Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций
Каталог

Обратная связь

Я ищу:

Содержимое электронного каталога российских диссертаций

Диссертационная работа:

Таран Василий Васильевич. Исследование методов определения геодезических координат с использованием спутниковых навигационных систем : Дис. ... канд. техн. наук : 05.24.01 Москва, 1994 215 с. РГБ ОД, 61:95-5/1862-5


Для получения доступа к работе, заполните представленную ниже форму:


*Имя Отчество:
*email



Содержание диссертации:

стр.
ВВЕДЕНИЕ 5

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

1.1. СИСТЕМЫ КООРДИНАТ И ВРЕМЕНИ 18

  1. Системы координат 18

  2. Системы времени 23

  1. УРАВНЕНИЕ СВЯЗИ И ЕГО ЛИНЕАРИЗАЦИЯ. УРАВНЕНИЕ ПОПРАВОК 26

  2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАТРИЦ ЧАСТНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ ИЗМЕРЕННОЙ ВЕЛИЧИНЫ ПО ТЕКУЩИМ КООРДИНАТАМ И СОСТАВЛЯЮЩИМ СКОРОСТИ ИСЗ KU) ПО КООРДИНАТАМ ОПРЕДЕЛЯЕМОГО ПУНКТА

Я'п 29

  1. ВЕКТОРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОРБИТЫ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАТРИЦЫ ЧАСТНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ ОТ ТЕКУЩИХ КООРДИНАТ И СОСТАВЛЯЮЩИХ СКОРОСТИ ИСЗ ПО ТЕКУЩИМ ЭЛЕМЕНТАМ ОРБИТЫ EJ j... ЗО

  2. МАТРИЦАНТ Jj. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И МЕТОДЫ РАСЧЕТА... 34

  3. ЧИСЛЕННОЕ ИНТЕГРИРОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ ДВИЖЕНИЯ. МЕТОД ЗВЕРХАРТА 41

  4. УТОЧНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЧИСЛЕННОГО ИНТЕГРИРОВАНИЯ.... 46

  5. УРАВНИВАНИЕ В ОРБИТАЛЬНЫХ МЕТОДАХ КОСМИЧЕСКОЙ ГЕОДЕЗИИ. НЬЮТОНОВСКИЙ ИТЕРАЦИОННЫЙ ПРОЦЕСС 49

2. АЛГОРИТМЫ И МЕТОДЫ ВЫСОКОТОЧНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОРБИТ НАВИ
ГАЦИОННЫХ ИСЗ И ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ КООРДИНАТ ПУНКТОВ НАБЛЮДЕ
НИЙ 53

2.1. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ УТОЧНЕНИЕ ОРБИТЫ НИСЗ 53

2.1.1. Математическая модель дифференциального уто
чнения орбиты НИСЗ 53

стр.
2.1.2. Ковариационная матрица результатов непосред
ственных измерений 56

.1.3. Алгоритм преобразования ковариационных матриц

начальных условий движения НИСЗ 58

2.2. НЕПОСРЕДСТВЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ КРИВОЛИ
НЕЙНЫХ КООРДИНАТ ПУНКТА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАДИОТЕХНИ
ЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ НИСЗ 67

  1. Прямое решение по трем псевдодальностям 68

  2. Дифференциальные формулы измеряемых навигационных параметров как функций геодезических криволинейных координат , 72

  3. Математическая модель уточнения геодезических криволинейных координат пункта и оценивание по методу наименьших квадратов 75

2.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ТРАНСЛОКАЦЩ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ
КООРДИНАТ ПУНКТОВ ПО НАБЛЮДЕНИЯМ НИСЗ 78

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ГЕОДЕЗИЧЕСКО
ГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ ИСЗ 81

  1. ЦЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. 81

  2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА УТОЧНЕНИЯ НАЧАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ДВИЖЕНИЯ НИСЗ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ

ПРИМЕНЕНИЯ МН0Г0ПУНКТ0В0Г0 МЕТОДА 83

3.2Л. Исходные данные для проведения исследований. 83
3.2.2. Результаты математического моделирования ис
следуемого процесса и их анализ 86

3.3. ИССЛЕДОВАНИЕ МН0ГОПУНКТОВ0Г0 МЕТОДА И ВОЗМОЖНОСТЕЙ
ПРИМЕНЕНИЯ 0ДН0ПУНКТ0В0ГО МЕТОДА ДЛЯ ДИФФЕРЕНЦИА
ЛЬНОГО УТОЧНЕНИЯ ОРБИТ НАВИГАЦИОННЫХ ИСЗ ПО РЕ-

стр,
ЗУЛЬТАТАМ ДАЛЪНОМЕРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ 89

  1. Исходные данные для математического моделирования и оценки точности 89

  2. Точностные параметры и корреляционный анализ уточненных многопунктовым методом элементов орбиты НИСЗ 92

  3. Исследование возможностей применения одно-пунктового метода для уточнения орбит НИСЗ.. 99

3.3.4. Выводы 105

3.4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ МЕТОДА ТРАНСЛОКА
ЦИИ ПРИ .ОПРЕДЕЛЕНИИ КООРДИНАТ ПУНКТОВ С ИСПОЛЬЗОВА
НИЕМ НАВИГАЦИОННЫХ ИСЗ 106

3.4.1. Моделирование процесса транслокации 106

3.4.2, Результаты проведенных исследований, их ана
лиз и выводы 107

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 119

ЛИТЕРАТУРА 122

ПРИЛОЖЕНИЯ 129



Введение диссертации:

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 соз-

даний 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) [35,47,76,77].

Идеология спутниковых радионавигационных систем (СРНС) была разработана впервые в нашей стране во второй половине пятидесятых годов [483. 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. Б 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) [49,50,51].

В табл.1 приведены технические характеристики СРНС ГЛОНАСС и GPS [53,54,64,65,66].

Таблица 1

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].

Таблица 2

Первым космическим объектом, до которого были проведены лазерные измерения, была Луна (1963 г.). В 1964 г. выполнены лазерные наблюдения ИСЗ Explorer 2. 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

- g -

различных длинах волн и нахождении на основании этого атмосферной задержки в распространении сигнала на линии "пункт наблюдений - ИСЗ".

Спутниковые системы ГЛОНАСС и GP5 иэлучают 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 [353. 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 БР5, представлены в табл.3 [36,38].

Отличительная особенность аппаратуры GE0STAR ТІ 4100 состоит в том, что она представляет собой мультиплексный приемник,

ПереКЛЮЧаЮЩИЙСЯ С ПерИОДОМ НеСКОЛЬКО МИЛЛИСекуНД На СЛеЖеНИе 3

различными НИСЗ. При слежении за определенным НЙСЗ эта аппаратура работает в частотных диапазонах L\ и 1% [36]. С использованием GE0STAR ТІ 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].

Таблица З

Таблица 4

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

Сравнение результатов, полученных при использовании GE0STAR ТІ 4100 и MACRQMETER 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 Ґ2 ~ 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 t58D показана необходимость учета влияния флуктуации плотности стратосферы, вызванных волнами плавучести, на результаты измерения дальностей до ИСЗ (прежде всего при использовании радиотехнических методов). Для определения поправки Л5 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 (РТЗ) [37,603. 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, формиру-

ющей шкалу системного времени, и для потребителей, так как частотный сдвиг, обусловленный превышением над геоидом стандартов частоты и времени, составляет малую величину (1,091-10-13 на 1 км). Влияние этих двух эффектов учитывается:

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

f 1

ДГ = -s ГО/и - Uk) - - (VZK - Угк)3,
с
2 2

где ик и Ук - потенциал гравитационного поля Земли в точке контрольной станции и модуль геоцентрического вектора скорости этой станции в инерциальной системе координат ; 1УИ и Уи - 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, эксцентрисите
тов 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 [553;

г ар

г- дг

где г - геоцентрический вектор спутника;

р. - геоцентрическая гравитационная постоянная;

йрел - релятивистские возмущающие ускорения;

R - сумма всех классических возмущающих функций;

5г - диссипативные возмущающие ускорения [1,19,73,74,753. В работе [553 показано, что релятивистские возмущения в движении ИСЗ больше ошибок лазерных наблюдений (0,1 - 0,2 м) на современном уровне. Учет Шрел 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 Я = 45, і = 65.. U) = 30, а = 5489582,090 м, е= = 0,001, М0 = 20, t0 - 0 релятивистские возмущающие ускорения

имеют величину порядка 10" 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: Рунте-Кутты, Адамса, Эверхарта и др. [1,14,19]. В настоящее время разработан численный метод специально для решения задач космической геодезии [63]. 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.

Реклама


2006-20011 © Каталог российских диссертаций