Основные направления развития космической геодезии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные направления развития космической геодезии

Введение

космический геодезия информационный радиоинтерферометрия

Космическая геодезия - научная дисциплина, в которой для решения научных и практических задач геодезии используются результаты наблюдений искусственных и естественных небесных тел.

Традиционные методы определения координат и других величин остаются в прошлом. Современное геодезическое обеспечение информационных систем пространственных баз данных базируется на использовании принципиально новых геодезических инструментов и технологий. На смену традиционных методов приходят спутниковые технологии. Навигационные искусственные спутники Земли (НИСЗ), запускаемые в качестве объектов наблюдения, открыли новую эру в науке об измерении Земли -- эру космической геодезии. Они внесли в геодезию новое качество -- глобальность; благодаря большим размерам зоны видимости поверхности Земли со спутника значительно упростилось создание геодезической основы для больших территорий, так как существенно сократилось необходимое количество промежуточных этапов измерений. Так, если в классической геодезии среднее расстояние между определяемыми пунктами составляет 10--30 км, то в космической геодезии эти расстояния могут быть на два порядка больше (1--3 тыс. км). Тем самым упрощается передача геодезических данных через водные пространства. Между материком и островами, рифами, архипелагами геодезическая связь может быть установлена при прямой их видимости со спутника непосредственно через него, без каких-либо промежуточных этапов, что способствует более высокой точности построения геодезических сетей.

Актуальность темы заключается в том, что наблюдение НИСЗ за свою тридцатилетнюю историю разрастаются неимоверно, к тому же возникают новые глобальные и региональные спутниковые системы (Galileo, Beidou, QZenith, IRNSS). В списке представлены системы, обладающие различными техническими характеристиками и необычной конфигурацией. Да и мир спутников очень изменчив - старые аппараты выходят из строя, иногда взрываются, сталкиваются с другими, орбиты спутников эволюционируют, периоды вращения вокруг своей оси изменяются.

Цель курсовой работы является выявление теоретических основ использования наблюдений НИСЗ для решения задач геодезии.

К задачам курсовой работы можно отнести:

- изучение теоретических основ;

- практическое применение спутниковых технологий.

Глава I. Аналитический обзор известных методов решения поставленной задачи

1.1 Метод триангуляции

Триангуляция (от лат. triangulum -- треугольник) (метод триангуляции) -- один из методов создания опорной геодезической сети. Состоит в построении рядов или сетей примыкающих друг к другу треугольников и в определении положения их вершин в избранной системе координат. В каждом треугольнике измеряют все три угла, а стороны определяют путём последовательного решения треугольников по теореме синусов. Обычно исходная сторона определяется из решения базисных сетей или измеряется.

Триангуляция имеет большое научное и практическое значение. Она служит для: определения фигуры и размеров Земли методом градусных измерений; изучения горизонтальных движений земной коры; обоснования топографических съёмок в различных масштабах и целях; обоснования различных геодезических работ при изыскании, проектировании и строительстве крупных инженерных сооружений, при планировке и строительстве городов и т.д.

При определении фигуры и размеров Земли до сих пор используется идея Эратосфена, заключающаяся в определении центрального угла, опирающего на дугу вдоль какого-то меридиана (в настоящее время по разности широт), а длина дуги определяется из триангуляционных построений.

При построении триангуляции в государственной геодезической сети (ГГС) исходят из принципа перехода от «общего к частному», от старших классов (1) к младшим (2, 3, 4 классы). Как правило, точность измерения и определения величин (углы и стороны) в разных классах триангуляции различна. В малых по территории странах триангуляция высшего класса строят в виде сплошных сетей треугольников. В государствах с большой территорией (Россия, Китай, Индия, США, Канада и др.) триангуляцию строят по некоторой схеме и программе. Основу триангуляции составляют ряды треугольников вдоль меридианов и параллелей (полигоны с периметром 800 - 1000 км), а пункты сетей младших классов заполняют первоклассные полигоны см. рис 1.

Рис. 1. Схема развития сетей триангуляции 1-4 го классов

В сплошной сети триангуляции 2-го класса примерно в центре полигона 1-го класса также измеряется базисная сторона с указанной выше точностью. На концах каждой базисной стороны 1-го и 2-го классов выполняют астрономические определения широты и долготы с погрешностью не более ± 0,01" и 0.003^s соответственно, а также азимут -- горизонтальный угол, измеренный по часовой стрелке от северного направления меридиана до направления на ориентир. Кроме того, астрономические определения широты и долготы выполняют и на промежуточных пунктах рядов триангуляции 1-го класса через каждые примерно 100 км, а по некоторым особо выделенным рядам и значительно чаще. На основе рядов и сетей триангуляции 1-го и 2-го классов определяют пункты триангуляции 3-го и 4-го классов, причём их густота зависит от масштаба топографической съёмки. Например, при масштабе съёмки 1 : 5000 один пункт триангуляции должен приходиться на каждые 20-30 км². В сетях триангуляции 3-го и 4-го классов погрешности измерения углов не превышают соответственно 1,5" и 2,0". В практике допускается вместо триангуляции применять метод полигонометрии. При этом ставится условие, чтобы при построении опорной геодезической сети тем или другим методом достигалась одинаковая точность определения положения пунктов. Пункты триангуляции закрепляются центрами различных типов, в зависимости от грунтов и регионов расположения пунктов, а также деревянными или металлическими знаками высотой от 6 до 55 м (пирамиды, простые и сложные сигналы).

1.2 Космический метод

Одновременно с совершенствованием традиционных геодезических методов создавались предпосылки для развития космической геодезии.

Зарождением космической геодезии обычно считают запуск первого искусственного спутника Земли в октябре 1957 года, хотя предпосылки развития появлялись в более раннем времени.

Вопрос об использовании наблюдений Луны В геодезических целях изучался еще Иоганном Альбрехтом Эйлером (1768г). В своей работе “Versuch die Figur der Erden durch beobachtungen des Monds zu bestimimmen”(Abh. Churfurstlich- baierischen Akad. Wiss.,5) он предполагал, что из одновременных наблюдений Луны в нескольких пунктах, расположенных на одном меридиане, можно определить расстояние от каждого пункта до Луны. При большом количестве таких пунктов оказывалось возможным определять размеры земного меридианного эллипса, т.е изучать геометрическую фигуру Земли.

«Лунными методами» занимались Лаплас, Гельмерт и другие ученые.

Зарождение космической геодезии как раздела геодезической науки следует отнести к началу XX в.

В 1902 г. Г.Баттерманн предложил наблюдать для целей геодезии покрытия звезд Луной. В проведенном им эксперименте наряду с элементами лунной орбиты определялись геоцентрические широта и долгота места наблюдений.

В 1929 г. Т. Банахевич (Польша) разработал метод, основанный на использовании наблюдений солнечных затмений. Большой вклад в разработку теории затмений внес акд. А.А Михайлов (СССР, 1945г). Дальнейшая разработка этого вопроса принадлежит В.Ламберту (США, 1949г) и А. Берроту (ФРГ,1949 г.)

В основе геодезического применения наблюдений покрытий и солнечных затмений лежит использование теории параллакса.

Более точные результаты позволяет получить фотографирование Луны на фоне звезд. Этот метод стал применяться после создания специальных лунных камер, позволяющих получать на одном негативе изображения звезд и гораздо более яркого, быстро перемещающегося объекта - Луны.

В 1954 г. такие камеры, отличающегося принципиально по своей конструкции, были созданы в Пулковской обсерватории (А.А. Михайлов) и в Морской обсерватории в Вашингтоне (В.Марковиц).

Фотографическое наблюдения Луны позволяют получить топоцентрические координаты точек ее поверхности. Эти наблюдения можно рассматривать как частный случай покрытия, когда покрываемая звезда совпадает с видимым центром фигуры Луны. Получая с помощью лунных эфемерид геоцентрические координаты Луны и ее параллакс можно определить далее геоцентрические координаты пункта наблюдений. Производя фотографические наблюдения на нескольких станциях, относящихся к одной референцной системе, можно определить положение центра референц -эллипсоида относительно центра масс Земли.

Глава II. Разработка новых или модернизация существующих методов измерений

2.1 Космический метод

Основным методом космической геодезии является одновременное наблюдение спутников с наземных пунктов. При этом измеряются самые разнообразные параметры относительно положения пунктов и спутников. Параметрами могут служить дальность, скорость изменения дальности (или радиальная скорость), угловая ориентация линии визирования пункт--спутник в какой-либо системе координат, скорость изменения углов и т. д. Измерительные средства располагаются на наземных пунктах. На спутнике же размещается аппаратура, обеспечивающая работу этих измерительных средств. Определение координат пунктов на земной поверхности с высокой точностью выполняют основные задачи геодезии: определение фигуры и размеров Земли, перемещение плит, создание координатных систем. К сожалению высоты пунктов определяются с недостаточной для геодезии точностью. Пока результаты геодезических методов (геометрическое нивелирование) по точности недосягаемы для космического метода. Вся аппаратура и технологии космического метода рассматривается в основном на разделении на сегменты или комплексы, основными из которых являются космический комплекс (сегмент), наземный комплекс управления и потребительский комплекс (различные спутниковые приемники).

Полная орбитальная группировка (ОГ) в ГЛОНАСС содержит 24 штатных навигационных космическиских аппаратов (НКА) на круговых орбитах с наклоном к плоскости экватора 64.8° в трех орбитальных плоскостях по восемь спутников на каждой орбите. Долготы восходящих узлов трех орбитальных плоскостей номинально различаются на 120°. Номинальный период обращения спутника на орбите равен 11 ч. 15 мин 44 с. Высота спутника над поверхностью Земли 19100 км. В каждой орбитальной плоскости восемь спутников разнесены по широте на 45°, а аргументы широты восьми спутников в трех орбитах сдвинуты на ±15°. За время эксплуатации реальное положение спутника может сместиться от номинального не более чем ± 5°. Орбитальная группировка ГЛОНАСС по состоянию на 1999 г. схематически показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема орбитальной группировки ГЛОНАСС

В системе ГЛОНАСС спутники перемещаются по несинхронным орбитам (период обращения 11 ч. 16 мин) в отличии от системы GPS, в которой 24 спутника вращаются на синхронных орбитах (период обращения 12 ч.). Несинхронная круговая орбита имеет многовитковый след на поверхности Земли, и возмущения орбит для всех спутников одинаковы, что является в некоторой степени преимуществом по сравнению с синхронными орбитами.

Наземный комплекс управления (НКУ) (рис. 3) орбитальной группировки НИСЗ выполняет четыре задачи:

- эфемеридное и частотно-временное обеспечение спутников;

- мониторинг радионавигационного поля;

- радиотелеметрический мониторинг спутников;

- командное и программное радиоуправление функционированием спутников.

- Центр управления системой (ЦУС)

Размещено на http://www.allbest.ru/

- Квантово-оптическая станция (КОС)

- Командная станция слежения (КСС)

СКФ - Система контроля фаз

КС - Контрольная станция

АКП - Аппаратура контроля поля

ЦС - Центральный синхронизатор

Рис. 3. Наземный комплекс управления ГЛОНАСС

В НКУ входят следующие взаимосвязанные стационарные элементы: центр управления системой (ЦУС); центральный синхронизатор (ЦС); командные станции слежения (КСС); контрольные станции (КС); систему контроля фаз (СКФ); квантово-оптические станции (КОС); аппаратуру контроля поля (АКП).

Вышеназванные объекты расположены на территории России вблизи следующих городов: Санкт-Петербург (КСС-9); Краснознаменск Московской области (ЦУС); Щелково Московской области (КС, СКФ, ЦС, АКП); Воркута (КСС-18); Енисейск (КСС-4); Улан-Удэ (КСС-13); Якутск (КСС-17); Комсомольск-на-Амуре (КОС, КСС-20, АКП); Петропавловск-Камчатский (КСС-6).

НКУ выполняет следующие функции:

- проведение траекторных измерений для определения, прогнозирования и непрерывного уточнения параметров орбит спутников;

- временные измерения для определения расхождения бортовых шкал времени всех спутников со шкалой времени системы, синхронизация бортовых шкал времени каждого спутника со шкалой времени ЦС путем фазирования и коррекции бортовых шкал времени;

- формирование массива навигационных сообщений (эфемериды, альманах и поправки бортовых шкал времени);

- передача массива служебной информации в память бортовой ЭВМ;

- контроль по телеметрическим каналам за работой бортовых систем спутников и диагностика их состояния;

- контроль информации в навигационных сообщениях спутников;

- управление полетом и работой их бортовых систем спутников;

- контроль характеристик навигационного поля;

- определение сдвига фазы дальномерного навигационного сигнала спутника по отношению к фазе сигнала ЦС;

- планирование работы всех технических средств спутников, автоматизированная обработка и передача данных между элементами спутника.

Определение и прогноз параметров движения спутников производит Баллистический центр системы на основе результатов траекторных измерений дальности и радиальной скорости спутников, поступающих от сети наземных радиотехнических «запросных» командно-измерительных станций.

Центральный синхронизатор формирует шкалу времени системы и опорные сигналы для беззапросной измерительной станции. Беззапросная измерительная станция принимает широкополосные навигационные радиосигналы 1600 МГц и 1250 МГц и измеряет сдвиг по времени принимаемого сигнала бортовой шкалы времени относительно опорного сигнала.

Погрешность двухдиапазонных (1600 МГц и 1250 МГц) беззапросных измерений псевдодальностей составляет 1.3 - 1.5 м, запросных измерений - 1.0 м.

Комплект аппаратуры пользователей для геодезических целей включает антенну, контроллер, блок питания, аккумуляторы или батареи, штативы, кабели, вешки, рулетку, упаковочные сумки, чехлы и прочее оснащение. Для обработки измерений необходим персональный компьютер с соответствующим программным обеспечением.

Антенна может встраиваться в приемник или использоваться в виде выносного модуля. Антенны могут одночастотные, настроенные на частоту L1; или двухчастотные, настроенные на частоты L1 и L2. В геодезической аппаратуре применяются микрополосковые плоские спиральные антенны. Для более точного измерения псевдодальностей антенну необходимо ориентировать по указателю на Север. На станции все измерения отнесены к фазовому центру антенны.

Приемники по устройству очень сложны. Все приемники в настоящее время многоканальные и многосистемные, т.е. приемники принимают и обрабатывают сигналы от систем GPS и ГЛОНАСС, причем каждый из каналов работает только с одним из спутников. По видам принимаемых и обрабатываемых сигналов приемники могут быть кодовыми или кодово-фазовыми и в настоящее время двухчастотными (одночастотные приемники выходят из применения).

В настоящее время в мире производством спутниковых приемников занято более 400 фирм. В России получили распространение приемники фирм Ashtech, Garmin, Karl Ceis, Leica, Magellan, TPS (Topcon Positioning System), Trimble и др.

Практически большим спросом пользуются совмещенные GPS/ГЛОНАСС приемники. Перезагрузкой программного обеспечения одночастотные приемники могут быть переведены в двухчастотные двухсистемные.

2.2 Радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой (РСДБ)

Длиннобазисная радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой (РСБД)- метод определения длин и направления хорда, связывающих радиотелескопы, удаленные друг от друга на большое расстояние (несколько тысяч километров) по синхронным (одновременным) приемам сигналов от одних и тех же внегалактических точечных радиоисточников (квазаров).

Суть метода заключается в том, что два радиотелескопа, расположенных на двух пунктах, удалённых друг от друга на значительное расстояние, регистрируют одновременно излучение весьма удалённого естественного радиоисточника. Анализ записей радиосигналов на пунктах наблюдений позволяет определить «временную задержку» и частоту интерференции.

Методом РСДБ можно уточнять координаты радиоисточников (создавать на этой основе инерциальную систему координат), длину и направление хорд, соединяющих пункты; параметры вращения Земли; осуществлять синхронизацию часов, находящихся на удалённых друг от друга пунктах.

Потенциальная точность метода характеризуется ошибками 0.001 - 0.0001? (направление), несколько сантиметров (длина хорды, координаты пункта, координаты полюса), 0.15 мс в сутки (вариации скорости вращения Земли).

Необходимые условия для реализации метода РСДБ:

· наличие радиотелескопов, работающих в сантиметровом диапазоне, диаметром около 30 м и более, с полноповоротными антеннами;

· наличие генераторов частоты со стабильностью 10^-13- 10^-14;

· соответствующее машинное и математическое обеспечение;

· наличие каталога радиоисточников.

2.3 Международная GPS служба (МГС)

Всесторонняя информация, включающая точные эфемериды, параметры часов спутников и другие данные, обеспечивается Информационной системой Центрального бюро (ИСЦБ) Международной GPS (Глобальная система позиционирования) службы (МГС), находящейся при Лаборатории реактивного движения (JPL). Система ИСЦБ доступна через интернет и предлагает данные через протокол FTP.

Международная GPS служба (МГС, первоначальное название -Международная служба GPS для геодинамики) является международной научной организацией, которая официально начала действовать с 1 января 1994г. после нескольких лет исследований и опытно-поисковых работ. МГС собирает, архивирует и распределяет данные наблюдений ГЛОНАСС/GPS приемниками и использует их для расчета высокоточных эфемерид спутников СРНС, параметров вращения Земли (совместно с МСВЗ), координат и скоростей станций слежения МГС в системах ITRF. МГС также сообщает данные о часах станций слежения и спутников СРНС, а также информацию об ионосфере и тропософере.

МГС состоит из сети станций наблюдений (рис.2), Центров данных, Центров анализа, Координатора анализа, Центрального бюро и Руководящего совета (рис.3).Точность продуктов МГС достаточна для поддержки текущих научных целей, включая реализацию систем координат ITRF, мониторинг вращения Земли и деформации ее твердой и жидкой компонент (табл. 4.5), причем эта точность постоянно повышается. Для сравнения отметим, что точность

рис.2. Глобальная сеть слежения МГС

Рис.3. Организация Международной GPS службы (http://igscb.jpl.nasa.gov)

Наблюдения на станциях МГС выполняются двухчастотными фазовыми приемниками с регистрацией P(Y)-кодовых псевдодальностей с интервалом 30 с. Сжатые и заархивированные результаты измерений хранятся в RINEX формате (http://igscb.jpl.nasa.gov).

Таблица 1. Характеристики точности продуктов МГС

2.4 Информационная система данных о динамике земной коры (CDDIS)

Информационная система данных о динамике земной коры (CDDIS) поддерживает архивирование данных и деятельность по их распределению для сообщества космической геодезии и геодинамики. Главными целями системы являются хранение связанных с космической геодезией и геодинамикой продуктов данных в центральном банке данных, чтобы поддерживать информацию об архиве этих данных и распространять эти данные и информацию на постоянной основе исследователям NASA и сотрудничающих институтов. Управление (штаб) CDDIS и компьютерные средства размещаются в NASA GSFC в Гринбелте (шт. Мэриленд) и частично в Лаборатории физики Земли при Управлении наук о Земле.

Система CDDIS была изначально разработана для обеспечения центрального банка данных для Проекта NASA по динамике земной коры (CDP). Система продолжает поддерживать сообщество космической геодезии и геодинамики через Программу космической геодезии NASA, а также через Предприятие по земным наукам NASA. Система CDDIS была установлена в 1982 г. как специализированный банк данных для архивирования и распространения данных по космической геодезии.

В настоящее время CDDIS архивирует и распространяет данные по GPS, лазерной локации спутников и Луны, РСДБ и по системе DORIS для расширяющегося пользовательского сообщества геофизиков.

Система CDDIS работает на специальном компьютере, расположенном в Годдардовском центре космических полетов (GSFC) в Гринбелте. Все исследователи из NASA, штаб и сотрудничающие институты имеют доступ к компьютерным средствам CDDIS через Интернет. Система CDDIS с 1992 г. служит как глобальный центр данных для Международной GPS службы (МГС, IGS).

Система поддерживает Международную службу лазерной дальнометрии, Международную службу РСДБ для геодезии и астрометрии (IVS), пилотный эксперимент по системе DORIS, предшественник Международной службы DORIS (IDS), и Международную службу вращения Земли(IERS) в качестве глобального центра данных.

2.5 Основные параметров земного эллипсоида

Эллипсоидом вращения называется геометрическое тело, образуемое вращением эллипса вокруг его малой оси.

Обозначения: O - центр эллипсоида; P - северный полюс; P' - южный полюс; PP' - ось вращения эллипсоида; F₁ и F₂ - точки фокуса эллипсоида; a - большая полуось ; b - малая полуось; ECE'C' - экватор; E₁C₁E'₁C'₁ параллель; PE₁EP'E'E'₁ и PC'₁C'P'CC₁ - меридианы.

Меридианом называется сечение поверхности эллипсоида плоскостью, проходящей через малую полуось эллипсоида. Меридианы представляют собой эллипс. Например, PE₁EP'E'E'₁ и PC'₁C'P'CC₁ - меридианы.

Параллелью называется сечение поверхности эллипсоида плоскостью, перпендикулярной к оси вращения эллипсоида. Параллель представляет собой окружность. Например, ECE'C' и E₁C₁E'₁C'₁ - параллели.

Наибольшая параллель (ECE'C'), плоскость которой проходит через центр эллипсоида О, называется экватором. Экватор является окружностью радиуса а, где а - большая полуось эллипсоида.

Линейные величины a и b (большая и малая полуоси) определяют размеры эллипсоида.

Относительные величины б, е и е¹ (полярное сжатие, первый и второй эксцентриситеты) определяют форму эллипсоида, то есть большую или меньшую приплюснутость у полюсов.

Параметры Эллипсоида “a” и “в”

Заключение

В последние десятилетия стремительный технический прогресс и внедрение новой вычислительной техники привели к появлению новых методов и технологий в обработке результатов геодезических измерений.

Появились новые направления в картографировании и создании карт.

Сегодня геодезия - это, по большей части, спутниковая геодезия, основанная на системах GPS (США) , ГЛОНАСС (РОССИЯ) и другие системы. Трудно представить современную геодезию без тесного взаимодействия с эрокосмическим зондированием, геоинформатикой. Электронные карты и атласы, трехмерные картографические модели и другие геоизображения стали привычными средствами исследования для геодезистов и других специалистов в науках о Земле.

Приведенный пример определения параметров эллипсоида по 108° меридиану отлично подтверждает применение спутниковых технологий.

Список литературы

1. Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии [Текст]. В 2 т.Т. 1. Монография/ К.М. Антонович; ГОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия». -М:. ФГУП «Картогеоцентр», 2005-334 с.: ил.

2. Генике А.А., Побединский Г.Г. Глобальные спутниковые системы определения местоположения и их применение в геодезии. Изд.2-е, перераб. доп. М.: Картогеоцентр, 2004.-335с.: ил.

3. Герасимов А.П. Спутниковые геодезические сети.- М: ООО «Издательство «Проспект»», 2012.-176с

4. Серапинас Б.Б. Глобальные системы позиционирования. Учеб. изд. М.: ИКФ «Каталог», 2002. - 106 с.

5. «Параметры земли 1990года» (ПЗ-90.11) Справочный документ. ВТУ ГШ ВС РФ Москва.: - 2014г.

6. Татевян С.К. Проблемы построения земной координатной основы. // Геодезия и картография. - 2009. № 4. с 9-14.

7.Шендрик Н.К. Возможности использования Международной геодинамической сети и системы ITRF для геодезического обеспечения территории Новосибирской области. // Геодезия и картография. - 2013. № 12. с 2-6.

Размещено на Allbest.ru