VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Словосочетание «космическая» и какая-либо наука стало привычным. Мы читаем и слушаем об успехах космической биологии, космической медицины, появилась даже космическая металлургия. Здесь будет рассказано о научной дисциплине, родившейся всего 25 лет назад в недрах одной из древнейших наук о Земле - геодезии.

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[4].

Но не надо думать, что только запуск первого ИСЗ привел к рождению космической геодезии. У Земли есть естественный спутник Луна, и идея использовать ее как реперную точку для геодезических целей обсуждалась еще в XVII в. Тогда же была высказана мысль о том, что сжатие Земли можно определить, изучая возмущения в движении Луны, вызванные притяжением Земли. Однако все эти идеи оставались идеями до 1957 г., когда запуск ИСЗ привел к появлению рабочих методов сначала спутниковой, а потом и космической геодезии[3].

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, геокинематики и геодинамики будут успешно решаться с помощью методов космической геодезии[4].

Простейшим геометрическим построением, полученным с помощью ИСЗ, является треугольник, который образуется в результате одновременного (синхронного) наблюдения ИСЗ с двух станций, Данный треугольник А (станция-1) ,С (спутник), В (станция-2) является основным элементом всех спутниковых геометрических построений. Это, по сути дела, треугольник классической триангуляции (рис 1.), одна из вершин которого поднята в космическое пространство. Способы решения такого треугольника значительно облегчены тем, что он всегда плоский. Правда, такое «облегчение» сводится на нет огромным количеством наблюдательного материала: спутников много, и наблюдаются они регулярно. Остается в спутниковой триангуляции проблема, которая была основной и в наземной триангуляции, - измерение базиса. Но прибавляется проблема, специфическая для космических методов: синхронизация наблюдений спутника с разных станций[2].

Рис 1. Схема проложения прямого угла на земной поверхности.

Работы, использующие геометрические методы спутниковой геодезии, велись во многих странах с первых же лет после запуска первого ИСЗ. Сначала эти работы основывались только на фотографических наблюдениях ИСЗ, потом к ним присоединились лазерные дальномерные и радиотехнические измерения. Но интересно то, что еще до запуска первого ИСЗ геометрические методы спутниковой геодезии были опробованы на реальной триангуляционной съемке Финляндии.

В 1946 г. финский геодезист Ю. Вяйсяля разработал принцип построения триангуляции путем фотографирования вспышек света на фоне звезд. При этом предполагалось, что источник света будет поднят на значительную высоту самолетом, высотным баллоном или ракетой, а вспышка будет производиться по команде с Земли. Синхронное фотографирование двух и более вспышек с двух пунктов позволяет определить направление хорды, соединяющей эти пункты. Из таких земных хорд строятся последовательно связанные между собой треугольники и вычисляются координаты их вершин, т. е. строится так называемый триангуляционный ход.

Метод звездной, как его назвал Ю. Вяйсяля, триангуляции был применен для построения новой триангуляционной сети Финляндии со сторонами треугольников около 200 км и оказался весьма рациональным и высокоточным методом[1].

Кроме спутниковой триангуляции, которая строится на основе только угловых измерений, были применены и такие построения, как спутниковая трилатерация - пространственное построение с использованием только измерений расстояний. Основным инструментом спутниковой трилатерации является лазерный дальномер. Метод же, основанный на совместном применении лазерного дальномера и фотографического метода, который называется «фотолазер», заключается в том, что одновременно измеряется дальность до спутника и направление на него. Таким образом, мы имеем в этом случае так называемый полный топоцентрический радиус-вектор спутника.

Для использования радиотехнических методов измерения дальности был разработан метод трисферации - определение координат станции по одновременным наблюдениям с четырех станций, три из которых (опорные) имеют известные координаты. Название метода отражает его суть: измерение дальностей до ИСЗ с трех опорных станций дает возможность определить его положение в пространстве как точку пересечения трех сфер с заданными радиусами и с центрами в опорных станциях. Выбрав как минимум два разных прохождения, мы можем получить три различных положения ИСЗ. Если мы одновременно с этим измеряли с четвертой станции дальность до этих же трех положений ИСЗ, то, как бы обращая эту задачу, мы можем получить координаты четвертой станции как точку пересечения трех сфер с известными радиусами и с центрами в трех уже определенных положениях ИСЗ[5].

 Отсюда можно сделать вывод, что решением задачи о пересечении трех сфер являются две точки, а не одна. Но эта неоднозначность решения не должна смущать, так как вторая точка окажется где-то в центре Земли (для положения ИСЗ) или высоко в космосе (для положения четвертой станции).

Геометрическими методами были созданы геодезические построения огромной протяженности. Так, в середине 70-х годов был построен космический наземный базис Тромсё (Норвегия) - Хоэнпайсенберг (ФРГ) - Катания (Италия, остров Сицилия) длиной более 3500 км. Точность его очень высока - от 10^-6 до 3 • 10^-7 (это относительная точность, она показывает, что каждый километр измеряется в среднем точнее 1 мм, а хорда длиной 1000 км измеряется точнее 1 м). Была создана Мировая триангуляционная сеть, состоящая из 45 пунктов наблюдений, для которой средняя ошибка в положении пункта не превышала 4,5 м. В рамках этой сети были определены положения 158 пунктов различных спутниковых сетей. Тогда же была завершена работа по созданию Западноевропейской триангуляционной сети, включающей 27 станций (позже было присоединено еще 4 станции) [2].

Чтобы представить себе масштабы этих работ, подумаем вот о чем: каждый пункт Мировой триангуляционной сети это не традиционный геодезический сигнал, а, маленькая (а иногда и солидная) обсерватория, на которой размещены камеры для фотографирования ИСЗ, на фоне звезд, лазерный дальномер, доплеровская или иная радиотехническая аппаратура. На этой станции обязательно есть аппаратура службы времени, чтобы регистрировать моменты времени, которые необходимы для приведения результатов наблюдений на разных станциях на одно и то же положение ИСЗ в пространстве и на один и тот же физический момент времени. И конечно, эти станции должны быть обеспечены всем необходимым для использования в будущих исследованиях, связанных с изучением Земли как планеты. p>Мы уже говорили о том, что задача изучения фигуры Земли по сути своей динамическая. История (хотя и краткая) космической геодезии подтвердила это. С развитием динамических методов роль геометрических методов в построении космических геодезических сетей заметно снизилась. В настоящее время речь идет в основном о совместной обработке уже имеющихся спутниковых и наземных триангуляционных сетей.

При этом возникает проблема получения масштаба спутниковой триангуляции. Масштаб задается линией (на поверхности Земли и в пространстве), построенной с такой же высокой относительной точностью, с какой проводились угловые измерения. Следовательно, масштаб задается базисом, и было предложено использовать дальности до ИСЗ, измеренные с помощью лазера, в качестве таких базисных линий.

Но в реальных проектах совместных наземно-космических сетей масштаб решено задавать созданием наземного высокоточного базиса. А наиболее перспективным для укрепления наземных астрономо-геодезических сетей является включение дальностей до ИСЗ, измеренных лазерными дальномерами, в совместную обработку с присоединением пунктов, координаты которых измерены высокоточным доплеровским методом. Общая же тенденция космической геодезии в настоящее время - это развитие динамических методов[4].

Литература:

1.Кононович Э.В., Мороз В.И. Общий курс астрономии: Учебное пособие / под ред. В.В. Иванова. - М.: Едиториал УРСС, 2001;

2.Геодезическая астрономия применительно к решению инженерно-геодезических задач / И.С. Пандул. - СПб.: Политехника, 2010;

3. Кузьмин , В.И. К89 Гравиметрия [ Текст ]: учеб . пособие / В.И. Кузьмин . - Новосибирск : СГГА , 2011. - 193с

4. Н.П. Грушинский «Теория фигур Земли»М. 1976 г., 512 стр.

5. http://epizodsspace.airbase.ru .