Введение
В последние четыре десятилетия сформировался набор измерительных средств, позволяющих проводить позиционные наблюдения наивысшего на сегодняшний день уровня точности. К этим средствам обычно относят радиоинтерферометрические наблюдения со сверхдлинными базами (VLBI), спутниковые (SLR) и лунные (LLR) дальнометрические измерения, навигационную систему местоопре-деления (GPS), допплеровскую систему DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite). Определение параметров вращения Земли (ПВЗ), уточнение координат станций и установление земной системы отсчета (TRS), определение поправок к параметрам модели геопотенциала составляют далеко не полный перечень задач, решаемых с помощью новых измерительных технологий.
В настоящее время возрастающие требования к точности определения параметров вращения Земли и геодинамических параметров, непрерывное совершенствование моделей геопотенциала, нутации, нагрузочных явлений приводят к необходимости проведения исследований, касающихся сравнительного анализа различных стратегий обработки наблюдений. Поскольку каждая из измерительных технологий имеет свои особенности и преимущества при определении различных параметров, то необходимо разумное и оптимальное сочетание всех средств наблюдений. Совершенно очевидно, что наиболее интересные результаты могут быть получены при совместной обработке разнородных типов наблюдений. Частным примером такого комбинированного подхода является возможность уточнения взаимной ориентации динамической и внегалактической систем отсчета из обработки даже небольшого массива траектор-ных и радиоинтерферометрических наблюдений космических аппаратов на фоне квазаров.
Одной из самых важных задач космической геодезии является определение параметров вращения Земли (ПВЗ) относительно инерциальной системы отсчета. В настоящее время основой для
формирования сводного ряда ПВЗ являются частные ряды ПВЗ, полученные из обработки какого-либо одного типа измерений - SLR, VLBI, GPS или DORIS. Ясно, что каждый отдельный ряд зависит от моделей, заложенных в программном обеспечении, и априорной информации, использовавшейся при его выводе, а также от методов статистической обработки. Целью пилотных проектов Международной службы лазерной локации (ILRS), проводимых в настоящее время среди центров анализа SLR информации, и в которых наше решение представляло Центр анализа лазерных данных ИПА РАН (IAA ААС), как раз и является унификация моделей, использующихся в лазерной дальнометрии, а также практическое применение выработанной методики к образованию сводного ряда ПВЗ для Международной Службы Вращения Земли и Систем Отсчета (IERS - International Earth Rotation Service and Reference Systems).
Качественно другим подходом к получению сводного ряда ПВЗ является метод объединения измерений на наблюдательном уровне, который позволяет избежать дополнительных ошибок, обусловленных различием моделей, описывающих физические процессы, и добиться взаимной согласованности этих моделей. Кроме того, не менее важным направлением является применение методов стохастического моделирования для описания высокочастотных составляющих параметров моделей. Именно этим вопросам и посвящается данная диссертация.
Целью работы является:
• разработка единой методики, которая позволяет решать задачи астрономии и геодинамики на основе совместной обработки и коллокации различных наблюдательных средств;
• применение разработанной методики к задачам определения взаимной ориентации различных систем координат, уточнения параметров вращения Земли и земной системы отсчета.
Структура и содержание диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она изложена на 113 страницах, содержит 16 таблиц и 10 рисунков. Список литературы включает 124 наименования.
Первая глава содержит:
• краткий обзор развития методов SLR и VLBI наблюдений;
• перечисление геодинамических, геодезических и эфемеридных параметров, которые могут быть уточнены из обработки как SLR, так и VLBI измерений;
• постановку задачи совместной обработки SLR и VLBI наблюдений для определения параметров ориентации Земли, перспективы дальнейшего развития метода комбинации различных типов измерений.
Во второй главе рассмотрены:
• математическая модель редукции как SLR, так и VLBI измерений;
• вопросы, связанные с распространением оптических и радиосигналов (в вакууме и в атмосфере) от наблюдаемого объекта до станции, расположенной на поверхности Земли;
• проблемы редукции координат станции и вычисления ее положения в квазиинерциальной системе отсчета.
В третьей главе приведены основные уравнения, использующиеся для
• построения динамических теорий движения искусственных спутников Земли;
7
• вычисления изохронных производных по параметрам модели SLR наблюдений искусственных спутников Земли.
В четвертой главе приведены результаты применения описанных в главах 2 и 3 моделей для решения нескольких астрономических задач.
Одной из таких задач, решение которой опирается на высокоточные дифференциальные радиоинтерферометрические наблюдения космических аппаратов и находящихся на близких от них угловых расстояниях внегалактических радиоисточников, является фундаментальная проблема астрометрии об определении взаимной ориентации различных систем отсчета. Было показано, что использование даже небольшого массива современных радиотехнических наблюдений космического зонда ФОБОС-2 на фоне квазаров дает возможность определить углы взаимной ориентации динамической и внегалактической систем координат с точностью не хуже сотых долей угловой секунды.
Следующая задача, решение которой основано на высокоточных SLR наблюдениях геодинамических ИСЗ - это задача об одновременном уточнении земной системы отсчета и параметров вращения Земли, входящих в описание взаимосвязи земной и небесной систем координат. Представленные в главах 2 и 3 модели, использующиеся для описания светолокационных измерений ге о динамических ИСЗ, были применены для обработки 28 - дневных рядов дальностей до спутников LAGEOS и Эталон, служивших наблюдательной основой пилотных проектов, проводимых Международной службой лазерной локации. Полученные из обработки ряды параметров вращения Земли и координат станций были использованы в ILRS для выработки оптимальной методики обработки лазерных наблюдений, а также для синтеза сводного решения, получаемого путем комбинации индивидуальных решений различных аналитических центров. Оценки точности данного решения, выведенные независимыми центрами ILRS по анализу и сравнению лазерной светодальнометрии,
8
показывают, что использование данной модели позволяет определять параметры вращения Земли и земную систему координат с точностью, соответствующей современным требованиям IERS.
И последняя, третья задача, рассмотренная в данной работе -задача об определении параметров вращения Земли на основе комбинирования SLR и VLBI техник на уровне наблюдений. В данной работе была разработана методика совместной обработки SLR измерений геодинамических ИСЗ типа LAGEOS и Эталон и VLBI наблюдений внегалактических радиоисточников для определения параметров вращения Земли. Показано, что соединение достаточно разреженных рядов VLBI измерений с непрерывным и однородным рядом светолокационных данных позволяет уточнить все пять параметров вращения Земли на всем интервале наблюдений. Кроме того, применение методов стохастического оценивания параметров модели дает возможность изучать субсуточные колебания ПВЗ.
В заключении перечислены основные результаты, выносимые на защиту.
Научная новизна работы заключается в следующем:
• разработана методика совместной обработки лазерных измерений дальности до геодинамических спутников LAGEOS 1 и LAGEOS 2, Эталон 1 и Эталон 2 с целью одновременного уточнения земной системы координат и определения параметров вращения
Земли;
• разработанная методика успешно применена к обработке рядов наблюдений спутников LAGEOS 1 и LAGEOS 2, Эталон 1 и Эталон 2 в рамках пилотных проектов Международной службы лазерной локации;
• проведена обработка дифференциальных VLBI наблюдений космического аппарата ФОБОС-2 и находящихся на близких угло-
9
вых расстояниях квазаров, и определены углы взаимной ориентации динамической и внегалактической систем отсчета;
• разработана методика совместной обработки светолокационных наблюдений геодинамических спутников и радиоинтерфероме-трических наблюдений внегалактических радиоисточников на сверхдлинных базах;
• с помощью разработанной методики проанализированы SLR наблюдения спутников LAGEOS 1, LAGEOS 2, Эталон 1, Эталон 2 и VLBI наблюдения квазаров и определены параметры вращения Земли и координаты небесного полюса с высоким временным разрешением.
Практическая ценность работы определяется использованием в настоящее время результатов обработки SLR измерений геодинамических спутников Земли в рамках пилотных проектов Международной службы лазерной локации, а также возможностью использования методики совместной обработки светолокационных наблюдений ИСЗ LAGEOS I, LAGEOS 2, Эталон 1, Эталон 2 и радиоинтерферо-метрических наблюдений внегалактических радиоисточников для целей службы ПВЗ, функционирующей в настоящее время в ИПА РАН.
Апробация работы
Основные результаты, полученные в работе, докладывались на следующих конференциях:
1. Всесоюзное совещание "Динамика механических систем", Томск, СССР, 3-10 июня 1989г.;
2. Ill International School on Space Research, Suzdal, USSR, 4-8 February, 1991;
10
3. Всесоюзное совещание "Эфемеридная астрономия и позиционные наблюдения", Санкт-Петербург, Россия, 23-25 апреля 1991;
4. Joint European Conference on Radioastronomy, Cambridge, UK, 12-18 September, 1994;
5. Всероссийская конференция с международным участием "Современные проблемы и методы астрометрии и геодинамики", С.Петербург, Россия, 1996;
6. Journees 1999 "Systemes de reference spatio-temporels and IX Lohr-mann- Kolloquium", Dresden, Germany, 13-15 September, 1999;
7. Joint European and National Astronomical Meeting (JENAM-2000), Moscow, Russia, May 29 - June 3, 2000;
8. Всероссийская астрономическая конференция, С. - Петербург, Россия, 6-12 августа 2001;
9. Celestial mechanics: results and prospects, IAA RAS, St.Petersburg, Russia, 10-14 September, 2002;
10. ILRS/AWG Workshop N8, Nice, France, April 3-4, 2003;
11. Journees 2003 "Astrometry, geodynamics and solar system dynamics: from milliarcseconds to microarcseconds", St.Petersburg, Russia, 22-25 September, 2003.
Результаты диссертации опубликованы в работах
1. Кривова (Шуйгина), Н.В., 1990, Первые результаты обработки локационных и VLBI наблюдений космических зондов, в сб.: "Динамика механических систем", Томск, изд.ТГУ, с.137-142.
2. Кривова (Шуйгина), Н.В., 1991, Применение радиоинтерфероме-трических и допплеровских наблюдений космических аппаратов для определения ориентации каталога квазаров, в сб.: "Эфемеридная астрономия и позиционные наблюдения", С. - Петербург, ИТА РАН, с.66-69.
11
3. Кривова (Шуйгина), Н.В., 1992, Определение взаимной ориентации квазарнои и динамической систем отсчета по наблюдениям космического аппарата ФОБОС-2, Препринт ИПА РАН N 43, С. - Петербург, 16 с.
4. Shuygina, N.V., 1995, Determination of the relative orientation between radio and dynamical reference frames using VLBI observations of spacecraft, CUP, computer version, pp. 1-5.
5. Васильев, М.В., Шуйгина, Н.В., 1999, Опыт использования программного комплекса ЭРА для обработки светолокационных наблюдений ИСЗ LAGEOS, Труды ИПА РАН, вып. 4, с.51-60.
6. Shuygina, N.V., 2000, Determination of the Earth rotation parameters from the LAGEOS SLR and VLBI data, Proc. Journees 1999 and IX Lohrmann-Kolloquium, M.Soffel and N.Capitaine (eds.) "Motion of Celestial bodies, Astrometry and Reference Frames", pp.214-216.
7. Malkin, Z., Shuygina, N., 2000, International Laser Ranging Service, Annual Report 2000, NASA/TP-2001-209987, pp.(7)-10.
8. Shuygina, N.V., 2000, Determination of the Earth orientation parameters from LAGEOS SLR and VLBI data analysis, Book of abstracts of JENAM-2000, Moscow, Russia, pp.167.
9. Шуйгина, Н.В., 2001, Определение геодинамических параметров из SLR наблюдений для пилотных проектов Международной службы лазерной локации, Труды ИПА РАН, вып. 6, с.240-254.
10. Krasinsky, G., Malkin, Z., Shuygina, N., Aleshkina, E., Ivanova, Т., 2001, International Laser Ranging Service, Annual Report 2001, NASA TP-2002-211610, pp.(7)-23.
11. Шуйгина, Н.В., 2001, Опыт использования программного комплекса ЭРА в пилотных проектах Международной службы лазерной локации, Всероссийская астрономическая конференция, Тезисы докладов, С.-Петербург, с.200.
12
12. Ivanova, T.V., Shuygina, N.V., 2002, Analysis of SLR observations of the Etalon geodetic satellite, In: "Celestial mechanics: results and prospects", IAA Transactions, N 8, pp.90-91.
13. Shuygina, N.V., 2003, Determination of EOP from combination of SLR and VLBI data at the observational level, Book of abstracts Journees 2003 "Astrometry, geodynamics and solar system dynamics: from mil-liarcseconds to microarcseconds", p.63.
14. Ivanova, T.V., Shuygina, N.V., 2003, Variations of the second order harmonics of geopotential from the analysis of the Etalon SLR data for 1992-2001, Book of abstracts Journees 2003 "Astrometry, geodynamics and solar system dynamics: from milliarcseconds to microarcseconds", p.33.
Вкладом автора в работы, выполненные в соавторстве, является: [5] - построение базы данных SLR наблюдений ИСЗ LAGEOS 1 и LAGEOS 2, реализация подпрограмм для учета релятивистских поправок в уравнениях движения ИСЗ, обработка наблюдательного материала, вывод параметров вращения Земли; [7], [10] - отчет о работе за год в составе Присоединенного центра
по анализу лазерных данных ИПА РАН;
[12], [14] - вывод алгоритма перевзвешивания SLR наблюдений различных ИСЗ и разработка программного обеспечения для определения геодинамических параметров из обработки SLR наблюдений двух и более искусственных спутников Земли.
13
ГЛАВА I
Определение астрономических и геодинамических параметров с помощью SLR и VLBI измерений
1.1 Развитие глобальной сети SLR станций. Основные геодезические и геодинамические проекты
Методика спутниковой лазерной дальнометрии (SLR) была впервые протестирована с помощью аппарата BEACON-Explorer-B, запущенного в октябре 1964 г. Первые успешные лазерные наблюдения были получены в 1965 г. и имели точность около 3 метров в расстоянии до объекта, находящегося на расстоянии порядка 1000 километров над поверхностью Земли. Новая эра в развитии лазерной дальнометрии началась в 1976 г. после запуска ИСЗ LAGEOS. С этого момента спутниковая лазерная дальнометрия становится одним из основных методов геодинамических и геофизических исследований. Непрерывный рост точности светолокационных наблюдений (за 40 лет точность SLR измерений выросла на 3 порядка и достигла миллиметрового уровня) и совершенствование методик обработки этих измерений привели к тому, что в течение долгого времени SLR наблюдения служили основным источником информации о неравномерности вращения Земли, а именно, о координатах полюса и вариациях длины дня.
В последнее десятилетие с развитием новых высокоточных методов наблюдения, таких как VLBI, GPS, DORIS, SLR методика потеряла лидирующее место в определении параметров вращения Земли. Однако, метод спутниковой дальнометрии остается по-прежнему высокоэффективным для решения таких задач, как:
• установление (в кооперации с другими высокоточными космическими техниками) глобальной земной системы отсчета (ITRF) и ее привязка к центру масс Земли;
14
• мониторинг деформаций земной коры как в глобальном, так и региональном масштабах;
• определение параметров вращения Земли для выявления высокочастотных составляющих координат полюса и вариаций угловой скорости Земли;
• определение движения центра масс Земли;
• уточнение некоторых астрономических констант (чисел Лява, коэффициентов геопотенциала);
• построение и уточнение параметров моделей земных и океанических приливов.
В настоящее время современная сеть SLR станций содержит порядка 160 наблюдательных пунктов, расположенных по всей Земле и оснащенных аппаратурой различного класса. Эти наблюдательные пункты объединены по географическому признаку в три сети:
• NASA (National Aeronautics and Space Administration) сеть, сформированная конце 70-х годов и объединяющая станции, расположенные на северо- и южноамериканском континентах;
• EUROLAS (European Laser Stations) сеть, в которую входят станции Западной Европы и северной Африки;
• WPLTN (Western Pacific Laser Tracking Network) сеть, включающую в себя наблюдательные пункты Восточной Европы, Азии и Австралии.
Эти станции проводят наблюдения на регулярной основе, а результаты наблюдений становятся доступны с временной задержкой в 1-2 дня в двух международных базах данных - американской базе данных Годдардовского центра управления полетами CDDIS (Crustal Dynamics Data Information System) и европейской базе EDC (EUROLAS Data Center).
15
Локальные и региональные сети наблюдательных пунктов составляют основу для проведения комплексных международных программ, среди которых можно выделить наиболее крупномасштабные проекты такие, как CDP (Crustal Dynamical Project) и WEGEN-ER, в результате которых были получены качественно новые оценки сложных немоделируемых эффектов во вращательном движении Земли, тектонических подвижек земной коры.
С момента запуска первого ИСЗ, использованного для целей SLR, созвездие лоцируемых спутников значительно выросло как количественно, так и качественно. Теперь к группе регулярно лоцируемых спутников относятся не только ИСЗ LAGEOS 1 и LAGEOS 2, Эталон 1 и Эталон 2, специально предназначенные для проведения SLR наблюдений, но и такие геодезические спутники, как Starlette и Ajisai, ИСЗ глобальной системы местоопределения GLONASS-78 и 80, GPS-35, 36, сенсорные спутники TOPEX/Poseidon и JASON-1, а также экспериментальные ИСЗ CHAMP и SUNSAT.
Совершенно очевидно, что для эффективного использования многочисленных наблюдательных средств для решения как прикладных, так и чисто теоретических проблем требуется строгая международная кооперация. Именно для этих целей в конце 1998 года была создана Международная служба лазерной локации (Pearlman et al., 2000), координирующая деятельность сети станций, центров глобальных и региональных лазерных данных, центров анализа наблюдательной информации. Одной из главных задач современного этапа развития ILRS является выработка общей стратегии комбинирования результатов обработки SLR и LLR наблюдений в целях получения сводного, так называемого Стандартного решения (ряда параметров вращения Земли и координат наземных пунктов), как официального ILRS продукта, поставляемого на регулярной основе в Международную Службу Вращения Земли и Систем Координат.
16
1.2 Программы астро- и геодинамических исследований методами VLBI. Основные идеи и История развития
Метод радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (VLBI) был впервые изложен в 1965 г. (Матвеенко, 1965). Первые наблюдения были получены в 1967 г. (Hinteregger, 1972), а начиная с 1972 г. начались регулярные VLBI наблюдения по геодинамическим программам. Аппаратура, используемая в VLBI технологии непрерывно совершенствовалась, и это оказало большое влияние на повышение точности наблюдений. Как и в случае лазерной дальнометрии, точность VLBI измерений временной задержки выросла за 3 десятилетия на 3 порядка и составляет в настоящее время несколько пикосекунд.
Очевидно, что наиболее значимые результаты, полученные с помощью VLBI наблюдений на антеннах, объединенных в глобальную сеть. Поэтому уже с конца 70-х годов регулярные наблюдения проводились на сети POLARIS (Carter, 1986), которая в 1984 г. была преобразована в сеть IRIS (Nothnagel, 1993; Gontier, 1993), а с 1992 г. -в сеть NEOS. С 1979 г. на многих телескопах, расположенных в основном на территории США, проводились наблюдения по проекту CDP, основной целью которого было изучение тектонических движений земной коры. В Англии успешно функционирует локальная сеть MERLIN. В России введена в эксплуатацию и принимает участие в международных геодинамических программах отечественная сеть Квазар-КВО. В настоящее время в NASA предпринимается попытка получения непрерывного ряда наблюдений на сети телескопов, охватывающей в основном территорию США, с целью уточнения моделей океанических и твердотельных земных приливов (МасМШап, 2003).
Значение метода радиоинтерферометрических наблюдений со сверхдлинными базами в области астрометрии и геодинамики трудно переоценить. Можно сказать, что появление VLBI методики про-
17 |
