Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Сферическая астрономия

..pdf
Скачиваний:
3
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
15.77 Mб
Скачать

предварительно нужно найти координаты телескопа относительно среднего земного эллипсоида. Спутники обращаются относительно центра масс Земли, который совпадает с точкой О (рис. 3.3) или гео­ центром, и эфемериды спутников вычисляются в геоцентрической системе относительно среднего эллипсоида. Следовательно, топоцентрические координаты спутников сначала должны быть преоб­ разованы в геодезическую систему, а затем в геоцентрическую си­ стему.

3.4. Земная система координат

Международная земная система отсчета (1п1егпа1;юпа1 Теггез1па1 Ке&гепсе 8уз1:ет, 1ТК5), по определению, есть геоцентрическая си­ стема с началом в центре масс Земли, включая океаны и атмосфе­ ру, вращающаяся вместе с Землей. Единицей длины является метр (СИ). Шкалой координатного времени является шкала геоцентри­ ческого координатного времени ТСС, Сеосеп1пс СоогсИпа1е Типе (см. § 4.5.2).

Ось 2 системы 1ТК5 в пределах ±30 мс дуги совпадает с услов­ ным международным началом (СопуепНопа1 1п1егпа1лопа1 О п§т, СЮ). Это было сделано для того, чтобы избежать появления скач­ ков в движении полюса при замене систем координат. По определе­ нию, условное международное начало есть среднее положение зем­ ного полюса по измерениям на интервале с 1900 г. по 1905 г., вы­ полненным Международной службой широты (предшественницей МСВЗ), в состав которой входили пять обсерваторий, расположен­ ных на широте 39°08'.

Международная опорная земная система отсчета (1п1егпаНопа1 Теггез1:па1 Ке1егепсе Ргате, 1ТК.Р) реализуется декартовыми коор­ динатами Х , У , 2 и скоростями Ух,Уу, У2 ряда реперных точек. Ско­ рости точек обусловлены тектоническими движениями плит земной коры.

История 1ТК.Р начинается в 1984 г., когда впервые были получе­ ны координаты реперных точек. Они были найдены на основе сов­ местного уравнивания координат радиотелескопов, лазерных даль­ номеров и допплеровских приемников сигналов с искусственных спутников Земли. Совместное уравнивание позволило также при­ вязать систему координат, определяемую на основе РСДБ наблю-

дений, к центру масс Земли. В основу уравнивания был положен принцип коллокации: предполагается, что скорости инструментов, расположенных в одном месте (коллокационном пункте), одинако­ вы. Для построения системы 1ТКР2000 в семидесяти коллокационных пунктах использовались инструменты двух разных типов (на­ пример, радиотелескоп и СР8-приемник), в 25 пунктах —три и в 4 пунктах —6 различных инструментов.

За прошедшие 20 лет были получены десять версий ГГКР, начи­ ная с 1ТКР88 и заканчивая последней — 1ТКР2000. В «Стандартах МСВЗ» при всех астрометрических и геодезических работах реко­ мендуется использовать 1ТКР2000 (Ьир://1аге§.еп5ёл§п.&/1ТРК).

Преобразование прямоугольных координат вектора из одной опорной земной системы в другую выражается с помощью семи па­ раметров Тх, Т2, Тз, Д , Д2 5Дз и их первых производных Т \ , Т2, Тз,

А Ях, .й2, Дз:

Х2 = Х 1 + Т + 0Х1 + ЯХЬ Х2 » Хх + Т + № + ЯХЬ

где Хх, Х 2 —радиусы-векторы одной и той же точки, выраженные в опорных земных системах (1) и (2), Т —радиус-вектор начала от­ счета системы (1) относительно (2), И — масштабный множитель, К —матрица вращения:

(тА

т = Т2

\Т з )

(

0

II

со

\ - Й

2

-Яз Да \ 0 Дх Й! 0 /

Система 1ТКР2000 реализуется координатами и скоростями бо­ лее чем 800 точек, жестко связанных с корой Земли, и расположен­ ных примерно в 500 пунктах. Каждая из точек представляет собой либо особую точку инструмента (например, пересечение осей радио­ телескопа), либо геодезический маркер.

Ориентация осей 1ТКР2000 и ее стабильность во времени обес­ печивается соответствующим выбором реперных точек. Критерии выбора реперных точек следующие:

1) наблюдения должны быть непрерывными в течение не менее трех лет;

3.4. Земная система координат

10 Зак. 286

2 ) точки должны располагаться на значительном расстоянии от гра­ ниц тектонических плит и от разломов внутри плит;

3)ошибка вычисления скорости точки (в решении 1ТКР2000) долж­ на быть меньше 3 мм/год;

4)разброс в скорости точки по как минимум трем разным решениям (например, РСДБ, ОРЗ и лазерным дальномерам) не должен превы­ шать 3 мм/год.

Изменение в ориентации осей 1ТКР2000 связано с кинематиче­ ской моделью движения плит земной коры ККК-К11УЕЬ-1А. В со­ ответствии с этой моделью вся поверхность Земли разбита на 16 плит, каждая из которых вращается, но суммарное вращение зем­ ной коры равно нулю. Обозначение NN11 (по-пе*-го(а(;юп) говорит об отсутствии глобального вращения земной коры и, следовательно, системы 1ТКР2000, жестко связанной с корой.

Система 1ТКР2000 характеризуется следующими свойствами:

1)шкалой времени в 1ТКР2000 является шкала земного времени ТТ (Теггез1па1 Типе) в отличие от 1ТКР97, в которой использовалось геоцентрическое координатное время ТСС;

2)координаты и скорости пунктов приводятся на эпоху 1997.0;

3)масштабный множитель В при преобразовании между 1ТКР2000

исистемой, задаваемой координатами радиотелескопов, равен нулю;

4)начало координат реализуется приравниванием нулю вектора Т между 1ТКР2000 и системой, задаваемой координатами лазерных дальномеров.

Таким образом достигается совмещение начала координат 1ТКР2000 с центром масс Земли с ошибкой менее 10 мм. Особо от­ метим, что пространственные координаты в системе 1ТКР2000 со­ гласованы со шкалой ТТ (см. также стр. 432). Решение об использо­ вании в системе 1ТКР2000 в качестве временной координаты земно­ го времени ТТ было принято потому, что все центры при обработке наблюдений используют время ТТ.

Точность наблюдений современными средствами настолько вы­ сока, что позволяет определить скорости пунктов, то есть изменение их координат из-за тектонических движений, в течение достаточно короткого промежутка времени (около года).

В качестве примера на рис. 3.8 показано изменение длины базы (расстояния между двумя радиотелескопами) в Ветзеле (Германия) и Вестфорде (США). Из рисунка видно, что метод РСДБ позволяет

'> < *'*.................................................................................

1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995

Рис. 3.8. Изменение длины базы (5998 км) Ветзель (Германия) - Вестфорд (США).

уверенно определять межконтинентальные расстояния с миллимет­ ровой точностью.

Так как оси системы координат определяются координатами пунктов, то изменение последних может привести к повороту систе­ мы координат. Чтобы этого не было (непредсказуемое вращение си­ стемы координат может быть интерпретировано как изменение па­ раметров вращения Земли), на скорости пунктов накладывается до­ полнительное условие: кора Земли не должна иметь вращения от­ носительно земной системы координат. Математически это условие можно записать в виде:

(1г ^

2

(3.32)

— —П х г

ЛМ = ГП1П,

I,VI си

 

 

где г —радиус-вектор элемента массы ЛМ в геоцентрической систе­ ме координат, И —вектор мгновенной угловой скорости вращения Земли. Интегрирование проводится по объему V деформируемой части Земли. Во вращающейся системе имеем:

йт

^ = ° х г + " ’

где V —вектор скорости деформации. Уравнение (3.32) эквивалент­ но выражению:

^ |у|2ЛМ = пип.

(3.33)

3.4. Земная система координат

10*

Оси выбранной таким образом системы называются осями Тис-

серана2.

Рассмотрим, почему оси Тиссерана так важны при определении земной системы координат. Если тело не является абсолютно твер­ дым, то движение элемента массы йМ вокруг центра масс разделяет­ ся на вращение с линейной скоростью П х г и остаточную деформа­ цию со скоростью V . Угловой момент тела, который по определению есть

н = Г г х ^ Ш ,

Зу <и

в нашем случае равняется

н = § г х (П х г) Ш + Ь,

где интеграл

г х уйМ

называется относительным угловым моментом. Используя опреде­ ление тензора инерции С, имеем

Н = СИ -I- ь.

Предположим, что Ь ^ О , и V = х г. Это означает, что поле скоро­ стей деформации создается вращением тела и

Ь = г х (а; х г) ЙМ = Со).

Таким образом, имеем:

Н = С(П + а;),

то есть разложение движения тела на вращательное и деформаци­ онное движения неоднозначно. Если Ь = 0, то о) = 0, то есть поле скоростей деформации не содержит вращения; измеряемый вектор мгновенной угловой скорости вращения Земли П в этом случае не содержит добавок из-за деформации коры Земли.

Можно показать, что при выборе осей, в которых Ь = О, удо­ влетворяется условие (3.33). Таким образом, относительный угло­ вой момент, вызываемый деформацией тела, в осях Тиссерана равен

2Тиссеран Франсуа (1845-1896) — французский астроном, директор Парижской обсерватории.

к координатам пункта вычисляются на основе моделей приливов в твердой Земле (могут достигать ±50 см) и океанических приливов (±5 см), переменной атмосферной нагрузки на кору Земли (±2 см), термического расширения телескопа и т.д.

В декартовых координатах изменение координат г-го пункта, расположенного на^-ой плите (3.34), записывается в виде:

Хг =Х? + (иРу2$ - <4У?)(* -

*о) + ДХг,

У =У? + И Х ? -

Лх2°)(1 -

<о) + АУг,

2г = 2! + К У " -

и>1х!)(Ь -

<о) + А 2 и

где компоненты угловой скорости ,;-ой плиты. Угловые скорости плит (модель ЫМК-^ШУЕНА) приводятся в таблице 3.2.

Таблица 3.2. Угловые скорости вращения плит (в 10

9 рад/год)

 

Плита

их

Шу

 

1

Африканская

0,891

-3,099

3,922

2

Антарктическая

-0,821

-1,701

3,706

3

Аравийская

6,685

-0,521

6,760

4

Австралийская

7,839

5,124

6,282

5

Карибская

-0,178

-3,385

1,581

6

Кокос

-10,425

-21,605

10,925

7

Евразийская

-0,981

-2,395

3,153

8

Индийская

6,670

0,040

6,790

9

Хуан де Фука

5,200

8,610

-5,820

10

Наска

-1,532

-8,577

9,609

11

Североамериканская

0,258

-3,599

-0,153

12

Тихоокеаническая

-1,510

4,840

-9,970

13

Филиппинская

10,090

-7,160

-9,670

14

Ривера

-9,390

-30,960

12,050

15

Скотиа

-0,410

-2,660

-1,270

16

Южноамериканская

-1,038

-1,515

-0,870

3.5.Приливы и определение земной системы координат

Рассмотрим влияние приливов на определение земной системы координат.

Потенциал в точке наблюдения складывается из гравитационно­ го потенциала внешних тел (Солнца, Луны и планет) и геопотенци­ ала, возмущенного приливными деформациями. Внешний потенци­ ал включает как зависящие от времени гармоники, так и постоянную во времени часть. Аналогично, и приливное смещение точки наблю­ дения содержит постоянную и переменную во времени компоненты.

В зависимости от способа учета приливов земная система коор­ динат может быть определена как система,

связанная со «средней» корой,

корой, свободной от приливов.

Геопотенциал также может быть представлен в системе,

связанной со «средним» приливом,

свободной от приливов,

соответствующей «нулевому приливу».

Если из мгновенных координат пункта, жестко связанного с ко­ рой Земли, или из потенциала вычесть зависящие от времени при­ ливные поправки, то результирующие координаты будут отнесе­ ны к «средней» коре; оставшиеся приливные поправки называются «средним приливом» (теап Ше). Результирующий потенциал на­ зывается потенциалом, соответствующим «среднему приливу». По­ стоянная часть приливной деформации, которая вызывается по­ тенциалом, присутствует в «средней» коре; геопотенциал «средне­ го прилива» равен сумме постоянной части внешнего возмущающего и постоянной части возмущенного потенциалов. «Средняя» кора со­ ответствует реальным средним положениям пунктов на поверхно­ сти Земли. Геоидом, соответствующим «среднему приливу», был бы геоид, совпадающий со средней поверхностью океана в отсутствие негравитационных возмущений (течений и ветров). В общем случае,

величины, отнесенные к «средней» коре (такие как сжатие, динами­ ческий форм-фактор, экваториальный радиус), определяют разме­ ры эллипсоида «средней» коры и форму геоида «среднего прилива».

Если теперь из координат пункта вычесть постоянную часть при­ лива, то координаты будут отнесены к коре, свободной от приливов (Ис1е кее). Удаление постоянной части внешнего потенциала из гео­ потенциала «среднего прилива» приводит к потенциалу «нулевого прилива» (гего Ше). Постоянная часть возмущенного потенциала все еще присутствует в геопотенциале; удаление этой компоненты приводит к геопотенциалу, свободному от приливов (Ш е 1тее). Важ­ но заметить, что в отличие от потенциала термин «нулевой прилив», примененный к коре и связанным с ней величинам, является сино­ нимом термина «средний прилив» (рис. 3.10).

Почему при вычислении смещения пунктов или геопотенциала особое внимание уделяется постоянному приливу? Дело в том, что

Вектор полной приливной деформации Дг; (переменный и постоянный прилив

удаляются,

числа Лява равны

Ь°=0.6078,1°=0.0847, к<>=0.3)

Постоянный прилив Дгс

добавляется;

числа Лява равны

Ь°, 1° ко *

Средняя

кора

Постоянный прилив Дг$ удаляется; числа Лява равны

Ь8=1+к8, 18=0, к8=0.9383

Пункт

Мгновенная кора

наблкадения

Земли

Кора, условно свободная от приливов (ПНР)

Кора,свободная от приливов

Рис. 3.10. Определение земной коры, «условно свободной от приливов», «свободной от приливов», и «средней» коры. Для определения положения пункта в системе 1ТКР из его мгновенного радиуса-вектора вычитается век­ тор Д г/ полной приливной деформации, причем постоянное смещение вы­ числяется с использованием принятых чисел Лява. Добавление вектора Дгс

постоянного смещения определяет координаты пункта в системе, связанной со «средней» корой. Если из полученного радиуса-вектора вычесть вектор

Дг8 постоянного смещения, вычисленный для вековых чисел Лява Н в, Г, то

получим вектор пункта наблюдения в системе, «свободной от приливов».

Земля не является абсолютно твердым телом: под действием внеш­ них сил расстояние между двумя произвольными точками изменя­ ется. Земля не является и абсолютно упругим телом. Если действие внешних сил прекращается, то точки не возвращаются в первона­ чальное положение, т. е. Земля остается в деформированном состо­ янии. Для описания упругих деформаций Земли английский геофи­ зик Ляв ввел безразмерные параметры к, к (позже японский ученый Шида определил число /), которые сейчас называются числами Лява. Числа Лява связаны с модулями упругости Земли (величинами, характеризующими упругие свойства материалов при малых дефор­ мациях). В настоящее время доказано, что упругие свойства Земли, и, следовательно, числа Лява зависят от частоты воздействующей на Землю силы. Для принятой модели строения Земли были рассчита­ ны числа Лява, на основе которых вычисляется приливное смеще­ ние пункта. Но вычисленная поправка к координатам пункта не яв­ ляется правильной из-за того, что для низких частот (или больших периодов) числа Лява известны с большими ошибками. Поэтому при вычислении коры, свободной от приливов, используются при­ нятые числа Лява; значит, часть долгопериодических (или вековых) приливов, в том числе и постоянный прилив, остается в координатах пункта.

Деформации Земли, вызываемые постоянным приливом, харак­ теризуются вековым числом Лява, которое значительно отличается от принятого в модели. Если ошибка в величине числа Лява состав­ ляет лишь 5%, то ошибка в вертикальном смещении составит 6 мм, а в горизонтальном — 3 мм. Это значит, что в чистом виде кора, сво­ бодная от приливов, не может быть реализована.

Так как модель учета приливов неточна из-за незнания долгопе­ риодических чисел Лява, то геопотенциал и земная система коорди­ нат, основанные на использовании этой модели, называются «услов­ но свободными от приливов» (сопуепНопа1 Нс1е йгее). Координаты станций, задающие земную систему координат 1ТКР2000, условно свободны от приливов.

На это определение 1ТКР необходимо обратить особое внимание

всвязи с резолюцией 16 Генеральной Ассоциации Геодезии (1983).

Врезолюции записано, что «признавая необходимость единого под­ хода к учету приливных поправок к различным геодезическим ве­ личинам, таким как сила тяжести и координаты станций», рекомен­