Космическая геодезия

Наука
Космическая геодезия
Тема	Наука о Земле
Предмет изучения	космические объекты

Косми́ческая геоде́зия — отрасль геодезии, в которой на основании сведений, полученных в результате статистических наблюдения за космическими объектами, решаются задачи в области геодезии, геодинамики и геофизики. Объектами исследований служат: искусственные спутники Земли, космические аппараты, Луна, звёздные тела и радиоисточники за пределами Млечного Пути. В рамках космической геодезии используются результаты наблюдений, которые проводятся как с поверхности Земли, так и с орбитальных спутников. Небесная механика, астрономия, математика, физика напрямую взаимосвязаны с космической геодезией.

Методы космической геодезии

Существует три ключевых метода в космической геодезии:

• Геометрический — предназначен для передачи координат на значительные расстояния. Он основывается на синхронных наблюдениях спутников с нескольких наземных точек. В этом методе небесное тело выступает в роли удалённой визирной цели. При помощи синхронных наблюдений решаются различные пространственные задачи, которые позволяют установить координаты неопределённых пунктов.
• Динамический — строится на теории движения искусственных спутников Земли по орбитам. Для его осуществления необходимо иметь точную модель движения спутника. Метод включает совместное вычисление координат наземных пунктов и параметров орбиты спутника, а также уточнение условий воздействия внешних сил на него. Реализация динамического метода требует сложных алгоритмов и 11 мощных программных комплексов, на разработку которых затрачиваются усилия целых команд специалистов в области математики и программирования.
• Орбитальный — представляет собой специфическую версию динамического, в которой параметры воздействующих на спутники сил заранее определены с высокой точностью и остаются неизменными в ходе расчётов. В этом подходе на основе наземных или спутниковых наблюдений совместно вычисляются координаты точек и элементы орбит. Если элементы орбиты известны на момент измерений, итоговыми значениями станут лишь координаты пунктов, получаемые через обратные пространственные засечки. Эта техника называется упрощённым орбитальным методом и используется для навигационных задач.

Задачи космической геодезии

Задачи, которые решает космическая геодезия:

1. 

   Лазерная дальномерная система Веттцелля
   Определение размеров и форм Земли. Планета обладает основными характеристиками: гравитационной постоянной, углом вращения, большой полуосью и сжатием. Методы космической геодезии сыграли ключевую роль в их точном вычислении. Кроме того, геодезисты смогли рассчитать параметры других небесных тел.
2. Формирование единой глобальной геоцентрической системы координат. Система создаётся на основе данных о гравитации и координат множества пунктов на поверхности Земли.
3. Сбор информации об орбитах спутников и исследования гравитационных аномалий.
4. Анализ геодинамических процессов и разработка их моделей. Учёные изучают перемещение полюсов, устанавливают точное время вращения Земли и контролируют движение литосферных плит.

Применяемые системы координат

По виду

• Прямоугольная — определяется направлением нормали к основной координатной плоскости.
• Сферическая — определяется направлением нормали к поверхности сферы.
• Сфероидическая — определяется направлением нормали к поверхности эллипсоида.
• Астрономическая — определяется направлением нормали к поверхности геоида.
• Цилиндрическая — определяется направлением нормали к поверхности цилиндра.

По расположению начала отсчёта

• Геоцентрическая — начало координат расположено в центре массе Земли.
• Квазигеоцентрическая — начало координат расположено вблизи центра масс Земли.
• Топоцентрическая — начало координат расположено на поверхности Земли.
• Селеноцентрическая — начало координат расположено в центре масс Луны.
• Барицентрическая — начало координат расположено в барицентре.

По ориентировке основной координатной плоскости

• Экваториальная — за основную координатную плоскость принимается плоскость экватора или плоскость, параллельная ей.
• Горизонтальная — за основную координатную плоскость принимается плоскость горизонта или плоскость, параллельная ей.
• Эклиптическая — за основную координатную плоскость принимается плоскость эклиптики или плоскость, параллельная ей.

По ориентировке оси абсцисс

• Земная — ось абсцисс направлена в точку G пересечения меридиана Гринвича с экватором.

• Звёздная — ось абсциссе направлена в точку весеннего равноденствия $\gamma$.

По типу

• Средняя — ось абсцисс связана со средней точкой $\gamma$ (или G) и средним полюсом мира Р (или средним полюсом Земли Р).
• Истинная — ось абсцисс связана с истинной точкой $\gamma$ (или G) и истинным полюсом мира.

Факторы, влияющие на положение систем координат

Некоторые наблюдения космических объектов связывают с центром масс Земли, обозначая его как истинный центр равновесия. Измерения, в свою очередь, относятся к другой точке, представляющей текущее положение центра масс, которое в значительной степени определяется расположением Луны. В астрономии эта точка называется барицентром системы Земля — Луна.

Измерительная система Jason-1

Незначительные изменения в положении центра масс могут вызвать значимые тектонические движения, такие как смещение плит и извержения вулканов, а также влиять на сезонное распределение снежных и ледяных масс. Например, зимой в северном полушарии образуется снег, который может сохраняться на протяжении нескольких месяцев, тогда как в южном полушарии снежный покров наблюдается лишь в Антарктиде. Сезонные изменения масс также сказываются на скорости вращения Земли, что приводит к её незначительному ускорению или замедлению в разные периоды. Это явление можно видеть как изменение местоположения нулевого меридиана.

Земля не является идеальным шаром, а имеет фигуру, сходную с эллипсоидом. Гравитация Луны, Солнца и крупных планет вызывают прецессию и нутацию, что в свою очередь приводит к изменению ориентации оси вращения. Ось вращения тоже смещается, что сказывается на передвижении полюсов. Необходимо учитывать неравномерность вращения Земли, прецессию, нутацию и смещение полюсов для корректировки результатов наблюдений на определённый момент времени.

Фундаментальное уравнение космической геодезии

По существу фундаментальное уравнение космической геодезии связывает три вектора ${\vec {r}}_{i},{\vec {r}}_{s},{\vec {r_{is}}}'$и имеет вид: ${\vec {r}}_{i}={\vec {r}}_{s}+{\vec {r_{is}}}'$ (1.1)

В фундаментальном уравнении:

• ${\vec {r}}_{i}$ — радиус-вектор пункта.
• ${\vec {r}}_{s}$ — радиус-вектор спутника. Составляющие этого вектора получают на основе теории перемещения спутника.
• ${\vec {r_{is}}}'$ — вектор пункт-спутник. Составляющие данного спутника получают из обработки наблюдений спутника.

Вектора, которые входят в формулу (1.1), обычно задаются относительно различных систем координат, отличных как ориентацией осей, так и местоположением начала координат. Это усложняет процесс решения основного уравнения космической геодезии.

Решение данного уравнения может выполняться как динамическими, так и геометрическими методами космической геодезии. В случае применения динамического метода, вектор спутника в моменты наблюдения вычисляется путём интеграции дифференциальных уравнений движения, имея известные начальные условия, что соответствует решению задачи Коши.

Начальные значения элементов орбиты на конкретный момент времени получают из наблюдений. Правые части дифференциальных уравнений движения спутника представляют собой сложные функции параметров гравитационного поля Земли, а также воздействий от различных сил, действующих на спутник. При использовании динамического метода возможно уточнение координат наблюдательных пунктов, параметров гравитационного поля, начальных значений элементов орбит и характеристик моделей возмущающих сил.

В геометрическом методе спутник используется только как высокая визирная цель, поэтому для исключения вектора спутника F требуется проводить одновременные наблюдения не менее чем с двух пунктов. Формула записывается следующим образом:

${\vec {r}}_{i_{1}}={\vec {r}}_{s}+{\vec {r_{i_{1}s}}}'$(1.2) ${\vec {r}}_{i_{2}}={\vec {r}}_{s}+{\vec {r_{i_{2}s}}}'$(1.3) ${\vec {r}}_{i_{2}}-{\vec {r}}_{i_{1}}={\vec {r_{i_{1}s}}}'-{\vec {r_{i_{2}s}}}'$(1.4).

Примечания

Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!