лекция 6_конспект

Геометрические методы геодезии (спутниковая триангуляция)

I – измеренный топоцентрический

вектор;

r – радиус-вектор КА;

Ri – радиус-вектор наземного пункта;

R – так называемый хордовый

вектор, соединяющий два

наземных пункта.

Методы синхронных наблюдений не нужждается в точных сведениях об орбите и динамике полета КА.

11

Геометрия спутникового нивелирования

r , – геоцентрические радиус и широта спутникового радиовысотомера Q;

r0 , 0 – геоцентрические радиус и широта подспутниковой точки Q0 на геоиде;

В – геодезическая широта спутникового радиовысотомера;

– составляющая уклонения отвеса;

отрезок

Q0S=h – высота спутникового радиовысотомера над геоидом;

отрезок QеQ0 – высота геоида над отсчетным эллипсоидом

Определение высот поверхности Земли с помощью космических аппаратов строится на определении превышения точки поверхности над эллипсоидом, который моделирует поверхность Мирового океана. Для опрееделения высоты необходимо произвести измерения высоты КА над поверхностью и определить радиус-вектор спутника. Высота над поверхностью определяется с помощью радиоили лазерного высотомера, радиус-вектор – по параметрам орбиты КА.

Кроме высоты точек поверхности Земмли спутниковое нивелирование позволяет определять высоту волн в открытом море, что делает этот способ уникальным инструментом океанографических исследований.

12

Бортовые дальномерн ые методы измерений (радиовы сотомер)

Энергетика радиолинии радиовысотомера:

где – ширина диаграммы напраавленности антенны; – погрешность

ориентации антенны; – максимальная средняя мощность отраженного сигнала;

где

– средняя излучаемая мощность;

– коэффициент потерь приемо-передающего антенно-фидерного тракта;

– высота КА над поверхностью Земли;

– коэффициент потерь в атмосфере;

– комплексный коэффициент отраженния (0,8);

– длина волны.

Основным требованием, предъявляемым к радиовысотомеру, является требование скважности работы: поскольку и для излучения и для приёма отражённого сигнала используется одна и та же антенна (с целлью уменьшить конструктивную погрешность измерений – дополнительная антенна будет давать дополнительную ошибку), необходимо,

чтобы существовали паузы между сеансами излучения сигнала, во время которых радиовысостомер принимает отражённый сигнал.

Требуемая мощность сигнала радиовысотомера прямо пропорциональна соотношению ширины диаграммы направленности и ширины отражённой диаграммы, то есть зависит от того, насколько узкий луч был направлен на поверхность и насколько полно он отразился в исходном направлении. Из геометрических построений ясно, что чем выше орбита геодезического КА, тем более широкой поллучается диаграмма обратного рассеяния и,

следовательно, тем более мощным должен быть сигнал радиовысотомера. Для работы геодезических КА, оборудованных радиовысотомером, используются круговые орбиты высотой не более 1500 км.

13

Динамические метооды решения задач спутниковой геодезии

Динамические методы спутниковой геодезии включают в себя измерения на спутнике гравитационного поля Земли с помощью гравиградиентометра.

Гравиградиентометр представляет собой крутильные весы с грузами,

измеряющие градиент силы тяжести (скорость изменения ускорения свободного падения тела g ) вдоль заранее определенных осей.

Гравиградиентометр – прибор, определляющий, насколько гравитационное поле в данной точке околоземного пространства силььнее (или слабее), чем гравитационное поле в соседней точке, то есть определяющий граддиент (скорость изменения) гравитационного поля. Градиентометр представляет собой тестовые массы, закреплённые на КА с помощью устройств, обладающих потенциальной энерггией (пружины, электростатическое поле). По принципу действия градиентометр аналогичеен акселерометру (устройству, измеряющему ускорение) и более того, включает в себя миннимум три акселерометра (для последующего разложения гравитационного поля Земли на три составляющих в декартовой системе координат).

С помощью градиента гравитационного поля можно определить форму геоида – очевидно, что точкам с максимальным градииентом соответствуют максимальные высоты либо концентрации массы на Земле.

Особенностью работы с градиентометроом является необходимость создания этому прибору особо стабильных условий, чтобы на показания градиентометра не влияли никакие возмущающие факторы, кроме гравитационных.

15

Геодезические КА, оснащённые градиентометрами

Карта превышений геоида (по результатам работы КА GOCE)

16

Альтернативная гравиградиентометрия

GRACE (США/Германия)

2002 - 2012 гг.

(2 КА)

500 км

Пара КА GRACE работали на одной и той же орбите и двигались на расстоянии приблизительно 500 км друг за другом Для определения градиента гравитационного поля с помощью лазерного дальномера измерялось расстояние между первым и вторым спутником: случай, когда первый спутник начинал «убегать» от второго, соответствовал возрастанию градиента, обратный случай – убыванию градиента.

17

Лунная ал ьтиметрия:

КА GRAIL

Принцип работы системы GRAIL идентичен принципу работы КА GRACE: мониторилось расстояние между спутниками, про результатам мониторинга составлялась карта гравитационного поля Луны.

Дополнительное оборудование – фотокамера – использовалось для популяризации космической науки: еженедельно проводился интернетконкурс лучших фотографий Луны, фотогорафия-победитель помещалась на главную интернет-страницу проекта.

18

Состав аппаратуры геодезического КА

Доплеровский передатчик

Дальномерный приемопередатчик

Оптический источник импульсных сигналов

Радиовысотомер

Уголковые отражатели

Гравиградиентометр

Аппаратура межспутниковых иззмерений

Бортовое синхронизирующее устройство (атомные стандарты частоты)

Состав аппаратуры геодезического КА по большей части идентичен составу аппаратуры навигационного спутника, только в качестве основной полезной нагрузки выступает не источник навигационногго сигнала, а радиовысотомер и/или гравиградиентометр.

Также, как и для навигационных систем, в системах геодезических большую роль играет правильное определение времени спутниковых измерений, поэтому в бортовую аппаратуру входит стандарт частоты.

Ещё одной особенностью геодезического КА является многократное дублирование измерений: кроме радиовысотомера может применяться доплеровская аппаратура различного исполнения – это необходимо для повышения точности измерений и оправдывается тем, что результаты спутниковвых геодезических измерений не используются в чистом виде, а подвергаются дополнительной обработке и анализу, что позволяет усложнять измерительную аппаратуру до необходимого в долгосрочной перспективе уровня.

19

Перспективы применениия космической геодезии

создание единой мировой геодезической системы;

исследование и прогнозирование движения полюса Земли и неравномерности вращения Земли;

отслеживание изменения во вре мени геопотенциала в целом и вариаций величины и направление силы тяжести в отдельных регионах;

исследование движений литосфеерных плит, движение Земной коры;

оперативный контроль за геодезическими предвестниками землетрясений: аномалии уклонеений отвеса, подвижек земной коры

Весь полезный функционал геодезических спутниковых систем направлен, в первую очередь, на изучение Земли как геологического объекта. Все остальные применения космической геодезии, и в первую очередь картографирование, являются вспомогательными и опираются на фундаментальные научные исследования.

Необходимо отметить, что несмотря на высокий уровень развития науки и техники, в

настоящее время не существует способов получать оперативную геодезическую информацию с миллиметровой точностью, однако подобная точность может быть достигнута путём усреднения случайной составляющей ошибки измерений за счёт многократных наблюдений работы одного и того же КА. Так, фундаментальная поправка к общей теории относительности Эйнштейна, имеющая порядок величины 10-23 была проверена с помощью обработки нескольких миллионов наблюдений оптического геодезического КА Lageos.

20