CC BY
63
Хроника
ХРОНИКА
УДК 528.34:629.783 Ю.В. Сурнин СГГ А, Новосибирск
ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ И РАЗВИТИЯ
МЕЖКАФЕДРАЛЬНОЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ КОСМИЧЕСКОЙ ГЕОДЕЗИИ
(ВОСПОМИНАНИЯ НАУЧНОГО РУКОВОДИТЕЛЯ ЛАБОРАТОРИИ)
Yu. V. Surnin SSGA, Novosibirsk
THE HISTORY OF INTER-DEPARTMENT RESEARCH LABORATORY DEVELOPMENT OF SPACE GEODESY (MEMOIRS OF LABORATORY’S RESEARCH SUPERVISOR)
Зарождение Научно-исследовательской лаборатории космической геодезии СГГА (далее НИЛ КГ, или Лаборатория) произошло летом 1972 г. по инициативе профессора Константина Леонтьевича Проворова. В это время на правительственном уровне было принято решение подключить к исследованиям в области спутниковой геодезии в помощь предприятиям военно-промышленного комплекса гражданские организации и, в частности, Центральный НИИ геодезии, аэросъемки и картографии (ЦНИИГАиК). Директор ЦНИИГАиК попросил К.Л. Проворова, как бывшего ректора НИИГАиК (теперь СГГА), привлечь кого-нибудь из молодых преподавателей НИИГАиК к решению задач космической геодезии, поставленных перед центральным НИИ. В то время в институте я был одним из тех, кто защитил диссертацию по новому направлению в геодезии и вел преподавание по двум дисциплинам этого профиля: небесной механике и космической геодезии. К этому направлению, когда я поступил в аспирантуру к проф. Г.А. Мещерякову в 1963 г., меня привлек все тот же профессор К.Л. Проворов. Константин Леонтьевич предложил мне сформулировать несколько тем и взяться за их решение. После долгого и довольно сложного согласования тематики между ЦНИИГАиК и НИИГАиК, 12 февраля 1973 г., наконец, был заключен Договор № 124-73 на проведение научно-исследовательской работы по теме «Исследование точности определения координат наземных пунктов орбитальным методом».
В разработке технического задания по этому договору со стороны ЦНИИГАиК принимали участие: профессор Леонард Павлович Пеллинен (начальник отдела
128
Хроника
теоретической геодезии), профессор Александр Александрович Изотов (руководитель лаборатории космической геодезии ЦНИИГАиК), научные сотрудники Николай Лукич Макаренко (ныне директор ЦНИИГАиК), Анатолий Михайлович Микиша, Владимир Иванович Зубинский, Глеб Викторович Демьянов, Олег Николаевич Остач, Виктор Янович Иодис. Формировать тематику и согласовывать техническое задание мне помогали профессор Виталий Вячеславович Бузук, как проректор по научной работе НИИГАиК, и профессор К.Л. Проворов.
Заключение Договора № 24-73 можно считать официальным началом создания НИЛ КГ со статусом межкафедральной лаборатории. Теперь нужно было собрать «команду» для решения поставленной в договоре задачи. Но подготовленных специалистов в нашем институте непосредственно по новому научному направлению тогда еще не было. Пришлось собирать тематическую группу из студентов и сотрудников НИИГАиК, работающих на различных кафедрах, а также научных работников из внешних организаций города Новосибирска. К работе были привлечены: научный сотрудник Института прикладной физики СО АН СССР Валентин Семенович Пыхалов, преподаватели кафедры вычислительной математики НИИГАиК: доцент Игорь Георгиевич Вовк и ассистенты Владислав Андреевич Ащеулов и Юрий Викторович Дементьев (бывшие мои дипломники), а также студенты специальности «Астрономогеодезия» Анатолий Михайлович Токарев (V курс), Сергей Владимирович Кужелев (III курс) и Николай Никитович Егоров (III курс) - (рис. 1).
Рис. 1. 1974 год. Станция ИСЗ (к. 637).
Слева направо сидят: В.А. Ащеулов, Ю.В. Сурнин, Н.Н. Егоров, стоят: С.В. Кужелев, Ю.В. Дементьев, А.М. Токарев
129
Хроника
Молодому коллективу, состоящему из одних совместителей, не имеющему опыта работы, было нелегко создавать орбитальный метод в достаточно короткий срок, определенный договором. Мне многие наши преподаватели говорили: «Зачем мы - геодезисты - беремся за решение несвойственных геодезии задач? Ведь ими занимаются уже многие годы институты академии наук, НИИ министерства обороны и военно-промышленного комплекса?». Однако мы считали, что в геодезии появилось новое средство для решения традиционных координатных задач и его надо внедрять самим геодезистам. Поэтому новый (орбитальный) метод должны разрабатывать сами геодезисты, и разрабатывать также тщательно и изобретательно с учетом геодезической специфики, как это они уже делали ни один раз в подобных ситуациях, когда в геодезию проникали методы астрономических и гравиметрических определений, методы аэрофотосъемки и фотограмметрии.
Идет уже второй год работы над темой, близится срок сдачи, а у нас комплекс программ, реализующий орбитальный метод, представляет собой «нечто рыхлое» - набор отдельных блоков (процедур), воспроизводящих траекторию ИСЗ со скоростью полета космического аппарата! На один оборот спутника (а нужно обрабатывать десятки оборотов!) затрачивается 1-2 часа машинного времени (ЭВМ ODRA-1204, M-220)! В этой критической ситуации мне и моей семье пришлось пожертвовать отпуском. В течение двух летних месяцев 1974 г. я, не «вставая» и не отвлекаясь ни на какие дела, написал заново весь комплекс программ орбитального метода от первого до последнего оператора. В сентябреоктябре молодежь НИЛ КГ (см. рис. 1) отладила комплекс программ и в конце года мы успешно и в срок сдали работу по договору, защитив ее на Техническом совете ЦНИИГАиК. Разработанный комплекс программ мы назвали «ОРБИТА-74».
В 1975 г. это был первый комплекс программ, который по своей эффективности (точности, быстродействию, составу измерений, длине орбитальных дуг) превзошел отечественные программы орбитального метода, существовавшие в то время в Институте теоретической астрономии (ИТА) АН СССР, в Астрономическом совете АН СССР, в Государственном астрономическом институте им. Штернберга (ГАИШ), в 29 НИИ МО. Высокая эффективность комплекса «ОРБИТА-74» была достигнута благодаря трем принципам, положенным в основу программы. Первый принцип заключался в создании адекватной измерениям математической модели движения ИСЗ, учитывающей все известные к тому времени возмущающие орбиту факторы: гравитационное поле Земли (ГПЗ) до заданной (пользователем) степени разложения по шаровым функциям, притяжение Луной и Солнцем с заданной точностью, атмосферное торможение, прямое и отраженное от Земли давление солнечного света, тепловая радиация Земли. Второй принцип заключался в применении численного интегрирования (вместо аналитического интегрирования, наиболее популярного в то время метода за рубежом и в СССР). Для численного интегрирования была применена так называемая регулярная система дифференциальных уравнений движения в оскулирующих элементах, в которых численный процесс становился более устойчивым к накоплению погрешностей машинных вычислений для
130
Хроника
геодезических орбит (с малыми эксцентриситетами и наклонами). Использованный метод численного интегрирования позволял гибко (на уровне входных управляющих параметров) настраивать комплекс программ на заданную точность расчета разнообразных орбит ИСЗ (высоких, низких, круговых, полярных, экваториальных и др.). Третий принцип - использование всех видов (существовавших в то время) высокоточных траекторных измерений для определения элементов орбит ИСЗ и координат наземных станций. Состав измерений включал: 1) топоцентрические расстояния между наземными станциями слежения и космическими аппаратами (КА), получаемые лазерными дальномерами, 2) радиальные скорости, измеряемые радиотехническими средствами на основе эффекта Доплера и 3) прямые восхождения и склонения, получаемые по фотографиям спутников на фоне звездного неба.
Факт создания комплекса «ОРБИТА-74» был замечен (благодаря старшему научному сотруднику ЦНИИГАиК А.М. Микише) в 29 НИИ Министерства обороны и в Астрономическом совете АН СССР (ныне Институт астрономии РАН). Руководители Астрономического совета (профессор Алла Г енриховна Масевич, старший научный сотрудник Сурия Керимовна Татевян) пригласили нас принять участие в решении актуальной в то время практической задачи. Нужно было определить координаты пунктов, расположенных на океанических островах в Индийском и Атлантическом океанах, имевших большое стратегическое значение. К этому времени уже в течение нескольких лет в различных научных учреждениях пытались решить эту задачу методом космической триангуляции (одним из самых точных на тот период способов) по синхронным фотографическим наблюдениям ИСЗ со станций в СССР и со станций, размещенных с большими трудностями за рубежом: в Африке, Америке и Антарктиде. Это проекты: «Большая хорда», «Восток-Запад», «Космическая триангуляция» (проект «Икосаэдр» профессора ИТА АН СССР Ивана Даниловича Жонголовича). Однако передать координаты с континентов на острова с нужной точностью не удавалось. Главная причина - зависимость фотографических наблюдений от времени суток и погодных условий (необходима темная и ясная ночь одновременно, как минимум, на двух станциях, разделенных тысячами километров). Делалось большое количество фотографий, но образовывать из них синхронные пары можно было с большим трудом . Это приводило к пересечению малого количества плоскостей
Как вспоминает профессор К.М. Антонович, в эти годы на станции ИСЗ НИИГАиК по заданию Астрономического совета АН СССР проводилась астрометрическая обработка спутниковых фотоснимков, полученных с большими трудностями в Африке (г. Афгой). Из-за жаркого климата и отсутствия нормальных условий (холодильников) для хранения фотопленки ценные снимки покрывались вуалью, которая скрывала и без того очень слабые изображения спутников. Распознать на фотопленке точечные изображения спутника и звезд, а затем правильно их отождествить казалось для Астрономического совета безнадежным делом. Однако старший инженер Светлана Иннокентьевна Антонович, благодаря своей природной настойчивости и профессиональному мастерству, все-таки сумела такие «тяжелые» снимки полностью обработать и отправить в Астрономический совет на дальнейшее использование для решения координатных задач космической геодезии орбитальным методом.
131
Хроника
синхронизации и, к тому же, под очень острыми углами, что резко увеличивало погрешность геометрической засечки плоскостями и не давало возможности достичь требуемой точности в определении координат наземных пунктов.
Решить эту проблему позволил орбитальный метод. С помощью комплекса программ «ОРБИТА-74» удалось связать орбитальными дугами многолетние и разрозненные (не обязательно синхронные!) наблюдения. Связать в одной орбитальной дуге не только фотографические направления на ИСЗ, но и лазерные дальности. В результате по орбитальным дугам нескольких спутников были переданы координаты от опорных пунктов, расположенных на континентах, на удаленные океанические острова с точностью, которая на порядок превосходила прежние результаты космической триангуляции. Эксперимент проводился в Вычислительном центре на Звенигородской научной базе Астрономического совета в марте-апреле 1976 г. Со стороны Астрономического совета в эксперименте участвовали С.К. Татевян и О.М. Булыгина, со стороны НИЛ КГ Ю.В. Сурнин, В.А. Ащеулов, Ю.В. Дементьев, С.В. Кужелев. С легкой руки С.К. Татевян новосибирских участников эксперимента стали тогда называть «орбитальной группой». Это название сохраняется за коллективом НИЛ КГ в общении новосибирцев и москвичей до сих пор. Достижения НИЛ КГ и Астрономического совета были оценены научной общественностью и, по материалам этого и других экспериментов, была проведена в 1976 г. на базе НИИГАиК Всесоюзная научная конференция «Динамика ИСЗ». По результатам этого эксперимента защитили кандидатские диссертации О.М. Булыгина (Астрономический совет, 1979 г.) и В.А. Ащеулов (НИИГАиК, 1980 г.) по теме «Определение координат пунктов земной поверхности орбитальным методом».
Продолжением сотрудничества НИЛ КГ с Астрономическим советом стало решение новой задачи. К этому времени (1978 г.) на геостационарной орбите находилось довольно большое число спутников (как американских, так и советских), почти «неподвижно висящих» над одной и той же точкой земной поверхности. Среди этого множества спутников часть уже прекратила активное существование и стала плохо контролируемой. Нужно было по фотографическим наблюдениям геостационарных ИСЗ (ГИСЗ) определять орбиты и производить отождествление спутников по наблюдениям, разделенным большими промежутками времени (несколько лет). Мы адаптировали комплекс программ «ОРБИТА-74» для решения этой задачи. Система регулярных элементов орбиты оказалась как будто специально создана для ГИСЗ. Орбиты ГИСЗ имеют весь набор особенностей, какие только могут иметь эллиптические орбиты: нулевой эксцентриситет и нулевое наклонение. В этих условиях не может работать ни одна программа, основанная на классической шестерке кеплеровых элементов, так как положения и линии апсид и линии узлов орбиты ГИСЗ становятся неопределенными. Нам удалось решить эту задачу в короткий срок и сдать новый комплекс программ под названием «ОРБИТА-ГИСЗ» Астрономическому совету для опознавания геостационарных спутников. В разработке этого комплекса принимали участие Ю.В. Сурнин (теория орбитального метода и
132
Хроника
блок распознавания спутников, структура алгоритма, анализ экспериментов), Ю.В. Дементьев и А.В. Седаков (модификация и отладка программы, проведение численных экспериментов в Астрономическом совете на реальных ГИСЗ), Н.В. Осипков (отладка программы). Комплекс программ «ОРБИТА-ГИСЗ» в течение нескольких лет использовался самостоятельно Астрономическим советом, а потом был передан в Уральский госуниверситет в лабораторию ИСЗ, где успешно эксплуатировался более десяти лет до тех пор, пока работали ЭВМ ЕС. С его помощью уральцам удавалось опознавать ГИСЗ по фотографическим наблюдениям, разделенным интервалами в 5-10 лет! По материалам экспериментов с ГИСЗ защитили кандидатские диссертации В.Н. Русаков (Астрономический совет) и Г.Т. Кайзер (Уральский госуниверситет, 2000 г.). Мог защитить диссертацию на этом материале и наш сотрудник НИЛ КГ А.В. Седаков. Но я тогда не увидел, что эта работа (комплекс программ «ОРБИТА-ГИСЗ» плюс эксперимент) вполне могла бы послужить основой для его кандидатской диссертации, что, возможно, исключило бы происшедшую с ним трагедию. Другой участник ГИСЗ-экспериментов - Ю.В. Дементьев - в 1984 г. защитил кандидатскую диссертацию по теме «Разработка алгоритмов и исследование параллактического способа определения тангенциального ускорения для динамического метода спутниковой геодезии». Эта тема являлась дальнейшим развитием моей кандидатской диссертации, но уже на основе орбитального метода и комплекса программ «ОРБИТА-74».
В эти годы одновременно с экспериментами Астрономического совета мы продолжали работу по техническим заданиям ЦНИИГАиК. С помощью комплекса программ «ОРБИТА-74» мы исследовали: 1) точностные возможности орбитального метода определения координат наземных пунктов и элементов орбит в зависимости от погрешностей измерений и их состава (топоцентрических направлений, расстояний и радиальных скоростей), от взаимного расположения опорных и определяемых станций слежения (1975-1976 гг.); 2) влияние на точность прогнозирования траекторий ИСЗ учета различных возмущающих факторов: аномалий ГПЗ, притяжения Луной и Солнцем, торможением атмосферы, давлением света (1976-1977 гг.); 3) влияние тропосферы и ионосферы на распространение электромагнитного сигнала и на результаты измерения дальностей в радио- и оптическом диапазонах длин волн (1977-1978 гг.). Результаты этих исследований в виде комплексов программ с описаниями и результатами расчетов по проведенным экспериментам передавались в ЦНИИГАиК и докладывались на Международных и Всесоюзных научных конференциях в Ольштыне, Софии, Потсдаме, Москве, Ленинграде, Рязани, Южно-Сахалинске.
Таким образом, на протяжении первых восьми лет (1973-1980 гг.) НИЛ КГ одновременно тесно сотрудничала с двумя организациями - ЦНИИГАиК и Астрономическим советом АН СССР. Но в конце этого взаимного и полезного сотрудничества, примерно к 1978 г. в научном взаимодействии между ЦНИИГАиК и НИИГАиК начали зреть разногласия. Я стремился к дальнейшему развитию орбитального метода, к переработке орбитального метода в динамический
133
Хроника
метод, который является наиболее строгой и обобщающей основой всех способов извлечения геодезической информации из спутниковых измерений. В этом направлении шло развитие спутниковой геодезии у нас в стране и за рубежом. Но ЦНИИГАиК стал давать технические задания на отдельные разноплановые темы, в которых нам приходилось начинать работу «с нуля». Например, исследовать экономическую эффективность спутниковых способов определения координат наземных пунктов. Это вынуждало нас развиваться «не вглубь, а вширь». А.А. Изотов своевременно предупредил меня, что надо готовиться к тому, что следующий двухлетний договор заключен, скорее всего, не будет. Договоры же с Астрономическим советом были кратковременными и недостаточно финансируемыми. К этому времени в НИЛ КГ работали уже шесть штатных сотрудников (В.А. Ащеулов, Ю.В. Дементьев, С.В. Кужелев, А.В. Седаков, В.И. Дударев, Н.А. Дорофеева). Отсутствие финансовых договоров автоматически приводило к необходимости увольнения сотрудников НИЛ КГ (о чем, скорее всего, сотрудники Лаборатории тогда даже не догадывались!).
В складывающейся ситуации нужно было не растерять подготовленные кадры и сохранить научный задел Лаборатории. Пришлось искать нового заказчика на наши существующие и перспективные разработки. Я решил написать письмо (сентябрь 1978 г.) на одно из предприятий ВПК, созданное по инициативе Сергея Павловича Королева. Через месяц в НИИГ АиК приехал представитель Научно-производственного объединения прикладной механики (НПО ПМ, ныне ООО ИСС имени академика М.Ф. Решетнева), руководитель сектора Анатолий Николаевич Никитенко по поручению начальника отдела Владимира Афанасьевича Бартенева. В результате переговоров мы заключили первый договор с НПО ПМ с 1 января 1979 г. Так было положено начало новому семнадцатилетнему сотрудничеству НИЛ КГ с головным разработчиком отечественной системы глобального позиционирования ГЛОНАСС. Так были сохранены кадры и продолжена научная деятельность Лаборатории уже совместно с НПО ПМ, вплоть до 1995 г. (до года, когда финансирование военно-промышленного комплекса резко сократилось).
Для НПО ПМ в первые два года (1979-1980 гг.) НИЛ КГ разработала комплекс программ ТОМ - «точность орбитального метода» - с целью математического моделирования орбитальной структуры глобальной навигационной системы ГЛОНАСС и оценки точности прогнозирования движения космических аппаратов в условиях действия погрешностей геодезических данных: координат контрольно-измерительных пунктов, параметров гравитационного поля Земли, полярного движения оси и неравномерности вращения Земли. С помощью комплекса программ ТОМ были построены доверительные эллипсоиды по вектору положения и вектору скорости космических аппаратов. Эллипсоиды иллюстрировали влияние погрешностей геодезических данных на точность расчета эфемериды космического аппарата. В разработке комплекса программ ТОМ принимали участие Ю.В. Сурнин (теория и структура алгоритма, метод Монте-Карло построения ковариационных матриц, доверительных эллипсоидов, про-
134
Хроника
ведение и анализ вычислительных экспериментов в НПО ПМ), С.В. Кужелев (разработка алгоритма и программы, применение метода Якоби для построения доверительных эллипсоидов, проведение и анализ экспериментов в НПО ПМ) и Н.К. Шендрик (участие в отладке комплекса программ ТОМ). По материалам ТОМ-экспериментов, а также по результатам последующей разработки целого ряда новых блоков комплекса программ для динамического метода решения задач космической геодезии, С.В. Кужелев в 1983 г. защитил кандидатскую диссертацию на тему «Разработка и исследование алгоритмов построения и оценки точности спутниковых траекторий в орбитальном методе космической геодезии».
В 1981-1985 гг. мы, наконец, приступили непосредственно к разработке динамического метода космической геодезии, к которому упорно шли около восьми лет. Мы получили техническое задание от НПО ПМ на разработку комплекса программ по определению и прогнозированию орбит космических аппаратов ГЛОНАСС, по уточнению координат наземных станций слежения, по определению параметров сдвига и наклона референц-эллипсоида, по уточнению параметров внешнего гравитационного поля Земли, по определению параметров полярного движения оси и неравномерности вращения Земли, по определению параметров модели светового давления и активных сил в радиальном, трансверсальном и нормальном направлениях. Исходной измерительной информацией для этого комплекса программ являлись: лазерные и радиотехнические дальности и псевдодальности, радиальные скорости, а также топоцентри-ческие направления на спутники. В разработке комплекса принимали участие:
А.М. Токарев (учет влияния Луны, Солнца и планет на движение КА, сингулярное разложение, формирование системы уравнений наблюдений), С.В. Кужелев (учет аномалий ГПЗ, расчет частных производных от измеряемых функций по гармоническим коэффициентам ГПЗ, по параметрам моделей светового давления и активных сил, методы численного интегрирования Булирша - Штё-ра, Рунге - Кутты, Эверхарта, Адамса, модель светового давления с гладкой функцией тени), В.А. Ащеулов (определение параметров вращения Земли, составление системы уравнений наблюдений), А.В. Елагин (методы численного интегрирования), Е.В. Михайлович (учет приливов твердой и жидкой оболочек Земли, сжатие информации о траекториях Луны и Солнца полиномами Горнера и Чебышева), Н.К. Шендрик (формирование и решение системы уравнений наблюдений по отдельным орбитальным дугам с помощью сингулярного разложения, разработка управляющей всеми блоками программы, отладка комплекса в целом). Моя роль была подобна роли «архитектора», который проектирует и одновременно участвует в сооружении «здания» под названием «динамический метод космической геодезии».
Первый вариант динамического метода (комплекс программ «ОРБИТА-84») был завершен к концу 1984 г. Он прошел испытания в НПО ПМ на обработке модельных и реальных наблюдений КА ГЛОНАСС и показал более высокую эффективность (по быстродействию, точности, составу оцениваемых параметров и составу измерений), чем имевшийся к тому времени комплекс программ в НПО ПМ.
135
Хроника
Как показали многолетние дальнейшие испытания комплекса «ОРБИТА-84», алгоритм и методика описания движения КА в регулярных (неособенных) переменных (иными словами, математическая модель движения и ее программная реализация) сохраняют до сих пор достаточно высокие характеристики по быстродействию и точности расчета траекторий искусственных спутников Земли. Эти качества программного комплекса «ОРБИТА-84» послужили основанием для использования его в НПО ПМ в решении задач проектирования по системе ГЛОНАСС. Методика и алгоритм модели движения КА, предложенные впервые НИЛ КГ НИИГАиК в 1973 г. и реализованные в программе «ОРБИТА-84», были использованы в программных комплексах, создаваемых в НПО ПМ, в части определения орбит различных КА по результатам радиотехнических и лазерных измерений. В настоящее время математическая модель движения КА (методика и алгоритм), являющаяся центральным блоком программы «ОРБИТА-84», заложена НПО ПМ в бортовую модель движения КА ГЛОНАСС-М и используется штатным образом.
В последующую пятилетку (1986-1990 гг.) сотрудничество НИЛ КГ и НПО ПМ, совпавшее с начальным этапом перестройки, достигло своего расцвета. В этот период мы поднялись на одну из небольших вершин познания природы - практически реализовали динамический метод космической геодезии - и теперь могли решать с помощью комплекса «ОРБИТА-84» и современных спутниковых средств измерений разнообразные научные и производственные задачи геодезии, что мы, по возможности, и делали. Так, помимо НПО ПМ, наша лаборатория сотрудничала с 29 НИИ и Баллистическим центром Министерства обороны, где мы определяли координаты станций, орбиты спутников, некоторые параметры ГПЗ по спутникам ЛАГЕОС, ЭТАЛОН, ГЛОНАСС. Участники экспериментов: С.В. Кужелев, Н.К. Шендрик, В.И. Дударев, А.В. Елагин, Е.В. Михайлович, М.М. Михалицын. Для Восточно-Сибирского филиала ВНИИФТРИ мы адаптировали комплекс «ОРБИТА-84» с целью обработки доплеровских измерений спутниковой системы ТРАНЗИТ (В.И. Дударев, Е.В. Михайлович, Н.К. Шендрик). Сотрудники НИЛ КГ выступали с докладами на Международных конференциях и научных семинарах в Киеве, Ленинграде, Москве. По материалам этих исследований защитил кандидатскую диссертацию В.И. Дударев (1990 г.) на тему «Исследование и разработка алгоритмов определения геодезических параметров орбитальным методом по результатам радиотехнических наблюдений космических аппаратов».
Актуальную работу (на ЭВМ ЕС с помощью комплекса программ ERDA) по определению глобальных параметров внешнего гравитационного поля Земли на основе спутниковых наблюдений и наземных гравиметрических измерений ускорений силы тяжести выполняли старшие инженеры Сергей Юрьевич Мас-ликов, Николай Валентинович Осипков, Нелли Андреевна Дорофеева и Елена Алексеевна Луговская. Однако завершение этой работы не состоялось. Отсутствие своего жилья, наличие двоих детей и низкая заработная плата вынудили способного и перспективного в научном плане молодого специалиста С.Ю.
136
Хроника
Масликова отказаться от завершения этой диссертационной темы и перейти на работу в другую организацию. Ушел на другую, более высокооплачиваемую работу Н.В. Осипков. Это лишило нас ключевых исполнителей по теме ERDA и вынудило постепенно свернуть ценную работу.
Одновременно по новому техническому заданию от НПО ПМ мы занимались в это пятилетие дальнейшим развитием и совершенствованием динамического метода. В него включались обработка новых видов измерений - спутниковой альтиметрии и других средств наблюдений, новые методы математической обработки совокупности многих орбитальных дуг, с анализом сингулярности решаемых систем уравнений. Основные исполнители на этом этапе: С.В. Кужелев, Н.К. Шендрик, А.В. Елагин, Е.В. Михайлович, М.М. Михалицын. Добросовестно помогали нам в оформлении и печатании научно-технических отчетов лаборанты Татьяна Григорьевна Жукова и Наталья Васильевна Варнов-ская, успешно совмещавшие с работой получение высшего образования заочно. Сотрудничество с НПО ПМ было для нас основным, поскольку оно давало работу двенадцати штатным сотрудникам НИЛ КГ (рис. 2).
Рис. 2. 1983 год. НИЛ КГ (к. 540В).
Слева направо: нижний ряд - Т.Г. Жукова, Н.А. Дорофеева, Ю.В. Сурнин, Н.В. Варновская, средний ряд - В.А. Ащеулов, А.М. Токарев, Н.К. Шендрик, В.И. Дударев, А.В. Седаков, верхний ряд - С.В. Кужелев, Ю.В. Дементьев, А.В. Елагин
137
Хроника
Если предыдущая пятилетка была, образно говоря, «расцветом» в деятельности лаборатории, то следующая пятилетка (1991-1995 гг.) стала «закатом» как в эпохе сотрудничества между НИЛ КГ и НПО ПМ, так и в активной дальнейшей деятельности Лаборатории. Перестройка, конверсия и ликвидация в НИИГАиК универсальной ЭВМ Единой серии постепенно начали разрушать научные и хоздоговорные связи НИЛ КГ с предприятиями военнопромышленного комплекса. Разработав для НПО ПМ усовершенствованный вариант модели высокоточного прогнозирования движения КА ГЛОНАСС (исполнитель А.В. Елагин), мы завершили семнадцатилетнее сотрудничество с этой организацией в 1995 г. С этого года наступил двенадцатилетний перерыв в работе над комплексом программ «ОРБИТА-84». Только в 2005-2007 гг. этот разрыв был частично ликвидирован Е.В. Михайлович, которая восстановила (для персональных компьютеров) некоторые усеченные (и не лучшие) версии комплекса программ с шифром «ОРБИТА-89» и заменила современными моделями такие блоки программы «ОРБИТА-89», как модели движения Луны и Солнца (DE200/LE200), модели прецессионно-нутационного вращения Земли (IAU 2000), модели приливов жидкой и твердой оболочек Земли, а также адаптировала обновленный программный комплекс к обработке кодовых измерений псевдодальностей КА ГЛОНАСС/GPS. По результатам этих исследованиях Е.В. Михайлович защитила в 2011 г. кандидатскую диссертацию на тему «Методика учета возмущающих сил и преобразования координат в динамическом методе космической геодезии». В настоящее время работу по совершенствованию комплекса программ ОРБИТА-СГГА продолжает аспирант Леонид Алексеевич Липатников.
Таким образом, одним из самых существенных результатов семнадцатилетнего сотрудничества с Научно-производственным объединением прикладной механики стало, как уже отмечалось выше, использование НПО ПМ в течение двух последующих десятилетий методики и алгоритма движения искусственных спутников Земли в разработке НИЛ КГ и в установке их в бортовой модели движения КА ГЛОНАСС-М в штатном режиме. Другим результатом этого сотрудничества стали защиты кандидатских диссертаций С.В. Кужелевым (1983 г.), В.И. Дударевым (1990 г.), М.М. Михалицыным (1995 г., на тему «Определение трансформант возмущающего потенциала с применением цирку-лянтных матриц») и Е.В. Михайлович (2011 г.).
В этот сложный для всей страны период (1991-1995 гг.), продолжая сотрудничество с НПО ПМ, я пытался спасти положение поиском новых заказчиков. Мне удавалось заключать договоры с разными организациями (Баллистическим центром МО, Центром управления полетами, НИИ космического приборостроения, НИИ измерительной техники, Институтом метрологии времени и пространства и др.). В отдельные годы этого отрезка времени нам приходилось выполнять работу одновременно для 3-4 организаций. Но все эти договоры были краткосрочными и мало финансируемыми, без какой-либо гарантии перспективного сотрудничества. К тому же нужно учесть, что заработную пла-
138
Хроника
ту мы все получали только по какой-либо одной теме. Это не соответствовало затрачиваемым усилиям и никак не стимулировало наш труд. Штатные научные сотрудники НИЛ КГ вынуждены были постепенно переходить на другую работу вне Лаборатории. В результате, начиная примерно с 1995 г., в НИЛ КГ не осталось ни одного штатного сотрудника.
Этот год стал переломным в развитии Лаборатории. Двадцать три года (1973-1995 гг.) НИЛ КГ представляла собой коллектив честных, одержимых молодых людей, нацеленных на конечный результат единомышленников. В Лаборатории царил дух доверия и общения, обмена информацией и опытом, взаимодействия и профессионального развития каждого сотрудника. Этому способствовали также регулярные научные семинары как по текущим проектам, так и по различным проблемам. Например, цикловые семинары по изучению книг Ю.В. Линника «Метод наименьших квадратов и основы математикостатистической теории обработки наблюдений», Р.В. Хемминга «Цифровые фильтры», С.К. Годунова «Решение систем линейных уравнений», Г. Брукса «Как создаются и проектируются большие программные комплексы». На семинарах кто-то из сотрудников выступал с докладом. Остальные активно обсуждали, спорили, вносили свои предложения, устраивая иногда «мозговой штурм» решения какой-либо проблемы. Благодаря такой атмосфере, в Лаборатории быстро росли профессиональный уровень молодых ученых, самостоятельность в принятии решений и, как следствие, увеличивалась отдача в итоговых результатах работы коллектива.
Все изменилось после 1995 г., и следующий шестнадцатилетний период (1996-2011 гг.) деятельности Лаборатории стал представлять полную противоположность предыдущему этапу (1973-1995 гг.). Естественно, без штатных научных сотрудников темпы работы Лаборатории снизились. Изменились актуальность тематики и характер работы. Она перестала быть, как прежде, наукоемкой и превратилась в значительной степени в производственно-техническую работу, которую выполняли преподаватели кафедры астрономии и гравиметрии, на правах совместителей, как по Заказ-нарядам Министерства образования России, так и по мелким хозяйственным договорам с предприятиями г. Новосибирска, области и Сибирского региона. Не стало единого научного руководителя по всему спектру работ. Каждая работа стала выполняться в основном одним или несколькими исполнителями, либо по их собственной инициативе, либо по инициативе проректора по НИР, минуя научного руководителя НИЛ КГ. Ушли в прошлое общение и обмен опытом, коллективизм в принятии решений. Каждый исполнитель стремился показать, что он может сам сделать порученную ему работу. Сделать не хуже, а может быть, даже лучше, чем другие. Амбиции мешали лишний раз задать вопрос более опытному коллеге, чтобы не обнаружить свой в чем-то недостаточный (что вполне естественно!) уровень знаний.
Однако, несмотря на негативные изменения, произошедшие в Лаборатории, работа в новом качестве (без штатных сотрудников) продолжалась. В этот период (1995-2011 гг.) мне удалось «наткнуться» на идею органичного и есте-
139
Хроника
ственного соединения координатной основы и локального гравитационного поля Земли с помощью спутниковых и традиционных видов геодезических измерений. Эта идея была навеяна монографиями М.С. Молоденского (1961 г.), Г. Морица (1985 г.) и Hofmann-Wellenhof и др. (рукопись перевода А.А. Генике, 1993 г.). Развитие идеи происходило постепенно. Вначале, в 1993 г., соединительным элементом координатного пространства и гравитации служила, как у всех предшественников, плоскость, касательная к поверхности квазигеоида, затем, в 1995 г., - кусок криволинейной поверхности квазигеоида, и далее, в 2000-2011 гг. - уже, не имеющие пока аналогов, трехмерная и четырехмерная (геодинамические) модели локального гравитационного поля Земли. Реализация этой идеи дает возможность существенным образом (с помощью спутниковой аппаратуры и локальной модели ГПЗ) автоматизировать процессы определения различных трансформант поля силы тяжести, начиная от координатных параметров (плоские прямоугольные координаты в проекции Г аусса - Крюгера и др.) и заканчивая гравитационными трансформантами (нормальными высотами, аномалиями высот квазигеоида, составляющими отклонения отвеса, астрономическими долготами, широтами и азимутами), используя только спутниковые приемники (без нивелиров, дальномеров, астрономических и гироскопических теодолитов).
С помощью основной моей помощницы в этот период 1995-2007 гг. - доцента Елены Г еннадьевны Г иенко - мы разработали основы теории и ряд компьютерных программ. Провели успешные испытания первых вариантов идеи на реальных измерениях. Это позволило применить разработки к созданию двух физических объектов, обладающие качественно новыми характеристиками по сравнению с существующими аналогами. Один объект - полевой астрогравигеодезический эталон СГГА (2005-2007 гг.) и другой объект - активная спутниковая геодезическая сеть Новосибирской области (2007-2011 гг.). Несколько подробнее об этих проектах будет сказано ниже.
Параллельно с развитием и реализацией в НИЛ КГ идеи соединения координатного и гравитационного частей в единой модели внешнего потенциала силы тяжести проводился ряд других производственно-технических работ (в основном преподавателями кафедры астрономии и гравиметрии), которые лишь условно можно отнести непосредственно к деятельности Лаборатории. В 1992 г. в НИЛ КГ появились первые GPS-приемники: Transpak и Pathfinder. С этого времени в работе НИЛ КГ начинается новая эпоха приложения ГЛОНАСС/GPS-технологий к решению геодезических и топографических задач в народном хозяйстве Сибирского региона. Так, в 1993-1994 гг. в Тогучинском и Каргатском районах Новосибирской области по договору с Областным земельным комитетом были проведены топографические работы по паспортизации фермерских хозяйств с использованием работающей по кодовым измерениям спутниковой системы Pathfinder в дифференциальном режиме. Это был один из первых опытов использования спутниковой технологии для целей земельного кадастра. В этих работах участвовали К.М. Антонович, В.А. Ащеулов, А.В. Елагин,
140
Хроника
С.В. Кужелев, Н.К. Шендрик, Г.С. Шептунов. Когда в 1994 г. в СГГА появилась на два порядка более точная (фазовая) спутниковая аппаратура (Leica Geosystem 200 и Trimble 4000 SST), стали выполняться и точные геодезические работы по обновлению геодезических сетей в Тюмени и в других городах Западной Сибири (С.В. Кужелев, Ю.Н. Нагорный, Е.И. Паншин). В последующее годы (1995-2006 гг.) НИЛ КГ принимала участие в выполнении (с помощью спутниковых средств) различных топографических и геодезических работ. Это были: съемка рельефа дна на реках Обь и Иртыш в местах пересечения их продуктопроводами; инвентаризация и паспортизация автомобильных дорог Новосибирской области (Н.К. Шендрик, К.М. Антонович); создание геодезического, геодинамического и съемочного обоснования на объектах Крайнего Севера: Верхне-Салымский, Губкинский, Муравленковский, Ноябрьский, Салехардов-ский, Спорышевский и др. (А.И. Каленицкий, Н.К. Шендрик, В.В. Яхман, И.О. Сучков и др.).
НИЛ КГ принимала участие в реконструкции первой очереди Новосибирской городской геодезической сети: в разработке методических материалов для проектирования каркасной сети из 7 пунктов, геодинамической сети из 18 пунктов, в рекогносцировке этих пунктов, в спутниковых измерениях на них, в уравнивании спутниковой геодезической каркасной сети и привязке ее к общеземной системе координат (ITRF 2000) и к государственной координатной основе (СК-42, БСВ-77). В этих работах принимали участие: К.М. Антонович, Е.Г. Гиенко, Д.Н. Голдобин, А.И. Каленицкий, А.Н. Клепиков, В.А. Скрипни-ков, Ю.В. Сурнин, Е.К. Фролова, Н.К. Шендрик, В.В. Яхман. Эти полевые геодезические работы послужили толчком к решению новых проблем, возникших на стыке спутниковой и традиционной геодезии. Так, например, встала проблема «согласования» геодезических сетей (спутниковых и традиционных) в условиях неточного знания высот квазигеоида и координат опорных государственных пунктов при плохой обусловленности задачи, вызванной малыми размерами локальных геодезических построений. В результате в НИЛ КГ была разработана регулярная методика оценивания параметров трансформирования геодезических сетей, которая позволила повысить точность преобразования координат как в пространстве измерений, так и в пространстве оцениваемых параметров. Повысилось качество интерпретации параметров трансформирования за счет введения в решение физической и алгебраической декомпозиции, сингулярного анализа и регуляризации как матрицы коэффициентов, так и правой части. Это дало возможность более обоснованно производить оценку точности решения, определять количество и состав оцениваемых параметров трансформирования. На основе выполненных в НИЛ КГ исследований создана локальная спутниковая геодезическая сеть на Верхне-Салымском нефтяном месторождении в условной системе координат с привязкой к государственной плановой и высотной координатной основе с требуемой в техническом задании точностью. Определены параметры взаимного трансформирования Новосибирской городской спутниковой геодезической сети (первая очередь,
141
Хроника
2000-2004 гг.). Защищена кандидатская диссертация Е.Г. Гиенко (2002 г.) на тему «Регулярная методика оценивания параметров взаимного трансформирования локальных спутниковых геодезических сетей и государственной координатной основы».
В период 1994-1996 гг. в НИЛ КГ началась разработка первого проекта и методики метрологических испытаний, а затем практическое создание Г еодези-ческого эталонного полигона СГГА (далее ПГЭ-СГГА, или Полигон) для исследований и поверок спутниковой аппаратуры, принимающей сигналы КА систем глобального позиционирования ГЛОНАСС и/или GPS. В создании Полигона в первые три года принимали также участие Производственное объединение «Инжгеодезия» и Сибирский НИИ метрологии. В результате в 1996 г. состоялась первая аттестация Полигона в качестве рабочего эталона 2-го разряда. Новой отличительной характеристикой ПГЭ-СГГА стала его пространствен-ность - способность полигона хранить и передавать не только меру длины (как это делается до сих пор на существующих геодезических полигонах этого же назначения), но и ориентировку эталонов длины в трехмерном пространстве, т. е., приращения координат, которые непосредственно «измеряются» испытуемой спутниковой аппаратурой. В создании Пространственного полигона СГГА в этот период принимали участие: К.М. Антонович, В.А. Ащеулов, С.В. Куже-лев, Л.Г. Куликова, В.Д. Лизунов, А.Л. Рогов, В.А. Середович, Ю.В. Сурнин,
О.П. Сучков, Н.К. Шендрик, Г.С. Шептунов.
В период с 1997 по 2000 г. в НИЛ КГ были продолжены исследования по развитию Полигона СГГА для метрологических испытаний более широкого спектра геодезической аппаратуры. В основу были положены результаты разработки в НИЛ КГ, комплексной технологии (которая упоминалась выше) определения геодезических, астрономических и гравиметрических трансформант гравитационного поля Земли по спутниковым и традиционным геодезическим данным. Измерения спутниковой приемной аппаратурой являются в высокой степени автоматизированными, мало зависящими от времени суток и погодных условий и, главное, от геодезической и астрономической рефракции. Поэтому совместная математическая обработка спутниковых и классических геодезических измерений (геометрического нивелирования, астрономических и гравиметрических определений) позволила построить поверхность квазигеоида на Полигон с точностью, на порядок более высокой, чем известная до сих пор поверхность квазигеоида в районе г. Новосибирска, полученная методом М.С. Молоденского в ЦНИИГАиК. Это дало возможность получить целый ряд новых метрологических параметров Полигона, таких как: нормальные высоты, астрономические долготы, широты и азимуты для испытания нивелиров, астрономических и гироскопических теодолитов в полевых условиях, приближенных к эксплуатационным. Вторая аттестация Полигона, произведенная в 2000 г. (с качественно новыми метрологическими параметрами), частично закрепила эти достижения НИЛ КГ.
142
Хроника
В дальнейшем, в период с 2001 по 2007 г. лаборатория космической геодезии продолжила развитие комплексной технологии определения геодезических, астрономических и гравиметрических трансформант на локальном участке земной поверхности путем разработки трехмерной модели локального гравитационного поля Земли взамен двумерной (в виде квазигеоида). Исследования выполнялись в НИЛ КГ по инициативной тематике кафедры астрономии и гравиметрии СГГА. Научный руководитель - Ю.В. Сурнин, ответственный исполнитель - доцент Е.Г. Гиенко, исполнители: аспирантка Н.В. Ротова и студенты П.В. Перков. Е.А. Лукина, И.В. Карпов, Результаты разработки трехмерной модели локального ГПЗ использованы для третьей аттестации Полигона в 20052006 гг. при метрологических испытаниях Г еодезического эталонного полигона СГГА как полевого астрогравиэталона. В создании Полигона с новым качеством непосредственное участие принимали: В.А. Середович - научный руководитель проекта; Ю.В. Сурнин - разработчик теории трехмерной модели локального ГПЗ и методики преобразования пространственного Полигона в полевой астрогравигеоэталон; К.М. Антонович - поверитель и обработчик спутниковых измерений, разработчик каталога координат и технического паспорта на Полигон; Л.Г. Куликова - разработчик нормативной документации; Е.Г. Гиен-ко - вычислитель метрологических астрогравигеодезических параметров Полигона; А.Н. Клепиков и Е.К. Фролова - измерители и обработчики спутниковых сигналов; Г.С. Шептунов - закладчик фундаментальных центров на Полигоне и наблюдатель космических аппаратов GPS; В.И. Кузьмин - измеритель ускорений силы тяжести на пунктах Полигона. Материалы измерений на Полигоне были использованы в докторской диссертации К.М. Антоновича «Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии» и в кандидатских диссертациях Е.К. Фроловой «Методика учета влияния тропосферы на точность спутниковых координатных определений» и А.В. Елагина «Методика определения конечно-элементной модели гравитационного поля Земли», защищенных в 2007 г.
В период с 1993 по 2007 г. параллельно с полевыми работами и созданием Геодезического эталонного полигона СГГА лаборатория космической геодезии проводила научные исследования по новому актуальному направлению современной геодезии в соответствии с госбюджетными темами: № 1.8.95 «Разработка автоматизированной технологии координатно-временного обеспечения Сибирского региона (Новосибирской области) с использованием космических систем» (Научные руководители: В.А. Середович, Ю.В. Сурнин); № 615-98/1.2 «Разработка и исследование перспективной технологии создания активных опорных геодезических сетей на основе спутниковых систем» в рамках межвузовской научно-технической программы ГЕОИНФОКАД (Научные руководители: И.В. Лесных, Ю.В. Сурнин); № 1.17.99 «Мониторинг геопространства на основе современных и перспективных технологий» (Научные руководители: И.В. Лесных, Ю.В. Сурнин). Результатом работы по этой тематике стало предложение и эскизный проект создания на базе СГГА «Региональной сети актив-
143
Хроника
ных базовых станций и регионального центра координатно-временного обеспечения потребителей» на основе спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS (Ю.В. Сурнин, ноябрь 1994 г.). И только через десять лет в 2005 г. этот проект стал частично реализовываться под руководством сначала профессора В.А. Середо-вича, затем профессора А.П. Карпика, но уже без участия НИЛ КГ. С конца 2005 г. начала регулярно работать одна активная базовая станция (Новосибирск западный - NSKW), организованная в СГГА. Она ведет круглосуточные GPS-измерения космических аппаратов с помощью высокоточной спутниковой аппаратуры и предоставляет файлы измерений заинтересованным организациям г. Новосибирска (исполнитель А.Н. Клепиков). В результате пользователи спутниковой аппаратуры не тратят средства как на приобретение дополнительного спутникового оборудования, так и на производство дополнительных измерений. Они получают готовые файлы измерений от активной базовой станции СГГА.
Дальнейшим развитием новой технологии построения геодезических сетей, качественно отличающейся от традиционной, стал Эскизный проект (2007 г.) создания активной сети геодезических станций для Новосибирской области, основанный как на ГЛОНАСС/GPS-измерениях, так и на традиционных геодезических наблюдениях различных трансформант ГПЗ. Разработчики проекта - К.М. Антонович, А.И. Каленицкий, А.П. Карпик, Н.А. Клепиков, Ю.В. Сурнин. Под руководством профессора А.П. Карпика за счет внутренних ресурсов СГГА и при финансовой поддержке города и области первая очередь проекта из 19 постоянно действующих базовых станций, охватывающих всю Новосибирскую область, реализована в 2008-2010 годах.
Подводя итог тридцатидевятилетней деятельности НИЛ КГ, можно отметить следующие главные научные и практические достижения Лаборатории:
- разработка теории и комплексов программ «ОРБИТА» динамического метода, завершенные практическим решением реальных задач космической геодезии в интересах организаций военно-промышленного комплекса;
- разработка теории, методики и практическое создание Эталонного геодезического полигона СГГА с качественно новыми (не имеющими аналогов) метрологическими параметрами для испытаний широкого спектра геодезической аппаратуры;
- разработка новой концепции (у которой пока нет отечественных и зарубежных аналогов) и эскизного проекта геодезического обеспечения территорий (в частности, Новосибирской области) на основе активных геодезических сетей, создающих информационное координатно-гравитационное поле в пространстве и во времени, с помощью спутниковых и традиционных геодезических средств измерений;
- вклад в открытие новой специальности «Космическая геодезия» в СГГ А и в подготовку преподавательских и инженерных кадров по актуальному направлению современной геодезии (рис. 3).
144
Хроника
Рис. 3. 2008 год. «Воспитанники» НИЛ КГ.
Слева направо стоят: Н.К. Шендрик - заведующий учебной лабораторией космической геодезии, к.т.н.; А.В. Елагин - доцент кафедры высшей геодезии; проф. Ю.В. Дементьев - директор Института дистанционного зондирования и природопользования; проф. В.А. Ащеулов - проректор по учебной работе, к.т.н.; С.В. Кужелев - директор ООО «ГеоПлан плюс». Сидят: Е.А. Луговская - директор Учебно-методического центра «Планетарий СГГА»; Е.Г. Гиенко - доцент кафедры астрономии и гравиметрии, к.т.н.; Ю.В. Сурнин - профессор кафедры астрономии и гравиметрии, к.т.н.; Т.Г. Жукова - методист Института дистанционного обучения; Е.В. Михайлович - старший преподаватель кафедры вычислительной математики
Получено 15.12.2010
© Ю.В. Сурнин, 2010
Ю.В. Сурнин - канд. техн. наук, профессор кафедры астрономии и гравиметрии. Тел.: 361-01-59.
145
