الجيوديسيا عبر الأقمار الصناعية

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 7 صور
الموسوعة الحرة
نظام ويتزل لتحديد المدى بالليزر، محطة لتحديد المدى بالليزر عبر الأقمار الصناعية

الجيوديسيا الفضائية هي علم الجيوديسيا الذي يُجرى باستخدام الأقمار الصناعية ، ويشمل قياس شكل الأرض وأبعادها ، ومواقع الأجسام على سطحها، وشكل مجال جاذبيتها ، وذلك باستخدام تقنيات الأقمار الصناعية. وهي تنتمي إلى مجال أوسع هو الجيوديسيا الفضائية . لا تُعتبر الجيوديسيا الفلكية التقليدية عادةً جزءًا من الجيوديسيا الفضائية، على الرغم من وجود تداخل كبير بين التقنيات. [ 1 ] : 2

تتمثل الأهداف الرئيسية للجيوديسيا عبر الأقمار الصناعية فيما يلي:

  1. تحديد شكل الأرض، وتحديد المواقع، والملاحة (الجيوديسيا الهندسية للأقمار الصناعية) [ 1 ] : 3
  2. تحديد الجيود ، مجال جاذبية الأرض وتغيراته الزمنية (الجيوديسيا الديناميكية بالأقمار الصناعية [ 2 ] أو الجيوديسيا الفيزيائية بالأقمار الصناعية )
  3. قياس الظواهر الجيوديناميكية ، مثل ديناميكيات القشرة الأرضية وحركة القطبين [ 1 ] : 4 [ 1 ] : 1

يمكن تطبيق بيانات وأساليب الجيوديسيا الفضائية على مجالات متنوعة مثل الملاحة ، والهيدروغرافيا ، وعلم المحيطات ، والجيوفيزياء . وتعتمد الجيوديسيا الفضائية بشكل كبير على ميكانيكا المدارات .

تاريخ

الخطوات الأولى (1957-1970)

بدأ علم الجيوديسيا بالأقمار الصناعية بعد فترة وجيزة من إطلاق سبوتنيك عام 1957. وسمحت عمليات الرصد التي أجراها كل من إكسبلورر 1 وسبوتنيك 2 عام 1958 بتحديد دقيق لتسطح الأرض . [ 1 ] : 5 شهدت ستينيات القرن العشرين إطلاق قمر دوبلر الصناعي ترانزيت-1B والأقمار الصناعية البالونية إيكو 1 وإيكو 2 وبيجوز . وكان أول قمر صناعي مخصص للجيوديسيا هو آنا-1B ، وهو جهد تعاوني بين وكالة ناسا ووزارة الدفاع الأمريكية ووكالات مدنية أخرى. [ 3 ] : 51 حمل آنا-1B أول جهاز من أجهزة سيكور (التجميع التسلسلي للمدى) التابعة للجيش الأمريكي . وأدت هذه المهمات إلى تحديد دقيق لمعاملات التوافقيات الكروية الرئيسية للجهد الجيوديسي، والشكل العام للجيود ، وربطت المراجع الجيوديسية العالمية. [ 1 ] : 6

قامت الأقمار الصناعية العسكرية السوفيتية بمهام جيوديسية للمساعدة في استهداف الصواريخ الباليستية العابرة للقارات في أواخر الستينيات وأوائل السبعينيات.

نحو النظام الجيوديسي العالمي (1970-1990)

شبكة التثليث الهندسي بالأقمار الصناعية العالمية لكاميرات BC-4

استُخدم نظام الأقمار الصناعية "ترانزيت" على نطاق واسع في المسح الدوبلري والملاحة وتحديد المواقع. وقد أتاحت عمليات رصد الأقمار الصناعية في سبعينيات القرن الماضي، عبر شبكات التثليث العالمية، إنشاء النظام الجيوديسي العالمي . كما مكّن تطوير نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) من قِبل الولايات المتحدة في ثمانينيات القرن الماضي من الملاحة وتحديد المواقع بدقة عالية، وسرعان ما أصبح أداةً أساسيةً في المسح. وفي ثمانينيات وتسعينيات القرن الماضي، بدأ استخدام الجيوديسيا الفضائية لرصد الظواهر الجيوديناميكية ، مثل حركة القشرة الأرضية ودوران الأرض وحركة القطبين .

العصر الحديث (1990–حتى الآن)

تصور الفنان لـ GRACE

ركزت جهود التسعينيات على تطوير الشبكات الجيوديسية الدائمة وأطر الإسناد. [ 1 ] : 7 وفي العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، أُطلقت أقمار صناعية مخصصة لقياس مجال جاذبية الأرض، مثل CHAMP و GRACE و GOCE . [ 1 ] : 2

تقنيات القياس

يجمع نظام القياس Jason-1 بين تقنيات القياس الجيوديسية الرئيسية، بما في ذلك DORIS و SLR و GPS وقياس الارتفاع .

يمكن تصنيف تقنيات الجيوديسيا الفضائية حسب منصة الجهاز: قد يكون القمر الصناعي

  1. يمكن رصدها باستخدام أجهزة أرضية ( طرق من الأرض إلى الفضاء )،
  2. حمل جهاز أو مستشعر كجزء من حمولته لمراقبة الأرض ( طرق من الفضاء إلى الأرض )،
  3. أو استخدام أجهزتها لتتبع قمر صناعي آخر أو أن يتم تتبعها من قبله ( طرق الاتصال بين الفضاءين ). [ 1 ] : 6

أساليب التتبع من الأرض إلى الفضاء (تتبع الأقمار الصناعية)

تقنيات الراديو

أنظمة الملاحة العالمية عبر الأقمار الصناعية هي خدمات تحديد المواقع الراديوية المتخصصة، والتي تُمكن من تحديد موقع جهاز الاستقبال بدقة تصل إلى بضعة أمتار. يُعد نظام تحديد المواقع العالمي (GPS ) أبرز هذه الأنظمة ، ويتكون من كوكبة تضم 31 قمراً صناعياً (حتى ديسمبر 2013) تدور في مدارات دائرية عالية مدتها 12 ساعة، موزعة على ستة مستويات بميل 55 درجة . يعتمد مبدأ تحديد الموقع على التثليث . يُرسل كل قمر صناعي بيانات مدارية دقيقة تتضمن معلومات عن موقعه ورسالة تحتوي على وقت الإرسال بدقة. يُقارن جهاز الاستقبال وقت الإرسال هذا مع توقيته الخاص وقت الاستقبال، ويضرب الفرق في سرعة الضوء للحصول على " مدى زائف ". يلزم أربعة نطاقات زائفة للحصول على الوقت الدقيق وموقع جهاز الاستقبال بدقة تصل إلى بضعة أمتار. أما الطرق الأكثر تطوراً، مثل تقنية تحديد المواقع الحركية في الوقت الحقيقي (RTK)، فتُمكن من تحديد المواقع بدقة تصل إلى بضعة ملليمترات.

في علم الجيوديسيا، يُستخدم نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS) كأداة اقتصادية للمسح ونقل الوقت . [ 4 ] كما يُستخدم لرصد دوران الأرض ، وحركة القطبين ، وديناميكيات القشرة الأرضية . [ 4 ] [ 5 ] وجود إشارة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) في الفضاء يجعله مناسبًا أيضًا لتحديد المدارات وتتبع الأقمار الصناعية.

   أمثلة: نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، نظام غلوناس ، نظام غاليليو

تقنيات دوبلر

تعتمد تقنية تحديد المواقع باستخدام تأثير دوبلر على تسجيل تغيرات دوبلر لإشارة راديوية ذات تردد ثابت، تُبث من قمر صناعي أثناء اقترابه وابتعاده عن الراصد. يعتمد التردد المرصود على السرعة الشعاعية للقمر الصناعي بالنسبة للراصد، والتي تحددها قوانين ميكانيكا المدارات . إذا كان الراصد على دراية بمدار القمر الصناعي، فإن تسجيل تغيرات دوبلر يحدد موقعه. في المقابل، إذا كان موقع الراصد معروفًا بدقة، فإنه يمكن تحديد مدار القمر الصناعي واستخدامه لدراسة جاذبية الأرض. في نظام DORIS ، تُبث المحطة الأرضية الإشارة، ويستقبلها القمر الصناعي.

   أمثلة: ترانزيت ، دوريس ، أرجوس

التثليث البصري

في التثليث البصري، يُمكن استخدام القمر الصناعي كهدفٍ مرتفعٍ جدًا للتثليث ، ويُمكن استخدامه لتحديد العلاقة الهندسية بين محطات رصد متعددة. اعتمد التثليث البصري باستخدام كاميرات BC-4، وPC-1000، وMOTS، أو Baker Nunn على رصد القمر الصناعي فوتوغرافيًا، أو تسليط ضوءٍ عليه، على خلفية من النجوم. وفرت النجوم، التي حُددت مواقعها بدقة، إطارًا على اللوحة الفوتوغرافية أو الفيلم لتحديد الاتجاهات الدقيقة من محطة الكاميرا إلى القمر الصناعي. عادةً ما كان يتم إجراء عمليات تحديد المواقع الجيوديسية باستخدام الكاميرات، حيث ترصد كاميرا واحدة في الوقت نفسه مع كاميرا أخرى أو أكثر. تعتمد أنظمة الكاميرات على الأحوال الجوية، وهذا أحد الأسباب الرئيسية لتوقف استخدامها بحلول ثمانينيات القرن العشرين. [ 3 ] : 51

مسار قطار ANNA 1B في صورة التقطتها محطة MOTS في سانتياغو ( تشيلي ) في 11 نوفمبر 1962

   أمثلة: PAGEOS ، مشروع إيكو ، ANNA 1B

تحديد المدى بالليزر

في تقنية تحديد المدى بالليزر عبر الأقمار الصناعية (SLR)، تقوم شبكة عالمية من محطات الرصد بقياس زمن ذهاب وإياب نبضات ضوئية فائقة القصر إلى الأقمار الصناعية المجهزة بعاكسات ضوئية . يوفر هذا قياسات فورية للمدى بدقة تصل إلى مستوى المليمتر، ويمكن تجميع هذه القياسات للحصول على معلمات دقيقة للمدار، ومعلمات مجال الجاذبية (الناتجة عن اضطرابات المدار)، ومعلمات دوران الأرض، وتشوهات المد والجزر للأرض، وإحداثيات وسرعات محطات SLR، وغيرها من البيانات الجيوديسية الهامة. تُعد تقنية تحديد المدى بالليزر عبر الأقمار الصناعية تقنية جيوديسية مُثبتة ذات إمكانات كبيرة للمساهمة في الدراسات العلمية لنظام الأرض/الغلاف الجوي/المحيطات. وهي التقنية الأكثر دقة المتاحة حاليًا لتحديد الموقع الجيومركزي لقمر صناعي، مما يسمح بالمعايرة الدقيقة لمقاييس الارتفاع الرادارية وفصل انحراف الأجهزة على المدى الطويل عن التغيرات العلمانية في تضاريس سطح المحيط . تساهم تقنية تحديد المدى بالليزر عبر الأقمار الصناعية في تعريف الأطر المرجعية الأرضية الدولية من خلال توفير معلومات حول مقياس وأصل الإطار المرجعي، ما يُعرف بإحداثيات المركز الجيومركزي. [ 6 ]

   مثال: لاجيوس

طرق الفضاء إلى الأرض

قياس الارتفاع

يُظهر هذا الرسم البياني ارتفاع مستوى سطح البحر العالمي (بالملليمترات) الذي قاسه مسبار قياس ارتفاع المحيطات التابع لوكالة ناسا / المركز الوطني للدراسات الفضائية (CNES) TOPEX/Poseidon (على اليسار) ومسباره اللاحق Jason-1 . مصدر الصورة: جامعة كولورادو

استخدمت أقمار صناعية مثل سيسات (1978) وتوبكس/بوسيدون (1992-2006) مقاييس ارتفاع رادارية متطورة ثنائية النطاق لقياس ارتفاع سطح الأرض (البحار والجليد والأسطح الأرضية) من مركبة فضائية . بدأ جيسون-1 في عام 2001، وجيسون-2 في عام 2008، وجيسون-3 في يناير 2016. يُمكّن هذا القياس، بالإضافة إلى عناصر مدارية (ربما مدعومة بنظام تحديد المواقع العالمي GPS)، من تحديد التضاريس . يسمح الطولان الموجيان المختلفان للموجات الراديوية المستخدمة لمقياس الارتفاع بتصحيح التأخيرات المتفاوتة في طبقة الأيونوسفير تلقائيًا .

أثبتت أجهزة قياس الارتفاع الرادارية المحمولة جواً أنها أدوات فائقة الدقة لرسم خرائط تضاريس سطح المحيط ، أي التلال والوديان. تُرسل هذه الأجهزة نبضة من الموجات الميكروية إلى سطح المحيط، وتسجل زمن عودتها. يقوم مقياس الإشعاع الميكروي بتصحيح أي تأخير قد ينتج عن بخار الماء في الغلاف الجوي . كما تُجرى تصحيحات أخرى لمراعاة تأثير الإلكترونات في طبقة الأيونوسفير وكتلة الهواء الجاف في الغلاف الجوي. يُمكّن دمج هذه البيانات مع الموقع الدقيق للمركبة الفضائية من تحديد ارتفاع سطح البحر بدقة تصل إلى بضعة سنتيمترات (حوالي بوصة واحدة). كما توفر قوة وشكل الإشارة العائدة معلومات عن سرعة الرياح وارتفاع أمواج المحيط. تُستخدم هذه البيانات في نماذج المحيطات لحساب سرعة واتجاه التيارات المحيطية ، وكمية وموقع الحرارة المخزنة في المحيط، مما يكشف بدوره عن تغيرات المناخ العالمي .

قياس الارتفاع بالليزر

يستخدم مقياس الارتفاع الليزري وقت الرحلة ذهابًا وإيابًا لشعاع ضوئي بأطوال موجية بصرية أو تحت حمراء لتحديد ارتفاع المركبة الفضائية أو، على العكس من ذلك، تضاريس الأرض.

   أمثلة: ICESat ، MOLA .

قياس الارتفاع بالرادار

يستخدم مقياس الارتفاع الراداري زمن الرحلة ذهابًا وإيابًا لنبضة الميكروويف بين القمر الصناعي وسطح الأرض لتحديد المسافة بين المركبة الفضائية والسطح. ومن هذه المسافة أو الارتفاع، تُزال تأثيرات السطح المحلية، مثل المد والجزر والرياح والتيارات، للحصول على ارتفاع القمر الصناعي فوق الجيود. وبوجود بيانات فلكية دقيقة للقمر الصناعي، يُمكن تحديد موقعه الجيومركزي وارتفاعه الإهليلجي لأي وقت رصد مُحدد. ومن ثم، يُمكن حساب ارتفاع الجيود بطرح الارتفاع المقاس من الارتفاع الإهليلجي. وهذا يسمح بالقياس المباشر للجيود، نظرًا لأن سطح المحيط يتبع الجيود بدقة. [ 3 ] : 64 ويُعطي الفرق بين سطح المحيط والجيود الفعلي تضاريس سطح المحيط .

   أمثلة: Seasat ، Geosat ، TOPEX/Poseidon ، ERS-1 ، ERS-2 ، Jason-1 ، Jason-2 ، Envisat ، SWOT (قمر صناعي)

الرادار ذو الفتحة التركيبية التداخلي (InSAR)

يُعدّ رادار الفتحة التركيبية التداخلي (InSAR) تقنية رادارية تُستخدم في الجيوديسيا والاستشعار عن بُعد . تعتمد هذه الطريقة الجيوديسية على صورتين أو أكثر من صور رادار الفتحة التركيبية (SAR) لإنشاء خرائط لتشوه سطح الأرض أو الارتفاع الرقمي ، وذلك باستخدام الفروقات في طور الموجات العائدة إلى القمر الصناعي. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] ويمكن لهذه التقنية قياس التغيرات في التشوه بدقة تصل إلى سنتيمترات على مدى فترات زمنية تتراوح من أيام إلى سنوات. ولها تطبيقات في الرصد الجيوفيزيائي للمخاطر الطبيعية، مثل الزلازل والبراكين والانهيارات الأرضية، وكذلك في الهندسة الإنشائية، ولا سيما رصد الهبوط الأرضي واستقرار المنشآت.

   مثال: سيسات ، تيرا سار-إكس

أساليب الاتصال بين الفضاء والفضاء

قياس تدرج الجاذبية

يستطيع مقياس تدرج الجاذبية تحديد مركبات متجه الجاذبية بشكل مستقل وفوري. تدرج الجاذبية هو ببساطة المشتق المكاني لمتجه الجاذبية. ويمكن اعتبار التدرج معدل تغير إحدى مركبات متجه الجاذبية عند قياسها على مسافة قصيرة. وبالتالي، يمكن قياس التدرج بتحديد الفرق في الجاذبية عند نقطتين متقاربتين ولكن مختلفتين. هذا المبدأ مُجسد في العديد من أجهزة القياس الحديثة ذات القاعدة المتحركة. تدرج الجاذبية عند نقطة ما هو موتر ، لأنه مشتق كل مركبة من مركبات متجه الجاذبية عند كل محور حساس. لذا، يمكن معرفة قيمة أي مركبة من مركبات متجه الجاذبية على طول مسار المركبة إذا تم تضمين مقاييس تدرج الجاذبية في النظام ودمج مخرجاتها بواسطة حاسوب النظام. سيتم حساب نموذج دقيق للجاذبية في الوقت الفعلي، وستتوفر خريطة متصلة للجاذبية العادية والارتفاع والجاذبية الشاذة. [ 3 ] : 71

   مثال: GOCE

تتبع الأقمار الصناعية

تعتمد هذه التقنية على استخدام الأقمار الصناعية لتتبع أقمار صناعية أخرى. وهناك عدد من التعديلات التي يمكن استخدامها لأغراض محددة، مثل دراسة مجال الجاذبية وتحسين المدارات .

  • قد يعمل قمر صناعي عالي الارتفاع كحلقة وصل بين محطات التتبع الأرضية وقمر صناعي منخفض الارتفاع . وبهذه الطريقة، يمكن رصد الأقمار الصناعية منخفضة الارتفاع عندما يتعذر على المحطات الأرضية الوصول إليها. في هذا النوع من التتبع، يستقبل القمر الصناعي حلقة الوصل إشارةً صادرةً من محطة التتبع، ثم يعيد إرسالها إلى قمر صناعي منخفض الارتفاع. بعد ذلك، تعود هذه الإشارة إلى المحطة الأرضية عبر المسار نفسه.
  • يمكن لقمرين صناعيين يدوران على ارتفاع منخفض تتبع بعضهما البعض، ورصد التغيرات المدارية المتبادلة الناتجة عن اضطرابات مجال الجاذبية. ومن الأمثلة البارزة على ذلك القمر الصناعي GRACE .
  • يمكن استخدام العديد من الأقمار الصناعية ذات الارتفاعات العالية والتي تتمتع بمدارات معروفة بدقة، مثل أقمار نظام تحديد المواقع العالمي (GPS )، لتحديد موقع قمر صناعي منخفض الارتفاع.

تُقدّم هذه الأمثلة بعضًا من إمكانيات تطبيق تتبع الأقمار الصناعية. جُمعت بيانات تتبع الأقمار الصناعية وحُلّلت أولًا في تكوين عالي-منخفض بين القمر الصناعي ATS-6 والقمر الصناعي GEOS-3 . دُرست البيانات لتقييم إمكاناتها في تحسين كلٍّ من المدار ونموذج الجاذبية. [ 3 ] : 68 مثال: GRACE   

تتبع نظام تحديد المواقع العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS)

   أمثلة: CHAMP ، GOCE

قائمة الأقمار الصناعية الجيوديسية

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 سيبر، غونتر (2003). الجيوديسيا الفضائية . برلين نيويورك: والتر دي جرويتر . دوى : 10.1515/9783110200089 . رقم ISBN 978-3-11-017549-3.
  2. ↑ سوسنيكا، كريستوف (2014). تحديد مدارات الأقمار الصناعية الدقيقة والمعلمات الجيوديسية باستخدام قياس المسافة بالليزر للأقمار الصناعية . برن: المعهد الفلكي، جامعة برن، سويسرا. ص 5. ISBN  978-8393889808.
  3. 1 2 3 4 5 وكالة رسم الخرائط الدفاعية (1983). علم المساحة لغير المتخصصين (ملف PDF) (تقرير). القوات الجوية الأمريكية.
  4. 1 2 أوجاجا، كليمنت (2022). مقدمة في علم الجيوديسيا باستخدام أنظمة الملاحة العالمية عبر الأقمار الصناعية: أسس تحديد المواقع بدقة باستخدام أنظمة الملاحة العالمية عبر الأقمار الصناعية . تشام، سويسرا: دار نشر سبرينغر الدولية. doi : 10.1007/978-3-030-91821-7 . ISBN 978-3-030-91821-7.
  5. ↑ أوجاجا، كليمنت (2024). "تطبيقات الجيوديسيا عبر الأقمار الصناعية لنظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية". مقدمة في الجيوديسيا عبر الأقمار الصناعية وتطبيقاتها . سبرينغر، تشام. doi : 10.1007/978-3-031-74494-5_5 .
  6. ↑ سوسنيكا، كريستوف (2014). تحديد مدارات الأقمار الصناعية الدقيقة والمعلمات الجيوديسية باستخدام قياس المسافة بالليزر للأقمار الصناعية . برن: المعهد الفلكي، جامعة برن، سويسرا. ص 6. ISBN  978-8393889808.
  7. ↑ ماسونيه، د.؛ فيجل، ك. ل. (1998)، "التداخل الراداري وتطبيقه على التغيرات في سطح الأرض"، مجلة الجيوفيزياء ، المجلد 36، العدد 4، الصفحات 441-500 ، رمز Bibcode : 1998RvGeo..36..441M ، doi : 10.1029/97RG03139 ، S2CID 24519422    
  8. ↑ بورغمان، ر.؛ روزن، ب.أ.؛ فيلدينغ، إ.ج. (2000)، "قياس تضاريس سطح الأرض وتشوهها باستخدام تداخل رادار الفتحة التركيبية"، المراجعة السنوية لعلوم الأرض والكواكب ، المجلد 28، الصفحات 169-209 ، رمز Bibcode : 2000AREPS..28..169B ، doi : 10.1146/annurev.earth.28.1.169  
  9. ↑ هانسن، رامون ف. (2001)، قياس التداخل الراداري: تفسير البيانات وتحليل الأخطاء ، كلوير أكاديميك، ISBN 9780792369455
  10. ↑ "الخدمة الدولية لتحديد المدى بالليزر" . Ilrs.gsfc.nasa.gov. 2012-09-17 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2022-08-20 .
  11. ↑ H2A-LRE
  12. ↑ "الخدمة الدولية لتحديد المدى بالليزر" . Ilrs.gsfc.nasa.gov. 2012-09-17 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2022-08-20 .

الإسناد

المجال العامتتضمن هذه المقالة نصًا من هذا المصدر، وهو متاح للعموم : وكالة رسم الخرائط الدفاعية (1983). علم المساحة لغير المتخصصين (ملف PDF) (تقرير). القوات الجوية الأمريكية. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 13 مايو 2017. تم الاطلاع عليه بتاريخ 19 فبراير 2021 .

للمزيد من القراءة

  • فرانسوا بارلييه؛ ميشيل لوفيفر (2001)، نظرة جديدة على كوكب الأرض: الجيوديسيا الفضائية وعلوم الأرض (ملف PDF) ، دار نشر كلوير الأكاديمية
  • سميث، ديفيد إي. وتوركوت، دونالد إل. (محرران) (1993). مساهمات الجيوديسيا الفضائية في الديناميكا الأرضية: ديناميات القشرة الأرضية المجلد 23، ديناميات الأرض المجلد 24، التكنولوجيا المجلد 25، سلسلة الديناميكا الأرضية للاتحاد الجيوفيزيائي الأمريكي ISSN 0277-6669 .