衛星測地学

衛星測地学は人工衛星を用いた測地学であり、人工衛星技術を用いて地球の形状と大きさ、地球表面上の物体の位置、地球の重力場の形状を測定するものである。これは宇宙測地学というより広い分野に属する。伝統的な天文測地学は、技術の重複がかなりあるにもかかわらず、一般的には衛星測地学の一部とは見なされていない。[ ^{1] : 2}

衛星測地学の主な目的は次のとおりです。

1. 地球の形状の決定、測位、航法（衛星測地学）^{[1] ：3}
2. ジオイド、地球の重力場とその時間的変化の決定（動的衛星測地学^[2]または衛星物理測地学）
3. 地殻変動や極運動などの地球力学的現象の測定^{[1] ：4  [1] ：1}

衛星測地データと方法は、航海、水路測量、海洋学、地球物理学などのさまざまな分野に適用できます。衛星測地学は、軌道力学に大きく依存しています。

衛星測地学は、1957年のスプートニク打ち上げ直後に始まった。 1958年のエクスプローラー1号とスプートニク2号の観測により、地球の平坦化が正確に判定された 。^{[1] : 5} 1960年代には、ドップラー衛星トランジット1Bと気球衛星 エコー1号、エコー2号、PAGEOSが打ち上げられた。最初の専用測地衛星はANNA-1Bで、 NASA、国防総省、その他の民間機関の共同作業であった。 ^{[3] : 51} ANNA-1Bは、米国陸軍 の最初のSECOR（Sequential Collat​​ion of Range）機器を搭載していた。これらのミッションにより、ジオポテンシャルの主要球面調和係数、ジオイドの一般的な形状が正確に判定され、世界の測地基準系がリンクされた。^{[1] : 6}

ソ連の軍事衛星は、1960年代後半から1970年代初頭にかけて、 ICBMの標的特定を支援するために測地探査ミッションを実施しました。

トランジット衛星システムは、ドップラー測量、ナビゲーション、測位に広く使用されました。1970 年代に世界規模の三角測量ネットワークによって衛星が観測されたことで、世界測地系が確立されました。1980 年代に米国でGPSが開発されたことで、正確なナビゲーションと測位が可能になり、すぐに測量の標準ツールになりました。1980 年代と 1990 年代には、衛星測地学が地殻運動、地球の自転、極運動などの地球力学現象の監視に使用され始めました。

1990年代は恒久的な測地網と基準フレームの開発に重点が置かれました。^{[1] : 7} 2000年代には、 CHAMP、GRACE、GOCE などの地球の重力場を測定するための専用衛星が打ち上げられました。^{[1] : 2}

衛星測地学の技術は、機器プラットフォームによって分類することができます。衛星は

1. 地上の機器で観測される（地球から宇宙への方法）
2. 地球を観測するための機器やセンサーをペイロードの一部として搭載する（宇宙から地球への方法）、
3. あるいはその機器を使って他の衛星を追跡したり、他の衛星に追跡されたりする（宇宙から宇宙への方法）。^{[1] : 6}

全地球航法衛星システムは、受信機の位置を数メートル以内で特定できる専用の無線測位サービスです。最も有名なシステムであるGPSは、55°の傾斜角を持つ6つの平面に分散された、12時間の高軌道にある31個の衛星（2013年12月現在）の衛星群で構成されています。位置特定原理は三辺測量に基づいています。各衛星は、自身の位置に関する情報を含む正確なエフェメリスと、送信の正確な時刻を含むメッセージを送信します。受信機は、この送信時刻を受信時の自身の時計と比較し、その差に光速を掛けて「疑似距離」を取得します。正確な時刻と受信機の位置を数メートル以内で特定するには、4つの疑似距離が必要です。リアルタイムキネマティック（RTK）などのより洗練された方法では、数ミリメートル以内の精度で位置を特定できます。

測地学では、GNSSは測量と時刻転送のための経済的なツールとして使用されています。^[4]また、地球の自転、極運動、地殻のダイナミクスを監視するためにも使用されます。^[4] GPS信号は宇宙に存在するため、軌道決定や衛星間の追跡にも適しています。

     例: GPS、GLONASS、Galileo

ドップラー測位では、衛星が観測者に近づいたり遠ざかったりするときに、衛星から放射される安定した周波数の無線信号のドップラー偏移を記録します。観測される周波数は、軌道力学によって制約される、観測者に対する衛星の視線速度に依存します。観測者が衛星の軌道を知っている場合、ドップラープロファイルを記録することで観測者の位置を特定できます。逆に、観測者の位置が正確にわかっている場合は、衛星の軌道を特定して、地球の重力を研究するために使用できます。DORIS では、地上局が信号を放射し、衛星が受信します。

     例: Transit、DORIS、Argos

光学三角測量では、衛星を三角測量の非常に高い目標として使用し、複数の観測ステーション間の幾何学的関係を確認するために使用できます。BC-4、PC-1000、MOTS、または Baker Nunn カメラを使用した光学三角測量は、星を背景にした衛星または衛星の点滅光を写真で観察することで構成されます。位置が正確に決定された星は、カメラ ステーションから衛星までの正確な方向を決定するための枠組みを写真プレートまたはフィルム上に提供します。カメラを使用した測地測位作業は、通常、1 台のカメラが 1 台以上の他のカメラと同時に観測することで行われます。カメラ システムは天候に左右されるため、1980 年代までに使用されなくなった主な理由の 1 つです。^{[3] : 51}

     例: PAGEOS、Project Echo、ANNA 1B

衛星レーザー測距（SLR）では、観測局のグローバルネットワークが、反射鏡を備えた衛星への超短光パルスの往復飛行時間を測定します。これにより、ミリメートルレベルの精度で瞬時に距離測定が行われ、これを蓄積することで、正確な軌道パラメータ、重力場パラメータ（軌道の摂動から）、地球自転パラメータ、潮汐による地球の変形、SLR局の座標と速度、およびその他の重要な測地データが得られます。衛星レーザー測距は、地球/大気/海洋システムの科学的研究に重要な貢献をする大きな可能性を秘めた、実証済みの測地技術です。これは、地球衛星の地心位置を決定するために現在利用できる最も正確な技術であり、レーダー高度計の正確な較正と、海面地形の経年変化からの長期的な計測機器のドリフトの分離を可能にします。衛星レーザー測距は、基準フレームのスケールと原点、いわゆる地心座標に関する情報を提供することで、国際的な地球基準フレームの定義に貢献しています。^[5]

     例: LAGEOS

Seasat（1978年）やTOPEX/Poseidon （1992年 - 2006年）などの衛星は、高度なデュアルバンドレーダー高度計を使用して、宇宙船から地球の表面（海面、氷面、陸地表面）の高さを測定しました。Jason -1は2001年に開始され、Jason-2は2008年に、Jason-3は2016年1月に開始されました。その測定は、軌道要素（おそらくGPSによって補強）と組み合わせることで、地形の判定を可能にします。使用される2つの異なる波長の電波により、高度計は電離層でのさまざまな遅延を自動的に補正できます。

宇宙搭載レーダー高度計は、海面の地形や海面の丘や谷を地図に描くための優れたツールであることが証明されています。これらの機器は、海面にマイクロ波パルスを送信し、戻ってくるまでの時間を記録します。マイクロ波放射計は、大気中の水蒸気によって引き起こされる可能性のある遅延を補正します。電離層の電子や大気中の乾燥した空気塊の影響を考慮するために、他の補正も必要です。これらのデータと宇宙船の正確な位置を組み合わせることで、海面の高さを数センチメートル (約 1 インチ) 以内で決定することができます。また、返される信号の強度と形状から、風速や海の波の高さに関する情報も得られます。これらのデータは海洋モデルで使用され、海流の速度と方向、海に蓄えられた熱の量と場所を計算し、地球規模の気候変動を明らかにします。

レーザー高度計は、可視光線または赤外線波長の光線の往復飛行時間を利用して、宇宙船の高度、または逆に地表の地形を決定します。

     例: ICESat、MOLA。

レーダー高度計は、衛星と地表の間のマイクロ波パルスの往復飛行時間を利用して、宇宙船と地表の間の距離を決定します。この距離または高度から、潮汐、風、海流などの局所的な地表効果を除去して、ジオイド上の衛星高度を取得します。衛星の正確な天体暦を使用すれば、任意の観測時間における衛星の地心位置と楕円体高が得られます。次に、測定された高度から楕円体高を差し引くことで、ジオイド高を計算できます。海面はジオイドに密接に従うため、これによりジオイドを直接測定できます。^{[3] : 64} 海面と実際のジオイドの差が海面地形を与えます。

     例: Seasat、Geosat、TOPEX/Poseidon、ERS-1、ERS-2、Jason-1、Jason-2、Envisat、SWOT (衛星)

干渉合成開口レーダー（InSAR）は、測地学やリモートセンシングで使用されるレーダー技術です。この測地学的方法では、2つ以上の合成開口レーダー（SAR）画像を使用して、衛星に戻ってくる波の位相の差を利用して、表面変形または数値標高の地図を作成します。^{[6] [7] [8]}この技術は、数日から数年にわたるセンチメートル規模の変形の変化を測定できる可能性があります。地震、火山、地滑りなどの自然災害の地球物理学的監視、および構造工学、特に地盤沈下と構造安定性の監視に応用されています。

     例: Seasat、TerraSAR-X

重力勾配計は、重力ベクトルの成分をリアルタイムで独立して測定できる。重力勾配は、単に重力ベクトルの空間微分である。勾配は、短い距離で測定された重力ベクトルの成分の変化率と考えることができる。したがって、勾配は、2 つの近くで異なるポイントでの重力の差を測定することによって測定できる。この原理は、最近のいくつかの移動ベース計器に具体化されている。あるポイントでの重力勾配は、各感度軸で測定された重力ベクトルの各成分の微分であるため、テンソルである。したがって、重力勾配計がシステムに含まれ、その出力がシステム コンピュータによって統合されている場合、重力ベクトルの任意の成分の値は、車両の経路全体にわたって知ることができる。正確な重力モデルがリアルタイムで計算され、通常の重力、高度、および異常な重力の連続マップが利用可能になる。^{[3] : 71}

     例: GOCE

この技術は、衛星を使用して他の衛星を追跡します。重力場の調査や軌道の改善など、特定の目的に使用できるバリエーションがいくつかあります。

• 高高度衛星は、地上の追跡局から低高度衛星への中継局として機能する場合があります。このようにして、地上局にアクセスできない場合でも低高度衛星を観測できます。このタイプの追跡では、追跡局によって生成された信号が中継衛星によって受信され、より低い高度の衛星に再送信されます。この信号は、同じ経路で地上局に返されます。
• 2 つの低高度衛星は、重力場の不規則性によって生じる相互の軌道変化を観測しながら、互いを追跡することができます。その代表的な例がGRACEです。
• GPS衛星など、軌道が正確にわかっている複数の高高度衛星を使用して、低高度衛星の位置を固定することができます。

これらの例は、衛星間追跡の応用の可能性のいくつかを示しています。衛星間追跡データは、最初にATS-6とGEOS-3間の高低構成で収集され、分析されました。データは、軌道と重力モデルの改良の両方の可能性を評価するために研究されました。^{[3] : 68}      例: GRACE

     例: CHAMP、GOCE

• 測地天文学
• 衛星重力測定

この記事には、パブリック ドメインである次のソースからのテキストが組み込まれています: Defense Mapping Agency (1983)。一般人のための測地学(PDF) (レポート)。米国空軍。2017 年 5 月 13 日のオリジナル(PDF)からアーカイブ。2021年 2 月 19 日に取得。

• フランソワ・バリエ、ミシェル・ルフェーブル（2001）「地球の新たな見方：衛星測地学と地球科学」（PDF）、クルーワー・アカデミック・パブリッシャーズ
• Smith, David E. および Turcotte, Donald L. (編) (1993)。宇宙測地学の地球力学への貢献: 地殻力学第 23 巻、地球力学第 24 巻、技術第 25 巻、アメリカ地球物理学連合地球力学シリーズISSN  0277-6669。

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