Основы космич. геод.

Задание: Изучить лекцию, необходимое законспектировать. составить кроссворд по
всем лекциям по дисциплине. Готовый кроссворд отправить на почту с указанием
ФИО и № группы.
ПМ 01. МДК 01.01 Т 1.2. Основы космической геодезии
Шагалиева М.Ж.
Лекция Методы космической геодезии. Основные три метода. Техника и методы
наблюдений в космической геодезии
План
1. геометрический метод
2. динамический метод
3. Орбитальный метод
4.Техника наблюдений.
5.Методы наблюдений.
Геометрический метод – в основе метода лежит использование ИСЗ как высокой
визирной цели, при этом не нужно знать теорию его движения. При данном методе
используются синхронные и квазисинхронные наблюдения с нескольких пунктов.
Достоинства: исключена теория движения ИСЗ, нет необходимости учитывать факторы,
влияющие на возмущение орбиты, вызванные различными явлениями. Результат данного
метода – относительное определение координат.
Три типа геометрических построений:
1. построение отдельных фигур или засечек для определения уединенных пунктов
при привязке. Для реализации используют классические методы построений, метод хорд,
метод плоскостями синхронизации.
2. построение методов для передачи систем координат на большие расстояния,
используя для привязки уединенных геодезических систем.
3. развитие сплошных сетей используют для обеспечения сплошных территорий
единой системой координат, создание сети пунктов с необходимой точностью.
Особенности сетей
1. все измерения являются односторонними;
2. положение ИСЗ получают с меньшим весом, т.к. ИСЗ наблюдают с нескольких
пунктов.
Основные элементы космической триангуляции
1. вектор, соединяющий два пункта наблюдения;
2. вектор, соединяющий пункт наблюдения и положение ИСЗ;
3. плоскость, соединяющая пункты и мгновенное положение спутников (плоскость
синхронизации).
При наблюдениях ИСЗ измеряются:
1. топоцентрическое направление на спутник (,);
2. топоцентрическое расстояние ()
3. направление и расстояние до ИСЗ;
4. скорость или ускорение ИСЗ в заданном направлении.
Виды элементарных фигур в космических сетях
Элементарная фигура – геометрическое построение, позволяющее передать
координаты от известных пунктов к неизвестным.
Основные фигуры:
1. линейная засечка 1. прямая.
4.Техника наблюдений.
Основную роль в создании и использовании космических методов геодезии
сыграли все-таки ИСЗ. И поэтому в научной и научно-популярной литературе
употребляются два термина: «космическая геодезия» и «спутниковая геодезия». Есть
предложение называть раздел геодезии, использующий наблюдения любых внеземных
объектов, космической геодезией. А термин спутниковая геодезия, поскольку он
существует в научном обиходе, относить только к тем методам и выводам космической
геодезии, которые основаны на наблюдениях ИСЗ.
В настоящее время методы наблюдения принято делить на оптические и
радиотехнические – в зависимости от диапазона электромагнитных колебаний, в котором
выполняются измерения. Оптическим методом определяется направление на спутник
путем фотографирования спутника на фоне звезд. К оптическим методам относится также
метод измерения дальности спутника лазерными дальномерами.
Из радиотехнических методов наибольшее распространение при решении
геодезических задач получили так называемые дифференциальные и интегральные
доплеровские методы и фазовые методы измерения дальности. Интересно, что
доплеровские методы, первоначально использовавшиеся для сравнительно неточного
слежения за ИСЗ при определении их орбит, по мере совершенствования и повышения
точности измерений стали использоваться для решения навигационных и геодезических
задач.
Каждый из методов наблюдения ИСЗ имеет свои достоинства и недостатки.
Важными достоинствами всех радиотехнических методов являются их всепогодность и
возможность проводить наблюдения в любое время суток. Оптические методы зависят от
погодных условий, и наблюдать ИСЗ в оптическом диапазоне можно только в утренние
или вечерние часы, когда поверхность Земли погружена в темноту, а сам ИСЗ, находясь
на большой высоте над горизонтом, уже (или еще) освещен Солнцем,
С точки зрения увеличения точности все возможности фотографических методов в
значительной степени уже исчерпаны, и доплеровские методы наблюдений спутников в
некоторых отношениях даже превосходят фотографические. Но наиболее
перспективными из всех методов наблюдения ИСЗ с Земли считаются лазерные
наблюдения (благодаря их чрезвычайной точности). Вообще же в настоящее время все
методы наблюдений не исключают, а взаимно дополняют друг друга. Кроме того, как мы
уже отмечали, при решении геодезических задач используются наблюдения и иных
космических объектов, искусственных и естественных, как радиотехническими, так и
лазерными средствами. Рассмотрим же подробнее основные методы наблюдения ИСЗ и
иных космических объектов для целей космической геодезии.
Фотографические методы наблюдений. Принципы определения направления на
объект в спутниковой и классической фотографической астрометрии совпадают. Для
определения направления на ИСЗ используется его изображение на фоне так называемых
опорных звезд, небесные координаты которых известны. Основная особенность и вместе с
тем основная трудность наблюдения ИСЗ, определившие выделение спутниковой
астрометрии в отдельную ветвь фотографической астрометрии, связаны с большими
угловыми скоростями ИСЗ. Из-за этого возникает необходимость, кроме направления на
объект, получать с очень высокой точностью и момент времени, соответствующий
зафиксированному на снимке положению ИСЗ.
Жесткие требования к точности регистрации времени (точнее, 0,0005 с) вызывают
соответственно особые требования к фотографической аппаратуре и методам хранения и
регистрации времени на станциях наблюдения за ИСЗ. Не вдаваясь в технические
тонкости, отметим, что основными особенностями фотографических спутниковых камер
являются обтюраторный затвор непрерывного действия и система, позволяющая
фотопленке отслеживать слабые ИСЗ. Обтюраторный затвор позволяет получать
изображения ИСЗ либо в виде ряда почти точечных изображений, либо в виде коротких
разрывов в следе ИСЗ. Движение слабого ИСЗ отслеживается поворотом камеры или
фотопленки относительно орбитальной оси, т. е. по движению ИСЗ (при
фотографировании ярких объектов камера обычно остается неподвижной или отслеживает
движение звезд). p>О Особую роль в развитии фотографических методов сыграли так
называемые активные ИСЗ, на которых были установлены специальные лампы и
производилась по определенной программе световая вспышка заданной длительности.
Такие «маяки» были установлены на борту геодезических ИСЗ «Геос-1» и «Геос-2».
Фотографирование активных ИСЗ давало наивысшую точность при определении
направлений на ИСЗ. В результате длительной исследовательской работы над
фотографическими камерами наивысшая точность определения направления на яркий
ИСЗ составляет в настоящее время 0,5″ по одному снимку (для большинства камер эта
точность находится в пределах 1 – 2″). При слежении за слабым ИСЗ эта точность
колеблется в пределах 2 – 3″.
Точность регистрации моментов времени зависит от многих технических причин и
для большинства камер характеризуется ошибками 0,1 – 0,5 мс. Но есть одна причина
ошибки, а именно – синхронизация часов камеры с эталонной системой времени, и она
может вносить дополнительные ошибки порядка 1 мс. Такие ошибки в исходном
наблюдательном материале приводят к ошибкам в определяемом положении ИСЗ на
орбите порядка нескольких метров, что при современных геодезических требованиях еще
терпимо, но для более серьезных геодезических работ будущего – неприемлемо. Поэтому
фотографические методы спутниковой геодезии стали как бы классическими и
используются в основном для решения геометрических задач, таких, как построение сетей
спутниковой триангуляции.
5.Методы наблюдений.
Радиотехнические методы наблюдений. Эффект Доплера, как известно,
заключается в том, что частота сигнала изменяется при движении источника излучения
сигнала относительно наблюдателя. Это изменение (оно называется доплеровским
сдвигом частоты, а иногда доплеровской частотой) прямо пропорционально частоте
передатчика и скорости движения передатчика относительно приемника. Относительную
скорость часто называют лучевой скоростью (поскольку она направлена по лучу зрения
наблюдателя), или радиальной скоростью, так как этот луч есть радиус-вектор
движущегося объекта.
Таким образом, доплеровские измерения дают нам очень информативную
величину: имея график непрерывной записи лучевой скорости для некоторого интервала
времени, мы можем получить и дальность до объекта, и ускорение объекта в некоторой
точке его орбиты.
Итак, радиотехнические (особенно доплеровские) методы космической геодезии
стали развиваться наряду с фотографическими, а в последнее время заняли ведущее место
как поставщики наблюдательной информации. Однако в самые последние годы
оптические методы, давшие все основные результаты первых лет развития космической
геодезии, снова заявили о себе, сначала возродив интерес геодезии к Луне как к объекту
наблюдения, а затем войдя в состав наблюдательных средств спутниковой геодезии. Речь
идет о лазерных дальномерах, которые позволили применить идею локации в
космической геодезии.
Наблюдения при помощи лазеров. Принцип измерения расстояния при помощи
лазера предельно прост, поскольку это принцип обычной локации. В направлении на
космический объект посылают короткий световой импульс, который, отразившись от
объекта, возвращается обратно. Интервал времени между посылкой и приемом импульса
измеряется, и именно он дает информацию о дальности до объекта. Дальность
космического объекта, отнесенная на средний момент между посылкой и приемом
импульса, равна половине произведения скорости света на величину интервала времени.
Но простота исходного принципа вовсе не означает простоту реализации его в
методе измерения. Потребовались годы теоретической и инженерной работы, чтобы
выйти на современную точность лазерных дальномеров – 1 – 2 дм. Надо было понять, как
уменьшить влияние основных источников ошибок: воздействие атмосферы, искажения на
пути следования луча и задержки в аппаратуре. И если учет атмосферной рефракции для
геодезистов был известен и ошибки измеренной дальности из-за неучтенных факторов
(случайные изменения коэффициента рефракции, искривление светового луча и т. п.)
составили величины ±1 – 2 см, то ошибки из-за приема ослабленного и искаженного
отраженного сигнала были для лазеров первого поколения порядка 1 – 1,5 м.
Это была точность высокая по сравнению с точностью фотографических и
радиотехнических методов, но с точки зрения геодезического использования этих
наблюдений в ближайшем будущем (особенно в геодинамике) она низка. И только
усовершенствование самого лазера, увеличение его мощности, создание более
совершенных приемных устройств (фотоумножителей) и другие технические
усовершенствования позволили выйти на уровень дециметровой точности.
Несколько слов о реализации принципа лазерного дальномера. Основным
вопросом, требующим четкого инженерного решения, является следующий: как узнать,
что на приемник попали именно отраженные от объекта лучи (фотоны)? Для этого прежде
всего передаваемый импульс должен иметь определенные амплитуду и форму. Но этого
мало, потому что, пройдя до объекта, отразившись от него и вернувшись обратно,
импульс изменит эти характеристики. Поэтому существенную роль в организации
лазерных дальномерных измерений играет предвычисление положения космического
объекта на момент попадания импульса в объект. Счет времени, начинающийся с момента
«старт», продолжается до момента «стоп», предвычисленного по известным элементам
орбиты космического объекта.
Существенную роль в повышении точности лазерного дальномера играет
диафрагмирование входного пучка лучей, которое уменьшает вредные влияния фоновых
засветок. Для уменьшения постоянных инструментальных ошибок, вызванных
задержками в аппаратуре, выполняется калибровка дальномера, которая заключается в
измерении расстояния до отражающей цели, расположенной на известном расстоянии. И
конечно, повышение точности получаемых дальностей связано с тем, что «стрельба»
лазерным лучом происходит не по поверхности космического объекта, отражающие
свойства которой неопределенны, а по уголковым отражателям.
Принято делить методы решения геодезических задач с использованием
космических средств на геометрические и динамические. Это деление связано со
следующими соображениями. Если мы используем метод, в котором космический объект
интересует нас только как визирная цель, т. е. точка с известными координатами, мы
относим этот метод к геометрическим. Если же в метод входит изучение и использование
параметров, характеризующих движение космического объекта (а это движение
происходит в гравитационном поле Земли и, стало быть, на нем отражаются свойства
этого поля), то мы относим метод к динамическим.
Деление, как видим, условное, поскольку для того чтобы знать положение ИСЗ или
иного космического объекта в пространстве, надо знать теорию движения этого объекта в
гравитационном поле Земли, т. е. надо знать свойства гравитационного поля в каждой
точке пространства. Поэтому, по сути дела, все методы космической геодезии
динамические. Но мы не будем нарушать сложившуюся традицию, тем более что именно
геометрические методы спутниковой геодезии дали возможность распространить на всю
поверхность земного шара традиционные для геодезии триангуляционные сети.