Добро пожаловать!  
 
    Российские геодизические спутники
    ГЕОИК
   
 
  English Version this Page
 

 
 
    Аннотация
Программа ГЕОИК, начатая в 1985 г., включала получение системы согласованных параметров Земли (ПЗ-90), состоящей из фундаментальных геодезических постоянных, геоцентрической системы координат, параметров фигуры и гравитационного поля Земли. Первоначально эта Программа, выполняемая Топографической службой Министерства обороны РФ, имела закрытый характер. В 1992 г. многие ее элементы были открыты, а радиовысотомерные измерения, обработанные с учетом полученной к тому времени системы согласованных параметров Земли (ПЗ-90), переданы в организации Российской академии наук и Мировой центр данных для открытого их использования.
    Введение
Космический геодезический комплекс ГЕОИК находится в эксплуатации с мая 1985 года. Основной его элемент - космический аппарат ГЕОИК - является одним из спутников cерии "Космос", предназначенных для изучения Земли и околоземного пространства. Косимический аппарат (КА) выводится на близкруговую орбиту высотой около 1500 км и наклонением 74 или 83 градусов. По состоянию на 1996 год было запущено 10 спутников, оснащенных как радиовысотомером (РВ), так и бортовой геодезической аппаратурой: радиотехнической доплеровской системой, ретранслятором радиотехнической запросной системы, системой световой сигнализации и хранения времени, лазерными уголковыми отражателями. При этом радиотехническая доплеровская система в течение 12 часов в сутки излучает сигналы на когерентных частотах 150 и 400 Мгц для измерения радиальной скорости, система световой сигнализации производит световые вспышки для фотографирования КА на фоне звезд, лазерные уголковые отражатели с эффективной площадью 0.024 м 2 и радиотехнический ретранслятор служат соответственно для отражения сигналов наземного лазерного дальномера и переизлучения сигналов наземного радиотехнического дальномера.
Расположенная на наземных пунктах наблюдения аппаратура измеряет доплеровскую радиальную составляющую скорости движения спутника относительно пункта наблюдения с погрешностью 1 - 3 см/с, по световым вспышкам определяет положение КА относительно звезд с погрешностью 1 - 1.5" , измеряет дальности до КА лазерами и радиотехническим дальномерами с погрешностями соответственно 0.5 - 1 и 1-2 м.
Основными научными результатами программы ГЕОИК являются: модели геопотенциала ПЗ-90 до 36-й степени разложения и ПЗ-200 до 200-й степени; уточненные координаты пунктов мировой космической геодезической сети (КГС), а также каталог высот геоида на акватории Мирового океана.
В настоящее время эта программа официально не завершена, и набор радиовысотомерной и траекторной информации по объектам ГЕОИК продолжается. По состоянию на май 1996 г. выполнение этой программы обеспечило получение десятью КА 19.3 млн. радиовысотомерных измерений. Фактическое время активного существования каждого КА составляло от нескольких недель до 18 месяцев. При этом иногда одновременно работало 2 КА, чаще - один. Список спутников, характеристики их орбит и время их функционирования приведены в Таблице 1.

Таблица 1

Список спутников программы ГЕОИК

No спутника Дата запуска Наклоне- ние,
град. 		Интервал набора информации Точность,
см 		Калибровочная попрака,
м
1 14.06.85 73.6 08.07.85 - 31.10.86 60 -17.0
2 11.02.86 73.6 03.03.86 - 28.03.86 140 -25.0
3 02.12.86 83.6 21.12.86 - 15.12.87 166 -36.5
4 19.02.87 73.6 09.03.87 - 12.10.87 105 -26.0
5 30.05.88 73.6 20.06.88 - 27.07.90 88 -22.9
6 28.08.89 73.6 18.09.89 - 26.09.90    
7 30.07.90 73.6 19.08.90 - 05.03.93    
8 10 01.93 73.6 10.01.93 - 23.07.93   -29.79
9 December 1994 73.6 18.12.94 - 28.07.95   -25.42

Точность измерений радиовысотометра (инструментальная ошибка) для разных спутников составила 0.5 - 0.8 м. Рабочая чостота - 9.5 Ггц (среднеквадратичная ошибка выровненных измерений для интервалов 1-2 сек и 10-12 сек соответственно составила 0.4 - 0.5 м и 1 м). Измерения проводились сиупечато одно измерение в секунду. Энергетический ресурс радиовысотометра составлял 10 часов непрерывной работы.
Результаты радиовысотомерных измерений (РВИ) ГЕОИК записывались на бортовые магнитофоны и раз в сутки сбрасывались по телеметрическим каналам на наземную станцию. В Центр обработки геодезических измерений ЦОГИ выполнялась расшифровка, предварительная обработка РВИ, расчет эфемерид КА, введение поправок в РВИ и вычисление высот уровня моря. Суточный резерв работы бортового радиовысотомера составлял 10 часов в сутки и 5 дней в неделю. Поэтому планирование работы РВ выполнялось под условием обеспечения максимальной равномерности покрытия Мирового океана подспутниковыми трассами. При планировании работы РВ некоторых КА был использован критерий обязательной поддержки каждого радиовысотомерного витка траекторными измерениями. Впоследствии выяснилось, что этот критерий привел к исключению РВИ на нисходящих витках через Атлантический океан. Измерения выполнялись в основном в одногерцовом режиме. Вследствие технических ограничений, некоторых огрехов планирования, имевшихся сбоев и отказов бортовой аппаратуры покрытие Мирового океана подспутниковыми трассами с качественными радиовысотомерными измерениями получилось в значительной мере неравномерным.
При обработке РВИ наиболее важными этапами являлись расчет эфемерид КА, введение поправок и вычисление высот уровня моря.
    Расчет эфемерид КА
Эфемериды КА ГЕОИК вычислялись для 5-суточных дуг с использованием только траекторной информации, полученной посредством лазерных, доплеровских, фотоизмерений и радиодальномерных измерений с мировой сети пунктов КГС. Точность измерений составляла:
    • доплер - 1 - 3 см/с;
    • лазер - 0.5 - 1 м;
    • радиодальномер - 1.5 - 2 м;
    • фотоизмерения - 1 - 1.5 І.
При расчете сил, действующих на КА, учитывалось влияние ГПЗ, притяжения Луны и Солнца, приливов в твердой Земле, световое давление, атмосферное сопротивление, прецессии, нутации и движение полюсов.
При расчете орбит использовалась модель ГПЗ ПЗ-90 до 36-й степени разложения. Она получена динамическим методом космической геодезии в результате комбинирования траекторной, в том числе радиовысотомерной, информации с глобально распределенной гравиметрической и радиовысотомерной информацией на Мировой океан, заданных в виде каталогов 5 х 5 о. Траекторная информация использована для определения начальных условий 16 длинных (5 суток) и 151 коротких (3 витка) орбитальных дуг, геоцентрических координат глобально распределенных пунктов сети, систематических поправок доплеровских, дальномерных и радиовысотомерных измерений, элементов взаимного трансформирования координат (система координат 1942 г.), 167 коэффициентов разложения геопотенциала в ряд по сферическим функциям, наиболее чувствительных к орбитам данного класса. Спутниковые радиовысотомерные измерения (31 пятисуточная дуга) участвовали в уточнении начальных условий дуг, в уточнении коэффициентов модели ГПЗ до 20-й степени и определении систематической (калибровочной) поправки РВ. Каталоги высот (1041 трапеция) и аномалий (1654 трапеции) использованы для уточнения модели ГПЗ до 36-й степени. В результате решения получены следующие параметры общеземного эллипсоида ПЗ-90 :

a = 6378136; b = 1/298.257839303

Исследования показали, что погрешность расчета эфемерид по радиусу-вектору на 5-суточных дугах составляет 1 м. Оценка радиальной составляющей погрешности расчета эфемерид по расхождениям высот морской поверхности в точках пересечения радиовысотомерных трасс подтвержлает приведенную оценку. Некоторые выбросы могут объясняться качаниями антенны высотомера. Номинальная точность ориентации антенны составляет 1 о.
    Формирование наборов альтиметрических высот морской поверхности
Из спутниковых радиовысотомерных измерений, поступающих в ЦОГИ, после их обработки формировались наборы альтиметрических высот морской поверхности. При этом обработка радиовысотомерных измерений сопровождалась расчетом океанических приливов и отклонений от геоида квазистационарного уровня моря. Учитывая невысокую точность РВИ, программой ГЕОИК не было предусмотрено обеспечение поправок в измеренные высоты морской поверхности за влияние внешней среды (тропосферной и ионосферной поправок, поправки за высоты волн и т.д.). Полагалось, что систематическая составляющая этих влияний исключается калибровочной поправкой. Хотя следует заметить, что спутник ГЕОИК-6 имел бортовой радиовысотомер, обеспечивший точность РВИ примерно 0.6 м. Этот уровень уже соизмерим с влиянием тропосферы.
Вычисление высот морской поверхности сопровождалось расчетом поправки за высоту морских приливов, вычисленной по модели Швидерского для 8 основных составляющих, заданных на узлы пересечения параллелей и меридианов с шагом 1 град. Программой расчета высот приливов предусмотрено введение поправочных членов за влияние долгопериодических приливов и приливов в твердой Земле с учетом нагрузки и самопритяжения.
Значения высот морской поверхности вычислялись посеансно на 5-суточных дугах, как разность высотной составляющей эфемерид КА и РВИ с сопутствующей информацией в виде поправок и значения модельной высоты геоида.
При получении эфемерид КА использовалась модель геопотенциала ПЗ-90. При вычислении высот геоида над эллипсоидом использовалась модель ПЗ-200 до 200-й степени разложения. Она получена в результате гармонического анализа и согласования с моделью ГПЗ ПЗ-90 каталога аномалий силы тяжести (АСТ), полученного осреднением исходных АСТ по трапециям 1 х 1 о.
При этом для создания каталога АСТ на земной шар использовались два вида исходных данных: высоты геоида, вычисленные как средние значения высот геоида по трапециям 1 х 1 о из обработки РВИ КА ГЕОИК, и каталог АСТ, полученный в Топографической службе Вооруженных сил России совместно с Центральным научно-исследовательским институтом геодезии, аэрофотосъемки и картографии (ЦНИИГАиК) по результатам гравиметрических наблюдений, выполненных на суше и акваториях Мирового океана. Для объединения этих двух видов информации о ГПЗ был разработан метод комплексирования радиовысотомерной и гравиметрической информации, основанной на локальной аппроксимации ГПЗ системой точечных масс. В результате получено 56840 значений АСТ. Оставшиеся 7960 аномалий были вычислены с привлечением зарубежных данных (модель GPM-2).
    Ошибка привязки времени
Номинальная точность привязки времени радиовысотомерных измерений к бортовой шкале времени составляет 1 мс. Вследствие эллиптичности Земли и орбиты КА максимальная ошибка в вычисленных высотах морской поверхности, обусловленная ошибкой привязки времени (ОПВ), составляет 40 см.
При использовании информации о разностях высот морской поверхности в точках пересечений радиовысотомерных трасс для каждого 5-суточного набора РВИ была выполнена оценка ОПВ. Однако, учет этой ошибки, приводя к снижению расзностей высот морской поверхности, значительно увеличивает дисперсию невязок радиовысотомерных измерений.
    Определение калибровочной поправки
Программой ГЕОИК не было предусмотрено выполнение прямой калибровки РВ, т.е. определения систематической (постоянной) инструментальной ошибки. Поэтому постоянная инструментальная ошибка РВ определялась геодезическим (орбитальным) методом по невязкам измерений. При этом допускалось, что на достаточно большом интервале осредняются как ошибки радиовысотомерных измерений, так и ошибки эфемерид и априорных высот геоида.
Для ГЕОИК-1, ГЕОИК-5, и ГЕОИК-6 значения калибровочные поправки (КП) были определены в процессе динамического решения задачи при получении системы согласованных параметров Земли (ПЗ-90). Они составили -17, -25 и -36.5 м соответственно. Эти значения являются достаточно стабильными на всем интервале функционирования этих КА. Однако для объектов ГЕОИК-6 и ГЕОИК-7 разброс невязок стал достигать не десятков дециметров, а десятков метров. Это скорее всего связано с переключениями полукомплектов бортового радиовысотомера и генератора частоты. Для указанных двух объектов потребовалось более тщательное определение КП на этапе уточнения эфемерид.
Справочные данные об отказах и переключениях на борту ГЕОИК-7 были недостаточными для определения моментов изменений в работе борта, поэтому пришлось проанализировать все 53 орбитальных дуги периода функционирования КА. Скачкообразные изменения в значении КП, превышающие 3 м, дали возможность разделить весь период на 6 групп. Причем, начиная с 3 августа 1992 г., наблюдается резкое изменение значений КП.
    Форматы данных
Форматы данных приведены в Таблице 2. Их содержание соответствует анологичным форматам записи данных альтиметра GEOSAT.

Таблица 2
Формат записи данных ГЕОИК ПЗ-90

Поле No Праметр Размер- ность Размер
1
    Всемирное время (от начала 1985 года)
сек. 4
2
    Дополнительное время
микросек. 4
3
    Широта
микроград. 4
4
    Долгота
микроград. 4
5
    Высота орбиты (ПЗ-90)
см 4
6
    Измеренная высота морской поверхности, осредненная за одну секунду
см 2
7
    Высота геоида (ПЗ-200)
см 2
8
    Поправка за океанические приливы, рассчитанная по модели Швидерского
см 2
9
    Калибровочная поправка
см 2
10
    Признак подстилающей поверхности:
      0 - вода
      1 - земля
      2 - лед
      3 - брак
  2
11
    Номер спутника (1-9)
  2
Длина записи в байтах 32

Высота спутника H над отсчетным эллипсоидом системы ПЗ-90 определяется как:

H (см) = Высота орбиты (ПЗ-90) (см) + 100000 х 1500 (км).

     ISADB Home Page
© Геофизический центр РАН, 1998
Дата обновления 25 сентября 1999