О методах спутниковой геодезии в геодинамике

На сайте Вестника геодезии, картографии и геоинформатики вышел материал: «Григорий Стеблов: о методах спутниковой геодезии в геодинамике«, рекомендуемый к прочтению.

14 апреля на заседании учёного совета по космосу Института физики Земли РАН им. О.Ю. Шмидта (ИФЗ РАН) был заслушан доклад д.ф.-м.н., профессора РАН Стеблова Григория Михайловича о спутниковой геодезии и геодинамике. Профессор Стеблов — главный научный сотрудник Лаборатории спутниковых методов изучения геофизических процессов ИФЗ РАН. Редакция Вестника публикует материалы и иллюстрации этого доклада.  

О взаимосвязи космической геодезии и современной геодинамики.

Эта взаимосвязь в обобщенном виде складывается из системы прямых и обратных задач по отношению к движениям земной поверхности.

Космический сегмент этой взаимосвязи состоит в наблюдениях за космическими объектами различного происхождения, моделировании их траекторий и решении задачи в обратной постановке: т.е. в определении местоположения и смещения наземного наблюдателя.

Наземный сегмент состоит в геодинамической интерпретации поверхностных смещений и строится на моделировании различных эндогенных процессов и сравнении модельных движений с наблюдениями.

Круг вопросов, которые в настоящее время решаются методами космической геодезии, составляет весьма обширную совокупность геодинамических процессов различных пространственных и временных масштабов: от мгновенных до вековых, от локальных до глобальных, от поверхностных до глубинных. Современная разрешающая способность космической геодезии позволяет исследовать любые процессы, которые проявляются в виде деформаций земной поверхности на уровне сантиметров за обозримые временные периоды наблюдений. В частности, к таким процессам относятся:

• движения литосферных плит;
• сейсмические процессы (включая межсейсмические, предсейсмические и постсейсмические);
• астеносферные течения;
• вулканизм;
• вариации параметров вращения и фигуры Земли, положение геоцентра;
• и многое другое.

Кроме того, следует отметить и техногенные последствия эксплуатации недр, например, при некомпенсированной добыче углеводородов.

Очевидно, что медленные тектонические деформации несопоставимы по скорости с подвижными объектами, наземными, надводными или воздушными. Поэтому космические навигационные системы, применяемые в задачах геодинамики, прошли весьма сложный и длительный путь становления в качестве прецизионных геодезических систем.

В целом, глобальная система геодезических наблюдений в настоящее время включает четыре сложившихся метода прецизионных координатных определений:

• ГНСС
• РСДБ
• КОС (квантово-оптическая)
• DORIS

Они отличаются по взаимному расположению источника и приемника сигнала: на Земле, на околоземной орбите или в отдаленной радиогалактике.

Этим определяются габариты и сложность применения наземной измерительной аппаратуры каждой системы.

РСДБ основана на корреляции радиосигналов, одновременно наблюдаемых сетью радиотелескопов от общего удаленного (внегалактического) радиоисточника в виде квазара и представляет собой весьма громоздкое капитальное сооружение – 30-метровый радиотелескоп с системой приводов и корреляторов в основании (пос. Светлое Ленинградская обл.).

Другая система: квантово-оптическая, основана на измерении времени возврата отраженных оптических импульсов от световозвращающих спутников-мишеней.

Также достаточно громоздкая лазерная конструкция, которая работает только в условиях оптической прозрачности небосвода.

Интегрированная система орбитальных и навигационных определений – сеть наземных радиомаяков, от которых измеряется допплеровское смещение частоты на спутниковом приемнике. Измерения со спутников централизовано собираются и предоставляются Европейским Космическим Агентством. Это в определенной степени ограничивает автономность использования системы.

ГНСС: максимально компактная и автономная система, основанная на измерении времени пробега радиосигнала от спутникового излучателя до наземного приемника.

Измерительная аппаратура представляет собой антенну диаметром ~30 см и компактный портативный приемоиндикатор.

Как видно на картах расположения наземных наблюдательных пунктов каждой из космических геодезических систем, наиболее плотное и обширное покрытие образует сеть ГНСС. Это закономерно объясняется компактностью и простотой установки наземной измерительной аппаратуры ГНСС, в то время как вся сложная и дорогостоящая часть этой системы выводится на орбиту.

Следует отметить, что, вообще говоря, это не весь список существующих методов космической геодезии. Помимо координатных определений, используются также различные радарные и гравиинерциальные системы спутникового базирования, которые не требуют сетей наземных станций слежения. Это, безусловно, дает свои преимущества для исследования труднодоступных регионов, но приводит и к определенным ограничениям по разрешающей способности.

В целом, глобальные геодинамические исследования значительно продвинулись за последние три десятилетия, благодаря именно координатным методам космической геодезии.

Если обратиться к страницам истории, в настоящее время мы имеем второе поколение спутниковых навигационных систем, которые сформировались в 90-е годы прошлого столетия.

Им предшествовали прототипы первого поколения, которые формировались еще на заре космической эры в 60-ые годы: американская система Транзит, советские системы Парус и Цикада. Это были доплеровские системы на низких орбитах, высотой ~1000 км.

Примечательно, что сама идея спутниковой навигации восходит к запуску первого искусственного спутника Земли. Усилия зарубежных наблюдателей определить орбитальные параметры первого советского спутника по допплеровскому смещению частоты его радиосигнала привели к мысли об обратной постановке этой задачи, а именно, использования искусственных спутников Земли в качестве радиоориентиров для определения местоположения наземного наблюдателя.

Первое поколение низкоорбитальных спутниковых навигационных систем характеризовалось весьма невысокой точностью – десятки метров. Значительно более высокая точность, оперативность и стабильность навигационных определений были достигнуты в системах второго поколения – высокоорбитальных радиодальномерных системах типа GPS, ГЛОНАСС и др. Для них точность навигационных определений составила уже ~1 м.

Очевидно, что такая точность явно не позволяет исследовать тектонические движения земной поверхности, интенсивность которых составляет сантиметры в год.

Поворотным моментом в применении систем ГНСС стали технологические исследования вспомогательных характеристик радионавигационного сигнала, которые были проведены еще в начале 80-х годов.

Дело в том, что исходные радионавигационные измерения представляли собой время пробега весьма длинного волнового пакета, так что расстояние до спутника, в первом приближении, вычислялось умножением времени пробега на скорость света.

При этом, как выяснилось, дальность спутника можно найти, измерив фазу несущей волны, которая значительно короче волнового пакета. Тогда при длине несущей волны порядка 20 см. номинальная точность расстояния до спутника получалась на миллиметровом уровне.

Именно эти технологические исследования привели к тому, что спутниковые навигационные системы стали не только навигационными, но и прецизионными геодезическими и стали применяться в задачах геодинамики.

Следует заметить, что номинальная миллиметровая точность оценивалась для идеальных условий: распространение сигнала в вакууме с известной скоростью света при точно известных орбитальных параметрах.

На практике, когда реальные условия весьма далеки от идеальных и требуется учитывать значительное количество искажений. В первую очередь, это задержки радиосигнала в ионосфере и тропосфере. Кроме того, погрешности орбитальных параметров, неравномерность вращения Земли, рассогласование временной шкалы бортовой и наземной аппаратуры.

Здесь приведен далеко неполный список всех факторов, каждый из которых приводит к метровым ошибкам дальномерных отсчетов. Для их коррекции не один год разрабатывались весьма сложные алгоритмы, основанные на таких базовых принципах, как:

• моделирование искажающих факторов с известными физическими свойствами;
• фильтрация коррелированных помех с помощью дифференциальной коррекции;
• сглаживание путем усреднения по времени.

Все это позволило достичь миллиметровой точности координатных определений с помощью ГНСС уже в реальных условиях.

При этом моделирование многих из приведенных искажающих факторов послужило своеобразным импульсом к изучению на новом уровне многих аспектов физики околоземного пространства, а также планетарных свойств Земли. Сюда относятся ионосферные возмущения, параметры вращения Земли и многое др.

Благодаря широкому распространению систем ГНСС была построена глобальная картина современных движений земной коры. Эта картина внесла существенный вклад в уточнении межплитовых границ: если в первых глобальных кинематических построениях выделялось до 15 литосферных блоков, в современных построениях количество блоков возросло до 56.

Красными стрелками отмечен Российский вклад в общую картину современной глобальной геодинамики:

До того, как были установлены станции в восточной Европе и Сибири, кинематика Евразии оценивалась, в основном, только по западно-европейскому сегменту, который не составлял представительного покрытия всей Евразийской плиты.

В целом, глобальная карта измеренных движений позволяет анализировать как стабильность литосферных плит, так и характер межплитовых пограничных деформаций.

Чтобы увидеть пограничные деформации какой-либо плиты, достаточно трансформировать общеземную систему отсчета так, чтобы минимизировать остаточные смещения на выбранной плите.

В Евразийской системе отсчета хорошо виден субмеридиональный дрейф Аравийской и Индийской плит в сторону Евразии, что приводит к формированию складчатых сооружений Кавказа и Гималаев; можно видеть проявления субдукции Тихоокеанской плиты на Дальнем Востоке, что определяет вулканическую и сейсмическую активность вдоль Японо-Курило-Камчатской островодужной системы.

В более крупном, континентальном масштабе хорошо видно, насколько различаются по интенсивности межплитовые и внутриплитные деформации.

Межплитовые деформации достаточно интенсивны, они достигают местами 8-9 см/год, поэтому их сравнительно легко измерять, и именно они исследовались в первую очередь по мере развития наблюдательных сетей ГНСС.

Иная ситуация с вопросами внутриплитной стабильности и платформенными движениями – их интенсивность зачастую на порядок или два порядка ниже, чем интенсивность межплитовых деформаций. Поэтому для исследования внутриплитных движений требуется значительно больше времени, чтобы накопились достаточные смещения, которые можно уверенно выявить на фоне инструментальных шумов. Поэтому некоторые результаты, которые мы имеем к настоящему времени, например, по геодинамике северной части ВЕП, удалось получить только по прошествии 10 и более лет измерений.

Многолетние полевые измерения, проводимые ИФЗ РАН в восточной части Фенноскандии, позволяют уточнить простирание в восточном направлении общей картины современных постледниковых поднятий, которые до этого, в основном, только экстраполировались на восток по измерениям в Скандинавии.

В результате объединения измерений в Скандинавии с Российскими измерениями, можно видеть, что в зоне сочленения с платформой не только убывает интенсивность поднятий, но и горизонтальные растяжения сменяются полосой сжатия.

В целом, эта картина согласуется с представлениями о возвратном астеносферном течении после снятия ледовой нагрузки в голоцене.

В настоящее время на Восточно-Европейской платформе уже не один год существует значительно более густая сеть наблюдений, чем два десятилетия назад, и это позволяет ожидать новых, более детальных результатов в отношении геодинамики ВЕП и других, смежных с ней платформ.