СПУТНИКОВ ЗЕМЛИ

 

В спутниковой геодезии для наблюдений (определения положения) искусственных спутников Земли применяют следующие методы наблюдений:

· фотографический (в т.ч. и фотограмметрический);

· радиодальномерный фазовый;

· лазерный;

· радиотехнический на основе использования эффекта Допплера.

Фотографический метод является громоздким и не всегда надежным для высокоточных определений параметров движения космических аппаратов, что связано в основном с плохими оптическими условиями таких наблюдений.

Радиодальномерный фазовый и лазерный методы основаны на определении радиус-вектора КА путем определения времени прохождения радио- или лазерного сигнала по дистанции: наземный приемо-передатчик – спутник, подобно тому, как это происходит в свето-, лазерных и радио - наземных геодезических дальномерах. Эти методы требуют наличия мощной приемо-передающей аппаратуры на станции наблюдения; они применяются на стационарных станциях слежения.

Современные ГСП - глобальные системы позиционирования (другое название - спутниковые навигационные системы (СНС)) широкого применения используют в основном радиотехнические наблюдения на основе эффекта Допплера. Реализация таких наблюдений требует от наземного пользователя наличия у него специального радиоприемника, а от КА - наличия у него на борту передатчика радиосигналов, т.е. наземный пользователь является пассивным и независимым в смысле возможности изменения своего местоположения на поверхности Земли наблюдателем.

Сущность наблюдений на основе эффекта Допплера состоит в следующем. Бортовой передатчик навигационного искусственного спутника Земли (космического аппарата) излучает радиосигнал УКВ-диапазона (закономерности распространения и свойства дециметровых радиоволн таковы, что этот диапазон наиболее удобен для работы СНС). Специальный приемник, находящийся на пункте наблюдений, принимает этот сигнал, и частота принятого сигнала сравнивается с частотой сигнала эталонного генератора приемника, равной частоте бортового передатчика КА. Так, как последний находится в движении, между частотой его передатчика и принимаемой приемником частотой в соответствии с эффектом Допплера образуется разность ( частота). Без вывода приведем формулу:

;

где - радиальная скорость перемещения КА;

- длина волны передатчика;

- частоты соответственно приемника и

бортового передатчика.

Пусть - расстояние, которое спутник проходит за время c относительной скоростью (см. рис. 3):

 

- точка установки приемника;

- нормальное (траверзное)

расстояние до КА;

- расстояние до КА через период .

 

Рис. 3

 

Из приведенной схемы следует, что ; радиальная топоцентрическая скорость при этом равна

;

 

тогда .

 

Эту формулу приведем к виду:

 

.

 

Если за промежуток времени , причем , получить несколько значений (как минимум два), то, полагая неизвестными и , можно решить систему нелинейных уравнений.

Пусть имеем вспомогательную систему координат (рис.4), в которой

 

Уравнение в этой системе координат есть прямая, тогда:

 

 

точки наблюдений:

получение - со спутника,

а - с приемника.

 

 

Рис. 4

 

Отсюда следует, что ;

тогда имеем:

; ;

; .

 

Таким образом, используя измерения на основе применения эффекта Допплера можно определять топоцентрический радиус-вектор КА в процессе движения последнего по орбите.

Отметим, что приведенные рассуждения являются лишь иллюстрацией принципа определения параметров движения ИСЗ; реально используемые в спутниковой геодезии алгоритмы гораздо сложнее и являются предметом отдельных исследований в области радиофизики.

На основании приведенных схем, однако, можно сделать важные выводы, необходимые для разработки и использования методик работы со спутниковой геодезической аппаратурой.

Во-первых, очевидно, что системы поддержания единых эталонов времени на космических аппаратах и в принимающей аппаратуре играют решающую роль при спутниковых определениях.

Во-вторых, для повышения точности получения величин и (а, следовательно, и координат наблюдателя) необходимо увеличивать количество интервалов за время уверенного приема спутникового радиосигнала, увеличивать периоды наблюдений, а также использовать возможно большее количество КА, с тем чтобы в заданный промежуток времени получать большее количество интервалов.

В-третьих, комбинирование допплеровских измерений с фазовыми и получение дополнительной информации о параметрах движения КА также положительно будет сказываться на результатах спутниковых определений.

Все эти соображения учитываются на практике как при конструировании приемников, так и при разработке методик применения конкретного вида аппаратуры.