УКД 528.344(075) ББК 26.11я7. ©Черняга П.Г., Бялик І.М., Янчук Р.М., 2009
©Черняга П.Г., Бялик І.М., Янчук Р.М., 2009 © Національнийуніверситет водного господарства та природокористування, 2009
ЗМІСТ
Опис предмета навчальної дисципліни……………….….4 Мета і завдання навчальної дисципліни……………..…..5 1. Програма навчальної дисципліни «Супутникова геодезія»………….………………………………….…..…6 1.1 Тематичний план та розподіл навчального часу....……6 1.2 Програмний матеріал блоків змістових модулів………9 2. Методичні рекомендації до вивчення окремих змістових модулів ….……..……………………….……10 2.1 Змістовий модуль 1. Системи координат і часу. Закони руху ШСЗ……….………………………………....……...10 2.2 Змістовий модуль 2. Супутникові радіонавігаційні системи………………………………..………..……45 3. Методичні рекомендації до виконання лабораторних робіт………………………………………………………94 4. Тестова програма……………………………………...145 5. Порядок оцінювання знань студентів……….……...149 Рекомендована література………………………………150
ОПИС ПРЕДМЕТА НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ
Предмет: Супутникова геодезія.
МЕТА І ЗАВДАННЯ НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ
Метою викладання дисципліни є ознайомлення студентів напряму 0601 «Геодезія, картографія та землеустрій» з супутниковими методами створення опорних геодезичних мереж, системами виміру часу, геометричними та динамічними методами космічної геодезії, глобальними позиційними радіотехнічними системами, поглибленим засвоєнням практичного застосування супутникових і радіонавігаційних систем при інвентаризації земель, геодезичним забезпеченням землевпорядних і кадастрових робіт та створенні геоінформаційних систем. Навчальна дисципліна «Супутникова геодезія» ставить за мету навчити студентів напряму 0601 «Геодезія, картографія та землеустрій» простих методів супутникової геодезії, які застосовуються при визначенні координат точок земної поверхні та пунктів геодезичних мереж. Завданням вивчення дисципліни «Супутникова геодезія» є створення у майбутнього фахівця уявлення про супутникові методи, як основні при визначенні координат точок земної поверхні та при створенні національної інфраструктури геопросторових даних. В результаті вивчення і засвоєння курсу студенти повинні: знати: відповідні системи земних та зоряних координат і виміру часу, основні закономірності руху космічних апаратів та параметрів їх орбіт, задачі, що розв’язує супутникова геодезія, суть і можливість її основних методів. уміти: визначати координати точок земної поверхні за допомогою супутникових методів; виконувати перетворення переходу до різних систем координат, визначати необхідні величини при проектуванні спостережень методами супутникової геодезії.
1. ПРОГРАМА НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ «СУПУТНИКОВА ГЕОДЕЗІЯ»
1.1 Тематичний план та розподіл навчального часу
Продовження таблиці «Тематичний план та розподіл навчального часу»
1.2 Програмний матеріал блоків змістових матеріалів
Змістовий модуль 1 Системи координат і часу. Закони руху ШСЗ
ТЕМА 1. Предмет та завдання супутникової геодезії Супутникова геодезія та її місце серед інших наук. Предмет та завдання супутникової геодезії. Етапи розвитку супутникової геодезії. Методи супутникової геодезії. Геометричний метод. Динамічний метод. ТЕМА 2. Системи небесних та земних координат Поняття про небесну сферу. Системи координат. Умовна інерціальна система координат. Земна геоцентрична система координат. Геоцентрична система координат WGS -84. ТЕМА 3. Системи виміру часу і зв’язки між ними Одиниці вимірювання часу. Системи вимірювання часу. Системи всесвітнього часу. Поясний та декретний час. Динамічний та ефемеридний час. Системи відліку часу в космічних системах. ТЕМА 4. Елементи та класифікація орбіт ШСЗ Поняття орбіти. Ефемериди орбіти. Класифікація орбіт ШСЗ. Елементи орбіти ШСЗ. ТЕМА 5. Основи теорії руху ШСЗ Поняття про незбурений рух ШСЗ. Закони Кеплера. Збурюючі фактори. Диференціальні рівняння незбуреного руху ШСЗ. Елементарний вивід рівняння руху супутника. Обчислення незбуреної ефемериди. Визначення попередніх елементів орбіти спостережень. ТЕМА 6. Технічні засоби та методи спостереження за ШСЗ Активні та пасивні ШСЗ. Класифікація методів спостережень ШСЗ. Радіотехнічні спостереження. Доплеровські спостереження. Умови радіовидимості супутників.
Змістовий модуль 2 Супутникові радіонавігаційні системи
ТЕМА 7. Глобальні радіонавігаційні системи Поняття про супутникові радіонавігаційні системи (СРНС). Компоненти GPS та ГЛОНАСС. Космічний сегмент. Контрольний сегмент. Сегмент користувача. ТЕМА 8. Структура похибок GPS-спостережень Загальна характеристика похибок при GPS – вимірюваннях. Похибки, обумовлені сузір'ям супутників, критерії їх оцінки. Похибки, обумовлені зовнішніми умовами. Похибки, обумовлені GPS-приймачем. ТЕМА 9. Основні принципи визначення місцеположення за допомогою супутникових систем Системи координат в GPS. Системи часу GPS. Міжнародна GPS служба IGS. Поняття про перманентну станцію та використання її даних при GPS-спостереженнях. Застосування GPS для побудови геодезичних мереж. ТЕМА 10. Методи визначення координат при GPS- спостереженнях Класифікація технологій визначення координат GPS- спостережень. Диференціальні методи GPS-спостережень. Статичний метод. Визначення координат методом швидкої статики. Кінематичний метод. Метод стій-іди. Псевдостатика, псевдокінематика та. реокупаційна технології. ТЕМА 11. Планування геодезичного знімання Необхідність та загальні засади планування GPS- спостережень. Програми планування GPS-спостережень. ТЕМА 12. Опрацювання даних GPS-спостережень Загальний порядок та завдання, що виникають при опрацюванні даних GPS-спостережень. Опрацювання даних GPS-спостережень із застосуванням спеціальних програмних продуктів. Оцінка точності GPS-спостережень.
2. МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ ДО ВИВЧЕННЯ ОКРЕМИХ ЗМІСТОВИХ МОДУЛІВ (ОПОРНИЙ КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ)
2.1 Змістовий модуль 1 Системи координат і часу. Закони руху ШСЗ
Тема 1. Предмет та завдання супутникової геодезії 1.1. Супутникова геодезія та її місце серед інших наук Супутникова геодезія – розділ геодезичної науки, в якому вивчаються питання використання спостережень штучних і природних супутників Землі, а також планет для розв’язання наукових і науково-технічних задач геодезії. В супутниковій геодезії використовуються як результати спостережень супутників з поверхні Землі, так і результати спостережень безпосередньо із супутників на Землю та для вирішення глобальних задач із супутника на супутник. Супутникова геодезія (попередня назва «Космічна геодезія») – це розділ вищої геодезії, яка, в свою чергу, входить до сім’ї геодезичних наук. Вона тісно пов’язана з окремими розділами фізики (механіка, оптика та інші), математики (надзвичайно широкий спектр розділів), астрономією, інформатикою, геоінформатикою, всіма науками про Землю та іншими точними, технічними і природничими науками. Супутникова геодезія почала активно використовуватись для вирішення задач народного господарства, зокрема, топографічного знімання, землевпорядкування, будівництва, створення ГІС тощо. Таким чином вона набуває прикладного значення та посідає чільне місце в різних галузях народного господарства. 1.2. Предмет та завдання супутникової геодезії Предметом супутникової геодезії є теорія використання Місяця, штучних супутників Землі (ШСЗ) та космічних апаратів для:
- розв’язання геодезичних задач; - уточнення та визначення орбіт супутників; - обчислення ефемерид (значення координат супутників в певний період часу); - визначення вимог до геодезичних супутників в залежності від параметрів орбіти і складу бортової апаратури; - розташування наземних станцій спостережень; - використання приладів і методів спостережень супутників; - питання опрацювання та інтерпретації отриманих результатів. Супутникова геодезія розв’язує цілий ряд завдань, притаманних вищій геодезії: До основних завдань можна віднести: 1) Визначення фундаментальних сталих, які характеризують форму, розміри та добовий рух Землі і зміну цих сталих в часі; 2) Створення геоцентричної та планетоцентричної систем координат, використання яких приведе до побудови мереж опорних пунктів в єдиній для Землі системі координат з початком координат в центрі мас і визначення напряму осей відносно різних епох; 3) Координатно–часова прив’язка результатів космічного знімання Землі та планет, яка виконана для дослідження природних ресурсів та космічного картографування. Похідними від них є завдання: - визначення взаємного положення пунктів в даній системі координат; - визначення положення референц-еліпсоїда відносно центра мас Землі; - встановлення зв’язку з різними геодезичними системами координат; - розповсюдження методів супутникової геодезії на роботи, які спрямовані в майбутньому на створення опорних мереж на Місяці та планетах з визначенням їх форми та розмірів.
Крім того, в останні десятиліття супутникова геодезія активно використовується для вирішення інженерно- геодезичних завдань, а саме: 1. Побудови планових опорних геодезичних мереж; 2. Створення планової ущільненої мережі для різних задач геодезії; 3. Використання супутникових спостережень при виконанні землевпорядних та кадастрових робіт; 4. Вирішення різних задач за допомогою дистанційного зондування Землі; 5. Топографічне знімання для створення планів і карт різних масштабів. 1.3. Етапи розвитку супутникової геодезії Перші праці, що відносять до космічної геодезії, були опубліковані в другій половині 18 століття. До середини 20 століття були розроблені методи, засновані на використанні Місяця та планет сонячної системи для визначення координат точок, що значно віддалені від опорних пунктів. 4 жовтня 1957р. в СРСР було запущено перший штучний супутник Землі. Починаючи з цього моменту почалася не тільки ера освоєння космосу людиною, але й бурхливий розвиток космічної геодезії. Так уже 14 серпня 1959 року американським супутником «Explorer 6» було зроблено перший знімок Землі. А на початку 60-х років 20 століття в США почала створюватись навігаційна система першого покоління TRANSIT на базі низькоорбітальних супутників. Вона почала працювати вже з 1967 р. і дозволяла визначати координати із субметровою точністю. В СССР у 1976 р. була створена військова система "Циклон-Б", а у 1979 р. цивільна система ЦИКАДА, що дозволяли визначати положення з точністю 50-100 метрів. Проте справжню революцію в космічній геодезії створили супутникові радіонавігаційні системи (СРНС) наступного покоління – GPS в США и ГЛОНАСС в СРСР. GPS (Global Positioning System) – глобальна система
визначення місцеположення, відома також під назвою NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranging). Розробка системи почалась у 1973 році. У 1978 році виведено перший супутник цієї системи. Повністю готовою GPS визнана лише у 1995 році, проте активно використовується з середини 80-х. На даний час на навколоземній орбіті існує 31 робочий супутник (планується 36), хоча для повноцінної роботи достатньо 24-х. Додаткові супутники виведено з метою підвищення точності та зменшення «мертвих зон», що з’являються внаслідок перекривання частини небосхилу перешкодами. ГЛОНАСС (ГЛОбальна НАвігаціойна Супутникова Система) – офіційно почала розроблятися в СРСР у 1979 (насправді з середини 70-х) і у 1993 р. була офіційно прийнята в експлуатацію МО РФ (Міністерством оборони Россії). Для роботи системи достатньо 18 супутників, але на початку 80-х було заявлено про необхідність виведення на орбіту 24-х супутників. Що (за офіційними заявами) було виконано у 1987р. Проте на кінець 90-х існувало лише 9 робочих супутників. На даний час існує 18 робочих супутників і відомо про заяву виведення на орбіту 30-ти. Кількість супутників суттєво підвищує точність GPS- вимірювань та дає можливість використовувати СРНС в умовах закриття частини небосхилу перешкодами, наприклад, в містах. Це значно розширює галузь їх застосування в геодезії. Саме з початком експлуатації СРНС нового покоління та досягнення ними в середині 80-х років субсантиметрової, а пізніше і субміліметрової точності і виник термін «супутникова геодезія». Супутникова геодезія розвивається найбільш активно серед інших геодезичних наук. Наприклад, в середині 80-х років минулого століття почалися перші спроби використання GPS- вимірювань для розв’язання прикладних інженерних задач, а вже в на початку 90-х провідні країни світу на їх основі
проводили повне топографічне знімання своєї території. В 2000 році в Україні було лише близько десятка організацій, що використовували GPS-приймачі геодезичного призначення, а на даний час лише в Рівненській області близько десятка землевпорядних організацій використовують такі приймачі. Зрозуміло, що розвиток супутникової геодезії не вичерпався. Завдяки кропіткій роботі вчених різних країн постійно розвиваються і вдосконалюються GPS і ГЛОНАСС. Крім того, впроваджуються європейська система Galileo та китайська Compass, запуски перших супутників яких заплановано на 2010 рік. 1.4. Методи супутникової геодезії В супутниковій геодезії використовуються два методи спостережень за ШСЗ, а саме: геометричний та динамічний.
|
