Космическая геодезия

Космическая геодезия Космическая геодезия раздел геодезической науки, в котором изучаются вопросы использования наблюдений искусственных и естественных небесных тел для решения научных и практических задач геодезии. Основными задачами космической геодезии являются: • Определение фундаментальных постоянных, характеризующих форму, размеры и суточное вращение Земли, Луны и планет, а также изменение этих постоянных во времени; • Определение параметров гравитационного поля Земли и планет; • Определение (уточнение) координат пунктов в системе, отнесенных к центру масс Земли, создание единой мировой геодезической сети; • Определение в пространственной геодезической системе координат (с началом в центре масс Земли) положения центра референц-эллипсоида; • Установление связи между различными геодезическими системами. • Космическая геодезия решает также ряд прикладных задач: • Координатно-временную привязку результатов космических съемок Земли и планет, выполняемых при исследовании природных ресурсов и космического картографирования; • Решение прикладных задач в области геодезии; • Решение задач геодинамики, геофизики, и т.п. Некоторые задачи современной космической геодезии • Определение взаимного положения пунктов в некоторой геодезической системе • Изучение внешнего гравитационного поля и фигуры земли • Уточнение некоторых фундаментальных геодезических постоянных • Решение задач геофизики и геодинамики Преимущества методов космической геодезии •Быстрая передача координат на расстояния несколько тысяч километров •Создание построений в абсолютной системе координат отнесенной к центру масс Земли •Определение параметров гравитационного поля Земли, при сравнительно небольшом количестве станций на поверхности Земли •Характеристики гравитационного поля получаются более надежными Классификация систем координат, применяемых в космической геодезии 1) Форма задания координат; 2) Начало отсчета системы координат; 3) Направление оси абсцисс; 4) Направление оси аппликат; 5) Основная координатная плоскость. Форма задания координат 1) Сферические; 2) Сфероидические (эллипсоидальные); 3) Прямоугольные. Начало отсчета системы координат 1) Геоцентрическая - начало находится в центре масс Земли; 2) Квазигеоцентрическая - начало совмещено с центром референцэллипсоида; 3) Топоцентрическая - начало которой совпадает с точкой наблюдения на поверхности Земли; 4) Гелиоцентрическая - начало находится в центре масс Солнца. Направление оси абсцисс – главной оси отсчитывания 1) Инерциальные - жёстко связанные с окружающим нас пространством, оси не изменяют своего направления относительно звёзд и сверхдалёких объектов; 2) Небесные - главная линия отсчитывания ориентированна на точку γ (пересечение небесного экватора с плоскостью эклиптики). Системы, не участвующие в суточном движении; 3) Земные -– главная ось фиксируется в плоскости Гринвича. Системы, вращающиеся вместе с Землёй. Направление оси аппликатоси вращения Земли 1) Мгновенные – ось направлена в мгновенный полюс заданного момента; 2) Истинные – ось направлена в истинный полюс заданного момента; 3)Средние – ось направлена в средний полюс заданного момента, ось Х направлена в среднюю точку весеннего равноденствия Основная координатная плоскость 1) Экваториальные (земной экватор, небесный экватор); 2) Горизонтные (плоскость горизонта); 3) Орбитальные (плоскость орбита небесного тела, ИСЗ) Реже – эклиптические и галактические. Невозмущенное движение Движение, при котором на ИСЗ не влияют никакие другие силы, кроме притяжения Земли. При этом Землю представляют шаром с массой М со сферически симметричным распределением плотности. Такое движение спутника подчиняется действию трех законов Кеплера Законы Кеплера 1. Спутник движется по эллипсу, в одном из фокусов которого располагается центр масс Земли; 2. Радиус-вектор спутника за равные промежутки времени описывает равные площади; 3. Отношение квадрата периода обращения спутника к кубу большой полуоси его орбиты есть величина постоянная. Элементы орбиты ИСЗ Элементы орбиты ИСЗ Элементы орбиты Элементы Кеплера совокупность параметров, характеризующих положение орбиты в пространстве, ее ориентировку, размер и форму, а также положение спутника в конкретный момент времени. Элементы Кеплера - a, e, i, Ω, ω, М0(tπ) Большая полуось Эксцентриситет Наклонение Долгота восходящего узла Аргумент перицентра Средняя аномалия (момент прохождения перицентра) Элементы Кеплера • Форма и размеры эллиптической орбиты полностью определяются двумя параметрами – большая полуось и эксцентриситет орбиты; • Для характеристики положения орбиты в пространстве используются три элемента орбиты: долгота восходящего узла, наклонение, аргумент перицентра. • Положение спутника на орбите в конкретный момент времени определяет средняя аномалия или момент прохождения перицентра. Возмущенное движение На спутник кроме силы притяжения центральным телом действуют другие силы разной физической природы, поэтому движение ИСЗ отличается от невозмущенного (Кеплерова) движения. Реальное движение спутника называется возмущенным, а его орбиту – возмущенной орбитой. Разности между элементами возмущенной и невозмущенной орбиты в один и тот же момент времени называется возмущениями. Силы, действующие на спутник 1) нецентральным полем тяготения вызванным не сферичность Земли и неправильным распределением масс внутри нее; 2) влияние гравитационных полей Солнца, Луны, планет и других небесных тел; 3) сопротивлением атмосферы; 4) давление прямой и отраженной солнечной радиации; 5) лунно-солнечными приливами; 6) релятивистскими эффектами и др. Возмущения орбит спутников Возмущения орбит спутников разделяют соответственно их периодам на три группы: вековые, долгопериодические и короткопериодические. Возмущения орбит спутников • Вековые возмущения в элементах орбиты увеличиваются линейно со временем, поэтому в течение нескольких недель они могут достичь значительной величины – это самые большие возмущения. • Долгопериодические возмущения имеют период от 100 до 200 суток. • Короткопериодические возмущения 1 1 1 имеют периоды P, P, P, P,... . 2 3 4 Амплитуда редко превышает 70 – 100 м. Они значительно меньше, чем вековые и долгопериодические. Методы космической геодезии - Геометрический; - Динамический; - Орбитальный. Геометрический метод служит для передачи координат на большие расстояния. Он основан на синхронном наблюдении ИСЗ с нескольких пунктов земной поверхности. Небесное тело используется как высокая визирная цель. Используя синхронные наблюдения, решаются различного рода пространственные засечки для определения координат неизвестных пунктов. Динамический метод основан на использовании теории движения искусственного спутника Земли по орбите. Для реализации метода необходимо иметь адекватную модель движения ИСЗ. Метод предполагает совместное определение координат наземных пунктов, элементов орбиты ИСЗ, а также уточнение параметров модели возмущающих сил действующих на спутник. Реализация метода требует наличия совершенных алгоритмов и гигантских комплексов программ для самых современных компьютеров, на разработку которых необходимы большие затраты труда целых коллективов квалифицированных математиков и программистов. Орбитальный метод является частным случаем динамического, в котором параметры модели возмущающих сил, действующих на ИСЗ, построены с необходимой точностью и не уточняются в процессе решения. На основе наблюдений, выполненных на наземных пунктах или непосредственно со спутника, совместно определяются координаты пунктов и элементы орбит. Современные методы космической геодезии К современным методам космической геодезии относятся: – лазерные наблюдения спутников и Луны; – спутниковая альтиметрия; – радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами (РСДБ); – доплеровские наблюдения (система DORIS); – спутниковая градиентометрия и системы «спутник-спутник»; – глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС – ГЛОНАСС, GPS). Современные методы космической геодезии