Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Геостационарные спутники (ГСС) 9
1.1. Геостационарная орбита и ее население 9
1.2. Особенности орбитальной эволюции ГСС 13
1.3. Классификация ГСС и каталоги орбитальных данных 18
Глава 2. Методы обработки и идентификации измерений ГСС 23
2.1. Обработка измерений 24
2.2. Идентификация измерений управляемых ГСС 35
2.3. Идентификация измерений неуправляемых ГСС 43
Глава 3. Базы данных измерений и орбитальных данных ГСС 53
3.1. Банк данных позиционных измерений 53
3.2. Банк данных орбитальных элементов 58
Глава 4. Исследования области движения ГСС и фрагментов космического мусора 61
Заключение 72
Литература
- Особенности орбитальной эволюции ГСС
- Классификация ГСС и каталоги орбитальных данных
- Идентификация измерений управляемых ГСС
- Банк данных орбитальных элементов
Особенности орбитальной эволюции ГСС
Разделение ГСС по степени влияния резонансных возмущений от геопотенциала было выполнено в 1994 году при подготовке Каталога улучшенных орбит неуправляемых геостационарных спутников [17]. Классификация спутников была необходима для выбора алгоритма вычисления эволюции орбит.
К типу / относятся объекты, движущиеся в режиме либрации относительно устойчивых точек. Число объектов типа 11, движущихся вокруг точки либрации 75 Е, - 83, вокруг точки 105 W (12) - 32, вокруг двух точек либрации (13) - 12 [1].
Спутники, большая полуось которых отличается от большой полуоси геостационарной орбиты более чем на 40 км, движутся в режиме дрейфа вокруг Земли. В основном это отработавшие срок спутники, удаляемые с геостационарной орбиты, последние ступени, апогейные моторы и фрагменты запусков. Эти ГСС относятся к типу d и их называют круговыми, или дрейфующими, объектами. В зависимости от величины скорости дрейфа, спутники обозначаются следующим образом: dl -объекты с дрейфом по абсолютной величине не превышающим 2.57сут, для которых резонансные возмущения еще велики; d\ - объекты с большим отрицательным дрейфом и d3 - объекты с большим положительным дрейфом, для которых резонансные возмущения вычисляются по упрощенной схеме. Теория движения этих объектов существенно проще и может быть построена на более длительных интервалах времени, по сравнению с либрационными объектами. Число дрейфующих объектов составляет более 30% от общего каталогизированного населения геостационарной области (351 на 01.01.2002 г.) и постоянно увеличивается.
Вследствие удаленности геостационарной области ее мониторинг осуществляется преимущественно наземными средствами наблюдений. В настоящее время Российским Центром Контроля Космического Пространства (ЦККП) и US Space Surveillance Network каталогизированы и сопровождаются объекты размерами порядка 1 метра и более. Американская система контроля сопровождает свыше 900 объектов, для большинства которых с 1993 года орбитальные данные Two-Lines-Elements (TLE) NASA публикуются в INTERNETe и обновляются примерно один раз в неделю. Российская система контроля не располагает данными наблюдений в западном полушарии, число самостоятельно сопровождаемых объектов неизвестно.
Наиболее полная, непрерывно дополняемая и заново анализируемая база данных по орбитальным элементам для всех геостационарных объектов в рамках общего каталога ИСЗ ведется в Первом Дивизионе Космических войск США [18]. В России подобный проект активно развивается в ИПМ им.Келдыша [19], комплекс программ и баз данных, разработанный в НЦ«Космос», поддерживается в РНИИ КП [20, 21], ведутся локальные каталоги объектов ГСО в ИА РАН, ИСЗФ СО РАН, а также АФИ АН РК [22-24].
Основная задача Центров Контроля - оперативное сопровождение всех наблюдаемых объектов, идентификация измерений управляемых объектов до каталогизированного объекта (с использованием дополнительной некоординатной информации).
Регулярные публикации (с 1993 года) данных TLE NASA существенно упростили задачу идентификации текущих наблюдений для каталогизированных объектов, однако значительное число объектов отсутствует в каталоге. Не публикуются орбитальные данные для американских военных спутников и ступеней типа Transtage. Отметим, что большая часть этих объектов находится в восточном полушарии. Это приводит к появлению в зональных каталогах объектов с условными номерами [24-26].
В Европейском космическом агентстве создана общая база данных ESA s DISCOS Database (Database and Information System Characterising Objects in Space) [27], текущие элементы орбит геостационарных объектов и списки несопровождаемых объектов (часть объектов по данным ИПМ им.Келдыша) периодически публикуются [1].
Идентификация измерений неуправляемых объектов на длительных интервалах времени была отправной точкой наших исследований в 1989 году, когда практически отсутствовали открытые каталоги орбит ГСС. Создание локального каталога для 76 управляемых и 20 неуправляемых объектов было выполнено в сотрудничестве с Гиссарской АО. Отождествление объектов со спутниками, имеющими международные номера (COSPAR numbers) было выполнено благодаря регистрации запусков в таблицах R.A.E. [28, 29], а также первым спискам геостационарных спутников Американского Центра Контроля Космического пространства [30], которые содержали неполную информацию об орбитальных данных. Международное сотрудничество ИТА РАН с Европейским Космическим Агентством и контакты с Вальтером Флюри (Walter Flury) и его сотрудниками способствовали началу публикаций ESOC открытых списков полных орбитальных данных для всех наблюдаемых объектов [31] и позволили в 1994 году создать первый каталог улучшенных орбит неуправляемых геостационарных объектов [32]. Совершенствуемая теория движения [2,33,34] и разработанное программное обеспечение для улучшения различных орбитальных данных на длительных интервалах времени были использованы в 1996 году для создания Каталога орбит геостационарных спутников (Каталог ИТА-96) [7] и пакета программ для вычисления эфемерид, который использовался для сравнения с американской моделью SGP4. Методика сравнения, выбор объектов и вычисления были проведены F.Hoots и R.France [35]. Результаты показали преимущество "российской модели" по точности представления данных (рисунок 1.11).
Классификация ГСС и каталоги орбитальных данных
Последнее связано с тем, что более сложное видимое движение неуправляемых объектов и изменение блеска во время экспозиций приводит к существенному увеличению ошибок измерений [26,55] и уменьшению точности вычисленных орбит, особенно на коротких дугах.
На рисунках 2.9-2.10 приводятся данные нескольких резонансных объектов, для которых к настоящему времени имеется независимый большой набор данных TLE. На графиках приведены элементы орбит, отнесенные к плоскости экватора и Лапласа, для TLE соответствующие значки () и (А), для вычисленных первоначальных орбит (+) и (х). Тонкая линия - прогноз, выполненный на весь интервал имеющихся измерений.
Для окончательной идентификации измерений и улучшения орбитальных элементов используется набор программ для улучшения элементов орбит по наблюдениям или по всем имеющимся наборам орбитальных данных различного типа (первоначальные/OLI/TLE). Точность представления наблюдений улучшенной орбитой (на интервалах до 100 суток), как правило, соответствует точности измерений, представление орбитой вычисленных орбитальных параметров, совместно с OLI и TLE, производится при идентификации измерений с большими допусками (когда исходные данные для прогноза имеют плохую точность).
В качестве примера идентификации наблюдений приведем результаты обработки обзорных наблюдений ВАУ в течение 1987-1997 гг. Всего было обработано 14 924 измерений, вычислено 4 080 наборов орбитальных параметров. Отождествлены измерения для 346 каталогизированных объектов. В таблице 2.6 приведены данные о ГСС с наибольшим число сеансов наблюдений или большим интервалом времени. 1,1д
Значения наклона и долготы восходящего узла, отнесенных к плоскости экватора () и к плоскости Лапласа (Д), и долготы для спутника 83118F Горизонт 8 а.м. (данные TLE). Элементы орбит, полученные из наблюдений, обозначены соответственно плоскости значками + и х. Тонкой линией обозначен прогноз элементов орбиты. Таблица 2.6. Данные о фотографических наблюдений неуправляемых ГСС, выполненных в Гиссарской АО и Звенигородской станции ИА РАН.
Использование независимых данных наблюдений совместно с данными Европейского космического Агентства [1,31] и TLE позволяет вести каталоги орбитальных данных и вычислять надежные поисковые эфемериды неуправляемых объектов на длительные интервалы времени. Наблюдения также могут быть использованы и для уточнения параметров при низких гармониках геопотенциала [45,63].
Трудности высокоточного прогнозирования движения геосинхронных спутников связаны с точностью коэффициентов при секториальных и тессеральных гармониках геопотенциала низких порядков. Долготная асимметрия гравитационного поля Земли заметно проявляется в движении резонансных геосинхронных спутников, однако наибольший интерес представляют объекты, которые под влиянием лунно-солнечных возмущений могут менять режим движения относительно точек либрации и переходить из режима либрации вокруг двух точек в режим циркуляции, или в либрацию около одной точки и наоборот. Список таких объектов был опубликован в работе [64]. Пример идентификации измерений одного из таких объектов, ГСС 78035A Intelsat 4А F-6 приведен на рисунке 2.11. Отметим, что после прекращения коррекций этот сложный резонансный спутник не сопровождался, или орбитальные данные не были приведены в каталогах в период с 1987 по 1990г.
Большая часть «неизвестных» неуправляемых объектов отождествляется сейчас по архивной базе данных TLE, которая содержит информацию об изменениях типа движения и маневрах.
Вычисленные по наблюдениям орбиты «неизвестных» спутников позволяют прогнозировать движение объекта для сравнения с данными каталога (если они являются единичными и/или не может быть построена улучшенная орбита по данным каталога), а также для отождествления других измерений.
При наблюдениях в ГисАО объектов с большими наклонами орбит, по эволюции орбитальной плоскости нами было отождествлено два «неизвестных» объекта с условными номерами G92_533 и G94_018. Позже первый спутник был идентифицирован со спутником 75123F. Для второго отождествлены измерения двух других станций в период с 1991 по 1996 год (рисунок 2.12).
При подготовке Каталога орбит ИТА-96 [7] нами были обнаружены систематические ошибки. Наиболее сильные случайные изменения скорости дрейфа, подобно нескольким известным событиям [4], объясняются взрывами объектов. Более слабые, по предположению Р.И.Киладзе, вызваны столкновениями объектов с мелкоразмерными частицами. Было обнаружено более сотни неуправляемых геостационарных объектов, для которых на интервале 1993-1999гг. произошли подобные события [12]. ""ДДДДЩдм наклона и долготы восходящего узла, отнесенных к плоскости экватора (+) и к плоскости Лапласа (х), и долготы для неизвестного спутника (наблюдения трех станций). Тонкой линией обозначен прогноз элементов орбиты. В настоящее время в ГАО РАН готовится каталог столкновений геостационарных объектов, который позволит внести коррективы в методику отождествления - по имеющимся орбитальным данным будут получены улучшенные орбиты на интервалах времени, где с удовлетворительной точностью представлены наблюдательные данные. Это позволит провести обработку архивных данных - единичных измерений геостационарных объектов, которые наблюдались инструментами с малым полем зрения или не измерялись при обработке негативов и фотопластинок.
Техническая модернизация и создание новых инструментов и приемников позволяют уже сейчас регистрировать на ГЕО объекты размерами до 10 см. Это различные фрагменты, образовавшиеся в результате техногенного засорения геостационарной области. Точность полученных орбитальных данных [5,14] не позволяет пока отождествлять подобные объекты по наблюдениям, однако задача каталогизации и сопровождения тысяч «новых» геостационарных объектов, безусловно, будет решаться на основе обработки координатных измерений, и использование аналитических методов вычислений представляется наиболее эффективным.
Идентификация измерений управляемых ГСС
Реальная динамическая картина (ОДГ, область распределения параметров орбит и траекторные плотности) может быть определена на заданную эпоху.
Определение параметров ОДГ в топоцентрической системе координат в заданные моменты времени позволяет оптимально планировать обзорные наблюдения и поисковые наблюдения для инструментов с малым полем зрения.
На рисунках 4.6-4.8 точками обозначены средние моменты наблюдаемых орбитальных дуг по данным наблюдений в различные годы. Анализ результатов свидетельствует о преимущественном сканировании близэкваториальной области, поэтому в зависимости от эпохи наблюдений объекты с большими наклонениями могли не наблюдаться (из-за их кульминации), или могли быть выполнены только единичные неидентифицированные измерения. Такие измерения для слабых объектов имеют плохую точность, а при скорости видимого движения до 10 "/сек не всегда регистрируются [26]. Усовершенствование методик обзорных наблюдений привело к увеличению числа наблюдаемых объектов, особенно неуправляемых ГСС.
Траекторные плотности (в экваториальной системе координат) использовались также при планировании специальных программ наблюдений космического мусора [5]. Изменение картины приведено на рисунках 4.9-4.11. Увеличение плотности вблизи огибающей при прогнозе области движения объясняется линейным характером изменения Пл. При прогнозе орбит из каталога были сделаны следующие предположения: линейное увеличение количества запусков; идентичность начальных значений плоскости орбиты для спутников, ступеней и разгонных блоков; прекращение орбитальной стабилизации управляемых спутников через 10 лет после запуска.
Пространственная плотность распределения ГСС, необходимая для полного моделирования техногенной обстановки околоземного космического пространства, определялась для произвольно задаваемого разбиения в геоцентрической экваториальной системе координат по следующим параметрам: прямому восхождению а, склонению 8 и радиус-вектору г. «Средней плотностью» геостационарных объектов в каждом элементе объема, полученного при разбиении, будем считать сумму вероятностей нахождения каждого ГСС в этом объеме. Для исходной детерминированной системы, таким образом, игнорировалась информация о положении в орбите, как если бы мы имели дело с объектами с известными геометрическими орбитальными характеристиками (например, мелкоразмерные фрагменты, плоскость движения которых близка к a
Сравнение показало, что область движения вероятных фрагментов взрыва в несколько раз шире ОДГ по радиус-вектору, а наклон плоскости орбит в процессе эволюции может достигать значений до 30 градусов (как например у модельных фрагментов ГСС 77092А).
Возможность статистического моделирования фрагментации и быстродействующий алгоритм вычисления эволюции орбит позволяет определять на заданную эпоху максимальные пространственные плотности траекторных потоков фрагментов для различных наблюдательных средств.
Для сравнения с наблюдательными данными были проанализированы результаты специальных программ наблюдения космического мусора в области геостационарных орбит [5,14]. Точность орбитальных данных, полученных при помощи специального 32-см телескопа с ПЗС матрицей NASA, не позволяет искать какие-либо корреляции и может служить лишь материалом для уточнения параметров статистических моделей космического мусора. Так в работе [73] аналогично модели для низкоорбитального мусора используются соотношения числа мелких частиц пропорционально числу всех каталогизированных объектов.
Больший интерес представляют данные [5], полученные при помощи метрового телескопа для наблюдений космического мусора Европейского Космического Агентства, расположенного на о.Тенерифе (Канарские острова). В январе и феврале 2001 года было проведено сканирование избранных площадок максимальной «лучевой плотности» на различных склонениях. Мы провели сравнение наблюдательных результатов и моделирования на соответствующую эпоху области движения и области распределения орбитальных параметров фрагментов 10 взрывов, моменты которых были определены в работе [13]. На рисунке 4.13 приводится диаграмма "долгота восходящего узла - наклонение" наблюденных объектов, а также области орбитальных параметров для модельных фрагментов. Самое заметное совпадение элементов наблюдаемых и модельных фрагментов для ГСС 6808IE было обнаружено уже для первых экспериментальных наблюдений мусора на геостационарной орбите [6]. Возможно, это объясняется достоверным фактом существования не менее 23 фрагментов этого спутника (наблюдавшихся через полчаса после события [4]). Заметим, что отсутствие на рисунке данных по объектам 66053J, 67066G, 76023F и 78113D, объясняется тем, что сканируемые площадки не попадали в области движения их возможных фрагментов. Можно сделать также вывод о том, что в работе [13] приведены данные о самых ранних взрывах на ГСО, и будущие исследования долгопериодической эволюции орбитальных параметров ГСС, и уточнения моментов случайных изменений скорости дрейфа для некоторых объектов позволят идентифицировать «родителей» и других обнаруженных фрагментов.
Банк данных орбитальных элементов
Программный комплекс «ЛАПЛАС» представлял собой - электронный каталог элементов орбит геостационарных спутников; - пакет полной обработки наблюдений с автоматическим или интерактивным режимом контроля (ввод, определение первоначальных орбит, отождествление, включение в банк данных) и инструмент для работы с результатами и для хранения данных; широкий спектр реализованных возможностей для иллюстрирования и статистической обработки всей базы данных и выбранной информации, подготовка таблиц, стандартные средства вывода и экспорт данных; - возможность вычисления эфемерид в виде таблиц выбранных угловых величин (в экваториальной или горизонтальной топоцентрической системе координат).
Одна из главных целей создания комплекса заключалась в предоставлении средств оперативной обработки наблюдений, возможности оперативного обмена данными и стандартизации форматов записи. Помимо средств иллюстрационного и статистического характера, была возможность экспортировать выбранные данные в ASCII-файл и далее использовать их по собственному усмотрению. Статическая управляющая система, реализованная в виде развитой системы меню, обеспечивала интерактивный режим работы пользователя, защиту от ошибок, справочную и объяснительную подсистемы. В качестве языка реализации управляющей системы, графических процессов и ведения баз данных был использован Clipper 5.01, для вычислительных процессов - FORTRAN (Microsoft 5.0).
При подготовке первого каталога орбит геостационарных спутников [17], комплекс был дополнен базой улучшенных орбитальных данных для неуправляемых объектов, с возможностью прогноза движения в течение года, визуализации положения объектов в «зоне видимости» станции (для выбора объектов или оптимизации программы наблюдений).
Большая трудоемкость, отсутствие целевого финансирования, стремительное развитие вычислительной техники и систем программирования прервало работу над модификациями программного комплекса, однако опыт использования первых версий инициировал разработку собственных программно-алгоритмических средств и позволил большинству станций преобразовать процесс планирования измерений, обработки и идентификации измерительных данных, наладить обмен информацией.
В настоящее время банк данных реализован в виде интерфейсной головной программы, ежегодных файлов данных и файла статистических данных. Кроме того, данные наблюдений хранятся в исходном виде (формате, который был получен от наблюдателей). Единичные измерения и серии содержат условные номера объектов, присвоенные им при начальной идентификации (на принадлежность одному объекту) наблюдателями.
Обработка имеющихся наблюдений производится при помощи комплекса программ для вычисления первоначальных орбит, предварительного анализа орбитальных данных и оценки точности представления наблюдений, идентификации измерений и улучшения орбитальных данных. Элементы орбит хранятся в каталогах орбитальных данных и могут быть использованы для сравнения и смешанного улучшения с орбитальными данными TLE. Точность элементов орбит, полученных из наблюдений, превосходит точность данных TLE [60].
Общее число измерений за период с 1975 по 1997 год составляет 30346. При обработке получено 7500 наборов орбитальных параметров.
В Приложении приведен общий список зарегистрированных геостационарных объектов (Список 1). В него включены объекты, среднее движение которых находится в пределах от 0.8 до 1.2 оборота в сутки, а наклонение орбиты не превышает 30 градусов. По состоянию на 01.01.2002 года международное обозначение объекта и его название приведено для 932 ГСС, для 832 объектов имеются данные TLE и OLI, для 382 объектов -данные измерений (в список не включены данные об объектах, идентификация измерений для которых выполнена по дате запуска или «неизвестных» управляемых объектах, идентифицированных по точке «стояния»).
Орбитальные данные для 832 объектов (около 960 тыс. орбит) хранятся в ASCII-файлах. Пакет программ обеспечивает возможность выбора данных по заданным объектам, возможность получения статистической информации, форматирования данных для их последующей обработки или визуализации с использованием стандартных средств. Опыт создания интегрированных интерактивных систем, подобных ПК «Лаплас» показал не только их преимущества, но и недостатки - громоздкость и трудоемкость. Поэтому в настоящее время база данных используется для конкретных проектов или программ наблюдений.
В части эфемеридной поддержки наблюдений подобный опыт был получен при подготовке электронной версии каталога улучшенных элементов орбит неуправляемых геостационарных объектов. Файл данных формата Каталога ИТА-96 (Таблица 3.3) и программа прогноза элементов орбит позволяла вычислять поисковые эфемериды для станции наблюдения на период порядка одного года и использовалась для идентификации текущих измерений. Обработка архивных данных и обнаружение феномена случайных изменений скорости дрейфа геостационарных спутников [12] требуют выполнения полного анализа орбитальных данных для неуправляемых объектов, создания компактного «исторического» каталога из элементов улучшенных орбит. где № номер в списке ГСС, COSPAR - международный номер ГСС, Тип - тип движения спутника (с - управляемый, / - либрационный, d -дрейфующий ГСС по всем долготам), N0 - число используемых оскулирующих орбит для улучшения элементов, Л - наклон плоскости Лапласа к плоскости экватора, Дата - эпоха орбиты, MJD - эпоха, выраженная в модифицированных юлианских днях, /л - наклон орбиты к плоскости Лапласа, QA-долгота узла и сол - аргумент перигея, отнесенные к той же плоскости, Ял - долгота {АА = М + сок + Q.K - S) и dAJdt - скорость дрейфа по долготе, S - звездное гриничское время, е - осредненный эксцентриситет по влиянию светового давления с периодом в один год, / , Q, со и А - уже перечисленные элементы, отнесенные к плоскости экватора, М - средняя аномалия.
