Конспект лекций по курсу «Космическая геодезия и геодинамика» для студентов специальности 300500 «Космическая геодезия» (стр. 3 )

Центры анализа	Метод	RMS в рядах МСВЗ
x(0.001²)	y	UT1(10-4c)	dY(10-3	de	LOD
GSFC NOAA USNO	РСДБ	0.11 0.24 0.10	0.12 0.30 0.10	0.04 0.10 0.10	0.07 0.25 0.19	0.07 0.10 0.08	0.05
CODE EMR GFC JPL	GPS	0.33 0.35 0.35 0.34	0.36 0.35 0.26 0.34	0.45 0.45	-	-	0.33 0.69
CSR	ЛЛС	0.20	0.22	0.51	-	-

Более того, мы видим, что спутниковые геодезические методы ЛЛС и GPS не дают вклад в нутацию по долготе и по наклону. Как мы видели в главе 14, теоретически это возможно для этих методов в том смысле, как они делают с UT1-UTC: ЛЛС и GPS чувствительны к первым (и более высоким) производным по времени от прецессии и нутации.

Хотя это не показано в таблице, но нужно упомянуть, что спутниковые геодезические методы не дают вклад в установление ICRF. Сегодня единственный метод для установления этой системы – РСДБ.

Таблица 16.1 дает в какой-то мере оптимистическую картину для ситуации в геодезии. Что эта ситуация очень проблематична сегодня (и мы уже в кризисе), иллюстрируется следующими фактами:

·  Только РСДБ и GPS обычно дают вклад в оценки, основанные на суточных наблюдениях во временные ряды РСДБ. Данные ЛЛС основываются на трехсуточных данных.

·  Регулярный вклад РСДБ в полярное движение в основном дает одна сессия наблюдений в 24 часа сети из пяти станций: Ветцель, Гринбэнк, Фербенкс, Коки, форталеза за неделю!

СРЕДСТВА НАБЛЮДЕНИЙ В ГЕОДИНАМИКЕ

Измерение направлений на спутники по фотографиям широко применялось в космической геодезии в е годы, что позволило построить ряд сетей спутниковой триангуляции и векторных ходов. Недостаток этого метода – невысокая точность измерения направлений, ограниченная турбулентностью атмосферы (дрожание звездных изображений), неустойчивостью инструмента, низкими измерительными свойствами фотографических материалов и рядом других источников погрешностей. В лучшем случае в направлениях достигалась точность секундного уровня, что при расстояниях до спутников в 1000 км эквивалентно погрешности около 5 м.

2.3.1 Радио интерферометрия со сверхдлинными базами

РСДБ – объединенная техника радио астрономии, атомных стандартов частоты, космической радиосвязи, ионосферных наблюдений, записи данных с высокой плотностью и высокоскоростной обработки данных. РСДБ наблюдает удаленные внегалактические радиоисточники - квазары и радиогалактики, используя радиотелескопы с независимыми стандартами времени и частоты - высокостабильными водородными мазерами. Шумовые сигналы от радиоисточника записываются на магнитные ленты. Специальные устройства - корреляторы - обрабатывают эти записи для того, чтобы извлечь информацию о разности времени между приходом волны на антенны РСДБ комплекса. Полученная информация, записанная уже в цифровом виде, используется астрономами и геодезистами для изучения различных физических процессов [Burša, Kostelecký 1999].

На рис. 2.3а показан принцип работы простейшего радиоинтерферометра из двух антенн. РСДБ является геометрическим методом: здесь измеряется разность моментов прибытия радиоволны от удаленного квазара на две расположенные на Земле антенны. Используя большое число измерений временных разностей от многих квазаров, наблюдаемых глобальной сетью наземных радиотелескопов, в методе РСДБ определяют инерциальную систему отсчета, задаваемую квазарами и одновременно находит точные положения антенн. Поскольку измерения времени производятся с точностью до нескольких пикосекунд, то взаимные положения антенн определяют с точностью до нескольких миллиметров, а положения квазаров – до долей миллисекунды дуги. Поэтому, как правило, в работе сети РСДБ участвуют 4-6 радиотелескопов, а иногда и больше. Техника РСДБ помогает решать различные проблемы астрометрии, геодезии и геодинамики. Точные координаты РСДБ антенн задают Международную земную систему координат (ITRF). Точные координаты квазаров задают Международную небесную систему отсчета (ICRF). Эти две системы отсчета связаны между собой с помощью пяти параметров вращения Земли (EOP) - поправки к двум углам нутации, поправки к координатам полюса и разность UT1-UTC. РСДБ позволяет оценивать все указанные величины, являясь, таким образом, универсальным средством как для построения обеих систем координат, так и для установления связи между ними

2.3.2 Лазерная локация спутников и Луны

Лазерная локация спутников – это измерение точных расстояний между лазерным телескопом (дальномером) и отражателями на поверхности пролетающего спутника. Локация производится подачей очень коротких вспышек лазерного излучения (10-150 пс). Зондирующий импульс запускает счетчик интервалов времени. Отраженный импульс регистрируется высокочувствительным детектором (отраженный импульс очень слабый, иногда даже может содержать всего один фотон). Вернувшийся сигнал останавливает счетчик, и записывается время прохождения луча Dt. Поскольку скорость распространения света известна, то можно вычислить пройденное светом расстояние:

D = c ×Dt /2.

В измеренное расстояние вводятся поправки за влияние атмосферы, за калибровку и за несовпадение отражателей с центром масс спутника. Скорость света не является постоянной при прохождении луча через атмосферу и это вносит наибольшую ошибку в измерения. Тем не менее, эта погрешность для волн оптического диапазона значительно меньше, чем для волн радиодиапазона. Лучшие современные стационарные лазерные дальномерные системы (рис. 2.4а) обеспечивают среднюю квадратическую погрешность одного выстрела около 10 мм, а для нормального места - 2 – 3 мм. Эти характеристики относятся к спутникам, удаленным примерно на 6000 км (Lageos, Эталон, рис. 2.4б). Этот уровень точности невозможно выдерживать для более далеких спутников из-за слабого сигнала, а для более близких спутников – из-за локальных гравитационных воздействий. Наиболее существенным недостатком метода лазерной локации спутников является его зависимость от погоды, поскольку для оптического диапазона электромагнитного излучения облачный покров является непреодолимым препятствием.

Для лазерной локации Луны используются уголковые рефлекторы, расположенные на советских космических аппаратах Луноход-1 и Луноход-2, а также доставленные во время лунных экспедиций американских кораблей Аполлон-11, -14 и -15 [Burša, Kostelecký 1999].

Области применения лазерной дальнометрии:

- космическая геодезия (исследования гравитационного поля Земли, определение параметров вращения Земли, уточнение общеземных координатных систем),

- определение точных орбит,

- слежение за спутниками,

- навигация, передача точного времени,

- геофизические исследования (исследования атмосферы, океана и т. п.).

2.3.3 Российский космический геодезический комплекс «Гео-ИК»

С 1981 г. в СССР (позднее в России) производятся регулярные запуски космических аппаратов типа «Гео-ИК» (другое название «Муссон», рис. 2.5). Эти спутники, созданные НПО прикладной механики (г. Красноярск-26, ныне г. Железногорск), предназначались для формирования космического сегмента национальной геодезической системы 2-го поколения, выполняющей задачи точного определения координат различных точек земной поверхности, развития геодезических сетей, уточнения формы и координат центра масс Земли, решения целого комплекса оборонных, народнохозяйственных и научных координатометрических задач. За годы эксплуатации КА типа «Гео-ИК» позволили накопить большой объем уникальной измерительной информации, без которой были бы невозможны полноценное и эффективное использование, координатная привязка любых снимков поверхности Земли, составление новых земных карт, работа навигационных служб.

На борту спутников «Гео-ИК» установлена доплеровская система измерения радиальной составляющей скорости, ретранслятор системы измерения наклонной дальности, оптические уголковые отражатели для наземной лазерной аппаратуры измерения дальности и система световой сигнализации, позволяющая производить серии вспышек, фотографируемых наземными фотоастрономическими установками на фоне звездного неба. На КА «Муссон» № 24 вместо системы световой сигнализации был установлен радиотехнический комплекс «Элекон», предназначенный для навигационного сопровождения ценных грузов.

Уточнение гравитационного поля Земли осуществляется по данным высокоточного радиовысотомера, который производит измерения и предварительную обработку результатов измерений высот от поверхности Мирового Океана с последующей передачей на Землю. В дальнейшем спутниковая альтиметрия обрабатывается совместно с результатами наземной гравиметрической съемки.

Одновременно с измерениями, с помощью бортовых запоминающих устройств осуществляется доставка на наземные астрономо-геодезические пункты программ работы с космическим геодезическим комплексом (программы наблюдений).

2.3.4 Спутниковая геодезическая система DORIS

СПУТНИКОВАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ СИСТЕМА DORIS

1. Общие сведения о системе

Название DORIS расшифровывается как Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite (определение орбит и положений по доплеровским спутниковым измерениям). Система разработана во Франции (CNES, the, French space agency, in partnership with France's mapping and survey agency IGN and the space geodesy research institute GRGS), чтобы отвечать сантиметровой точности позиционирования. Система DORIS была задумана как космический геодезист, но она также является системой для наземного позиционирования, найдя применения во многих задачах геодезии и геофизики. Создана Международная Служба International Doris Service (IDS).

Рис. 1. Концепция системы DORIS

В этой системе измеряется скорость изменения расстояний до спутника по сигналам от плотной сети наземных радиомаяков. Полученные данные обрабатываются на земле, обеспечивая сантиметровую точность определения орбит. Также эти данные обрабатываются на борту, давая в реальном времени точность положений спутников в несколько дециметров. В системе используются альтиметрические спутники TOPEX/POSEIDON, Jason-1 и ENVISAT и спутники для дистанционного зондирования SPOT-2, SPOT-3, SPOT-4 и SPOT-5 (рис. 2.6). В дополнение к возможности определения орбит данные используются для:

·  - изучения динамики твердой Земли,

·  - мониторинга ледников, оползней и вулканов,

·  - улучшения моделирования гравитационного поля Земли и ионосферы.

Система DORIS была запроектирована для выполнения очень точного определения параметров орбит спутников, вращающихся на низких орбитах, в поддержку эксперимента по океанической альтиметрии Poseidon. Предполагалось обеспечить высоту опорных орбиты для обработки данных радарной альтиметрии с точностью около 10 см и менее.

Система DORIS включает бортовое оборудование, сеть маяков (рис. 2.8), оборудованных автономными источниками питания, и Центр контроля и обработки данных в Тулузе (Франция). Размещение пунктов сети и их поддержка выполняется Национальным географическим институтом Франции (IGN). Временное обеспечение системы реализуется через главные маяки, расположенные в Тулузе и в Куру (Французская Гвиана), которые связаны с атомными часами.

2 Основы Доплеровского позиционирование

Другой принцип позиционирования, используемый в радионавигации, основан на эффекте Доплера, при котором происходит изменение частоты сигнала, принятого наблюдателем, из-за относительного движения передатчика и приемника. Доплеровский сдвиг частоты определяется как разность между частотой принятого сигнала и частотой радио источника. Переданная и принятая частоты, fT и fR, связаны соотношением:

, (1)

где r – изменяющееся расстояние между передатчиком и приемником, - скорость изменения этого расстояния или лучевая скорость, vs – скорость распространения сигнала. Вместо термина «лучевая скорость» может применяться термин «радиальная скорость».

Доплеровскому сдвигу частоты fD = fT – fR соответствуют поверхности положения в виде конусов. Вершины конусов совпадают с положениями спутника (S1, S2, S3 на рис. 3), осями конусов являются векторы полной скорости V1, V2, V3. Угол раствора конуса равен углу между векторами полной и лучевой скорости.

Рис. 3. Позиционирование по лучевой скорости.

Поскольку

,

то дифференцирование этого уравнения по времени дает:

. (2)

Здесь точка над символом координаты означает первую производную по времени, а разности скоростей пункта и спутника представляют собой компоненты вектора лучевой скорости:

. (3)

Из уравнения (2.9) видно, что для определения координат XA, YA, ZA необходимо иметь не менее трех таких уравнений, в которых должны быть известны и положения спутников ri = (Xi, Yi, Zi)T, и относительные скорости , , . Для этого производится интегрирование радиальной скорости на некотором интервале времени Dt:

. (4)

В результате образуются разности дальностей для одного и того же спутника, но в различные моменты времени. Если пренебречь перемещением наблюдателя за время Dt, то из (2.13) следует:

(5)

Отсюда получается, что, зная координаты спутника i в моменты t и t+Dt и производя измерения Dr, можно определять координаты пункта A.

3. Реализация доплеровского позиционирования в системе DORIS

В основе системы DORIS заложено точное измерение доплеровского сдвига радиочастоты сигналов, передаваемых наземными маяками (рис. 2.7) и принимаемых на борту космического аппарата. Измерения производятся на двух частотах: 2.03625 ГГц для измерения доплеровского сдвига и 401.25 МГц для ионосферной коррекции задержки распространения. Частота 401.25 МГц также используется для отметок времени измерений и передачи вспомогательных данных. Выбор системы передачи только на спутник позволяет полностью автоматизировать операции маяков и легкие линии связи по централизованной доставке данных в центр обработки.

Бортовой инструмент DORIS состоит из:

·  Дополнительного приемника с двумя приемными цепями;

·  Сверхстабильного кварцевого генератора (USO), идентичного тем генераторам, которые используются в наземном сегменте DORIS;

·  Всенаправленной двухчастотной антенны;

·  Прибора блока контроля (совмещенного с MWR).

Частота: доплеровского измерения Ионосферной коррекции	2.03625 GHz 401.25 MHz
Точность положения:    В реальном времени     Resituated	1 м 0.05 м по радиусу
Точность скорости         В реальном времени         Resituated	< 2.5 mm/s 0.4 mm/s
Операции	Непрерывно по всей орбите
Темп передачи данных	16.7 kb/s
Масса	91 kg (incl. ICU)
Мощность	42 W

Приемник может одновременно собирать информацию от двух маяков. Доплеровские измерения также обрабатываются на борту с меньшей точностью. Сверхстабильные генераторы, с изменением частоты не более чем 10-13 за прохождение спутника, гарантируют за прохождение спутника точность, эквивалентную часам, которые уходят на 0.2 мс за человеческую жизнь (против 1 часа для наручных часов). Точность доплеровских измерений 0.3 мм за секунду по радиальному компоненту в скорости спутник-станция, этого достаточно для определения орбиты с точностью несколько сантиметров. Использование двух частот позволяет делать коррекцию за ионосферную задержку.

Наземная сеть

Наземный сегмент состоит из:

·  Центр SSALTO multimission control centre , управляемый CLS по поручению CNES;

·  Установок маяков и центра управления от IGN, координирующего глобальную сеть маяков для определения орбит (ODB). Сеть состоит из 60 станций слежения, размещенных по всему земному шару в 30 странах (в России: Красноярск, Бадары, Южно-Сахалинск).

·  Точных определений орбит, выполняемых в CNES, и вычислений гравитационного поля Земли по данным DORIS в группой GRGS.

Масштаб времени и опорной частоты для всей системы обеспечивается главным маяком, связанным с главными часами. Контрольный центр системы DORIS выполняет контроль инструментов по данным телеметрии и оперативному определению орбит. l

Рис. 6. Орбитографический наземный маяк DORIS передает на спутник сигналы на двух разных частотах (2036.25 MHz и 401.25 MHz). Бортовой приемник спутника анализирует принятые сигналы для вычисления скорости движения относительно Земли. Эта скорость подается в модели для определения орбиты, по которой выводится положение спутника на орбите в пределах двух сантиметров по радиальному компоненту. Чрезвычайно важна возможность поддерживать непрерывное слежение за орбитами спутников.

В отличие от системы GPS, которая направляет сигналы от созвездия спутников на Землю (или к спутникам на низких орбитах), DORIS посылает сигналы на спутники. Сбор данных на спутнике и при SSALTO контроле мультимиссий и центр обработки делает систему практически надежной и представляет определенное преимущество для распределения продуктов почти в реальном времени. Система с передачей вверх также позволяет вести непрерывный дистанционный мониторинг станций сети, значительно уменьшая стоимость работ. А поскольку наземные маяки на станциях работают в автоматическом режиме, то они добавляют преимущество, будучи способными отслеживать смещения на земле за долгий период.

Рис. 7. Глобальная сеть системы DORIS.

Бортовой навигатор Diode определяет положение спутника на орбите в реальном времени. Эта информация важна для обеспечения альтиметрических данных в реальном или почти в реальном времени. Каждые 10 секунд Diode запускает программу, которая: распознает команды, предсказывает положение спутника по модели его движения, исправляет предсказанное положение на основе измерений Doris (когда спутник в зоне видимости наземного маяка); и, наконец, передает вычисленное положение пользователям.

Доплеровский сдвиг частоты измеряется на борту спутника каждые 10 секунд. Полученная радиальная скорость (ее точность около 0.4 мм/с) используется на земле в комбинации с динамической моделью траектории спутника для точного определения орбиты с ошибкой по высоте не более 5 см. Эти данные становятся доступными через 1.5 месяца из-за запаздывания внешних данных, например, таких как солнечное излучение. Доплеровские измерения также обрабатываются на борту для получения в реальном времени параметров орбиты с меньшей точностью.

Каждый маяк состоит из двух передатчиков с частотой 2036.25 МГц и 401.25 МГц, сверх стабильного генератора, микропроцессора, выполняющего функции контроля и управления, передачу времени, а также диагностику неисправностей, антенны и трех метеорологических сенсоров (атмосферного давления, температуры и влажности), необходимых для определения тропосферных задержек. Сигнал маяка содержит идентификатор, метеорологические данные и информацию о состоянии прибора. Сообщение имеет длину 0.8 с и повторяется каждые 10 с.

Подробную информацию о системе DORIS можно найти в Интернете на сайте Международной службы DORIS (IDS)

Satellite Orbit Information

Satellite	Orbit	Inclination	Eccentricity	Perigee Height (km)	Apogee Height (km)	Period (min)
CHAMP	Circular	87.27°	0.00396	474		94
ENVISAT	Circular	98.5°	0.001	800		100.59
ERS-1	Circular	98.5°	0.001	780		100
ERS-2	Circular	98.6°	0.0018	800	800	101
GRACE	Circular			450	450
JASON-1	Circular	66°	0.000	1336		112
SEASAT	Elliptical	108°	0.001	793	805	100
TOPEX/Poseidon	Circular	66°	0.000	1,350	1,350	112

Подробную информацию о системе DORIS можно найти в Интернете на сайте Международной службы DORIS (IDS)

2.3.5 Система PRARE

Система PRARE была разработана в Германии в 1982 г. как ответ на просьбу Европейского космического агентства по использованию новой серии спутников для дистанционного зондирования Земли, начавшейся с запуска ERS-1. Название PRARE является акронимом от Precise Range And Range-Rate Equipment – аппаратура для точного измерения расстояний и скорости изменения расстояний. Это компактная космическая запросная двухчастотная микроволновая система слежения. Система участвует в обычных бортовых операциях, начиная со спутника ERS-2, запущенного в мае 1995 г. С помощью глобальной сети мобильных, автономно работающих наземных станций система выполняет синхронные измерения наклонных дальностей по кодам и скорости изменения расстояний (то есть относительную скорость) по фазовому смещению соответственно на уровне субдециметра и мм/с.

Система PRARE состоит из космического, наземного и контрольного сегментов, причем наземный сегмент включает до 29 транспортабельных, автономно действующих и глобально рспределенных станций. Конрольный сегмент установлен в Германии и состоит из Главной станции (управляемой GFZ в Oberpfaffenhofen: сети управления и поддержки, обработки данных, контроля качества и), Станции мониторинга и командной системы Monitoring and System Command Station (управляемой TimeTech GmbH in Stuttgart: контроль космического сегмента, передача данных), и Станции калибровки Calibration Station (управляется GFZ в Potsdam: периодические калибровки f PRARE через laser)..

Космический сегмент PRARE, включающий наземные средства тестирования (ground test facilities, EGSE) полностью разработан и изготовлен в Германии. После интенсивной проверки на Земле спутниковая часть системы с января 1994 по октябрь 1995 г. функционировала на борту российского метеорологического спутника Метеор-3. С апреля 1995 г. система работает на спутниках серии ERS-2 (рис. 2.10). Ежесуточно выполняется около 50000 измерений, которые характеризуются точностью от 2.5 до 6.5 см по расстоянию и 0.1 мм/с по скорости изменения расстояния.

Кроме сети наземных станций (рис. 2.9) и космического сегмента третьим компонентом PRARE является система контрольного сегмента. Она включает Главную станцию управления, станцию контроля времени и системных команд и станцию калибровки. Все станции располагаются в Германии (соответственно в Оберпфаффенхофене, Штутгарте и Потсдаме). Эти станции имеют возможности оценивать данные, контролировать работу системы и линии связи как на спутниках ERS-2, так и у наземных станций через линии связи микроволнового диапазона. Это делает системы независимой от несущего ее спутника.

Рис. 2.10. Спутник для дистанционного зондирования ERS-2 (высота полета 780 км, наклонение 98.5°, масса 2300 кг)].

Высококачественные измерения PRARE, хорошая повторяемость измерений в глобальном масштабе, плотность и пространственное распределение пунктов позволяют использовать их для геодинамических исследований, в том числе таких как:

- точное определение орбит,

- определение координат и скоростей станций,

- определение параметров вращения Земли и гравитационного поля Земли,

- определение параметров ионосферы,

- информация о точном времени.

Описание системы

Разработка системы PRARE была инициирована в 1982 г. как ответ на ESA/ESTEC's "извещение о возможности" участвовать в оценке возможностей первого Европейского спутника с дистанционным зондированием ERS-1. Вначале целью этой полностью новой разработки было обеспечение системы, способной измерять высокоточные расстояния (= радиальные дальности) и скорости изменения расстояний (= относительные скорости) между космосом и землей в одно и то же время и полностью синхронно. Система должна работать непрерывно и автономно, и должна избегать неудобств из-за других микроволновых спутниковых систем слежения, имеющихся в тот же период времени.

Принцип измерений основан на полностью когерентном двухпутном потоке сигналов (космос -> земля -> космос). Эти сигналы характеризуются низкой мощностью в Гигагерцовом диапазоне, на них слабо влияет среда окружения, и они могут действовать независимо от сезонных условий и времени суток (освещения). Структура сигналов представляет собой комбинацию высокочастотных несущих (X - и S-диапазона), с наложенными pn-кодами (10  и 1 Mcps - мегачипов), и данных широкого спектра, модулирующих на двух каналах (16 бод = сигнал временных кодов, и 2/4/10 килобод = данные измерений и housekeeping).

X-band downlink	carrier = 8489 MHz, l=35 мм pn-code = 10 Mbps BPSK (bandwidth = 10 MHz), LowRate data = 16 bps code-biphase mod.,  HighRate data = 2/4/10 kbps mod(2)-add., crossed dipole antenna, 1 W transmission power
S-band downlink	carrier = 2248 MHz, l=133 мм pn-code = 1 Mbps BPSK (bandwidth = 1 MHz), LowRate data 16 bps code-biphase mod.,  HighRate data 2/4/10 kbps mod(2)-add., crossed dipole antenna, 1 W transmission power
X-band uplink	carrier = 7225.296 MHz (= 749/880 X-down), l=41.5 мм pn-code = 10 Mbps BPSK (bandwidth = 10 MHz),  LowRate data = 16 bpscode-biphase mod., [HighRate data = 1 kbps mod(2)-add.], 60 cm asymetric dish antenna, 5 W transmission power

Характеристики измерительного сигнала PRARE

Сигналы широкого спектра PRARE служат одновременно для основных дальномерных целей и для передачи необходимых данных между компонентами системы. И наземная сеть пользовательских станций, и контрольный сегмент могут декодировать эти наложенные данные и реагировать в соответствии с содержащейся информацией. Дополнительно синхронизирующий сигнал 1-pps (один импульс в секунду) обеспечивает с достаточной точностью когерентность системы и метки времени в данных. Система PRARE поэтому полностью не зависит от главного спутника (за исключением питания) и легко приспосабливается к различным операциям (миссиям) и целям. Объединение сигналов связи и дальномерных суммировано на следующем рисунке.

Основанное на этом соответственно запроектированном сигнале, точное измерение расстояния и скорости измерения расстояния образуется следующим образом: выведенное из самого сердца системы, сверхстабильного BVA-кварцевого генератора (VCXO, кварц с контролем напряжения), космический сегмент постоянно сигналы X - и S-диапазона в когерентном режиме и передает их почти одновременно через дипольную антенну на землю. Каждая наземная станция PRARE, которая находится в зоне видимости спутника, принимает сигналы, демодулирует pn-коды и понижает частоту несущей с фиксированным фазовым соотношением (749/880). До четырех заранее выбранных наземных станций ремодулируют свои обратные сигналы с одним из четырех ортогональных pn-кодов, и ретранслируют их в X-диапазоне назад на космический сегмент.

Четыре независимых канала приемников космического сегмента автоматически наблюдают выбранные станции, пока они остаются в зоне видимости и выполняют измерения расстояний и скорости изменения расстояний. Дальномерные данные накапливаются в цепи измерения задержки (Delay Locked-Loop, DLL), где измеряется временная задержка между излученным и принятым сигналом (метод корреляции по pn-коду, 91 усредненных измерений за секунду, эффективное разрешение = 1/1000 от длины кода = 3 cm), и скорость измерения расстояний в цепи захвата фазы (Phase Lock-Loop, PLL), насчитывающей разностную частоту между вышедшим и входящим сигналом несущей (1 измерений в секунду, эффективное разрешение = 1/10 от длины волны несущей = 0.4 мм/с). Высокая точность измерений обусловлена, главным образом, полной когерентностью двухпутного метода системы, включающего один опорный генератор, высокими частотами измерений по коду и фазе и разрешающими контурами приемника.

IVS - Международная РСДБ служба

Цель IVS - организовать сотрудничество между РСДБ группами по всему миру. Эта служба была создана в 1999 году по аналогии с уже действующими службами IGS (спутниковая интерферометрия) и ILRS (лазерная локация спутников). Поэтому логотип IVS отражает общую концепцию РСДБ и сложный характер нашей загадочной планеты. Большое количество различных природных явлений влияют на точность оценок, пролученных по данным РСДБ наблюдений. Поэтому приходится делать много вычислений, в соотвествие с процедурами, которые представлены в соглашениях Международной службы вращения Земли (IERS Conventions 1996). Эти процедуры представляют определенный стандарт для всех специалистов, которые занимаются обработкой РСДБ (и не только РСДБ) наблюдений. Использование стандартных процедур облегчает сравнение результатов, полученных разными исследовательскими группами.
Карта внизу показывает распределение IVS компонент по всему миру. Очевидно, что США, Европа и Япония проявляют наибольшую активность в этой научной области. В России только два центра занимаются РСДБ - Институт прикладной астрономии и Астрономический институт СПбГУ. Институт прикладной астрономии ведет строительство комплекса "Квазар" в составе трех радиотелескопов - в пос. Светлое Ленинградской области, в пос. Зеленчукская на Северном Кавказе и в урочище Бадары возле озера Байкал.

В настоящий момент наш Центр проводит оценивание параметров вращения Земли в рамках двух центров - IVS и Международной службы вращения Земли (IERS) - Центральное бюро которого до 1 января 2001 года находилось в Парижской обсерватории, а в настоящее время расположено в Лейпциге.
Более детальную информация об организации, проведении, обработке данных РСДБ наблюдений можно прочитать на сайте < A>Годдардского центра космических полетов (GSFC), который является структурным подразделением NASA, США.

Региональные сети

Кроме всемирной сети РСДБ станций существуют также три региональные сети: европейская, американская и азиато-тихоокеанская. Эти сети, в основном, предназначены для проведения геодезических исследо-ваний в указанных регионах. Регулярные наблюдения позволяют изучать движения земной коры в результате движения тектонических плит.
Здесь показано размещение станций Европейской РСДБ сети. 10 комплексов, размещенных на территории 6 стран (Германия, Италия, Швеция, Испания, Норвегия, Украина) обеспечивают хорошее покрытие как по широте, так и по долготе. Поэтому наблюдения, проводящиеся 6 раз в год, позволяют определить скорость и направление движения разных участков Европейского континента с точностью до 0.1-0.5 мм/год.

Спутниковая дальнометрия – это метод, в котором измеряются расстояния от наземной станции до спутников, оборудованных специальными зеркалам (отражателями).

Лазер наземной станции стреляет по спутнику короткими импульсами (ps). Этот зондирующий импульс запускает счетчик измерения интервалов времени. Лазерный импульс отражается от спутника точно в обратном направлении на наземную станцию. Отраженный импульс детектируется высоко чувствительным детектором (поскольку отраженный импульс очень слабый, и в некоторых случаях может содержать всего один фотон). Возвращенный импульс останавливает счетчик интервалов времени и регистрируется время прохождения для импульса. Тогда можно определить расстояние как половина времени прохождения, умноженного на скорость света.

D = 1/2 t * c

Скорость света не постоянна при прохождении через атмосферу и будет ускоряться и замедляться при прохождении через различные атмосферные слои. Это наибольший источник ошибок, связанных с точными измерениями. Другими источниками неопределенности являются: ошибки наведения на спутник (hitting the target satellite), ошибки детектирования сигнала и измерения времени из-за отражателей спутника.

В то время как для других применений ошибки времени в несколько наносекунд могли бы рассматриваться как хорошие, для лазерной дальнометрии это катастрофично. Погрешность в 1 нс в измерении времени эквивалентна ошибке в расстоянии в 15 см.

Лучшие современные спутниковые дальномерные лазерные системы имеют RMS одного выстрела около 10 мм, а RMS нормальных мест в 2-3 мм. Эти цифры основаны на измерениях, сделанных по спутникам LAGEOS ( LASer GEOdetic ), которые вращаются вокруг Земли на высоте около 6000 км. Такой уровень точности невозможно поддерживать для более далеких спутников из-за слабых отраженных сигналов, а более близкие спутники имеют большую нестабильность в орбитах из-за локальных гравитационных влияний.

Работы здесь, в Университете Curtin University базируются на системе PSLR (Portable Satellite Laser Ranging). Это легкая система (вес около 300 кг), которая может быть погружена в кузов небольшого фургона или машины и перемещена на другое место. Это имеет преимущество из-за возможности перемещаться с пункта на пункт, чтобы улучшать глобальный охват лазерной дальнометрией без дорогих неподвижных систем, которых в мире большинство (и в Европе). Есть надежда, что PSLR будет способна поддерживать уровень относительной точности 1-3 см, что позволит улучшить глобальный охват, поскольку отвечает набору стандартов International Laser Ranging Service.