B llevaba el primero de los instrumentos SECOR (colación secuencial de alcance) del ejército estadounidense . 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 emprendieron misiones geodésicas para ayudar en la localización de objetivos de misiles balísticos intercontinentales a finales de los años 1960 y principios de los 1970.
El sistema satelital Transit se utilizó ampliamente para levantamientos, navegación y posicionamiento Doppler. Las observaciones de satélites en la década de 1970 mediante redes de triangulación mundiales permitieron el establecimiento del Sistema Geodésico Mundial . El desarrollo del GPS en 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 monitorear fenómenos geodinámicos , como el movimiento de la corteza terrestre , 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] : Se lanzaron 7 satélites dedicados para medir el campo gravitatorio de la Tierra en la década de 2000, como CHAMP , GRACE y GOCE . [1] : 2
Las técnicas de geodesia por satélite pueden clasificarse 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 una precisión de unos pocos metros. El sistema más destacado, GPS , consta de una constelación de 31 satélites (a diciembre de 2013) en órbitas circulares altas de 12 horas, distribuidos 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 este tiempo de transmisión con su propio reloj en el momento de la recepción y multiplica la diferencia por la velocidad de la luz para obtener un " pseudodistancia ". Se necesitan cuatro pseudodistancias para obtener la hora exacta y la posición del receptor en unos pocos metros. Los métodos más sofisticados, como la cinemática en tiempo real (RTK), pueden producir posiciones con un margen de error de unos pocos milímetros.
En geodesia, el GNSS se utiliza como una herramienta económica para levantamientos y transferencia de tiempo . [4] También se utiliza para monitorear la rotación de la Tierra , el movimiento polar y la dinámica de la corteza terrestre . [4] La presencia de la señal GPS en el espacio también la hace adecuada para la determinación de órbitas 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, el registro del perfil Doppler determina su posición. Por el contrario, si se conoce con precisión la posición del observador, 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 se puede utilizar como un objetivo muy alto para la triangulación y se puede utilizar 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 intermitente del satélite, sobre un fondo de estrellas. Las estrellas, cuyas posiciones se determinaron con precisión, proporcionaron un marco en la placa o película fotográfica para determinar direcciones precisas desde la estación de la cámara al satélite. El trabajo de posicionamiento geodésico con cámaras generalmente se realizaba 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 el ámbito del láser por satélite (SLR), una red mundial de estaciones de observación mide el tiempo de ida y vuelta de vuelo de pulsos de luz ultracortos hasta satélites equipados con retrorreflectores . Esto proporciona mediciones de rango instantáneas con precisión de nivel milimétrico que se pueden acumular para proporcionar parámetros orbitales precisos, parámetros del campo gravitatorio (de las perturbaciones orbitales), parámetros de rotación de la Tierra, deformaciones de las mareas de la Tierra, coordenadas y velocidades de las estaciones SLR y otros datos geodésicos sustanciales. La medición por láser satelital es una técnica geodésica probada con un potencial significativo para realizar importantes contribuciones a los estudios científicos del sistema Tierra/Atmósfera/Océanos. Es la técnica más precisa disponible actualmente para determinar la posición geocéntrica de un satélite terrestre, lo que permite la calibración precisa de los 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 por láser de satélite contribuye a la definición de los marcos de referencia terrestres internacionales proporcionando 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 avanzados de doble banda 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 determinar el terreno . Las dos longitudes de onda diferentes de las ondas de radio utilizadas permiten que el altímetro corrija automáticamente los diferentes retrasos en la ionosfera .
Los altímetros de radar espaciales han demostrado ser excelentes herramientas para mapear 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 provocar 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 hace posible 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 que regresa también proporciona 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 dirección de las corrientes oceánicas y la cantidad y 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, los efectos locales de la superficie, como mareas, vientos y corrientes, se eliminan para obtener la altura del satélite sobre el geoide. Con una efeméride precisa disponible para el satélite, la posición geocéntrica y la altura elipsoidal del satélite están disponibles para cualquier momento de observación determinado. Entonces 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 interferométrico de apertura sintética (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 potencialmente medir cambios en la deformación a escala centimétrica durante períodos de días a años. Tiene aplicaciones para el seguimiento geofísico de peligros naturales, por ejemplo terremotos, volcanes y deslizamientos de tierra, y también en ingeniería estructural, en particular el seguimiento 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. Se puede considerar el gradiente como la tasa de cambio de un componente del vector de gravedad medido en una distancia pequeña. Por tanto, el gradiente se puede medir determinando la diferencia de gravedad en dos puntos cercanos pero distintos. Este principio está incorporado en varios instrumentos recientes de base móvil. El gradiente de gravedad en un punto es un tensor , ya que es la derivada de cada componente del vector de gravedad tomada en cada eje sensible. Por 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 están integradas en 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. Hay una serie de variaciones que pueden usarse para propósitos específicos, como investigaciones del campo gravitatorio y mejora de la órbita .
Estos ejemplos presentan algunas de las posibilidades para la 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 del modelo orbital y gravitacional. [3] : 68
Este artículo incorpora texto de esta fuente, que se encuentra en el dominio público : Agencia de Cartografía de Defensa (1983). Geodesia para el profano (PDF) (Reporte). Fuerza Aérea de los Estados Unidos. Archivado desde el original (PDF) el 13 de mayo de 2017 . Consultado el 19 de febrero de 2021 .