КОСМИ́ЧЕСКАЯ ГЕОДЕ́ЗИЯ

КОСМИ́ЧЕСКАЯ ГЕОДЕ́ЗИЯ, раз­дел гео­де­зии, в ко­то­ром для ре­ше­ния гео­де­зи­че­ских, гео­ди­на­ми­че­ских и гео­фи­зи­че­ских за­дач, а так­же за­дач ко­ор­ди­нат­но-вре­мен­нó­го обес­пе­че­ния (соз­да­ние сис­тем, обес­пе­чи­ваю­щих по­тре­би­те­лей дан­ны­ми о точ­ных ко­ор­ди­на­тах и вре­ме­ни) ис­поль­зу­ют­ся ре­зуль­та­ты на­блю­де­ний ис­кусств. и ес­теств. не­бес­ных тел. Объ­ек­та­ми на­блю­де­ний слу­жат ис­кусств. спут­ни­ки Зем­ли, др. кос­мич. ап­па­ра­ты, Лу­на, звёз­ды и вне­га­лак­тич. ра­дио­ис­точ­ни­ки (ква­за­ры, яд­ра га­лак­тик).

Историческая справка

Воз­ник­но­ве­ние К. г. час­то свя­зы­ва­ют с име­нем И. Эй­ле­ра

, опуб­ли­ко­вав­ше­го в 1768 ра­бо­ту о ме­то­дах оп­ре­де­ле­ния фи­гу­ры Зем­ли по на­блю­де­ни­ям Лу­ны. В 1-й пол. 20 в. пред­при­ни­ма­лись не­од­но­крат­ные по­пыт­ки ис­поль­зо­вать для ре­ше­ния гео­де­зич. за­дач т. н. лун­ные ме­то­ды: на­блю­де­ния за­тме­ний, по­кры­тий звёзд Лу­ной, фо­тогра­фи­ро­ва­ние Лу­ны на фо­не звёзд. Од­на­ко при­ме­не­ние этих ме­то­дов не при­во­ди­ло к по­лу­че­нию зна­чи­мых для гео­де­зии ре­зуль­та­тов из-за ма­лой ве­ли­чи­ны па­рал­лак­са Лу­ны, сла­бо­го зна­ния то­по­гра­фии края лун­но­го дис­ка и не­дос­та­точ­ной точ­но­сти на­блю­де­ний.

В 1946 фин. ас­тро­ном и гео­де­зист И. Вяй­ся­ля пред­ло­жил ме­тод ас­тро­но­ми­че­ской (звёзд­ной) три­ан­гу­ля­ции, ос­но­ван­ный на син­хрон­ном фо­то­гра­фи­ро­ва­нии на фо­не звёзд вы­со­ких све­то­вых ви­зир­ных це­лей, про­во­ди­мом с двух пунк­тов. В ка­че­ст­ве це­лей пред­ла­га­лось ис­поль­зо­вать, напр., лам­пы-вспыш­ки, ус­та­нов­лен­ные на ша­рах-пи­ло­тах, са­мо­лё­тах, аэ­ро­ста­тах и т. д. Ме­тод по­зво­лял оп­ре­де­лять на­прав­ле­ния на­зем­ных хорд (ли­ний, со­еди­няю­щих пунк­ты на по­верх­но­сти Зем­ли) про­тя­жён­но­стью 150–250 км с ошиб­кой по­ряд­ка 1–1,5″ , а так­же от­но­сит. по­ло­же­ние двух пунк­тов, уда­лён­ных на та­кое же рас­стоя­ние. Од­на­ко эф­фек­тив­ное раз­ви­тие К. г. на­ча­лось толь­ко по­сле за­пус­ка пер­во­го ИСЗ (1957, СССР).

Предмет и методы космической геодезии

Пред­ме­том изу­че­ния К. г. яв­ля­ют­ся: тео­рия ис­поль­зо­ва­ния ре­зуль­та­тов на­блю­де­ний не­бес­ных тел в гео­де­зии, гео­ди­на­ми­ке и гео­фи­зи­ке; спо­со­бы оп­ре­де­ле­ния ор­бит и вы­чис­ле­ния эфе­ме­рид не­бес­ных тел; ап­па­ра­ту­ра для вы­пол­не­ния на­блю­де­ний (кон­ст­рук­тив­ные и экс­плуа­та­ци­он­ные осо­бен­но­сти, по­вер­ки и юс­ти­ров­ки, мет­ро­ло­гич. обес­пе­че­ние, ме­то­ди­ки при­ме­не­ния); спо­со­бы ма­те­ма­тич. об­ра­бот­ки дан­ных, по­лу­чен­ных в хо­де на­блю­де­ний; ин­тер­пре­та­ция ре­зуль­та­тов на­блю­де­ний и их об­ра­бот­ки.

Часть К. г., ба­зи­рую­щую­ся на на­блю­де­ни­ях ИСЗ, на­зы­ва­ют спут­ни­ко­вой гео­де­зи­ей. Ме­то­ды спут­ни­ко­вой гео­де­зии под­раз­де­ля­ют­ся на ди­на­ми­че­ские и гео­мет­ри­че­ские. Ди­на­мич. ме­то­ды ана­ли­зи­ру­ют дви­же­ние не­бес­ных тел, ко­то­рое в пер­вом при­бли­же­нии оп­ре­де­ля­ет­ся Ке­п­ле­ра за­ко­на­ми

, а при бо­лее точ­ном под­хо­де тре­бу­ет учё­та воз­му­щаю­щих фак­то­ров. Так, на ор­би­ту ИСЗ влия­ют осо­бен­но­сти гра­ви­тац. по­ля Зем­ли, при­тя­же­ние Лу­ны и Солн­ца, со­про­тив­ле­ние ат­мо­сфе­ры, дав­ле­ние сол­неч­ной ра­диа­ции. При осо­бо точ­ных рас­чё­тах учи­ты­ва­ют так­же влия­ние элек­тро­маг­нит­ных воз­му­ще­ний, дав­ле­ния све­та, от­ражён­но­го Зем­лёй, при­ли­вов в океа­не и в зем­ной ко­ре, а так­же разл. ре­ля­ти­ви­ст­ские эф­фек­ты.

Ана­лиз осо­бен­но­стей воз­му­щён­но­го дви­же­ния ИСЗ по­зво­ля­ет уточ­нить фи­гу­ру Зем­ли (по­ляр­ное сжа­тие, эл­лип­тич­ность зем­но­го эк­ва­то­ра, «гру­ше­вид­ность» фор­мы) и ха­рак­те­ри­сти­ки её гра­ви­тац. по­ля, оп­ре­де­лить па­ра­мет­ры вра­ще­ния Зем­ли. Те же дан­ные да­ют воз­мож­ность оп­ре­де­лить воз­дей­ст­вие све­то­во­го дав­ле­ния на ИСЗ, уточ­нить па­ра­мет­ры ат­мо­сфе­ры на вы­со­те дви­же­ния спут­ни­ка, гео­цен­трич. гра­ви­тац. по­сто­ян­ную $μ=fM$ ($f$ – гра­ви­тац. по­сто­ян­ная Ка­вен­ди­ша, $M$ – мас­са Зем­ли). Ди­на­мич. ме­то­ды по­зво­ля­ют реа­ли­зо­вать еди­ную для всей Зем­ли сис­те­му гео­цен­три­че­ских ко­ор­ди­нат

.

Гео­мет­рич. ме­то­ды ос­но­вы­ва­ют­ся на ис­поль­зо­ва­нии син­хрон­ных на­блю­де­ний ИСЗ с двух или бо­лее пунк­тов. На прак­ти­ке точ­ную син­хро­ни­за­цию на­блю­де­ний на уда­лён­ных друг от дру­га пунк­тах осу­ще­ст­вить не уда­ёт­ся. По­это­му на­блю­де­ния про­во­дят в пе­ре­кры­ваю­щие­ся про­ме­жут­ки вре­ме­ни, а мо­мент син­хро­ни­за­ции вы­счи­ты­ва­ют в хо­де ма­тема­тич. об­ра­бот­ки ин­фор­ма­ции. Т. о., в гео­мет­рич. ме­то­де ИСЗ иг­ра­ет роль вы­со­кой ви­зир­ной це­ли, ко­ор­ди­на­ты ко­то­рой в за­дан­ный мо­мент вре­ме­ни не­об­ходи­мы толь­ко для то­го, что­бы на­вес­ти на цель ап­па­ра­ту­ру для на­блю­де­ний. Гео­мет­рич. ме­то­ды по­зво­ля­ют с вы­со­кой точ­но­стью по­лу­чить дан­ные об от­но­сит. по­ло­же­нии пунк­тов на­блю­де­ний. В свя­зи с этим воз­мож­но их эф­фек­тив­ное при­ме­не­ние для ре­ше­ния не­ко­то­рых за­дач гео­ди­на­ми­ки, напр. для оп­ре­де­ле­ния от­но­сит. пе­ре­меще­ния ли­то­сфер­ных бло­ков. Для ре­ше­ния пе­ре­чис­лен­ных вы­ше за­дач мо­гут ис­поль­зо­вать­ся разл. ме­то­ды на­блю­де­ний: фо­то­гра­фи­че­ские, те­ле­ви­зи­он­ные, ла­зер­ные, ра­дио­тех­ни­че­ские (см. в ст. Гео­де­зи­че­ский спут­ник

).

В К. г. при­ме­ня­ют­ся так­же ла­зер­ная ло­ка­ция Лу­ны, ра­дио­ин­тер­фе­ро­мет­рия со сверх­длин­ной ба­зой, спут­ни­ко­вая аль­ти­мет­рия, меж­спут­ни­ко­вые на­блю­де­ния и спут­ни­ко­вая гра­ди­ен­то­мет­рия.

Ла­зер­ная ло­ка­ция Лу­ны ос­но­вы­ва­ет­ся на из­ме­ре­ни­ях рас­стоя­ний ме­ж­ду на­зем­ной об­сер­ва­то­ри­ей и угол­ко­вы­ми от­ра­жа­те­ля­ми, ус­та­нов­лен­ны­ми на Лу­не (сов. ав­то­ма­тич. стан­ция­ми «Лу­на-17» и «Лу­на-21»; амер. пи­ло­ти­руе­мы­ми КА «Апол­лон-11», «Апол­лон-14» и «Апол­лон-15»). Этот ме­тод по­зво­ляет оп­ре­де­лять ко­ор­ди­на­ты на­зем­ных пунк­тов, рас­стоя­ния ме­ж­ду ни­ми, па­ра­мет­ры вра­ще­ния Зем­ли, ха­рак­те­ри­сти­ки осе­во­го вра­ще­ния и ор­би­таль­но­го дви­же­ния Лу­ны.

В ме­то­де ра­дио­ин­тер­фе­ро­мет­рии со сверх­длин­ной ба­зой (РСДБ) про­во­дят на­блю­де­ния вне­га­лак­тич. ра­дио­ис­точ­ни­ков с по­мо­щью ра­дио­те­ле­ско­пов диа­мет­ром не ме­нее 30 м, ус­та­нов­лен­ных на зна­чит. рас­стоя­нии друг от дру­га. По­доб­ная сис­те­ма в Рос­сии на­зы­ва­ет­ся «Ква­зар – КВО» (КВО – ко­ор­ди­нат­но-вре­мен­нóе обес­пе­че­ние) и вклю­ча­ет в се­бя 4 ра­дио­те­ле­ско­па, рас­по­ло­жен­ных в Ле­нингр. обл., Ка­ра­чае­во-Чер­ке­сии, Бу­ря­тии и При­мор­ском крае. Из­ме­ряе­мы­ми ве­ли­чи­на­ми в РСДБ яв­ля­ют­ся вре­меннáя за­держ­ка (раз­ность ме­ж­ду мо­мен­та­ми при­хо­да ра­дио­сиг­на­лов от вне­га­лак­тич. ис­точ­ни­ка на ра­дио­те­ле­ско­пы) и до­п­ле­ров­ский сдвиг час­то­ты, обу­слов­лен­ный вра­ще­ни­ем Зем­ли. РСДБ да­ёт воз­мож­ность с точ­но­стью до сан­ти­мет­ров оп­ре­де­лять от­но­сит. по­ло­же­ние пунк­тов, уда­лён­ных на рас­стоя­ние в неск. ты­сяч км, осу­ще­ст­в­лять сли­че­ние ча­сов на этих пунк­тах, оп­ре­де­лять па­ра­мет­ры вра­ще­ния Зем­ли. В ка­че­ст­ве ис­точ­ни­ков ра­дио­из­лу­че­ния прин­ци­пи­аль­но воз­мож­но ис­поль­зо­вать пе­ре­дат­чи­ки, ус­та­нов­лен­ные на ИСЗ, что по­зво­лит при­ме­нять ра­дио­те­ле­ско­пы ма­ло­го диа­мет­ра, в т. ч. и пе­ре­движ­ные.

В спут­ни­ко­вой аль­ти­мет­рии с по­мо­щью ра­дио­вы­со­то­ме­ра (или ла­зер­но­го вы­со­то­ме­ра), ус­та­нов­лен­но­го на гео­де­зич. спут­ни­ке, из­ме­ря­ет­ся вы­со­та ИСЗ над под­сти­лаю­щей по­верх­но­стью (пре­им. вод­ной), что по­зво­ля­ет оп­ре­де­лять то­по­гра­фию Ми­ро­во­го ок., по­лу­чать разл. океа­но­гра­фич. дан­ные и изу­чать гра­ви­тац. по­ле Зем­ли на ак­ва­то­ри­ях океа­нов.

При про­ве­де­нии меж­спут­ни­ко­вых на­блю­де­ний оп­ре­де­ля­ют па­ра­мет­ры, ха­рак­те­ри­зую­щие вза­им­ное рас­по­ло­же­ние спут­ни­ков (ус­та­нав­ли­вая, напр., ла­зер­ный даль­но­мер на один спут­ник и от­ра­жа­тель на дру­гой). Та­кие на­блю­де­ния при­ме­ня­ют­ся в на­ви­га­ции КА, а так­же для изу­че­ния гра­ви­тац. по­ля Зем­ли и оп­ре­де­ле­ния па­ра­мет­ров вра­ще­ния Зем­ли.

В ме­то­де спут­ни­ко­вой гра­ди­ен­то­мет­рии из­ме­ря­ют вто­рые про­из­вод­ные гра­ви­тац. по­тен­циа­ла с по­мощью гра­ди­ен­то­мет­ра, ус­та­нов­лен­но­го на ИСЗ, что по­зво­ля­ет изу­чать тон­кую струк­туру гра­ви­тац. по­ля Зем­ли. Спут­ни­ки с гра­ди­ен­то­мет­ра­ми на бор­ту дви­жут­ся на вы­со­тах 250–500 км, по­это­му при­нима­ют­ся спец. ме­ры для ком­пен­са­ции влия­ния со­про­тив­ле­ния ат­мо­сфе­ры на дви­же­ние ИСЗ.

На­чи­ная с 1990-х гг. боль­шин­ст­во гео­де­зич. за­дач ре­ша­ет­ся с по­мо­щью спут­ни­ков, об­ра­зую­щих гло­баль­ные на­ви­га­ци­он­ные спут­ни­ко­вые сис­те­мы (спут­ни­ко­вые сис­те­мы по­зи­цио­ни­ро­ва­ния

). К та­ким сис­те­мам от­но­сят­ся ГЛОНАСС (Рос­сия) и GPS (США), в ста­дии раз­вёр­ты­ва­ния на­хо­дит­ся Ев­роп. сис­те­ма Га­ли­лео. Спут­ни­ко­вые сис­те­мы по­зи­цио­ни­ро­ва­ния по­лу­чи­ли ши­ро­кое рас­про­стра­не­ние бла­го­да­ря ря­ду фак­то­ров: воз­мож­ность по­лу­че­ния гео­де­зич. дан­ных вы­со­кой точ­но­сти (в т. ч. в ре­жи­ме ре­аль­но­го вре­ме­ни), вы­со­кая сте­пень ав­то­ма­ти­за­ции про­цес­сов на­блю­де­ний и ма­те­ма­тич. об­ра­бот­ки, не­за­ви­си­мость на­блю­де­ний от по­го­ды (в свя­зи с ис­поль­зо­ва­ни­ем из­лу­че­ния в ра­дио­диа­па­зо­не), от­сут­ст­вие не­об­хо­ди­мо­сти в пря­мой ви­димо­сти ме­ж­ду пунк­та­ми. Кро­ме то­го, та­кие сис­те­мы пре­дос­тав­ля­ют воз­мож­ность од­но­вре­мен­но­го по­лу­че­ния трёх про­стран­ст­вен­ных ко­ор­ди­нат пунк­тов, мо­ни­то­рин­га гео­ди­на­мич. про­цес­сов в ре­жи­ме ре­аль­но­го вре­ме­ни, вы­пол­не­ния из­ме­ре­ний в дви­же­нии. По­след­нее не­об­хо­ди­мо при аэ­ро­съём­ке и кос­мич. съём­ке, а так­же в хо­де вы­пол­не­ния ра­бот по мор­ской гео­де­зии.

Ме­то­ды К. г. ис­поль­зу­ют­ся так­же при изу­че­нии др. пла­нет и их спут­ни­ков, а в пер­спек­ти­ве и ма­лых тел Сол­неч­ной сис­те­мы.