curs_1_2_2011

1. Introducere. Sisteme de timp utilizate in Geodezia Spatiala;

2. Sisteme de referinta utilizate in Geodezia Spatiala;

3. Studiul orbitei satelitilor;

4. Metode de determinare a pozitiei pe baza obs. satelitare;

5. Utilizarea sistemelor GNSS in Geodezie;

Universitatea Tehnica de Constructii BucurestiFacultatea de Geodezie

Catedra de Geodezie si Fotogrametrie

GEODEZIE SPATIALA~ curs ~

S.l.dr.ing.Tiberiu RUS

D E G E O D E Z I E

Geodezie Spatiala ~ curs ~ T.Rus 2010/2011 2

Satellite Geodesy, Seeber G., Berlin-New York, 1993;

GPS Satellite Surveying, Leick Alfred, Second Edition, John Wiley and Sons, New York, Chichester, Toronto, Brisbane, Singapore, 1995;

Geodesy, 2nd Edition, Torge Wolfgang, Walter de Gruyter, Berlin-New York, 1991;

GPS in der Praxis, Hofmann-Wellenhof B., Kienast G., Lichtenegger H., Wien, New York, 1994;

Sateliti artificiali la sfarsit de mileniu, Teodorescu C., Ionescu D., Zaganescu F., Editura Stiintifica siEnciclopedica, Bucuresti, 1988;

Enciclopedia programelor spatiale, 1975-1979, G-ral maior ing. Andreescu D., Editura Militara, Bucuresti, 1980;

Sistemul de Pozitionare Globala (GPS), Neuner J., Editura Matrix, 2000;

Introducere in geodezia geometrica spatiala, Dinescu Al., Editura Tehnica, Bucuresti, 1980;

http://193.231.4.70:8888 (Statia GPS Permanenta “Bucu”); Articole conexehttp://www.geodezie.utcb.ro; (Facultatea de Geodezie Bucuresti);

Bibliografie (in afara notelor de curs)


Introducere /1

Geodeziaclasica : este ştiinţa care se ocupă cu studiul formei şi dimensiunilor Pământului. moderna: + campul fizic asociat

+ tehnologiile moderne de investigare.Dezavantajele Geodeziei clasice:

- Neomogenitatea det. coordonatelor (planimetrice fata de altimetrice);- Sisteme de referinta negeocentrice (originea diferita de centrul de masa al Pamantului);- Retelele de triangulatie realizate nu aveau acoperire globala;- Impedimente specifice observatiilor optice (vizibilitate, geom. retelei, influente atmosferice s.a)

• Geodezia Spaţială (Space Geodesy – lb.engleză) - se ocupă cu studiul formei, dimensiunilor şi a câmpului fizic ale Pământului folosind metode şi tehnologii spaţiale.Geodezia Spaţială utilizează frecvent ca şi măsurători, distanţe spaţiale (staţie-satelit) spre deosebirede distanţele terestre (staţie-staţie) măsurate în triangulatia/trilateraţia clasică.

Geodezia cu Sateliţi se ocupă cu studiul formei, dimensiunilor şi a câmpului fizic ale Pământului folosind sateliţi artificali ai Pământului.

Satelitul artificial este un corp creat de ştiinţa şi tehnologia umană, care este lansat pe o orbită în jurul unui corp ceresc şi evoluează pe această orbită conform legilor mecaniciicereşti.


Metode si tehnologii spatiale:

1. VLBI – Very Long Baseline Interferometry(Masuratori interferometrice de distante foarte lungi)

2. SLR – Satellite Laser Ranging (Masuratori laser de distante spre sateliti);

3. GNSS – Global Navigation Satellite System(Sisteme Satelitare pentru Navigatie Globala)

4. Radar Altimetrie Satelitara (Masuratori RADAR de altitudini cu sateliti)

5. Pozitionare SST (Satellite-Satellite Tracking –Pozitionare relativa satelit-satelit)

6. Masuratori Doppler cu sateliti

… + alte metode si tehnologii

Introducere /2

http://ids-doris.org/

http://www.evlbi.org/

http://ilrs.gsfc.nasa.gov/

http://igscb.jpl.nasa.gov/


Ceasatomic

Sistemde inreg.

Sistemde inreg.

Corelator

Ceasatomic

Radio-sursa

SS S

S

r1r2

b

γ b1

1

2

2

2’

b cosγ =c τ (1)b = c τ/cosγ (2)

VLBI – Very Long Baseline Interferometry(Masuratori interferometrice de vectori foarte lungi)

Introducere /3

http://www.evlbi.org/


Introducere /4

L A S E RC E A S

ATOMIC

SISTEM DE RECEPTIEDETECTARE SEMNAL

CalculatorControl şipredicţiaorbitelor

Emiţător(telescop)

Receptor(telescop)

Satelit cureflectoared = t

2 c∆⋅

d

SLR – Satellite Laser Ranging(Masuratori LASER de distante spre sateliti)

http://ilrs.gsfc.nasa.gov/


Orbita calculată

Orbita adevarată

Suprafata instantaneea marii

Suprafata mediea marii

Geoid

Elipsoid

N = h - n - ∆n - a - d h

N

n

∆n

a

d

a = v t2∆

a - altitudinea măsurată;v - viteza undelor radar;

h – altitudinea elipsoidala;d – eroarea orbitei satelitului

RADAR – ALTIMETRY(Altimetrie RADAR cu Sateliti)

Introducere /5


SVK

SVJ

SVI Low-Low

High-Low

Statie terestra deurmarire a satelitilor

Satellite-Satellite Tracking (SST)Pozitionare relativa satelit-satelit

• se determina distanta si viteza relativa între doi sateliti

Aplicatii:

- determinarea mai precisa a pozitiei satelitilor;- studiul potentialului gravitational al Pamântului pe baza

variatiei parametrilor orbitei satelitului.

In ceea ce priveste materializarea conceptului SST existadoua configuratii, în functie de pozitia celor doi sateliti:

1. Configuratie de tipul “High-Low” (engl.) - “Inalt-Jos”;2. Configuratie de tipul “Low-Low” (engl.) - “Jos-Jos”.

Introducere /6


Introducere /7


“Struve Geodetic Arc“ (Arcul Geodezic Struve) este un lant de triangulatie cu o lungime de peste 2820 km intreHammerfest (Norvegia) si Staro-Nekrassowka (Ucraina). A fostmasurat intre anii 1816-1855 sub conducerea geodezilorFriedrich Georg William Struve si Carl F. de Tenner. Astaziacest arc trece prin 10 tari europene: Norvegia, Suedia, Finlanda, Rusia, Estonia, Letonia, Lituania, Belarus, Ucraina siMoldova.In anii dinaintea erei satelitilor, masurarea unui arc de meridian a fost cea mai precisa metoda de a determina parametrii figuriiPanantului. Prin masurarea unui arc de of 1° pe suprafataterestra la diferite latitudini, s-a putut determina daca Pamantuleste alungit sau turtit la poli.In ciuda lungimii sale, masuratorile acestui arc au fost foarteprecise pentru acele vremuri, lucru datorat in principal buneicolaborari intre oamenii de stiinta, monarhii si producatorii de echipamente, pentru o cauza stiintifica. Aceasta a permisimportante dezovltari in istoria astronomiei, geodeziei sicartografiei.Multe din punctele (statiile) de triangulatie sunt inca utilizate in retelele geodezice nationale. Pentru conservarea acestor puncte ramase s-a constituit un comitet cu reprezentanti din fiecare tara participanta la acestvechi proiect. S-a solicitat fiecarei tari de a cauta si descopericat mai multe puncte care au ramas din acest lant de triangulatie. Apoi aceste puncte au fost reconditionate simarcate astfel incat sa devina puncte de atractie nu numaipentru specialisti, dar si pentru turisti.In anul 2005, arcul geodezic Struve a fost inclus pe ListaUNESCO a monumentelor protejate. Arcul geodezic Struveinclude un numar de 34 de puncte (marcate cu culoarea verde in figura).

Introducere /8


Introducere /9

In prezent exista dispuse pesuprafata terestra sisteme de masurare continua, cum suntsistemele GNSS (Global Navigation Satellite System), care permit determinarea periodica saucontinua a pozitiei absolute si/saurelative a punctelor (statiilor) de masurare. Distributia acestor statiieste suficient de densa pentru a putea determina mult mai bineforma si dimensiunile Pamantului, precum si alti parametri specifici(parametri rotatiei Pamantului).

In figura sunt prezentate statiileGNSS permanente incluse in reteaua IGS (International GNSS Service).


Introducere /10

• Necesitatea conectării ret. de triang. →

observatii optice de la sol asupra Lunii; → obs. asupra unor “tinte mobile (inalte)”;

• Markowitz – “camera lunară” (fotografiereapozitiei Lunii pe fondul stelelor)

• 1942 – Vaisala – fotografierea unor tinte (S) luminoase (parasute) lansate deasupra uneiintinderi de apa (lac) din puncte intre care nuexista vizibilitate optica (A,C) (B,C);

- Scara retelei – det. prin mas. de distante:

- terestre (AB): laser (terestru-AB), Doppler

- spatiale : SLR-(ASi, BSi,CSi); interferometrie

radar altimetrie, Doppler,

pozitionare relativa (S1S2).

S1

S2

A

BA

B

C

S1S2

continent

insulă

Fig.1a Principiul determinării unei Fig.1b Principiul determinării direcţieistaţii fotografice între două staţii fotografice


Introducere/11

Metode de utilizare a S.A. in Geodezie

metode geometrice;

metode dinamice;

metode combinate sau semidinamice(“short arc” sau “arc scurt”, “orbit relaxation” sau “relaxarea orbitei”).

(S.A. – sateliti artificiali)

Punct nou

traiectorie satelit(orbita)

măsurători(observaţii)

Punct cunoscut

Geocentru

vector de poziţie

S4

S1

S2

S3

• Scurt istoric (vezi Anexa)


Scurt istoric /1 (Anexa)

• Pitagora (sec.VI î.e.n) emite ideea sfericităţii Pământului şi a formulat concepţia geocentrică, conforma căreia Soarele şi Luna se mişcă înjurul Pamantului.• Aristotel (364 –322 î.e.n.) – susţine concepţia geocentrică;• Aristarh din Samos (310 – 230 î.e.n.) – este primul care a emis ipoteza conform căreia Pământul se mişcă în jurul axei proprii şi în jurulSoarelui (teoria heliocentrică);• Claudius Ptolemeu (sec. II î.e.n.) – a făcut o sinteză a cunoştinţelor şi teoriilor astronomice existente la acel moment susţinând căPământul este fix constituind centrul Universului.• Nicolaus Copernic (14.. – 1543) – astronom polonez, care pe baza observaţiilor sale asupra poziţiei Lunii şi a planetelor în raport cu stelele, reia teoria heliocentrică a lui Aristarh din Samos şi o fundamentează în mod ştiinţific.• Galileo Galilei (1564-1642) – savant italian – susţine teoria heliocentrică pe baza observaţiilor realizate folosind luneta – instrument descoperit de el.• Johannes Kepler (1571-1630) – stabileşte pentru prima dată legile de mişcare ale corpurilor cereşti, legi care îi poartă numele.• Isaac Newton (1642-1727) – savant englez, care descoperă una din legile fundamentale ale naturii – legea atracţiei universale. Pe bazaacestei legi a explicat mai multe fenomene naturale între care şi legile mişcării planetelor stabilite de Kepler. Este primul care a analizatposiblitatea realizării unui satelit artificial al Pământului, calculând valoarea vitezei de satelizare (prima viteză cosmică de cca. 8 km/s).• Jules Verne (1828-1905) – scriitor francez, care a anticipat în romanele sale multe din realizările viitoare ale tehnologiei umane (zborulde la Pământ la Lună, utilizarea submarinelor ş.a.).• Conrad Haas – şef al Arsenalului din Sibiu între 1529-1569 – emite ideea utilizării rachetei cu mai multe trepte înzestrată cu aripioaretriunghiulare la bază pentru stabilizarea pe traiectorie.• Konstantin Eduardovici Ţiolkovski (1857-1935) – om de ştiinţă rus – propune utilizarea ca mijloace de propulsie a vehiculelor spaţiale, a motoarelor rachetă alimentate cu propergoli lichizi, precum şi a folosirii vehiculelor reactive în trepte.• Alexandru Ciurcu (1854-1922) – inginer român, care împreună cu prietenul său francez Just Buisson testează la Paris utilizareamotoarelor rachetă în propulsia unor ambarcaţiuni şi ulterior a unor vagoneţi.• Robert Hutchins Goddard (1882-1945) – fizician american – este primul care a construit şi testat racheta compusă folosind motoarerachetă alimentate cu propergoli lichizi.• Hermann Julius Oberth (1894- ) – născut la Sibiu – a contribuit la dezvoltarea tehnicii rachetelor şi fundamentarea zborului cosmic. In 1923 publică la Műnchen lucrarea “Die Rackete zu den Planetenräumen” (Racheta în spaţiile interplanetare), iar în 1930 construieşte înGermania o rachetă cu combustibil lichid, iar apoi una şi la Scoala Tehnică Aeronautică din Mediaş.• Robert Esnault-Pelterie (1881-1957) – inginer francez – este un precursor al astronauticii şi adept al propulsiei cosmice cu ajutorulmotoarelor rachetă. Este primul care utilizează termenul de “astronautică”, care este şi titlul uneia din lucrările sale publicate în 1934.• Fritz von Opel – constructor german de automobile – în 1928 realizează un dispozitiv fuzee cu combustibil solid, care propulsează un automobil cu viteza de 100 km/h.


Fritz Stamer – în 1928 pilotează primul avion propulsat cu ajutorul rachetelor.Werner von Braun (1902-1977) – savant german, care realizează în perioada celui de-al doilea război mondial vehiculul “V-2”, folositîn războiul aerian declanşat împotriva MariiBritanii. După război realizează pentru Statele Unite ale Americii vehiculele “Jupiter” şi“Saturn” folosite la lansarea de sateliţi artificiali şi nave cosmice.1950 – primul Congres de Astronautică la Paris.1951 – al doilea Congres de Astronautică la Londra, dedicat în întregime sateliţilor artificiali.1.07-1957-1.010.1959 – s-a desfăşurat Anul Geofizic Internaţional – acţiune de amploare cu scopul de a extinde cunoştinţele despreplaneta Pământ şi sistemul Solar. Au participat circa 66000 de oameni de ştiinţă şi cercetători din 66 de ţări.

*4 octombrie 1957 – Uniunea Sovietică lansează primul satelit artificial denumit SPUTNIK 1. Orbita a fost eliptică cu perigeul la înălţimea de 228 km şi apogeul la 947 de km. S-a dezintegrat în atmosfera terestră în ianuarie 1959.4 noiembrie 1957 - Uniunea Sovietică lansează al doilea satelit artificial denumit SPUTNIK 2, având la bord pentru cercetări biologicecăţeluşa Laika.31 ianuarie 1958 – SUA lansează primul ei satelit denumit Explorer 1, cu ajutorul căruia se pune în evidenţă centura de radiaţii Van Allen. Sunt lansaţi apoi sateliţii Explorer 2 şi 3 cu rolul de a determina temperatura din straturile înalte ale atmosferei şi a presiuniiradiaţiilor solare şi cosmice.26 iulie 1958 – SUA lansează satelitul Explorer 4, care evidenţiază lipsa centurii de radiaţii Van Allen în zonele polare.In paralel cu sateliţii Explorer, SUA lansează incepând cu 17 martie 1958, sateliţii din seria Vanguard având ca destinaţie şi studiulformei şi dimensiunilor Pământului.1960 – Uniunea Sovietică reuşeşte pentru prima dată să recupereze intactă macheta unei capsule spaţiale aptă să adăpostească un om. In acelaşi an şi SUA reuşesc să recupereze intactă o capsulă cu aparate şi vieţuitoare.12 aprilie 1961 – Iuri Gagarin, cosmonaut sovietic este primul om care evoluează 108 minute pe o orbită circumterestră la bordul naveispaţiale Vostok.20-21 iulie 1967 – echipajul american al misiunii americane Apollo 11 reuşeşte debarcarea pe Lună a primului pământean, Neil Armstrong. Incepând cu 1971 sunt lansate pe orbite joase (sub 500 de km) sateliţi - staţii ştiinţifice permanente: Saliut (Uniunea Sovietică) şiSkylab (SUA). Uniunea Sovietică construieşte şi navele de transport fără echipaj din seria Progress. SUA construieşte din aprilie 1981 sisteme de transport spaţial recuperabile denumite navete spaţiale (Columbia, 1981; Challenger, 1982, Discovery, 1985, Atlantis, Endeavour ş.a.).mai 1981 – primul zbor al cosmonautului român Dumitru Prunariu în cadrul laboratorului cosmic Saliut 6, desfăşurat în cadrulprogramului Intercosmos.februarie 1986 – Uniunea Sovietică inaugurează laboratorul spaţial MIR, care a funcţionat până la începutul anului 2001;2000 – SUA împreună cu Federaţia Rusă şi alte ţări construiesc laboratorul spaţial denumit generic Staţia Spaţială Internaţională (ISS –International Space Station, în limba engleză).

Scurt istoric /2 (Anexa)


• In anul 1992 au fost achiziţionate un set de 3 receptoare GPS (Ashtech LM-XII) în Facultatea de Geodezie din Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti, în cadrul programului TEMPUS realizat în colaborare cu Institutul Geodezic – Universitatea Tehnică din Hanovra, Germania;• In anul 1992, un set de 2 puncte din România au fost conectate la alte 3 staţii de referinţă europene (din Marea Britanie, Germania şiSuedia) printr-o colaborare între armata britanică şi Direcţia Topografică Militară (România). Rezultatele determinărilor au fost utilizatepentru determinarea parametrilor de legătură între sistemul de referinţă S42 (elipsoid Krasovski) şi sistemul WGS84 la un nivel de precizie cerut de lucrările cartografice;• In anul 1994, un număr de 7 puncte din reţeaua geodezică de control a României au fost conectate la reţeaua globală şi europeană de referinţă pe baza observaţiilor GPS efectuate cu sprijinul NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration-SUA), NGS (National Geodetic Survey- SUA) şi IfAG (actualmente BKG - Bundesamt fuer Kartographie und Geodaesie - Germania). • In anul 1995 a început derularea unui program de cercetări geodinamice în Europa Centrală (CERGOP) incluzând şi un colectiv de la Catedra de Geodezie şi Fotogrametrie a Facultăţii de Geodezie din cadrul UTCB. In cadrul programului s-au efectuat măsurători GPS cu durata de o săptămână în anii 1995, 1996, 1997, 1999, 2001, (2003, 2005, 2007).• In anul 1995 s-a realizat de către Direcţia Topografică Militară şi NIMA (National Imagery and Mapping Agency, SUA) un set de determinări absolute de gravitate in 4 puncte de pe teritoriul României folosind gravimetrul FG-5. Cele 4 puncte au fost racordate la reţeaua gravimetrică de ordinul 1 prin determinări relative folosind două gravimetre LaCoste & Romberg Model G. S-au recompensat reţelele de ord. 1 şi 2 pe baza noilor măsurători efectuate. Determinările absolute de gravitate au fost repetate în anul 1997 cu acelaşi tip de echipamente;• In anul 1995 în Poligonul Geodinamic Căldăruşani din apropierea Bucureştiului s-au efectuat determinări GPS, combinate cu determinări gravimetrice şi de nivelment pentru studii geodinamice. Au participat UTCB – Colectivul de Geodezie, Univ. Tehnică din Bonn şi INFP (Institutul Naţional de Fizica Pământului);• In luna mai a anului 1997 s-au realizat determinări GPS în vederea racordării reţelei de nivelment a României în reţeaua de nivelmenteuropeană. Acest lucru s-a realizat în cadrul proiectului EUVN (European Vertical GPS Network); Au fost determinate un număr de 4 puncte ale reţelei de nivelment din România, între care şi un reper din apropierea maregrafului din Constanţa.;• In luna octombrie 1998 în cadrul proiectului UNIGRACE (Unification of Gravity Systems of Central and Eastern European Countries) au fost determnate prin măsurători absolute de gravitate, două staţii (Gilău şi Constanţa). Proiectul cuprinde 12 ţări europene, Româniafiind reprezentată de IGR (Institutul Geologic al României);• In anii 1996-2000 s-au realizat observaţii GPS la o serie de aeroporturi din România în vederea realizării racordării sistemului de referinta pentru navigaţia aeriană la standardele europene.

Scurt istoric /3 - Utilizarea GNSS in Romania (Anexa)


• In anul 1999 (februarie) a fost instalată în România la Facultatea de Geodezie din Bucureşti din cadrul Universităţii Tehnice de Construcţii Bucureşti, prima staţie GPS permanentă recunoscută internaţional şi aliniată la standarde internaţionale de funcţionare.

• In anii 1997-2000, Direcţia Topografică Militară a realizat observaţii GPS pe teritoriul ţării împreună cu instituţii similare din MareaBritanie şi SUA;

• Incepând cu anul 1995, societăţi comerciale cu activitate în domeniul Topografiei, Geodeziei şi Cadastrului au realizat determinări GPS pe teritoriul României şi după 1997 şi determinări GLONASS;

• In anul 2001 se realizează de către ONCGC (Oficiul Naţional de Cadastru, Geodezie şi Cartografie), care a devenit după anul 2004 ANCPI (Agenţia Naţională de Cadastru şi Publicitate Imobiliară), o reţea naţională de staţii GPS permanente cuprinzând un număr de 5 staţii cu receptoare de dublă frecvenţă (L1/L2) şi staţii meteo integrate.

• In 2004/2005 s-au mai amplasat de către ANCPI un număr de 7 statii GPS permanente (5 staţii Leica şi 2 staţii Ashtech).

• În ceea ce priveşte reţeaua de staţii permanente GPS, în anul 2006 au fost achiziţionate si instalate de ANCPI alte 15 staţii (Topcon).

• De asemenea, în anul 2007/2008 s-au instalat de către ANCPI alte 20 de staţii (Leica), iar la începutul anului 2009 s-au instalat 10 staţii(Leica), ajungându-se la 58 de staţii.

• S-a dat in functiune in septembrie 2008, ROMPOS – Sistemul Romanesc de Determinare a Pozitiei, care ofera servicii de pozitionare in timp real sau postprocesare cu precizii de ordinul cm sau mm.

• Până la sfârşitul anului 2011 (??) se vor achiziţiona de ANCPI alte 15 staţii ajungându-se la un număr de 73 de staţii.

• Sunt in curs de realizare protocoale pentru schimbul de date in zona de frontiera prin integrarea in reteaua nationala de statii GNSS permanente a unor statii din tarile vecine (5 statii BG, 4 statii SR, 4 statii HU, 3 statii US si 5 statii MD).

Scurt istoric /4 - Utilizarea GNSS in Romania (Anexa)


1. Sisteme de timp utilizate in G.S./1

Timp Universal (TU)Timp Sideral Greenwich (GMST)Timp Dinamic Baricentric (TDB)Timp Dinamic Terestru (TDT)Timp Atomic Internaţional (TAI)Timp Universal Coordonat (UTC)Timp GPS (GPST)

1.RotaţiaPământului

2.Revoluţia Pământului

3.Oscilaţii atomice

Sistemul de timpProcesul periodic

| | | | | | | | |Origine T Timp

Fig. Scara de timp

γm

CEP GMST(GAST)

CEP – Pol ceresc instantaneu

Fig. Timp sideral Greenwich si timp universal

1.1. Timp sideral

• Timp universal: UT0; UT1, UT2

• Timp sideral mediu Greenwich:GMST = UT1 + αm - 12h (1.1.a)

UT1 - timp universal al meridianului Greenwich;αm - ascensia dreaptă medie a Soarelui mijlociu (Sm);GMST(notat uneori şi cu θo) - Timp Sideral Mijlociu Greenwich.

αm = 18h41m50s.54841 + 8640184s.812866TU + 0s.093104T2U

- (1.2)- 6s.2 x 10-6T3

U TU reprezintă numărul de secole Juliene a câte 36.525 zile de timp universal scurse de la miezul nopţii Greenwich la 1 ianuarie ora 12 UT1 (JD 2.451.545,0) a anului 2000.GAST (notat şi cu Θo) - Timp Sideral Aparent Greenwich - reprezintă GMST corectat de efectele de nutaţie.

• Timp sideral aparent Greenwich:GAST = 1.0027379093UT1 + αm + ∆ψcosε (1.1.b)

∆ψ - efectul nutaţiei pe direcţia longitudinii;cosε - efectul nutaţiei pe direcţia planului eclipticii.



1.2. Timp dinamic

• TDB – Timp Dinamic Baricentric

• TDT – Timp Dinamic Terestru

1.3. Timp Atomic

• TAI – Timp Atomic International:

TAI = TDT - 32s.184 (1.3)- unit. de masura: secunda SI (Sistem International);

- Ziua în SI este definită ca având 86400 de secunde SI, iar secolul

Julian are 36525 de zile.

• UTC – Timp Universal Coordonat (Universal Time

Coordinated)

•| UT1 - UTC | < 0.9s. (Prin grija IERS - International Earth

Rotation Service)

• dUT1 = UT1 – UTC (1.4)

• dAT = TAI – UTC (1.5)•Exemple: UTC(USNO), UTC(RUS), UTC(AUS)

• Timp GPS (Global Positioning System) - GPST• GPST a coincis cu UTC la ora “0” a datei de 06.01.1980

• TAI = GPST + 19s (1.6)

• Din 31.12.2008 IERS a anuntat GPST = UTC + 15s• Saptamana GPS (GPS-WEEK): [1…]

• Ziua GPS (GPS-DAY): [1…365]

• Secunda saptamanii GPS: [0…604800]s

30 000 000 ani10-151 420 405 751Hidrogen maser

300 000 ani10-139 192 631 770Cesium

30 000 ani10-126 834 682 613Rubidium

30 ani10-90.005Oscilator cu cuarţ

Timp în care “pierde” o

secundă

Stabilitatea /zi

[∆f/f]

Frecvenţa de oscilaţie

[GHz]

Tip ceas

Tab. Tipuri de oscilatoare



32.184 s

0 s

Timp Dinamic Terestru (TDT)

Timp Atomic (TAI)

Timp GPS (GPST)

UTC (Glonass)

UT1“leap second”

UTC(2008)

15s

19s

Fig. Legatura intre diverse sisteme de timp

6.01.1980


-26 seconds23:59:601990-12-31

-25 seconds23:59:601989-12-31

-24 seconds23:59:601987-12-31

-23 seconds23:59:601985-06-30

-22 seconds23:59:601983-06-30

-21 seconds23:59:601982-06-30

-20 seconds23:59:601981-06-30

-19 seconds23:59:601979-12-31

-18 seconds23:59:601978-12-31

-17 seconds23:59:601977-12-31

-16 seconds23:59:601976-12-31

-15 seconds23:59:601975-12-31

-14 seconds23:59:601974-12-31

-13 seconds23:59:601973-12-31

-12 seconds23:59:601972-12-31

-11 seconds23:59:601972-06-30

UTC–TAI dupa modificareUTC TimeUTC Date

-34 seconds

-35 seconds

23:59:60

23:59:60

2008-12-31

??????

-33 seconds23:59:602005-12-31

-32 seconds23:59:601998-12-31

-31 seconds23:59:601997-06-30

-30 seconds23:59:601995-12-31

-29 seconds23:59:601994-06-30

-28 seconds23:59:601993-06-30

-27 seconds23:59:601992-06-30

UTC–TAI dupa modificareUTC TimeUTC Date


Istoricul variatiei “leap seconds”



1.4 Calendarul. Epoci standard. Legătura între epocile standard.

1.4.1 Calendarul Julian

a) Data iuliană (JD) - reprezintă numărul de zile solare medii trecute de la epoca 1.5 Ianuarie 4713 I.C. Un secol iulian are 36 525 zile iuliene;

b) Data iuliană modificată (MJD) - este data iuliană din care s-a scăzut un număr de zile:MJD = JD - 2.400.000,5 zile (1.7)

MJD s-a adoptat deoarece numărul cifrelor cu care se lucrează este mai mic, iar MJD începe la miezul nopţii (civile) în loc de prânz.

1.4.2 Calendarul Gregorian (civil) - este calendarul utilizat azi pe plan mondial şi începe la anul 4713 după calendaruliulian.Pentru diversele nevoi ale unor ştiinţe (Astronomie, Geodezie ş.a.) s-au definit epocile standard, care constituiereferinţe de timp pentru calculul anumitor parametri. Un interes deosebit în Geodezia cu Sateliţi îl reprezintăepoca standard actuală şi epoca standard GPS.

Epoca standard actuala

Epoca standard GPS

Epoca standard

Astronomie2 451 545.01.5 Ianuarie 2000

Geodezia cu Sateliti2 444 244.56.0 Ianuarie 1980

Domeniu de aplicatieData IulianăData civilă

Diferenţa între cele două epoci standard exprimată în fracţiuni de secol iulian va fi: 670.1998767936525

2451545.02444244.5T −=−

=

(1.8)


Relatiile de mai jos au fost determinate [Montenbruck, 1984] pentru intervalul martie 1900 - februarie 2100.

b.2 Calculul datei civileziua: D = b-d-INT[30.6001e] + FRAC[JD+0.5];luna: M = e-1-12INT[e/14] (1.11)anul: Y = c-4715-INT[(7+M)/10]unde FRAC - partea fracţionară a unui număr;

Se poate calcula şi ziua din săptămână (N) pe bazarelaţiei:N’ = modulo{INT[JD+0.5], 7} (1.12)undeN’=0 <> Luni … N’=6 <> Duminica

Calculul săptămânii GPS (GPS WEEK):GPS WEEK = INT[JD-2 444 244,5)/7] (1.13)Secunda saptamanii GPS:GPST = N*24*3600 + h*3600 + m*60 + s (1.14)unde h-ora; m-minutul; s-secunda

Aplicatie – Conversii intre principalele sisteme de timp utilizate in Geodezia spatiala

1.5 Relaţii de conversie a datei

a. Conversia datei civile în dată Juliană:

JD = INT [365.25 y] + INT[30.6001(m+1)] + D + + UT/24 + 1.720.981,5 (1.9)

undeINT - partea întreagă;JD - data Juliană;y = Y-1 şi m = M+12 dacă M<=2;y = Y şi m = M dacă M>2;

iar Y - anul ; M - luna din an; D - ziua, UT-oradin zi exprimată ca număr real(Ex. 23.07.1995 ora 15:30: D=23, M=7, Y=1995, UT=15.3)b. Conversia datei Juliene în dată civilă:Se realizează în două etape:b.1. Calculul elementelor auxiliare

a = INT[JD+0.5];b = a + 1537;c = INT[(b-122.1)/365.25]; (1.10)d = INT[365.25 c];e = INT[(b-d)/30.6001].


2. Sisteme de referinta utilizate in G.S.

2.1 Sisteme de referinţă inerţiale şi sisteme de referinţă neinerţiale

2.1.1 Sistemele de referinţă inerţiale- originea: baricentru;- sunt in repaos in raport cu Soarele;- se supun mecanicii newtoniene;- descrierea miscarii satel. cu orbite inalte.

2.1.2 Sistemele de referinţă neinerţiale- originea: geocentru;- sunt in repaos in raport cu Pamantul;- se supun mecanicii relativiste;- descrierea miscarii satel. cu orbite joase.

2.2 Descrierea mişcărilor axei de rotaţie a Pământului

a. In sisteme de ref. inertiale (CCRS)

- Precesia; perioada (Chandler): ~430 zile- Nutatia; perioada: ~ 1 zi;- CEP - Celestial Ephemeris Pole –

Pol Instantaneu Conventional;- Pozitia sa se det. prin aplicarea (RP, RN).

b. In sisteme de ref. neinertiale (CTRS)

- CTP(CIO) - Conventional Terrestrial Pole– Pol Terestru Conventional (Mediu);

- Pozitia sa se det. prin aplicarea (RS, RM);- Legatura intre CEP si CTP este data de coordonatele (xp,yp) ale CEP in raport cu CTP

Terminologia actuala: “Coordinate reference system” (lb.engl.) – Sistem de referinta si coordonate


P

~ 6m

Q

~ 0.5m

P

Geocentru

~ 6m


XCTRS

ZCCRS≡ ZCTRS

XCCRS

Geocentru

Ecliptica

Ecuator

γ

Θo

Greenwich

(CEP≡CTP)

Fig.2.1 Precesia Fig.2.2 Nutatia Fig.2.3 Legatura intre CCRS si CTRS



MeridianGreenwich

Ecuatorcerescadevărat

Meridianul cerescal punctului vernal

Ecuatorterestruconvenţional

ZTZI

XT

XI

YI

2.3.3 Transf. coord. din sistem CCRS in CTRS

XCTRS = RM •RS•RN•RP•XCCRS

RM - matricea de rotaţie datorată mişcării Polului;RS - matricea de rotaţie datorată timpului sideral

(axele X ale celor două sisteme);RN - matricea de rotaţie datorată nutaţiei;RP - matricea de rotatie datorată precesiei.

RS =

ΘΘ−ΘΘ

1000cossin0sincos

00

00

RM = R2(-xP)R1(-yP) =

1 00 1

1

xy

x y

P

P

P P

−

Geocentru


2. Sisteme de referinta utilizate in G.S.2.3 Sisteme de referinţă în Geodezia cu Sateliţi

2.3.1 Sistemul de referinţă cvasi-inerţialconvenţional - CCRS (Conventional Celestial Reference System)

•Originea: geocentru (G);•Axa Z: axa de rot.a Pamantului la epoca

J2000.0•Axa X:direcţia spre punctul vernal γ.

Exemplu: ICRF sau IERS CRF (Intern. Earth Rotation Service Celestial Reference Frame)

2.3.2 Sistemul de referinţă terestruConventional - CTRS ( Conventional Terrestrial Reference System)

•Originea: geocentru (G);•Axa Z: axa de rot.medie a Pamantului data de

CTP (CIO)•Axa X: intersectia plan merid. Greenwich cu

Ecuatorul terestru.

Exemplu: Realizari ale CTRS sunt denumiteCTRF (CTR Frame) – realizate pe baza unuiset de puncte de referinta de la sol determinate prin obs. SLR (Satellite Laser Ranging), VLBI(Very Long Baseline Interferometry), GNSS;Exemple de CTRF: WGS84, ITRF, ETRS



Geocentru

Meridianulorigine -BIH

CTP• Sistemul WGS84 (World Geodetic System-1984)Este un sistem de referinţă de tip CTRF definit pebaza a peste 1500 de puncte de referinţă a cărorprecizie relativă a fost de ordinul a circa 1-2 m, in prezent fiind de cativa cm. Acest sistem de referinţăgeocentric are asociat un elipsoid echipotenţialdefinit de 4 parametri.

K= G•M = 3986005•108 m3s-2const. gravitaţională geocentrică(inclusiv atmosfera)

ωP = 7292115•10-11 rad/sViteza unghiulară de rotaţie a PământuluiC2,0 = -484.16685•10-6Coef.armonic zonal normalizat de ord.2

a = 6378137.000 mSemiaxa mare

ValoareParametru

Elementele definitorii ale elipsoidului WGS-1984


• Sistemul ITRF (IERS sau International Terrestrial Reference Frame)

2. Sisteme de referinta utilizate in G.S./5

• Este un sistem de referinţă neinerţial definit pe baza a peste 180 de puncte de referinţă în a căror pozitie se ţine cont şi de mişcarea plăcilor tectonice.

• ITRF este referit la o epocă YY (De exemplu: ITRF-89, ITRF-92, ITRF-94, ITRF-96, ITRF-97, ITRF-2000, ITRF2005).

•Precizia de determinare a acestor puncte este de câţiva centimetri. Ca metode de determinarese folosesc observaţii de tip SLR, VLBI si GPS. Pe baza realizărilor succesive la diferite epociale acestui sistem de referinţă sunt determinate cu precizie ridicată şi vitezele de deplasare.

•Transformarea coordonatelor între sistemul WGS-84 şi sistemele ITRF-YY se face îngeneral pe baza unei transformări conforme de 7 parametri (3 translaţii, 3 rotaţii şi un factor de scară). Cei 7 parametri de transformare sunt publicaţi la fiecare realizare a unui nou sistemITRF-YY de către servicii specializate cum este IGS (International GPS Service for Geodynamics).


Statia GNSS “Bucu” –integrata in reteaua IGS(igscb.jpl.nasa.gov)

2. Sisteme de referinta utilizate in G.S.• Sistemul ITRF (IERS sau International Terrestrial Reference Frame)

ITRF: coordonate siviteze determinate pebaza observatiilor:

-VLBI;

- SLR;

- GNSS;

- DORIS(www.iers.org)


• Exemplu de puncte (statii GNSS) cu coordonate/viteze in sistem ITRF



• Sistemul ETRS89 ( European Terrestrial Reference System 1989)

2. Sisteme de referinta utilizate in G.S./6

• Este un sistem de referinţă neinerţial definit pe baza unui set de puncte dispuse in Europa (in special statii GNSS permanente).

• Se presupune ca placa tectonica europeana este rigida si stabila, intre punctele situate pe ea neexistand miscari relative;

• Nu intereseaza in mod direct miscarea (micro)placilor tectonice din aceasta zona;

• Coordonatele punctelor in sistem ETRS89 (ETRF) se determina la “epoca” 1989.0;

• Coordonatele punctelor de referinta se determina in sistem ETRS89 pe baza coordonatelorcunoscute in sistem ITRF-YY; Acestor coordonate li se aplica o transformare in ETRF-YY siapoi in ETRF-2000(2005) de unde sunt “aduse” in sistem ETRF89.

•Precizia relativa de determinare a acestor puncte este de ordinul mm-cm. Ca metode de determinare se folosesc in principal observaţii de tip GNSS (GPS, GPS+GLONASS).

•Din Romania sunt incluse oficial in reteaua de puncte cu coordonate ETRS89 = reteaua EUREF (European Reference Frame), un numar de 12 puncte (7 borne + 5 statii GNSS permanente: BACA, BAIA, BUCU, COST, DEVA)•Intre sistemul WGS84 actual şi sistemul ETRS89 exista o diferenta a coordonatelor de cca. 10cm, cu conditia ca pozitia in sistem WGS84 sa fie determinata relativ la reteaua globala de puncte cu coordonate in WGS84.


Statia GNSS “Bucu” –integrata in reteaua EPN(EUREF Perm. Network)

Alte statii din Romania:BACA, BAIA, COST, DEVA

www.epncb.oma.be

Nu apar in fig. si cele 7 borne din Romania integrate in EUREF.



2. Sisteme de referinta utilizate in G.S.• Sistemul Romanesc de Determinare a Pozitiei (ROMPOS) – 60 statii GNSS (2010)• sta la baza noii Retele Geodezice Nationale Spatiale ; include cele 5 statii GNSS EUREF (din care una IGS)


• Exemplu de puncte (statii GNSS) cu coordonate si viteze in sistem ETRF2000



• Exemplu de puncte (statii GNSS) cu coordonate in sistem ETRS89(si viteze in ETRF00)



EXEMPLU DE CALCULSe cunosc coordonatele satelitului NAVSTAR-GPS libere de efectele de precesie şi nuţatie (matricile RP şi RN

deja aplicate), cu nr. de catalog PRN#23, în sistem CCRS:X’ = 15 023,340903 km;Y’ = 16 611,292631 km;Z’ = 14 827,561478 km;

valabile pentru data civilă (gregoriană) de (1+N) ianuarie 1999 , ora GPST(34400s) 12:00:00 şi coordonatele polului (pebaza buletin IERS):

xP = -0”.07038;yP = 0”.51875;

Se cunoaşte (din buletin IERS) că dUT1 = +0.699792s , dψ”=-0”.03664, dε”=-0”.00842 pentru momentul respectiv şidiferenţa GPS-UTC de 13s (“leap seconds”).

Se cere să se transforme coordonatele satelitului din sistem CCRS în sistem CTRS ţinând cont de influenţanutaţiei în determinarea GAST (Θo ) sau neglijând acest efect.Rezolvare- Calculul timpului UT1 (Timp Universal al meridianului Greenwich):

UTC = GPST - 15sUT1 = UTC + dUT1

Calculul TU - fracţiuni de secol Julian faţă de epoca standard J2000.0 (faţă de 1.01.2000 ora 12:00, JD = 2 451 545.0);- Calculul θo = GMST (Timp Sideral Mediu Greenwich, notat uneori şi αm):θo = 18h41m50s.54841 + 8640184s.812866TU + 0s.093104T2

U - 6s.2 x 10-6T3U

(24110.54841s)- Calculul Θo = GAST (Timp Sideral Aparent Greenwich):

Θo = 1.0027379093 UT1 + θo + {dΨcosdε}(efect de nutaţie -> neglijabil?)

- Calculul matricii de rotaţie corespunzătoare Θo: RS = R3(Θo)- Calculul matricii de rotaţie datorate mişcării Polului: RM

- Calculul coordonatelor satelitului în sistem CTRS:

Obs.: In general efectul matricii RM este neglijabil (mişcarea Polului).

Aplicatie – Transformarea coordonatelor satelitare din sistem CCRS in sistem CTRS


Aplicatie – Transformarea coordonatelor satelitare din sistem CCRS in sistem CTRS


BULLETIN B INTERNATIONAL EARTH ROTATION SERVICEEARTH ROTATION PARAMETERS

EOP (IERS) C 04

Date MJD x y UT1-UTC LOD dPsi dEpsilon" " s s " "

(0h UTC)

2006 JAN 1 53736 0.052707 0.383354 0.3388335 0.0001206 -0.056430-0.0019402006 JAN 2 53737 0.051793 0.383017 0.3385970 0.0003536 -0.056209-0.0018392006 JAN 3 53738 0.050972 0.382761 0.3381131 0.0006082 -0.056096-0.0017102006 JAN 4 53739 0.050176 0.382445 0.3373981 0.0008169 -0.056117-0.0015842006 JAN 5 53740 0.049610 0.382082 0.3365208 0.0009362 -0.056249-0.0014992006 JAN 6 53741 0.049501 0.381782 0.3355771 0.0009436 -0.056483-0.0014042006 JAN 7 53742 0.049572 0.381662 0.3346790 0.0008278 -0.056756-0.0013082006 JAN 8 53743 0.049511 0.381596 0.3339509 0.0006064 -0.056988-0.0012522006 JAN 9 53744 0.049508 0.381314 0.3334759 0.0003342 -0.057119-0.0012712006 JAN 10 53745 0.049576 0.381168 0.3332745 0.0000725 -0.057122-0.0013792006 JAN 11 53746 0.049266 0.381051 0.3333100 -0.0001298 -0.057005-0.0015772006 JAN 12 53747 0.048765 0.380709 0.3335060 -0.0002441 -0.056806-0.0018042006 JAN 13 53748 0.048540 0.380364 0.3337682 -0.0002642 -0.056570-0.0019972006 JAN 14 53749 0.048675 0.380019 0.3340070 -0.0001815 -0.056327-0.0021132006 JAN 15 53750 0.049214 0.379775 0.3341090 -0.0000490 -0.056049-0.0021112006 JAN 16 53751 0.049946 0.379689 0.3340924 0.0000763 -0.055832-0.0019902006 JAN 17 53752 0.050405 0.379966 0.3339539 0.0002317 -0.055607-0.0017792006 JAN 18 53753 0.050632 0.380422 0.3336360 0.0004325 -0.055423-0.0015502006 JAN 19 53754 0.050720 0.380745 0.3331032 0.0005620 -0.055292-0.0013712006 JAN 20 53755 0.050504 0.380977 0.3325312 0.0006310 -0.055255-0.0012962006 JAN 21 53756 0.050242 0.381209 0.3318627 0.0006872 -0.055352-0.0013652006 JAN 22 53757 0.050167 0.381257 0.3311786 0.0006720 -0.055591-0.0015582006 JAN 23 53758 0.050240 0.380722 0.3305387 0.0006067 -0.055941-0.0018142006 JAN 24 53759 0.050307 0.380238 0.3299798 0.0005171 -0.056327-0.0020652006 JAN 25 53760 0.050196 0.380349 0.3295080 0.0004319 -0.056654-0.0022572006 JAN 26 53761 0.050117 0.380577 0.3291019 0.0003817 -0.056826-0.0023642006 JAN 27 53762 0.050312 0.380709 0.3287102 0.0003873 -0.056795-0.0023912006 JAN 28 53763 0.050698 0.380983 0.3282785 0.0004684 -0.056567-0.0023592006 JAN 29 53764 0.051147 0.381350 0.3277254 0.0006767 -0.056237-0.0022992006 JAN 30 53765 0.051491 0.381695 0.3268961 0.0009995 -0.055970-0.0022322006 JAN 31 53766 0.051610 0.382303 0.3257305 0.0013278 -0.055882-0.002181


2009 MJD x y UT1-UTC UT1-UT1R LOD dPsi dEpsilon(0 h UTC) " " s ms ms 0.001" 0.001"JUL 1 55013 0.12995 0.53402 0.232961 -1.799 0.227 -65.3 -8.7JUL 2 55014 0.13367 0.53312 0.232709 -1.752 0.023 -65.2 -8.8JUL 3 55015 0.13709 0.53233 0.232616 -1.501 -0.156 -65.3 -9.0JUL 4 55016 0.14053 0.53137 0.232661 -1.090 -0.289 -65.5 -9.0JUL 5 55017 0.14400 0.53036 0.232795 -0.579 -0.362 -65.8 -9.2JUL 6 55018 0.14721 0.52941 0.232950 -0.036 -0.366 -66.1 -9.3JUL 7 55019 0.15019 0.52831 0.233070 0.469 -0.306 -66.1 -9.3JUL 8 55020 0.15330 0.52692 0.233091 0.875 -0.192 -66.1 -9.0JUL 9 55021 0.15661 0.52547 0.232978 1.137 -0.046 -66.1 -8.7JUL 10 55022 0.15998 0.52387 0.232704 1.237 0.109 -66.2 -8.5JUL 11 55023 0.16335 0.52215 0.232282 1.176 0.248 -66.5 -8.5JUL 12 55024 0.16689 0.52080 0.231732 0.982 0.352 -66.7 -8.6JUL 13 55025 0.17078 0.51963 0.231102 0.699 0.403 -66.7 -8.7JUL 14 55026 0.17482 0.51858 0.230452 0.387 0.391 -66.8 -8.8JUL 15 55027 0.17866 0.51756 0.229844 0.112 0.310 -67.1 -9.0JUL 16 55028 0.18215 0.51616 0.229351 -0.059 0.168 -67.5 -9.2JUL 17 55029 0.18543 0.51432 0.229021 -0.075 -0.013 -68.0 -9.2JUL 18 55030 0.18858 0.51229 0.228870 0.082 -0.185 -68.4 -9.0JUL 19 55031 0.19192 0.51036 0.228867 0.375 -0.290 -68.5 -8.9JUL 20 55032 0.19537 0.50869 0.228912 0.709 -0.277 -68.3 -8.9JUL 21 55033 0.19848 0.50711 0.228875 0.957 -0.129 -68.0 -8.9JUL 22 55034 0.20169 0.50566 0.228630 0.995 0.122 -67.8 -8.8JUL 23 55035 0.20492 0.50464 0.228119 0.759 0.398 -67.9 -8.7JUL 24 55036 0.20800 0.50365 0.227355 0.270 0.610 -68.1 -8.8JUL 25 55037 0.21149 0.50232 0.226442 -0.370 0.692 -68.3 -8.9JUL 26 55038 0.21495 0.50094 0.225524 -1.016 0.624 -68.7 -8.8JUL 27 55039 0.21804 0.49946 0.224734 -1.533 0.440 -69.3 -8.6JUL 28 55040 0.22120 0.49765 0.224163 -1.830 0.195 -69.9 -8.4JUL 29 55041 0.22450 0.49559 0.223842 -1.877 -0.054 -70.2 -8.5


http://www.geodezie.utcb.to (Facultatea de Geodezie)

http://www.iers.org

curs_1_2_2011

Documents

Transcript of curs_1_2_2011