Более 25 лет назад был выведен на орбиту первый искусственный спутник Земли. Сейчас число движущихся вокруг Земли искусственных тел превышает несколько тысяч, и еще несколько тысяч объектов за это время уже прекратили свое существование, сгорев в плотных слоях атмосферы. Большое количество искусственных космических аппаратов было выведено на орбиты, подобно кометным орбитам, пересекающим Солнечную систему.
Геодезия как научная дисциплина была подготовлена к использованию космических объектов для решения своих научных и практических задач. Это связано с тем, что геодезия даже в далекие времена геоцентрического взгляда на мир была наукой, которая несла в себе идею отношения к Земле как к планете Солнечной системы. Идея глобального изучения Земли созрела в древние века задолго до торжества коперниканского учения. Вот почему геодезия, одна из древнейших наук о Земле, получила с выходом человечества в космос возможность развития тех идей и методов, которые давно зрели в ее недрах.
Еще в 1768 г. И. Эйлер, сын великого математика Л. Эйлера, разработал теорию определения параметров земного эллипсоида по одновременным наблюдениям зенитных расстояний Луны на ряде пунктов, расположенных на одном меридиане и имеющих известные астрономические координаты. Он правильно оценил достоинства и недостатки этого метода, отметив, что этот метод не даст надежных результатов из-за большой удаленности Луны от Земли. И в то же время он писал, что если бы Луна была значительно ближе к Земле или имелось бы другое небесное тело, менее удаленное от Земли, чем Луна, то предложенный им метод определения фигуры Земли был бы точнее и удобнее, чем градусные измерения методом триангуляции.
Несомненно, что эта работа И. Эйлера содержала элементы геометрических методов спутниковой геодезии и показывала преимущества наблюдения околоземных небесных тел для решения геодезических задач. А о том, что П. Лаплас прекрасно понял и сформулировал основную идею динамического метода спутниковой геодезии, мы уже говорили.
Но прежде чем рассмотреть, как эти идеи воплотились в рабочие методы космической геодезии, нам надо познакомиться с теми объектами, которые наблюдаются для получения информации, используемой в геодезических целях, и с теми методами, которыми наблюдаются искусственные и естественные объекты. Это прежде всего ИСЗ. Диапазон параметров спутниковых орбит и характеристик самих спутников чрезвычайно велик. ИСЗ движутся по орбитам с наклонами от 0° (экваториальные) до 90° и более (околополярные орбиты). Эксцентриситеты спутниковых орбит колеблются от 0 (круговые орбиты) примерно до 0,975 (сильно вытянутые эллипсы). ИСЗ имели периоды обращения вокруг Земли от 80 мин до 24 ч, а следовательно, высоты их орбит над поверхностью Земли колеблются от 200 до 35 000 км.
Что касается самих ИСЗ, то их характеристики различались в зависимости от целей запуска и от соответствующей этим целям научной аппаратуры, размещенной на борту. Были ИСЗ, напоминающие по форме причудливых насекомых (из-за далеко разнесенных солнечных батарей и другого оборудования), были спутники-баллоны, например «Эхо-2», имевший массу 256 кг при диаметре 41,2 м (числовое значение очень важного параметра – отношения площади среднего сечения к массе – у этого спутника равнялось примерно 50 см2/г), а были ИСЗ, похожие на старинные пушечные ядра: при большой массе они имели очень малые размеры (например, величина этого же параметра у спутника «Лагеос» составляет всего 0,07 см2/г).
Кроме наблюдений ИСЗ в геодезических целях были использованы результаты слежения за удаляющимися от Земли космическими аппаратами (КА) типа «Венера», «Маринер» и т. д. Особую роль в развитии космических методов геодезии сыграли лазерные наблюдения Луны, проводимые при помощи установленных на ее поверхности уголковых отражателей. При этом важное значение имела доставка на Луну советских «Луноходов», управляемых с Земли. И наконец, одним из самых экзотических объектов являются квазары, наблюдения которых также используются в геодезии.
Мы видим, что применение в геодезии нашли и искусственные и естественные космические объекты. Этим и вызвана некоторая терминологическая путаница, которую хотелось бы разъяснить. Дело в том, что основную роль в создании и использовании космических методов геодезии сыграли все-таки ИСЗ. И поэтому в научной и научно-популярной литературе употребляются два термина: «космическая геодезия» и «спутниковая геодезия». (В третьем издании Большой советской энциклопедии есть две статьи с тем и другим названиями.) Есть предложение называть раздел геодезии, использующий наблюдения любых внеземных объектов, космической геодезией. А термин спутниковая геодезия, поскольку он существует в научном обиходе, относить только к тем методам и выводам космической геодезии, которые основаны на наблюдениях ИСЗ.
Как же наблюдаются ИСЗ и другие космические объекты?
В настоящее время методы наблюдения принято делить на оптические и радиотехнические – в зависимости от диапазона электромагнитных колебаний, в котором выполняются измерения. Оптическим методом определяется направление на спутник путем фотографирования спутника на фоне звезд. К оптическим методам относится также метод измерения дальности спутника лазерными дальномерами.
Из радиотехнических методов наибольшее распространение при решении геодезических задач получили так называемые дифференциальные и интегральные доплеровские методы и фазовые методы измерения дальности. Интересно, что доплеровские методы, первоначально использовавшиеся для сравнительно неточного слежения за ИСЗ при определении их орбит, по мере совершенствования и повышения точности измерений стали использоваться для решения навигационных и геодезических задач.
Каждый из методов наблюдения ИСЗ имеет свои достоинства и недостатки. Важными достоинствами всех радиотехнических методов являются их всепогодность и возможность проводить наблюдения в любое время суток. Оптические методы зависят от погодных условий, и наблюдать ИСЗ в оптическом диапазоне можно только в утренние или вечерние часы, когда поверхность Земли погружена в темноту, а сам ИСЗ, находясь на большой высоте над горизонтом, уже (или еще) освещен Солнцем,
С точки зрения увеличения точности все возможности фотографических методов в значительной степени уже исчерпаны, и доплеровские методы наблюдений спутников в некоторых отношениях даже превосходят фотографические. Но наиболее перспективными из всех методов наблюдения ИСЗ с Земли считаются лазерные наблюдения (благодаря их чрезвычайной точности). Вообще же в настоящее время все методы наблюдений не исключают, а взаимно дополняют друг друга. Кроме того, как мы уже отмечали, при решении геодезических задач используются наблюдения и иных космических объектов, искусственных и естественных, как радиотехническими, так и лазерными средствами. Рассмотрим же подробнее основные методы наблюдения ИСЗ и иных космических объектов для целей космической геодезии.
Фотографические методы наблюдений. Принципы определения направления на объект в спутниковой и классической фотографической астрометрии совпадают. Для определения направления на ИСЗ используется его изображение на фоне так называемых опорных звезд, небесные координаты которых известны. Основная особенность и вместе с тем основная трудность наблюдения ИСЗ, определившие выделение спутниковой астрометрии в отдельную ветвь фотографической астрометрии, связаны с большими угловыми скоростями ИСЗ. Из-за этого возникает необходимость, кроме направления на объект, получать с очень высокой точностью и момент времени, соответствующий зафиксированному на снимке положению ИСЗ.
Жесткие требования к точности регистрации времени (точнее, 0,0005 с) вызывают соответственно особые требования к фотографической аппаратуре и методам хранения и регистрации времени на станциях наблюдения за ИСЗ. Не вдаваясь в технические тонкости, отметим, что основными особенностями фотографических спутниковых камер являются обтюраторный затвор непрерывного действия и система, позволяющая фотопленке отслеживать слабые ИСЗ. Обтюраторный затвор позволяет получать изображения ИСЗ либо в виде ряда почти точечных изображений, либо в виде коротких разрывов в следе ИСЗ. Движение слабого ИСЗ отслеживается поворотом камеры или фотопленки относительно орбитальной оси, т. е. по движению ИСЗ (при фотографировании ярких объектов камера обычно остается неподвижной или отслеживает движение звезд). p>ООсобую роль в развитии фотографических методов сыграли так называемые активные ИСЗ, на которых были установлены специальные лампы и производилась по определенной программе световая вспышка заданной длительности. Такие «маяки» были установлены на борту геодезических ИСЗ «Геос-1» и «Геос-2». Фотографирование активных ИСЗ давало наивысшую точность при определении направлений на ИСЗ. В результате длительной исследовательской работы над фотографическими камерами наивысшая точность определения направления на яркий ИСЗ составляет в настоящее время 0,5″ по одному снимку (для большинства камер эта точность находится в пределах 1 – 2″). При слежении за слабым ИСЗ эта точность колеблется в пределах 2 – 3″.
Точность регистрации моментов времени зависит от многих технических причин и для большинства камер характеризуется ошибками 0,1 – 0,5 мс. Но есть одна причина ошибки, а именно – синхронизация часов камеры с эталонной системой времени, и она может вносить дополнительные ошибки порядка 1 мс. Такие ошибки в исходном наблюдательном материале приводят к ошибкам в определяемом положении ИСЗ на орбите порядка нескольких метров, что при современных геодезических требованиях еще терпимо, но для более серьезных геодезических работ будущего – неприемлемо. Поэтому фотографические методы спутниковой геодезии стали как бы классическими и используются в основном для решения геометрических задач, таких, как построение сетей спутниковой триангуляции.
Радиотехнические методы наблюдений. Эффект Доплера, как известно, заключается в том, что частота сигнала изменяется при движении источника излучения сигнала относительно наблюдателя. Это изменение (оно называется доплеровским сдвигом частоты, а иногда доплеровской частотой) прямо пропорционально частоте передатчика и скорости движения передатчика относительно приемника. Относительную скорость часто называют лучевой скоростью (поскольку она направлена по лучу зрения наблюдателя), или радиальной скоростью, так как этот луч есть радиус-вектор движущегося объекта.
Таким образом, доплеровские измерения дают нам очень информативную величину: имея график непрерывной записи лучевой скорости для некоторого интервала времени, мы можем получить и дальность до объекта, и ускорение объекта в некоторой точке его орбиты.
Существуют три варианта доплеровских систем. Это прежде всего беззапросные системы, которые в основном и применяются в космической геодезии. На борту космического аппарата находится передатчик радиосигналов, вырабатываемых высокостабильным генератором частоты. На наземной приемной станции также имеется генератор опорных сигналов. Сравнение частот принимаемого и опорного сигналов позволяет выделить измеряемую частоту, которая равна разности частоты подставки и доплеровской частоты (частотой подставки называется различие частот генераторов – наземного и спутникового). Специальное устройство преобразует измеряемую частоту в число периодов (циклов) доплеровского сигнала (и поэтому оно является непосредственно измеряемой величиной) за определенный промежуток времени (он обычно составляет величину от 0,5 до нескольких секунд).
В отличие от беззапросных систем в системах с запросом используется лишь один – наземный – генератор частоты, а на борту космического объекта помещают приемоответчик, ретранслирующий принятые со станции сигналы обратно на Землю. Наземная станция сравнивает частоты запросного и ответного сигналов и измеряет сдвиг частоты. И наконец, следует упомянуть радиолокационные системы, работающие по сигналу, отраженному от поверхности космического объекта. Точность этих систем невелика, и в космической геодезии они не применяются. Однако использование идеи локации в оптическом диапазоне дало поразительные результаты.
Аппаратурой, измеряющей непосредственно частоту принимаемых с ИСЗ сигналов, оборудуются обычно стационарные доплеровские станции, принимающие участие в долгосрочных программах (например, при исследовании движения полюсов Земли). На таких станциях необходимо иметь высокоточные стандарты времени, работу которых надо точно синхронизировать. Кроме того, возникает проблема обработки большого числа измерений, так как одно прохождение спутника над горизонтом станции дает несколько сот измерений доплеровской частоты. Поэтому в настоящее время гораздо более широкое распространение получили так называемые интегральные доплеровские приемники. p>Идея интегрального доплеровского метода заключается в том, что разность двух последовательных отсчетов для числа циклов доплеровского сигнала есть определенное выражение (так называемая линейная комбинация) разности топоцентрических (от пункта наблюдения) расстояний до двух последовательных положений ИСЗ на орбите и частоты подставки. Конечно, если бы бортовой генератор был стабилен с очень высокой степенью точности, частоту подставки можно было бы считать постоянной, и мы имели бы чистую прямую пропорциональную зависимость между разностью двух последовательных отсчетов доплеровских циклов и разностью двух последовательных топоцентрических дальностей ИСЗ, т. е. расстояний ИСЗ от пункта наблюдения.
Но частота бортового генератора может меняться с течением времени, и не так уж велико это изменение по величине, как не ясен закон, по которому эта частота меняется. Поэтому частоту подставки обычно включают в число определяемых параметров, считая, что за время одного прохождения ИСЗ над станцией она постоянна, но может меняться от прохождения к прохождению. Использование интегрального доплеровского метода наблюдения ИСЗ дает возможность решать навигационные задачи, а геодезическое использование этого метода наиболее эффективно при создании и долгосрочном функционировании систем ИСЗ (по типу навигационной системы «Транзит»), наблюдения которых с любого изолированного пункта на земной поверхности позволяет получить координаты этого пункта.
Координаты пунктов получаются радиотехническими методами точнее, чем фотографическими. Средняя точность определения радиальной скорости составляет сейчас несколько сантиметров на секунду. Это дает возможность определять положение ИСЗ на орбите или положение наземной станции (в зависимости от того, какая ставится задача: уточнение орбиты ИСЗ или определение координат на поверхности Земли) с высокой точностью. Главными источниками ошибок здесь являются неточность в синхронизации системы доплеровских станций и шумы измерительной аппаратуры.
Конечно, на прохождение радиосигнала сильно влияет атмосфера, причем влияет и тропосфера (нижние, нейтральные слои атмосферы) и, что особенно неприятно, ионосфера. Но влияние тропосферы учитывается достаточно надежными формулами, а влияние ионосферы снижается использованием двух частот. Фактически из теории следует, что использование трех частот исключает влияние ионосферной рефракции почти полностью. Но практически удобнее пользоваться двумя частотами, устраняя остаточное влияние рефракции выбором времени наблюдения. Интересна проблема учета влияния релятивистских эффектов на доплеровскую частоту, но это сложная тема и мы на ней останавливаться не будем.
Итак, радиотехнические (особенно доплеровские) методы космической геодезии стали развиваться наряду с фотографическими, а в последнее время заняли ведущее место как поставщики наблюдательной информации. Однако в самые последние годы оптические методы, давшие все основные результаты первых лет развития космической геодезии, снова заявили о себе, сначала возродив интерес геодезии к Луне как к объекту наблюдения, а затем войдя в состав наблюдательных средств спутниковой геодезии. Речь идет о лазерных дальномерах, которые позволили применить идею локации в космической геодезии.
Наблюдения при помощи лазеров. Принцип измерения расстояния при помощи лазера предельно прост, поскольку это принцип обычной локации. В направлении на космический объект посылают короткий световой импульс, который, отразившись от объекта, возвращается обратно. Интервал времени между посылкой и приемом импульса измеряется, и именно он дает информацию о дальности до объекта. Дальность космического объекта, отнесенная на средний момент между посылкой и приемом импульса, равна половине произведения скорости света на величину интервала времени.
Но простота исходного принципа вовсе не означает простоту реализации его в методе измерения. Потребовались годы теоретической и инженерной работы, чтобы выйти на современную точность лазерных дальномеров – 1 – 2 дм. Надо было понять, как уменьшить влияние основных источников ошибок: воздействие атмосферы, искажения на пути следования луча и задержки в аппаратуре. И если учет атмосферной рефракции для геодезистов был известен и ошибки измеренной дальности из-за неучтенных факторов (случайные изменения коэффициента рефракции, искривление светового луча и т. п.) составили величины ±1 – 2 см, то ошибки из-за приема ослабленного и искаженного отраженного сигнала были для лазеров первого поколения порядка 1 – 1,5 м.
Это была точность высокая по сравнению с точностью фотографических и радиотехнических методов, но с точки зрения геодезического использования этих наблюдений в ближайшем будущем (особенно в геодинамике) она низка. И только усовершенствование самого лазера, увеличение его мощности, создание более совершенных приемных устройств (фотоумножителей) и другие технические усовершенствования позволили выйти на уровень дециметровой точности.
Несколько слов о реализации принципа лазерного дальномера. Основным вопросом, требующим четкого инженерного решения, является следующий: как узнать, что на приемник попали именно отраженные от объекта лучи (фотоны)? Для этого прежде всего передаваемый импульс должен иметь определенные амплитуду и форму. Но этого мало, потому что, пройдя до объекта, отразившись от него и вернувшись обратно, импульс изменит эти характеристики. Поэтому существенную роль в организации лазерных дальномерных измерений играет предвычисление положения космического объекта на момент попадания импульса в объект. Счет времени, начинающийся с момента «старт», продолжается до момента «стоп», предвычисленного по известным элементам орбиты космического объекта.
Существенную роль в повышении точности лазерного дальномера играет диафрагмирование входного пучка лучей, которое уменьшает вредные влияния фоновых засветок. Для уменьшения постоянных инструментальных ошибок, вызванных задержками в аппаратуре, выполняется калибровка дальномера, которая заключается в измерении расстояния до отражающей цели, расположенной на известном расстоянии. И конечно, повышение точности получаемых дальностей связано с тем, что «стрельба» лазерным лучом происходит не по поверхности космического объекта, отражающие свойства которой неопределенны, а по уголковым отражателям.
Последние представляют собой специальные устройства – призмы с высокими отражающими свойствами, которые размещаются на поверхности ИСЗ, а при локации Луны уголковые отражатели с помощью специальных ракет доставляются на ее поверхность. В 1976 г. на почти круговую орбиту на высоте примерно 6000 км над поверхностью Земли был выведен ИСЗ «Лагеос», предназначенный для получения геодезической информации. На его сферической поверхности расположены 426 уголковых отражателей из кварца. Лазерные измерения дальностей до этого ИСЗ, производимые с 1978 г., имеют ошибку порядка 3 – 5 см. А такая точность не предел для лазерного дальномера.
Какой же вклад в развитие геодезии и других наук о Земле внесли наблюдения ИСЗ и иных космических объектов, искусственных и естественных? p>Принято делить методы решения геодезических задач с использованием космических средств на геометрические и динамические. Это деление связано со следующими соображениями. Если мы используем метод, в котором космический объект интересует нас только как визирная цель, т. е. точка с известными координатами, мы относим этот метод к геометрическим. Если же в метод входит изучение и использование параметров, характеризующих движение космического объекта (а это движение происходит в гравитационном поле Земли и, стало быть, на нем отражаются свойства этого поля), то мы относим метод к динамическим.
Деление, как видим, условное, поскольку для того чтобы знать положение ИСЗ или иного космического объекта в пространстве, надо знать теорию движения этого объекта в гравитационном поле Земли, т. е. надо знать свойства гравитационного поля в каждой точке пространства. Поэтому, по сути дела, все методы космической геодезии динамические. Но мы не будем нарушать сложившуюся традицию, тем более что именно геометрические методы спутниковой геодезии дали возможность распространить на всю поверхность земного шара традиционные для геодезии триангуляционные сети.
