Создание и использование универсального программного комплекса для решения задач гео- и селенодинамики из обработки современных наблюдений ИСЗ и Луны тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.01 ВАК РФ

Введение

I Современные наблюдения ИСЗ и Луны

1.1 SLR наблюдения.

1.2 LLR наблюдения.

1.3 GPS наблюдения.

II Уравнения движения спутников Земли

2.1 Построение динамических теорий в рамках системы ЭРА

2.2 Уравнения орбитального движения больших планет и Луны.

2.3 Уравнения вращательного движения Луны.

2.4 Уравнения орбитального движения искусственных спутников Земли.

2.5 Несферичность потенциала.

2.6 Переход от барицентрической инерциальной системы координат J2000 к селеноцентрической и геоцентрической вращающимся системам координат

2.7 Интегрирование уравнений в вариациях

2.7.1 Изохронные производные для уточнения начальных координат и скоростей искусственных спутников Земли.

2.7.2 Изохронные производные для уточнения параметров модели светового давления.

2.7.3 Изохронные производные для уточнения начальных геоцентрических координат и скоростей Луны

2.7.4 Изохронные производные для уточнения величины запаздывания земных приливов из LLR наблюдений

2.7.5 Изохронные производные для уточнения начальных значений углов либрации Луны и их производных

2.7.6 Изохронные производные для уточнения гравитационного потенциала Луны из LLR наблюдений

2.8 Аппроксимация численных теорий движения полиномами Чебышева.

III Обработка SLR наблюдений

3.1 Наблюдательный материал

3.2 Методика обработки.

3.3 Результаты тестирования

3.4 Резервы для улучшения принятой динамической модели движения ИСЗ LAGEOS.

IV Обработка LLR наблюдений 1969-1997 гг

4.1 Особенности принятой математической модели орбитального и вращательного движения Луны.

4.2 Результаты обработки LLR наблюдений

4.3 Резервы для улучшения принятой математической модели орбитального и вращательного движения Луны

V Обработка локальных GPS наблюдений

5.1 GPS наблюдения на локальной геодезической сети НП Зеленчукская.

5.2 Методика уточнения координат локальной сети станций по GPS наблюдениям.

5.3 Результаты определения координат локальной сети наблюдательного пункта Зеленчукская по GPS наблюдениям

VI Обработка наблюдений программы РЕКА

6.1 вРБ наблюдения в региональных программах РЕКАи РЕКА-94.

6.2 Методика обработки.

6.3 Результаты обработки

В последние три десятилетия сформировался набор измерительных средств, позволяющих проводить наблюдения наивысшего на сегодняшний день уровня точности для решения задач геодезии и геодинамики, определения параметров вращения Земли (ПВЗ), построения земной и небесной систем координат, синхронизации удаленных шкал времени и т.д. К этим средствам обычно относят радиоинтерферометрию со сверхдлинными базами (PCДБ), светолокационные наблюдения Луны (LLR) и искусственных спутников Земли (SLR), систему DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite), навигационные спутниковые системы GPS (Global Positioning System) и ГЛОНАСС (Глобальная Навигационная Спутниковая Система). Уже существует десятки станций, оснащенных наблюдательными средствами этого типа и их число постоянно растет. Обычным явлением стало также размещение на наблюдательных пунктах сразу нескольких видов аппаратуры, позволяющих проводить измерения различных типов. Широкое распространение получили мобильные наблюдательные комплексы, применяемые, как правило, для решения задач региональной геодезии и геодинамики.

Для обработки таких наблюдений создано и создается множество компьютерных программ, особенностью которых, за редким исключением, является работа только с одним типом наблюдений. Поскольку точность всех типов перечисленных выше измерений сопоставима и составляет в настоящее время 9-10 значащих цифр в измеряемой величине, это приводит к тому, что имеют место, например, практически равноточные ряды ПВЗ, полученные из обработки отдельно GPS и отдельно SLR наблюдений. Для коллокации результатов обработки наблюдений различных типов применяются разные методы. Отметим только самый перспективный на наш взгляд из них - метод комбинирования условных уравнений, полученных разными пакетами программ при обработке разных типов наблюдений с использованием в качестве передаточного звена файлов в формате

SINEX (Software INdependent EXchange format) [54], которые должны содержать всю необходимую информацию для вычисления поправок к координатам станций, ПВЗ и эфемеридам наблюдаемых спутников. Однако и этот метод имеет определенные недостатки, к которым в первую очередь можно отнести несогласованность моделей редукции наблюдений, принятых в разных пакетах, даже для обработки одного и того же типа измерений.

Все это указывает на несомненную актуальность и перспективность создания программного комплекса, объединящего возможности обработки всех перечисленных типов наблюдений. Работу по его созданию можно условно разбить на несколько этапов. Первый из них предполагает разработку, отладку и тестирование программного обеспечения для обработки каждого типа наблюдений в отдельности на основе некого универсального подхода, например, как это было сделано в данной работе - на основе таблично-ориентированного подхода к обработке данных [6]. Под универсальным подходом здесь понимается следующее:

1. Общая для обработки всех наблюдений редукционная часть, касающаяся:

• Переходов между системами координат TRS и CRS [61];

• Учета приливных деформаций и влияния океанических и атмосферных нагрузок;

• Учета движения тектонических плит;

• Согласованной системы релятивистских поправок для всех типов наблюдений;

• Вычисления эфемерид тел Солнечной системы;

• Учета тропосферной рефракции.

2. Построение релятивистских динамических теорий движения спутников Земли на основе общей для всех них модели:

• Гравитационного потенциала Земли;

• Твердотельных и океанических приливных вариаций в потенциале Земли.

• Переходов между системами координат TRS и CRS;

• Гравитационных возмущений от Луны и больших планет Солнечной системы;

3. Общая база данных и средства доступа к ней;

4. Общие модули для оценивания параметров моделей из анализа рассогласований эфемеридных значений наблюдаемых величин с их измеренными значениями.

Отметим, что за исключением РСДБ все перечисленные типы измерений относятся только к светолокационным или радиотехническим наблюдениям спутников Земли. То есть, задача создания универсального пакета может быть условно разбита еще на две части, связанные с обработкой наблюдений квазаров и спутников Земли, соответственно.

На сегодняшний день важной проблемой остается и обработка све-толокационных наблюдений Луны. Это связано с резким повышением в последнее десятилетие точности LLR наблюдений и, как следствие, необходимостью построения адекватной по точности теории орбитально-вращательного движения Луны. Решение последней задачи невозможно без создания современной высокоточной численной теории движения больших планет. Кроме того, данные наблюдения несут уникальную информацию о селенодинамических параметрах, изучение которых приобретает в последнее время особую актуальность.

Большое практическое значение имеет также обработка GPS измерений, выполненных в ходе локальных и региональных наблюдательных кампаний. Первые из них позволяют решать задачи геодезической привязки в пределах одного наблюдательного пункта, вторые - кроме задач высокоточной привязки к TRS, дают возможность изучать геодинамику данного региона.

Целью работы является:

Разработка единой методики и создание пакета программ для обработки SLR, LLR и GPS наблюдений, который позволит решать задачи их совместной обработки и коллокации различных наблюдательных средств и его тестирование на следующем наблюдательном материале:

1. LLR наблюдения 1969-1997 годов;

2. SLR наблюдения за период 1993-1994 годов;

3. GPS наблюдения региональных кампаний РЕКА 1993 и 1994 годов;

4. GPS наблюдения, выполненные на локальной геодезической сети наблюдательного пункта ИПА РАН Зеленчукская.

Структура и содержание диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Она изложена на 102 страницах, содержит 14 таблиц и 2 рисунка. Список литературы включает 85 наименований.

Заключение

Ниже перечислены основные научные результаты, выносимые автором на защиту

1. Единая методика обработки SLR, LLR и GPS наблюдений, реализованная в виде комплекса программ, позволяющего определять геодезические, reo- и селенодинамические параметры на современном уровне точности.

2. Методика построения и улучшения динамических теорий орбитального движения спутников Земли и орбитально-вращательного движения Луны, которая реализована в виде подсистемы проблемно-ориентированного программного комплекса ЭРА.

3. Обработка LLR наблюдений 1969-1997 гг. По ее результатам уточнены параметры селенопотенциала и величина векового изменения среднего движения Луны.

4. Результаты обработки региональной GPS кампании РЕКА. Получены два набора координат станций северокавказской региональной сети на эпохи 1993.5 и 1994.5, привязанные к координатной системе ITRF94.

Работа выполнена в лаборатории эфемеридной астрономии ИПА РАН.

Автор выражает благодарность своему научному руководителю Г.А. Красинскому за внимание и поддержку, оказанную при написании данной работы. Автор также признателен сотрудникам ИПА РАН А.Ю.Алешкиной, Е.В.Питьевой и Н.В.Шуйгиной за полезные дискуссии и помощь, оказанную при тестировании программного комплекса ЭРА в части обработки SLR и LLR наблюдений.

1. Алешкина Е.Ю., Васильев М.В., Красинский Г.А. Некоторые результаты анализа анализа наблюдений Луны 1970-1995 гг. Труды ИПА РАН, 1997, вып. 1, 262 274.

2. Бекер М.Н., Кумкова И.И., Олифиров В.Г., Райнхарт Е., Финкель-штейн A.M., Шемпелев А.Г. Первые результаты GPS кампаний ВЕГЕНЕР в регионе Северного Кавказа. Труды ИПА РАН, 1997, вып. 1, 155-169.

3. Васильев М.В., Красинский Г.А., Питьева Е.В. Опыт использования инструментально-программного комплекса СИРИУС для наблюдений навигационных спутников. Сообщ. ИПА РАН, 1993, N 55.

4. Васильев М.В., Кумкова И.И. Обработка GPS наблюдений кампаний РЕКА-93 и РЕКА-94. Труды ИПА РАН, 1999, вып. 4, 36-51.

5. Васильев М.В., Шуйгина Н.В. Опыт использования программного комплекса ЭРА для обработки светолокационных наблюдений ИСЗ LAGEOS. Труды ИПА РАН, 1999, вып. 4, 51-61.

6. Васильев М.В., Красинский Г.А. Универсальная система программирования для эфемеридной и динамической астрономии. Труды ИПА РАН, 1997, вып. 1, 228-248.

7. Васильев М.В. Комплекс программ для геодезического обеспечения пунктов радиоинтерферометрической сети КВАЗАР по наблюдениям спутников системы НАВСТАР. XXVI радиоастрономическая конференция, 1995, 18-22 сентября, ИПА РАН, Санкт-Петербург, 286-287.

8. Вытнов A.B., Жуков Е.Т., Лагузова Я.Л., Смоленцев С.Г. Хранение и привязка шкал времени на станциях радиоинтерферомети-рической сети КВАЗАР Труды ИПА РАН, 1997, вып. 2, 276-285.

9. Глобальная спутниковая навигационная система ГЛОНАСС Интерфейсный контрольный документ.-М.:Изд. Главкосмос СССР, 1991.-45 с.

10. Казаринов A.C., Малкин З.М. О геодезическом обеспечении РСДБ-сети КВАЗАР Труды ИПА РАН, 1997, вып. 2, 286-299.

11. Кешин М.О.,1997, Определение неоднозначностей фаз и исправление ошибок потери цикла в фазовых измерениях спутников GPS. Препринты ИТА РАН, 67, 39 стр.

12. Красинский Г.А. Приливные эффекты во вращательном движении Земли и Луны. 1. Математическая модель. Труды ИПА РАН, 1998, вып. 3, 96-124.

13. Люк Ю. Специальные математические функции и их аппроксимация. М.:Мир, 608 с.

14. Малкин З.М. Решение задач фундаментального координатно-временного обеспечения классическими и спутниковыми методами. Дисс. . доктора физ.-мат. наук, С-Петербург, 1997.

15. Малкин З.М. Определение параметров вращения Земли из SLR наблюдений в ИПА РАН. Труды ИПА РАН, 1997, вып. 1, 113-132.

16. Тарасевич C.B. Программы RADA19 и RADA27 эффективного численного интегрирования с высокой точностью систем обыкновенных дифференциальных уравнений 1 и 2 порядка. Алгоритмы небесной механики. Ленинград: ИТА АН СССР, 1975, N 45.

17. Agrus, D.F., and Gordon, R.G., 1991, No-Net-Rotation Model of current Plate Velocities Incorporating Plate Motion Model NUVEL-1, Geophys. Res. Let., 18, pp.2039-2042.

18. Air Force Cambridge Research Laboratories, Bull.Geodesique,94,443-444, 1969.

19. Aleshkina, E.Yu., Krasinsky, G.A., Vasilyev M.V. Analysis of LLR data by the Program System ERA. IAU Coll. N 165, Poznan, Poland, eds I.M.Wytrzyszczak, J.H.Lieske, R.A.Feldman, 1997, 225-232.

20. Barker, E.S.,O.Calame,J.D.Mulholland, and P.J.Shelus, Improved coordinates for Lunakhod 2 based on laser observations from McDonald Observatory, Space Research,XV,71-74,1975.

21. Bastos L., Landau H., 1988, Fixing cycle slips in dual-frequency kinematic GPS-application using Kalman filtering. Manuscripta geodetica, 13, pp. 249-256

22. Belikov,M.V. Method of numerical integration with uniform and mean square approximation for solving problems of ephemeris astronomy and satellite geodesy, Manus.Geod., 1993, v.15, N 4, pp. 182-200.

23. Bender, P.L., D.G. Currie, R.H. Dicke, D.H. Eckhardt, J.E. Faller, W.M. Kaula, J.D. Mulholland, H.H. Plotkin, S.K. Poultney,

24. E.C. Silverberg, D.T. Wilkinson, J.G. Williams and C.O. Alley: The lunar laser ranging experiment, Science, 182, 229-238, 1973.

25. Beutler, G.,E.Brockmann, U. Hugentobler, L.Mervart, M. Rothacher, and R. Weber Combining Consecutive Short Arcs into Long Arcs for Precize and Efficient GPS Orbit Determination, Journal of Geodesy, 70, 287-299, 1996.

26. Beutler, G., R. Neilan, and I.I. Mueller, The International GPS Service for Geodynamics (IGS): the story, in IAG Symp. N 115, GPS trends in precise terrestrial, airborn and spaceborn applications, Springer-Verlag, pp. 3-13, 1995.

27. Blewitt G. and S.M. Lichten Carrier phase ambiguity resolution up to 12000 km: Results from GIG'91 experiment, in Proc. of the Sixth Int. Symp. on Satellite Positioning, Columbus, Ohio State University, 1992.

28. Bossier, J., C. Goad, and P.L. Bender Using Global Positioning system (GPS) for geodetic positioning, Bull.Geod., Vol.54, 553-563, 1980.

29. Boucher, C., Altamini, Z., Feissel, M., and Sillard, P., 1996, Results and Analysis of the ITRF94, IERS Technical Note 20, Observatoire de Paris, Paris.

30. BSW Electronic Mail. Message Number 0011.

31. BSW Electronic Mail. Message Number 0012.

32. Counselmann, C.C. The Macrometer interferometric surveyor, in Symposium on Land Information at the Local Level, 233-241,Univ. of Maine, Orono, 1982.

33. Counselmann, C.C., and I.I. Shapiro Miniature interferometer terminals for Earth surveying, Bull.Geod., Vol.53, N 2, 139-163, 1979.

34. Crow, R.B.,F.R. Bletzacker, R.J. Najarian, G.H. Purcell, J.I.Statman, and J.B. Thomas, SERIES-X final engineering report, JPL Document D-1476, Jet Propalsion Laboratory, Pasadena, Calif., 1984.

35. Cunningham L.E. On the computation of the spherical harmonic needed during the numerical integration of the orbital motion of artificial satellite. Celes. Mech., 1970, Vol. 2, N 2, 207-216.

36. Everhart F. Implicit single-sequence methods for integration orbits. Ce-lest. Mech., 1974, 10, 35-36.

37. Explanatory Suppliments to the Astronomical Almanac. Edited by Sei-delman P.K. Univercity Science books, Mill Valley, California, 1992.

38. Daly P. Aspects of the Soviet Union's Glonass satellite navigation system, Navigation (USA),1988,Vol.41,N 2, 186-198.

39. Degnan J.J. Millimiter Accuracy Satellite Laser Ranging: A Review. Contributions of Space Geodesy to Geodynamics: Technology, Geody-namics Series, 1993, Vol. 25, 133 162.

40. Dickey J.O., Bender P.L.,Faller J.E., Newhall XX., Ricklefs R.L., Ries J.G., P.J. Shelus, Veillet C., Whipple A.L.,Wiant J.R., Williams J.G, Yoder C.F. Lunar Laser Ranging: A Continuing Legacy of the Apollo Program, Science, 265, 482-490, 1994.

41. Faller J.E., I.Winer, W.Carrion, T.S. Johnson, P.Spadin, L.Robinson, E.J.Wampler and D.Wieber: Laser beam directed at the lunar retrore-flector array: observations of the first returns, Science, 166, 99-102, 1969.

42. Finkelstein, A.M., A.V. Grachev, V.S. Gubanov, A.V. Ipatov, M.N. Kaidanovskii, A.A. Kozyrenko, E.I. Korkin, A.A. Stotskii. Eurasian VLBI Network Quasar. Turkish Journal of Physics. 1995, 19, 1445-1452.

43. Fliegel H.F.,Gallini T.E., and Swift E.R. Global Positioning System Radiation Force Model for Geodetic Application, Geophysical Research Letters, 97(B1), 559-568, 1992.

44. Gurtner, W., RINEX: The Receiver-Independent Exchange Format, GPS World, 1994, 5(7), pp. 48-52.

45. Gurtner W., Mader Gerald L., The RINEX format: current status, future developments. Proc. of second international symposium on precise98positioning with the Global Positioning System, September 3-7 1990, Ottawa.

46. Harrington R., Christy J.W. The satellite of Pluto. Astron. Astrophys, 1981, Vol. 86, 442-443.

47. Helmert, F.R., Die Ausgleichsrechnung nach der Methode der kleinsten Quadrate, Teubner, Leipzig, 1872.

48. Hopfield, H.S., 1969, Two-Quartic Tropospheric Refractivity Profile for Correcting Satellite Data, J. Geophys. Res., 74, pp. 4487-4499.

49. Huang C., Ries J.C, Tapley B.D., and Watkins M.M. Relativistic Effects for Near-Earth Satellite Orbit Determination, Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy 48:167-185,1990.

50. Johnson, C.W., C.A.Lundquist, and J.L. Zuransky, The Lageos Satellite, Presented at the International Astronautical Federation XXVIIth Congress, Anaheim, CA, October 1976.

51. Kouba, J.(1996), SINEX format description version 1.0, e-mail send to all IGS Analysis Centers.

52. Kozai Y., Lunar laser ranging experiments in Japan, Space Research, XII,211-217,1972.

53. Krasinsky G.A., Vasilyev M.V. ERA: knowledge base for ephemeris and dynamical astronomy. IAU Coll. N 165, Poznan, Poland, eds I.M.Wytrzyszczak, J.H.Lieske, R.A.Feldman, 1997, p.p 239-244.

54. Lascar J.,Jacobson R.A. An analytical ephemeris of the Uranian satellites. Astron. Astrophys, 1987, Vol. 188, 212-224.

55. Lieske J.H. Theory of Motion of Jupiter's Galilean Satellites. Astron. Astrophys., 1977, Vol. 56, 333-352.

56. Lichtenegger H., Hofmann-Wellenhof B., 1988, GPS data preprocessing for cycle-slip detection. Global Positioning system: An overview. Eds. Y. Bock and N.Leppard, IAG symposium 102, Springer-Verlag, New-York, pp. 57-68.

57. MacDoran, P.F. Satellite Emission Radio Interferometric Earth Surveying Series-GPS geodetic system, Bull.Geod.,Vol. 53,117-138,1979.

58. McCarthy D.D (edd.) IERS Standarts (1996). IERS Technical Notes, 21, Paris, 1996.

59. Mervart, L., Ambiguity Resolution Techniques in Geodetic and Geody-namic Applications of the Global Positioning System. Inauguraldissertation der Philosophisch-naturwissenschaftlichen Fakultat der Universität Bern.

60. Mitrikas V.V., Bykhanov E.V., Revnivykh S.G. Transformation parameters from PZ90 to WGS84 for common use of GLONASS and GPS. Presentation on the International Radionavigation conference. Moscow. June 1997.

61. Newhall XX., личное сообщение, 1996.

62. Newhall, XX,Standish, E.M., and Williams, J.G. DE102: a Numerically Integrated Ephemeris of the Moon and Planets Spanning Forty-Four Centuries. Astron. Astrophys. 125, 150-167.

63. Remondi, B.W. Extending the National Geodetic Survey Standard GPS Orbit Formats. Technical Report Nos 133 NGS 46, NOAA, USA, 1993.

64. Rothacher, M., Mean Antenna Phase Offsets and Elevation-Dependent Phase Center Corrections, submitted by E-mail to all Analysis Centers (July, 1, 1996).

65. Rothacher M., T.A. Springer, S. Schaer, G. Beutler Processing Strategies for Regional GPS Networks. In the proceedings of the IAG General Assembly in Rio de Janeiro in September 1997.

66. Silveberg,E.C,and D.G.Currie, A description of the lunar ranging station at McDonald Observatory, in: Space Research XII, Akademie-Verlag,Berlin, 1972.

67. Shaer, S.,G. Beutler,M. Rothacher, T.A. Springer Daily Global Ionosphere Maps Based on GPS Carrier Phase Data Routinely Produced by the CODE Analysis Center. Presented at the IGS AC Workshop, Silver Spring, MD, USA, March 19-21, 1996.

68. Shapront-Touse M. Личное сообщение, 1988.

69. Shelus,P.J.,MLRS:lunar/artificial satellite laser ranging facility at the McDonald Observatory, IEEE trans, on Geosci. and Rem. Sens.,GE-234,385-390, 1985.

70. Slabinski V.J. A numerical solution for LAGEOS thermal thrust:the rapid-spin case. Celes. Mech., 1997, 66, 131-179.

71. Slater ,J., A.,P. Willis, W. Gurtner, C. Noll, G. Beutler, G. Hein, R.E. Neilan The International GLONASS Experiment (IGEX-98). Proc. ION GPS-98, Nashville, September 15-18, 1998, p.p. 1637-1643.

72. Springer T.A., W. Gurtner, M. Rothacher, S. Schaer EUREF Activities at the CODE Analysis Center. In proceedings of the International Seminar on GPS in Central Europe, Penc, Hungary.

73. Tapley, B.D., B.E. Shutz, R.J. Eanes, J.C. Ries, M.M. Watkins Lageos Laser Ranging Contributions to Geodynamics, Geodesy, and Orbital Dynamics. Contributions of Space Geodesy to Geodynamics: Earth Dynamics, Geodynamics Series, 1993, Vol. 24, 147 173.

74. Umarbaeva, N.,A. Diakov, A. Egorov, G.Krasinsky "Sirius-A" observes NAVSTARs in the campaign "GIG-91". Proc. of AGU Chapman Conference on Geodetic VLBI. Washington, D.C., April 21-26, 1991, 71-78.

75. Varghese, T., V. Husson, S. Wetzel, J. Degnan, and T. Zagwodzki, In-tercomparison of satellite laser ranging accuracy of three NASA stations through collocation, SPIE Proceedings, 887, pp. 64 71, 1988.

76. Vienne A., Duriez L. TASS1.6 Ephemeris of the Major Saturnian Satellites. Astron. Astrophys, 1995, Vol. 297, 588-605.

77. Ward P., An advanced NAVSTAR multiplex receiver, in Proc. IEEE 1980 Position and Navigation Symp.,1980.

78. Williams, J.G. Determining Asteroid Masses from Perturbations of Mars. Icarus 57, 13, 1984, 1-13.

79. Wooden W.H. Navstar Global Positioning System: 1985, in Proceedings 1st International Symposium on Precise Positioning with the Global Positioning System, Vol. 1, edited by Clyde Goad, 403-412, U.S. Department Of Commerce, Rockville, Maryland.