Возникновение и развитие космической геодезии

 

Содержание

 

Введение ………………………………………………………...…. 2

Задачи космической геодезии ……………………………….….…3

 

Возникновение и развитие космической геодезии …………….…4

 

Основные этапы и периоды развития КГ….……………………...6

 

Периоды развития КГ………………………………………………7

 

Перспектива развития космических  методов геодезии…………..7

 

Заключение……………………………………………………...…...8

 

Список литературы …………………………………………………9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

С появлением искусственных  спутников Земли геодезия

получила новое эффективное  средство для решения своей основной

научной задачи - изучения фигуры, размеров и внешнего гравитационного поля нашей планеты.

Запуски искусственных спутников  Земли (ИСЗ) и первые же опыты использования  их в геодезических целях сильно изменили взгляды и представления  геодезистов о самом предмете геодезии и ее проблемах. Старые научные и практические задачи геодезии, которые издавна являлись для нее традиционными, предстали перед геодезистами в новом содержании и в более широком значении. Появились новые методы измерений, и в десятки раз (в науке это называется на порядок) увеличилась точность измерений. Вскрылись глубокие и обширные связи геодезии (ее задач и проблем) с другими науками о космическом пространстве и о Земле. 

У Земли есть естественный спутник Луна, и идея использовать ее как реперную точку для геодезических целей обсуждалась еще в XVII в. Однако все идеи оставались идеями до 1957 г., когда запуск ИСЗ привел к появлению рабочих методов сначала спутниковой, а потом и космической геодезии.

Традиционными методами классической геодезии решается основная задача геодезии – изучение фигуры Земли и гравитационного  поля нашей планеты с помощью  измерений, производимых на поверхности  Земли, Методы космической геодезии позволили взглянуть на Землю  из космоса и начать измерять ее, оторвавшись от земной поверхности. Сразу видна масштабная, качественная разница этих двух подходов: поднявшись на сотни, а порой и на тысячи километров над поверхностью Земли, человек  как бы вырос и получил возможность  измерять длинные линии на Земле (линии порядка сотен и тысяч  километров) с небывало высокой точностью. 

Но дело не только в масштабах  и точности измерений. С выходом  в космос геодезия изменилась, если можно так выразиться, морально: расширился круг решаемых ею задач. Сейчас геодезия решает (в основном методами космической геодезии) такие проблемы, как изучение лунно-солнечных приливов (в том числе в земной коре), движение полюсов Земли, изменение  скорости вращения Земли и т. д. Мы вплотную подошли к тому времени, когда основные проблемы геодезии, геодинамики будут успешно решаться с помощью методов космической  геодезии. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задачи космической геодезии

 

Первой и основной задачей КГ является определение размеров и формы Земли. Вместе с другими величинами, такими как гравитационная постоянная Земли , скорость вращения они образуют набор, называемый фундаментальными параметрами Земли. Используя методы КГ, геодезисты определили фундаментальные параметры не только для Земли, но и для Луны, Марса, Венеры и Меркурия.

Второй задачей КГ является создание геоцентрической системы координат, которая подходила бы ко всей Земле. Такие системы у нас принято называть общеземными. Решение этой задачи невозможно без привлечения информации о гравитационном поле исследуемой планеты. Однако, имея координаты многих пунктов на земной поверхности, можно определить форму и размеры Земли.

Третья задача. Летая над поверхностью Земли (или другой планеты), спутник испытывает на себе влияние гравитационных аномалий, из-за чего изменяется траектория его движения. Отсюда следует, что если получать его орбиту в разные моменты времени, то можно по изменению в орбите определить гравитационные аномалии и по ним найти положение геоида (или квазигеоида) над эллипсоидом. Эти задачи особенно сложные и требуют чрезвычайно точных измерений (вплоть до 0.01 мм). При этом  не следует забывать, что параметры движения относятся к спутникам, движущимся с высокой скоростью (у низких спутников скорость достигает 8 км/с).

Четвертая задача. Измерение и моделирование геодинамических явлений (например, движение полюсов Земли, определение характеристик вращения Земли – точного времени, движений литосферных плит).

После появления СРНС второго  поколения (GPS в 1980 г. и ГЛОНАСС в 1984 г.) появилась возможность строить не только глобальные сети, но и локальные сети и решать различные прикладные задачи для инженерной геодезии, кадастра, ГИС. При этом методы КГ оказались значительно более эффективными классических методов. Задача позиционирования объектов и определения параметров их движения относится к задачам навигации. Отличие методов навигации от методов в геодезии, в основном, состоит в том, что результаты определения координат объекта в навигации нужно иметь немедленно (в реальном времени), а в геодезии, как правило, такой срочности нет. Для высокоточной навигации были разработаны методы, которые дают возможность определять положение движущегося объекта с сантиметровой точностью (RTK). Теперь эти методы применяют и геодезисты. Более того, методы КГ позволяют производить непрерывный мониторинг (то есть отслеживание и прогнозирование) объектов, движущихся с большими скоростями (например, воздушных судов - аэрофотосъемка или речных судов - гидрография). 

 

 

 

 

Возникновение и развитие космической геодезии

 

Более 50 лет назад был  выведен на орбиту первый искусственный  спутник Земли. Сейчас число движущихся вокруг Земли искусственных тел  превышает несколько тысяч, и  еще несколько тысяч объектов за это время уже прекратили свое существование, сгорев в плотных  слоях атмосферы. Большое количество искусственных космических аппаратов  было выведено на орбиты, подобно кометным орбитам, пересекающим Солнечную систему.  
        Чтобы лучше понять, почему возникла необходимость в развитии методов космической геодезии, следует остановиться на некоторых моментах из истории геодезии.

Известно, что различные  геодезические работы выполнялись  людьми с глубокой древности. Одними из первых известных нам геодезистов  были египтяне. Они использовали для  восстановления разрушаемых разливами  Нила границ земельных угодий опорные  пункты, которые находились вдали  от реки. Также важное значение имело ориентирование и определение местоположения в сухопутных и морских путешествиях.

По мере развития человечества повышались требования к точности геодезических  работ, совершенствовались методы и  техника измерений, способы обработки  измерительной информации.

Важное значение для развития геодезии имело предложение голландского ученого Снеллиуса (1580-1626 гг.) использовать в качестве метода передачи координат триангуляцию. В 1615-1617 гг. Снеллиус выполнил в Голландии градусное измерение по дуге меридиана, состоящее из 33 треугольников и имеющее протяженность около 130 км.

В XX веке для создания геодезического обоснования, наряду с триангуляцией, стала применяться полигонометрия. Ее развитие стимулировало широкое  внедрение в геодезическое производство радио- и светодальномеров. Их использование позволило создавать геодезические построения методом трилатерации (путем измерения длин сторон треугольников).

Традиционные геодезические  построения создавались на отдельных, разделенных значительными водными  преградами или государственными границами, территориях. По ним были образованы геодезические референцные системы. К их числу относятся референц-эллипсоиды Бесселя, Кларка, Красовского, Хейфорда и др. (всего более 10). Положение референц-эллипсоидов, образующих геодезические системы на разных континентах, относительно друг друга и центра масс Земли нельзя установить при помощи только триангуляции и полигонометрии.

Ограниченные возможности  классических методов в смысле передачи координат обусловлены сравнительно небольшими предельными длинами  сторон триангуляции и полигонометрии (20-30 км), а также требованием взаимной видимости между пунктами. Для  этого пункты строились на вершинах гор, а на равнинной местности  устанавливались специальные сигналы.

В 1768 году Иоган Эйлер (сын Леонарда Эйлера) опубликовал работу, в которой обосновал возможность определения параметров земного эллипсоида по одновременным измерениям зенитных расстояний Луны с пунктов, расположенных на одном меридиане и имеющих известные астрономические координаты.

С начала XX века внимание к  так называемым "лунным" методам  усилилось, и космическая геодезия стала оформляться как раздел геодезической науки. Предпринимались  попытки использовать для решения  геодезических задач результаты наблюдений моментов покрытий звезд  Луной, солнечных затмений и фотографирования Луны на фоне звезд. Из-за значительного  удаления Луны от Земли (в среднем 384 000 км) лунные методы не позволяют достичь  требуемой в настоящее время  для решения геодезических задач  точности. Например, применение фотографирования Луны на фоне звезд (наиболее точного  из названных методов) обеспечивает получение координат пунктов  наблюдений с ошибкой примерно 100 м.

В 1946 г. финский геодезист  Ю. Вяйсяля разработал принципы построения триангуляции путем фотографирования вспышек света на фоне звезд. Для этого источник света поднимали на значительную высоту самолетом, газовым баллоном или ракетой и по команде с Земли он давал кратковременные вспышки. С двух пунктов на поверхности земли выполнялось синхронное фотографирование двух и более вспышек света в различных вертикальных плоскостях, по результатам которого можно было с высокой точностью определить направление хорды, соединяющей пункты наблюдений. Если таким образом определить направления хорд, соединяющих все пункты наблюдений, то можно вычислить координаты последних. Для этого необходимо знать координаты хотя бы одного из пунктов и длину хотя бы одной хорды.

Проводившиеся в ряде стран  эксперименты по созданию таких построений показали, что при сторонах 100-300 км звездная триангуляция позволяет получать результаты достаточно высокой точности (ошибка направления хорды составляет 0,5-1,5²). Однако расстояния между пунктами были ограничены высотой баллонов с  лампами-вспышками, которые могли  подниматься на высоту до 30-40 км.

С запуском в СССР 4 октября 1957 г. первого в мире искусственного спутника Земли появилась возможность  создавать космические построения, основанные на наблюдениях ИСЗ. Измерения  доплеровского сдвига частоты передатчика  этого спутника на пункте наблюдения с известными координатами позволили  определить параметры движения ИСЗ. Обратная задача была очевидной: по измерениям одного и того же доплеровского сдвига при известных координатах ИСЗ  найти координаты пункта наблюдения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные этапы и периоды развития КГ

 

Хотя принято считать  началом космической эры 4 октября  1957 г., когда в СССР был запущен 1-й спутник Земли,  использование наблюдений небесных тел для решения задач геодезии началось значительно раньше.

Луна. Еще в 1802 г. Лаплас определил сжатие Земли по прецессионному движению линии узлов лунной орбиты.

Метод звездной триангуляции. Предложен в 1945 г. финским геодезистом Вяйсяля. В 1946 г. были проведены фотографирования световых вспышек на фоне звезд. При сторонах между пунктами до 200 км ошибки в азимутах достигались в 0.7-1.5².

1957 г. – запуск спутников  1 и 2

1958 г. – определение сжатия Земли (2-я зональная гармоника)

1958 Запуск Эксплорер-1

1959 г. – 3-я зональная гармоника (грушевидность Земли)

1960 г. – запуск спутников Transit-1B и Эхо-1.

1962 г. Запуск спутника АННА-1.

Первая космическая триангуляция в СССР по американскому спутнику Эхо-1. Позднее по спутникам Эхо-2, ПАГЕОС.

В 1966 г. США, СССР, Англия, Голландия, Франция, Швеция и ФРГ организовали международный совместный эксперимент по синхронным и несинхронным наблюдениям спутника ГЕОС.  В результате этой работы были определены «Параметры Земли», точность координат пунктов была порядка 20 м. Позднее, в 1970-е годы были выполнены проекты «Арктика-Антарктика» и «Восток-Запад». Основной способ наблюдений – фотографический АФУ-75, SBG, ВАУ. С 1973 г. – лазерный спутниковый дальномер.  В СССР и странах народной демократии – дальномер «Интеркосмос».

С 1974 г. ученые 14 стран проводили международный эксперимент под названием ISAGEX. Программа включала две части: по динамическому методу и по геометрическому методу геодезии. В первом случае использовались преимущественно несинхронные измерения для определения параметров Земли и привязки станций к геоцентру, во втором случае – синхронные измерения с целью определения взаимного положения станций. Впервые был практически решен вопрос об определении геоцентрических координат.

До 1964 г. основными задачами были:

• Определение значения сжатия Земли,
• Определение общей формы земного геоида,
• Определение параметров связи между наиболее важными системами координат (±50 м).

 

 

 

 

 

Периоды развития КГ.

 

1. 1958-1970. Разработка основных  методов спутниковых наблюдений, их обработки и анализа орбит.  Основной инструмент – фотокамеры, наблюдаемый параметр – направление  на спутник. Получены модели  Земли SE-I- SE-III. Построена мировая сеть триангуляции по фотографиям спутника PAGEOS камерой BC4.

2 1970-1980. Стадия научных  проектов. Начало активной спутниковой дальнометрии, доплеровских измерений. Получены более точные модели геоида (GEM10, GRIM) Появилась возможность наблюдать геодинамические явления