Раздел 2. Геонавигационная информация

План раздела:

2.1. Форма Земли;

2.2. Гравитационное поле Земли;

2.3. Магнитное поле Земли.

Геонавигационная информация используется для определения координат места, скорости движения ЛА и его угловой ориентации относительно земной системы отсчета. В состав этой информации входят сведения о свойствах измеряемых геофизических величин.

Геофизическими величинами, используемыми в навигации, могут быть:

– геометрические характеристики формы Земли и ее поверхности;

– параметры гравитационного, магнитного и других географических полей;

– различные виды земной и космической радиации;

– особенности физических свойств земной атмосферы.

2.1. Форма Земли

Важнейшими практическими задачами навигации являются измерения координат местонахождения и скорости движения относительно земной поверхности. Чтобы решить эти задачи, необходимо знать особенности геометрической формы Земли, строение ее поверхности, распределение естественных и искусственных ориентиров и т.п.

Под формой Земли обычно понимают одну из уровенных поверхностей силы тяжести, совпадающей с невозмущенной поверхностью океана. Тело, ограниченное данной уровенной поверхностью силы тяжести, называют геоидом. Уровенная поверхность Земли очень сложна и ее невозможно точно представить какой-либо правильной геометрической фигурой.

В настоящее время полных данных о форме и размерах геоида не имеется. Для практических целей в качестве первого приближения к геоиду принимают сферу, в качестве второго приближения – эллипсоид вращения (сфероид). Третьим приближением считается трехосный эллипсоид. Однако достоверных сведений о трехосном эллипсоиде не имеется.

Первое приближение формы земной поверхности – сфера полностью характеризуется радиусом шара, равновеликого по объему с земным эллипсоидом = 6371110 м.

Геоид с высокой степенью точности для целей решения задач навигации и построения навигационных систем аппроксимируется поверхностью, образуемой вращением эллипса вокруг его малой оси, совпадающей с осью вращения Земли. Получаемый эллипсоид вращения обычно называется эллипсоидом Клеро или просто земным эллипсоидом. Для практических целей удобно использовать одну отсчетную поверхность земного эллипсоида – референц-эллипсоид. Параметры земного эллипсоида (референц-эллипсоида) устанавливаются в результате геодезических измерений. В России приняты параметры, полученные Ф.Н. Красовским: большая полуось (экваториальный радиус Земли) м, малая полуось (полярный радиус Земли) м, эллиптичность (сжатие) .

Для выявления свойств сфероида воспользуемся сферической системой координат (рис. 2.1), начало которой совмещено с центром Земли (геоцентрическая система координат), ось совпадает с осью полюсов, оси и расположены в плоскости экватора.

Рис. 2.1. Схема земного сфероида: а – сферическая система координат,

б – направление вертикалей

Вертикаль, совпадающую с направлением геоцентрического радиуса-вектора, называют геоцентрической вертикалью (ГЦВ). Угол между направлением ГЦВ и плоскостью земного экватора образует геоцентрическую широту . Однако измерить направление ГЦВ очень трудно (нет такого прибора). На практике для определения вертикали пользуются отвесом (маятником) с неподвижной относительно Земли точкой подвеса.

Оказалось, что направление линии отвеса (ЛО) не совпадает с ГЦВ. Угол между ЛО и экваториальной плоскостью образует географическую широту .

Отвес дает направление вектора ускорения силы тяжести, который является суммой гравитационного ускорения и центростремительного ускорения, вызванного вращением Земли. Угол между географической и геоцентрической широтами определяется по формуле

(2.1)

или приближенно

. (2.2)

На широте разность достигает максимума и соответствует разности в местоположениях объекта в 21,275 км.

Линия отвеса нормальна к поверхности геоида.

Линия, совпадающая с направлением напряженности поля тяготения, образует гравитационную вертикаль, а угол между этой вертикалью и экваториальной плоскостью является гравитационной широтой.

Угол между направлением силы тяжести и направлением силы тяготения определяется величиной

. (2.3)

Все виды высот (истинная, абсолютная, относительная) отсчитываются по направлению ЛО. Абсолютная высота отсчитывается относительно поверхности геоида.