3. Методы наблюдений искусственных спутников земли
В спутниковой геодезии для наблюдений (определения положения) искусственных спутников Земли применяют следующие методы наблюдений:
фотографический (в т.ч. и фотограмметрический);
радиодальномерный фазовый;
лазерный;
радиотехнический на основе использования эффекта Допплера.
Фотографический метод является громоздким и не всегда надежным для высокоточных определений параметров движения космических аппаратов, что связано в основном с плохими оптическими условиями таких наблюдений.
Радиодальномерный фазовый и лазерный методы основаны на определении радиус-вектора КА путем определения времени прохождения радио- или лазерного сигнала по дистанции: наземный приемо-передатчик – спутник, подобно тому, как это происходит в свето- , лазерных и радио - наземных геодезических дальномерах. Эти методы требуют наличия мощной приемо-передающей аппаратуры на станции наблюдения; они применяются на стационарных станциях слежения.
Современные ГСП - глобальные системы позиционирования (другое название - спутниковые навигационные системы (СНС)) широкого применения используют в основном радиотехнические наблюдения на основе эффекта Допплера. Реализация таких наблюдений требует от наземного пользователя наличия у него специального радиоприемника, а от КА - наличия у него на борту передатчика радиосигналов, т.е. наземный пользователь является пассивным и независимым в смысле возможности изменения своего местоположения на поверхности Земли наблюдателем.
Сущность
наблюдений на основе эффекта Допплера
состоит в следующем. Бортовой передатчик
навигационного искусственного спутника
Земли (космического аппарата) излучает
радиосигнал УКВ-диапазона (закономерности
распространения и свойства дециметровых
радиоволн таковы, что этот диапазон
наиболее удобен для работы СНС).
Специальный приемник, находящийся на
пункте наблюдений, принимает этот
сигнал, и частота принятого сигнала
сравнивается с частотой сигнала
эталонного генератора приемника, равной
частоте бортового передатчика КА. Так,
как последний находится в движении,
между частотой его передатчика и
принимаемой приемником частотой в
соответствии с эффектом Допплера
образуется разность
(
частота). Без вывода приведем формулу:
;
где
- радиальная скорость перемещения
КА;
- длина волны передатчика;
-
частоты соответственно приемника и
бортового передатчика.
Пусть
- расстояние, которое спутник проходит
за время
c
относительной скоростью
(см. рис. 3):
-
точка
установки приемника;
-
нормальное
(траверзное)
расстояние
до КА;
- расстояние до КА через период .
Рис. 3
Из
приведенной схемы следует, что
;
радиальная топоцентрическая скорость
при этом равна
;
тогда
.
Эту формулу приведем к виду:
.
Если
за промежуток времени
,
причем
,
получить несколько значений
(как минимум два), то, полагая неизвестными
и
,
можно решить систему нелинейных
уравнений.
Пусть имеем вспомогательную систему координат (рис.4), в которой
Уравнение в этой системе координат есть прямая, тогда:
точки наблюдений:
получение
-
со спутника,
а
- с приемника.
Рис. 4
Отсюда
следует, что
;
тогда имеем:
;
;
;
.
Таким образом, используя измерения на основе применения эффекта Допплера можно определять топоцентрический радиус-вектор КА в процессе движения последнего по орбите.
Отметим, что приведенные рассуждения являются лишь иллюстрацией принципа определения параметров движения ИСЗ; реально используемые в спутниковой геодезии алгоритмы гораздо сложнее и являются предметом отдельных исследований в области радиофизики.
На основании приведенных схем, однако, можно сделать важные выводы, необходимые для разработки и использования методик работы со спутниковой геодезической аппаратурой.
Во-первых, очевидно, что системы поддержания единых эталонов времени на космических аппаратах и в принимающей аппаратуре играют решающую роль при спутниковых определениях.
Во-вторых,
для повышения точности получения величин
и (а, следовательно, и координат
наблюдателя) необходимо увеличивать
количество интервалов
за время уверенного приема спутникового
радиосигнала, увеличивать периоды
наблюдений, а также использовать возможно
большее количество КА, с тем чтобы в
заданный промежуток времени
получать большее количество интервалов.
В-третьих, комбинирование допплеровских измерений с фазовыми и получение дополнительной информации о параметрах движения КА также положительно будет сказываться на результатах спутниковых определений.
Все эти соображения учитываются на практике как при конструировании приемников, так и при разработке методик применения конкретного вида аппаратуры.