Введение в космическую геодезию

1. Р.А.Кащеев Введение в космическую геодезию

Казанский государственный университет
Кафедра астрономии и космической геодезии
Р.А.Кащеев
Введение в космическую геодезию

2.

3. Задачи геодезии:

• Определение размеров, фигуры и внешнего
гравитационного поля Земли.
• Координатно-временное и навигационное
обеспечение (КВНО) потребителей.
• Картографирование территорий.
• Решение прикладных задач (изыскания,
проектирование, вынос проектов в натуру).
• Геодинамические исследования.
• Определение размеров, фигур,
гравитационных полей небесных тел и
картографирование их поверхностей.

4.

Шарообразная Земля:
• Эратосфен (240г. до н.э.)
Эллипсоид:
• И.Ньютон (1687г.), А.Клеро (1743г.)
Геоид:
• К.Гаусс: «Земля вообще не есть эллипсоид вращения, а
волнообразно отклоняется от эллипсоида» (1828г.)
• Ф.Бессель (1837г.), И.Листинг (1873г.)
Физическая поверхность Земли
Динамическая фигура Земли

5.

Схема градусных измерений
Эратосфена (240 г. до н.э.)
Z
Александрия
s
Сиена
Z
R
Z=1/50 окружности
S=5000 стадий
5000*50
R=
2 * 6.28
=39789 стадий

6.

И.Ньютон - 1687
«Математические начала
натуральной философии»
m1m 2
F G
2
r
G 6.674 10 11 м 3 / кг с 2

7.

ФИГУРА ГЕОИДА

8. Методы космической геодезии

• Геометрические методы
(космическая триангуляция);
• Динамические методы
- орбитальные методы,
- метод коротких дуг,
- собственно динамический метод,
- дифференциальные методы динамической космической
геодезии.

9. Классификации систем координат

• По геометрии: прямоугольные, криволинейные
(сферические, эллипсоидальные).
• По участию во вращении Земли:
ЗСК, НСК
• По расположению центра:
- геоцентрические,
- геодезические,
- топоцентрические,
- спутникоцентрические.

10.

Орбита ИСЗ

11. Элементы орбиты ИСЗ

12.

Трассы ИСЗ
Наклонение - 89
Высота - 500 км

13.

Методы
наблюдений ИСЗ
Оптические
Визуальные
Лазерные
Фотографические
Радиотехнические
Радио
дальномерные
Допплеровские

14. Фотографические спутниковые камеры

Бейкер-Нанн

15.

Лазерные методы

16. LAGEOS

Пассивные ИСЗ
PAGEOS
LAGEOS

17. Высокоорбитальные лазерные спутники «Эталон 1» и «Эталон 2».

Назначение:
предназначен для решения
прикладных задач навигации.
Параметры:
высота орбиты 19 100 км
количество светоотражателей: 2142
диаметр: 1294 мм
масса 1300 кг
эффективная отражающая
поверхность: 60 млн. м2

18. Активные ИСЗ

TOPEX-P
GEOS
ГЕО-ИК
GPS
GOCE
ГЛОНАСС

19. Глобальные навигационные спутниковые системы

20.

Проблема
навигации:
Каковы
наши требования
к навигации?
1. Глобальность.
2. Оперативность.
3. Точность.

21. Дитя военного ведомства США

Спутниковое позиционирование
Фотографирование
Навигация
Наведение оружия
Местоположение сил
Нацеливание
Синхронизация связи

22. Гражданское использование GPS

Энергетические
системы
Персональная навигация
Геодезия и
картография
Слежение и
доставка
Связь
Авиация
Отдых
Железные
дороги
Добыча
нефти
Рыболовство и
судоходство

23.

Структура GPS
• GPS состоит из трех основных частей - сегментов
2. Космический
сегмент
3. Сегмент
пользователей
Станции Слежения
Колорадо
Спрингс
1. Сегмент
контроля и
управления
О-в Диего Гарсия
О-в Вознесения
Атолл Кваджелейн
Гавайи
Колорадо-Спрингс

24.

25.

26. Сегмент пользователей

27. Аппаратура потребителей:

28. Трилатерация:

29.

Расстояние (D) = Скорость света (с) x Время (T)
D

30. Глобальные навигационные системы

Ваши
координаты:
55o 47’ 27” N
49o 07’ 09” E

31. НКУ ГЛОНАСС (Космические Войска)

Планы модернизации системы ЭВО:
ЦУС ГЛОНАСС
– Краснознаменск,
М.О.
– Управление КА
– ЭВО
Станции КИС
– Ленинградская обл.
– Щелково, М.О.
– Енисейск
– Комсомольск на
Амуре
Центральный
синхронизатор
– Щелково, М.О.
Развертывание сети беззапросных станций:
– На пунктах Космических Войск
– На пунктах Росстандарта (Менделеево, Новосибирск, Иркутск,
Хабаровск)

32. ГИЦИУ КС – г.Краснознаменск

33. Станции слежения – ГНСС ГЛОНАСС

34.

ГЛОНАСС
Galileo
GPS
Конфигурация
орбит ГНСС

35.

КА Серии ГЛОНАСС
КА ГЛОНАСС М
КА ГЛОНАСС К

36. История и перспективы развития группировки:

Программа развертывания орбитальной группировки
системы ГЛОНАСС
количество КА в орбитальной группировке
30
24
21
18
Распоряж ением Президента РФ от
29.09.93 № 658 рпс система ГЛОНАСС
принята в штатную эксплуатацию с ОГ
ограниченного состава (12 КА, САС 3
года)
16
14
15
12
9
Реализация ФЦП "Глобальная навигационная
система" (утверж дена Постановлением
Правительства РФ от 20.08.01 № 587) с учетом
фактического финансирования в 2002-2004 гг.
26
27
12
10
12
12
12
22
26
24
21
16
13
20
14
12
18
18
12
11
10
9
7
11
8
6
3
0
1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
Начало ЛИ КА "Глонасс-М"
(САС 7 лет)
Начало ЛИ КА "Глонасс-К"
(САС 10 лет)
Этапы развития орбитальной группировки ГЛОНАСС:
• 18 КА в группировке – 2007 г.
• 24 КА в группировке – 2010-2011 гг.

37. Классическая схема определения параметров гравитационного поля Земли по данным об эволюции орбиты ИСЗ основана на интегрировании диффер

Классическая схема определения параметров
гравитационного поля Земли по данным об эволюции
орбиты ИСЗ основана на интегрировании
дифференциальных уравнений Лагранжа
E
R
t
E
где пертурбационная функция имеет вид:
R
R R M R S R SP ...

38.

F
GM
1
n 2
N
V
grad V ,
n
m 0
W V Q ,
R
(Cnm cos m Snm sin m ) Pnm (sin )
n
• ортогональность системы сферических функций,
• наглядность геофизической интерпретации,
• наилучшее (при фиксированном N)
среднеквадратическое приближение,
• развитая теория определения коэффициентов ряда.

39. Спутниковые методы дифференциальных измерений в системах с изменяемой геометрией расположения элементов

Межспутниковое слежение Satellite-to-Satellite Tracking
варианты HL SST (High-Low) и LL SST (Low-Low)
Спутниковая градиентометрия Satellite Gravity Gradiometry

40. Advanced satellite techniques

Satellite-to-Satellite
Tracking - SST
High-Low SST
Low-Low SST
Satellite Gravity
Gradiometry - SGG

41. CHAllenging Mini-satellite Payload for geophysical research and application

15 июля 2000г.

42. Основные задачи программы CHAMP:

• Определение параметров гравитационного поля
Земли в области низких и средних частот и
изменения этих параметров со временем.
• Определение параметров глобального магнитного
поля Земли и изменения этих параметров со
временем.
• Изучение атмосферы и ионосферы.
• Установление взаимодействия гравитационного и
магнитного полей Земли.

43. Измерения, выполняемые в интересах гравиметрии:

• Координаты ИСЗ CHAMP и псевдодальности, измеряемые бортовыми
GPS-приемниками между высокими ИСЗ созвездия GPS (высота около
19 000 км) и низким ИСЗ CHAMP (высота около 400 км).
• Измеряемые трехкомпонентным бортовым акселерометром
составляющие вектора мгновенных ускорений ИСЗ CHAMP.
• Измеряемые звездным видеоприбором углы ориентации осей антенн
бортовых GPS-приемников относительно звезд.
• Бортовая альтиметрия поверхности акватории Мирового океана.
• Наземная лазерная локация ИСЗ CHAMP.

44.

Verteilung der für eine prä-CHAMP Geoid- und Schwerefeldlösung
benutzten Satelliten in erdnahen Raum. Zu den Namen der Satelliten sind
Flughöhe und Bahnneigung gegen die Äquatorebene eingezeichnet. Die
Farben markieren die verwendeten Messsignaltechniken bei der
Bahnverfolgung.

45.

46.

CHAMP mission benefits for a fundamental progress in gravity field recovery:
near-polar orbit (i=87o) for a complete coverage of the Earth
continuous high-low GPS satellite-to-satellite tracking and a very low orbit
(450 km, decaying to 300 km)
on-board accelerometer for a direct measurement of hard-to-model
non-gravitational surface forces, mainly air drag
long mission lifetime (5 years) to resolve temporal gravity variations

47.

Расположение
бортовых антенн
GPS-приемников

48.

HL SST

49. Фигура геоида по данным ИСЗ CHAMP

50.

Gravity Recovery And Climate Experiment
17марта 2002г.

51.

GRACE
Mission Concept
Observations:
• GPS GRACE A/B hl code & phase
• GRACE A/B ll K-band range & range rate
• 3D-surface forces accelerations
Measurement of
ri , r i
Orbit:
• Inclination 89 deg
• Eccentricity 0.002

52.

Трассы ИСЗ
Наклонение - 89
Высота - 500 км

53.

Позиционирование
ИСЗ GRACE путем
привязки к ИСЗ
созвездия GPS
LL SST + HL SST

54.

Gravity anomalies [mgal] from 10 days of GRACE data

55. Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer

56. Спутник GOCE - первый спутник выполняющий градиентометрические измерения.

57.

SGG + HL SST

58. Главные цели миссии GOCE:

• определить гравитационные
аномалии с точностью
1 mGal (где 1 mGal = 10-5
m/s2)
• определить геоид с
точностью 1-2 см.
• для достижения
вышеупомянутого в
пространственном
разрешении более чем 100
километров.

59. Спутник GOCE - первый спутник с установленным на своем борту градиентометром

Электростатический
гравитационный
градиентометр (EGG),
предназначенный для
измерений компонент
тензора
гравитационного
градиента.

60.

• EGG - трехосный градиентометр,
состоящий из 3 пар, снабженных
сервоприводами акселерометров
на сверхустойчивой углеродной
основе.
• Принцип работы EGG основан на
измерении сил, необходимых для
сохранения пробной массы в
центре спецучастка. Пара
идентичных акселерометров,
установленных на расстоянии 50
см, формируют
"градиентометрическое плечо".
Различие между ускорением,
измеренным каждым из этих двух
акселерометров, является
основной градиентометрической
величиной (дифференциальным
измерением),

61.

orbit inclination
orbit altitude
mission lifetime
surface force
sensor
gravity sensor
gravity field
recovery
( /2)
CHAMP
GRACE -A, -B
GOCE
(launched 15 July 2000)
(launched 17 Mar.2002)
(Аug. 2006)
87°
454 . 400 (2002) .. 300 km
5 years
89°
500 ... 300 km
5 years
96.5°
250 km
2 x 0.5 years
accelerometer
GPS-CHAMP SST
accelerometer
GPS-GRACE SST,
low-low SST (220 km)
drag-free
GPS-GOCE SST,
Gradiometer
achieved:
achieved:
goal:
10 cm, 0.5 mgal @ 500 km 10 cm,1 mgal @250 km 1 cm, 1 mgal @
goal:
goal:
100km
1cm @400 km, 3 month
1 cm @150 km
1 mm@500 km,monthly

62.

Анализ эволюции
элементов орбиты
N до 36
Ошибки
геоида
0.4 м
HL SST
N до 60
LL SST
N до 90
SGG
N до 360
EGM 96 +
аэрогравиметрия EGM 96 +
спутниковые данные +
аэрогравиметрия
CHAMP
GRACE
GOCE
Худший прогноз
0.2 м
Лучший прогноз
Годы
2000
2005
Перспективы определения фигуры геоида

63.

64.

65.

66. П Р О Г Р А М М А «Использование результатов космической деятельности в целях социально-экономического развития Республики Татарстан на 2008

ПРОГРАММА
«Использование результатов
космической деятельности в целях
социально-экономического развития
Республики Татарстан на 2008-2010 годы»
Утверждена постановлением КМ РТ №751
от 15 октября 2008 года

67. Создание региональной системы получения, обработки и распространения данных дистанционного зондирования Земли. Получение космических сн

Создание региональной системы получения,
обработки и распространения данных
дистанционного зондирования Земли.
Получение космических снимков различного
разрешения (0.5 - 250 м).
• Геоинформационное картографирование РТ.
• Городской и сельский кадастры недвижимости.
• Мониторинг состояния объектов и поверхности Земли и
протекающих на ней процессов.
• Метеорология и мониторинг состояния атмосферы.
• Использование космоснимков в ГИС органов
государственной власти и ОМСУ, размещение их на
геопортале Правительства РТ.

68.

те ни
мо р и ацииировняти
ис уче
о м из ри
с
б
б
р т
я
п
а
•с о
на а о
я
и
ф м
ин вто ржк ьна ион тем
ц ис
л
е
а
а
а
• дд н
с
м
по егио фор ная
н
н
р
о
• ои р
ге ек т
л
•э
ия
ен ы
л
ц
в
ра ни
у п г ра
т а
нк тк
Пу ч а с
и;
ци ма
у
и
Создание и использование республиканскойсистемы
получения, обработки и распространения ого
и
яз ния
в
н
с ле
ы
о т м.
ем
ат
данных
дистанционного
зондирования
Земли
КА рав
и
л
р
и 0к
п
ен
па я
и
п
е а ен
ки люд
с
е
б
ич на
см КА)
о
(
К
у
е
Съ
Космические
аппараты ДЗЗ
ш
ре
аз 0 м
р
2
ас –
мк 0,6
Оказание услуг
государственным
и другим
потребителям
уч ов рм ца ч
н
уч та
Ос мер ые э ание ктирнфо раз сда
ра
и
Республиканская
ма
ие ки
р
е
п т
и
ни
информационнор система
о
тр або аци
ва
ог ,
ма ьту
н
н
о
е
е
м
р
р
Ц об ор
о ж ля
ст у л
ди
зм оп
центров
си их к
он ицы
нф
во (конаналитических
з
и
я
в
н
а
щ
е
но х
ми р
нн жа
га
на ьту
ва дер
ор нны
о
о
л
й
а
ир осо
ра ку
ых ов ;
из
тн нир ьтур росы х
за щих
т а рк
н
а
о
е
т
м ан
и кул зап щи
ль ж а
пе кц
то нг
ро ер
жа
ом сан щих
нт сод
о
к
Ав ори
ер
о
е жа а
д
к
н
о
о
н ос
р
ии
й арк
ит
ие о
е
ц
и
н
к
н
д
к
а
н
е
р
с
о
я
мо
рм
на
че я
ос е
ещ и
ни
та их,
ди ани ;
фо
ов аст арк ани ску
с
п
о
н
к
т
л
н
)
о в я
и
и
в по и
ра с
е р р а с ие
ро
и
и
из че
в
• п оиз друг ное ой тан аги по х;
ст
ро сми
о
п
в
н
е
с
в
н
р
р но
п к и ати вен зра
ко
на ль
х
я
о
а
и
а
а
а
й
т
н
г
м пер рс рои
ац
йо о т
ор ра ци
ты
гр
ра
• о суда ах п ное ых ных иден
бо док
те
;
а
в
н
н
в
о
р
а
и
и
го йон ати вен ран нф
ко
ощ ик
ии ур ни
ко ;
ра пер рст выб
ой пл ист ур
ац льт точ их
н
т
е
а
м
о
в
т
о
и ых ер ль
• суд р в ни аб ор
ку ис
т ку
,
х
ат ов
го льту пече ах р инф
ны ных у. пер ст рак
х
т
с
м
у
о те ха их
к бе та ия щи зе ан ем
д ст а
щ
• о зуль грац ржа и на
ем
жа у
си л
ре нте оде ых баз ую ача ани ые дер ион
с
н ов н
о
г
нн
• и рко ионн
ь
з
ос ре
ио до
ль рал арк му
на иац ние мац
о
п
н но
ис пект
а в е де о р и е :
с дов рет
• в инф чан о с
к
о
ви кон
ге име одим
Пр обх ить ых но к а).
не очн етн ель емк
ут нкр нит я съ
ко име ова
пр ест
(т
Республиканский
приемный центр ДЗЗ
с .1 м
0
ка
ем ием
ъ
С ен
еш
зр
ма те
ор сис й
п
нф под ени
1
и
ш
а
я
ры 100x
с
тк нна ре
о
т ~
ко
б ва тия
е
а
р
о
я
м цы
ая и
а
ч
об зир рин
р
и ти
г
ю
п
ар ани т:
р
кл те й
бо ма ки
е п а гр або а, в е ин нно
• с вто ерж
ы
к
к
о
р
и и
т
с
т
н
• а одд
си
ас пы ас ан ац
п
ов
а;
а
о
аб
нн а гр
ы; сшт
о
ц
и
;
ци тк
ан ма тка
а н ча с
а; а гр ного час ог, ;
т
к
у
с
м тк ч
у
р
а
Ди
ъе ас ли ма до тк ва
я с а уч раз сте фа, учас оста и
а
в
ы си ье он о с ым
ск
л
г
з
че сно рт я
н
ди я о е ка нна и ре ких чно рон
о
о
а
и
с ли кт
л
ы
и
р ов н н
е
е
е
ц
ч
е
•п лан тро рма мод фи та и с эл
• п лек фо ные еци пор ми
н
п
• э еои ер в, с ранс ала
м
• г рех уто е т мин и.
• т ршр ени тер ност
ма нащ ыми ест
с
•о сим и м
но ртам
ка
Республиканский центр
космического мониторингаокно в мир дистанционного
зондирования Земли
Научный центр оперативного
мониторинга Земли
ФГУП «РНИИ КП»
Научнометодическое
руководство
Организация
космосъемок
Архив
космоснимков
б
,
з
н
в рое и
е
Р а о в до
о о ия 2
1. Осн сле ое п ани тног тан та - н
к
2. - об кизн тыв опы испы рое емы
т
п
с
ер
- э азв ние ные ции сис
а
- р озд лекс иза ние”
- с омп еал ова
- к ок р жир ы.
Ср ра ниц
3. “Ти гра
4.
Республиканский
центр обработки
данных
Республиканские
целевые системы
мониторинга и
управления
Аэрокосмический
тестовый полигон
на базе КГУ

69. Высокоточная спутниковая навигация (с точностью до миллиметра)

• Мониторинг состояния крупных, особо ценных и
опасных инженерно-технических сооружений.
• Высокоточное определение координат при
геодезических и прочих работах.
• Высокоточное земледелие.
• Мониторинг местоположения и состояния
транспортных средств.
• Создание системы предупреждения техногенных угроз
в реальном времени и прогнозирование
неблагоприятных природных и техногенных явлений.

70. Сеть референцных (базовых) станций приема сигналов ГНСС на территории РТ

Станция КГУ
Проектируемая сеть
Существующая сеть
Станция КГУ
B = 55°47’ 26”9714 N
L = 49° 07’ 09”0958 E
H = 91.521 (м)

71. Из «Перечня поручений Президента Российской Федерации» от 13.04.2007, Пр.-619ГС

«Разработать комплекс мер, направленных
на подготовку и повышение квалификации
специалистов в области использования
результатов космической деятельности, в
том числе с учетом потребностей субъектов
Российской Федерации.»
По итогам заседания
Президиума ГС РФ
29.03.07, Калуга

72.

Определение высот геоида
“h = H + N”
P
h
H
Эллипсоид
N
P0
Геоид
Q
h (геодезическая высота) = QP
N (Высота геоида) = QP0
H (ортометрическая высота) = PP

73. Точки GPS- измерений на территории Республики Татарстан

74. локальный квазигеоид глобальный геоид по GPS-измерениям по модели EGM 96

Фигура геоида на территории Республики Татарстан
локальный квазигеоид
по GPS-измерениям
глобальный геоид
по модели EGM 96

75. Локальный квазигеоид на территории Республики Татарстан

+4
+2
00
-2
Горизонтали проведены через 0.5 м

76. Тектоническая карта Республики Татарстан

77. Сеть геодезических пунктов спутникового позиционирования на территории Республики Татарстан

78.

Геодезическая спутниковая сеть и основные тектонические
разломы на территории Республики Татарстан

79.

Схема Альметьевского геодинамического полигона
10 км

80.

Благодарю за внимание!