CC BY
75
УДК 0 0 4.6; 52 8; 0 0 4.8
В. П. Савиных Ынформационное обеспечение космических исследовании
Статья раскрывает вопросы информационного обеспечения космических, исследований. Описаны особенности космической геодезии. Vacкpывaюmcя стратегические и тактические задачи космической геодезии. Отмечено появление рынка данных дистанционного зондирования. Описано создание геодезических сетей нового типа. Описаны особенности изучения околоземного космического пространства.
Ключевые слова: информационное обеспечение, измерение пространственной информации, космическая геодезия, космические исследования, мониторинг, моделирование, геодезические сети
V. P. Savinykh tfnfroZmation support oft space ZeseaZch
Xhe articCe reveaCs the issues oft information security space research. X^e features of space geodesy. "R,evea£s strategic and tacticaC goaCs of space geodesy. X^e appearance of demote sensing data market. 'Describes how- to create a new- type of geodetic networks. Xhe features of the study of nearSarth space
Keywords: information system, the measurement of the spatiaC information, space geodesy, space research, monitoring, modeling, geodetic networks
поверхности с точек вне поверхности Земли. Эти пункты наблюдений и измерений удалены от поверхности на несколько земных радиусов. Измерения из космического пространства значительно информативней наземных и воздушных [7]. Так для получения части территории поверхности Земли требовалось до сотни аэрофотоснимков. В тоже время один космический снимок может дать изображение всей земной полусферы.
Выход человека в космос открыл новые возможности для геодезического обеспечения России. С запуском в СССР 4 октября 1957 г. первого в мире искусственного спутника Земли появилась возможность создавать космические построения, основанные на наблюдениях ИСЗ. Использование космических методов в геодезических целях сильно изменили взгляды и представления о геодезии и ее проблемах [7]. Прежде чем рассмотреть особенности космического геодезического обеспечения России, необходимо остановится на основных задачах геодезии. Основные задачи геодезии делятся на стратегические и тактические.
К стратегическим задачам относятся (см. рис. 1):
• определение фигуры, размеров и гравитационного поля Земли;
• создание единой координатной системы
^Т^^осмические исследования, как многие ДРУгие виды научных и прикладных исследований, нуждаются в информационном обеспечении [1]. Основной вид информационного обеспечения при космических исследованиях связан с пространственными измерениями и пространственным моделированием [2, 3]. В какой-то степени это информационное обеспечение связывают с геодезическим обеспечением [4]. Однако геодезическое обеспечение отвечает только за измерительную часть. В широком смысле информационное обеспечение космическое обеспечение связано также с информатикой и геоинформатикой [5].
При этом необходимо отметить двойственность в развитии этого понятия. С одной стороны информационное обеспечение является необходимым условием любых исследований. С другой стороны космические исследования сами создают информационное обеспечение для различных отраслей и научных направлений. Поэтому в широком смысле под информационным обеспечением будем понимать информационный комплекс, создаваемый и пополняемый на основе космических исследований и применяемый в космических исследованиях и других направлениях [6].
С выходом человека в космос появилась возможность наблюдений и измерений на земной
на территорию отдельного государства, континента и всей Земли в целом;
• выполнение измерений на поверхности Земли;
• изображение участков поверхности земли на топографических картах и планах;
• изучение глобальных смещений блоков земной коры.
Определение фигуры, размеров и гравитационного поля Земли
Создание единой координатной системы
Изучение глобальных смещений блоков земной коры
Измерения на поверхности Земли
Создание топографических карт и планов
Рис. 1. Стратегические задачи геодезии
К тактическим задачам геодезии относятся (см. рис 2):
• создание государственных и локальных кадастров: земельного, городского, недвижимости, водного, лесного и пр.;
• топографо-геодезическое обеспечение делимитации (определения) и демаркации (обозначения) государственной границы России;
• разработка и внедрение стандартов в
области цифрового картографирования;
• создание цифровых и электронных карт и их банков данных;
• разработка концепции и государственной программы повсеместного перехода на спутниковые методы автономного определения координат;
• создание инфраструктуры пространственных данных России и другие.
Создание государственных и локальных кадастров
Топографо-геодезическое обеспечение делимитации и демаркации государственной границы России
Разработка стандартов в области цифрового картографирования
Переход на спутниковые методы автономного определения координат
создание цифровых банков геоданных
Рис. 2. Тактические задачи геодезии
Эти научные и практические задачи геодезии, с использованием космических методов, предстали в новом содержании и в более широком значении [8]. Появились новые методы измерений, и в десятки раз увеличилась точность измерений. Появился новый сегмент информационного рынка — рынок данных дистанционного зондирования [9]. Появились новые методы хранения космической информации [10, 11]. Возможность использования искусственных спутников Земли для решения геодезических задач привела к появлению нового раздела геодезии — космической геодезии [7].
Космическая геодезия — раздел геодезии, изучающий методы определения положения точек на земной поверхности в единой системе координат с началом в центре масс Земли. Космическая геодезия занимается определением
размеров и фигуры Земли, параметров ее гравитационного поля, используя результаты наблюдения искусственных спутников Земли (ИСЗ). К орбитальным методам космической геодезии относят способы установления связи между пунктами положения ИСЗ в пространстве на основе законов его движения в гравитационном поле Земли. Применение этого метода освобождает от необходимости проведения наблюдений во всех пунктах в один и тот же момент времени.
К динамическим задачам космической геодезии относят определение параметров гравитационного поля Земли путем исследования изменений некоторых элементов орбит ИСЗ, вычисляемых по результатам систематических позиционных и дальномерных наблюдений ИСЗ. Космическая геодезия позволяет по-новому решать ряд существующих задач (см. рис.З).
Спутниковая триангуляция.
Измерение протяженных объектов.
Измерение геопотенциала
Спутниковая альтиметрия.
Создание геодезических сетей нового типа
Рис. 3. Новый подход с применением космической геодезии
Спутниковая триангуляция. Одним из методов решения задач космической геодезии является синхронное наблюдение ИСЗ из нескольких пунктов на земной поверхности. Если в земной системе координат известны положения двух (или более) этих пунктов, то путем решения пространственных треугольников с одной из вершин в точке нахождения космического объекта можно вычислить положения также и др. пунктов, из которых проводились наблюдения.
Такой метод установления связи между пунктами на земной поверхности называется спутниковой триангуляцией. В случае одновременных позиционных и дальномерных наблюдений ИСЗ геодезические связи могут быть осуществлены и при одном пункте с известным положением методом геодезического векторного хода. В описанных методах ИСЗ обозначает
точку, фиксированную в пространстве в некоторый момент времени.
Измерение протяженных объектов, измерение протяженных объектов всегда представляло проблему [12] в связи с особенностью картографического отображения земной поверхности. Поднявшись на тысячи километров над поверхностью Земли, человек получил возможность измерять длинные линии на Земле (линии порядка сотен и тысяч километров) с высокой точностью.
Измерение геопотенциала. Для измерения геопотенциала применяют динамические методы. Сравнивая экспериментально наблюдаемые и теоретически предвычисленные положения ИСЗ в пространстве, находят расхождения. Полученные расхождения относят на счет неточного знания гармонических коэффициентов геопотенциала. Набрав достаточно много ре-
зультатов наблюдений и составив соответствующие уравнения, можно получать уточненные значения гармонических коэффициентов.
Уточненные значения позволяют точнее рассчитывать положения ИСЗ на орбите, получать все меньшие невязки с наблюдениями и все более уточнять значения коэффициентов геопотенциала.
Результаты этих работ существенны. Если к 1950 г. геодезистам было известно только значение полярного сжатия земного эллипсоида, а сжатие экватора они определяли менее уверенно, то через несколько лет после запуска первого ИСЗ были получены достаточно точные значения гармонических коэффициентов до порядков и степеней п = т = 8. В настоящее время геопотенциал известен уверенно до значений п = т = 24. Это составляет около 500 коэффициентов, каждый из которых характеризует какую-либо особенность гравитационного поля Земли
Спутниковая альтиметрия. С 1974 г. ведутся исследования в области спутниковой альтиметрии. Лазерные и радио-альтиметры (высотомеры), установленные на ИСЗ, первоначально давали информацию, позволяющую уточнять элементы их орбит. С увеличением точности определения высот появилась возможность геодезического использования альтиметрической информации.
Например, радиоальтиметр, установленный на ИСЗ «Геос», позволяет измерять расстояние спутник _ поверхность океана с ошибкой 1 — 3 м. Это, при известном положении ИСЗ на орбите, создает возможность уточнить форму геоида на участках, занятых Мировым океаном.
Сравнение, альтиметрических измерений с профилями геоида подтверждает высокую надежность этого метода определения формы геоида (правда, только на участках, занятых Мировым океаном; но это немало — две трети поверхности земного шара). В перспективе предполагается повысить точность радиоальтиметров до 10 см. Что же касается лазерной альтиметрии то, она может обеспечить точность порядка 1 см.
Создание геодезических сетей нового типа. Фундаментальная астрономо-геодезическая сеть (ФАГС) состоит из постоянно действующих и периодически определяемых пунктов, формирующих единую сеть на территории Российской Федерации. Пространственное положение этих пунктов определяется методом спутниковой геодезии в общеземной системе координат с предельной ошибкой не более 3 мм*10-8К, где К — радиус Земли. В настоящее время ФАГС является главной геодезической основой для формирования всей государственной геодезической сети.
Фундаментальная астрономо-геодезическая сеть состоит из постоянно действующих и пери-
одически определяемых пунктов, формирующих единую сеть на территории Российской Федерации. Пространственное положение этих пунктов определяется методом спутниковой геодезии в общеземной системе координат с предельной ошибкой не более 3 мм*10-8К, где К — радиус Земли.
Плотность распределения пунктов ФАГС в среднем должна быть на 300000-500000 км2. Расстояние между смежными пунктами ФАГС — 650-1000 км, а между активными — 1500-2000 км.
Количество, расположение постоянно действующих и периодически определяемых пунктов ФАГС, состав аппаратуры и программы наблюдений определяются программой построения и функционирования ФАГС. Все пункты ФАГС должны быть фундаментально закреплены с обеспечением долговременной стабильности их положения как в плане, так и по высоте.
Пространственное положение пунктов ФАГС определяется методами космической в геоцентрической системе координат относительно центра масс Земли со средней квадратической ошибкой 10-15 см, а средняя квадратическая ошибка взаимного положения пунктов ФАГС должна быть не более 2 см по плановому положению и 3 см по высоте с учетом скоростей их изменения во времени.
В число основных задач построения ФАГС входит достижение требуемой точности и достоверное оценивание точности создаваемой новой геоцентрической системы координат и определение изменений координат пунктов ФАГС во времени.
На пунктах ФАГС выполняются определения нормальных высот и абсолютных значений ускорений силы тяжести. Определения нормальной высоты производится нивелирование не ниже II класса точности, абсолютные определения силы тяжести - по программе определения фундаментальных гравиметрических пунктов. Периодичность этих определений на пунктах ФАГС устанавливается в пределах 5-8 лет и уточняется в зависимости от ожидаемых изменений измеряемых характеристик.
Задаваемая пунктами ФАГС геоцентрическая система координат согласовывается на соответствующем уровне точности с фундаментальными астрономическими (небесными) системами координат и надежно связывается с аналогичными пунктами различных государств в рамках согласованных научных проектов международного сотрудничества.
ФАГС тесно связана с ВГС (высокоточная геодезическая сеть) и СГС-1 — (спутниковая геодезическая сеть 1 класса). Основная функция ВГС — распространение на всю территорию России геоцентрической системы координат и уточнение параметров взаимного ориентирования геоцентрической системы и системы геодезических координат.
СГС-1 обеспечивает оптимальные условия для реализации точных и оперативных возможностей спутниковой аппаратуры при переводе геодезического обеспечения территории России на спутниковые методы определения координат.
Сети служат основой создания Высокоточной Национальной геоцентрической система координат. Создание Высокоточной Национальной геоцентрической система координат связано с геоинформационной системой геодезических данных.
Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС). Спутниковые геодезические измерения выполняют с помощью аппарату-
ры, работающей по сигналам спутников систем GPS (Global Positioning System, США) и ГЛОНАСС [7]. В Европейском союзе ведутся работы по развитию системы - GNSS-2 ” GALILEO”. Использование этих систем достаточно широко освещено в литературе. Поэтому остановимся динамических измерениях с помощью глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Динамические измерения в реальном времени позволяют создавать единое информационное пространство и определение координат подвижных объектов (см. рис.4). Это служит основой создания интеллектуальных транспортных систем.
GPS/
ГЛОНАСС
GPS/ГЛОНАСС
Определение местоположения сервер коррекции
\
GP3/ГЛОНАСС Определение местоположения бортовое устройство
GPS/ГЛОНАСС Диф ф еренцизл ьная коррекция от сервера
%
К_" ^Базовая станция ^ >—радиоканала/
Сервер коррекции
WAN
SB
ЦУП
till.
Рис.4. Определение координат подвижных объектов
Космические исследования позволили по новому изучать околоземное космическое пространство [13]. в частности проведены более глубокие исследования скоплений мусора в виде колец на околоземных орбитах [14]. Космические исследования позволили по новому организовать глобальный мониторинг Земли и земной поверхности [15].
Космические исследования позволили совершенствовать методы получения простран-
ственно-временной информации [16] и внести существенный вклад в создание национальной инфраструктуры пространственных данных [17].
Таким образом, современное информационное обеспечении космических исследований является важным инструментом развития национальной экономики и науки. Оно является важным ресурсом повышения потенциала развития страны как внутри ее, так и на международной арене.
ЛИТЕРАТУРА
1. Монахов С.В., Савиных В.П., Цветков В.Я. Методология анализа и проектирования сложных информационных систем. - М.: Просвещение, 2005. - 264 с.
2. Цветков В.Я. Геоинформационное моделирование II Информационные технологии, 1999. - №3. - С.23-27.
3. Цветков В.Я. Информационная модель как основа обработки информации в ГИС II Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка, 2005. - №2. - С.118-122.
4. Майоров А.А., Савиных В.П., Цветков В.Я. Геодезическое космическое обеспечение России II Международный научнотехнический и производственный журнал «НАУКИ О ЗЕМЛЕ», 2012. - №4. - С.23-27.
5. S. A. Kudz Geoinformation Analysis II European Researcher, 2013, Vol.(60), № 10-1, p.2358- 2365.
6. Соловьёв И.В. О субъекте и объекте инфосферы II Перспективы науки и образования, 2013. - №5. - С.14-18.
7. Глушков В. В., Насретдинов К. К., Шаравин А. А. Космическая геодезия: методы и перспективы развития. - М.: Институт
политического и военного анализа, 2002. - 448 с.
8. Кудж С.А. О философии информации II Перспективы науки и образования, 2013. - №6. - С.9-13.
9. Цветков В.Я. Геомаркетинг: Прикладные задачи и методы - М.: Финансы и статистика, 2002 - 240 с.
10. Соловьев И.В., Кудж С.А., Дедегкаев З.Н. Об использовании универсального ключа хранения и поиска электронных аэрокосмических снимков и планов II Инженерные изыскания, 2010. - №9. - С.62-65.
11. Майоров А.А., Соловьёв И.В., Кудж С.А. О новом подходе к доступу и хранению электронных аэрокосмических снимков и планов II Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка, 2011. - №6. - С. 80-84.
12. Цветков В. Я., Омельченко А.С. Особенности построения моделей объектов большой протяженности в геоинформатике II Фундаментальные исследования, 2006. - №4. - С.39-40.
13. David Waring Dunham, Vladimir Petrovich Kulagin, Victor Yakovlevich Tsvetkov Near-earth space as a habitat II International Journal of Astrophysics and Space Science. 2013; 1(3): pl2-15.
14. Бармин И.В., Данхэм Д.У, Кулагин В.П., Савиных В.П., Цветков В.Я. Кольца мусора в околоземном пространстве II Вестник НПО им. С.А. Лавочкина, 2013. - №5. - С.4-10.
15. Бармин И.В., Кулагин В.П., Савиных В.П., Цветков В.Я. Околоземное космическое пространство как объект глобального мониторинга II Вестник НПО им. С.А. Лавочкина, 2013. - №4. - С.4-9.
16. Савиных В.П. Система получения координатно-временной информации для решения задач мониторинга II Международный научно-технический и производственный журнал «НАУКИ О ЗЕМЛЕ», 2012. - №3. - С.4-7.
17. Савиных В.П., Соловьёв И.В., Цветков В.Я. Развитие национальной инфраструктуры пространственных данных на основе развития картографо-геодезического фонда Российской Федерации II Геодезия и аэрофотосъемка, 2011. - №5. -С.85-91.
REFERENCES
1. Monakhov S.V., Savinykh VP., Tsvetkov Via. Metodologiia analiza i proektirovaniia slozhnykh informatsionnykh sistem [Methodology of the analysis and design of complex information systems]. Moscow, Prosveshchenie, 2005. 264 p.
2. Tsvetkov V.Ia. Geoinformation modeling. Informatsionnye tekhnologii - Information technology, 1999, no.3, pp.23-27 (in Russian).
3. Tsvetkov V.Ia. Information model as a basis of information processing in GIS. Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenii. Geodeziia i aerofotos"emka - News of higher schools. Geodesy and aerial photography, 2005, no.2, pp.118-122.
4. Maiorov A.A., Savinykh V.P., Tsvetkov Via. Geodesic space ensuring Russia. Mezhdunarodnyi nauchno-tekhnicheskii i proizvodstvennyi zhurnal «NAUKIO ZEMLE» - international scientific-technical and production journal "EARTH SCIENCE", 2012, no.4, pp.23-27.
5. S. A. Kudz. Geoinformation Analysis. European Researcher, 2013, Vol.(60), no.10-1, pp.2358-2365 (in Russian).
6. Solov'ev IV On the subject and the object of InfoSphere. Perspektivy nauki i obrazovaniia - Perspectives of science and education, 2013, no.5, pp.14-18 (in Russian).
7. Glushkov V. V., Nasretdinov К. K., Sharavin A. A. Kosmicheskaiageodeziia: metody iperspektivy razvitiia [Space geodesy: methods and prospects of development]. Moscow, Institut politicheskogo i voennogo analiza, 2002. 448 p.
8. Kudzh S.A. About the philosophy of information. Perspektivy nauki i obrazovaniia - Perspectives of science and education, 2013, no.6, pp.9-13 (in Russian).
9. Tsvetkov V.Ia. Geomarketing: Prikladnye zadachi i metody [Geomarketing: Applied tasks and methods]. Moscow, Finansy i statistika, 2002. 240 p.
10. Solov'ev I.V., Kudzh S.A., Dedegkaev Z.N. About the use of universal key storage and retrieval of electronic aerospace images and plans. Inzhenernye izyskaniia - Engineering surveys, 2010, no.9, pp.62-65 (in Russian).
11. Maiorov A.A., Solov'ev I.V., Kudzh S.A. About a new approach to access and storage of electronic aerospace images and plans. Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenii. Geodeziia i aerofotos"emka - News of higher schools. Geodesy and aerial photography, 2011, no.6, pp.80-84 (in Russian).
12. Tsvetkov V. Ia., Omel'chenko A.S. Features of construction of models of objects great length in Geoinformatics. Fundamental'nye issledovaniia - Fundamental research, 2006, no.4, pp.39-40 (in Russian).
13. David Waring Dunham, Vladimir Petrovich Kulagin, Victor Yakovlevich Tsvetkov. Near-earth space as a habitat. International Journal of Astrophysics and Space Science, 2013, 1(3), pp.12-15.
14. Barmin I.V., Dankhem D.U., Kulagin V.P., Savinykh V.P., Tsvetkov V.Ia. Ring of debris in near-earth space. Vestnik NPO im. S.A. Lavochkina - Bulletin NPO named after S.A. Lavochkin, 2013, no.5, pp.4-10 (in Russian).
15. Barmin I.V., Kulagin V.P., Savinykh V.P., Tsvetkov V.Ia. Near-Earth space as an object of global monitoring. Vestnik NPO im. S.A. Lavochkina - Bulletin NPO named after S.A. Lavochkin, 2013. - №4. - S.4-9 (in Russian).
16. Savinykh V.P. ’tte receiving system of XY-temporal information for solving problems of monitoring. Mezhdunarodnyi nauchno-tekhnicheskii i proizvodstvennyi zhurnal «NAUKI O ZEMLE» - International scientific-technical and production journal "EARTH SCIENCE", 2012, no.3, pp.4-7 (in Russian).
17. Savinykh V.P, Solov'ev I.V., Tsvetkov V.Ia. Development of national spatial data infrastructure through the development of cartographic-geodetic Fund of the Russian Federation. Geodeziia i aerofotos"emka - Geodesy and aerial photography, 2011, no.5, pp.85-91 (in Russian).
Информация об авторе Information about the author
Савиных Виктор Петрович Savinykh Viktor Petrovich
(Россия, Москва) (Russia, Moscow)
Профессор, доктор технических наук, Professor, Doctor of Technical Sciences,
Президент Московского государственного President of the Moscow State University
университета геодезии и картографии. of Geodesy and Cartography.
Летчик-космонавт. Дважды Герой Советского союза Pilot-cosmonaut. Twice Hero of the Soviet Union
E-mail: [email protected] E-mail: [email protected]
