Образовательный портал о технологиях мобильной связи


Введение в геодезические спутниковые системы .


      Искусственные спутники открыли новую эру в науке об измерении Земли — эру космической геодезии. Они внесли в геодезию новое качество — глобальность; благодаря большим размерам зоны видимости поверхности Земли со спутни­ка значительно упростилось создание геодези­ческой основы для больших территорий, так как существенно сократилось необходимое количество промежуточных этапов измерений. Так, если в классической геодезии среднее расстоя­ние между определяемыми пунктами составля­ет 10—30 км, то в космической геодезии эти расстояния могут быть на два порядка больше (1—3 тыс. км). Тем самым упрощается передача геодезических данных через водные простран­ства. Между материком и островами, рифами, архипелагами геодезическая связь может быть установлена при прямой их видимости со спут­ника непосредственно через него, без каких-ли­бо промежуточных этапов, что способствует бо­лее высокой точности построения геодезиче­ской сети.

      Основным методом космической геодезии яв­ляется одновременное наблюдение спутника с наземных пунктов. При этом измеряются самые разнообразные параметры относительно поло­жения пунктов и спутников. Параметрами могут служить дальность, скорость изменения даль­ности (или радиальная скорость), угловая ориен­тация линии визирования пункт—спутник в ка­кой-либо системе координат, скорость измене­ния углов и т. д. Измерительные средства распола­гаются на наземных пунктах. На спутнике же раз­мещается аппаратура, обеспечивающая работу этих измерительных средств. Спутник — это вспомогатель­ный маяк для проведения измерений относительно по­ложения опорных пунктов, причем этот маяк может быть как пассивным, так и активным. В первом случае спутник, освещен­ный солнцем или имеющий специальную лампу-вспышку, фото­графируется с наземных пунктов на фоне звездного неба.

      Одновременность наблюдений спутника с нескольких пунктов обеспечивается специальным синхронизирующим устройством, которое по сигналам единого времени производит одновремен­ное открывание и закрывание затворов фотокамер. Наличие на фотографии изображений звезд (в виде точек) и следа спутни­ка в виде пунктирной линии позволяет путем графических изме­рений определить взаимное положение штрихов пунктирной линии, соответствующих положениям спутника, и ближайших к ним точек, соответствующих звездам. Это дает возможность, зная положение звезд по звездному каталогу, определить ко­ординаты штрихов спутника или, точнее, угловую ориентацию линий визирования наблюдательный пункт—спутник. Совокуп­ность угловых координат линии визирования пункт—спутник позволяет определить взаимную угловую ориентацию геодези­ческих пунктов. Ориентация всей сети на поверхности Земли требует знания координат хотя бы одного пункта, определяе­мых классическими методами, и дальности до другого или ко­ординат двух пунктов, называемых базисными. - Для преодоления неблагоприятных метеорологических усло­вий при оптических наблюдениях спутника используются радио­технические средства. В этом случае спутник является как бы активным маяком. Применяются различные принципы измере­ний: эффект Доплера, смещение фаз радиосигналов спутника, принимаемых в различных точках пункта, время распростра­нения сигнала пункт—спутник—пункт и т. д.

      Большие перспективы в измерительной технике космической геодезии имеют оптические квантовые генераторы (лазеры). Они позволяют измерять дальность и радиальную скорость со значительно более высокой точностью, чем с помощью радио­технических средств. Таким образом, космическая геодезия позволит уточнить форму Земли — геоид, точно определить ко­ординаты любых пунктов на поверхности нашей планеты, соз­дать топографические карты на любые районы земной поверх­ности и определить параметры поля тяготения Земли.

      Все это даст возможность морскому флоту определять очер­тания материков и получать точные координаты островов, ри­фов, маяков и других морских объектов, авиации — определять координаты аэропортов, наземных ориентиров и станций наведения. Эти данные позволят выбирать наилучшие маршруты движения и обеспечат надежность и безопасность работы морского и воздушного транспорта.

      Как известно, для прокладки курса корабля или самолета в каждый момент времени необходимо точно знать их место­положение. Для этих целей служат различные навигационные системы, которые обеспечивают вождение по заданным мар­шрутам. С давних времен в навигации использовались есте­ственные ориентиры или поля: небесные светила, магнитное поле Земли и др. В последнее время большое распростране­ние получили радионавигационные системы, среди которых наиболее современными являются системы, использующие ис­кусственные спутники Земли.

      Спутники обеспечивают навигационной системе глобальность. Всепогодность навигации в этом случае достигается благодаря использованию радиосредств сверхвысокочастотного диапазона.

      Навигация с использованием спутников основана на измере­нии параметров относительного положения и движения навигируемого объекта и спутника. Такими параметрами могут слу­жить: расстояние (дальность), скорость изменения этого расстоя­ния (радиальная скорость), угловая ориентация линии объект-спутник (линии визирования) в какой-либо системе координат, скорость изменения этих углов и др.

      Координаты спутника в моменты навигационных определе­ний могут сообщаться кораблям (или самолетам) при каждой навигации. Кроме того, на спутнике может устанавливаться за­поминающее устройство, в которое закладываются данные о его прогнозируемом движении. Эта информация «сбрасывает­ся» со спутника в процессе полета (периодически или по запро­су с навигируемого объекта). Для упрощения процесса опреде­ления координат объекта может быть составлен каталог эфеме­рид (параметров орбит) навигационных спутников на несколько месяцев или лет вперед.

      Большое влияние на прогнозирование движения спутника оказывают ошибки определения элементов орбиты, которые зависят прежде всего от точности работы наземных измери­тельных средств. Эти средства должны быть хорошо «привяза­ны» к геодезической системе координат. Если этого не будет, то может произойти «сдвиг» координатной системы навигаци­онного спутника относительно геодезической. А это приведет к сдвигу в определении положения навигируемого объекта от­носительно геодезической системы, а следовательно, и к сдвигу относительно земных ориентиров, что может вызвать катастро­фические последствия. Геодезические спутники позволяют с высокой точностью осуществить привязку координат измеритель­ных пунктов к геодезической системе.

      Для успешной работы навигационных спутников имеет значе­ние правильный выбор параметров их орбит. Необходимо обес­печить достаточную частоту видимости спутника с навигируемых объектов. С этой точки зрения различные орбиты сильно отличаются друг от друга. Так, спутник, летящий по низкой полярной орбите «осматривает» всю Землю дважды в сутки, один раз на прямых, другой—на обратных витках. Точнее го­воря, Земля относительно движущегося по орбите спутника перемещается так, что с любой ее точки он может быть виден 2 раза в сутки. Чтобы обеспечить непрерывный обзор поверх­ности Земли со спутников, запускаемых на полярные орбиты, т. е. для обеспечения видимости одного или более спутников с корабля или самолета, находящегося в любой точке нашей планеты, необходимо на орбитах высотой 200 км иметь 160 спут­ников, а высотой 1 тыс. км — 36 спутников.

      Создание систем космической навигации позволяет значитель­но улучшить безопасность движения транспорта. Подобные сис­темы прочно входят в практику корабле и самолетовождения, так как позволяют с высокой точностью определять местополо­жение кораблей и самолетов в любое время суток, при любом состоянии погоды.

      ВЛИЯНИЕ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА РАЗВИТИЕ НАУКИ И ПРОИЗВОДСТВА

      Создание сложнейших ракетно-космических систем, возникновение космической индустрии и решение фундаментальных проблем науки и техники, связанных с полетами в космос, дали массу идей, технических средств и принципи­ально новых конструктивно-технологических ре­шений, внедрение которых в традиционное про­изводство и использование в различных сфе­рах деятельности человека даст колоссальные экономические выгоды. Опосредованные выго­ды, которые приносит человечеству космонав­тика, весьма трудно поддаются количественным оценкам. Тем не менее попытки таких расчетов делаются. Так, например, согласно подсчетам ряда зарубежных специалистов, прибыль, обус­ловленная научными исследованиями и разра­ботками в области космоса, достигает 207 млрд. долл.