Конспект лекций по курсу «Космическая геодезия и геодинамика» для студентов специальности 120103 (стр. 5 )

, (106)

где матрица выражается через геодезические координаты , пункта А:

. (107)

Сферическими координатами пункта В в данной системе являются: геодезический азимут a и геодезическая высота над горизонтом h;

, . (108)

Очевидно, что координаты с пункта А на В и с пункта В на А различаются не только по знаку, но и по величине.

Подобная система координат может быть образована, если в качестве основной плоскости использовать плоскость астрономического горизонта. Тогда ось оказывается направленной в астрономический зенит пункта, а оси и - соответственно на север и на восток. Если - астрономическая широта пункта P, а - его астрономическая долгота, то астрономический азимут A* и высоту h* можно вычислить по формулам (3.106)-(3.108), заменив в них B на и L на .

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО КУРСУ «КОСМИЧЕСКАЯ ГЕОДЕЗИЯ И ГЕОДИНАМИКА» ДЛЯ СТУДЕНТОВ СПЕЦИАЛЬНОСТИ 300500

3. ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ ИСКУССТВЕННЫЕ СПУТНИКИ ЗЕМЛИ (ГИСЗ), СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ И МЕТОДЫ ИХ НАБЛЮДЕНИЙ

3.1. ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ СПУТНИКИ И СИСТЕМЫ

Негеодезические спутники, использовавшиеся в целях геодезии. Спутник 2, по которому Э. Бухар получил сжатие. Наиболее известными спутниками из этой категории являются спутники Эхо и Эхо-2. Их аналогом является PAGEOS. Это спутники связи (пассивные ретрансляторы), представлявшие собой надувные баллоны диаметром соответственно 30.5, 41 и и 31 м. По наблюдениям спутника Transit была определена грушевидность Земли (асимметрия северного и южного полушарий) и асимметрия экватора.

Спутники делятся на активные и пассивные.

Геодезические спутники. ANNA-1B. Запущен в 1962 г. Оборудование геодезических спутников: радиодальномерная система, доплеровсий передатчик, оптический маяк, ретрорефлекторы.

Рис. 1. Геодезические спутники: ANNA-1B, Гео-ИК, Эталон (Масса 1415 кг, диаметр 129.4 см, на поверхности 2000 уголковых отражателей).

3.2. СПУТНИКОВАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ СИСТЕМА DORIS

Название DORIS расшифровывается как Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite (определение орбит и положений по доплеровским спутниковым измерениям). Система разработана во Франции в расчете на сантиметровую точность 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. 2. 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. 4). 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.

Рис. 3. Три ключе-вых идеи системы DORIS: ультрастабиль-ный генератор, глобаль-ная сеть пунктов и использование двух частот.

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.

Рис. 4. Спутники и задачи системы 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

Рис. 5. Спутниковая антенна DORIS

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.

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) http://ids. cls. fr/html/site_map. html.

3.3. 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.

Рис. 8. Глобальная сеть станций системы PRARE на карте границ тектонических плит.

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. 8) 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. 9. Спутник для дистанционного зондирования ERS-2 (высота полета 780 км, наклонение 98.5°, масса 2300 кг) [http://www.op.gfz-potsdam.de/prare/general/general.html].

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 PRARE

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).

3.4. 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. 1). 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.

Спутник «Гео-ИК» имеет следующие характеристики: масса 1610 кг, длина 5.84 м, диаметр 2.36 м, наклонение орбиты 73.6° или 82.6°, высота полета 1500 км, период обращения 116 мин. [http://www. *****/produkt/satelites/geo-ik. htm].

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). [Глушков и др. 2002; http://www.plesetzk.narod.ru].

3.5. МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЙ. НАБЛЮДАЕМЫЕ ВЕЛИЧИНЫ И БАЗОВЫЕ КОНЦЕПЦИИ

Используемые в спутниковой геодезии методы наблюдений можно делить по-разному. По диапазону спектра методы наблюдений делят на оптические и радиотехнические.

Оптические: фотогрфический, фотоэлектрический, фототелевизионный, лазерный, интерферометрический.

Радиотехнические: радио дальномерный, доплеровский (дифференциальный и интегральный).

Классификация по расположению платформы для наблюдений:

- методы наблюдений с поверхности Земли (наземная станция ® спутник),

- методы наблюдений со спутника (спутник ® наземная станция),

- методы наблюдений между спутниками (спутник ® спутник).

Еще одна классификация следует по типам параметров наблюдений. Сводка наиболее важных методов наблюдений дана ниже. Включены ссылки на специальные геодезические спутники. Графический обзор дан на рис. 10. Детальное представление и обсуждение индивидуальных особенностей методов наблюдений дается ниже.

Рис. 10. Обзор методов наблюдений в спутниковой геодезии

3.5.1. Определение направлений

Фотографические методы почти исключительно использовались для определения направлений. Искусственный спутник, который освещается лучами Солнца, импульсами лазера или имеет некоторое устройство для подачи вспышек, фотографируется с земной поверхности на фоне звезд. Станция наблюдений должна располагаться в достаточной темноте на ночной стороне земного шара. Звезды и траектории спутников, изображенные на фотопластинке или пленке, получаются соответствующей следящей камерой или CCD сенсором. На специальном измерительном приборе получают прямоугольные координаты звезд и положений спутника в картинной плоскости, которые можно трансформировать в топоцентрические направления между станцией наблюдений и спутником, выраженные в опорной системе звездного каталога (экваториальные топоцентрические координаты).

Была достигнута точность определения направлений до 1². Предел ставит атмосфера Земли, вызывающая явление дрожания звездных изображений.

Освещение спутников лучом лазера. Большого распространения не нашло.

Метод РСДБ. Это наиболее точный метод современной космической геодезии.

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.

На рис. 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 [http://astro. *****/rus-win/staff/titov/VLBI. html, http://www.nict.go.jp/ka/radioastro/vlbi.html].

а б

Рис. 11. (а) Принцип работы РСДБ. (б) Антенна РСДБ Центра космических исследований в Кашима (Япония). Диаметр антенны 34 м

3.5.2. Определение расстояний

Для определения расстояний в спутниковой геодезии измеряется время прохождения электромагнитного сигнала между наземной станцией и спутником. В соответствии с диапазоном спектра электромагнитного излучения различают оптические системы и радарные системы.

Оптические системы (лазерные дальномеры) зависят от погоды. Чтобы достигнуть высокой мощности излучения и точности используется исключительно лучи лазера (рис. 12, 13).

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 t. Поскольку скорость распространения света известна, то можно вычислить пройденное светом расстояние:

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, рис1). 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.