Способ создания космической геодезической сети

 

Изобретение относится к области космической геодезии и может быть использовано при создании космической геодезической сети. Способ включает дальномерные, допплеровские и фотографические измерения с пунктов космической геодезической сети на геодезический спутник и уравнивание этих измерений динамическим методом космической геодезии с разбиением совокупности всех измерений на группу измерений, равномерно распределенных на длинных орбитальных дугах для отнесения начала координат к центру масс Земли, и на группу измерений, распределенных на коротких орбитальных дугах для уточнения взаимного положения пунктов космической геодезической сети, с включением в качестве неизвестных элементов взаимного трансформирования решений по коротким и длинным орбитальным дугам. С целью повышения точности отнесения начала координат к центру масс Земли и определения взаимного положения пунктов космической геодезической сети в этот известный способ введено выполнение дальномерных измерений между геодезическим спутником и спутниками космической навигационной системы и дальномерных измерений с части пунктов космической геодезической сети до спутников космической навигационной системы. Способ обеспечивает повышение точности отнесения начала координат к центру масс Земли и определения взаимного положения пунктов космической геодезической сети за счет компенсации неравномерного распределения пунктов по поверхности Земли и неравномерного распределения измерений на длинных орбитальных дугах, что и является достигаемым техническим результатом. 1 табл.

Изобретение относится к области космической геодезии и может быть использовано при создании космической сети (КГС). Известен способ создания КГС [см. статью Дж.Марш, Б.Дуглас, С.Клоско "Координаты станций слежения, определенные по наблюдениям вспышек "Геос-1 и -2" в книге "Использование искусственных спутников для геодезии". Под ред. С.Хенриксена, А.Манчини, Б.Човица. М., Мир, 1975 г.].

Недостатком этого способа являются неравномерное с разрывами покрытие орбитальных дуг измерениями из-за неравномерного расположения пунктов КГС по земной поверхности, что объясняется наличием обширных морских акваторий и причинами геополитического характера (закрытость территорий). Вследствие этого параметры гравитационного поля Земли (ГПЗ) и других, негравитационных, источников возмущений орбиты геодезического спутника динамическим методом определяются недостаточно точно. Это приводит к тому, что начало координат КГС смещается (до 15 м) в сторону, где число наземных наблюдательных пунктов (НП) и плотность из размещения максимальны. Кроме того, из-за разрывов в измерениях на орбитальных дугах взаимное положение пунктов КГС также определяется с невысокой точностью (примерно 5 м).

В способе создания КГС [см. статью Бойков В.В., Галазин В.Ф., Каплан Б. Л. и др. "Опыт создания геоцентрической системы координат ПЗ-90" в журнале "Геодезия и картография", N 11, 1993 г., с.17-21] влияние указанных недостатков ослаблено тем, что совокупность всех наблюдений разделена на две группы: 1) измерения, равномерно распределенные на длинных (5-суточных) орбитальных дугах и предназначенные для отнесения начала координат КГС к центру масс Земли; 2) остальные измерения, распределенные на короткие орбитальные дуги (виток и менее) и предназначенные для уточнения взаимного положения пунктов. Чтобы при сложении двух решений (по длине и коротким орбитальным дугам) не произошло сдвига начала координат КГС, в решение по коротким дугам в качестве неизвестных включаются дополнительно элементы взаимного трансформирования координат. Это позволяет сохранить начало координат, заданное по результатам решения на длинных дугах. Точность отнесения начала координат к центру масс Земли в этом способе оценивается в 2 м по каждой координате, а взаимное положение пунктов, расположенных на территории Российской Федерации, менее 1 м. Однако и в этом способе неравномерность расположения пунктов по поверхности Земли сохраняется, а разделение измерений на группы еще более увеличивает количество разрывов в измерениях на длинных орбитальных дугах.

Задачей предложенного способа является повышение точности отнесения начала координат КГС к центру масс Земли и определения взаимного положения пунктов путем заполнения разрывов в измерениях и равномерного и плотного их распределения на длинных орбитальных дугах. Точное отнесение начала координат КГС к центру масс Земли важно для орбитальных и баллистических расчетов, имеющих место при решении задач космической геодезии и навигации, а точное определение взаимного положения пунктов КГС, кроме того, необходимо для качественного картографирования земной поверхности, анализа и прогноза глобальных природных и космических явлений, решения геодинамических задач.

Сущность предложенного способа создания КГС заключается в выполнении дополнительных дальномерных измерений на геодезический спутник со спутников космической навигационной системы и дальномерных измерений с части пунктов КГС на спутники космической навигационной системы.

Так как высота орбиты H навигационных спутников равна примерно 20000 км, а геодезических спутников 1000-1500 км, то обеспечивается видимость с геодезического спутника 4-5 навигационных спутников. Таким образом, навигационные высокоорбитальные космические аппараты (ВКА) в данном диапазоне выполняют функции дополнительных подвижных пунктов КГС, компенсирующих неравномерность расположения наземных пунктов и заполняющих разрывы в совокупности измерений, покрывающих орбиту геодезического среднеорбитального космического аппарата (СКА). Дополнительные дальномерные измерения с части пунктов КГС до ВКА способствуют лучшему согласованию координат пунктов КГС и параметров орбит всех спутников при уравнивании динамическим методом космической геодезии.

Так как космические навигационные системы ГЛОНАСС (Россия) и НАВСТАР (США) в настоящее время существуют и функционируют, то для реализации предложенного способа достаточно установить на СКА приемник радиосигналов, излучаемых с ВКА, организовать периодический сброс накопленной измерительной и информации с борта СКА на наземные пункты приема этой информации и разместить на части пунктов КГС дальномеры, используемые в настоящее время для наблюдений ВКА с контрольных измерительных пунктов космической навигационной системы.

Измерения между СКА и ВКА будут выполняться с более высокой точностью вследствие отсутствия влияния атмосферы и ослабления влияния ионосферы. Как показали результаты эксперимента по проекту TOPEX/POSEIDON [см. статью Nerem R. S. , Lerch F.J., Marshall J.A. et al. Gravity model developmtnt for TOPEX/POSEIDON: Joint gravity models 1 and 2. "Jorn. Geophys. Res. "v.99, N 12, 1994, pp.421-447] и другие исследования, такое двухъярусное построение космического геодезического комплекса позволит на порядок повысить точность отнесения начала координат к центру масс Земли и определения взаимного положения пунктов КГС.

Пример 1. Выполнен эксперимент по определению положения на орбите океанографического СКА TOPEX/POSEIDON с привлечением измерений между СКА и ВКА космической навигационной системы НАВСТАР (США). Цель эксперимента - уточнение орбиты СКА при выполнении высотомерных измерений до поверхности Мирового океана для определения параметров ГПЗ. Параметры орбит: СКА - высота H = 1336 км, эксцентриситет e = 0.0006, наклонение i = 66^o; ВКА - H = 20200 км, e = 0,001, i = 55^o.

В результате эксперимента положение СКА на орбите получено с точностью 3-4 см по радиальной составляющей и 10-15 см вдоль и поперек орбиты, что более чем на порядок точнее определения орбиты только с наземных пунктов. Повышение точности определения орбиты позволяет предположить, что на такую же величину повысится и точность определения координат пунктов КГС, однако в эксперименте создание КГС не предусматривалось.

Пример 2. Выполнено уравнение модели КГС динамическим методом космической геодезии в двух вариантах построения космической геодезической системы, состояний из одного геодезического СКА (одноярусная структура построения с измерениями по линии НП-СКА)-вариант 1, из одного геодезического СКА и трех навигационных ВКА из состава системы ГЛОНАСС (Россия) (двухъярусная структура построения с измерениями по линии НП-СКА, НП-ВКА и СКА-ВКА)-вариант 2.

Модель КГС включает 11 НП. Предполагалось, что все НП оснащены фотографической (m_f=0,5'') и доплеровской (m_p=0,3 см/с) аппаратурой для измерения на СКА, пять из них, кроме того, и дальномерной (m_p=1,0 м) аппаратурой для измерений до ВКА. Между СКА и ВКА моделировались измерения дальности (m_p=0,3 м).

При моделировании движения СКА и ВКА использовались: модель геопотенциала ПЗ-90; динамические модели атмосферного торможения и светлого давления. Точность учета двух последних факторов принималась равной 20% от общего влияния данного возмущения. Параметры орбит: СКА - H = 1500 км, e = 0,005, i = 74^o; ВКА - H = 19100 км, e = 0,0001, i = 64,8^o. Длина орбитальных дуг КА - одни сутки. Дискретность измерений - одно измерение в минуту.

Результаты уравнения: 1) средние квадратические ошибки положения НП составили соответственно 6,4 м и 0,4 м для вариантов 1 и 2; 2) элементы взаимного трансформирования систем координат, полученных в решениях по вариантам 1,2 относительно "истинной" (модельной) системы, характеризующие линейное смещение (Δ_x,Δ_y,Δ_z), угловые развороты осей (ω_x,ω_y,ω_z) и масштабное искажение ( Δm ), приведены в табл.

Из анализа результатов численного эксперимента следует, что точность определения координат НП в варианте 2 более чем на порядок выше. Отнесение к центру масс Земли и ориентировка осей координат в варианте 2 осуществляются с минимальными погрешностями.

Экономическая эффективность предлагаемого способа может быть рассчитана по формуле [см. статью Brahderberger A.J. The economical significance of aerial trangulation using auxilary. Jorn. "Photogrammetria" v.8, N 22, Quebec, 1967, pp. 15-23]: W = N²JR, где N = m₁/m₂ - соотношение точностей решения задачи новым (m₁) и старым (m₂) способами; J = c₂/c₁ - соотношение стоимости создания наземной и бортовой аппаратуры новым (c₁) и старым (c₂) способами R= t₁/t₂ - соотношение времени, необходимого для построения КГС новым (t₁) и старым (t₂) способами.

В эксперименте точность определения координат пунктов КГС новым способом получилась более чем на порядок выше по сравнению со старым. Стоимость создания аппаратуры в новом способе, как показала экспертная оценка, будет выше не менее, чем в пять раз. Время, необходимое для построения КГС обоими способами, примем одинаковым. С учетом вышеизложенного положим, что N = 10, J = 0,2, R-1. Для этих данных экономическая эффективность будет составлять W = 25.

Таким образом, предлагаемый способ построения КГС эффективнее старого более чем на порядок.

Формула изобретения

Способ создания космической геодезической сети, включающий дальномерные, допплеровские и фотографические измерения с пунктов космической геодезической сети на геодезический спутник и уравнивание этих измерений динамическим методом космической геодезии с разбиением совокупности всех измерений, на группу измерений равномерно распределенных на длинных орбитальных дугах для отнесения начала координат космической геодезической сети к центру масс Земли, и группу измерений, отнесенных на короткие орбитальные дуги для уточнения взаимного положения пунктов космической геодезической сети, с включением в короткие дуги в качестве неизвестных элементов взаимного трансформирования решений по длинным и коротким дугам, отличающийся тем, что выполняют дополнительные дальномерные измерения между геодезическим спутником и спутниками космической навигационной системы для заполнения разрывов в совокупности измерений на длинных орбитальных дугах и дальномерные измерения с части пунктов космической геодезической сети до спутников космической навигационной системы.

РИСУНКИ

Рисунок 1