Космическая геодезия

КОСМИЧЕСКАЯ ГЕОДЕЗИЯ, раздел геодезии, в котором для решения геодезических, геодинамических и геофизических задач, а также задач координатно-временного обеспечения (создание систем, обеспечивающих потребителей данными о точных координатах и времени) используются результаты наблюдений искусственных и естественных небесных тел. Объектами наблюдений служат искусственные спутники Земли, другие космические аппараты, Луна, звёзды и внегалактические радиоисточники (квазары, ядра галактик).

Историческая справка. Возникновение космической геодезии часто связывают с именем И. Эйлера, опубликовавшего в 1768 году работу о методах определения фигуры Земли по наблюдениям Луны. В 1-й половине 20 века предпринимались неоднократные попытки использовать для решения геодезических задач так называемые 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 году финский 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, например, 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", а также относительное положение двух пунктов, удалённых на такое же расстояние. Однако эффективное развитие космической геодезии началось только после запуска первого ИСЗ (1957, СССР).

Предмет и методы космической геодезии. Предметом изучения космической геодезии 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, метрологическое обеспечение, методики применения); способы математической обработки данных, полученных в ходе наблюдений; интерпретация результатов наблюдений и их обработки.

Часть космической геодезии, базирующуюся на наблюдениях ИСЗ, называют спутниковой геодезией. Методы спутниковой геодезии подразделяются на динамические и геометрические. Динамические 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 различные 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, геоцентрическую гравитационную постоянную μ = fМ (f -гравитационная постоянная Кавендиша, М - масса Земли). Динамические методы позволяют реализовать единую для всей Земли систему геоцентрических координат.

Геометрические 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 математической обработки информации. Таким образом, в геометрическом методе ИСЗ играет роль высокой визирной цели, координаты которой в заданный момент времени необходимы только для того, чтобы навести на цель аппаратуру для наблюдений. Геометрические методы позволяют с высокой точностью получить данные об относительном положении пунктов наблюдений. В связи с этим возможно их эффективное применение для решения некоторых задач геодинамики, например для определения относительного перемещения литосферных блоков. Для решения перечисленных выше задач могут использоваться различные методы наблюдений: фотографические, телевизионные, лазерные, радиотехнические (смотри в статье Геодезический спутник).

В космической геодезии 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 (советскими автоматическими станциями «Луна-17» и «Луна-21»; американскими 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 внегалактических 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-временное обеспечение) и включает в себя 4 радиотелескопа, расположенных в Ленинградской области, Карачаево-Черкесии, Бурятии и Приморском крае. Измеряемыми величинами в РСДБ являются временная задержка (разность между моментами прихода радиосигналов от внегалактического источника на радиотелескопы) и доплеровский сдвиг частоты, обусловленный вращением Земли. РСДБ даёт возможность с точностью до сантиметров определять относительное положение пунктов, удалённых на расстояние в несколько тысяч км, осуществлять сличение часов на этих пунктах, определять параметры вращения Земли. В качестве источников радиоизлучения принципиально возможно использовать передатчики, установленные на ИСЗ, что позволит применять радиотелескопы малого диаметра, в том числе и передвижные.

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

При проведении межспутниковых наблюдений определяют параметры, характеризующие взаимное расположение спутников (устанавливая, например, 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 250-500 км, поэтому принимаются специальные меры для компенсации влияния сопротивления атмосферы на движение ИСЗ.

Начиная с 1990-х годов большинство геодезических задач решается с помощью спутников, образующих глобальные навигационные спутниковые системы (спутниковые системы позиционирования). К таким системам относятся ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США), в стадии развёртывания находится Европейская система Галилео. Спутниковые системы позиционирования получили широкое распространение благодаря ряду факторов: возможность получения геодезических данных высокой точности (в том числе в режиме реального времени), высокая степень автоматизации процессов наблюдений и математической обработки, независимость наблюдений от погоды (в связи с использованием излучения в радиодиапазоне), отсутствие необходимости в прямой видимости между пунктами. Кроме того, такие системы предоставляют возможность одновременного получения трёх пространственных координат пунктов, мониторинга геодинамических процессов в режиме реального времени, выполнения измерений в движении. Последнее необходимо при аэросъёмке и космической съёмке, а также в ходе выполнения работ по морской геодезии.

Методы космической геодезии используются также при изучении других планет и их спутников, а в перспективе и малых тел Солнечной системы.

Лит.: Космическая геодезия. М., 1986; Глушков В. В., Насретдинов К. К., Шаравин А. А. Космическая геодезия: методы и перспективы развития. М., 2002; Seeber G. Satellite geodesy. 2nd ed. N.Y., 2003; Антонович К. М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. М., 2005-2006. Т. 1-2.

И. И. Краснорылов.

Связанные статьи