Высокоточное определение динамических параметров Земли с использованием данных лазерной локации околоземных спутников

• Автор: Эбауэр, Константин Викторович
• Шифр специальности: 01.03.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 145 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1 ЛАЗЕРНАЯ ЛОКАЦИЯ ИСЗ КАК СРЕДСТВО ИЗУЧЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЗЕМЛИ

1.1 Методы наблюдения

1.2 Принцип лазерной локации и уравнение наблюдений

1.2.1 Поправка за влияние тропосферы

1.2.2 Релятивистская поправка в измеренные дальности

1.2.3 Поправка за центр масс спутника

1.2.4 Поправка за систематические погрешности лазерных дальномеров

1.3 Выводы К ГЛАВЕ

2 ДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
2.1 Шкалы времени и системы координат
2.1.1 Системы координат и преобразования между ними
2.1.2 Шкалы времени
2.2 Вычисление правых частей дифференциальных уравнений движения
2.2.1 Геопотенциал
2.2.2 Твердые земные приливы
2.2.3 Океанические приливы
2.2.4 Полюсные приливы
2.2.5 Атмосферные приливы
2.2.6 Неприливные перемещения масс в атмосфере и океанах
2.2.7 Влияние тел Солнечной системы
2.2.8 Атмосферное торможение
2.2.9 Световое давление
2.2.10 Релятивистские возмущения
2.2.11 Переотражение и переизлучение Землей солнечной радиации
2.2.12 Эмпирические ускорения
2.3 Определение смещений пунктов наблюдения
2.3.1 Нагрузка от твердых земных приливов
2.3.2 Океаническая приливная нагрузка
2.3.3 Нагрузка, вызванная океаническими полюсными приливами
2.3.4 Нагрузка от атмосферного давления
2.3.5 Деформации земной поверхности, вызванные движением полюсов
2.3.6 Эксцентриситеты станций наблюдения
2.4 Реализация метода наименьших квадратов
2.4.1 Уравнения поправок и система нормальных уравнений
2.4.2 Решение вариационных уравнений
2.5 Интегрирование уравнений движения
2.6 Выводы к главе
3 ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ЛАЗЕРНОЙ ЛОКАЦИИ ИСЗ
«ГЕОИС (ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ)»
3.1 Описание программного комплекса«ГеоИС»
3.2 Апробация программного комплекса «ГеоИС»
3.3 Выводы к главе
4 АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ МАЛЫХ ВОЗМУЩАЮЩИХ ФАКТОРОВ И НАГРУЗОЧНЫХ ЭФФЕКТОВ НА
ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
4.1 Сравнение моделей плотности атмосферы и способов вычисления скорости атмосферных
потоков
4.2 Сравнение моделей атмосферных приливов и исследование их влияния на определяемые
параметры
4.3 Исследование влияния эффекта переотражения и переизлучения Землей солнечной радиации
4.4 Исследования влияния перемещения неприливных масс в атмосфере и океанах (модель
АСШ1В)
4.5 Исследования влияния атмосферной нагрузки
4.6 Выводы к главе
5 КОМБИНИРОВАНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ ЛАЗЕРНЫХ ДАЛЬНОСТЕЙ СПУТНИКОВ С РАЗНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ОРБИТ С ЦЕЛЬЮ СОВМЕСТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ
5.1 Методы комбинирования, применяемые при обработке наблюдений околоземных ИСЗ.
5.1.1 Комбинирование на уровне наблюдений
5.1.2 Комбинирование на уровне нормальных уравнений
5.2 Результаты определения геодинамических параметров из комбинированной обработки
лазерных наблюдений ИСЗ
5.3 Выводы к главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
ПРИЛОЖЕНИЕ В
ПРИЛОЖЕНИЕ Г
ПРИЛОЖЕНИЕ Д

Введение
Актуальность работы и степень се разработанности
Систематические наблюдения траекторий движения искусственных спутников Земли (ИСЗ), позволяющие с высокой точностью отследить малейшие изменения элементов их орбит, дают ценную информацию для изучения физических свойств околоземного пространства, динамических параметров Земли, как планеты Солнечной системы, и ее гравитационного поля. В 70х-90х гг. прошлого века особенно быстро развивалась квантово-оптическая или лазерная локация спутников (Satellite Laser Ranging - SLR) и Луны (Lunar Laser Ranging - LLR). Лазерная локация спутников изменила подход к решению многих астрометрических задач и внесла исключительный вклад в развитие новой отрасли в науках о Земле, а именно космической геодезии. После запуска первых двух геодезических спутников правильной сферической формы, специально разработанных для лазерной локации — Starlette в 1975г. и LAGEOS-1 (Laser GEOdynamics Satellite) в 1976г. - появилась возможность определять орбиты этих спутников сначала с дециметровой, а затем и с сантиметровой точностью. Это позволило значительно уточнить общеземную систему координат, определять параметры вращения Земли (ПВЗ) и длинноволновую составляющую гравитационного поля Земли (ГПЗ) с высокой точностью. Продолжительные ряды лазерных наблюдений дали возможность определять вековые движения станций наблюдения за сравнительно короткий исторический период, и тем самым подтвердили теорию движения тектонических плит, а также позволили определить с высокой точностью одну из важнейших постоянных астрономии и физики - геоцентрическую гравитационную постоянную GMq [115]. Лазерная локация ИСЗ по-прежнему играет важную роль при решении многих научных задач, несмотря на то, что в некоторых случаях она конкурирует с радиотехническими (ГЛОНАСС, GPS, РСДБ, ДОРИС), градиентометрическими (проект GOCE [61]) и межепутниковыми (проекты CHAMP [109], GRACE [121]) измерительными средствами. Так, наиболее подходящим инструментом для построения глобальной геодезической сети, фиксирующей общеземную систему координат, и для определения ПВЗ стали глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) в силу большого количества равномерно распределенных станций и большого числа наблюдений. Для определения гравитационного поля Земли и изучения его вариаций используется спутниковая градиентометрия (GOCE) и системы «спутник-спутник» (CHAMP, GRACE) вследствие их высокой чувствительности к малым изменениям в гравитационном поле Земли. Тем не менее, вклад лазерной локации ИСЗ в установление земной системы координат (в том числе, в изучение движения геоцентра — начала земной системы отсчета), определения ПВЗ, масштаба и низкочастотной составляющей ГПЗ остается значительным благодаря высокой точности измерения дальностей (0,5-2см)

приводятся в Приложении А. Согласно оценкам, использование только главных волн обычно позволяет учесть порядка 80% эффекта от океанических приливов [105].
2.2.4 Полюсные приливы
Твердые полюсные приливы
Учет эффекта твердого полюсного прилива производится с применением следующих
выражений [105]:
ДС4-_1 ттт*1п4(т'+0’0115ш>)
Д521} ’ 1(^-0,0115«,)]’
(2.22)
где величины тх,тг— малые безразмерные параметры, описывающие различия в положениях средней и мгновенной осей вращения Земли, вычисляются по формулам:
Щ =хр~хр’
:=-{Ур~Ур)'
(2.23)
Координаты среднего полюса хр, у представлены кубической моделью на интервале 1976,0-2010,0, а также линейной моделью для экстраполяции на интервале после 2010 года:
(2.24)
где 10 -эпоха 12000.0, а коэффициенты х'р,у' представлены в таблице 7.7 в работе [105].
Океанические полюсные приливы
Эффект рекомендуется учитывать [105] с помощью самосогласованной равновесной
модели [54]. Согласно этой модели, влияние океанического полюсного прилива можно
представить в виде поправок к нормированным коэффициентам геопотенциала [105]:

(т,Г2+т2г!)+ -7 (т2у*
(2.25)

к _ ага4жСр( + к[
" омт 8е ип+У
рж = 1025кг/м3 - плотность морской воды;
gE - величина силы тяжести на экваторе;