Общие сведения о дисциплине

«СПУТНИКОВАЯ ГЕОДЕЗИЯ»

1. Учебные основы дисциплины «Спутниковая геодезия»

2. Научные основы дисциплины «Спутниковая геодезия»

1. Учебные основы дисциплины «Спутниковая геодезия»

1.1. Общая характеристика дисциплины

Цель дисциплины: сформировать у студентов знания об основных методах решения геодезических задач на базе наблюдений и измерений с использованием космической техники.

Объект изучения: спутниковая геодезическая система.

Предмет изучения: методы точного определения координат земной поверхности в единой системе.

Стратегия реализации учебного материала: разработка технологии обучения в рамках образовательной стандартизованной технологии подготовки специалистов по специальности 7.070900 «Геоинформационные системы и технологии».

Способы реализации технологии обучения: Вариант 1. Традиционное изложение учебного материала. Вариант 2. Изложение учебного материала и отработка практических занятий с использованием компьютеров и оргтехники. Вариант 3. Самостоятельная отработка учебного материала с использованием модели профессиональных знаний преподавателя.

Параметры технологии обучения:

- начало реализации технологии обучения: 4 курс;

- продолжительность реализации технологии обучения: 7 семестр;

- объем теоретического материала: 18 часов;

- объем лабораторных занятий - 18 часов;

- диагностика знаний и умений: аттестация (7 семестр экзамен), расчетно-графическое задание;

- правовое обеспечение: Государственный стандарт высшего образования высшего учебного заведения по специальности «Геоинформационные системы и технологии»;

- техническое обеспечение: средства информатики и оргтехника;

- программное обеспечение: Microsoft PowerPoint, тестовые программы и др.

- информационно – технологическое обеспечение: учебники, учебное пособие, Интернет, инструкции, тематика семинарских занятий и др.;

- лингвистическое обеспечение: комбинированное (в письменной и устной формах) с использованием естественного русского, украинского языков и языка интерфейса PowerPoint;

- технологию обучения спроектировал: профессор К.А. Метешкин

Особенностью курса является посещение лекций в планетарии (вводная лекция) и заключительная лекция – геодезические наблюдения с виртуального телескопа и выполнение лабораторных работ на базе специальной лаборатории в Харьковском аэрокосмическом университете (ХАИ).

Место учебной дисциплины среди наук о Земле показано на рис.1.

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

Геодезия

География физическая и социально-экономическая

Высшая геодезия

Спутниковая геодезия

Инженерная геодезия

Картография

Землеустройство, кадастр и мониторинг земель

Прикладные технологии: спутниковые, фотограмметрические и др.

Астрогеодезия; Атмосферные науки; Вулканология; Геммология; Геофизика; География; Геология; Геоморфология; Геостатистика; Геохимия; Гидрология; Лимнология; Маркшейдерское дело; Океанология и др.

Рис. 1. Место спутниковой геодезии среди наук о Земле

В правой части рисунка выделены учебные дисциплины, которые изучаются студентами по специальности «Геоинформационные системы и технологии». Здесь же показана связь дисциплин, в том числе и спутниковой геодезии с геоматикой – наукой, обеспечивающей построения геоинформационных систем и технологий. В случае решения конкретных задач геоинформационные технологии называют прикладными, например, геоинформационная технология мониторинга лесных пожаров или геоинформационная технология геологической разведки и т.д. Задачи спутниковой геодезии рассмотрим ниже.

Рассмотрим понятие «Спутниковая геодезия» на основе обобщенной единицы знаний – семантического треугольника (см. рис.2).

ИС

Объект, координаты которого определяются

ЦЗ

ПУ

Геод. сеть

Геоинформационные технологии

«СПУТНИКОВАЯ ГЕОДЕЗИЯ» ТЕРМИН

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: раздел геодезии, рассматривающий теории и методы решения практических и научных задач геодезии по результатам наблюдений ИСЗ и др. космических объектов.

ОБРАЗ

Рис. 2. Семантический треугольник дисциплины «СГ»

1.2. Междисциплинарные связи и научные основы дисциплины «Спутниковая геодезия»

Профессионально-ориентированные учебные дисциплины по специальности «Геоинформационные системы и технологии» условно можно разделить на три группы. К первой группе учебных дисциплин отнесем дисциплины, в которых изучаются средства и методы геодезических измерений, ко второй средства и методы наблюдения и измерения Высшей, космической и спутниковой геодезии и к третьей группе дисциплины изучающие основы построения геоинформационных систем и технологий. На рис. 3 в правой части рисунка показаны средства инженерной геодезии, к которым относятся соответствующие геодезические приборы и методы измерений. Для сравнения в правую часть рисунка помещены средства спутниковой геодезии, к которым относятся космическая техника (ракеты, спутники) и система управления. Кроме того, показано, что, если решение прикладных геодезических задач статическими методами составляют геодезические технологии с низким уровнем автоматизации, то средства и методы спутниковой геодезии, обеспечивают построение геодезических технологий с высоким уровнем автоматизации. Отличительной особенностью математической обработки геодезических измерений спутниковых измерений и наблюдений от измерений сделанных известными геодезическими приборами является их сложность и использование в расчетах неевклидовой геометрии, а также учет множества факторов, отличающихся от земных, например, гравитационных, солнечного ветра, изменение массы Солнца (выгорания Солнца) и др.

Средства геодезии. Приборы: эл. тахеометры, нивелир; теодолит; дальномер и др.

Средства Высшей и спутниковой геодезия Космическая техника: - ракетная техника; - спутниковые средства измерений и наблюдения: - система управления и др.

Основы математической обработки геодезических измерений

Статические методы геодезии

Динамические методы геодезии

Геодезические технологии с низким и средним уровнем автоматизации

Космические геодезические технологии с высоким уровнем автоматизации

Прикладные задачи

Евклидова геометрия, линейная алгебра

Неевклидовы геометрии, тензорный анализ

Рис. 3. Роль спутниковой геодезии в решении прикладных задач

Научными основами спутниковой геодезии можно считать астрономию, небесную механику, специальную теорию относительности, Высшую геодезию, космическую геодезию. Их методы соотносятся между собой, так как показано на рис. 4. Дадим основные определения этих научных основ.

Солнечная система — планетная система, включающая в себя центральную звезду — Солнце — и все естественные космические объекты, вращающиеся вокруг неё.

Большая часть массы объектов, связанных с Солнцем гравитацией, содержится в восьми относительно уединенных планетах, имеющих почти круговые орбиты и располагающихся в пределах почти плоского диска — плоскости эклиптики. Четыре меньшие внутренние планеты: Меркурий, Венера, Земля и Марс, называются планетами земной группы. Четыре внешние планеты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун называются газовыми гигантами, в значительной степени состоят из водорода и гелия и намного массивнее, чем планеты земной группы.

АСТРАНОМИЯ Коперник, Г. Галилей, И. Кеплер и др.

Небесная механика И.Ньютон.

Высшая геодезия К.Гаусс

Специальная теория относительности А. Эйнштейн

Астрогеодезия

Космическая геодезия

Спутниковая геодезия

Рис. 4. Научные основы спутниковой геодезии

Рис. 5 Модель солнечной системы

Атмосфера -газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля.

Толщина атмосферы — примерно 2000—3000 км от поверхности

Тропосфера - нижний, наиболее изученный слой атмосферы, высотой в полярных областях 8—10 км, в умеренных широтах до 10—12 км, на экваторе — 16—18 км^[1].

Стратосфера - слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км.

Мезосфера - слой атмосферы на высотах от 40—50 до 80—90 км.

Термосфера - слой атмосферы, следующий за мезосферой, - начинается на высоте 80-90 км и простирается до 800 км.

Экзосфера - самая внешняя часть верхней атмосферы Земли и планет с низкой концентрацией нейтральных атомов (концентрация частиц n₀<10⁻⁷см⁻³) – до 10 000 км.

Коническое сечение - пересечение плоскости с круговым конусом. Существует три главных типа конических сечений: эллипс, парабола и гипербола (см. рис.6), кроме того существуют вырожденные сечения: точка, прямая и пара прямых.

Рис.6. Коническое сечение

Иоганн Кеплер считается одним из ярчайших ученых XVI века, открытия которого внесли большой вклад в первую научную революцию. Открытые им законы движения планет в Солнечной системе легли в основу небесной механики в работах И.Ньютона над законом всемирного тяготения.

Именно Иоганн Кеплер стоял у истоков развития математического анализа как инструментального средства для исследования поведения функций, а именно нахождению длин дуг и площадей эллипсообразных орбит движения планет. Законы И.Кеплера приведены на рис. 7.

Методы небесной механики развил И.Ньютон, который говорил, что как ученый стоял на плечах великих деятелей науки, таких как Евклид, Коперник, Галилей, Кеплер и др.

И.Ньютон решил две фундаментальных задачи, во-первых, создал для механики аксиоматику, которая легла в основу создания строгих математических теорий, во-вторых, создал науку – динамику, которая связывала поведение физического тела с силами, действующими на него. Аксиоматика в редакции И.Ньютона соответствует трем законам (см. рис. 8).

Первый закон Кеплера. Каждая планета Солнечной системы обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Второй закон Кеплера. Каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причём за равные времена радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, описывает равные площади. Третий закон Кеплера. Квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей орбит планет.

Иоганн Кеплер; 27 декабря 1571 г., Вайль-дер-Штадт - 15 ноября 1630 г., Регенсбург) - немецкий математик, астроном, оптик и астролог. Открыл законы движения планет.

«Кубок Кеплера»: модель Солнечной системы из пяти платоновых тел

Рис.7. Оппонент Галилея в споре о формах орбит планет

Солнечной системы