Введение к работе
Актуальность темы.
При проведении лазерной локации космических аппаратов находящихся на околоземных орбитах, и при геодезических измерениях неявно предполагается что лазерная станция покоящаяся на поверхности вращающейся Земли является ннерипалыюй системой отсчета Поэтом\ световые лучи, входящие в оптические приборы и выходящие из них считаются прямыми линиями и распространение световых импульсов по этим лучам предполагается равномерным
Однако эти приборы находятся в слабонеинершіальной системе отсчета связанной с вращающейся Землей и их лучи подвержены действию слабого гравитационного поля Земли Поэтому согласно общей теории относительности Эйнштейна в гравитационном поле Земли и при действии сил инерции вращающейся системы отсчета лучи должны искривляться, а движение световых имшльсов по этим лучам должно быть неравномерным И хотя эти релятивистские эффекты в гравитационном поле вращающейся Земли малы, с определенного \ровня точности измерений они б\д\т искажать наблюдательные данные
В настоящее время в стадии подготовки находятся нес колько космических программ по проведению прецизионных астрометрических измерений с помощью интерферометров установленных на космических аппаратах Для баллистнко - навигационного обеспечения этих программ локацию участвл ющих в экс периментах космических аппаратов необходимо производить с точностью нескольких сантиметров по дальности и порядка і угловоц с екл нды по \ гловому положению что дос т\ пни только лазерным станциям На таком уровне точности \же необходимо производить \чет воздействия гравитационного поля 3мли и неинерциально^ти системы отсчета лазерной станции находящейся на вращающейся Земле, на рас пространение световых пмтльеов прп лазерной локации кос ми-чес ких аппаратов Поэгомч без математической модели учитывающей уравнения общей теории относительности, осуществлять с требл емой хочнос іьк) проінознрование и контроль орбит космических аппаратов в процессе выполнения прецизионных кос мпчес ких программ невозможно
Более того при проведении лазерной локации космических аппаратов был замечен довольно странный эффект на лазерных станциях пс-пользл ющих матомощныс лазеры с относительно ^ зким лазерным пучком (как известно лазерный пучок не явтяется шпнндром а предетавляет собой расширяющийся кою-с) было очень трудно попасть электромагнитным импульсом в двнжмшшея космический аппарат Обычно космический аппарат движущийся по низкой околоземной орбите достаточно
хорошо виден в телескоп лазерной (.таншш и оператор вводя упреждение вдоль вектора его скорое ти должен был попас ть лазерным нмпл лье ом в отражатели установленные на его внешних поверхностях
Однако было замечено, что если лазерный имтльс направить в расчетное место его встречи с космическим аппаратом то этот нмпл лье не попадет на отражатели, если же ось лазера немного доворачнвать и направлять электромагнитный импульс не в расчетное место встречи а сканировать окрестности этого места, то при некотором небольшом угловом отклонении (составляющем несколько лгловых секлнд) от расчетного места космический аппарат попадет в лазерный пучек и в геле-скопе лазерной станции появится отраженный от космического аппарата электромагнитный импульс После этого дальнейшее с опровожденне космического аппарата лазерным пучком переключают на компьютер который автоматически вводит найденную экспериментально дополнительную лгловую поправку и процесс локации проходит как правило без вмешательства оператора
В качестве первой причины этого небольшого рассогласования меж-дл расчетным угловым направлением на место встречи лазерного нмпл льса с космическим аппаратом и фактическим угловым направлением на это место было выдвннлю предположение о несовпадении оптической оси телескопа с осью лазерного луча на лазерной станции Однако лазерный импульс посылается к космическому аппарату через телескоп лазерной станции и дополнительные исследования точности юстировки показали что эти оси с требуемой точностью совпадают
На могцных лазерных станциях пегюльзмогппх широкие лазерные пл-чкп этот эффект не наблюдался так как электромагнитный импульс в окрестности космического аппарата имел большие поперечные размеры и отражатели лстановленные на космическом аппарате попадали на периферию этого нмпл льса
Приступая к исследованию этого вопроса мы предположили, что причиной такого рассогласования является недостаточно точная математическая модель, использовавшаяся для расчеюв мловых коордішаї ме-с та встречи лазерного импл льса и кос мичес кого аппарата не л читываю-щая эффекты обшей теории относ птетьнос тн Однако в млтематичес кеш плане эти вопросы были неразработанными
Цель работы.
Целью настоящей диссертации являете я математическое моделирование релятивистских поправок вызываемых действием полей сил инерции вращающейся Земли и ее гравитационного поля на распространение световых нмпл лье ов при лазерной локации космических аппаратов и при
геодезических измерениях а также разработка алгоритмов вычисления искажений, вносимых этими поправками в наблюдательные данные Научная новизна.
Построена математическая модель, учитывающая релятивистские поправки общей теории относительности при проведении лазерной локации космических аппаратов и при геодезических измерениях на поверх-нос тн вращаюгцейс я Земли
Впервые рассчитан yi ол 5а между направлением по которому лазерный пмп\льс посылается к геостационарному космическому аппарату и направлением по которому этот импульс возвращается на лазерш ю станцию Так как величина этого угла является измеримой (5а =35 угловых секунд), то на основе этого расчета в диссертации предложен эксперимент по проверке этого оптического эффекта
Впервые показано, что расстояние между осью телескопа лазерной станции п центром пятна, образл емої о на Земле электромагнитным импульсом, отраженным от ретрорефлектора у< тановленного на геостационарном космическом аппарате, составляет 600 м Предложен эксперимент по проверке этого оптнчес кого эффекта
На основе построенной математической модели впервые вычислен \гол оптической аберрации (угол межд\ истинным направлением на космический аппарат в момент прихода к нему электромагнитного импульса и направлением по которому этот импульс посылался на космический аппарат), создаваемый полями вращающейся Земли
Практическая ценность результатов работы
Проведенное в диссеріашш маїематпчісьос моделирование показало что эффекты обшей теории относительности достигают измеримых величин при лазерной локации космических аппаратов
Как следует из приведенных в диссертации опенок эти эффекты вносят искажения в измерения дальности и углового положения космического аппарата которые необходимо \читывать при реализации космических программ астрометрического и ас трофнзнческого назначения
Разработанная в диссертации математическая модель также найдет практическое применение для расчета л глового л преждения при локации космических аппаратов узкими лазерными п\ чкамн
Личный вклад автора.
Все результаты оценки и алгоритмы выносимые на защптл полупены автором диссертации лично
Апробация результатов работы.
Основные результаты диссертации докладывались на XII Российской гравитационной конференции (20-2G июня 2005 г Казань КРУ)
Междл народной конференции Тихонов н современная математика (19-23 июня 2006 г Москва МГУ) Пятом Международном аэрокосми-ческом конгрессе (27-31 августа 200G г Москва. МГУ) на научных семинарах ГОУ ВПО "МАТТГ - РГТУ им К Э Циолковского
Реализация и внедрение результатов работы.
Результаты днсс ертащюнной работы были использованы при выполнении НИОКР по договор} № 4/2006 от 01 02 2006 г между ФГУП "Научно - производственное объединение имени С А Лавочкина' и Инститл -том прикладных и теоретических исследований по договору К 1/2007 от 10 01 2007 г межд> ФГУП ЦНИИМАШ и Институтом прикладных и теоретических исследований, а также в лчебном процессе при чтении лекций по курсу ' Математическое моделирование" студентам факультета Х> 2 ' Аэрокосмическпе конструкции и технологии' ГОУ ВПО МАТИ' -РГТУ им К Э Циолковского о чем имеются акты внедрения
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения четырех глав заключения и списка литературы включающего 77 наименований Работа изложена на 119 страницах машинописного текста содержит 12 ріклнков
Публикации.
По материалам и результатам днсс срташш от блнковано < емь на\ ч-ных работ три статьи в рецензир\ емых журналах включенных в спік ок ВАК трое тезисов докладов на различных научных конференциях и один препринт НИИЯФ МГУ им М В Ломоносова
