Rychlé a přesné určení astronomických souřadnic , a azimutu pomocí totální stanice a přijímače GPS

[Fast and Accurate Determination of Astronomical Coordinates , and Azimuth, Using a Total Station and GPS Receiver]

In: Surv.Rev. - ISSN 0039-6265. - Roč.37, č.290 (2003), s.269-275 : 3 obr. - Res. angl. - Lit.15.

Přeložila S. Semerádová (zkráceno)
Zdiby : VÚGTK, 2003. - 2 s.
Klíčová slova: astronomické souřadnice, GPS, totální stanice

Úvod

Znalost astronomických souřadnic více bodů na zemském povrchu umožňuje určení tvaru geoidu a jeho vztahu k referenčnímu elipsoidu. Přesná znalost geoidu je přitom hlavní překážkou pro zjišťování ortometrických výšek pomocí GPS.

Určování odlehlosti geoidu je založeno buďto na kolísání tížnicové odchylky, nebo na zjišťování gravitačních anomálií. Pro určení tížnicové odchylky jsou potřebné geodetické souřadnice, ty lze získat přímo GPS měřením a astronomické souřadnice, které se zjišťují měřením vertikálních i horizontálních úhlů k několika hvězdám spolu s odpovídajícím měřením času. Úhlová měření provádí totální stanice a přesnou informaci o UTC (Universal Time Coordinated - koordinovaný světový čas) poskytuje přijímač GPS. Zaměřováno je přitom na hvězdy procházející meridiánem, což dovoluje jejich přesné určení a eliminování mnoha systematických chyb.

Astronomická délka a šířka byly takto určeny s přesností ± 0".01 a astronomický azimut s přesností ± 0".2 a lepší.

Systém pro pozorování

Potřebná pozorování pořizuje systém sestávající z digitální totální stanice (TDM 5000 - Leica), GPS přijímače (4000 DL - Trimble), přenosného přístroje pro registraci meteorologických dat a případně přenosného počítače.

Digitální totální stanice může zaznamenávat horizontální a vertikální úhly s přesností 1^cc nebo 0".3 až 30 krát za minutu. Čas pozorování s přesností 1 msec určují vnitřní hodiny a stanice sama kontroluje svou horizontaci včetně oprav naměřených úhlů.

Přijímač GPS poskytuje přesnou informaci o čase ve formě 1 pps (puls za sekundu) a je s přesností

mikrosekund synchronizován s UTC. Puls je totální stanici předáván pomocí vhodného kabelu a konvertoru a GPS přijímač zároveň zjišťuje geodetické souřadnice, které lze použít jako přibližné hodnoty astronomických souřadnic.

Měřič meteorologických dat zapisuje teplotu a tlak během pozorování, přenosný počítač se používá pro přípravu pozorování, přenos a uložení dat.

Určení souřadnic je založeno na pozorování hvězd okolo jejich průchodu meridiánem. Zenitová vzdálenost párů hvězd slouží pro určení šířky Sterneckovou metodou a doba průchodu pro určení délky Mayerovou metodou. Předběžná orientace přístroje se provede několikerým zaměřením Polárky na počátku měření.

Výběr vhodných hvězd vykonává přiměřený software předem nebo na místě za použití geodetických souřadnic. Plánování mohou usnadnit digitální planetária typu SkyMap Pro, která dovolují vybrat 12 párů hvězd kulminujících během zhruba čtyř hodin pozorování. U vybraných hvězd je třeba znát označení, přibližný čas a výšku kulminace, magnitudu a přesné rovníkové souřadnice převzaté z katalogu Tycho2.

Vybrané páry hvězd s magnitudou 5 až 6 kulminují severně a jižně od zenitu. Zenitové vzdálenosti těchto hvězd dosahují 5° až 30°. Každá hvězda je pozorována okolo průchodu meridiánem po několik minut, během kterých opíše oblouk 5 až 6 stupňů a totální stanice ji 80 až 120 krát zaměří.

Redukce dat

Prvním krokem redukce je přesné určení orientace totální stanice, které je provedeno zaměřením na Polárku s přesností lepší než 0".2.

Následují korekce:

- horizontální úhly jsou opraveny o astronomický azimut nulového bodu,

- vertikální úhly jsou opraveny o hodnotu refrakce zjištěné za účasti meteorologických dat z doby pozorování,

- doba pozorování je opravena o zpoždění hodin stanice a o průměrnou dobu odpovědi pozorovatele zjištěnou experimentálně.

Upravená data jsou použita pro určení doby kulminace a pravého zenitového úhlu metodou polynomické regrese s použitím vertikálních a horizontálních úhlů všech párů hvězd.

Dalším krokem je výpočet zdánlivé polohy hvězd v okamžiku kulminace pomocí údajů z katalogu Tycho2 a numerických efemerid sluneční soustavy DE200.

Od tohoto bodu je možno nasadit dobře známou Sterneckovu a Mayerovu metodu.

Výsledky

Navržený systém byl vyzkoušen na zkušebním poli N.T.U.A. 11 párů hvězd bylo pozorováno v květnové noci roku 2002 (celkem zhruba 4 hodi- ny práce v terénu) a výsledky, opravené o pohyb Polárky a zakřivení tížnice byly:

= xx° xx´ 44".548 ± 0".011

= yy° yy´ 02".552 ± 0".016

Pro srovnání hodnoty určené v roce 1970 klasickou technikou (tři noci - celkem 24 hodin pozorování) jsou tyto:

= xx° xx´ 44".705 ± 0".159

= yy° yy´ 02".762 ± 0".183

Závěr

Spojení moderních vysoce přesných přístrojů s vhodnými metodami vede k rychlému a přesnému určení astronomických souřadnic.

Toho je dosaženo :

- eliminací mnoha systematických chyb a zohlednění zbývajících,

- redukcí náhodných chyb velkým počtem měření,

- digitální registrací měřených hodnot, což snižuje časovou náročnost a eliminuje chybu čtení,

- zaznamenáním UTC v reálném čase.