5142

Задачи и технические средства спутниковой геодезии

Реферат

География, геология и геодезия

Задачи и технические средства спутниковой геодезии Теоретические и прикладные задачи спутниковой геодезии. Общая характеристика спутниковых систем, обеспечивающих геодезические измерения и наблюдения. Факторы, влияющие на результат...

Русский

2012-12-03

1.15 MB

56 чел.

Задачи и технические средства спутниковой геодезии

  1.  Теоретические и прикладные задачи спутниковой геодезии.
  2.  Общая характеристика спутниковых систем, обеспечивающих геодезические измерения и наблюдения.
  3.  Факторы, влияющие на результаты наблюдений и измерений в спутниковых системах.
  4.  Теоретические и прикладные задачи спутниковой геодезии

С появлением космической техники расширился круг геодезических задач, решаемых в интересах различных областей человеческой деятельности. Условно можно выделить две группы задач – теоретические, решаемые в рамках методологии наук о Земле, и геодезии в частности, и прикладные задачи, цели которых направлены на получение конкретных позитивных или негативных результатов в хозяйственной деятельности человека.

Теоретические проблемные задачи космической и спутниковой геодезии

  1.  Создание на основе космических методов глобальной инерциальной системы отсчета, основанной на положении внегалактических источников.
  2.  Создание общеземной системы отсчета.
  3.  Оперативное координатно-временное обеспечение земных объектов посредством глобальных навигационных спутниковых систем.
  4.  Координатно-временное обеспечение космических полетов.
  5.  Изучение гравитационного поля Земли, Луны и планет с использованием спутниковых измерений.
  6.  Изучение фигуры Земли, Луны и планет с использованием спутниковых измерений.

НАВИГАЦИЯ

МОНИТОРИНГ

Другие прикладные задачи

Рис.1. Основные теоретические и прикладные задачи

спутниковой геодезии

Основу решения теоретических задач космической и спутниковой геодезии составляют методы Евклидовой и неевклидовых геометрий, а также тензорного анализа, на базе которых строятся триангуляционные сети и вычисляются координаты точек на поверхности Земли и других планет Солнечной системы, а также координаты ИЗС. Как правило, геометрические методы составляют основу математического обеспечения геодезических спутниковых систем.

Различают два класса методов отличающиеся друг от друга целями их использования в спутниковых системах. К первому классу относят методы наблюдения за ИСЗ и измерения их координат. Данные методы реализуются с целью управления спутником или группировкой спутников. На рис. 2 показана станция слежения за космическими объектами, которая является одним из элементов спутниковой системы.

Рис.2.   Станция слежения за космическими объектами

В Таджикистане (Нурек)

Ко второму классу методов относятся методы наблюдений и измерений с ИСЗ за объектами, процессами и явлениями, происходящими на Земле и околоземном воздушном пространстве. Многообразие наблюдаемых процессов и явлений на Земле и в космосе затрудняет создание универсальных спутников, которые бы решали множество прикладных и разнотипных задач. Поэтому все спутники классифицируются по назначению, например, спутники связи, телевизионные, исследовательские, навигационные, спутники-шпионы (разведывательные спутники), спутники Интернет-сети и др. Кроме того, спутники классифицируются по весу, так как для ракетоносителя важна масса полезной нагрузки для вывода его на орбиту. Различают тяжелые спутники с массой более 1-й тонны; средние спутники (миниспутники) масса от 500 кг до 1000 кг; микроспутники имеют полную массу от 10 кг до 100 кг. Первый искусственный спутник Земли имел массу 83,6 кг (см. рис.3), т.е. его можно отнести к классу микроспутников.

Рис.3. Первый искусственный спутник Земли

Наноспутники имеют массу от 1 до 10 кг. Они часто проектируются для работы в группе («swarm» - рой), некоторые группы требуют наличия более крупного спутника для связи с Землей. Пикоспутниками называют спутники с массой менее 1 кг. Обычно проектируются для работы в группе, иногда с наличием более крупного спутника. Пикоспутник Норвежского производства, созданный по стандарту  CubeSat показан на рис.4.

Рис. 4. Норвежский пикоспутник NCUBE2

Малые космические аппараты могут применяться:

- для исследования систем связи;

- для калибровки радиолокационных станций (РЛС) и оптических систем контроля космического пространства;

- для дистанционного зондирования Земли;

- для исследования тросовых систем космических станций;

- в образовательных целях.

В зависимости от задач и массы полезной нагрузки спутники на орбиту выводят ракетоносители разного класса. Различают три класса ракетоносителей. Легкий класс ракетоносителей, например, "Старт-1", "Космос-3М", "Циклон-2", "Циклон-3" и другие ракеты РФ. Средний класс – «Союз-У», «Зенит» и др. Тяжелый класс «Протон-К», «Днепр» и другие ракетоносители производства США, Китая и т.д.

  1.  Общая характеристика спутниковых систем, обеспечивающих

          геодезические измерения и наблюдения

В состав спутниковых систем, в том числе и геодезических входят три основных сегмента. К первому сегменту относятся спутниковая группировка с соответствующими ракетоносителями, которые рассмотрены выше. Ко второму сегменту относятся технические средства контроля и управления спутниковой группировкой, а третий сегмент содержит пользовательские технические средства. В обобщенном виде спутниковая система представлена на рис. 5. Здесь показано объемными стрелками телеметрические каналы управления, а обычными стрелками каналы передачи информации пользователям, которые оснащаются различными техническими средствами, в том числе и геодезическими.  

Телеметрия, телеизмерение (от др.-греч. τῆλε «далеко» + μέτρεω — «измеряю») - совокупность технологий, позволяющая производить удаленные измерения и сбор информации для предоставления оператору или пользователю.

Спутниковая группировка (Сегмент№1)

Контроль космического пространства и управление спутниками

(Сегмент №2)

Пользовательские технические средства

(Сегмент №3)

  

Рис. 5. Обобщенная структурная схема спутниковой системы

 В нижней части рисунка слева показаны современные электронные геодезические приборы, оснащенные GPS – приемниками, позволяющие решать с высокой точностью геодезические задачи. В нижней части рисунка справа, демонстрируются GPS – приемниками, устанавливаемые на автомобильном транспорте и воздушных и морских судах с целью решения задач навигации, т.е. определение координат транспортных средств, скорости и направления их движения.

В настоящее время геодезические задачи решаются на основе трех глобальных спутниковых систем GPS (Global Positioning System), разработанной для навигации Министерством обороны США (1973 -1993 г.г.), ГЛОНАСС – глобальная навигационная спутниковая система, разработанная в СССР и России (1982 – 1995 г.г.). Galileo - спутниковая система навигации ЕС. Войдет в строй в 2014 - 2016 годах (27 операционных спутника и 3 резервных). Сравнительная характеристика GPS и ГЛОНАСС приведена в табл.1.

Таблица 1

Основные характеристики спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС

Характеристики

ГЛОНАСС

GPS

Количество спутников (проектное)

24

24

Количество орбитальных плоскостей

3

6

Количество спутников в каждой плоскости

8

4

Тип орбиты

Круговая

Круговая

Высота орбит

19100 км

20200 км

Наклонение орбиты,  град

64,8

55 (63)

Период обращения

11час 15,7 мин

11 час 56,9 мин

Способ разделения сигналов

Частотный

Кодовый

Навигационные частоты, МГц

L1

L2

1602,56-1615,5

1246,44 -1256,5

1575,42

1227,6

Скорость передачи цифровой информации, бит/с

50

50

Система отсчета пространственных координат

ПЗ-90

WGS-84

Точность определения потребителя сигнала, м

Сегодня - 4,5 с наземной коррекцией

Сегодня - 2,6 - при использовании КА Bloc IIR

Точность определения скорости движения (м/сек.)

15 - «Ураган», 0,05 - «Ураган-М»

10 (гражданский сигнал), 0,1 (военный сигнал)

Спутниковую систему Galileo планируется запустить в 2014 – 2016 г.г., когда на орбиту будут выведены 30 спутников (27 операционных и 3 резервных) десятью ракетоносителями. Galileo стремится охватить землю больше, чем GPS (см. рис.6).

      

Рис.6. Плоскости орбит спутниковой системы Galileo

Рассмотрим основные характеристики сегмента управления спутниковой группировкой «ГЛОНАСС». Центр управления спутниковой системой находится в Московской области г. Галицыно-2, а сеть станций слежения и управления рассредоточены по всей России. Наземный комплекс управления спутниковой группировкой решает основные четыре группы задач:

- эфемеридное и частотно-временное обеспечение спутников;

- мониторинг радионавигационного поля;

- радиотелеметрический мониторинг спутников;

- командное и программное радиоуправление функционированием НКА.

Спутник ГЛОНАСС (см. рис. 7) конструктивно состоит из цилиндрического гермоконтейнера с приборным блоком, рамы антенно-фидерных устройств, приборов системы ориентации, панелей солнечных батарей с приводами, блока двигательной установки и жалюзи системы терморегулирования с приводами.

На спутнике также установлены оптические уголковые отражатели, предназначенные для калибровки радиосигналов измерительной системы с помощью измерений дальности до спутника в оптическом диапазоне, а также для уточнения геодинамических параметров модели движения спутника. Конструктивно уголковые отражатели формируются в виде блока, постоянно отслеживающего направление на центр Земли. Площадь уголковых отражателей равна - 0,25 .

Рис. 7. Спутник системы ГЛОНАСС

В состав бортовой аппаратуры входят:

- навигационный комплекс;

- комплекс управления;

- система ориентации и стабилизации;

- система коррекции;

- система терморегулирования;

- система электроснабжения.

Навигационный комплекс обеспечивает функционирование спутника как элемента системы ГЛОНАСС. В состав комплекса входят: синхронизатор, формирователь навигационных радиосигналов, бортовой компьютер, приемник навигационной информации и передатчик навигационных радиосигналов. Синхронизатор обеспечивает выдачу высокостабильных синхрочастот на бортовую аппаратуру, формирование, хранение, коррекцию и выдачу бортовой шкалы времени. Формирователь навигационных радиосигналов обеспечивает формирование псевдослучайных фазоманипулированных навигационных радиосигналов содержащих дальномерный код и навигационное сообщение.

Комплекс управления обеспечивает управление системами спутника и контролирует правильность их функционирования. В состав комплекса входят: командно-измерительная система, блок управления бортовой аппаратурой и система телеметрического контроля. Командно-измерительная система обеспечивает измерение дальности в запросном режиме, контроль бортовой шкалы времени, управление системой по разовым командам и временным программам, запись навигационной информации в бортовой навигационный комплекс и передачу телеметрии. Блок управления обеспечивает распределение питания на системы и приборы спутника, логическую обработку, размножение и усиление разовых команд.

Система ориентации и стабилизации обеспечивает успокоение спутника после отделения от ракеты-носителя, начальную ориентацию солнечных батарей на Солнце и продольной оси спутника на Землю, затем ориентацию продольной оси спутника на центр Земли и нацеливание солнечных батарей на Солнце, а также стабилизацию спутника в процессе коррекции орбиты.

Система коррекции обеспечивает приведение спутника в заданное положение в плоскости орбиты и его удержание в данных пределах по аргументу широты. Система включает двигательную установку и блок управления ей. Двигательная установка состоит из 24 двигателей ориентации с тягой 10 г и двух двигателей коррекции с тягой 500 г.

Система терморегулирования обеспечивает необходимый тепловой режим спутника. Регулирование тепла, отводимого из гермоконтейнера, осуществляют жалюзи, которые открывают или закрывают радиационную поверхность в зависимости от температуры газа. Отвод тепла от приборов осуществляется циркулирующим газом с помощью вентилятора.

Система электроснабжения включает солнечные батареи, аккумуляторные батареи, блок автоматики и стабилизации напряжения. Начальная мощность солнечных батарей - 1600 Вт, площадь - 17,5 .

На спутник ГЛОНАСС возложено выполнение следующих функций:

- излучение высокостабильных радионавигационных сигналов;

- прием, хранение и передача цифровой навигационной информации;

- формирование, оцифровка и передача сигналов точного времени;

- ретрансляция или излучение сигналов для проведения траекторных измерений для контроля орбиты и определения поправок к бортовой шкале времени;

- прием и обработка разовых команд;

- прием, запоминание и выполнение временных программ управления режимами функционирования спутника на орбите;

- формирование телеметрической информации о состоянии бортовой аппаратуры и передача ее для обработки и анализа наземному комплексу управления;

- прием и выполнение кодов/команд коррекции и фазирования бортовой шкалы времени;

- формирование и передача "признака неисправности" при выходе важных контролируемых параметров за пределы нормы.

Управление спутниками ГЛОНАСС осуществляется в автоматизированном режиме. Выведение спутников ГЛОНАСС на орбиту осуществляется носителем тяжелого класса "ПРОТОН" с разгонным блоком с космодрома Байконур. Носитель одновременно выводит три спутника ГЛОНАСС.

Рассмотрим третий сегмент спутниковой системы, который представляет собой технические средства потребителей GPS услугами. Это множество технических средств с математическим и программным обеспечением, связывающих положение аппаратуры пользователя с расположением спутников, и их обработку. В результате обработки получают координаты аппаратуры потребителя и, если требуется, и вектор скорости движения.

Европейскими компаниями, специализирующимся на производстве геодезического оборудования, в частности Leica Geosystems (Швейцария), разработано оборудование, которое является элементом третьего (пользовательского) сегмента спутниковой системы. К такому оборудованию относятся в первую очередь  наиболее универсальная система геодезических спутниковых приемников Leica Viva GNSS, в состав которой могут входить: сетевой мобильный GNSS-приемник; базовая моноблочная система; модульный GNSS-приемник, контроллер и другое оборудование. Это оборудование с соответствующим комплексом программ обеспечивает сантиметровый и выше уровень точности местоопределения в сложных полевых условиях. Оно применяется при опорном геодезическом обосновании и сгущении сетей любого класса. Такое сгущение сети показано на рис.8, где наземное геодезическое оборудование Leica Viva GNSS используется в качестве временного опорного пункта. Кроме того, на рис. 8 показано, что результаты измерений могут передаваться в реальном масштабе времени на пункт обработки геодезических измерений и конкретно в базу данных некоторой открытой геоинформационной системы.  

Временный опорный пункт, координаты которого определяются

Геодезической сети

Пункт обработки геодезических измерений

Leica Viva GNSS

Спутники

Станция контроля и управления

- опорный пункт

- временная геодезическая сеть

Программное обеспечение

Leica Geo Office

База данных ГИС

 

Рис. 8. Схема использования геодезического оборудования Leica Viva GNSS совместно с геоинформационной системой

  Покажем в табл. 2 основные технические и точностные характеристики модульного GNSS приемника геодезической системы  Leica Viva GS10.

Таблица 2

Технические характеристики модульного GNSS приемника

геодезической системы  Leica Viva GS10

Точностные характеристики

Горизонтальная точность:

3 мм + 0.5 ppm (СКО)

Вертикальная точность:

По высоте: 6 мм + 0.5 ppm (СКО)

RTK вертикальная точность:

RTK вертикальная точность: 10 мм + 0.5 ppm

Спутниковые каналы

Отслеживаемые сигналы:

L1+L2 GPS (GLONASS, Galileo)

Температура

Рабочая температура

–40° C до +65 °С

Фотографии базовой геодезической системы Leica Viva GS10 показаны на рис.9.

                  

Рис. 9. Фотографии внешнего вида приборов геодезической системы

Leica Viva GS10

  1.  Факторы, влияющие на результаты наблюдений и измерений

          в спутниковых системах

На спутниковый сегмент влияет множество случайных факторов, которые зависят от предполагаемых методов наблюдения и измерения (фотографические и радиотехнические). На спутниковый сегмент оказывают влияние гравитационная и магнитная составляющая Земли, Солнца и других планет. Кроме того, конструктивные особенности ракетоносителей и выводимых на орбиту спутников. Влияет множество внешних факторов, таких как давление солнечного ветра, столкновение спутника с микрометеоритами и космическим мусором и т.д. Для лазерного оборудования огромное значение имеет прозрачность атмосферы и другие факторы, связанные с прохождением луча лазера через атмосферные слои.

Основными факторами, влияющими на точность и надежность результатов измерений во втором сегменте, т.е. подсистеме контроля и управления спутниковой системы являются конструктивные особенности технических средств спутниковой связи и методы передачи информации и сигналов управления.

В третьем сегменте к известным факторам (см. рис.10, заимствованный из курса лекций по математической обработке геодезических измерений) добавляются факторы, влияющие на надежность результатов измерений, связанных с беспроводной передачей информации в пункт обработки геодезических измерений (см. рис.8).   

У С Л О В И Я   И З М Е Р Е Н И Й

Средства

геодезических измерений

Результаты измерений

Математическая

обработка измерений

Методы геодезических измерений

Принципы геодезических измерений

Объект геодезического измерения

Интерпретация результатов измерений

Наблюдатель

Факторы

Рис. 10. Обобщенная схема геодезических вычислений

Решение специальных исследовательских задач, связанных с высокоточными измерениями, например спутниковой градиентометрии или интерферометрических наблюдений за состоянием озонового слоя атмосферы Земли требует разработки специальных мер компенсации негативных факторов магнитных бурь, гравитационных ям и т.д.   

Рис. 3. Искусственный спутник Земли, осуществляющий

лазерное наблюдение

ГНПП «Аэрогеофизика» обладает уникальными технологиями проведения высокоточной аэромагнитной съёмки различных масштабов, а также обработки и интерпретации аэромагнитных данных. Аэромагнитная съёмка в комплексе с другими аэрометодами (гравиметрия, спектрометрия, электроразведка) позволяет решать широкий спектр задач:

  1.  поиски месторождений твердых полезных ископаемых;
  2.  поиски углеводородов;
  3.  мониторинг территорий и процессов;
  4.  изучение глубинного геологического строения и структурно-геологическое картирование.

Измерение магнитного поля производятся высокочувствительными квантовыми цезиевыми аэромагнитометрами нового поколения — «AEROMASTER 100» (ГНПП «Аэрогеофизика») с датчиком CS-3 (Scintrex - Канада).

Полученные материалы аэромагнитной съемки используются на этапе геофизической интерпретации результатов с применением оригинальных технологий, алгоритмов и программ, как разработанных в ГНПП «Аэрогеофизика», так и входящих в состав коммерческих программных продуктов.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

46562. Анализ программы «Изобразительное искусство и художественный труд» под ред. Б.М. Неменского (1-9 класс) 20.16 KB
  План: 1 Концепция Программа и ее особенности 2 задачи 3 основа программыпринципа 4 основные виды деятти 5 учебнометодич. Программа знакомит учащихся с тремя основными видами художественной деятельности: конструктивной изобразительной декоративной деятельностью. 4 Основные виды деятельности изображение на плоскости и в объеме с натуры по памяти и по представлению; декоративная и конструктивная работа; лепка; аппликация; объемнопространственное моделирование; проектноконструктивная деятельность; художественное...
46563. Контроль и учет успеваемости учащихся на уроках изобразительного искусства. Отметка и оценка. Критерии оценки 20.21 KB
  Наряду с восприятием памятью и мышлением важную роль в деятельности человека играет воображение. Воображение это психический познавательный процесс создания новых представлений на основе имеющегося опыта то есть процесс преобразующего проецирования действительности. Воображение это образное конструирование содержания понятия о предмете или проектирование схемы действий с ним еще до того как сложится само понятие а схема получит отчетливое верифицируемое и реализуемое в конкретном материале выражение. Будучи теснейшим образом...
46564. Методы и средства пожаротушения 20.24 KB
  Существенные перспективы повышения эффективности средств пожаротушения создают комбинированные составы вода со смачивателями инертными порошками и газами. К первичным средствам пожаротушения относятся огнетушители гидропомпы бочки ведра с водой ящики с песком кошмы маты и т. К основным средствам пожаротушения относят автоцистерны с без лафетного ствола пожарные насосы различные стационарные установки пожаротушения.
46565. Основные дидактические принципы методики обучения ИЗО в школе. Художественная педагогика и ее принципы 20.26 KB
  е всестороннее развитие и воспитание учащихся средствами пластических искусств принцип научности системности и последовательности в обучение использ знание законов композиции теории перспективы теории цветоведенья т. Воспитание как общественное и историческое явление. Воспитание целенаправленный процесс формирования личности с помощью специально организованных педагогических воздействий в соответствии с определенным социальнопедагогическим идеалом.Воспитание как общественное явление характеризуется следующими основными чертами...
46566. Подготовка учителя к уроку изобразительного искусства. Конспект урока и способы его оформления 20.35 KB
  Вывод: подготовка учителя к уроку ИЗО позволяет: четко осознать цель стратегические и тактические задачи; целенаправленно разработать содержание и выбрать средства организационные формы работы; спрогнозировать результаты своей деятельности. В рамках учебной деятельности складываются психологические новообразования характеризующие наиболее значимые достижения в развитии младших школьников и являющиеся фундаментом обеспечивающим развитие на следующем возрастном этапе. Усвоение в ходе учебной деятельности основ теоретического сознания...
46567. Теоретические основы композиции и тематическое рисование на уроках изобразительного искусства 20.37 KB
  Теоретические основы композиции и тематическое рисование на уроках изобразительного искусства. Обучение теоретическим основам композиции подразумевает знакомство с законами композиции средствами: ритм динамич. Формы композиции: 1. Признаки композиции.
46568. Острый мастит. Классификация. Клиника, диагностика, дифференциальная диагностика. Лечение. Показания к операции 20.39 KB
  Эхинококковые кисты печени растут очень медленно хотя иногда достигают огромных размеров и содержат 10 л и более жидкости. Чаще они бывают одиночными и локализуются в правой доле печени по встречаются и множественные кисты. Состояние больных обычно не нарушается; II стадия наблюдаются различные симптомы связанные с увеличением размеров растущей кисты оказывающей давление па окружающие органы. У ряда больных прощупывается опухолевидное образование в верхней половине живота или увеличение печени; III стадия возникают симптомы...
46569. Формирование гражданского общества в России 20.46 KB
  Зачатки гражданского общества в России начали складываться во второй половине ХIХ столетия в результате реформ Александра II отмена крепостного права реформа местного самоуправления судебная административная и другие реформы. Все это ускорило необходимые процессы модернизации русского общества. С развитием буржуазных отношений формируются крупные промышленные предприятия банки и другие субъекты капиталистических отношений что создало экономическую основу гражданского общества.