Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

В настоящее время крупной и широко развитой областью стала космическая геодезия — определение координат точек на поверхности Земли с помощью космических аппаратов. Эта об­ласть тесно смыкается со спутниковой навигацией, особенно при решении задач морской геодезии, когда посредством привязки к искусственным спутникам Земли определяются координаты судна, ведущего морские геодезические работы. В большинстве случаев навигационные и геодезические измерения отличаются лишь по классу точности производимых определений коорди­нат. Поэтому целый ряд созданных и создаваемых космических систем предназначается для решения как навигационных, так и геодезических задач, а сами системы называются навигаци­онно-геодезическими.

Космические навигационно-геодезические системы состоят из совокупности искусственных спутников Земли, находящихся на определенных, выбранных для данной системы орбитах, и на­земных командно-измерительных средств, позволяющих с вы­сокой точностью определять параметры орбит ИСЗ, контроли­ровать работу бортовой аппаратуры и управлять ею.

Основными измеряемыми параметрами при определении ко­ординат наземных точек с помощью таких систем и при опре-

ТАБЛИЦА 11 Тип системы Дальность Название системы Страна- Точность Примечание нзготовитель действия, аппаратурная геометрическая км

Длинноволновые системы

 

Мир	СССР	Импульсная	Круговая	80	5-10 м	Для измерений море
Шоран (совр. вари­ант) Диджитал Шоран	США	» 1	»	320	4—8 м	То же
Великобри­ тания	»	»	320	2—5 м	»
Трайспондер	»	»	»	80	3 м	»
Силедис	Франция	»	Круговая или ги­перболическая	Более 200	5—10 м	»

Ультракоротковолновые системы, построенные по принципу радиодальномера

Теллурометр MR В-201	Великобри­ тания	Фазовая, гетеро­динная	Круговая,	Более 50	1,5 м	Для измерений на море
Теллурометр MRB-201	»	То же	»	До 150	1 м + + 3 мм/ км	Самолетный вариант системы MR В-201
Теллурометр MRD-1	»	»	»	Более 50	3—5 м	Для измерений на море Самолетная РГС
«Изумруд»	СССР	»	»	250	1 м + + 1 см/км
CR-100	США	»	»	320	1,5 м	То же
Ширан	»	»	»	450	3—4 м	»
Автотейп	»	»	»	100	0,5 м — f- + 1 см/км	Для измерений на море

делении координат самих ИСЗ, входящих в данную систему, являются дальность и радиальная скорость. В данном пара­графе мы ограничимся рассмотрением радиодальномерной ап­паратуры и методов измерения дальности, принятых в косми­ческой геодезии.

Принципиально спутниковая геодезия использует те же ме­тоды измерений, которые ранее были разработаны примени­тельно к аэрогеодезическим работам и к навигации летатель­ных аппаратов — прежде всего дальномерный и разностный ме­тоды, описанные выше (см. § 21).

Специфика спутниковых измерений этими методами состоит главным образом в больших величинах измеряемых расстоя­ний (тысячи и десятки тысяч километров) и высокой скорости движения ИСЗ, определяющей динамические требования к си­стемам.

К числу первых специализированных дальномерных систем для космической геодезии можно отнести разработанную в 60-е годы в США систему SECOR, представляющую собой фазовый радиодальномер с активным ответом и измерением сдвига фазы на модулирующей частоте. В известной мере принцип действия этой аппаратуры напоминает принцип действия описанного выше дальномера типа «Теллурометр» (см. § 19). Наземная станция системы SECOR излучает на частоте 421 МГц; ответ­ные сигналы бортового радиопередатчика ИСЗ ретранслиру­ются на частотах 449 и 224,5 МГц ^основные частоты лежат, таким образом, в диапазоне дециметровых волн); работа бор­тового передатчика на двух несущих частотах необходима для уменьшения погрешностей, возникающих при распространении сигналов через ионосферу, о чем подробнее сказано ниже. Не­сущие частоты передатчиков модулируются четырьмя часто­тами, на которых производятся фазовые измерения: 585, 533; 36, 596; 2,287 кГц и 286 Гц. Первая из частот, которой соответ­ствует длина волны 512 м, служит для точного измерения дальности, остальные частоты дозволяют определить дистан­цию грубо и исключить неоднозначность при точных измере­ниях.

Система SECOR применялась для работы со спутниками, имеющими высоту орбиты порядка 1000 км, хотя при необхо­димости дальность действия может быть повышена путем уве­личения мощности передатчиков и размеров’ антенн наземных станций. Точность определения расстояний с помощью системы составляла единицы метров. Примерно с такой же точностью при использовании этой системы удавалось определять даль — номерным методом положение наземных пунктов.

Аппаратурные погрешности системы SECOR вызываются теми же причинами, что и рассмотренные выше погрешности других фазовых радиодальномеров, с активным ответом, на­пример типа «Теллурометр», и могут быть при необходимости сделаны весьма малыми. Точность измерений в конечном счете определяется внешними погрешностями — влиянием атмосферы и ионосферы на скорость распространения радиоволн. Влияние атмосферы в данном случае (как и в других спутниковых си­стемах) сравнительно невелико вследствие того, что большую часть пути сигналы проходят за ее пределами, в космическом пространстве, а на атмосферном участке среднюю величину показателя преломления можно определить с достаточной для практики точностью при измерении метеорологических факто­ров в точке расположения наземной аппаратуры; зато влияние ионосферы, не сказывающееся на работе наземных и аэрогео­дезических систем, здесь играет важную роль.

При распространении радиочастотных сигналов через ионо­сферу скорость распространения определяется эффективным значением показателя преломления среды, которое зависит от концентрации электронов и от частоты сигнала; таким образом, имеет место дисперсия, как и при распространении оптических сигналов через атмосферу. Знание формы дисперсионной кри­вой, т. е. уравнения, связывающего значение показателя пре­ломления с частотой сигнала, позволяет, как это делается в светодальномерах-рефрактометрах (см. § 8, стр. 78 и § 15, стр. 185), определить интегральное значение показателя пре­ломления путем измерения дальности на нескольких достаточно далеко разнесенных несущих частотах. Практически достаточно двух частот, как это сделано в системе SECOR, чтобы свести ионосферную погрешность к пренебрежимо малой величине. Технически дело сводится к следующему.

Полная величина фазового сдвига <р, приобретаемого несу­щим колебанием за время распространения от ИСЗ до назем­ной станции, с учетом среднего значения показателя прелом­ления пи ионосферы выражается формулой, которая может быть представлена в виде ряда, где членами высших порядков можно пренебречь:

Ф = 2я-^- f n„(D)dD = 2n-!-D +-$-+ • • . (4.77)

со С I

Здесь D — расстояние от ИСЗ до наземной станции; с — ско­рость света в вакууме и f — частота колебаний волны, излу­чаемой бортовым передатчиком.

Измерив два значения сдвига фаз на частотах /і и f2 (при­менительно к системе SECOR fi = 449 МГц и /2=224,5 МГц), получим систему двух уравнений, позволяющую найти коэффи­циент р и измеряемое расстояние D.

Система SECOR к настоящему времени уже может счи­таться морально устаревшей. Примером современной навига­ционно-геодезической системы, построенной на дальномерной основе, является спутниковая глобальная система определения местоположения GPS (Global Positioning System), известная также под названием NAVSTAR.

Система NAVSTAR рассчи­тана на высокоточное определе­ние пространственных координат и вектора скорости движения определяющегося объекта в лю­бой момент времени и в лю­бой точке земного шара (вклю­чая околоземное космическое пространство). Получение таких качеств с помощью системы на основе низкоорбитальных ИСЗ весьма затруднительно — потре­бовалось бы слишком большое количество спутников. Поэтому в системе NAVSTAR использу­ются ИСЗ на высоких круговых орбитах с периодом обращения 12 ч (высота орбиты над земной поверхностью при этом состав­ляет 20 165 км). Полный комплект космической системы дол­жен насчитывать 18 ИСЗ, располагаемых на трех орбитах с наклонением 63° (по 6 ИСЗ на каждой), восходящие узлы которых смещены друг относительно друга на 120°. Для на­глядности на рис. 95 показано взаимное расположение ИСЗ системы NAVSTAR. При таком расположении в поле зрения любого наблюдателя всегда находится не менеё четырех ИСЗ. Все ИСЗ имеют весьма точные эфемериды, периодически кор­ректируемые при помощи наземных измерительных комплексов и закладываемые в память бортовой аппаратуры. Излучение бортовых передатчиков СВЧ диапазона волн вместе с навига­ционными сигналами, о которых будет сказано ниже, несет потребителю информацию об эфемеридах данного ИСЗ.

Система работает на основе беззапросного метода, при ко­тором с борта ИСЗ излучаются сигналы с высокой точностью привязки к шкале времени, для чего необходимо иметь на ИСЗ генераторы с весьма высокой стабильностью частоты. В си­стеме NAVSTAR это достигается применением бортовых кван­товых стандартов частоты с относительной нестабильностью порядка 10—13, периодически сверяемых по радиолинии с назем­ными эталонами. Абонент (потребитель, определяющий свои координаты), выбрав четыре наиболее удачно расположенных ИСЗ из числа находящихся в данный момент в зоне видимо­сти, измеряет до них так называемые псевдодальности — ве­личины, определяемые временем распространения сигналов от данного ИСЗ до абонента, умноженным на скорость света. Зна­чения псевдодальностей г, связаны с координатами абонента системой уравнений вида

■ +*)(£.;-*)+Ь, (4.78)

где X — вектор, направленный из центра Земли в точку рас­положения абонента; S* — вектор, направленный из центра Земли в точку расположения і-го ИСЗ и Ь — уход частоты ге­нератора опорного сигнала («часов») абонента (т. е. разность между ее номинальным значением и фактическим значением в момент измерения), умноженный на скорость света с.

Из уравнения (4.78) следует, что значение г, отличается от истинной дальности между t-ым ИСЗ и абонентом на величину b = cAf, что и породило термин «псевдодальность».

Решив систему из 4-х независимых уравнений вида (4.78), полученных при одновременном измерении четырех псевдодаль­ностей, можно найти три пространственных координаты або­нента и момент времени, к которому они относятся (поскольку определяется поправка к частоте А/ и, следовательно, сдвигу меток времени в электронных «часах» абонента).

Навигационные сигналы передаются с борта ИСЗ на двух несущих частотах—1575 и 1227 МГц. Одновременные измере­ния на двух разнесенных частотах позволяют практически ис­ключить ошибки, вносимые изменением скорости распростране­ния сигналов при их прохождении через ионосферу, о чем го­ворилось выше применительно к системе SEGOR. Выбор более высоких несущих частот по сравнению с системой SECOR су­щественно уменьшает остаточную ионосферную поправку, обу­словленную членами высших порядков при разложении в ряд в формуле (4.77), так как показатель преломления пи ионо­сферы в любой ее точке зависит от частоты f распространения колебаний в соответствии с формулой

(4.79)

где К — постоянный коэффициент, величина которого опреде­ляется физическими константами (зарядом и массой элек­трона, диэлектрической постоянной вакуума), а N — концент­рация электронов в данной точке (число свободных электро­нов в 1 см3).

Несущие частоты бортовых передатчиков, одинаковые для всех ИСЗ системы, модулируются по фазе псевдошумовыми сигналами; иными словами, производится скачкообразное из­менение фазы несущих частот по определенному закону, имею­щему очень большой период повторения и на коротких интер­валах времени напоминающему случайный. Фаза модулирую­щего сигнала «привязана» к меткам времени высокостабиль­ных бортовых часов. Законы модуляции для всех ИСЗ раз­личны, что позволяет принимать и разделять в аппаратуре або­нента эти сигналы одновременно, несмотря на одинаковость несущих частот.

В аппаратуре абонента фазы принятых и демодулирован — ных псевдошумовых сигналов сравниваются с фазами сигна­
лов, вырабатываемых в аппаратуре абонента и синхронизиро­ванных с находящимся в ней кварцевым генератором. Входя­щая в состав аппаратуры абонента портативная ЭВМ позво­ляет непосредственно получать значения координат, привязан­ных к шкале времени. Разработан ряд вариантов аппаратуры абонента, различающихся по сложности, габаритным характе­ристикам и точности измерений. Наиболее точная аппаратура дает возможность определять местоположение объекта со сред­ней квадратической погрешностью порядка единиц метров, причем наибольший вклад в эту погрешность дает неточное знание эфемерид ИСЗ в момент измерений; эта погрешность по мере совершенствования методов прогнозирования эфеме­рид (в частности, накопления знаний о гравитационном поле Земли) будет снижаться, что приведет к росту точности опре­деления координат. Другие компоненты общей погрешности, связанные с параметрами аппаратуры, также могут быть в дальнейшем уменьшены; в частности, предусматривается соз­дание еще более стабильных бортовых квантовых стандартов частоты, уменьшение влияния шумов за счет совершенствова­ния приемной и передающей аппаратуры и т. п.

На рис. 96 изображена общая структура системы NAVSTAR с указанием наземных средств, обеспечивающих ее функциони­рование и проверку.

Система NAVSTAR не единственная, хотя и наиболее уни­версальная из современных спутниковых навигационно-геоде­зических систем. Наряду с ней ведется разработка более спе­циализированных систем для морской и воздушной навигации. Следует отметить также создаваемую во Франции навигацион­но-геодезическую спутниковую систему GEOLE, в которой также предусматривается использование фазового дальномер­ного метода (совместно с измерением радиальной скорости по доплеровскому сдвигу частоты). Отличительной чертой си­стемы GEOLE является применение ИСЗ с высотой орбиты 4000 км и периодом обращения 4 ч. Измерение дальности про­изводится при помощи активной ретрансляции излучаемых сиг­налов с использованием ряда поднесущих частот для исклю­чения неоднозначности при фазовых измерениях. Система должна обеспечивать высокую точность определения местопо­ложения (~10 м), однако измерения могут выполняться лишь периодически из-за ограничения зон видимости спутников при высоте орбиты 4000 км и небольшого общего числа ИСЗ.

К да льномерным спутниковым радиосистемам можно отне­сти также радиоальтиметры (радиовысотомеры), установлен­ные на ряде ИСЗ. Измерение высоты над земной поверхностью позволяет уточнять как параметры самой орбиты, так и ха­рактеристики геопотенциала (распределение значений ускоре­ния силы тяжести по поверхности геоида). Обычно для этих целей используются импульсные радиоальтиметры, работающие в диапазоне сантиметровых волн. В целях повышения точно-

Рис. 96. Структурная схема системы NAVSTAR

сти измерений длительность импульса стараются сделать мини­мальной или прибегают к дополнительной модуляции парамет­ров импульса за время его излучения (в частности, линейной частотной модуляции). Оба эти способа расширяют частотный спектр импульса и требуют применения максимально высокой несущей частоты, ограниченной сверху затуханием радиоволн в атмосфере и возможностями современной техники генериро­вания сверхвысоких радиочастот.

Чтобы свести к минимуму влияние рельефа подстилающей поверхности на точность определения высоты, радиоальтимет — рические измерения обычно производятся над океанами. Не вдаваясь в подробности технического устройства радиоальти­метров на различных ИСЗ, которые существенно отличаются друг от друга, укажем, к примеру, что для одной из наиболее совершенных систем этого класса — радиоальтиметра, установ­ленного на борту ИСЗ SEASAT, аппаратурная точность измере­ния высоты достигает ±0,1 м. При этом аппаратурная ошибка соизмерима с ошибкой, возникающей за счет неточного знания фактической скорости распространения радиоволн через атмо­сферу в момент измерения.

Кроме радиосистем дальномерного типа, большую роль в спутниковой радиогеодезии сыграли (и продолжают играть) доплеровские радиоизмерения. Они основаны на определении доплеровского сдвига частоты излучения, принимаемого от передатчика, перемещающегося относительно приемника. Так, если передатчик на борту ИСЗ излучает сигнал с частотой ко­лебаний /, то наземный приемник зарегистрирует излучение

с частотой /Пр, смещенной на величину А/г> = /пР—/=——- —D,

. С

где с —скорость распространения радиоволн и D — радиаль­ная скорость ИСЗ относительно наземного приемцика.

На практике при выполнении доплеровских измерений производится обычно подсчет числа периодов доплеровской частоты ДfD за некоторый промежуток времени Д/=^—1, где

11 и t2— моменты начала и конца измерения. При этом опреде­ляется интегральная величина

f? г

J (fo fnp) dt = I (f0—f—Дfo) dt = (f0—f) (t2 — ^i) H—— (Dt—Di),

t ii C

(4-80)

где fo — частота колебаний опорного генератора наземной стан­ции, значение которой должно быть возможно более стабиль­ным во времени (выбор номинального значения /0 определя­ется техническими соображениями и принципиального значе­ния не имеет); величина (D2^D{) представляет собой раз­ность радиальных расстояний между ИСЗ и наземной станцией в моменты t2 и t.

Очевидно, что из формулы (.4.80) можно найти (D2 — D{), так как остальные величины в этой формуле являются либо известными, либо измеренными.

Построенные на основе данного принципа доплеровские спутниковые системы технически проще описанных выше даль — номерных систем и получили довольно широкое распростране­ние. К их числу относятся, например, системы TRANSIT, GEOS и др. Излучаемые спутниковыми радиопередатчиками колеба­ния лежат в диапазонах дециметровых и метровых волн; для уменьшения ошибок, связанных с влиянием ионосферы на ско­рость распространения радиоволн, применяются одновремен­ные измерения на двух частотах подобно тому, как это осуще­ствляется в описанных выше дальномерных спутниковых си­стемах.

Высоты орбит ИСЗ, предназначенных для доплеровских из­мерений, обычно лежат в пределах 800—1500 км; число одно­временно функционирующих спутников в системе составляет 4—6 (TRANSIT). При использовании нескольких последова­тельных измерений координаты неподвижного пункта в любой точке земного шара могут быть найдены с точностью, дости­гающей ± 10 м. Однако по оперативности измерений доплеров­ские системы уступают описанной выше системе NAVSTAR, по­зволяющей получать координаты любой точки в произвольный момент времени, поскольку не всегда в «поле зрения» назем­ной станции имеется соответствующий ИСЗ и для высокоточ­ного определения координат к тому же требуются измерения при нескольких прохождениях ИСЗ мимо наземной станции. Поэтому предполагается, что в будущем произойдет постепен­ный переход от использования доплеровских навигационно-гео­дезических систем к разностно-дальномерным системам типа NAVSTAR.

Еще одним новым методом точного определения координат при помощи ИСЗ следует считать использование радиоинтерфе­рометров с очень большой длиной базы (радиоинтерферомет­рия со сверхдлинной базой — РСДБ) [22].

Комментарии запрещены.