جيوديسية الأقمار الصناعية في المساحة

ما هي جيوديسية الأقمار الصناعية؟

نُشرت الأوراق العلمية التي تدعو إلى استخدام الأقمار الصناعية للأغراض الجيوديسية منذ عام 1956، حدد مرصد سميثسونيان للفيزياء الفلكية الخطوط العريضة للتطبيقات الجيوديسية للبيانات التي تم الحصول عليها من مشروع فانجارد خلال السنة الجيوفيزيائية الدولية 1958-1959.

تم اشتقاق العديد من التقنيات وقدر كبير من المعرفة في نهاية المطاف من هذا المشروع، من خلال هذه المعلومات تم تطوير وإطلاق ومراقبة النمو المستمر لتكنولوجيا الفضاء وتطوير أجهزة قياس المسافة الإلكترونية وإتقان معدات معالجة البيانات الإلكترونية والأقمار الصناعية المجهزة خصيصًا للأغراض الجيوديسية.

كان أول ساتل جيوديسي حقيقي هو (ANNA-1B) الذي أطلق في عام 1962، وكان مشروع (ANNA) جهدًا تعاونيًا حقيقيًا شارك فيه وزارة الدفاع (DoD) والإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (NASA) ووكالات مدنية أخرى، تم تطوير وتحسين العديد من أنظمة المراقبة خلال (ANNA)، حيث تضمنت هذه الأنظمة الكاميرات الجيوديسية والمدى الإلكتروني والدوبلر، كانت المعرفة المكتسبة من مشروع (ANNA) مفيدة أيضًا في تطوير أنظمة تحديد المدى بالليزر.

نظم المراقبة:

تم استخدام نظامين أساسيين للحصول على المعلومات الجيوديسية من الأقمار الصناعية الأرضية الاصطناعية البصرية والإلكترونية، جعلت هذه الأنظمة من الممكن إجراء قياسات جيوديسية مختلفة لربط المواقع المعروفة أو غير المعروفة بمركز الأرض بشبكات التثليث الحالية وربط شبكات التثليث ببعضها البعض، كما تم الحصول على معلمات مهمة لمجال الجاذبية الأرضية وقيم تسطيح الأرض.

يتكون التتبع البصري باستخدام كاميرات (BC-4 أو PC-1000 أو MOTS أو Baker Nunn) من ملاحظات فوتوغرافية لقمر صناعي أو ضوء وامض على القمر الصناعي على خلفية من النجوم، قدمت النجوم التي تم تحديد مواقعها بدقة إطارًا على لوحة أو فيلم فوتوغرافي لتحديد الاتجاهات الدقيقة من محطة الكاميرا إلى القمر الصناعي.

تم عمل تحديد المواقع الجيوديسية بالكاميرات عادةً بكاميرا واحدة تراقب في وقت واحد مع كاميرا أخرى أو أكثر، حيث تعتمد أنظمة الكاميرا على الطقس، وهذا أحد الأسباب الرئيسية لقلة استخدامها اليوم، أنظمة الليزر التي تمت مناقشتها لاحقًا تعتمد أيضًا على الطقس، ولكن دقتها الشديدة تبرر استخدامها وتطويرها.

طور الجيش الأمريكي نظام (SECOR) (الترتيب المتسلسل للمدى) وكان أول جهاز إرسال مستجيب (SECOR) يدور في مدار على (ANNA-1B) في عام 1962، واستمر استخدام نظام (SECOR) حتى عام 1970، ويعمل النظام وفقًا لمبدأ انتشار الموجات الكهرومغناطيسية عبر الفضاء على تحول طور يتناسب مع المسافة المقطوعة.

حيث أرسلت محطة أرضية إشارة مشكلة بالطور استقبلها المرسل المستجيب المحمول بالساتل وعاد إلى الأرض، تم قياس انزياح الطور الذي شهدته الإشارة أثناء الرحلة ذهابًا وإيابًا من الأرض إلى القمر الصناعي والعودة إلى الأرض إلكترونيًا في المحطة الأرضية التي قدمت كمخرجها تمثيلًا رقميًا للمدى.

دوبلر:

يمكن للساتل الجيوديسي أيضًا أن يحمل معدات إشارات إلكترونية لإنتاج تأثير دوبلر الذي يمكن استخدامه للأغراض الجيوديسية، تم اشتقاق نظام رصد دوبلر من حقيقة أنه، بينما يرسل مرسل ساتلي موجة مستمرة غير مشكلة بتردد ثابت، فإن الإشارة المستقبلة في محطات التتبع تُظهر تحولًا في التردد بسبب السرعة النسبية للقمر الصناعي ومحطة المراقبة.

يمكن ملاحظة ظاهرة مماثلة مع الموجات الصوتية، حيث يقترب مصدر الصوت وينحسر عن المراقب، على سبيل المثال يبدو أن درجة صوت صافرة القطار تتغير مع اقتراب القطار وتراجع عن المراقب. على الرغم من أن الموجات الصوتية تنتقل بمعدل ثابت حوالي 1080 قدمًا في الثانية عند مستوى سطح البحر؛ فإنها تصبح مزدحمة معًا عندما يقترب المصدر من المراقب، كما ستصبح أطوال الموجات أقصر وتزداد حدة الصوت، حيث يحدث التأثير المعاكس عندما يتحرك المصدر بعيدًا.

يفترض أن المصدر الراديوي يتحرك في خط مستقيم بسرعة محددة، تُستخدم الزاوية Ø للإشارة إلى المسافة بين موضع القمر الصناعي عند P (الوقت t) والنقطة P _m (الوقت t _m)، حيث سيكون الأقرب للمراقب، إذا تم التعبير عن انزياح دوبلر بدلالة Ø مع انخفاض Ø ينخفض ​​انزياح دوبلر إلى الصفر، مع انحسار القمر الصناعي ينخفض ​​التردد المستقبل ويزداد التحول حتى يصبح المرسل خارج النطاق.

هذا التردد المستلم هو في الواقع دالة للتردد المرسل وسرعة الانتشار ومعدل تغير المدى المائل بين القمر الصناعي والمحطة، من الملاحظات في محطة واحدة يمكن تحديد فترة القمر الصناعي والوقت والمسافة لأقرب اقتراب له وسرعته النسبية، إذا أجريت أرصاد من ثلاث محطات أو أكثر يمكن اشتقاق المعلمات المدارية.

تم تكييف الليزر لقياس المسافات على سطح الأرض ولحساب نطاقات من المحطات الأرضية إلى الأقمار الصناعية وسطح القمر، يتم توجيه أداة الليزر إلى الهدف ثم يتم تنشيطها بواسطة ساعة في الوقت المناسب.

ينعكس شعاع الليزر على الهدف بواسطة عاكسات خاصة، ويتم الكشف عن الضوء العائد كهروضوئيًا ويقاس وقت طيرانه لإنتاج بيانات النطاق، يتم تثبيت جهاز إرسال الليزر بجوار نوع من التلسكوب أو الجهاز البصري المستخدم لاستقبال شعاع الليزر المنعكس.

في نطاق الليزر الساتلي يتم قياس الفاصل الزمني بين النبضة الخارجة والعائدة من القمر الصناعي بدقة شديدة، ثم يتم تحويلها إلى قياس النطاق الذي يتم تصحيحه من أجل الانكسار الجوي، النطاق بالليزر ممكن حتى عندما يكون القمر الصناعي في ظل الأرض وخلال ساعات النهار.

كما يتم استخدام ليزر متزامن يصل إلى ساتل قريب من الأرض من موقعين لتحديد إحداثيات موقع ليزر واحد بالنسبة للموضع الثابت للموقع الآخر، وفي نفس الوقت المسافة بين المواقع، تستخدم وكالة ناسا التتبع بالليزر منذ عام 1972 لقياس المسافة بين النقاط في أمريكا الشمالية.

لقد كانوا يختبرون دقة التتبع بالليزر في قياس حركة القشرة بين النقاط على الجانبين المتقابلين لصدع سان أندرياس ويخططون لإجراء قياسات متكررة لخطوط الأساس عبر الصدع على مدى عدد من السنوات، كما تم تحقيق التتبع بالليزر المتزامن بين موقع الساحل الشرقي وبرمودا، مما يتيح تحديد الموقع النسبي لموقع برمودا (مرجع أمريكا الشمالية) وخط الأساس بين الموقعين.

تم دمج بيانات تحديد المدى بالليزر في تطوير الأنظمة الجيوديسية العالمية بواسطة مرصد سميثسونيان للفيزياء الفلكية (SAO) ووزارة الدفاع (DoD)، قامت ناسا أيضًا بتضمين بيانات الليزر في تطويرها لنماذج الجاذبية.

مسح دوبلر عبر الأقمار الصناعية:

مسح دوبلر عبر الأقمار الصناعية هو طريقة لتحديد مواقع النقاط على سطح الأرض من خلال مراقبة تحول دوبلر للإرسال اللاسلكي من الأقمار الصناعية لنظام الملاحة الساتلية للبحرية الأمريكية (NNSS)، تم تطوير (NNSS) للبحرية كنظام ملاحة عالمي في جميع الأحوال الجوية، حيث إنه يوفر إصلاحات للموضع على فترات زمنية مدتها ساعتان أو أقل.

بدأت عمليات رصد هذه الأقمار الصناعية بجدية في عام 1971 عندما أصبحت مستقبلات التتبع المحمولة متاحة لتحديد مواقع دقيقة على سطح الأرض، منذ ذلك الحين توسع تطبيق تقنيات المسح بالأقمار الصناعية دوبلر حتى اليوم يتم استخدامها في جميع أنحاء العالم.