Анализ наблюдений геостационарных спутников тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.01 ВАК РФ

ол

7 2 ЛИ В97

На правах рукописи

БАХТИГАРАЕВ Наиль Сагитович

УДК 520.8 629.783

АНАЛИЗ НАБЛЮДЕНИЙ ГЕОСТАЦИОНАРНЫХ СПУТНИКОВ

Специальность 01.03.01 - астрометрия и небесная механика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург -1997

Работа выполнена в Институте астрономии РАН

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Л.В. Рыхлова

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук A.A. Киселев,

кандидат физико-математических наук A.M. Фоминов

Ведущая организация:

Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Зашита диссертации состоится " jtf " / 199/4%

в ¡( часов_минут на заседании Диссертационного совета

(шифр К002.92.01) в Главной астрономической обсерватории Российской Академии наук по адресу : 196140, Санкт-Петербург, Пулково, ГАО РАН.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке ГАО РАН .

Автореферат разослан " fij " ff_ 1997 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета iJ /1 f кандидат физ.-маг наук Jr\i/PЮ.А. Наговицин

№

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Использование оптических наблюдений геостационарных, спутников (ГСС) считается перспективным направлением как для астрометрии и небесной механики так и для решения различных геодинамических и геофизических проблем . По оптическим наблюдениям ГСС возможно уточнение коэффициентов геопотенциала, резонансных с орбитой этих спутников, определение вариаций J2; определение вековых вариаций геомагнитного поля. В 1988 году КОСПАР и съезд MAC одобрили международный проект COGEOS (Campaign for Optical Observations of Geosynchronous Satellites), где было предложено определять вековые изменения коэффициентов геопотенциала, резонансных с орбитой ГСС, по фотографическим наблюдениям нескольких спутников. Институтом астрономии АН СССР была выдвинута и принята пленумом Астрономического совета АН СССР в качестве Всесоюзной наблюдательной программы комплексная программа научных исследований на основе наблюдений ГСС "Стационар-экватор", включающая использование не только позиционных, но и фотометрических наблюдений. В Институте астрономии РАН продолжаются работы по позиционным и фотометрическим наблюдениям ГСС и по использованию этих наблюдений для решения фундаментальных научных проблем.

Проведение программ наблюдений ГСС для решения как фундаментальных научных проблем, так и научно-прикладных задач требует качественно нового эфемеридного обеспечения, так как в последние годы к наблюдениям привлекаются астрофизические телескопы с малым полем зрения и с ограниченными возможностями

поиска и отслеживания спутников. Поэтому возникает необходимость в высокоточных эфемеридах, что еще раз подчеркивает необходимость тщательного анализа наблюдений и поисков возможности улучшения точности эфемерид.

Другой областью применения позиционных наблюдений ГСС является проблема контроля космического пространства на геостационарной орбите (ГСО). Проблема засорения околоземного космического пространства телами искусственного происхождения стала одной из актуальных в современной науке. Около тридцати лет в околоземном пространстве движутся искусственные спутники, космические лаборатории, автоматические межпланетные станции -небесные тела, созданные руками человека. За период активного освоения космического пространства осуществлено более 3.5 тысяч запусков, в результате которых на различных орбитах побывало более семи тысяч объектов различного назначения. Техногенный космический мусор, образованный из нефункционирующих спутников, верхних ступеней ракет, фрагментов от взорвавшихся ракет и спутников, не только создает угрозу космическим полетам и мешает функционированию действующих спутников, но также создает помехи при астрономических и других научных наблюдениях в оптическом, радио и инфракрасном диапазонах длин волн. Между тем, количество космического мусора в связи с продолжающимся освоением околоземного пространства человечеством продолжает увеличиваться.

Отсюда понятно большое внимание, уделяемое многими институтами и космическими агентствами различных стран, международными организациями к проблеме засоренности космоса. Во многих космических агентствах существуют группы и комиссии по исследованию космического мусора. Ежегодно Европейское

космическое агентство устраивает научные конференции, посвященные этой проблеме, такие же встречи организует и ПАСА в США. В 1993 году впервые в российской научной литературе Институтом астрономии РАН опубликован сборник, посвященный всестороннему освещению проблемы загрязненности космоса объектами искусственного происхождения, в 1995 году вышел следующий сборник, посвященный столкновениям в околоземном пространстве.

В исследованиях проблемы засорения околоземного космического пространства особое место занимают исследования объектов в геостационарной области. В последние годы многие страны и международные организации, занимающиеся освоением и использованием космического пространства, акцент своих усилий переносят на использование геостационарной области космоса. Так, если первый запуск на геостационарную орбиту был осуществлен в 1963 году, в 1970 году на этих орбитах находилось 7,5 % всех действующих космических аппаратов, в ]993 году - 42 %, то к 2000 году их количество может достичь 70 - 75 % от общего числа действующих ИСЗ. В 1996 году на геостационарной орбите согласно каталогу ИТА РАН находилось 682 объекта, из них только 231 действующих. При этом, если на низких орбитах существует некий механизм самоочищения, связанный с торможением спутников в верхних слоях атмосферы и последующим их сгоранием, то для геостационарной орбиты такого механизма не существует. Все запускаемые на эту орбиту объекты остаются на квазистационарной орбите навсегда, превратившись в космический мусор.

Такая заселенность геостационарной орбиты, естественно, не может не сказаться на эффективности наблюдений. На некоторых снимках спутниковой камеры ВАУ количество получающихся

изображений различных геостационарных объектов достигает сорока, и возникают трудности с нахождением среди них тех, которые требуются по программе наблюдений. На некоторых снимках изображения ГСС даже накладываются друг на друга, и это - при диаметре изображений спутников, равном 6"-10".

В Институте астрономии РАН ведутся комплексные исследования по проблеме космического мусора. Они позволяют сделать экспертную оценку состояния геостационарной орбиты, ее заселенности и эволюционных изменений.

Таким образом, актуальность проведения оптических наблюдений ГСС и анализа их результатов определяется не только научной целесообразностью, но и практическими задачами освоения космического пространства в геостационарной области.

Цель работы, состояла в разработке методики и проведении поисковых фотографических наблюдений ГСС с помощью камеры ВАУ, анализе и систематизации результатов наблюдений, составлении каталогов наблюденных объектов и исследовании возможности применения полученных результатов в научных и прикладных задачах.

Для этого автором

- разработана методика проведения обзорных (поисковых) фотографических наблюдений ГСС с помощью камеры ВАУ;

- проведены многократные обзорные наблюдения видимой из Звенигорода зоны нахождения ГСС;

- составлены каталоги положений и орбит наблюденных в Звенигороде геостационарных объектов;

- проведены наблюдения избранных спутников для изучения эволюции их орбит, подобраны длительные ряды наблюдений пассивных ГСС;

- даны примеры применения результатов позиционных наблюдений ГСС для решения научных и прикладных задач.

Научная новизна работы. На Звенигородской обсерватории Института астрономии РАН с 1975 года при непосредственном участии автора накоплен большой наблюдательный материал (более 30 тысяч положений сотен геостационарных объектов). Большинство этих наблюдений было проведено для научно-прикладных исследований в режиме обзора без идентификации наблюденных объектов. Впервые этот материал систематизирован и проведен анализ массива результатов наблюдений.

По разработанной автором методике проведены уникальные серии обзорных наблюдений объектов на ГСО при помощи камеры ВАУ в Звенигороде, когда за ночь наблюдались более 100 геосинхронных объектов. По этим наблюдениям составлены каталоги положений ГСС и каталоги их элементов орбит. Точность определения элементов орбит намного превышает точности других каталогов орбит, включая двустрочные элементы Системы Космического Наблюдения США.

Разработана методика поисковых наблюдений космического мусора при помощью камеры ВАУ, проведены наблюдения по этой методике и обнаружены не каталогизированные пассивные объекты на ГСО.

Проведенная с участием автора модернизация камеры ВАУ и программного обеспечения повысили точность определения координат, проницающую силу камеры и эффективность наблюдений. Это позволило Звенигородской обсерватории ИНАСАН полноценно участвовать в исследованиях по проблеме загрязнения космоса.

Практическая ценность работы. Разработанные методика и программное обеспечение успешно применяются в Институте астрономии РАН в исследованиях по проблеме космического мусора, которые ведутся в сотрудничестве как с отечественными научными учреждениями, так и с Европейским Космическим Агентством и НАСА.

Проведенная при непосредственном участии автора модернизация технического и программного обеспечения наблюдений ГСС дает возможность на Звенигородской обсерватории ИНАСАН самостоятельно проводить наблюдения геостационарных ИСЗ в поисковом режиме, идентификацию объектов с использованием различных каталогов, и определение элементов орбит наблюденных объектов с вычислением точных эфемерид как для Звенигородской обсерватории, так и для других пунктов. В частности, успешно решается задача независимого эфемеридного обеспечения программ наблюдений для 1-м телескопа в Симеизе (КрАО) с использованием результатов наблюдений, выполненных только на Звенигородской обсерватории ИНАСАН.

Результаты, полученные в ходе выполнения работы, переданы заинтересованным организациям и использованы в ЦНПО "Комета", НИИВЦ "Космос", МАК "Вымпел" для научно-прикладных исследований. В ИТА РАН результаты использовались для создания теорий движения спутников и для каталогизации ГСС. Группы исследователей ГАО РАН, ГАИШ МГУ, МАК "Вымпел" и ГАО АН Украины использовали наблюдения для разработки теории движения ИСЗ, программ вычисления и прогноза орбит ГСС.

Проведена аттестация пункта наблюдений ГСС в Звенигороде. Для этого были использованы квазисинхронные наблюдения ИСЗ Интелсат 5 Ф-12, полученные с камерой ВАУ в Звенигороде и

двойным широкоугольным астрографом в Голосеево (Украина). Сделана оценка точности наблюдений и выяснено отсутствие систематических ошибок в положении ГСС, превышающих 1".

На защиту выносятся:

1. Методика фотографических обзорных наблюдений геостационарных спутников. Эта методика позволяет наиболее полно использовать возможности камеры ВАУ при наблюдениях ГСС. При этом за одну ночь наблюдений можно получить по 4 - 7 положений более сотни объектов с точностью, близкой к одной угловой секунде.

2. Методы анализа результатов фотографических наблюдений

ГСС.

3. Результаты обзорных наблюдений ГСС и результаты наблюдений пассивных ГСС на длительных интервалах наблюдений (1980-1996гг.);

4. Результаты позиционных наблюдений ГСС для решения научных и научно-прикладных задач:

- каталоги небесных объектов на геостационарной орбите,

- эфемеридное обеспечение научно-исследовательских программ наблюдений ГСС,

- исследования космического мусора на ГСО.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались автором на семинарах Института астрономии РАН, на Всесоюзных совещаниях по проблемам наблюдений высокоорбитальных спутников Земли для решения научных и прикладных задач в Алма-Ате (1986), Суздале (1988), Ашхабаде (1989), Ужгороде (1990), Екатеринбурге (1991), Зеленчуке (1993), Звенигороде (1994), в КрАО (1995); на международных конференциях, организованных ИТА РАН в Санкт-Петербурге в сентябре 1992 г., в

июне и декабре 1994 г; на научной конференции "Стохастические методы и эксперименты в небесной механике" в Архангельске в 1995 г.; на первом международном семинаре по проблеме экологии космического пространства в Москве (1995, ИКИ РАН); на первой научно-технической конференции в Московском высшем училище радиоэлектроники ПВО (1996, Кубинка-2), на астрометрическом семинаре ГАО РАН (1997).

Всего по теме диссертации опубликовано 18 работ. Основные результаты, выносимые на защиту, изложены в 12 печатных работах.

Личный вклад автора. Автор получил большую часть наблюдений; разработал методику обзорных наблюдений, методы анализа результатов наблюдений. Автор принимал участие в текущей обработке и анализе всех полученных материалов, проводил вычисления элементов орбит, эфемеридное обеспечение (наблюдения и вычисления) экспериментальных сеансов наблюдений космического мусора, составлял каталоги положений и элементов орбит. В совместных публикациях участие соавторов равное.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 60 наименований и трех приложений, содержит 101 страницу текста, 10 иллюстраций и 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены ее цель, сформулирована новизна и практическая ценность полученных результатов. Перечислены основные результаты работы, которые выносятся на защиту. Приведен список статей, в которых опубликованы основные результаты.

ю

В первой главе описана спутниковая камера ВАУ, объяснена методика наблюдений ГСС на камере ВАУ и методика обработки снимков.

Обоснована модернизация технического и программного обеспечения наблюдений ГСС, проведенная на Звенигородской обсерватории ИНАСАН с целью повышения эффективности наблюдений, точности определения координат ГСС и проницающей силы камеры ВАУ. После тщательного анализа конструкции, технических характеристик ВАУ и ее составных частей, соблюдая условие проведения минимальных доработок, были выполнены следующие работы:

- изготовлен телевизионный визир и установлен вместо одного из трех существующих оптических визиров, что повысило проницающую силу визира на две звездные величины и позволило обнаруживать визуально и гидировать в процессе фотографирования геостационарные спутники;

- изготовлен и смонтирован на орбитальной оси опорно-поворотного устройства ВАУ высокоточный датчик угла (с устройством вычисления угловой скорости), который позволил контролировать скорость движения камеры при наблюдениях по эфемеридам и повысить точность определения координат ИСЗ.

Дан обзор работ, в которых содержатся оценки точности определения координат ГСС при помощи камер ВАУ, приведены результаты исследования точности, полученные при обработке результатов наблюдений на камере ВАУ и на двойном широкоугольном астрографе ГАО АН Украины. Сделан вывод, что точность определения координат ГСС при помощи камеры ВАУ приближается к 1" даже при массовых обзорных наблюдениях, не намного уступая точности двойного широкоугольного астрографа со

следящей кассетой. Показано отсутствие систематических ошибок, превышающих 1" в положении ГСС.

Вторая глава посвящена обзорным наблюдениям геостационарных спутников. Рассмотрена методика обзорных наблюдений ГСС при помощи камеры ВАУ. Эта методика должна обеспечить получение точных положений максимально большого количества ГСС за сеанс наблюдений.

Суть нашей методики обзорных наблюдений такова: ГСС наблюдаются вблизи наибольшей фазы, когда их яркость максимальна, а спутники с большими наклонениями орбит (от б до 18 град.) наблюдаются вблизи их верхней кульминации (вблизи нижней кульминации они плохо видны из-за близости к горизонту) во время максимальной фазы, где их видимая скорость минимальна, а яркость максимальна. Особенности движения ГСС с большими наклонениями орбиты в зоне их видимости из Звенигородской обсерватории ИНАСАН таковы, что они проходят верхнюю кульминацию во время их максимальной фазы с декабря по март месяцы. Это было установлено нами эмпирическим путем на основе анализа результатов обзорных наблюдений. На рис. 1 приведена суточная трасса геостационарного спутника с наклонением орбиты 1 = 14е.6 и эксцентриситетом е = 0.0023, построенная по вычисленным эфемеридам реального ГСС. Орбита спутника была определена по результатам наблюдений за 12, 13 и 14 января 1996 г. По осям координат азимут и высота спутника в градусах, нанесенные через каждые 20 минут, часть трассы, охваченная наблюдениями выделена черным цветом. На рисунке отмечены моменты прохождения спутником узлов, кульминаций, начала и конца наблюдений по звездному времени. Максимальная угловая скорость этого ГСС при прохождении через экватор составляет 10"/с.

п

cd

<3

н о о

л

PQ

35 30 25 20 15 10

4h20m

is

1 53"

7h14m

о о о о

О о

10h20m « 22 20

о о о о о о о О

16h20m

120 125 130 135 140 145 150 Азимут (град.)

Рис. 1. Суточная трасса геостационарного спутника с наклонением орбиты i = 14.°6 и эксцентриситетом е = 0.0023, построенная по вычисленным эфемеридам на реальный ГСС. Интервал между положениями составляет 20 минут.

Описаны методы анализа и отождествления результатов наблюдений. Приведены результаты двух сеансов обзорных наблюдений ГСС, выполненных на камере ВАУ. В результате этих наблюдений в диапазоне от 15° западной до 88° восточной долгот

было обнаружено 353 геосинхронных объекта, измерены их координаты (примерно 1000 положений), определено 265 было обнаружено 153 геосинхронных объекта, измерены их координаты (примерно 1000 положений), определено 265 предварительных орбит. 117 объектов идентифицированы с объектами из "Списка объектов вблизи геостационарного кольца", выпускаемого Европейским космическим агентством. Из 36 не идентифицированных объектов 12 наблюдались в течении двух и более ночей. Результаты обработки показаны в приложении 1.

В третьей главе показаны варианты применения результатов позиционных наблюдений ГСС, полученных при помощи камеры ВАУ, для решения научных и прикладных задач.

Рассмотрена задача каталогизации небесных объектов на геостационарной орбите для выполнения программ научных исследований с использованием наблюдений ГСС. Приведены примеры каталогизации объектов на ГСО на основе обзорных позиционных наблюдений, выполненных при помощи камеры ВАУ. Сделан вывод, что для поддержания зонного каталога орбит некорректируемых ГСС достаточно одного-двух сеансов обзорных наблюдений в год.

Подробно исследованы вопросы эфемеридного обеспечения научно-исследовательских программ наблюдений ГСС. В качестве примера приведены результаты анализа движения двух геостационарных объектов на пятилетнем интервале времени.

Третий параграф главы посвящен исследованиям "космического мусора" на ГСО. Приведены результаты наблюдений, выполненных при помощи камеры ВАУ с целью поиска объектов, отсутствующих в имеющихся каталогах орбит ГСС.

В заключении изложены основные итоги работы.

В приложениях содержатся некоторые результаты наблюдений ГСС, выполненные при помощи камеры ВАУ на Звенигородской обсерватории ИНАСАН:

- список 153 геостационарных объектов по результатам двух сеансов обзорных наблюдений;

- каталог средних элементов орбит 61 ГСС, вычисленных по наблюдениям за октябрь 1986 года;

- сферические координаты одного пассивного геостационарного объекта за 1980 - 1996 годы.

Основные публикации

1. Бахтигараев Н.С., Костюк Н.Д., Юревич В.А. О применении комплекса программ обработки астронегативов АФУ-75 к снимкам камеры ВАУ. // Научн. информ. Астрон. совета АН СССР, 1982, вып.55, с. 82-88.

2. Масевич А.Г., Лозинский A.M., Бахтигараев Н.С., Бирюков А.Н., Юревич В.А. Разработка и освоение методики фотографических наблюдений геостационарных спутников с точностью 1". // Заключительный отчет по теме № 01.81.600.6941, сектор космической геодезии и геофизики, Астрономический совет АН СССР, № ГР 80064171, инв. № 0284.0 027947,1984,23с.

3. Лозинский A.M., Бахтигараев Н.С., Бирюков А.Н., Бург Б.М., Пак Кен Су. Результаты наблюдений зоны геостационарных ИСЗ в Звенигороде за 1975-1983 годы. // Научн. информ. Астрон. совета АН СССР, 1987, вып. 64, с. 47-160.

4. Бахтигараев Н.С., Пирогов К.В. Анализ результатов наблюдений геостационарного спутника за длительный период. // Набл. ИНТ, 1990, № 85, с. 67-71.

5. Бахтигараев Н.С., Пирогов К.В. Каталог орбит геостационарных объектов на октябрь 1986 года. // Набл. ИНТ, 1990, № 87, с. 8-19.

6. L.V.Rykhlova, A.M.Mikisha, M.A.Smirnov, A.V.Bagrov, N.S. Bakhtigaraev. Investigations of Space Debris Groundbased Optical Observations Problems. // Space Debris Detection and Mitigation . SPIE Proceedings, 1993, v. 1951. P. 2-9.

7. Бахтигараев H.C. Фотографические наблюдения искусственных небесных тел и возможности их каталогизации. // Проблема загрязнения космоса (Космический мусор) (ред. А.Г.Масевич), М.: Космосинформ, 1993, с. 47-58.

8. L.V.Rykhlova, N.S.Bakhtigaraev, A.M.Mikisha, M.A.Smirnov, I.A.Finogenov. The Results of the Geostationary Satellites Observations and Theoretical Investignations. // Proc. of the International Workshop on Techniques for cooperative international satellite orbit determination and maintenance (ed. Nazarenko A., Nagl L., Knowles S.), Kaman, Colorado Springs, 1993.

9. Бахтигараев H.C., Гаязов И.С., Пирогов K.B., Сочилина А. С. О создании долгосрочной эфемеридной службы геостационарных спутников. // Набл. ИНТ, 1994, № 88, с. 31-36.

10. Н.С. Бахтигараев, Ю.З. Вибе, М.И. Гулямов, И.И. Дмитроца, Ю.Н. Иващенко, Г.Т. Кайзер, JI.H. Кизюн, Ф.Н. Масуми, Ю.И. Сафронов. Результаты сеанса позиционных наблюдений геостационарных спутников. // Набл. ИНТ, 1994, № 88, с. 51.

И. Grigoriev К.V., Guliamov M.I., Bakhtigaraev N.S. On the Collection of the Photographic Observations of Geostationary Objects. Space Forum, Vol. 1,1996, OPA, Amsterdam, pp. 57-62.

12. Масуми Ф.Н., Бахтигараев H.C. Контроль космического пространства в геостационарной зоне фотографическими средствами. // Тезисы докладов первой научно-технической конференции. Московское высшее училище радиоэлектроники ПВО, 1996, с. 116-118.