07. Специальный лабораторный практикум

МИНОБРНАУКИ РОССИЙСКОЙФЕДЕРАЦИИ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
УТВЕРЖДАЮ:
Декан ФФ
_________________О.Н. Чайковская
«_____»__________________ 2015 г.
Рабочая программа дисциплины
СПЕЦИАЛЬНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
Направление подготовки
09.04.02 — Информационные системы и технологии
Наименование магистерской программы
Информационные системы и технологии в геодезии и картографии
Квалификация (степень) выпускника
Магистр
Форма обучения
Очная
Томск — 2015
1. Цели освоения дисциплины
Целью курса «Специальный лабораторный практикум» является подготовка магистра, владеющего практическими навыками решения задач специализаций.
Данный курс должен познакомить студента с основами практического применения полученных ранее знаний ряда курсов.
Требования к разделам программы определяются государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования к уровню подготовки выпускника по
направлению 09.04.02 Информационные системы и технологии. Рабочая программа рассчитана на один семестр для изучения дисциплины.
Задачи курса:
− изучение «Численной модели движения ИСЗ»;
− освоение методов разработки программного обеспечения для научных исследований;
− формирование основных представлений о практическом применении методов теории
движения ИСЗ, космической геодезии, моделировании систем и др.
2.Место дисциплины в структуре магистерской программы
Дисциплина относится к вариативной части дисциплин магистерской программы. К моменту
изучения данного курса студенты в качестве входных знаний должны владеть основными
понятиями и методами теории движения ИСЗ, космической геодезии, моделирования систем,
владеть языками программирования, уметь работать с ArcGis. Освоение этой дисциплины
необходимо для дальнейшего освоения направлений связанных с с научными исследованиями.
3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины обучающийся должен владеть компетенциями:
а) общекультурными (ОК):

способность к самостоятельному обучению новым методам исследования, к изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности (ОК- 2)

способность самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в
том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой
деятельности (ОК- 6);

способность к профессиональной эксплуатации современного оборудования и
приборов в соответствии с целями магистерской программы «Информационные
системы и технологии в геодезии и картографии» (ОК-7)
б) профессиональными (ПК):

умение разрабатывать стратегии проектирования, определением целей проектирования, критериев эффективности, ограничений применимости (ПК-1);

умение проводить разработку и исследование теоретических и экспериментальных моделей объектов профессиональной деятельности в области геодезии картографии (ПК-8);
в) специальными компетенциями (СК):

умение применять современные информационные спутниковые системы, прежде всего ГЛОНАСС/GPS, в геодезии и картографии (СК-2);

способность разрабатывать и применять в геодезии и картографии новые методы и технологии на основе информационных спутниковых систем (СК-3);

умение моделировать динамику спутниковых систем и использовать полученные математические модели при разработке методов решения задач геодинамики (СК-5);

умение применять современные математические методы обработки измерений
при решении широкого класса задач общей и космической геодезии (СК-7);

способность формулировать, планировать и осуществлять решение исследовательских задач в области космической геодезии и геодинамики с использованием информационных технологий (СК-9);

способность применять методы компьютерного моделирования при решении
исследовательских задач космической геодезии и геодинамики (СК-10);
4. Структура и содержание дисциплины «Специальный лабораторный практикум»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единицы 180 часов.
Наименование
разделов и тем
Всего
(час.)
Контактная работа (час.)
СамостояЛекции Семина- Лабораторные/ тельная
работа
ры
практические
(час.)
занятия
34
50
Раздел 1
Спутниковые методы космической геодезии
Введение. Знакомство с “Численной моделью движения
ИСЗ”
84
2
2
Оценка влияния возмущающих факторов на движение
ИСЗ
6
2
4
Численное моделирование задачи улучшения орбиты ИСЗ
34
14
20
Численное моделирование задачи улучшения коэффициента зональной гармоники J 20
24
8
16
Моделирование задачи определение координат спутника
методом тройной засечки
Определение координат подспутниковой точки ИСЗ. Построение трасс
2
2
4
2
2
Построение трасс для навигационной системы
6
2
4
Определение зоны видимости
6
2
4
Промежуточная аттестация
24
Раздел 2
60
30
30
8
4
4
8
4
4
12
6
6
16
8
8
16
8
8
24
Автоматизированная обработка материалов топографогеодезических работ с программным комплексом
CREDO
Освоение работы с комплексом программ
CREDO
Преобразование координат в
системе ТРАНСКОР
Обработка полевых измерений в системе CREDO_DAT
Подготовка растровой топографической основы
Построение цифровой модели
местности
Итоговая аттестация
Всего часов
12
180
12
64
116
Краткое описание лабораторных работ по спутниковым методам космической геодезии (модуль 1) приведено в приложении А.
5. Образовательные технологии
В соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлению подготовки «Информационные
системы и технологии» реализуется компетентностный подход, который предусматривает
широкое использование в учебном процессе активных и интерактивных форм проведения
занятий в сочетании с внеаудиторной работой с целью формирования и развития профессиональных навыков обучающихся.
Студентам в свободное пользование предоставляется методички для выполнения всех лабораторных работ. Также используются различные интерактивные подходы к обучению, такие
как общая дискуссия, творческие задания.
6. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Методические рекомендации магистрантам по самостоятельной работе
Вопросы, вынесенные на самостоятельное изучение (повторение) по курсу
Раздел 1
1. Задача двух тел
2. Системы координат, используемые в задачах динамики ИСЗ
3. Численное моделирование движения ИСЗ
4. Возмущающие силы, действующие на ИСЗ
5. Классификация орбит ИСЗ
6. Метод наименьших квадратов
7. Структура разложения потенциала Земли
Задания, вынесенные на самостоятельную проработку по курсу «Специальный лабораторный практикум»
Раздел 1
1. Разработка программы для решения задачи двух тел в геоцентрической системе координат
2. Разработка процедуры формирования матрицы изохронных производных
3. Разработка процедуры перехода из инерциальной системы координат во вращающуюся для невозмущенного случая
Раздел 2
1.Изучение интерфейса программы ТРАНСКОР.
2.Выполнение преобразований координат пунктов..
3.Освоение ввода данных по тахеометрическому ходу.
4.Уравнивание съемочного обоснования
5.Обработка материалов тахеометрической съемки.
6.Обработка растровых файлов.
7.Построение цифровой модели местности по материалам топографической съемки.
8.Работа с программой ЗЕМПЛАН
Примерный перечень контрольных вопросов для текущей аттестации
Раздел 1
1. К какому классу относится выбранный ИСЗ?
2. Какие возмущения необходимо учитывать при прогнозе движения выбранного ИСЗ?
3. Способ оценки влияния возмущающих факторов
4. Оценка точности прогноза движения ИСЗ
5. Суть метода тройной засечки
6. Опишите построение матрицы изохронных производных
7. Зональные гармоники
8. Механический смысл второй зональной гармоники
9. Звездное время
10. Зоны видимости спутника
Раздел 2
1.Что такое ключи связи систем координат.
2.Как выбираются градусные зоны в системе СК-42 и местно СК
3.Что представляют собой данные тахеометрического хода
4.Что такое планово–высотное обоснование
5.Способы обработки результатов тахеометрической съемки в программе CREDO.
6.Что такое растровая основа.
7.Что представляет собой план земельного участка.
8.Состав отчетных документов межевого плана.
Промежуточная аттестация
Раздел 1
Данный курс предполагает выполнение ряда лабораторных работ в соответствии с пройденным ранее теоретическим материалом по ряду дисциплин специализаций. По результатам
выполнения практических заданий, студенты должны представить отчеты в письменном виде, которые являются формой контроля усвоения материала.
Перечень тем для промежуточной аттестации по курсу
Раздел 1
1. Оценка влияния возмущающих факторов на движение ИСЗ
2. Численное моделирование задачи улучшения орбиты ИСЗ
3. Численное моделирование задачи улучшения коэффициента зональной гармоники
J 20
4. Моделирование задачи определение координат спутника методом тройной засечки
5. Определение координат подспутниковой точки ИСЗ для невозмущенного случая. Построение трасс
6. Построение трасс для навигационной системы
7. Определение зоны видимости спутника
Раздел 2
1. Построить с помощью системы CREDO заданное преобразование координат.
2. Провести обработку заданного тахеометрического кода
3. Подготовить растровую топографическую основу заданного участка местности.
4. Построить цифровую модель заданного участка местности.
5. По заданной цифровой топографической модели квартала сформировать документы
межевого плана..
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Основная литература
1. Бордовицына Т.В., Авдюшев В.А. Теория движения ИСЗ. Аналитические и численные
методы. Томск: Изд-во ТГУ, 2007. 105 с.
2. Карпик А.П. Методологические и технологические основы геоинформационного
обеспечения территорий. Новосибирск: СГГА, 2004. – 260 с.
3. Колесов Ю.Б, Сениченков Ю.Б. Моделирование систем. Динамические и гибридные
системы. Учебное пособие. – СПб.: БХВ-Петербург, 2006. – 224 с.
4. Описание ПО «Система CREDO для вузов», 2009.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Все виды материально-информационной базы Научной библиотеки ТГУ. Мультимедийное
оборудование физического факультета ТГУ. Сеть Интернет. Специализированные программные пакеты «Численная модель движения ИСЗ».
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС по направлению подготовки
09.04.02 Информационные системы и технологии.
Автор: старший преподаватель Александрова Анна Геннадьевна
Рецензент: профессор Татьяна Валентиновна Бордовицына
Программа одобрена на заседании учебно-методической
комиссии физического факультета
Томского государственного университета
от «____» ___________ 2015 года, протокол № ________
Приложение А
Лабораторная работа № 1
Оценка влияния возмущающих факторов на движение ИСЗ
Постановка задачи
Оценить влияние возмущающих факторов на движение ИСЗ.
Методика решения
1.
С помощью «Численной модели движения ИСЗ» прогнозируется положение ИСЗ на заданный момент времени, при этом поочередно учитываются такие возмущающие факторы,
как влияние несферичности Земли, притяжение Луны и Солнца, световое давление, приливы
в теле Земли и для низколетящих ИСЗ сопротивление атмосферы.
2.
В качестве меры влияния возмущающих факторов на движение ИСЗ используется величина вектора отклонения результатов интегрирования с учетом возмущений от решения
без учета возмущений.
Лабораторная работа № 2
Численное моделирование задачи улучшения орбиты ИСЗ
Постановка задачи
По наблюдённым координатам ИСЗ методом наименьших квадратов определить начальные
параметры спутниковой орбиты, имея при этом их приближённые значения.
Методика решения
Заданы xi 0 и xi 0 — начальные вектор положения и вектор скорости спутника, i=1,2,3.
1.
Моделируем наблюдения спутника xiko с помощью «Численной модели движения ИСЗ»
на заданные моменты t k при заданных параметрах спутника, k=1…N. (моделируемая ошибка
наблюдений порядка 0''.01 )
2.
Вносим ошибку в начальные параметры xi 0, xi 0 ,
xi 0  xi 0  xi ,
xi 0  xi 0  xi .
3.
С помощью «Численной модели движения ИСЗ» на заданные моменты t k находим “вы-
численные” — xikc положения ИСЗ.
4.
Далее находим ‘’О-С’’ по следующей формуле
xikoc  xiko  xikc ,


и образуем вектор столбец c  xikoc по принципу

o c
o c
o c
o c
o c
o c
c  x11
, x21
, x31
, x12
, x22
, x32
,

, x1oNc , x2oNc , x3oNc .
5.
Вычисляем матрицу изохронных производных (матрицу А) методом вариации параметра.
 x11

 x10
 x
 21
A   x10


 x
 3N
 x
 10
6.
x11
x20
x11
x30
x11
x10
x11
x20
x21
x20
x21
x30
x21
x10
x11
x2,0
x3 N
x20
x3 N
x30
x3 N
x10
x11
x20
x11 

x30 
x21 
x30  .


x3 N 
x30 
Полученную систему уравнений A  y  c решаем методом наименьших квадратов. Для
этого умножаем систему уравнений слева на AT . Обозначим Q  AT A , d  AT c . Решение запишется в виде y  Q 1d . y — искомая поправка.
7.
Находим среднеквадратическую ошибку веса 0 и среднеквадратические ошибки параметров  i по следующим формулам
3N
0 
 (xikoc )2
i 1
3N  6
,
i  0 qii ,
где qii — диагональные элементы матрицы Q 1 .
Лабораторная работа № 3
Численное моделирование задачи улучшения коэффициента зональной гармоники J 20
Постановка задачи
По наблюдённым координатам ИСЗ методом наименьших квадратов уточнить коэффициент
зональной гармоники J 20 , имея при этом его приближённое значение.
Методика решения
Численное моделирование задачи улучшения коэффициента зональной гармоники J 20 выполняется по методике лабораторной работы №2 с некоторыми дополнениями.
1.
2.
Моделирование наблюдений спутника
Моделирование начальных параметров xi 0, xi 0 и J 20
3.
Определение “вычисленных” — xikc положений ИСЗ.
4.
Получение вектора ‘’О-С’’ c  xikoc .


5.
Вычисление матрицы изохронных производных (матрицу А
ции параметра.
 x11

 x10
 x
 21
A   x10


 x
 3N
 x
 10
6.
7.
x11
x20
x11
x30
x11
x10
x11
x20
x11
x30
x21
x20
x21
x30
x21
x10
x11
x2,0
x21
x30
x3 N
x20
x3 N
x30
x3 N
x10
x11
x20
x3 N
x30
 N  7  ) методом вариа-
x11 

J 20 
x21 
J 20  .


x3 N 
J 20 
Искомая поправка y находится из уравнения y  Q 1d , где Q  AT A , d  AT c .
Вычисление среднеквадратической ошибки веса 0
3N
0 
 (xikoc )2
i 1
3N  7
,
Лабораторная работа № 4
Моделирование задачи определения координат спутника методом тройной засечки
Постановка задачи
Будем считать известными координаты трех спутников на один и тот же момент времени и
расстояния от каждого из них до четвертого, координаты которого неизвестны. Необходимо
определить координаты четвертого спутника, методом тройной засечки.
Методика решения
1. Исходя из геометрических соображений, запишем систему уравнений:
 x1  xi1 2   x2  xi 2 2   x3  xi3 2  i2
i  1......n ,
где  xi1, xi 2 , xi3  — координаты известного i-того спутника, (i=1,2,3),
 x1, x2 , x3  —координаты искомого спутника,
i — расстояния от искомого спутника до i-го.
2. Будем решать систему уравнений методом Ньютона при условии, что i=3.
3
i  x1, x2 , x3 
j 1
xi
i  x1  x1, x2  x2 , x3  x3   i  x1, x2 , x3   
где x j — малые величины.
x j
1
1
 1
 x x1  x x2  x x3  1
2
3
 1
........................................................
 


 i x1  i x2  i x3  i .
x2
x3
 x1
Здесь i задаются выражением
i  i  x1  x1, x2  x2 , x3  x3   i ( x1, x2 , x3 ) .
Матрица изохронных производных A определяется следующим образом
  
A  F x   i  .
 x j 
3. Тогда
x
n 1
n
n
n
 x   ( F ( x  )) 1 F ( xn  ) ,
Ax  b ,
x  A1 b ,
где
x  x1 , x2 ,..., xi  , b  1, 2 ,..., i  .
Лабораторная работа № 5
Определение координат подспутниковой точки ИСЗ для невозмущенного случая. Построение трасс
Постановка задачи
Создать процедуру определения координат подспутниковой точки ИСЗ. Построить трассу
спутника на интервале времени равном периоду обращения спутника T с шагом 0.01 T с
помощью написанной процедуры.
Методика решения
Пусть известны x — вектор положения спутника, скорость среднего звездного вращения
 ðàä 
Земли w  7.292115 105 
и дата наблюдения, заданная в юлианских сутках.
 ñåê 
Определить координаты подспутниковой точки можно следующим образом
Находим звездное время по упрощенной формуле
H  H 0  w  t0 ,
где t0 — временной интервал от 0h всемирного времени UT1 на дату наблюдения до момента наблюдения, H 0 определяется формулой
H0  24110,54841  8640184,812866  Tu  0,093104  Tu2  6, 21106  Tu3 .
Здесь Tu задается выражением
Tu 
du
,
36525
где du — число дней во всемирном времени от эпохи J2000.0.
Переход к вращающейся системе координат задается матрицей перехода
 cos H

A    sin H
 0

sin H
cos H
0
0

0 ,
1 
а вектор положения определяется формулой
y  A x.
Тогда координаты подспутниковой точки на поверхности Земли (λ,φ) определяются формулами
y2

  arctg y
1
,

  arcsin y3

r
где
r  y12  y22  y32
Лабораторная работа № 6
Построение трасс для навигационной системы
Постановка задачи
Построить трассы для всех спутников заданной навигационной системы. Нанести их на карту мира.
Методика решения
Использовать методику, описанную в лабораторной работе № 5.
Лабораторная работа № 7
Определение зоны видимости спутника
Постановка задачи
Определить зону видимости для каждого спутника заданной навигационной системы на выбранный момент времени. Нанести на карту мира.
Методика решения
Для определения сферического радиуса зоны видимости спутника со станции используется
формула
  arccos
R cos hmin
 hmin ,
a
Здесь R — радиус Земли; a — радиус (большая полуось) орбиты, a hmin — - угол отсечки по
высоте или маска высоты. Величина угла  и среднее движение спутника n определяют
продолжительность t пребывания спутника в зоне видимости. В случае зенитного прохождения спутника
Dt =
2b
.
n
Угол  который определяет сферический радиус наблюдаемой со спутника части земной
поверхности, называют зоной видимости поверхности Земли со спутника:
sin  
R cos hmin
.
a