Космическая геодезия (функции, методы и задачи)

Космическая геодезия-основы | Топография и геодезия для проектирования и строительства

Космическая геодезия (функции, методы и задачи)

Словосочетание «космическая» вместе с названием какой-либо науки стало уже привычным. Мы читаем и слышим об успехах то космической физики, то космической биологии, то ещё какой-то науки. Уже даже появились космическая медицина и космическая металлургия.

Первые запуски искусственных спутников Земли и первые же попытки использования их в целях геодезических сильно изменили многие существующие взгляды и представления как о предмете геодезии, так и о её проблемах.

Прежние научные и старые практические задачи этой науки, которые давно превратились для неё в традиционные, предстали перед геодезистами теперь не лишь в новом смысле, но и в более широком своём значении. Появились совершенно новые методы измерений и на порядок, то есть в десятки раз, возросла их точность.

Раскрылись широкие и глубокие связи геодезии, её проблем и задач, с другими науками о космических просторах и о Земле.

Не нужно, конечно же, думать, что только лишь запуск первого из искусственных спутников Земли стал причиной рождения космической геодезии. Ведь у Земли присутствует свой естественный спутник — Луна, а сама идея использовать её в качестве реперной точки для целей геодезических обсуждалась ещё в XVII веке.

Тогда же появилась мысль о том, что сжимание Земли можно будет определить посредством изучения возмущений в движении Луны, вызванных притяжением Земли.

Все эти смелые идеи так и оставались, тем не менее, идеями — аж до 1957 года, когда запуск искусственных спутников привёл к появлению работающих методов сначала спутниковой, а затем и космической геодезии.

В классической геодезии традиционными методами основная её задача — изучение фигуры Земли, а также гравитационного поля планеты — решается с помощью измерений, проводимых на поверхности самой Земли.

Методы космической геодезии дали возможность взглянуть на Землю издалека, из космоса, и позволили начать измерять её, оторвавшись от поверхности планеты.

Сразу можно заметить масштабную и качественную разницу между этими подходами: поднявшись на сотни, а то и тысячи километров над земной поверхностью человек словно вырос и тут же получил возможность измерять на планете очень длинные линии с недостижимо высокой до тех пор точностью.

Дело, впрочем, не только в масштабах и даже не в точности измерений. Геодезия вместе со своим выходом в космос изменилась, так сказать, и морально: круг решаемых этой наукой задач расширился .

Сейчас преимущественно методами космической геодезии решаются такие проблемы, как изучение движения полюсов Земли, лунных и солнечных приливов ( в земной коре в том числе) , изменений скорости вращения Земли и им подобные.

Наступают времена, когда все основные проблемы геодезии, а также геодинамики и геокинематики будут решаться успешно именно с помощью методов геодезии космической.

Интересен ещё и тот факт, что бурное развитие и становление космической геодезии, обсуждаемыми и испытанными методами которой сейчас являются, например, системы «спутник-спутник» или лазерная локация Луны, а также длиннобазисная интерферометрия (в частности, использование наблюдений за квазарами в геодезических целях), совсем не отодвинуло на задний план старые наземные классические методы. А, можно сказать, даже наоборот, подарило им своего рода второе дыхание. Особо хорошо это удивительное объединение наземных и космических геодезических методов проявляется в деле изучения гравитационного поля Земли.

И напоследок стоит отметить, что на самом деле космическая геодезия — не только набор нетрадиционных космических методов, которые позволяют решать научные или практические специфические задачи геодезии в качестве науки о Земле (все, наверно, помнят, что «Гео» по-гречески — Земля).

Более того, космическая геодезия — это не лишь научная дисциплина, которая использует природные и искусственные объекты в космосе для решения геодезических задач.

Человечество стоит сейчас перед постановкой и решением основной задачи космической геодезии в качестве самостоятельной ветви науки — создания глобальной координатной основы, чтобы работать в целой Солнечной системе.

Космическая геодезия таким образом, начав с всестороннего изучения одной из планет — Земли, в перспективе поможет нам выйти на новый уровень- освоение и изучение всей Солнечной системы. В таком случае значимая приставка «гео» в названии «геодезия» станет условностью, лишь напоминая о том, что исследования начались с Земли.

Источник: https://domzem.su/kosmicheskaya-geodeziya-osnovy.html

Космическая геодезия (функции, методы и задачи)

Космическая геодезия (функции, методы и задачи)

Определение 1

Космическая геодезия – раздел науки, посредством которого возможно решать практические задачи геодезии с применением результатов наблюдений естественных и искусственных небесных тел.

Указанное научное направление принято называть новой отраслью геодезии, развитие которой официально стартовало после запуска первого искусственного спутника Земли. Для точного определения формы и размеров земной поверхности еще с начала XVIII столетия использовали Луну, которая слишком далеко расположена от нашей планеты, следовательно, точность установления фигуры Земли была крайне низкой.

В дальнейшем ученые разработали ряд методов астрономических наблюдения для целей геодезии:

  • применение солнечных затмений;
  • покрытие небесных тел Луною;
  • фотографирование естественного спутника на фоне звездного неба путем применения специальных фотоприборов, разработанных ученым Михайловым А. А.

Хотя способы наблюдения Луны были в итоге доведены до совершенства, но погрешность была более 300 метров. В конце 1957 года Михайлов заявил, что в будущем Луну комплексно заменит искусственный спутник планеты.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Методы космической геодезии

Рисунок 1. Методы космической геодезии. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Замечание 1

Основным методом данного раздела в науке является синхронное наблюдение спутника с наземных, основных пунктов.

При этом определяются самые различные показатели относительно положения координат и спутников. Параметрами выступают скорость и дальность изменения предметов, угловое направление точек визирования пунктов, то есть спутник в определенной концепции координат, режимы его движения и трансформация углов.

Основными методами космической геодезии выступают:

  • становление опорной геодезической сети и развитие Мировой астрономической системы;
  • выявление координат ракет по научным наблюдениям с наземных станций;
  • установление положения подводных и надводных кораблей, а также самолетов и машин;
  • обеспечение безошибочного картографирования наиболее удаленных и труднодоступных регионов;
  • исследование гравитационного внешнего поля Земли и его размеров.

Согласно вышеперечисленных пунктов можно сделать заключение, что преимущество методов космической геодезии заключается в том, что с помощью быстрой передачи координат на расстояние несколько тысяч километров происходит разработка уникальных построений в абсолютной системе координат. Также посредством способов геодезии в астрономии определяют показатели гравитационного поля, которые требуют сравнительно небольшого количеств станций на земной поверхности.

Задачи космической геодезии

На сегодняшний день ученые продолжают изучать принципы и способы космической геодезии, однако основные задачи указанной научной области известны. Среди них:

  1. Установление взаимного положения координат в конкретной единой геодезической концепции.
  2. Определение местоположения центра эллипсоида относительно центра земных масс.
  3. Нахождение точек пунктов в абсолютной системе, которая относится к центру Земли и создана в результате действия мировой геодезической сети.
  4. Выявление связи между отдельными геодезическими концепциями.
  5. Исследование внешнего гравитационного поля Земли и его формы.
  6. Развитие важных фундаментальных постоянных в геодезии.

При решении практически всех научных задач способы космической геодезии имеют значительные преимущества по сравнению с традиционными методами.

Это непосредственно связано с тем, что элементарные геодезические установки разрабатываются на отдельных территориях и формируют только слабые геодезические сети.

В таком случае расположение эллипсоидов относительно друг друга и центра земных масс невозможно установить посредством полигонометрии и триангуляции. То есть осуществить бесперебойную геодезическую связь всех материков в единую мировую геодезическую систему – нельзя.

Из огромного количества запускаемых на орбиты систем, важное значение для геодезии имеют особенные астрономические объекты, наблюдения на которые позволяют ученым быстро и точно передавать координаты на расстояния в несколько тысяч километров, а также разрабатывать масштабную геодезическую сеть в абсолютной концепции координат, отнесенной к центру масс Земли и определять центральные параметры гравитационного земного поля, причем получать конечные результаты существенно надежнее, чем с помощью традиционных методов.

Кроме того, способы космической геодезии предоставляют возможность применять итоги наблюдений при исследовании дрейфа континентов и движения земных полюсов, а также при установлении фигуры геоида в океанах, что помогает решать проблемы картографирования планеты из космоса.

Системы координат в геодезии

Рисунок 2. Система геодезических координат. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Замечание 2

Под этими концепциями координат стоит понимать – земные геоцентрические системы.

Начало их движения – центр земных масс (геоцентр) – координата отсчитывания; вектор Z – параметр вращения Земли относительно северного полюса; центральная плоскость – ось экватора Земли; точка X – пересечение плоскости экватора с показателем меридианы Гринвича OG; ось Y – обогащает систему.

Проблема заключается в том, какую координату считать земным полюсом, какую точку называть экватором, и как корректно задать начальное направление меридиана Гринвича. Вращение Земли вокруг собственной оси подразумевает явление сложной, двойственной природы.

Первые эксперименты определили наличие движения естественного полюса планеты относительно определенной точки, названной Условным Земным Полюсом. С 1899 года специалисты Международной службы широты занимается рассмотрением и объяснением движения полюса.

В движении вектора вращения Земли в космической геодезии выделяют вынужденные и свободные колебания. Период свободных отклонений – примерно 430 суток – амплитуда более 6-10 метров. Именно такие погрешности не регулярны и могут быть установлены из наблюдений.

Квантовые генераторы в космической геодезии

Большие перспективы в измерительной современной технике космической геодезии имеют квантовые оптические генераторы или лазеры.

Они помогают точно установить дальность и радиальный параметр скорости с гораздо более высокой точностью, чем посредством радиотехнических методов.

Таким образом, исследуемая научная область позволяет уточнить земную форму, безошибочно установить координаты любых пунктов и разработать топографические карты на все районы нашей планеты.

Все это способствует морскому флоту точно находить очертания материков и быстро получать координаты рифов, островов, маяков и других важных морских объектов. Эти данные дают возможность выбирать самые безопасные маршруты движения, обеспечивая тем самым безопасность работы воздушного и наземного транспорта.

В последнее время стремительное распространение получили радионавигационные концепции, среди которых наиболее популярными стали системы, применяющие искусственные земные спутники. Такие устройства обеспечивают навигационной системе масштабность.

Всепогодность современной навигации достигается посредством использования радиоприборов сверхвысокочастотного диапазона.

Навигационные установки с применением спутников базируются на измерении показателей относительного движения и положения изучаемого объекта.

Подобные сети прочно входят в практику самолетовождения и кораблей, так как помогают с максимальной точностью определять местоположение предметов при любых погодных условиях, в любое время суток.

Источник: https://spravochnick.ru/geodeziya/kosmicheskaya_geodeziya_funkcii_metody_i_zadachi/

КОСМИ́ЧЕСКАЯ ГЕОДЕ́ЗИЯ

Космическая геодезия (функции, методы и задачи)

Авторы: И. И. Краснорылов

КОСМИ́ЧЕСКАЯ ГЕОДЕ́ЗИЯ, раздел геодезии, в котором для решения геодезических, геодинамических и геофизических задач, а также задач координатно-временнóго обеспечения (создание систем, обеспечивающих потребителей данными о точных координатах и времени) используются результаты наблюдений искусств. и естеств. небесных тел. В качестве объектов наблюдений используются искусств. спутники Земли (ИСЗ), др. космич. аппараты (КА), Луна, звёзды и внегалактич. радиоисточники (квазары, ядра галактик).

Историческая справка

Возникновение К. г. часто связывают с именем И. Эйлера, опубликовавшего в 1768 работу о методах определения фигуры Земли по наблюдениям Луны. В 1-й пол. 20 в. предпринимались неоднократные попытки использовать для решения геодезич. задач т. н.

лунные методы: наблюдения затмений, покрытий звёзд Луной, фотографирование Луны на фоне звёзд.

Однако применение этих методов не приводило к получению значимых для геодезии результатов из-за малой величины параллакса Луны, слабого знания топографии края лунного диска и недостаточной точности наблюдений.

В 1946 фин. астроном и геодезист И. Вяйсяля предложил метод астрономической (звёздной) триангуляции, основанный на синхронном фотографировании на фоне звёзд высоких световых визирных целей, проводимом с двух пунктов. В качестве целей предлагалось использовать, напр.

, лампы-вспышки, установленные на шарах-пилотах, самолётах, аэростатах и т. д. Метод позволял определять направления наземных хорд (линий, соединяющих пункты на поверхности Земли) протяжённостью 150–250 км с ошибкой порядка 1–1,5″ и также относит. положение двух пунктов, удалённых на такое же расстояние.

Однако эффективное развитие К. д. началось только после запуска первого ИСЗ (1957, СССР).

Предмет и методы космической геодезии

Предметом изучения К. г.

являются: теория использования результатов наблюдений небесных тел в геодезии, геодинамике и геофизике; способы определения орбит и вычисления эфемерид небесных тел; аппаратура для выполнения наблюдений (конструктивные и эксплуатационные особенности, поверки и юстировки, метрологич. обеспечение, методики применения); способы математич. обработки данных, полученных в ходе наблюдений; интерпретация результатов наблюдений и последующей обработки.

Часть К. г. базируется на наблюдениях ИСЗ и называется спутниковой геодезией. Методы спутниковой геодезии подразделяются на динамические и геометрические. Динамич. методы анализируют движение небесных тел, которое в первом приближении определяется Кеплера законами, а при более точном подходе требует учёта возмущающих факторов.

Так, на орбиту ИСЗ влияют особенности гравитационного поля Земли, притяжение Луны и Солнца, сопротивление атмосферы, давление солнечной радиации. При особо точных расчётах учитывают также влияние электромагнитных возмущений, давления света, отражённого Землёй, приливов в океане и в земной коре, а также разл. релятивистские эффекты.

Анализ особенностей возмущённого движения ИСЗ позволяет уточнить фигуру Земли (полярное сжатие, эллиптичность земного экватора, «грушевидность» формы) и характеристики её гравитационного поля, определить параметры вращения Земли.

Те же данные дают возможность определить воздействие светового давления на ИСЗ, уточнить параметры атмосферы на высоте движения спутника, геоцентрич. гравитационную постоянную $f=fM$ ($f$ – гравитационная постоянная Кэвендиша, $M$ – масса Земли). Динамич.

методы позволяют реализовать единую для всей Земли систему геоцентрических координат.

Геометрич. методы основываются на использовании синхронных наблюдений ИСЗ с двух или более пунктов. На практике точную синхронизацию наблюдений на удалённых друг от друга пунктах осуществить не удаётся. Поэтому наблюдения проводят в перекрывающиеся промежутки времени, а момент синхронизации высчитывают в ходе математич.

обработки информации. Т. о., в геометрич. методе ИСЗ играет роль высокой визирной цели, координаты которой в заданный момент времени необходимы только для того, чтобы навести на цель аппаратуру для наблюдений. Геометрич. методы позволяют с высокой точностью получить данные об относит. положении пунктов наблюдений.

В связи с этим возможно их эффективное использование для решения некоторых задач геодинамики, напр., для определения относит. перемещения литосферных блоков. Для решения перечисленных выше задач могут использоваться разл. методы наблюдений: фотографические, телевизионные, лазерные, радиотехнические (см. в ст.

Геодезический спутник).

В К. г. применяются также лазерная локация Луны, радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой, спутниковая альтиметрия, межспутниковые наблюдения и спутниковая градиентометрия.

Лазерная локация Луны основывается на измерениях расстояний между наземной обсерваторией и уголковыми отражателями, установленными на Луне (сов. автоматич. станциями «Луна-17 и Луна-21» и амер.

пилотируемыми КА «Аполлон-11», «Аполлон-14 и «Аполлон-15»).

Этот метод позволяет определять координаты наземных пунктов, расстояния между ними, параметры вращения Земли, характеристики осевого вращения и орбитального движения Луны.

В методе радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ) проводят наблюдения внегалактич. радиоисточников с помощью радиотелескопов диаметром не менее 30 м, установленных на значительном расстоянии друг от друга.

Подобная система в России называется «Квазар–КВО» (КВО – координатно-временнóе обеспечение) и включает 4 радиотелескопа, расположенных в Ленинградской обл., Карачаево-Черкесии, Бурятии и Приморском крае. Измеряемыми величинами в РСДБ являются временнáя задержка (разность между моментами прихода радиосигналов от внегалактич.

источника на радиотелескопы) и доплеровский сдвиг частоты, обусловленный вращением Земли. РСДБ даёт возможность с сантиметровой точностью применять относит. положение пунктов, удалённых на расстояние в неск. тыс. км, осуществлять сличение часов на этих пунктах, параметры вращения Земли.

В качестве источников радиоизлучения принципиально возможно применять передатчики, установленные на ИСЗ, что позволит использовать радиотелескопы малого диаметра, в т. ч. и передвижные.

В спутниковой альтиметрии с помощью радиовысотомера (или лазерного высотомера), установленного на геодезич. спутнике, измеряется высота ИСЗ над подстилающей поверхностью (преимущественно водной), что позволяет определять топографию Мирового ок., получать различные океанографич. данные и изучать гравитационное поле Земли на акваториях океанов.

При проведении межспутниковых наблюдений определяют параметры, характеризующие взаимное расположение спутников (устанавливая, напр., лазерный дальномер на один спутник и отражатель на другой). Такие наблюдения применяются в навигации КА, а также для изучения гравитационного поля Земли и определения параметров вращения Земли.

В методе спутниковой градиентометрии измеряют вторые производные гравитационного потенциала с помощью градиентометра, установленного на ИСЗ, что позволяет изучать тонкую структуру гравитационного поля Земли. Спутники с градиентометрами на борту движутся на высотах 300–500 км, поэтому принимаются спец. меры для компенсации влияния сопротивления атмосферы на движение ИСЗ.

Начиная с 1990-х гг. большинство геодезич. задач решаются по наблюдениям спутников, образующих глобальные навигационные спутниковые системы (спутниковые системы позиционирования). К таким системам относятся ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США), в стадии развёртывания находится европ. система Галилео.

Работы по созданию подобных систем ведутся также в Китае и Индии, планируются в Бразилии. Спутниковые системы позиционирования получили широкое распространение благодаря ряду факторов: возможность получения геодезич. данных высокой точности (в т. ч. в режиме реального времени), высокая степень автоматизации процессов наблюдений и математич.

обработки, независимость наблюдений от погоды (в связи с использованием радиодиапазона), отсутствие необходимости в прямой видимости между пунктами. Кроме того, такие системы предоставляют возможность одновременного получения трёх пространственных координат пунктов, мониторинга геодинамич.

процессов природного и техногенного характера в режиме реального времени, выполнения измерений в движении. Последнее необходимо при аэросъёмке и космич. съемке, а также в ходе выполнения работ по морской геодезии.

Методы К. г. используются также при изучении др. планет и их спутников, а в перспективе и малых тел Солнечной системы. Так, напр.

, при создании исследовательской базы на Луне для обеспечения её функционирования и перемещения людей и механизмов по лунной поверхности потребуется разработка и запуск системы координатно-временнóго обеспечения, аналогичной глобальной навигационной спутниковой системе, действующей на Земле.

Источник: https://bigenc.ru/physics/text/3293328

Booksm
Добавить комментарий