Исследование методов определения геодезических координат с использованием спутниковых навигационных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.24.01, кандидат технических наук Таран, Василий Васильевич

• Таран, Василий Васильевич
• кандидат технических наук
• 1994

Оглавление диссертации кандидат технических наук Таран, Василий Васильевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫСОКОТОЧНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОРБИТ НА- 18 ВИГАЦИОННЫХ ИСЗ И КООРДИНАТ ПУНКТОВ НАБЛЮДЕНИЙ.

1.1. СИСТЕМЫ КООРДИНАТ И ВРЕМЕНИ.

1.1.1. Системы координат.

1.1.2. Системы времени.

1.2. УРАВНЕНИЕ СВЯЗИ И ЕГО ЛИНЕАРИЗАЦИЯ. УРАВНЕНИЕ ПОПРАВОК.

1.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАТРИЦ ЧАСТНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ ИЗМЕРЕННОЙ ВЕЛИЧИНЫ ПО ТЕКУЩИМ КООРДИНАТАМ И СОСТАВЛЯЮЩИМ СКОРОСТИ ИСЗ Кц„ ПО КООРДИНАТАМ ОПРЕДЕЛЯЕМОГО ПУНКТА

К' ld.

1.4. ВЕКТОРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОРБИТЫ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАТРИЦЫ ЧАСТНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ ОТ ТЕКУЩИХ КООРДИНАТ И СОСТАВЛЯЮЩИХ СКОРОСТИ ИСЗ ПО ТЕКУЩИМ ЭЛЕМЕНТАМ ОРБИТЫ £' j.

1.5. МАТРИЦАНТ Jj. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И МЕТОДЫ РАСЧЕТА.

1.6. ЧИСЛЕННОЕ ИНТЕГРИРОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ ДВИЖЕНИЯ. МЕТОД ЭВЕРХАРТА.

1.7. УТОЧНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЧИСЛЕННОГО ИНТЕГРИРОВАНИЯ.

1.8. УРАВНИВАНИЕ В ОРБИТАЛЬНЫХ МЕТОДАХ КОСМИЧЕСКОЙ ГЕОДЕЗИИ. НЬЮТОНОВСКИЙ ИТЕРАЦИОННЫЙ ПРОЦЕСС.

2. АЛГОРИТМЫ И МЕТОДЫ ВЫСОКОТОЧНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОРБИТ НАВИГАЦИОННЫХ ИСЗ И ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ КООРДИНАТ ПУНКТОВ НАБЛЮДЕНИЙ.

2.1. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ УТОЧНЕНИЕ ОРБИТЫ НИСЗ.

2.1.1. Математическая модель дифференциального уточнения орбиты НИСЗ.

2.1.2. Ковариационная матрица результатов непосредственных измерений.

2.1.3. Алгоритм преобразования ковариационных матриц начальных условий движения НИСЗ.

2.2. НЕПОСРЕДСТВЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ КРИВОЛИНЕЙНЫХ КООРДИНАТ ПУНКТА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ НИСЗ.

2.2.1. Прямое решение по трем псевдодальностям.

2.2.2. Дифференциальные формулы измеряемых навигационных параметров как функций геодезических криволинейных координат.

2.2.3. Математическая модель уточнения геодезических криволинейных координат пункта и оценивание по методу наименьших квадратов.

2.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ТРАНСЛОКАЦИИ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ КООРДИНАТ ПУНКТОВ ПО НАБЛЮДЕНИЯМ НИСЗ.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ ИСЗ.

3.1. ЦЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА УТОЧНЕНИЯ НАЧАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ДВИЖЕНИЯ НИСЗ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ПРИМЕНЕНИЯ МНОГОПУНКТОВОГО МЕТОДА.

3.2.1. Исходные данные для проведения исследований.

3.2.2. Результаты математического моделирования исследуемого процесса и их анализ.

3.3. ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОПУНКТОВОГО МЕТОДА И ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ ОДНОПУНКТОВОГО МЕТОДА ДЛЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УТОЧНЕНИЯ ОРБИТ НАВИГАЦИОННЫХ ИСЗ ПО РЕ

ЗУЛЫАТАМ ДАЛЬНОМЕРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ.

3.3.1. Исходные данные для математического моделирования и оценки точности.

3.3.2. Точностные параметры и корреляционный анализ уточненных многопунктовым методом элементов орбиты НИСЗ.

3.3.3. Исследование возможностей применения одно-пунктового метода для уточнения орбит НИСЗ.

3.3.4. Выводы.

3.4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ МЕТОДА ТРАНСЛОКАЦИИ ПРИ .ОПРЕДЕЛЕНИИ КООРДИНАТ ПУНКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАВИГАЦИОННЫХ ИСЗ.

3.4.1. Моделирование процесса транслокации.

3.4.2. Результаты проведенных исследований, их анализ и выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование методов определения геодезических координат с использованием спутниковых навигационных систем»

Космическая геодезия, являющаяся в настоящее время одной из основных составляющих геодезической науки, открыла принципиально новые возможности в развитии естествознания. Запуск 4 октября 1957 г. первого искусственного спутника Земли и дальнейшее развитие ракетно-космической техники позволили решать задачи определения формы, размеров Земли и ее гравитационного поля в планетарном масштабе.

Создание общей земной системы координат, установление связи между различными геодезическими системами, определение относительного и абсолютного положений пунктов, а также другие координатные задачи предполагают решение целого комплекса проблем.

Лазерные и радиотехнические измерения в настоящее время являются основными при определении орбит спутников. Поэтому возникает проблемный вопрос о точности определения начальных условий движения ИСЗ в зависимости от числа, места расположения пунктов наблюдений, а также точности, частоты и длительности выполненных измерений.

Задача определения координат пунктов в абсолютной системе требует решения проблемы точности нахождения этих координат в зависимости от погрешностей определения начальных условий движения ИСЗ.

Использование метода транслокации предполагает решение вопроса о точности передачи координат с известных пунктов на определяемый с использованием ИСЗ.

Для решения задач космической геодезии до последнего времени в основном использовались специальные геодезические спутники. Технологическое развитие последних лет стало предпосылкой в создании высокоэффективных спутниковых систем для целей навигации и определения положения, которые можно использовать в геодезических целях. К таким системам прежде всего следует отнести развертываемые в настоящее время Глобальную навигационную спутниковую систему (ГЛОНАСС, РФ) и Сетевую спутниковую радионавигационную систему (NAVSTAR или GPS, США) [35,47,76,773.

Идеология спутниковых радионавигационных систем (СРНС) была разработана впервые в нашей стране во второй половине пятидесятых годов [481. Первый ИСЗ низкоорбитальной СРНС "Циклон" был выведен на орбиту 23 октября 1967 г. В середине семидесятых годов вошла в эксплуатацию низкоорбитальная СРНС "Цикада", обеспечивающая сопоставимую с американской СРНС "Транзит" точность местоопределения порядка 60 - 80 м, при использовании аппаратуры с длительным усреднением измерений для геодезических целей точность местоопределения составляла один метр [31,48,523.

Работы по созданию системы ГЛОНАСС начались в 1972 г. В 1982 г. был запущен первый ИСЗ ГЛОНАСС (первый американский ИСЗ системы GPS был выведен на орбиту в 1978 г.). К 1995 г. предполагается начать штатную эксплуатацию этих систем.

Среднеорбитальные СРНС ГЛОНАСС и GPS предназначены для высокоточного глобального и непрерывного определения координат и составляющих вектора скорости различных потребителей, а также определения положения их шкал времени относительно шкалы всемирного координированного времени - UTC. Решение навигационной задачи основано на беззапросных измерениях потребителем дальности и радиальной скорости относительно четырех навигационных ИСЗ (НИСЗ) [49,50,513.

В табл.1 приведены технические характеристики СРНС ГЛОНАСС И GPS [53,54,64,65,663.

Параметр, способ ГЛОНАСС GPS

Количество спутников 24 21(24)

Число орбитальных плоскостей 3 6

Высота орбиты, км 19100 20145

Наклонение орбиты, град. 64,8 55; 63

Система отсчета времени UTC (ГЭВЧ) UTC(USNO)

Система отсчета координат "Земля-85" WGS-84

Способ задания эфемерид Геоцентрические координаты и их производные Модифицированные кеплеровы элементы

Способ разделения сигналов Частотный Кодовый

Навигационные частоты, МГц 1602,5625-1615,5000 1575,42 (L1) 1227,60 (L2)

Частотный сдвиг сигналов, МГц 0,5625 Нет

Если на начальном этапе развития космической геодезии основной массив измерений состоял из топоцентрических направлений на ИСЗ с точностью 1,5"-2" [55], то в настоящее время измерительная информация в основном базируется на лазерных и радиотехнических наблюдениях [48,67,68,69,70,71].

Точность измерения топоцентрических расстояний до ИСЗ лазерными дальномерами прежде всего зависит от длительности импульса. с этой точки зрения измерительные системы можно подразделить на несколько поколений (табл.2) [39,56,57].

Поколение Тип лазера Энергия импульса, мДж Длительность импульса, не Ошибка, м

1 Рубин,многомодовый 1000 10-30 0,5 - 2

2 Рубин, Nd-YAG. одномодовый 100 - 500 3 - 8 0,1 - 0,5

3 ND-YAG,синхронизация мод 5 - 200 0,1 - 0,2 0,01-0,05

4 Двухволновый 5 - 100 0,03 <0,005

Первым космическим объектом, до которого были проведены лазерные измерения, была Луна (1963 г.). В 1964 г. выполнены лазерные наблюдения ИСЗ Explorer 22. С этого времени лазерные измерения расстояний до ИСЗ, оснащенных оптическими отражателями, нашли широкое применение для определения орбит ИСЗ и решения специальных задач.

Одновременно с уменьшением длительности импульса ведутся работы по совершенствованию аппаратуры измерения временных интервалов, автоматизации процесса наблюдений, созданию мобильных лазерных дальномерных станций, разработке лазерных систем четвертого поколения.

При уменьшении инструментальной ошибки до сантиметрового уровня главной проблемой становится учет влияния атмосферы на результаты наблюдений. Ненадежность коррекции измеренных дальностей на основе метеорологических данных привела к разработке дисперсионного метода, состоящего в определении временного интервала между посылкой и приемом сигнала одновременно на двух различных длинах волн и нахождении на основании этого атмосферной задержки в распространении сигнала на линии "пункт наблюдений - ИСЗ".

Спутниковые системы ГЛОНАСС и GPS излучают навигационные сигналы в радиодиапазоне, причем на одной волне излучаются два сигнала - защищенный (Protected) с Р кодом и легко обнаруживаемый (Clear Acquisition) с С/А кодом, на другой волне - только один с Р кодом [35]. С/А код предназначен для гражданских потребителей. Сигнал с этим кодом имеет длительность элементарного символа, влияющую на точность слежения за огибающей сигнала, на порядок больше, чем у сигнала с Р кодом. Использование одного лишь сигнала с С/А кодом не позволяет также исключить ионосферную погрешность.

К настоящему времени разработаны различные комплекты аппаратуры потребителей. Характеристики некоторых типов аппаратуры, используемой в геодезических целях и работающей по СРНС GPS, представлены в табл.3 [36,383.

Отличительная особенность аппаратуры GEOSTAR TI 4100 состоит в том, что она представляет собой мультиплексный приемник, переключающийся с периодом несколько миллисекунд на слежение 3£ различными НИСЗ. При слежении за определенным НИСЗ эта аппаратура работает в частотных диапазонах Li и [36]. С использованием GEOSTAR TI 4100 можно измерить псевдодальность (Р код на дву> частотах), доплеровские смещения, интегральные доплеровские смещения на двух частотах, псевдодальность и скорость изменена псевдодальности (С/А код на одной частоте). Проведенные испытания аппаратуры показали высокую точность геодезических определений (табл.4) [38].

Комплекты аппаратуры Применение Измеряемые параметры Код Время подготовки Точность Число наблюдаемых спутников

MACROMETER V-1000 Относительные определения, уточнение орбит Фаза несущей частоты Нет 0,5-Зч (1-2)-10"6 6

GEOSTAR TI 4100 Абсолютные и относительные определения , уточнение орбит Псевдодальности, фаза несущей частоты С/А Р 0,5 ч 3 ч 1 -15 м 10~б 4

TR 5S Абсолютные и относительные определения, определение положения подвижных объектов (<100 км/ч) Псевдодальности, разность фаз С/А 10 м(подв. объекты), несколько см (отн. определения) 4

GPS Land Surveyor Model1 1991 Относительные определения Разность дальностей Нет 0,5 ч 10 см ± + 2'10 Все видимые

Triamble 4000S Относительные определения Доплеровс-кие измерения, разность фаз С/А 10 мин (запись данных) 2 - 5 см 4

Таблица 4

Тип аппаратуры, измеряемые элементы сети Достигнутая точность определения горизонтальных составляющих положения

GEOSTAR TI 4100 -10 базовых линий (300 - 1600 км) MACROMETER V-1000 -контрольная сеть (22 пункта, длина баз 20 - 130 км) -6 базовых линий (10 - 50 км) -10 базовых линий (10 - 20 км) 10 - 60 см; 5-Ю"7 1-10 см; (1-2)-10~6 1 см; 2-Ю"7 3 мм; (2-3)-Ю-7

Следует заметить, что вертикальная составляющая положения имеет в три раза большую ошибку по сравнению с горизонтальными составляющими.

Сравнение результатов, полученных при использовании GEOSTAR TI 4100 и MACROMETER V-1000, показывает, что относительная погрешность составляет не более 10~б длины базовой линии. Это соответствует заданной точности для этих типов аппаратуры.

Что касается влияния тропосферы и ионосферы на результаты измерений, то в стандартном режиме при работе по Р коду ионосферная погрешность, составляющая для частот f± = 1,57 ГГц или f<2 = 1,23 ГГц величину порядка 10 м, устраняется в результате использования двухчастотного приема, при работе по С/А коду -внесением поправок, вычисляемых в соответствии с заданной моделью ионосферы. Влияние тропосферы на измерение дальностей при угле возвышения навигационного ИСЗ менее 5° может достичь 30 м [36,383. Использование соответствующей модели тропосферы позволяет вносить поправки в топоцентрические расстояния до НИСЗ.

В работе [58] показана необходимость учета влияния флуктуа-ций плотности стратосферы, вызванных волнами плавучести, на результаты измерения дальностей до ИСЗ (прежде всего при использовании радиотехнических методов). Для определения поправки AS в измеренные расстояния, обусловленной вышеназванным явлением, была использована гидродинамическая модель мезомасштабных вариаций плотности стратосферы. Анализ полученных результатов показал, что эта поправка может быть как положительной, так и отрицательной. С уменьшением угла возвышения |Д5| увеличивается и может составлять десятки метров.

Высокий уровень и тенденции развития точностных параметров лазерной и радиотехнической аппаратуры наблюдений ИСЗ (в том числе стандартов частоты и времени [49,50,54,60,72]) обусловили необходимость учета наряду с классическими факторами дополнительных факторов, связанных с влиянием на результаты измерений релятивистских и гравитационных эффектов (РГЭ) [37,60]. К основным РГЭ следует отнести:

- эффект Доплера второго порядка (поперечный доплеровский сдвиг). Заключается во влиянии скоростей движения двух объектов на величину относительного сдвига частоты сигналов, формируемых на этих объектах;

- гравитационный сдвиг частоты. Заключается во влиянии разности потенциалов гравитационного поля в местах расположения объектов на величину относительного частотного сдвига сигналов;

- эффекты, связанные с пересчетом моментов излучения и приема сигналов. Обусловливают наличие дополнительных релятивистских поправок, учитываемых при математической интерпретации величины смещения частоты принятого сигнала;

- эффекты, связанные с вращением используемых систем координат. Заключаются во влиянии так называемых устранимых гравитационных полей на математическую интерпретацию результатов измерений частотного сдвига и временного запаздывания электромагнитных сигналов;

- эффекты более высокого порядка малости. Наибольшее влияние оказывает эффект запаздывания сигнала в гравитационном поле. Суммарное влияние этих эффектов пренебрежимо мало по сравнению с остаточным влиянием нерелятивистских эффектов.

Основное влияние на результаты измерений в СРНС оказывают эффект Доплера второго порядка и гравитационный сдвиг частоты, приводящие к частотно-временному смещению сигналов НИСЗ. Это смещение практически одинаково для контрольной станции, формирующей шкалу системного времени, и для потребителей, так как частотный сдвиг, обусловленный превышением над геоидом стандартов частоты и времени, составляет малую величину (1,091-Ю-13 на 1 км). Влияние этих двух эффектов учитывается;

1. Путем уменьшения относительного номинала частоты бортового генератора f на величину ДГ

Af = 4 № - Uk) ~ - (V?h - V2k)J, с" 2 где UK и ~ потенциал гравитационного поля Земли в точке контрольной станции и модуль геоцентрического вектора скорости этой станции в инерциальной системе координат;

Uи и Vu ~ аналогичные величины для НИСЗ на номинальной орбите; с - скорость света в вакууме.

2. Введением РГЭ-составляющих в частотно-временные поправки к параметрам расхождения шкалы времени каждого НИСЗ относительно шкалы системного времени. РГЭ-составляющие обусловлены отличием периодов обращения НИСЗ от номинального значения, эксцентриситетов орбиты - от нуля и влиянием второй зональной гармоники.

Воздействие вышеназванных третьего и четвертого эффектов на результаты определения координат и составляющих скорости, а также на временные определения потребителей является существенным, вследствие чего при обработке результатов измерений в аппаратуре потребителей необходимо вычислять поправки за влияние этих эффектов.

Если модели сил, действующих на ИСЗ, заранее известны и обеспечивают построение модели движения с необходимой точностью, тогда возможно на основе измерений выполнить уточнение орбит спутников и определить положения пунктов наблюдений в единой системе координат с началом в центре масс Земли. В этом случае используется орбитальный метод, являющийся частным случаем динамического метода космической геодезии.

При математической обработке результатов измерений для вычисления свободных членов уравнений поправок необходимо выполнить интегрирование дифференциальных уравнений движения на моменты измерений с точностью на порядок выше, чем точность наблюдений. Запишем уравнение движения в следующем виде [55]: и ' г а/? г = -ц.— + Мрел + — + бг, г 3 г где г - геоцентрический вектор спутника;

М- - геоцентрическая гравитационная постоянная; йрел - релятивистские возмущающие ускорения;

R - сумма всех классических возмущающих функций; бг - диссипативные возмущающие ускорения С1,19,73,74,75].

В работе С55] показано, что релятивистские возмущения в движении ИСЗ больше ошибок лазерных наблюдений (0,1 - 0,2 м) на современном уровне. Учет wpeJi в процессе численного интегрирования уравнений движения на протяжении нескольких суток является обязательным. При этом следует использовать приближение Шварц-шильда - решение уравнений сферически симметричного гравитационного поля массивного невращающегося тела в вакууме (тензор Риччи равен нулю). Для ИСЗ "Эталон" с используемыми для расчетов параметрами орбиты П = 45°, 2 =65°, U) = 30°, а = 25489582,090 м, е= = 0,001, М0 = 20°, tD = 0 релятивистские возмущающие ускорения имеют величину порядка 10~б от ускорений в кеплеровом движении.

Для численного интегрирования уравнений движения разработаны различные методы, применяемые как отдельно, так и совместно в зависимости от специфики решаемых задач: Рунге-Кутты, Адамса, Эверхарта и др. [1,14,193. В настоящее время разработан численный метод специально для решения задач космической геодезии [633. Исследование этого метода показало его высокую точность. Формулы седьмого порядка нового метода по точности соответствуют формулам пятнадцатого порядка метода Эверхарта.

В отличие от абсолютного метода для реализации относительного метода определения координат пунктов не требуется высокоточное знание орбит используемых спутников. Приближенные параметры движения необходимы лишь для организации наблюдений. При этом определяются положения пунктов относительно исходных с известными координатами, т.е. в системе координат известных пунктов. Процедура передачи координат исключает необходимость применения процесса интегрирования дифференциальных уравнений движения и вычисления элементов матриц изохронных производных, что значительно упрощает процесс обработки измерений. Использование для передачи координат ИСЗ с высокими орбитами типа ГЛОНАСС или GPS хотя и имеет недостаток, заключающийся в несколько худших геометрических условиях, но возможность наблюдения НИСЗ с пунктов, разнесенных на значительно большие расстояния, чем это предполагается для ИСЗ типа Lageos, Sfarleffe или Цикада, Транзит, на значительно больших временных интервалах в течение каждой видимости и при наличии высокоточной лазерной и радиотехнической аппаратуры позволяет определить положение пунктов относительно исходных с высокой точностью (что будет показано в 3 гл.).

Таким образом, совершенствование аппаратуры наблюдений, методов обработки измерительной информации, создание принципиально новых спутниковых радионавигационных систем открыли новые возможности применения навигационных ИСЗ при решении научных и народнохозяйственных задач.

Анализ работ, посвященных исследованию условий определения орбит ИСЗ и решению координатных задач геодезии, показал недостаточную проработанность вопросов, касающихся определения оптимальных условий реализации многопунктового метода дифференциального уточнения орбит навигационных ИСЗ системы ГЛОНАСС, возможностей применения однопунктового метода для высокоточного определения параметров движения НИСЗ, условий применения метода транслокации для передачи геодезических координат с известных пунктов на определяемый с использованием НИСЗ, а также непосредственного определения положений пунктов в геодезической криволинейной системе координат по наблюдениям НИСЗ.

Цель диссертационной работы - исследование методов геодезического использования спутниковых навигационных систем, обеспечивающих оптимальную точность определения элементов орбит навигационных ИСЗ и координат наземных пунктов. В соответствии с этим выполнено решение следующего комплекса задач:

- определение оптимальных числа, схемы и места расположения пунктов наблюдений при реализации многопунктового метода уточнения начальных условий движения навигационных ИСЗ;

- исследование многопунктового метода и возможностей применения однопунктового метода для высокоточного определения орбит навигационных ИСЗ;

- разработка алгоритма непосредственного определения геодезических криволинейных координат пункта по результатам радиотехнических наблюдений навигационных ИСЗ;

- определение точностных параметров метода транслокации при передаче геодезических координат с использованием навигационных ИСЗ.

Первая глава посвящена теоретическим основам высокоточного определения орбит НИСЗ и координат пунктов наблюдений. Рассмотрены системы координат и времени, уравнение связи и его линеаризация, уравнение поправок орбитальных методов, способы определения матриц частных производных при составлении уравнений поправок, методы интегрирования дифференциальных уравнений движения и процедура уравнивания с использованием ньютоновского итерационного процесса.

Во второй главе представлены: алгоритм дифференциального уточнения орбиты НИСЗ многопунктовым и однопунктовым методами, алгоритм непосредственного определения геодезических криволинейных координат пункта по результатам радиотехнических наблюдений НИСЗ с предварительным определением координат из прямого решения по трем псевдодальностям, алгоритм определения координат пункта методом транслокации с использованием НИСЗ. При этом применена теория, рассмотренная в первой главе.

В третьей главе изложены результаты исследований по определению оптимальных условий реализации многопунктового метода уточнения орбит НИСЗ, исследований многопунктового метода и возможностей применения однопунктового метода для высокоточного определения орбит НИСЗ и исследований метода транслокации при определении геодезических координат пунктов с использованием НИСЗ.

В заключении сделаны выводы по результатам исследований.

Приведены данные об апробации полученных результатов.

Заключение диссертации по теме «Геодезия», Таран, Василий Васильевич

Основные результаты исследований опубликованы в следующих статьях:

1. Определение геодезических координат пункта по результатам радиотехнических наблюдений навигационных спутников.- Изв.вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1991, №6, с.61-72.

2. Дифференциальное уточнение орбит навигационных спутников по результатам лазерных измерений.- Изв.вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1992, №4-5, с. 62-74.

3. Исследование точности метода транслокадии при определении координат пунктов с использованием навигационных ИСЗ системы ГЛОНАСС.- Изв.вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1993, N-3, с.78-87.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных исследований определены оптимальные условия реализации многопунктового метода дифференциального уточнения орбит навигационных ИСЗ, возможности применения одно-пунктового метода для высокоточного определения орбит НИСЗ. Разработан алгоритм непосредственного определения геодезических криволинейных координат по измеренным псевдодальностям. Выполнено исследование метода транслокации при передаче координат с известных пунктов на определяемый с использованием НИСЗ. Решения получены при варьировании точности, частоты и длительности измерений.

Для реализации многопунктового метода уточнения орбит НИСЗ целесообразно размещать пункты наблюдений на территории страны таким образом, чтобы разности широт и долгот между ними были максимальными. При этом увеличение значения средней широты положения идентичной совокупности пунктов наблюдений приводит к повышению точности определения орбит НИСЗ. Использование режима накопления и последующей совместной обработки результатов даль-номерных наблюдений в течение одной видимости с трех-четырех пунктов позволяет выполнить высокоточное определение орбит НИСЗ.

Однако проблемы, связанные с организацией наблюдений и оснащением ряда пунктов дорогостоящей аппаратурой, создают трудности в реализации многопунктового метода. Исследование одно-пунктового метода показало принципиальную возможность его применения для уточнения орбит навигационных ИСЗ с высокой точностью. При использовании дальномерных наблюдений с одного пункта в течение двух-трех видимостей достигается точность, сопоставимая с аналогичной характеристикой, полученной на основе измерений, выполненных с трех-четырех пунктов в течение одной видимости.

Высокоточное определение орбит навигационных ИСЗ обеспечивает эффективное использование абсолютных методов решения координатных задач. Разработанный алгоритм позволяет непосредственно находить геодезические криволинейные координаты пунктов по результатам псевдодальномерных наблюдений НИСЗ. При этом получены уравнения поправок, где неизвестными являются поправки к геодезическим широте, долготе и высоте, а также поправка в измеренные псевдодальности вследствие десинхронизации шкал времени. Такая форма представления уравнений поправок в случае известной высоты подвижного объекта (и, следовательно, при уменьшении числа определяемых параметров) позволяет сократить на единицу канальность аппаратуры, что имеет важное значение для навигации.

Анализ результатов проведенных исследований метода транслокации при передаче геодезических координат с известных пунктов на определяемый с использованием НИСЗ показывает высокую эффективность этого метода. При применении для передачи координат дальномерных наблюдений с СКО 0,50 м и v = 1 изм./с одного навигационного ИСЗ системы ГЛОНАСС в течение одной видимости точность (истинная ошибка) определения положения пункта относительно трех-четырех исходных составляет 3-5 см. С увеличением точности измерения расстояний до 0,10 м и увеличением мерного интервала, включающим наблюдения НИСЗ в течение двух видимостей, точность передачи координат повысится до 2 - 4 мм.

Апробация результатов исследований.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Таран, Василий Васильевич, 1994 год

1. Урмаев М.С. Орбитальные методы космической геодезии, м., Недра, 1981, 256 с.

2. Вейс. Г. Геодезическое использование искусственных спутников Земли. М., Недра, 1967, 116 с.

3. Бурша М. Основы космической геодезии. Часть I. Геометрическая космическая геодезия. М., Недра, 1971, 128 с.

4. Баранов В.Н., Бойко Е.Г., Краснорылов И.И. и др. Космическая геодезия. М., Недра, 1986, 407 с.

5. Пеллинен Л.П. Высшая геодезия. М., Недра, 1978, 264 с.

6. Яковлев Н.В. Высшая геодезия. М., Недра, 1989, 445 с.

7. Морозов В.П. Курс сфероидической геодезии. М., Недра, 1979, 296 с.

8. Справочник геодезиста. Книга 1. М., Недра, 1985, 455 с.

9. Белова Н.А. Курс сферической астрономии. М.,Недра,1971,183 с.

10. Проблемы построения координатных систем в астрономии. Под ред. В.К.Абалакина. Серия "Проблемы исследования вселенной", вып.12, ГАО АН СССР, Ленинград, 1989, 383 с.

11. Астрономический ежегодник 1991. Л., Наука, 1989, 693 с.

12. Каула В.М. Спутниковая геодезия. М., Мир, 1970, 172 с.

13. Каула В.М. Космическая геодезия. М., Недра, 1966, 162 с.

14. Брандин В.Н., Васильев А.А., Худяков С.Т. Основы экспериментальной космической баллистики. М., Машиностроение, 1974, 340 с.

15. Чарный В.И. Об изохронных производных.- В сб.: Искусственные спутники Земли, вып.16, 1963, с.65-79.16.3скобал П. Методы определения орбит. М., Мир, 1970, 471 с.

16. Брандин В.Н., Васильев А.А., Куницкий А.А. Экспериментальнаябаллистика космических аппаратов. М., Машиностроение, 1984, 262 с.

17. Бойко Е.Г., Кленицкий Б.М., Ландис И.М., Устинов Г.А. Использование искусственных спутников Земли для построения геодезических сетей. М., Недра, 1977, 376 с.

18. Плахов Ю.В. Применение теории возмущений в космической геодезии. М., Недра, 1986, 200 с.

19. Everhart Е. Implicit single-sequence methods for integrations orbits. Celestial Mech., 10, 1974, pp.35-56.

20. Плахов Ю.В., Егоров Н.Н., Рассказова Е.А. О методе повышения точности численного интегрирования уравнений движения.-Изв.вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1979, №3, с.34-39.

21. Плахов Ю.В. Методика уточнения результатов численного интегрирования дифференциальных уравнений движения спутников.-Изв.вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1978, №3, с.40-46.

22. Егоров Н.Н. Исследование численно-итеративного метода интегрирования уравнений движения ИСЗ для решения задач космической геодезии. Кандидатская диссертация, МИИГАиК, 1979, 168 с.

23. Бойков В.В., Устинов Г.А. Определение координат пунктов космической геодезической сети орбитальным методом.- Изв.вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1972, №5, с. 17-24.

24. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М., Наука, 1964, 576 с.

25. Лоусон Ч., Хенсон Р. Численное решение задач метода наименьших квадратов. М., Наука, 1986, 232 с.

26. Стренг Г. Линейная алгебра и ее применения. М., Мир, 1980, 454 с.

27. Кантарович Л.В. О методе Ньютона.- Труды математического института им.В.А.Стеклова, вып.28, 1949, с.63-74.

28. Гольцман Ф.М. Статистические модели интерпретации. М., Наука,1971, 328 с.

29. Гольцман Ф.М. Физический эксперимент и физические выводы. Л., Изд-во Ленингр.ун-та, 1982, 192 с.

30. Лаурила С. Электронные измерения и навигация. М., Недра, 1981, 480 с.

31. Волосов П.С., Дубинко Ю.С., Мордвинов Б.Г., Шинков В.Д. Судовые комплексы спутниковой навигации. Л., Судостроение, 1983, 271 с.

32. Урмаев М.С., Таран В.В. Определение геодезических координат пункта по результатам радиотехнических наблюдений навигационных спутников.- Изв.вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1991, №6, с. 61-72.

33. Урмаев М.С. Прямые методы вычисления геодезических координат по результатам пространственных линейных засечек.- Изв.вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1985, №5, с.3-11.

34. Зб.Шебшаевич B.C., Григорьев М.Н., Кокина Э.Г. и др. Дифференциальный режим сетевой спутниковой радионавигационной системы. Зарубежная радиоэлектроника, 1989, №1, с.5-32.

35. Манин А.П., Романов Л.М. Методы и средства относительных определений в системе NAVSTAR. Зарубежная радиоэлектроника, 1989, №1, с. 33-45.

36. Пучков В.Ю., Шебшаевич B.C. Учет релятивистских и гравитационных эффектов при обработке результатов измерений в системе NAVSTAR. Зарубежная радиоэлектроника, 1989, №1, с.54-60.

37. Dietrich R., Korth W. Aktueller Entwicklungsstand bei der An-wedung von Radiofahren in der Satellitengeodasie. Vermessung-stec.hnik, 1987, Nal, S.4-7.

38. Neubert R. Staid und Entwicklungstendenzen der Laser Ent-fernungsmessung zu Erdsatelliten. Vermessungstechnik, 1988,11, S.362-366.

39. Пярнпуу А. А. Программирование на современных алгоритмических языках. М., Наука, 1990, 384 с.

40. Брич 3.С., Гулецкая О.Н., Капилевич Д.В. и др. Фортран 77 ЕС ЭВМ. М., Финансы и статистика, 1989, 351 с.

41. Коваль Г.И., Коротун Т.М., Лаврищева Е.М. Программирование в системе виртуальных машин ЕС ЭВМ. М., Финансы и статистика, 1990, 256 с.

42. Грунд Ф. Программирование на языке ФОРТРАН IV. М., Мир, 1976, 183 с.

43. Брич 3.С., Капилевич Д.В., Котик С.Ю., Цагельский В.И. Фортран ЕС ЭВМ. М., Финансы и статистика, 1985, 287 с.

44. Таран В.В. Дифференциальное уточнение орбит навигационных спутников по результатам лазерных измерений.- Изв.вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1992, №4-5, с.62-74.

45. Таран В.В. Исследование точности метода транслокации при определении координат пунктов с использованием навигационных ИСЗ системы ГЛОНАСС.- Изв.вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1993, №3, с.76-85.

46. Lilieblum Н. Sistemkonzeptionen und Gerateentwicklungen mo-derner kosmisch-geodafischer Meeverfahren. Vermessungstech-nik, Berlin (1985) 8, S.279-281.

47. Шебшаевич B.C. Этапы становления и проблемы развития спутниковых радионавигационных систем в Советском Союзе. Вопросы радиоэлектроники (ОВР), 1991, вып.8, с.3-9.

48. Богданов П.П., Болотов И.М., Геворкян А.Г., Гужва Ю.Г. Взаимная синхронизация системных шкал времени систем Тлонасс" и GPS. Вопросы радиоэлектроники (ОВР), 1991, вып.8, с.31-36.

49. Балясников Б.Н., Богданов П.П., Геворкян А.Г., Гужва Ю.Г.

50. Современное состояние и перспективы организации частотно-временного обеспечения системы "Глонасс". Вопросы радиоэлектроники (ОВР), 1991, вып.8, с.10-14.

51. Клионер С.А. Концепция координатной синхронизации: теоретический базис координатно-временного обеспечения. Вопросы радиоэлектроники (ОВР), 1991, вып.8, с.21-24.

52. Ипатов В.П., Казаринов Ю.М., Коломенский Ю.А., Ульяницкий Ю.Д. Поиск, обнаружение и измерение параметров сигналов в радионавигационных системах. М., Сов.радио, 1975, 296 с.

53. Шебшаевич B.C. О влиянии различий спутниковых РНС "Глонасс" и GPS на совместное использование их сигналов в аппаратуре потребителей. Вопросы радиоэлектроники (ОВР), 1991, вып.8, с.25-30.

54. Кутиков В.Ю., Шебанов А.А., Шебшаевич Б.В. Привязка системных шкал времени "Глонасс" GPS. Вопросы радиоэлектроники (ОВР), 1991, вып.8, с.37-42.

55. Плахов Ю.В. О релятивистских возмущениях в движении геодезических ИСЗ.- Изв.вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1989, №6, с.65-71.

56. Neubert R., Ritschel В., Grunwaldt L. Zum Einsatz von Impuls-gruppen fur die Laserentfernungsmessung. Vermessungstechnik, Berlin (1987) 4, S.127-130.

57. Dietrich R., Gendt G. Koordinatenbestimmung aus Laserentfer-nungsmessungen zum Satelliten Lageos. Vermessungstechnik, Berlin (1987) 12, S.400-403.

58. Плахов Ю.В., Дунаенко JI.П. Об учете низкочастотных вариаций плотности стратосферы в измеренных топоцентрических расстояниях геодезических ИСЗ.- Изв.вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1985, N£6, с.65-68.

59. Ульянов А.А., Логачев В.А., Демидов Н.А., Сахаров Б.А. Квантовые стандарты частоты и частотно-временная измерительная аппаратура основа метрологического обеспечения системы "Глонасс". Вопросы радиоэлектроники (ОВР), 1991, вып.8, с.43-52.

60. Пучков В.Ю. Учет релятивистских и гравитационных эффектов при навигационно-временных определениях в СРНС "Глонасс". Вопросы радиоэлектроники (ОВР), 1991, вып.8, с.53-55.

61. Ballani L. Partielle Ableitungen und Variationsgleichungen zur Modellierung von Satellitenbahnen und Parameterbestim-murig. Vermessungstechnik, Berlin (1988) 6, S. 192-194.

62. Ballani L. Numerische Untersuchungen zur Bestimmung von Para-metern des Erdkorpers und von Satellitenbahnen. Vermessung-stechnik, Berlin (1988) 7, S.220-223.

63. Плахов Ю.В., Мыценко А.В., Шельпов В.А. О методике численного интегрирования уравнений возмущенного движения ИСЗ в задачах космической геодезии,- Изв.вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1989, №4, с.61-67.

64. Шебшаевич B.C., Дмитриев П.П., Иванцевич Н.В. и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. М., Радио и связь, 1982, 272 с.

65. Шебшаевич B.C., Мищенко И.Н., Дубинко Ю.С. и др. Бортовые устройства спутниковой радионавигации. М.,Транспорт,1988,200 с.бб.Эльясберг П.Е. Определение движения по результатам измерений. М., Недра, 1976, 416 с.

66. Reppchen G. Doppler-Satellitenbeobachtungen zur Ableitung von Koordinaten. Vermessungstechnik, Berlin (1985) 9, S.311-313.

67. Montag H. Zur Effektivitat verschiedener satellitengeoda-tischer Mepmethoden fur die Bestimmung des Erdrotationsvektors. Vermessungstechniк, Berlin (1985) 7, S.225-229.

68. Lilieblum H. Wirkprinzipien kiinftiger satellitengestiitzter Vermessungssysteme. Vermessungstechnik, Berlin (1985) 7, S.241-244.

69. Montag H. Zum Stand der Bestimmung gedatischer und geodyna-mischer Parameter anhand kosmisch-geodatischer Verfahren. Vermessungstechnik, Berlin (1989) 6, S.182-185.

70. Mont.ag H. Zur Uberwaohung des Rotationsverhaltens der Erde und anderer geodynamischer Erscheinungen durch kosmisch-geo-datische Methoden.Vermessungstechnik,Berlin (1986) 8, S.260--263.

71. Stecher R. Die Bedeutung von Zeit und Frequenz in modernen geodatischen Mepverfahren. Vermessungstechnik, Berlin (1985) 1, S.3-6.

72. Montag H. Zur Untersuchung des Erdrotationsvektors mit Hilfe von Laserentfernungsmessungen zu kiinstlichen Erdsatelliten. Vermessungstechnik, Berlin (1984) 9, S.305-307.

73. Montag H. Zu einigen Ergebnissen der dynamischen Satelliten-geodasie im Rahmen der Interkosmos-Kooperation. Vermessungstechnik, Berlin (1988) 4, S.112-114.

74. Rehse H., Dietrich R. Untersuchungen zur Genauigkeit der Bahnmodellierung kiinstlicher Erdsatelliten an Hand simulier-ter Mepwerte. Vermessungstechnik, Berlin (1985) 6,5.192-194.