<<
>>

Развитие средств и методов космической геодезии

С началом освоения в конце 50-х годов прошлого столетия космического пространства и созданием стратегических ядерных сил возникла потребность в изучении формы, размеров и гравитационного поля Земли в целом.

Это привело к необходимости создания согласованной системы геодезических параметров Земли, обеспечивающей высокую точность и единство орбитальных, баллистических, навигационных и геодезических расчетов. Возникшие новые задачи не могли быть решены традиционными геодезическими методами в обозримые сроки и с приемлемыми затратами сил и средств. Следствием этого стало развитие космической геодезии, обусловленное научно-технической революцией, начавшейся в СССР и за рубежом в конце 1950-х годов, в особенности в ракетной технике и космонавтике, электронной вычислительной технике, приборостроении и других направлениях.

Первые работы в области космической геодезии были выполнены в СССР и США, затем к этим работам подключились Франция и ФРГ. К 1968 г. в США на орбиты было выведено 9 геодезических спутников, в том числе спутники серий «Explorer* и «Geos*, имевшие уголковые отражатели для производства лазерных измерений и средства для радиодальномерных измерений. На рубеже 1970-х годов были созданы геодезические сети глобального характера с точностью положений станций порядка 10 м, развивались континентальные и региональные космические сети. Осуществлены выводы параметров гравитационного поля Земли, в том числе зональных и тессеральных (низких порядков) коэффициентов разложения геопотенциала в ряд по сферическим функциям. Работы в США велись с 1962 г. по национальной геодезической спутниковой программе под эгидой NASA и при участии Министерства обороны, Министерства торговли, ряда научных учреждений, где в первую очередь должен быть отмечен Смитсонианов институт, осуществивший вывод ряда параметров Земли, известных под названием «Стандартная Земля».

Космическая геодезия в нашей стране начала развиваться усилиями военных геодезистов. В 1960-х годах был разработан отечественный специализированный космический геодезический комплекс первого поколения. Особенностью этого комплекса являлось применение специальных ламп-вспышек для синхронных фотонаблюдений, высокоточной бортовой шкалы времени, а также радиотехнической аппаратуры для доплеровских наблюдений. В состав комплекса входили также наземные средства управления и пункты наблюдения, оснащенные специально разработанными доплеровскими приемниками с эталонами частоты и фотоустановками. На отдельных пунктах были созданы астрономо-геодезические обсерватории, оснащенные высокоточными астрономическими фотоустановками ВАУ.

Эксплуатация этого космического геодезического комплекса было начата в 1972 году. Всего за период его эксплуатации было запущено 14 космических аппаратов. Целевые задачи комплекса были решены к 1976-1977 гг., что позволило: построить геоцентрическую систему координат с погрешностью положений пунктов в среднем 25 м, на территории страны — 13 м; получить параметры гравитационного поля Земли (в виде гармонических коэффициентов геопотенциала до 32-й степени), обеспечивающие вычисление высот квазигеоида над общим земным эллипсоидом с погрешностью э среднем по Земле 4 м; получить элементы ориентирования системы координат 1942 года относительно геоцентрической системы координат с погрешностью 3-5 м для линейных элементов и 0,2" для впервые полученных угловых элементов; определить параметры общего земного эллипсоида, в том числе значение его большой полуоси с погрешностью 2 м; построить карты высот квазигеоида над общим земным эллипсоидом и эллипсоидом Красовского.

Основным результатом решения этих задач стал вывод новой системы геодезических параметров

под названием «Параметры Земли 1977 года». За работы по созданию, введению в эксплуатацию отечественного космического геодезического комплекса и решению его целевых задач ряду специалистов, в том числе представителям Топографической службы ВС СССР Б.Г.

Афанасьеву, Н.Н. Минееву, И.Я. Плешакову, Г.А. Устинову, А.А. Хоманько была присуждена Государственная премия СССР. За работы по выводу параметров модели гравитационного поля Земли, вошедших в состав «Параметров Земли 1977 года», специалисты Топографической Службы ВС СССР и ЦНИИГАиК Н.Н. Воронков, П.П. Медведев, Е.Л. Македонский, Э.И. Борунова, Л.П. Пеллинен, О.М. Остач и В.А. Таранов были награждены премией имени проф. Ф.Н. Красовского.

К началу 80-х годов стало ясно, что система «Параметры Земли 1977 года» не в полной мере отвечает возросшим требованиям прикладных задач, в первую очередь требованиям к геодезическому обеспечению космических навигационных систем. Возникла необходимость повышения точности координат пунктов в составе наземного комплекса управления системой ГЛОНАСС и уточнения модели гравитационного поля Земли, особенно в части коэффициентов низкого порядка (до 8-й степени). Возможность получения более точной модели основывалась на том, что в результате выполнения планов Мировой гравиметрической съемки, накопления зарубежных гравиметрических материалов существенно улучшилась изученность суши и океана в гравиметрическом отношении: число изученных трапеций 1x1° выросло с 54% в 1975 г. до 66% в 1982 г. Кроме этого, поступили материалы обработки высотомерных измерений с американского спутника «Geos-З», позволившие существенно дополнить каталог средних высот геоида по трапециям 5x5°. Также имелись новые спутниковые модели геопотенциала GEM-9, GEM-L1, GEM-L2, полученные Годдардовским центром НАСА. В результате обработки всей имевшейся отечественной и зарубежной информации в 1982-1983 гг. был осуществлен вывод новой модели гравитационного поля Земли в виде согласованной системы 254 точечных масс и коэффициентов разложения геопотенциала в ряд по сферическим функциям до 36-й степени, в также системы 44 точечных масс. Полученная модель примерно в 1,5 раза превосходила по точности «Параметры Земли 1977 года».

Эти модели совместно с измерительной информацией первого космического геодезического комплекса и новыми данными, полученными в ходе летных испытаний отечественного геодезического комплекса второго поколения ГЕО-ИК, позволили выполнить решение координатной задачи по методу коротких дуг.

В результате этого было уточнено положение пунктов космической геодезической сети, закрепляющих геоцентрическую систему координат. Были получены элементы ориентирования системы координат 1942 года с погрешностью 2-3 м для линейных и 0,1" для угловых элементов. Для большой полуоси общего земного эллипсоида было получено значение 6378 136 м. Полученные результаты (параметры общего земного эллипсоида, модель гравитационного поля Земли, элементы ориентирования системы координат 1942 года) составили содержание новой системы геодезических параметров, получившей наименование «Параметры Земли 1985 г.» (ПЗ-85). В систему ПЗ-85 были включены карты высот геоида, а также элементы связей геоцентрической системы и системы координат 1942 года со многими зарубежными референцными и общеземными системами координат.

Космический геодезический комплекс ГЕО-ИК, принятый в эксплуатацию в 1985 году, открыл новый этап развития отечественной космической геодезии. Спутники ГЕО-ИК выводились на близ- круговую орбиту с высотой около 1500 км и наклонением 74° или 83°. В состав бортовой аппаратуры был включен радиовысотомер, измерявший высоту спутника над морской поверхностью для реализации метода спутниковой альтиметрии. Погрешность измерения высоты для различных спутников составила от 0,5 до 1 м. Значительно расширились средства траекторного слежения; помимо фотографической

и доплеровской аппаратуры, точность которых была существенно повышена, пункты на территории страны оснащались радиотехническими и лазерными средствами измерения дальностей до спутников.

За разработку и ввод в эксплуатацию космического геодезического комплекса ГЕО-ИК была присуждена Государственная премия СССР, лауреатами которой стали представители Топографической службы ВС СССР А.А. Кравчук и Е.В. Кораблев.

Эксплуатация комплекса ГЕО-ИК осуществлялась на фоне интенсивного развития средств и методов решения задач космической геодезии за рубежом. Основные усилия зарубежных специалистов в то время были направлены на повышение точности инерциальной системы координат и создание глобальных геодезических систем координат на основе комплексного использования всей имеющейся измерительной информации, включая лазерные и РСДБ-измерения.

Значительное внимание уделялось использованию космической навигационной системы Навстар для решения геодезических задач. В результате в середине 1980-х годов в США были определены параметры Мировой геодезической системы 1984 г. (WGS-84), реализующие геоцентрическую систему координат (с погрешностями положения пунктов 1-5 м) и новую модель гравитационного поля Земли. Одновременно в интересах геодинамики была создана по наблюдениям ИСЗ Lageos мировая лазерная сеть повышенной точности (погрешности определения положения станций лучше 1 м, по некоторым данным 0,1 -0,2 м). С запуском в 1985 г. ИСЗ Geosat в США приступили к широкомасштабному изучению детальной структуры гравитационного поля Мирового океана (уклонений отвесной линии и высот геоида) с использованием спутниковой альтиметрии. При этом важной задачей считалось повышение точности определения радиальной составляющей положения геодезических и океанографических ИСЗ до субдециметрового уровня. С этой целью в качестве нового средства траекторного слежения на американском ИСЗ Торех была применена бортовая радиоинтерферометрическая аппаратура, работающая совместно с несколькими станциями наблюдения спутников GPS (системы Навстар).

Целевыми задачами нового космического геодезического комплекса ГЕО-ИК были создание мировой геодезической сети с точностью положений пунктов в целом по сети 10 м и космической геодезической сети на территории СССР с точностью положений пунктов 3-5 м. Кроме этого ставилась задача уточнения параметров гравитационного поля Земли. Требовалось обеспечить определение высот геоида с погрешностью в среднем по земному шару 2-3 м и определить уклонения отвесных линий в Мировом океане.

К 1988-1989 гг. была накоплена измерительная информация космического геодезического комплекса ГЕО-ИК в объемах, достаточных для решения его целевых задач с заданными точностями и вывода новой системы геодезических параметров Земли, получившей наименование «Параметры Земли 1990 года». Новая система геодезических параметров предназначалась для геодезического обеспечения космических навигационных, геодезических и картографических комплексов и систем, в том числе навигационных систем ГЛОНАСС, «Парус» и «Цикада», топографического комплекса «Комета», воздушных, морских и наземных средств, систем оружия и управления войсками, создания топографических и цифровых карт местности, специальных моделей гравитационного поля Земли, проведения научных исследований в интересах обороны и народного хозяйства страны.

В состав «Параметров Земли 1990 года» входят параметры общего земного эллипсоида, координаты пунктов космической геодезической сети, закрепляющие эту систему, элементы связи с референцными системами координат; планетарные модели нормального и аномального ГПЗ. Модель АГПЗ включает в себя коэффициенты разложения геопотенциала в ряд по сферическим функциям до 36-й степени и две системы точечных масс с числом масс 60 и 320. Высоты квазигеоида, вычисленные по этой модели на фиг. IV (цв. вклейка).

Определение геоцентрических координат пунктов и параметров гравитационного поля Земли осуществлено путем совместного уравнивания траекторных и высотомерных измерений и гравиметрических данных. В уравнивание была включена измерительная информация 85 пятисуточных орбитальных дуг спутников ГЕО-ИК и 149 восьмисуточных орбитальных дуг спутников ГЛОНАСС и ЭТАЛОН.

Геоцентрическая система закреплена координатами 33 пунктов космической геодезической сети на территории стран СНГ и в Антарктиде (рис. 6.2.1). Точность координат пунктов относительно центра

Рис. 6.2.1. Схема расположения постоянных пунктов, закрепляющих геоцентрическую систему координат «Параметры Земли 1990 года*

1 Мурманск, 2 Пулково, 3 Шепетовка, 4 Черновцы, 5 Симферополь, 6 Москва, 7 Сарапул, 8 Актюбинск, 9 Казах, 10 Чарджоу, И Алма Ата, 12 Балхаш, 13 Омск, 14 Воркута, 15 Норильск, 16 Енисейск, 17 Иркутск 18 Мирный. 19 Тикси, 20 Якутск, 21 Благовещенск, 22 Уссурийск, 23 Комсомольск- на-Амуре, 24 Магадан, 25 Елизово, 26 Анадырь, 27 Русская, 28 Беллинсгаузен, 29 Новолазаревская, 30 Молодежная, 31 Мирный, 32 Восток, 33 Ленинградская.

масс Земли характеризуется средними квадратическими погрешностями: 1 м по широте; 1 м по долготе; 1-2 м по высоте.

Точность данных, входящих в «Параметры Земли 1990 года», в 1,5-2,0 раза превышает точность подобных данных, относящихся к «Параметрам Земли 1985 года». Работа по выводу и внедрению «Параметров Земли 1990 года» отмечена Государственной премией РФ 2000 года, лауреатами которой стали представители Военно-топографического управления (Н. И. Петров), 29 НИИ МО РФ (В.В. Бойков, В.Ф. Галазин, Б.Л. Каплан, В.Г. Максимов), Центральной геодезической части (Т.Л. Сидорова- Бирюкова), ЦНИИГАиК (Л.П. Пеллинен) и Координационного научно-исследовательского центра (М.Г. Лебедев).

На основе «Параметров Земли 1990 года» Топографической службой ВС РФ составлены мировые карты высот квазигеоида над общим земным эллипсоидом и эллипсоидом Красовского и осуществлен вывод модели геопотенциала повышенной точности ГПЗ-200 в виде гармонических коэффициентов до 200-й степени [Галазин и др. 19936]. Предварительно был подготовлен и согласован с ПЗ-90 мировой каталог средних аномалий силы тяжести по трапециям 1x1°. Для его создания использовались два вида исходных данных: средние высоты геоида по трапециям 1x1°, полученные из обработки альтимет- рических измерений спутников ГЕО-ИК; средние аномалии силы тяжести, полученные ТС ВС РФ и ЦНИИГАиК по результатам гравиметрических наблюдений, выполненных на суше и в Мировом океане. Для объединения этих видов информации 29 НИИ МО РФ был разработан метод комплексирования альтиметрической и гравиметрической информации, основанный на локальной аппроксимации гравитационного поля с использованием точечных масс. В результате объединения указанных видов исходных данных получено 56840 значений аномалий. Остальные 7690 аномалий были вычислены с привлечением зарубежной модели геопотенциала GPM-2, после чего комплексный каталог стал содержать 64 800 значений аномалий — по числу одноградусных трапеций. Технология определения гармонических коэффициентов базировалась на итеративном применении метода гармонического анализа аномалий силы тяжести по Жонголовичу с коррекцией по ПЗ-90. В результате были определены значения 32000 коэффициентов, причем коэффициенты до 36-й степени модели ГПЗ-200 равны соответствующим коэффициентам ПЗ-90. Точность созданной модели характеризуется определением высот геоида в целом по Земле со средней квадратической погрешностью 1,5 м.

С использованием спутниковых альтиметрических данных комплекса ГЕО-ИК созданы цифровые модели высот геоида, уклонений отвесной линии (рис. 6.2.2) и аномалий силы тяжести в Мировом океане с погрешностями 0,7 м, 3" и 10 мГал соответственно.

Высоты геоида получены непосредственно по радиовысотомерным измерениям ГЕО-ИК в соответствии с формулой С = /г - Я - Д/г, где h — измеренная высота спутника над морской поверхностью, Я — вычисленная геодезическая высота спутника над общим земным эллипсоидом, Д/i — сумма поправок в измерение. Уклонения отвесной линии получены численным дифференцированием высот геоида.

Рис. 6.2.2. Уклонения отвесных линий в Мировом океане по данным ГЕО-ИК. (а — в плоскости меридиана;

б — в плоскости первого вертикала).

Аномалии силы тяжести вычислены по высотам геоида с использованием интегральной формулы. Вычисление высот геоида, уклонений отвесных линий и аномалий силы тяжести выполнялись по единой технологической схеме. С целью минимизации погрешностей обработка измерительной информации включала пять основных этапов.

На первом этапе были получены высоты геоида в подспутниковых точках, выполнена отбраковка некачественных результатов, введены поправки за влияние ионосферы и тропосферы, лунно-солнечных приливов, отклонений морской поверхности от геоида.

На втором этапе выполнено региональное уравнивание высотомерных трасс в десятиградусных блоках путем согласования высот геоида в точках пересечения, а также с априорной моделью геоида, полученной по зарубежным альтиметрическим данным и предварительно согласованной с моделью геопотенциала ПЗ-90. В число согласующих параметров включались систематическое смещение и наклон аля каждой трассы, о результате уравнивания расхождения высот геоида в точках пересечения высотомерных трасс уменьшились с 2,0 м до 0,5 м.

На третьем этапе в каждом десятиградусном блоке выполнялась скользящая полиномиальная аппроксимация высот геоида. Параметры аппроксимации подбирались адаптивно с учетом аномальности поля, уровня погрешностей и геометрии распределения измеренных высот. По коэффициентам аппроксимирующих полиномов были рассчитаны значения высот геоида в узлах сетки меридианов и параллелей с шагом 15'.

На четвертом этапе выполнялось уравнивание блоков с целью минимизации расхождений высот геоида на их стыках. По результатам уравнивания в высоты геоида каждого блока были введены поправки, вследствие чего расхождения на стыках уменьшились с 0,63 до 0,32 м.

На пятом этапе выполнялось вычисление уклонений отвесных линий и аномалий силы тяжести с использованием аппроксимирующих полиномов, полученных на третьем этапе. При этом производилась коррекция полиномов путем исключения из них составляющей модели геопотенциала ГПЗ-200 до 200- й степени.

Созданные цифровые модели детальных характеристик гравитационного поля Земли были внедрены в 1993 году в Главном управлении навигации и океанографии Минобороны и использовались Топографической службой для геодезического обеспечения Вооруженных Сил и отраслей промышленности.

В середине 1980-х началась разработка космической геодезической системы третьего поколения ГЕО-ИК-2. Целевые задачи системы предусматривали дальнейшее повышение точности определения геоцентрических координат пунктов космической геодезической сети, высот геоида и детальных характеристик гравитационного поля Земли в Мировом океане. Это потребовало не только значительного повышения точности традиционных измерительных систем, но и существенного усложнения структуры космической системы с применением новых средств измерений.

Возникла необходимость перехода на трехъярусную схему построения, включающую среднеорбитальный геодезический спутник, высокоорбитальные спутники ГЛОНАСС и наземный комплекс, состоящий из пунктов наблюдения, пунктов приема бортовой измерительной информации и центра обработки геодезической информации. С целью высокоточного определения орбиты геодезического спутника, особенно по радиус-вектору, предусмотрено размещение на его борту аппаратуры спутниковой навигации.

Новый радиовысотомер за счет перехода на сигнал с линейночастотной модуляцией обеспечит точность измерений 10 см, при этом по спектру отраженного сигнала будут определяться высоты волн и поправки за приведение к среднему мгновенному уровню водной поверхности. 

<< | >>
Источник: Бровар B.В.. ГРАВИМЕТРИЯ И ГЕОДЕЗИЯ. 2010

Еще по теме Развитие средств и методов космической геодезии:

  1. § 1. Понятие административного права
  2. § 2. Государственное управление в сфере экономики
  3. § 3. ОРГАНЫ ИСПОЛНИТЕЛЬНОЙ ВЛАСТИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ И СУБЪЕКТОВ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
  4. § 3. Класс.Фькация методов географическихиссле,ований. Традиционные методы
  5. Связь геодезии и гравиметрии с другими науками
  6. Изменения содержания задач геодезии и гравиметрии
  7. Система координат 1995 года
  8. Основные положения дальнейшего развития государственной геодезической сети Российской Федерации
  9. Развитие средств и методов космической геодезии
  10. Системы геодезических параметров Земли
  11. Об установлении единой общеземной системы нормальных высот
  12. Спутниковая альтиметрия П