Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Геостационарные спутники и их использование для решения научных и производственных задач 11
1.1. Общая характеристика геостационарной орбиты и объектов находящихся на ней 11
1.2. Использование наблюдений геостационарных спутников 14
1.3. Основы теории движения геостационарных сптуников
1.3.1. Невозмущенное движение 16
1.3.2. Влияние гравитационного поля Земли на движение ГО 17
1.3.3. Возмущающее действие Луны и Солнца 22
1.3.4. Резонансные возмущения, вызываемые тессеральными и секториальными гармониками геопотенциала 24
1.3.5. Световое давление 28
1.3.6. Влияние светового давления на разные типы геостационарных спутников 29
ГЛАВА 2. Наблюдения геостационарных объектов 36
2.1. Общая характеристика ГСС, как объектов наблюдения 36
2.2. Координатные наблюдения ГО 45
2.3. О каталогах геостационарных объектов 48
2.4. Фотометрические наблюдения
2.5. Организация и проведение экспериментальных фотометрических наблюдений
ГЛАВА 3. Использование наблюдений геостационарных спутников для уточнения параметров геопотенциала 56
3.1. Теоретические основы метода 56
3.2. Алгоритм вычисления гармоничеких коэффициентов, характеризующих гравитационное поле Земли 63
3.3. Составление и решение уравнений поправок для определения гармоник геопотенциала низких степеней 66
3.4. Анализ результатов определения гармонических коэффициентов 69
ГЛАВА 4. Анализ результатов фотометрия еских наблюдений геостационарных спутников 72
4.1. Отождествление ГО на основе координатной информации 73
4.2. Отождествление ГО на основе фотометрической информации 75
4.3. Зависимость функции изменения блеска от конструктивных особенностей спутника 79
4.4. Моделирование кривых блеска геостационарных объектов
4.4.1. Геостационарные спутники серии «Радуга» 88
4.4.2. Геостационарные спутники серии «Горизонт» 91
4.4.3. Геостационарные спутники серии «Arabsat 2» 92
4.4.4. Геостационарные спутники серии «Insat 2» 95
4.4.5. Геостационарные спутники серии «Intelsat 6» 97
4.5. Влияние изменения коэффициента отражения поверхности геостационарного объекта на учет возмущающего действия светового давления 102
Заключение 108
Литература
- Основы теории движения геостационарных сптуников
- Фотометрические наблюдения
- Алгоритм вычисления гармоничеких коэффициентов, характеризующих гравитационное поле Земли
- Зависимость функции изменения блеска от конструктивных особенностей спутника
Введение к работе
Актуальность проблемы. Использование искусственных спутников Земли в целях геодезии было начато сразу после запуска первого спутника в 1957 г., поскольку они обеспечивали наиболее общее и точное решение основных геодезических задач. Позднее к ним добавились задачи геодинамики. Круг задач, решаемых с использованием наблюдений ИСЗ, постоянно расширяется. Неоднократно, в рамках международных программ, предпринимались попытки использовать для решения задач геодезии и геодинамики наблюдений геостационарных спутников. Однако, в полной мере осуществить эти намерения не удалось.
Между тем, наблюдения геостационарных спутников (ГСС) обладают рядом преимуществ по сравнению с наблюдениями низкоорбитальных и среднеорбитальных ИСЗ. Во-первых, геостационарные объекты практически неподвижны относительно наблюдателя и таким образом для их наблюдения не требуются устройства слежения оптическими средствами. Во-вторых, из-за удаленности геостационарной орбиты от поверхности Земли ~36 тыс. км в течение всего наблюдательного времени обеспечивается их синхронная видимость на расстояния в 5-6 тыс. км и более. Высокая плотность объектов в районе геостационарного кольца обеспечивает в настоящее время в зоне видимости пункта наблюдения до 100 неподвижных целей. Геостационарная орбита непрерывно дополняется новыми объектами, в связи с постоянными запусками спутников на орбиту. Помимо этого, для решения задач геодезии и геодинамики по наблюдениям геостационарных объектов не требуется запуска специальных спутников. Большинство объектов после исчерпания своих ресурсов остаются на геостационарной орбите и по ним можно получать длительные ряды наблюдений (годами по одним и тем же объектам). Указанные преимущества говорят в пользу проведения наблюдений геостационарных спутников и их дальнейшего использования в целях решения разных задач.
К основным задачам относятся: определение низких гармоник геопотенциала и их изменений во времени; определение положения центра масс Земли; учет влияния светового давления на движение ГСС; создание геодезических построений с помощью высокоточных позиционных наблюдений ГСС.
В связи с постоянным увеличением числа объектов на геостационарной орбите, для контроля космического пространства ведутся каталоги координат ГСС, которые позволяют попутно решать геодезические и геодинамические задачи.
В последнее время в связи с расширением круга задач, помимо координатных наблюдений стали использоваться некоординатные наблюдения в целях исследования конструктивных особенностей космических аппаратов различного назначения и их дальнейшего отождествления.
Наиболее значимые результаты при наблюдениях ГСС могут быть получены из совместного использования координатных и некоординатных на-
блюдений, увеличивающих надежность получения выводов при решении научных задач геодезии и геодинамики.
Таким образом, становится очевидной необходимость разработки и исследования методов использования координатных и некоординатных наблюдений геостационарных ИСЗ для решения геодезических и геодинамических задач.
Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка алгоритма и программного обеспечения для уточнения некоторых параметров гравитационного поля Земли, исследования по организации, проведению и использованию фотометрических наблюдений.
В диссертационной работе решались следующие задачи:
анализ влияния возмущений на движение ГСС;
разработка математического аппарата и программного обеспечения для уточнения параметров геопотенциала;
определение коэффициентов тессеральных и секториальных гармоник с индексами (2,2), (3,1), (3,3), (4,2) и (4,4) на основе результатов координатных наблюдений, приведенных в одном из каталогов геостационарных объектов;
разработка методики и проведение фотометрических наблюдений геостационарных спутников на высокогорной обсерватории Майданак;
построение по данным фотометрических наблюдений «модельных» кривых блеска геостационарных ИСЗ, соответствующих определенному типу спутников с последующим формированием банка данных;
практическое использование построенных фотометрических моделей для анализа результатов наблюдений;
исследование изменений коэффициентов отражения поверхностей космического аппарата под действием космической среды, использование этих данных при анализе влияния на движение геостационарных объектов давления солнечной радиации.
Методы исследований. Рассмотрение всех возмущающих сил, действующих на движение геостационарных объектов с дальнейшим их учетом. На основе теории резонансных возмущений в движении геостационарных спутников, построение алгоритма для определения низких гармоник геопотенциала. Математическая обработка содержащихся в каталогах результатов координатных наблюдений и получение значений низких гармоник геопотенциала на основе каталога «Геостационар» и разработанного алгоритма. Проведение экспериментальных фотометрических наблюдения геостационарных спутников, принадлежащих к различным классам. Построение моделей для наблюдавшихся спутников. Сравнение результатов моделирования и экспериментальных данных с последующим занесением их в банк данных для целей отождествления геостационарных спутников.
Научная новизна работы. Определение коэффициентов низких степеней в разложении потенциала Земли по большому числу наблюдений геостационарных спутников. Методика отождествления ГСС путем сравнения фотометрических наблюдений с результатами моделирования.
Практическая ценность полученных результатов. Использование результатов определения низких гармоник геопотенциала, полученных из наблюдений геостационарных спутников, при решении задач геодезии, геодинамики, небесной механики и геофизики. Отождествление геостационарных спутников на основе фотометрических наблюдений и результатов моделирования. Также на основе решения этой задачи, возможно оперативное выявление аварийных и нештатных ситуаций на борту космического аппарата. Определение изменений коэффициентов отражения материалов под действием космической среды позволит учитывать это обстоятельство при конструировании космических аппаратов и, как следствие, прогнозировать изменение мощности солнечных батарей со временем. Эти данные позволят повысить точность прогнозирования орбитального движения ИСЗ на основе более точного учета влияния давления солнечной радиации, что должно привести к увеличению эффективности решения геодезических и геодинамических задач.
Апробация работы. Получение значений низких гармоник геопотенциала по наблюдениям ГСС и сравнение с существующими моделями Земли и результатами, полученными другими авторами.
Выявление причин возникновения аварийной ситуации на основе фотометрических наблюдений и данных моделирования на примере аварии спутника «Ямал 2».
Основные положения диссертации изложены в пяти печатных работах, две из которых на английском языке. Некоторые из полученных результатов были представлены на Межвузовском научном семинаре, посвященном 145-летию основания кафедры астрономии и космической геодезии МИИГАиК в 1998 г.; 53, 54 и 55 научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК в 1997, 1998 и 1999 гг.; на Международной молодежной научной конференции «XXV Гагаринские чтения» в 1999 г.
Структура и объем работы. Объем диссертации 114 страниц. Работа содержит 8 таблиц и 35 рисунков. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, состоящего из 46 источников, 11 из которых на английском языке.
Основы теории движения геостационарных сптуников
Геостационарная орбита уникальна по своим возможностям научно-прикладных исследований. Поскольку геостационарные спутники практически неподвижны относительно земного наблюдателя, они представляют собой удобные цели для астрономических наблюдений.
Движение объекта, находящегося на геостационарной орбите соизмеримо с суточным вращением Земли, плоскость орбиты близка к плоскости экватора, а эксцентриситет практически равен нулю, то есть орбита близка к круговой. Период обращения такого объекта приблизительно равен звездным суткам, а радиус орбиты составляет примерно 42 165 км (35 786 км над экватором). Направление движения совпадает с направлением вращения Земли.
К настоящему времени на геостационарную орбиту выведено около 1000 космических аппаратов, причем более 2/3 объектов являются неактивными, то есть они движутся под действием центрального тела (в соответствии с законом всемирного тяготения), испытывая при этом воздействие возмущающих факторов. Нами построено распределение геостационарных объектов (ГО) по долготе и году запуска на октябрь 1999 года по имеющимся данным (каталог «Геостационар» НИЦ «Космос»), приведенное на рисунке 1. В каталоге «Геостационар» содержится около 1000 геостационарных объектов, для каждого из которых на дату наблюдения содержатся элементы орбиты; международный номер; дата запуска; долгота, на которую выводился объект, и долгота, на которой он находится в момент наблюдений.
На рисунке видно, как со временем количество выводимых на орбиту объектов возрастает по сравнению с годами первых запусков.
Высокая плотноств объектов на геостационарной орбите и их распределение по долготе, наклону и эксцентриситету говорит в пользу того факта, что на долготе пункта наблюдения в зоне видимости постоянно находится достаточно большое количество объектов, позволяющее по их наблюдениям решать различные задачи, сформулированные во введении. 1.2. Использование наблюдений геостационарных спутников
На геостационарной орбите находятся телекоммуникационные, научные, военные и метеорологические спутники. В последнее время к ним добавились и навигационные спутники. Поскольку экваториальная зона на высотах расположения геостационарных спутников (ГСС) заполнена уже достаточно плотно, то в качестве международного регулятора использования геостационарного кольца (+150 км от экватора по широте) выступает Международный Телекоммуникационный Союз (INU). Каждой стране отведены определенные интервалы долгот и установлены пределы смещения ГСС вдоль номинальной для каждого спутника долготы - это 0.1, что соответствует 74 км. Энергетические ресурсы корректирующих двигателей определяют время активного существования спутника на орбите примерно 10-15 лет. В дальнейшем, ставший пассивным, спутник движется по законам небесной механики.
Использование геостационарных спутников, помимо их основного назначения, давно обсуждается в целях астрономии и геодинамики [7]. Резонансные возмущения от тессеральных и секториальных гармоник геопотенциала позволяют, как отмечалось выше, уточнить коэффициенты при этих гармониках (2,2), (3,1) и (3,3). Возможны синхронные наблюдения ГСС с ряда станций, что позволяет получать земные длиной до 10 тыс. км. и решать геодезические задачи. Поэтому, начиная с 1978 г., было сделано несколько попыток организации программ фотографических наблюдений ГСС для использования их в целях геодезии и геодинамики. В 1978 г. на ассамблее КОСПАР был предложен и одобрен разработанный в Астросовете АН СССР (ныне Институт астрономии РАН) проект глобальной геодезической сети, основанный на наблюдениях ГСС с 17-ти станций, распределенных по экватору [17]. Однако. Этот проект не был реализован в связи с тем, что для некоторых хорд чисто геометрическими методами не было возможности обеспечить точность, требуемую при геодезических построениях. В 1988 г. КОС 15 ПАР и съезд MAC одобрили международный проект COGEOS. Авторы проекта предлагали по фотографическим наблюдениям нескольких ГСС определять вековые изменения резонансных коэффициентов геопотенциала. Достоинство проекта заключалось в том, что для его осуществления не требовалось запуска особых ГСС, а предлагалось использовать уже имеющиеся спутники. Однако и этому проекту не суждено было быть реализованным по различным причинам и, в частности, в связи с прекращением существования СССР.
Другой причиной, вызывающей интерес к наблюдениям ГО, является проблема контроля околоземного пространства. Решение этой проблемы необходимо для предотвращения столкновений в районе геостационарного кольца и обеспечения нормального функционирования спутников. Данная задача подразумевает ведение каталога ГО. Создание каталога ГО и его поддержание в современном состоянии основывается на координатных и некоординатных (в основном фотометрических) наблюдениях.
Решение задач геодезии и геодинамики по наблюдениям геостационарных спутников невозможно без знания с высокой степенью точности теории движения объектов, находящихся па геостационарной орбите. В частности, для решения задачи определения гармоник геопотенциала, необходимо в возмущенных элементах орбиты ГО учесть влияние основных возмущающих факторов. Тем самым будут получены изменения элементов орбиты, обу 16 словленные влиянием только коэффициентов низких степеней в разложении геопотенциала. Рассмотрим подробнее вопрос о движении геостационарных объектов под действием гравитационного поля Земли и других возмущений.
Как уже отмечалось выше, движение ГСС соизмеримо с суточным вращением Земли. В идеальных условиях, при отсутствии каких бы то ни было возмущающих сил, ГО мог бы постоянно находиться над одной и той же точкой земного экватора. Это обеспечивает, например, спутникам связи постоянное вещание на определенный регион земной поверхности. На самом же деле ГО постоянно подвергаются воздействию различных возмущающих факгоров, вследствие чего спутник смещается и поэтому его положение нуждается в корректировке. Перед окончанием активного срока существования актом маневрирования спутник может быть удален с геостационарной орбиты или на более высокую орбиту, или на высокоэллиптическую, для этого на борту должно находиться необходимое количество топлива. В большинстве же случаев спутники остаются на геостационарной орбите, подчиняясь в дальнейшем законам небесной механики.
Использование теории невозмущенного движения ГСС на коротких интервалах времени целесообразно только для активных спутников, так как воздействие на них возмущающих факторов компенсируется корректировками. Вследствие этого, для наблюдателя, активный ГСС как бы движется по невозмущенной орбите. Таким образом обеспечивается постоянное удержание спутника па заданной долготе. Невозмущенное движение представляет собой удобную аппроксимацию реальной орбиты для активных ГСС при планировании наблюдений и составлении эфемерид. В остальных случаях невозмущенное движение может использоваться в качестве первого приближения.
Для решения задач геодезии и геодинамики основную ценность представляют наблюдения пассивных геостационарных спутников, так как их движение не корректируется, и они движутся под действием гравитационного поля Земли и других возмущений. Из наблюдений геостационарных спутников по изменениям положений ГСС можно определять гармоники геопотенциала низких степеней и их вариации во времени, изменения положения центра масс Земли. Тем самым мы гтодошли к рассмотрению вопроса о возмущенном движении геостационарных спутников.
Фотометрические наблюдения
Некоординатную информацию видимого диапазона можно разделить на интегральную, спектральную и поляризационную. Если из интегрального потока вырезать спектральную компоненту в зеленой области спектра с помощью стандартного фильтра V (используемого в астрономической спектро-фотометрической U, В, V, R - системе), то появляется возможность точной калибровки фотометра по звездам заданного спектрального класса из стандартного астрономического каталога. В настоящее время астрономические фотометры обеспечивают точность измерения блеска звезд ±0.02ш.
В зависимости от используемого фотоприемника, фотометры работают либо в телевизионном режиме (25 кадров/сек.), либо в режиме регулируемого накопления (ПЗС-матрицы, ФЭУ).
Первые применяются, в основном, для фотометрирования относительно быстропротекающих процессов - регистрации и контроля отделения третьей ступени ракеты-носителя, вращающихся неактивных космических аппаратов и их крупных фрагментов.
Вторые чаще используются для получения информации от медленно вращающихся объектов (в том числе и спутников, стабилизированных вращением) и для регистрации излучения от стабилизированных по трем осям ГСС.
В ходе фотометрических наблюдений регистрируются кривые блеска ГО (изменение блеска вследствие изменения фазового угла: угол Солнце - спутник - наблюдатель). Для каждого типа ГСС получается кривая блеска определенного вида, соответствующая объектам определенной формы, размеров и отражающей способности поверхности. Кроме этого, если объект имеет вращение, то на кривой блеска видны характерные периодические изменения блеска (см. рис.15 в параграфе 2.1). Проведение фотометрических наблюде 51 ний желательно проводить максимально возможное время в течение ночи, чтобы получить наиболее полную информацию о наблюдаемом ГО.
Для решения задачи отождествления геостационарных объектов автором проведены длительные фотометрические наблюдения ГСС на пункте Майданак (Республика Узбекистан). Полученные экспериментальные измерения послужили данными для выявления устойчивого фотометрического признака, характеризующего ГО определенной серии. Рассмотрим подробнее проведение эксперимента.
В рамках выполнения международной программы «Фотометрические исследования объектов глубокого космоса», исполнителем которой являлся НИИ Прецизионного Приборостроения, при участии автора были проведены фотометрические наблюдения. Целью этих наблюдений являлось: накопление фотометрических наблюдений по различным геостационарным объектам для составления каталога фотометрической информации; исследование «старения» материалов покрытий спутников; составление программы, позволяющей получать вычисленную кривую блеска для различных ГО, с целью отождествления геостационарных объектов.
Экспериментальная часть работы проводилась автором на высокогорной обсерватории Майданак, расположенной в Республике Узбекистан на Памире. Пункт Майданак нахдится на высоте -2700 м и является уникальным по своим астроклиматическим условиям, исследованиями которых с 70-х занимался Шевченко B.C. [32], [33]. Гора Майданак расположена в абсолютном максимуме ясного времени на территории бывшего СССР, где среднегодовое количество ясных ночных безоблачных часов составляет 2000. Максимум ясной погоды определяется устойчивыми азиатскими антициклонами и при 52 ходится на июль - август - сентябрь (от 22 до 30 ясных ночей в месяц), а минимум - на март - апрель. Коэффициент прозрачности атмосферы на пункте составляет Р=0.87 [13]. Населенные пункты находятся на значительном удалении от пункта Майданак.
Наблюдения проводились с помощью фотоэлектрического фотометра, установленного на телескопе «ЦейссбОО» с диаметром зеркала 0.6 м. В таблице 5 даны краткие характеристики фотометров.
Полосовой интерференционный фильтр для ИК области спектра. В зависимости от качества фотометрической ночи при U, В, V, R, і - фотометрии применялось небольшое число экстинкционных звезд и избранных звезд сравнения для ТСС. При этом коэффициент экстинкции определяется 5-7 раз в течение ночи, выводился его ход и определялись редукционные поправки к системам Джонсона, Крона и Кузинса.
В качестве первичных стандартов использованы звезды из экваториальных площадок [41], [42]. Вынос за атмосферу инструментальных величин v и показателей цвета u-b, b-v и v-r проводился по формулам [31], [39]: заатмосферные величины и показатели цвета, а -коэффициенты экстинкции для звезды с показателем цвета, равным нулю, (3 -приращение экстинкции для показателей цвета, равных единице, М - воздушные массы, ф - коэффициенты Форбса. Для вычислений были приняты следующие значения постоянных коэффициентов: Ри-в= - 0.01; pB-v= - 0.03 [38]; фи_в= - 0.028, фВЛ,= - 0.02 [31].
Программы обработки измерений составлены таким образом, чтобы избежать ошибок и случайных отклонений, выходящих за пределы 3 т, измерения выходящие за эти пределы из рассмотрения исключались.
За время измерений функции изменения блеска конкретного ГО, при изменении фазового угла, в файле данных измерений регистрируется от нескольких сот до нескольких тысяч отсчетов. Далее эти данные обрабатываются: производится привязка отсчетов к калибровочным точкам, устраняются отсчеты от попавших в диафрагму фотометра звезд и т.д.
Автором получены фотометрические U, В, V, R наблюдения более 30 объектов геостационарной орбиты серий «Радуга», «Горизонт», «Intelsat», «Arabsat», «Insat» в летне-осенние периоды 1997-99 гг. Точность полученных измерений составляет 0.04ш в фильтре V. По обработанным данным строятся фазовые кривые блеска конкретного ГО, некоторые из которых, в качестве примера, приведены на рисунке 1 б, где видно различие кривых блеска для разных серий ГСС.
В итоге автором получено около 100 фазовых кривых блеска геостационарных объектов (по несколько кривых по объектам), которые и послужат дальнейшему рассмотрению и анализу в главе 4.
Алгоритм вычисления гармоничеких коэффициентов, характеризующих гравитационное поле Земли
В общем случае определение (уточнение) низких гармоник (тессераль-ных и секториальных) гравитационного потенциала следует выполнять с использованием формулы (3.18), получая ускорение в долготе орбиты Лл на основе результатов интегрирования уравнений возмущенного движения ГСС. Причем возмущения в движении ГСС должны быть обусловлены только уточняемыми параметрами гравитационного поля Земли. Влияние остальных возмущающих факторов должно быть исключено. Мы не располагали такой возможностью из-за отсутствия достаточной исходной информации. Поэтому был реализован упрощенный подход к решению задачи, который тем не менее привел к результатам, позволяющим заключить о правильности и эффективности предлагаемого варианта решения проблемы.
Применительно к имеющейся в нашем распоряжении информации, содержащейся в каталоге «Геостационар», и изложенными выше теоретическими положениям, был разработан алгоритм определения некотрых коэффициентов геопотенциала.
Исходными данными при разработке алгоритма являлись значения элементов орбит (а, є, і, ю, О, М)\, (а, є, І, со, Ц М)г, {а, є, і, со, Д М)з, соответствующие трем эпохам наблюдений. Интервал времени h составлял 140 суток, t}-l.2 составлял 180 суток. Алгоритм, с помощью которого осуществлялось в дальнейшем решение задачи по уточнению параметров гравитационного поля Земли, включал следующие этапы.
1. Освобождаем элементы орбиты от возмущений за сжатие, влияние Луны и Солнца и световое давление по формулам, рассмотренным в главе 1. В результате получаем возмущенные элементы орбиты, отличающиеся от кеплеровых (невозмущенных) вследствие действия резонансных эффектов, вызванных искомыми гармониками геопотенциала.
2. По элементам орбиты (а, є, І, со. О, М) вычисляем соответствующие долготы ГО в орбите на каждый момент наблюдений по формуле (3.4). Для чего необходимо также иметь звездное Гринвичское время, вычисляемое по формуле:
Далее вычисляем приращения долгот АЛн =Л/ 2;, АЛп=Лз-Я2 за ин тервалы времени At2i2 ti, Atn-bi- Получаем скорости в долготе І,, =М21/Дс,1, Z12 = АЛп і At,,. Таким образом, предполагается, что на данных участках орбиты ГО движется равномерно. Данные предпо ложения справедливы на небольших интервалах времени при Al— О, однако, в нашем случае за неимением данных на более коротких ин тервалах времени, воспользуемся этими предположениями. 4. По полученным скоростям в долготе вычисляем ускорения в долготе Л = [&Л32 - ДЯ,,)/Д 31. Формируем вектор-столбец свободных членов:
При вычислениях в работе предполагается, что уравнения являются равновесными, то есть измерения выполнялись с одинаковой точностью при одинаковых условиях, так как в каталоге не приводятся сведения о точности измерений по каждому из объектов.
Полученный алгоритм позволяет получить гармонические коэффициенты геопотенциала, если нам известны элементы орбит, как минимум, на три момента наблюдений. По данному алгоритму и по координатным данным, полученным из наблюдений геостационарных спутников, проведем вычисления гармоник геопотенциала и сравним с существующими моделями.
В нашем распоряжении имелся каталог геостационарных объектов «Геостационар» на различные даты (в работе использовались данные на три даты, разнесенные на 140 и 180 дней соответственно, то есть общий интервал времени на котором рассчитывалось ускорение в долготе составлял -320 суток). Из этого каталога мы выбрали пассивные объекты. Для каждого из объектов в каталоге содержатся оскулирующие элементы орбиты на момент наблюдения. Как уже отмечалось выше, точность координатных наблюдений на сего 67 дняшний день составляет 1", что соответствует на высоте геостационарной орбиты 174 м в линейной мере.
Из каталога выбрали пассивные спутники в количестве 80, куда входили ГО с различными скоростями в разных направлениях. Вычисления проводились для 18 спутников, выбранных из 80 под условием равного изменения скорости за равные промежутки времени и однонаправленности движения, так как пассивные спутники совершают маятниковое движение и на интервале в 320 суток скорости могут иметь разные направления.
В таблице 8 приведены результаты вычислений по 18 геостационарным спутникам на интервале в 320 суток в сравнении с моделями Земли ПЗ-90, GEM-10 и результатами, полученные Вагнером по наблюдениям ГСС Syn-com 2 на интервале в 675 дней по 13 дугам [45].
Наиболее точными получились значения коэффициентов Сц, S22, что видно и из сравнения вычисленных значений с данными модели GEM-10. Разница для этих коэффициентов составила 0.8 и 0.9% соответственно. Значения других коэффициентов получились менее точными, что подтверждается рядом исследований А.С. Сочилиной [7] об эффективности использования величины Хл только для уточнения коэффициентов при гармонике (2,2). Тем не менее, используемый в работе наблюдательный материал, разнесенный большими интервалами времени, позволил получить результаты, показывающие возможность получения низких гармоник геопотенциала по наблюдениям ГО. Рассмотрим далее более детально анализ полученных результатов и пути повышения точности.
Зависимость функции изменения блеска от конструктивных особенностей спутника
В результате автором получены модели геостационарных спутников, различных конструкций, частично приведенные в данной работе. Кроме этого автором получены модели для геостационарных спутников серий «Arabsat 1», «Intelsat 7», «Insat 1». Создание моделей является первым шагом на пути создания каталога фотометрической информации. Дальнейшее развитие этой задачи состоит в увеличении наблюдательной базы данных различных геостационарных объектов.
В ходе исследований было установлено, что если известно «старение» покрытий ГО со временем (изменение коэффициентов отражения поверхностей), то, имея модель для одного из спутников данной серии, мы можем воспроизвести кривую блеска для любого из ГО этой серии. Это является устойчивым признаком того, что данная ФИБ соответствует ГО принадлежащего к определенному классу.
Имеющийся в нашем распоряжении на данный момент материал позволяет утверждать, что рассмотренная выше модель ФИБ достаточно универсальна, поскольку она:
При увеличении количества экспериментально полученных ФИБ реальных КА стационарного кольца будут уточняться значения всех коэффициентов для различных классов аппаратов.
Помимо моделирования ФИБ для ГО стабилизированных по трем осям, программа Satellite позволяет получить расчетную кривую блеска ГО стабилизированного вращением или для неактивного ГО, то есть для объекта потерявшего стабилизацию и управление с Земли вследствие возникновения аварийной ситуации, либо в связи с истечением времени эксплуатации. Для получения расчетной кривой блеска такого объекта необходимо иметь данные о конструкции объекта и знать его периоды вращения, которые можно определить из соответствующим образом.организованных наблюдений.
Практическая выгода от моделирования ФИБ вращающихся объектов состоит в том, что программа позволяет определить, вокруг каких осей и с какой скоростью происходит вращение, что является важным диагностическим фактором при возникновении аварийных ситуаций на борту геостационарного спутника.
При возникновении аварийных ситуаций на борту космического аппарата, возможно оперативное определение неисправностей, путем сравнения кривой блеска полученной непосредственно из наблюдений и модельной кривой. Данный вопрос является актуальным в связи с гем, что число объектов на геостационарной орбите возрастает и растет число запусков, т.е. возрастает опасность столкновения с «космическим мусором». Кроме того, нельзя исключить неисправности оборудования при выводе спутника на орбиту.
Такая ситуация возникла, например, при выводе на орбиту двух геостационарных спутников «Ямал» одной ракетой-носителем. Спутник «Ямал ]» вышел в заданную точку на орбите, а со спутником «Ямал 2» возникла ава 101 рийная ситуация. Единственным средством распознавания внештатной ситуации были фотометрические измерения, так как со спутника не поступали данные телеметрии. Было установлено, что аварийный объект дрейфует по долготе 1.5/сутки и имеет период вращения 4 мин. Автором диссертации в результате наблюдений на пункте Майданак были получены кривые блеска как исправного (функционирующего в штатном режиме) спутника «Ямал 1», так и аварийного «Ямал 2». Блеск аварийного спутника при минимальном фазовом угле (максимальный блеск) составлял 12.5Ш, тогда как у функционирующего спутника «Ямал 1» максимальный блеск составлял 9.5Ш. Располагая необходимыми данными о конструкции аппарата «Ямал» и другой исходной информацией, были построены модели ФИБ для ГО с раскрытыми панелями СБ и с нераскрытыми панелями СБ. Сравнение искусственных кривых блеска, полученных из моделирования и кривых блеска, полученных из наблюдений, дало основание полагать, что у спутника «Ямал 2» не раскрылись панели СБ. Попытка командами с Земли раскрыть батареи не увенчалась успехом и спутник превратился в космический мусор.
Перечисленные проблемы свидетельствуют о необходимости проведения оперативных наблюдений в случае возникновения подобных ситуаций, где существенную роль будут играть предварительные сведения об объекте, а именно, какую кривую блеска имел объект в рабочем состоянии. Если же спутник приобрел вращение, то знание осей, вокруг которых происходит вращение, может также помочь разрешению аварийной ситуации, либо диагностики причин аварии, что является немаловажным обстоятельством для страховых организаций в случае подтверждения причин аварии.
Важный вывод для данной работы, целью которых является использование координатных и некоординатных наблюдений ГО в геодезии, состоит в том, что, при исследовании эволюции геостационарных объектов, необходимо проводить совместные наблюдения координатные и фотометрические. Координатные наблюдения позволят решать задачи уточнения низких гармоник геопотенциала и другие, а фотометрические наблюдения подтвердят пра 102 вильность отождествления наблюдаемого объекта, что исключит ошибки при решении выше указанных задач.
Фотометрические данные, помимо их использования для задач отождествления объектов, может быть использована для изучения изменений коэффициентов отражения покрытий поверхностей материалов под действием космической среды. Данное влияние сказывается и на возмущающем действии светового давления.
Давление солнечной радиации имеет порядок 10 б см/сек2 [3j, хотя эта величина и сравнительно мала, тем не менее, она достаточно существенна, чтобы оказывать влияние на эволюцию орбит на длительных интервалах времени, как было показано выше.
Сложность учета светового давления также заключается в точном знании коэффициента отражения от поверхности спутника. Под действием кос 103 мического окружения поверхности спутника становятся в течение нескольких лет темно-серыми, шероховатыми.
Панели солнечных батарей вносят основной вклад в отраженный поток, так как они имеют большую площадь отражающей поверхности по сравнению с остальными частями спутника. Такая же ситуация существует и у геостационарных ИСЗ "Горизонт" и "Радуга". Здесь солнечные батареи представляют собой плоские поверхности с эффективной площадью отражающей поверхности 26 м , па которых смонтированы фотопреобразователи.
Таким образом, используя методы фотоэлектрической фотометрии, нам надлежало установить изменения альбедо панелей солнечных батарей из некоторых ИСЗ в зависимости от времени пребывания на орбите, под воздействием космического окружения.
Основными внешними покрытиями модулей геостационарных спутников являются стеклоткани - ткани оптического назначения (черные стеклоткани); метализированные полимерные пленки (Kapton/Al, /Ag); для покрытий радиаторов обычно различные фирмы используют OSR/ЛІ, Teflon FEP/A1, Teflon FEP/Ag [17].
Для солнечных батарей используют фотопреобразователи обычных типов, поглощающих солнечное излучение во всех участках спектра. Как правило, элементы солнечных фотопреобразователей покрыты тонким слоем кварцевого стекла, которое особенно в первые месяцы после запуска способно к зеркальному отражению при малых фазовых углах (близких к нулевому), когда поток от спутника на короткое время возрастает в десятки и сотни раз.