Диссертация (Численно-аналитическое исследование параметров вращения Земли с приложениями для спутниковой навигации), страница 2

Ее создание начиная с 1960-х гг. [1, 6] позволяетсущественно более точно, чем ранее, изучать неравномерности (флуктуации)осевого вращения Земли. Появилась возможность выявлять изменения скоростивращения Земли любых не очень продолжительных периодов. Дальнейшиеуточнения флуктуаций скорости вращения Земли зависят от повышенияточности определения шкалы UT1, которая используется для подстройкивсемирного координированного времени UTC.Наблюдаемые неравномерности вращения Земли в научной литературе8для удобства разделены на короткопериодические (с характерными временамикороче одного года) - внутригодовые колебания (называемые «сезонными»),вариации от года к году - межгодовые с характерными временами от 6 и до 100лет и вековые вариации на периоде прецессии земной оси.В связи с введением новой шкалы времени UTC (1972 г) появилосьпонятие «скачущей секунды».

Это введение осуществляется МСВЗ синтервалом от одного до двух лет в зависимости от вариаций угловой скоростивращения Земли.В диссертационной работе на основе небесно-механических принциповпроводитсяуточнениеранееразработанныхмоделейвращательно-колебательных движений полюса Земли (для определённости северного), атакже флуктуаций длительности суток Земли.

Модели должны содержатьнебольшое число параметров, определяемых из наблюдений, и при этом бытьадекватны измерениям МСВЗ. Модели дают удовлетворительные долгосрочные(3 месяца и больше), краткосрочные (5-10 суток) и ультракороткие (1-2 суток)прогнозы координат полюса, изменения длительности суток и поправки ковсемирному временивращенияЗемли UT1.Такиепрогнозыширокоиспользуются навигационными космическими системами (НС) такими, какГЛОНАСС, GPS.В первой главе рассматривается небесно-механическая постановказадачи «деформируемая планета-спутник» в поле притягивающего центра иописывается модель вязкоупругой планеты, состоящей из абсолютно твердогоядра(шара)ивязкоупругоймантии.Приведенорешениеуравненийневозмущенного движения системы Земля-Луна в переменных действие-угол,9являющееся порождающим для использования метода усреднения при учетевозмущающих моментов сил различной физической природы.Вовторойглаверазработаначисленно-аналитическаямодельколебательного движения полюса Земли, позволяющая дать качественноеобъяснение наблюдаемым нерегулярным явлениям в колебательном процессе иулучшить точность прогноза траектории его движения в периоды значительныханомалий.Модельпредставляетсобойестественноеуточнениеранееразработанной основной модели колебаний полюса (чандлеровских и годичныхкомпонент) с помощью методов небесной механики и данных наблюденийгравитационногополяЗемли.Приводятсярезультатычисленногомоделирования колебаний координат полюса Земли в сравнении с данныминаблюдений и измерений МСВЗ.В третьей главе в рамках классической механики проведен амплитудночастотныйанализмалопараметрическоймоделивнутрисуточногоколебательного процесса земного полюса под воздействием гравитационноприливных моментов сил от Солнца и Луны.

На основе динамическихуравнений Эйлера-Лиувилля с учетом нерегулярных возмущений найденыструктурныесвойствавнутрисуточныхколебанийкоординатполюса.Приведено сравнение результатов моделирования движения земного полюса свысокоточными данными РСДБ-наблюдений на коротком интервале времени.В четвёртой главе приведены математические модели движенияполюса Земли и рассогласования dUT1 временных шкал UT1 и UTC, которыеадекватны данным наблюдений и измерений Международной службы вращенияЗемли.

Показано, что предложенные модели обеспечивают достаточную10автономность в формировании параметров вращения Земли на бортукосмического аппарата. Учет этих параметров в реальном времени необходимна борту космического аппарата для решения задач его навигационногообеспечения.Актуальность темы исследования. Исследования фундаментальнойастрометрической проблемы, заключающейся в высокоточной интерполяции иПВЗ, исходя из результатов наблюдений и измерений МСВЗ, являютсяосновополагающими для ряда прикладных задач. В связи с модернизацией иразвитием отечественной навигационной системы – ГЛОНАСС – весьмаактуальнымоказываетсядостижениевысокихточностейкоординатно-временного и навигационного обеспечения наземных (стационарных иподвижных), а также движущихся в околоземном пространстве объектов.

Этаприкладная задача сопряжена с фундаментальной проблемой определения ПВЗ,в частности, с колебаниями земного полюса и прогнозом его движения впределах как длительного (1-2 года), так и короткого интервала времени (10-40сут) и рассогласования dUT1 между Всемирным временем, связанным свращением Земли, UT1 и Всемирным координированным временем UTC накоротких интервалах времени.Известно из наблюдений (с конца XIX века), что ось вращения Земли стечением времени изменяет свою ориентацию как по отношению к связанной,так и инерциальной системам координат, вследствие чего происходитперемещение географических полюсов по земной поверхности; это явлениеназывается движением полюсов Земли. Существенным вкладом в развитиетеории движения Земли относительно центра масс является исследование Л.11Эйлера (1765), определившего 305-суточный период свободной нутации длятвердойЗемлиимодельС.Чандлера(1891),обнаружившегоизмногочисленных наблюдений изменяемость широт обсерваторий с двумяпериодическими компонентами в движении полюса - 365 и 430-440 звёздныхсуток.

Значительное отличие чандлеровского периода от предписываемогоклассической теорией твердого тела (периода прецесси Эйлера 305 суток длянедеформируемойфигурыЗемли)потребовалодальнейшегонаучногообъяснения. Оно было предпринято и частично осуществлено на основе моделидеформируемой Земли в исследованиях С. Ньюкома, Г. Джеффриса, А.Лява, У.Манка и Г. Макдональда, Я. Вондрака, Ф.А. Слудского, М.С. Молоденского имногих других. Исторически принято называть указанное движение свободнойнутацией деформируемой Земли или чандлеровским колебанием полюса.Современные российские исследователи данной проблемы, Ю.В.

Баркин,Л.В. Зотов, З.М. Малкин, В.Е. Жаров, С.Л. Пасынок и другие, разрабатываюттеоретические модели движения Земли, основываясь на высокоточныхнаблюдениях и измерениях МСВЗ с учётом приливных эффектов идеформируемости планеты.Математическиемоделивращательно-колебательногодвижениядеформируемой Земли, которые с высокой точностью идентифицируют еёпараметры вращения и дают надёжный прогноз движения земного полюса ивариций длительности суток, требуются при решении ряда астрометрических,геодинамических и навигационных задач.В этой связи решаемые в диссертационной работе задачи моделированиявращательно-колебательного движения Земли и их приложения являются12актуальными.Цели и задачи диссертационной работы: Целью диссертации являетсяуточнение ранее разработанных динамических моделей параметров вращенияЗемли, адекватных данным наблюдений и измерений МСВЗ, прогнозированиеколебаний земного полюса и неравномерности осевого вращения Земли накоротких интервалах времени, а также оценка влияния учёта ПВЗ в задачевысокоточной спутниковой навигации.Научная новизна:1.

Разработана численно-аналитическая модель колебательного движенияполюсаЗемли,учитывающаяэффектывременныхвариацийкоэффициентов геопотенциала. Приводятся результаты численногомоделирования колебаний координат земного полюса в сравнении сданными наблюдений и измерений МСВЗ. Модель позволяет улучшитьточность прогноза траектории движения полюса.2. На основе амплитудно-частотного анализа найдены структурныесвойства внутрисуточных колебаний координат полюса Земли подвоздействием гравитационно-приливных моментов сил от Солнца иЛуны. Сравнение результатов моделирования движения полюса свысокоточными данными РСДБ-наблюдений на коротком интервалевремени показывает, что модель позволяет статистически надёжнообъяснить наблюдаемые характеристики движения земного полюсавнутри суток.3.

Предложены автономные модели быстрого расчета фундаментальныхсоставляющих параметров вращения Земли (движения земного полюса13и рассогласования dUT1 временных шкал UT1 и UTC) дляиспользования их на борту КА и в аппаратуре потребителя. Приведенырезультаты прогнозов автономных моделей ПВЗ на различныхинтервалах времени.Теоретическая и практическая значимость:В диссертационной работе на основе динамических уравнений ЭйлераЛиувилля получили дальнейшее развитие численно-аналитические моделиколебаний земного полюса и неравномерности вращения деформируемой ЗемлиподвоздействиемИсследованиегравитационно-приливных сил от Солнцавращательно-колебательныхпроцессови Луны.движенияЗемлисовместно с временными вариациями коэффициентов геопотенциала позволяетуточнить аналитическую модель и улучшить прогноз траектории движенияполюса.

Существенным является то, что разработанная модель представляетсобой естественное уточнение основной, используемой ранее модели колебанийземного полюса.В диссертации показано, что фундаментальные составляющие ПВЗиграют важную роль в решении задач спутниковой навигации.

Предложеныавтономныемоделибыстрогорасчетафундаментальных составляющихпараметров вращения Земли для использования их на борту КА и в аппаратурепотребителя. Приведены результаты прогнозов автономных моделей ПВЗ наразличных интервалах времени.Данные исследования могут быть полезными для развития некоторыхразделов механики, в частности механики с бесконечным числом степенейсвободы.14Методология и методы исследованияТеоретическое моделирование вращательно-колебательных движенийЗемли, адекватное данным наблюдений и измерений МСВЗ, проводится спомощью приближенных методов нелинейной механики в сочетании счисленным экспериментом. Модель вращательно-колебательного процессаЗемли основана на учете гравитационно-приливных моментов сил от Солнца,Луны, и вариаций второй зональной гармоники геопотенциала. Для построенияматематической модели первого приближения использовалась динамическаятеориявращениятвердоготела.Идентификацияпараметровмоделейпроводится с помощью метода «взвешенных» наименьших квадратов (МНК).Положения, выносимые на защиту:1.

На основе динамических уравнений Эйлера-Лиувилля полученачисленно-аналитическаямодельколебанийполюсаЗемлиподвоздействием лунно-солнечных гравитационно-приливных моментовсил и возмущений меняющегося со временем геопотенциала.2. Дан сравнительный анализ результатов численного моделированияколебаний координат земного полюса с данными измерений МСВЗ.Показано, что во время проявления аномальных флуктуаций вколебательном процессе полюса Земли точность годового прогнозасогласно уточнённой модели выше точности прогноза основноймодели.3. Предложено математическое описание нерегулярных явлений вколебательном процессе земного полюса, которое способствуетулучшению точности прогноза траектории движения полюса в15периоды значительных аномалий.4.