Sistemas satelitales de navegación global

Responsables del área: Dra. Romina Galván, Ing. Alfredo Pasquaré.

Generalidades de la técnica

Los Sistemas Globales de Navegación por Satélite estan compuestos por entre 20 a 30 satélites que orbitan la Tierra a una altura aproximada de 20.000 – 24.000 km en diferentes planos orbitales y permiten determinar la posición respecto del geocentro de cualquier antena que reciba la señal de dichos satélites y el momento de la determinación de la infomación. Los satélites se encuentran dispuestos de forma tal que desde cualquier punto de la Tierra se pueda ver al menos 4 satélites sobre el horizonte.

Un receptor puede medir los momentos de llegada de las señales emitidas por los satélites. Con la información precisa de la posición de los satélites y los diferentes momentos de la llegada de las señales satélitales individuales, es posible calcular la posición de la estación GNSS. En geodesia se construyen monolitos para la instalación u operación permanente de un equipo antena-receptor. Muchas de dichas instalaciones forman redes geodésicas, como por ejemplo, SIRGAS-CON.

Actualmente existen diferentes Sistemas Globales de Navegación por Satélite desarrollado por diferentes paises, como GPS desarrollado por Estados Unidos, Galileo por la Unión Europea o GLONASS de la Federación Rusa. Las estaciones GNSS como las que se encuentran colocadas en AGGO tienen la capacidad de recibir la señal de satélites pertenecientes a 2 o más de estos Sistemas Globales de Navegación.

GNSS en AGGO

El Observatorio posee actualmente una estación GNSS (denominada AGGO) que mide en forma contínua, la cual toma datos cada 1 segundo y puede recibir la señal de los diferentes sistemas de navegación. Esta estación integra la red SIRGAS-CON (http://www.sirgas.org/es/). Además, el Observatorio posee 5 pilares de hormigón dotados de base forzosa y marca altimétrica semiesférica donde se han situado otras antenas GNSS y se ha medido en forma contínua durante cierto intervalo de tiempo desde la inauguración del mismo. Estos pilares constituyen la red GNSS de apoyo del Observatorio.

Imagen 1: Imagen en planta del Observatorio en donde se indica con una flecha celeste la ubicación de la estación GNSS de medición contínua AGGO y los puntos rojos indican la posición de los pilares de la red GNSS de apoyo.

La estación permanente AGGO esta compuesta por una antena LEIAR25.R4 y un receptor SEPT POLARX4TR y se encuentra en operación contínua desde el 10 de diciembre de 2016. En dicha estación se registran datos en doble frecuencia en formato RINEX 3.0 los cuales se suben diariamente a la red RAMSAC la cual la pone a disposición para cualquier usuario.

Imagen 2: Antena GNSS de la estación AGGO, colocada en un pilar elevado a aprox. 3.8 mts de altura.

Uno de los pilares de apoyo donde se está recolectando información adicional a la estación permanente en la actualidad esta compuesto por una antena CR Trimble TRM29659.00 y un receptor Topcon TPS NETG3.

Imagen 3: Antena GNSS de uno de los pilares que conforman la red de apoyo GNSS.

A partir de la información recolectada por estos instrumentos se determinan las coordenadas cartesianas geocéntricas en el marco ITRF más actual y su evolución en el tiempo. Estas coordenadas deben ser obtenidas con precisión milimétrica por lo que es necesario aplicar un procesamiento diferencial estático conociendo, entre otras cosas, las órbitas de los satélites y los parámetros de orientación del polo terrestre en forma precisa y utilizando un software de procesamiento científico (Bernese).

Imagen 4: Variación temporal de la posición de AGGO entre 2016 y mediados de 2020, descripta en 3 componentes.

La imagen 4 muestra los resultados obtenidos en el procesamiento de toda la información registrada en nuestra estacion contínua AGGO. Cada recuadro representa una componente de la variación de la posición a lo largo del tiempo respecto del valor medio de toda la serie, cuyo valor se observa sobre los mismos (Latitud -34.8731 m, Longitud -58.13986 y Altura 39.61898) para cada componente. En las componentes horizontales (Norte en azul y Este en verde) se puede observar una componente principal causada por la deriva tectónica de la placa Sudamericana sobre la cual se encuentra ubicado nuestro Observatorio. Las variaciones verticales son causadas en gran medida debido a procesos de redistribución de masas como los causados por sequías e inundaciones.

Interferometría de línea base muy larga

Responsables del área:  Dr. Hayo Hase, Ing. Federico Salguero

Generalidades de la técnica

Método de medición interferométrico, que es usado tanto en geodesia como en radioastronomía. Radiotelescopios separados espacialmente (Figura 1, izquierda), observan simultáneamente quásares localizados en los bordes del universo (distantes de 3 a 13 mil millones de años luz). Las observaciones registradas simultáneamente por dos diferentes observatorios en el mundo (Figura 1, derecha) se correlan entre sí, con una computadora en uno de los centros de correlación.

VLBI es la técnica de medición más precisa para la determinación de la posición de los quasares y los parámetros de rotación de la Tierra, lo cual es necesario para la orientación de los marcos de referencia terrestre globales.  El catálogo de posición de los quasares basado en observaciones VLBI, de acuerdo con una resolución de la Unión Astronómica Internacional, llamado sistema de referencia celeste primario ICRS. VLBI nos dice, donde está localizada la Tierra en el universo.

Figura 1. Izquierda: Representación esquemática del funcionamiento de VLBI. Derecha:  Red de radiotelescopios que contribuyen con el IVS (tomada de: Behrend, D., Nothnagel, A., Hase, H., 2019; accesible en: http://www.sirgas.org/fileadmin/docs/GGRF_Wksp/29_Behrend_et_al_2019_IVS.pdf).

VLBI en AGGO

El radiotelescopio de AGGO (Figura 2) tiene un plato parabólico de 6 m de diámetro. Ese plato colecta la radiación proveniente de los quásares y la concentra en el punto focal de la parábola, donde se halla un receptor de muy alta sensibilidad, ubicado dentro de una cavidad refrigerada a temperaturas criogénicas. Ese receptor está diseñado para captar la energía en dos bandas espectrales: la S (entre 2.20 y 2.35 GHz) y la X (entre 8.1 y 8.9 GHz). El sistema de adquisición de datos es conocido como VLBA5 y de registro de datos como MK5B+ (Figura 3).

Figura 2. Radiotelescopio de AGGO.

Figura 3. Sala de control (izquierda) y racks con el sistema de adquisición VLBA5 y el sistema de registro MK5B+ (derecha).

El radiotelescopio está apoyado sobre una base muy masiva, de hormigón armado, que se extiende hasta una profundidad de 5 m (Figura 4). Ello garantiza la estabilidad mecánica del instrumento y la materialización de un punto firmemente anclado a la corteza terrestre. El instrumento se apoya sobre tres tornillos que permiten nivelarlo y se centra, con precisión sub-milimétrica, sobre un cono de centración forzosa. El instrumento está provisto de sensores que detectan y corrigen automáticamente pequeños desvíos en nivelación (detalles en: Hase, H., et al., Moving from TIGO to AGGO: Argentinean-German Geodetic Observatory (AGGO) Report, accesible en https://ivscc.gsfc.nasa.gov/publications/br2015+2016/nsaggo.pdf).

Figura 4. Montaje del radiotelescopio de AGGO. Izquierda: base de hormigón armado y soportes del instrumentos durante el proceso de construcción; derecha: montaje del radiotelescopio sobre el cono de centración forzosa.

Operación del VLBI en AGGO

El primer experimento VLBI de AGGO tuvo lugar el 15 de enero de 2018 y consistió en medir la línea de base de casi 12.000 km de longitud que se forma con la estación Wettzell, que la BKG opera en el centro oeste de Alemania. Ese, y otros experimentos sucesivos que fueron procesados por los correladores, permitieron poner a punto el instrumento . El 5 de febrero de 2019, el CONICET y el Ministerio de Defensa de la Nación firmaron un convenio de cooperación científico-tecnológica basado en la operación de AGGO y en el aprovechamiento de la información generada por el Observatorio por parte de diversos organismos dependientes de ese Ministerio. En ese marco, el Ministerio proporcionó parte del personal necesario para operar el VLBI de AGGO, concretamente: seis suboficiales provenientes de las tres armas y un investigador proveniente del CITEDF, quien se desempeña como coordinador del equipo de operadores. Una vez completado el entrenamiento especializado, el VLBI de AGGO entró en operación regular dentro del IVS.

Los datos generados por los correladores para la red global de radiotelescopios del IVS (incluyendo a AGGO) son de acceso libre y gratuito en ftp://cddis.nasa.gov/vlbi/ivsdata/. Una explicación detallada sobre tales datos y sus formatos puede hallarse en https://ivscc.gsfc.nasa.gov/products-data/index.html.

Mediciones Láser a Satélites

Responsables del área: Dr. Michael Häffner, Lic. Florencia Toledo

Generalidades de la técnica

SLR (Satellite Laser Ranging), es una técnica de medición donde se determina la distancia entre una estación en Tierra y un satélite midiendo el tiempo de vuelo que tarda un pulso láser en realizar el viaje. Para poder llevar a cabo esta medición debemos contar con un sistema láser de alta potencia, un telescopio que envía el pulso láser y recibe los retornos, un sistema de detección de fotones y un laboratorio de tiempo con precisión de picosegundos. Para que un satélite pueda ser medido el mismo de contar con retroreflectores, estos reflejaran el haz láser en la misma dirección en la que es enviado.

La Red Global de estaciones SLR es coordinada y organizada por ILRS, International Laser Ranging Service.

Los satélites más utilizados en esta técnica son:

• Geodésicos: LAGEOS-1 Y LAGEOS-2 (Americanos, lanzados en 1976 y 1992), ETALON (Ruso, lanzado en 1989), AJISAI (Japonés, lanzado en 1986), STARLETTE (Francés, lanzado en 1975), etc.

• GNSS: Glonnass, Galileo
• Otras misiones: GRACE-FO-1, GRACE-FO-2, ICESat-2, CryoSat-2, PAZ, Sentinel-3B, Sentinel-3A, Swarm-A, Swarm-C, Swarm-B

SLR en AGGO

El sistema láser de AGGO – SLR en la actualidad, es un sistema Titanio-Zafiro con las siguientes características:

• Longitud de onda: 847 nm (NIR)

• Tiempo de pulso: 40 ps

• Taza de repetición: 100 Hz

• Energía de pulso: 12 mJ por pulso

A su vez, es posible obtener mediante un cristal generador de segunda armónica (SHG), un pulso adicional con las siguientes características:

• Longitud de onda: 423,5 nm (UV - azul)

• Tiempo de pulso: 30 ps

• Taza de repetición: 100 Hz

• Energía de pulso: 6 mJ por pulso

Las mediciones en dos colores permitirían analizar los efectos atmosféricos de la medición.

 

Figura 2: El telescopio láser de AGGO

El telescopio de AGGO es de tipo Galileo, con camino óptico Coude, de 50 cm de apertura, que consta de una montura de movimiento azimut y elevación. Los satélites son seguidos de forma automática de acuerdo a las predicciones entregadas por los sistemas internacionales. Así, un Operador solo debe ajustar el azimut y/o la elevación del telescopio en pequeños pasos (offsets) de 1 arcseg hasta encontrar la posición exacta del Satélite, donde obtendrá retornos.

Mediante detectores de fotones simples de tipo C-SPAD (Single Photon Avalanche Diodes) para cada longitud de onda se detecta la luz reflejada por los satélites. En AGGO el tiempo de ida y vuelta del haz láser se mide con un reloj contador PET (Pico Event Timer) de alta precisión (1.4 ps), de esta forma se obtendría una determinación de la distancia con precisión milimétrica.

Figura 3: Esquema del sistema SLR

Gravimetría es la medida del campo gravitacional. La Gravedad g suele medirse por gravímetros en unidades de aceleración (m/s²) o en Gal (cm/s²). El valor de g se refiere a la gravedad medida en la superficie de la Tierra y varía de un lugar a otro debido a la densidad de la materia. Además la Tierra está ampliamente deformado debido a las fuerzas gravitacionales de la Luna, el Sol y los planetas, las variaciones de la presión del aire y las mareas. Esta deformación provoca variaciones en la distancia entre el centro de masa de la tierra y la supeficie terrestre, que se puede medir como variación de g.

La medición más exacta conocida por la humanidad es la medición de la duración del segundo. Dado que el tiempo y la frecuencia pueden medirse en forma tan exacta, estas magnitudes suelen usarse para las mediciones de otras unidades de base, como el volt, o el metro .

Desde su invención, la exactitud de los relojes atómicos ha mejorado, en promedio, un factor dos cada dos años.

Las técnicas geodésicas espaciales VLBI y SLR necesitan la información de tiempo precisa y de la estabilidad en la frecuencia. Los relojes atómicos usan frecuencias propias de átomos como oscilador. Los períodos contados representan una información de tiempo. Dos tipos de relojes atómicos son necesarios:

• Maser de Hidrógeno estable al corto plazo (Varianza Allan 10^-15) para VLBI
• Frecuencia normal de cesio estable a largo plazo (Varianza Allan 10^-13) para la mantención de la escala de tiempo y para las mediciones de SLR. La precisión de la frecuencia estándar de cesio corresponde a un error de 1 segundo en 300.000 años.

Otro sectores basados en la precisión y exactitud de los relojes atómicos son las telecomunicaciones, las transacciones comerciales o las redes de potencia eléctrica. Todos estos usuarios se basan en la capacidad de sincronización del orden de los nanosegundos que ofrecen los relojes atómicos actuales.

Las condiciones meteorológicas influyen en la propagación de las ondas electromagnéticas y por ende a las mediciones geodésicas de las técnicas espaciales. Para la correcta interpretación de los datos se requieren correcciones basadas en parámetros atmosféricos. Las estaciones meteorológicas son utilizadas en los observatorios geodésicos para registrar en forma periódica o continua un conjunto de variables meteorológicas.

Sensores meteorológicos en AGGO

AGGO dispone de tres estaciones meteorológicas automáticas que en forma contínua miden en superficie los siguientes parámetros:

• Presión atmosférica
• Temperatura del aire
• Velocidad y dirección del viento
• Humedad relativa
• Radiación solar de onda corta y de onda larga
• Precipitación

Debido a las observaciones gravimétricas que se efectúan en AGGO, además de las variables atmosféricas, es necesario determinar parámetros del suelo. Es por eso que en AGGO también se miden a distintas profundidades en forma contínua los siguientes parámetros:

• Temperatura
• Humedad
• Conductividad eléctrica
• Temperatura del agua
• Nivel del agua

Figura 1: Estaciones meteorológicas de AGGO