Введение к работе
Уктуальность темы. Спутниковая геодинамика занимается изучением ригуры, размеров, особенностей вращения, гравитационного поля и механических свойств Земли на основании наблюдений положения іскусственного спутника Земли (ИСЗ) в пространстве. Эти задачи, и з особенности проблема вращения Земли, имеют как фундаментальное теоретическое значение для астрономии и геофизики, так и важные фактические применения в области космонавтики, навигации и т.д.
Арсенал методов наблюдения спутниковой геодинамики весьма пирок : это и фотографические наблюдения с помощью специальных :ветосильных камер ( например, камера Бейкера-Нанна), и цопплеровские наблюдения специальных ИСЗ, имеющих на борту передатчик заданной стабильной частоты и, наконец, лазерная цальнометрия специальных ИСЗ, снабженных уголковыми отражателями. 1ервый такой ИСЗ ( Beacon Explorer-B ) был запущен в 1964 году. К <онцу 70-х годов методы лазерной локации ИСЗ достигли высокой производительности и высокой точности одного измерения. Так[ б J, з 1981 году в течение двух недель двумя станциями сети NASA за 69 пролетов ИСЗ LAGEOS было сделано 60 тысяч отдельных измерений с точностью ±5 см. Подробное описание технических аспектов лазерной цальнометрии ИСЗ можно найти в соответствующем разделе монографии [ 7 ].
в 1980-1985 годах Международное Бюро Времени и Международная Глужба Движения Полюса организовали и провели международный проект 11ERIT ( Monitoring Earth Rotation and Intercomparing Technicues of Observation and Analysis - Наблюдение вращения Земли и сравнение методов наблюдения и анализа )[2,10,11], ставивший своей целью выработку рекомендаций по организации новой международной службы вращения Земли. В рамках этого проекта было проведено сравнение параметров вращения земли, полученных на основании анализа наблюдений различных типов - классических астрометрических наблюдений широты и времени, допплеровских и лазерных наблюдений
ИСЗ и интерфероиетрических наблюдений. На основании этогс сравнения был сделан вывод о том, что параметры вращения Земли пс данным лазерной дальноиетрии ИСЗ отличаются наиболее высокой точностью [б].
Из приведенного выше примера наблюдения ИСЗ LAGE0S ясны две основные трудности, с которыми сталкиваются при обработке лазерных наблюдений ИСЗ, а именно большой объем рядов наблюдений, требующий применения специальных методов предварительной обработки, и высокая точность одного наблюдения, приводящая к необходимости вычисления положения ИСЗ и наблюдателя в пространстве с очень высокой точностью. Рассмотрим эти трудности подробнее.
Метод извлечения геодинамической и геофизической информации из лазерных наблюдений - метод спутниковой геодинамики - сводится к анализу фундаментального уравнения, связывающего топоцентри-
ческий ( р ) и геоцентрический ( а ) радиусы-векторы ИСЗ с радиус-вектором г точки на Земле, из которой выполняются наблюдения:
R = г + р.
Наблюдения ИСЗ дают в результате те или иные компоненты вектора р в геоцентрической экваториальной системе координат. Перемещаясь в поле тяготения Земли, обьект наблюдения .испытывает различные возмущения в своем движении; точка, из которой ведутся наблюдения, также перемещается в пространстве вместе с Землей. Моделируя все эти явления, можно вычислить те же компоненты вектора р, что и полученные в результате наблюдений. Сопоставление наблюденных и вычисленных величин и анализ их поведения с течением времени позволяет сделать определенные выводы о принятых моделях и, следовательно, о различных динамических и физических свойствах Земли.
Желательно, чтобы точность вычисления компонент топоцентри-ческого радиус-вектора ИСЗ была сопоставима с точностью наблюдений - в противном случае вся полезная информация будет подавлена ошибками моделей. Как уже отмечалось, лазерные наблюдения ИСЗ
сличаются высокой внутренней точностью ( во время наблюдательных :ампаний проекта MERIT ошибка одного измерения топоцентрического іадиус-вектора исз LAGE0S составляла 2-Ю си при величине самого іадиус-вектора порядка 4-6 тыс. км ), что приводит к необходимости іспользования высокоточных моделей движения исз, весьма сложных :ак с точки зрения математической, так и с точки зрения програмн-[Ой реализации. Вопрос о необходимости разработки и сравнительного нализа программного обеспечения для высокоточной обработки езультатов лазерной дальнометрии специально отмечался в отчетах :о проекту ИЕЫТ[10].
Результаты любых астрономических наблюдений как правило тягощены разного рода случайными и систематическими ошибками, езультаты лазерной дальнометрии ИСЗ не являются исключением из того правила. Выделение систематических ошибок является резвычайно трудной задачей и способ ее решения, по-видимому, ависит от природы наблюдений, типов принятых моделей и т.д. бцего рецепта здесь предложить нельзя. Отбраковка же случайных шибок является задачей столь же важной, но более простой. Как оказывает опыт обработки больших рядов наблюдений, эту процедуру елатольно провести на самой первой, предварительной стадии бработки наблюдений.
выше отмечалось, что ряды наблюдений лазерной дальнометрии чань велики по объему. Обычно в таких ситуациях прибегают к оставлению т.н. "нормальных точек", некоторым образом синтезиро-анных из реальных наблюдений. Эта процедура, широко распростра-енная в практике астрономических наблюдений, преследует следующие ели:
а) Уменьшить общий объём рядов наблюдений, подлежащих
альнейшей обработке, без потери существенной информации.
б) Улучшить распределение наблюдений по времени.
в) Улучшить характеристики наблюдений в случайном отношении,
га стадия получения "синтетических наблюдений" также должна
редшествовать высокоточной обработке наблюдений. В настоящее
ремя широко распостранены методы составления нормальных точек с
использованием сглаживания. Большой объем рядов лазерных наблюдений требует применения высокоэффективных методов сглаживания, что привело автора к необходимости обобщения широко распространенного метода сглаживания Вондрака с целью приспособить его к использованию при составлении нормальных точек.
Итак, процесс обработки лазерных наблюдений ИСЗ естественно разделяется на две задачи:
1. Предварительная обработка, фактически являющаяся
подготовкой наблюдений к высокоточному анализу и обеспечивающая
высокое качество ряда наблюдений.
2. Высокоточная обработка, позволяющая определить или
улучшить параметры принятых моделей и таким образом извлечь
различную геодинамическую и геофизическую информацию.
Учитывая высокую перспективность лазерной дальнометрии ИСЗ, мы можем констатировать, что рассматриваемая в диссертации проблема разработки математических методов и программного обеспечения, предназначенных для решения описанных выше задач обработки рядов наблюдений лазерной дальнометрии ИСЗ является весьма актуальной.
Цель работы заключалась в следующем :
1. Разработать эффективный алгоритм выбора 'параметра сглаживания
при сглаживании исходных наблюдений с целью составления нормальных
точек.
2. Разработать программное обеспечение, позволяющее:
а) Проводить предварительную обработку рядов наблюдений
лазерной дальнометрии ИСЗ с целью улучшения случайных характерис
тик ряда наблюдений и распределения наблюдений по времени. Предва
рительная обработка должна включать в себя отбраковку грубых оши
бок, оценивание качества исходных рядов наблюдений и составление
нормальных точек с использованием современных эффективных методов
сглаживания
б) Проводить высокоточную обработку полученных таким способом
рядов наблюдений с целью решения различных астрометрических и
- б -
геофизических задач.
Научная новизна работ» состоит:
і. В оригинальном алгоритме сглаживания рядов наблюдений, обобщающем известные методы сглаживания Уиттекера и Вондрака. Построенное автором обобцонио приводит к точно ропаомой аналитическим способом задаче, позволяет по.гучить аналитическое выражение для сглаженной функции и провести еэ исследование.
-
в построенном на основании обобщенного метода сглаживания эффективном алгоритме выбора ( вычисления ) параметра сглаживания по априорной оценке точности исходного ряда наблюдений.
-
В отлаженной совокупности программ, обеспечивающих предварительную и высокоточную обработку рядов наблюдений лазерной дальнометрин ИСЗ.
Практическая ценность работы. Практическая ценность работы определяется следующими положениями:
1. Разработанные автором программы могут с успехом применяться для
решения различных задач спутниковой геодинамики, как то:
эфеиеридиоо обеспечение лазерной дальнометрин, предварительный
анализ наблюдений, составление нормальных точек для высокоточной
обработки и определение параметров вращения Земли по данным
лазерных наблюдений ИСЗ.
2. Алгоритм выбора параметра сглаживания делает ненужным
итерационный процесс, характерный для метода Вондрака и таким
образом резко повышает эффективность процесса сглаживания рядов
наблюдений и составления нормальныхточек, что весьма важно при
обработке объемных рядов, характерных для современных методов
наблюдений ( лазерные, допплоровские и т.д. ).
Достоверность полученных результатов подтверждается: 1. Сравнением результатов составления нормальных точек по наблюдениям того же иез с применением разработанного автором метода сглаживания с результатами той же процедуры, проделанной
в. в. Нестеровым [ 2 ] с помощью метода сглаживания И. Вондрака. 2. Сравнением результатов обработки интервалов наблюдений исз LAGE0S с помощью разработанных автором программ и результатов обработки тех же интервалов, проведенных другими авторами.
На защиту выносятся :
-
Оригинальный метод сглаживания рядов астрономических наблюдений различной природы, обобщающий алгоритм Вондрака.
-
Оригинальный высокоэффективный алгоритм определения параметра сглаживания из условия равенства среднеквадратического уклонения "наблюденное-сглаженное" априорной оценке.
-
Совокупность отлаженных программ для решения задач обработки лазерных наблюдений ИСЗ в полном объеме, включая предварительную и высокоточную обработку с точностью, обеспечивающей современные требования при решении прикладных задач.
Апробация работы. Работа в целом, а также основные результаты докладывались автором на семинаре НИВЦ МГУ (1987г.), Ломоносовских чтениях МГУ (1987г.), семинаре отдела космической геодинамики ГАО АН УССР (J.988r.), Координационном Совете по астрометрии ГАИШ (І989Г., І99ІГ,).
*
Публикации. По теме диссертации опубликовано з статьи.
Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из Введения, трех глав и Заключения. Структура глав соответствует этапам обработки наблюдений - первая глава посвящена методам и алгоритмам предварительной обработки, вторая глава - алгоритмам вычисления координат станции наблюдения и объекта наблюдения, на которых основана высокоточная обработка. Третья глава содержит описание примера обработки полуторасуточного интервала наблюдений .ИСЗ LAGEOS. Объем работы - ill страниц машинописного текста, 15 рисунков, список литературы - 38 названий.