Методика наблюдений и обработки

Как уже отмечалось, зональный каталог основан на результатах работ двух станций наблюдений: базовой станции СН-1 (г.Алматы, Астрофизический институт) и станции СН-2 (г.Приозерск, ЗАО "Институт радиоэлектроники"). Последняя принимает участие в наблюдениях с 1998 года. Каждая из станций может работать как автономно, так и во взаимодействии друг с другом, (с учетом их индивидуальных особенностей) как единая сеть. При проведении совместных наблюдений существует следующее распределение функций.

Станция 1:

  • обзор выбранного участка неба, поиск новых объектов. Обычно зона обзора в течение ночи составляет 300 - 450 по долготе и 30 - 60 по широте;
  • координатные наблюдения по эфемеридам;
  • высокоточные фотометрические наблюдения избранных ГСС. Эти наблюдения проводятся на высокогорной обсерватории "Ассы-Тургень" в 90км к востоку от г.Алматы.

Станция 2:

  • координатные наблюдения по эфемеридам;
  • массовые фотометрические наблюдения ГСС;
  • синхронные координатные и фотометрические наблюдения.

Предварительная обработка наблюдений и расчет эфемерид обычно проводятся на каждой станции отдельно. Полная обработка всей информации, дополнение и сопровождение зонального каталога ГСС осуществляется в Астрофизическом институте.

2.1. Позиционные наблюдения

Методика проведения позиционных наблюдений, используемая в Астрофизическом институте, после первого выпуска Зонального каталога не претерпела принципиальных изменений. Для получения координатной информации используется автоматизированная астрономическая телевизионная система ААТС-2, проницающая способность системы составляет 15m, ошибка определения экваториальных координат - 1."5 - 2."0. [4], [8]. Более подробно остановимся на описании аппаратуры и методики, применяемой на второй наблюдательной станции.

Квантово-оптическая система "Сажень-С" полигона Сары-Шаган представляет собой современный измерительный комплекс, предназначенный для высокоточных измерений дальности и угловых координат КО, находящихся на орбитах с высотами от 1.9х103 км до 4х104 км; одновременно с координатной возможно получение фотометрической информации.

Наблюдения проводятся на телескопе АЗТ-28, который фактически состоит из двух соосных 50-см телескопов, смонтированных на одной параллактической установке. Это позволяет сравнительно просто реализовать два информационных канала: астрометрический - для определения координат, и фотометрический - для измерения блеска объекта в разных диапазонах длин волн. Соответственно, в зависимости от поставленной задачи и приоритетов возможно проведение только позиционных или только фотометрических наблюдений, но наиболее эффективным и информационно полным является синхронное определение координат и блеска ИСЗ. Высокоточная безлюфтовая механика телескопа АЗТ-28 позволяет наблюдать как геостационарные, так и низкоорбитальные объекты с угловыми скоростями до 2.5°/сек.

В состав комплекса обслуживающей аппаратуры входят:

  • телевизионная аппаратура с приемно-регистрирующей трубкой ЛИ-804;
  • телевизионный гид;
  • подсистема приема, хранения и привязки к сигналам точного времени;
  • датчик "угол-код" для фиксации угловых координат центра кадра;
  • подсистема измерения метеорологических параметров;
  • подсистема автоматического или ручного управления телескопом;
  • ПЭВМ с необходимым программным обеспечением.

Поле зрения основного астрометрического канала сравнительно невелико: 12'× 9', и это существенно затрудняет проведение обзорных и поисковых работ. Поле зрения телегида равно 2°×2°, диаметр входного зрачка - 20 см. Специальное электронно-механическое устройство обеспечивает автоматическое удержание изображения наблюдаемого объекта вблизи центра кадра. В настоящее время ТВ-кадр полностью не оцифровывается, вместо этого имеется возможность фиксировать небольшие отклонения центра тяжести изображения объекта от оптического центра кадра по обеим координатным осям.

Измерения координат ИСЗ производятся по схеме: звезда - спутник - звезда или спутник - звезда - спутник (дифференциальный метод прямых отсчетов). В качестве астрометрического каталога опорных звезд используется PPM [9], в котором содержится информация о 378910 звездах, расположенных по всему небу. Если при наведении на спутник и соседнюю звезду перемещение телескопа невелико (до 1-2 градусов), координаты ГСС определяются просто по разности отсчетов между ними. В более сложных случаях предварительно устанавливается связь между инструментальной и звездной системами координат. Для этого используется 4-х - 8-ми параметрическая редукция, коэффициенты которой вычисляются по совокупности наблюдений 5-10 звезд. Точность определения координат составляет 1".5 - 2", оперативность - 5 - 7 сек. на одно положение, предельная звездная величина - 15m .

2.2. Фотометрические наблюдения

Обнаружение и сопровождение объекта при проведении фотометрических наблюдений на КОС "Сажень-С" осуществляется с помощью астрометрического канала, который в этом случае помимо своей основной функции (определение координат) параллельно выполняет вспомогательную функцию автоматического гида. Прием фотометрической информации ведется в режиме счета фотонов одноканальным электрофотометром, в котором реализована схема Фабри. Приемником излучения служит ФЭУ-136, набор светофильтров позволяет реализовать трехцветную фотометрическую BVR-систему, близкую к стандартной. Регистрация моментов наблюдений, хранение и обработка поступающей информации осуществляется ПЭВМ типа Pentium-2. Привязка ко всемирному времени осуществляется с точностью не хуже 0.01 сек., продолжительность экспозиции (от 10-4сек. до 30 сек.) фиксируется с ошибкой, не превышающей 10-5 сек. Максимальный объем одного массива - 20000 единичных отсчетов. Ошибка измерения блеска не превышает 3%.

Для стандартизации блеска ГСС создан каталог фотометрических стандартов в системе BVR Джонсона, основанный на работах [10-14]. Каталог содержит 200 звезд, достаточно равномерно распределенных вдоль небесного экватора, и звезды со склонениями от 30° до 40°, необходимые для контроля за прозрачностью атмосферы в течение ночи.

В Астрофизическом институте НАН РК электрофотометрические наблюдения ГСС начали проводиться в 1979 году. С 1982 года в наблюдениях участвует 1-метровый телескоп фирмы "Карл Цейсс" Ассы-Тургеньской обсерватории. Начиная с этого времени, сформирован и постоянно дополняется соответствующий банк данных. Позднее на его основе была разработана программа "Phantom-2", позволяющая по совокупности фотометрической и координатной информации с той или иной степенью достоверности решать следующие основные задачи:
  • определение ориентации объекта и его динамических параметров (периода вращения вокруг собственного центра масс, направления оси вращения);
  • построение эквивалентного геометрического образа и определение физических характеристик КО и его отдельных элементов (эффективную отражающую поверхность, относительные коэффициенты отражения и зависимость последних от времени существования спутника на орбите);
  • идентификация ГСС.

Эти задачи взаимосвязаны и дополняют друг друга. Так, задачу идентификации можно рассматривать либо в узком смысле, как формальную классификацию кривых блеска и цвета (фазовых кривых), либо в более широком плане. В последнем случае она включает в себя и первые две задачи. Не вдаваясь в детали соответствующих алгоритмов обработки, остановимся лишь на некоторых положениях, лежащих в их основе.

В условиях априорной неопределенности типичными являются ситуации, когда значительную долю полезной информации, которую содержат фазовые кривые, трудно формализовать, т.е. не удается построить математический алгоритм, способный выделить эту информацию в рафинированном виде. В этом случае задача сводится к определению набора инвариантных признаков, более или менее однозначно описывающих тип ГСС.

Наиболее простой характеристикой типа космического аппарата (КА) может служить форма изменения его блеска. В видимом диапазоне ИСЗ не имеет собственного свечения, и его блеск зависит в основном от индивидуальных особенностей (формы конструкции, ориентации, свойств материалов покрытия и т.п.) и условий освещенности. Последние определяются геометрией движения системы "наблюдатель - ИСЗ - Солнце", взаимным затенением и переотражением светового потока между от-дельными элементами конструкции спутника, а также освещением от Луны и Земли. Исследования [15] подтвердили существование зависимости формы изменения кривой блеска КА от его типа, наиболее четко это проявляется при заходе ГСС в земную тень и при выходе из нее.

Измеренную фазовую кривую блеска ГСС с некоторой вероятностью можно представить суммой аналитических фазовых зависимостей простых форм [16,17]. Метод разложения экспериментально полученной фазовой кривой на составляющие предполагает, что известны такие параметры, как альбедо А, эффективная площадь отражения S, спектральные коэффициенты отражения. Придавая площади отражения S некоторое условное значение, можно найти относительные коэффициенты отражения. Они характеризуют распределение энергии в отраженном ГСС световом потоке и не зависят от принятой условной величины S. Обнаруженная нами зависимость этих величин от времени пребывания ГСС на орбите, по-видимому, связана со старением покрытий аппарата, что и приводит к перераспределению энергии в спектре отраженного светового потока. Характер изменения этих величин для объектов разного типа индивидуален.

Eсли пренебречь пиком яркости вблизи нулевой фазы, связанного с зеркальным отражением ( показатели цвета при этом, как правило, заметно изменяются ) и дополнительными "горбами", создаваемыми отражением света от приемно-передающих антенн спутника, то изменение звездной величины в зависимости от фазового угла можно представить функцией, где наклон линейной части характеризуется фазовым коэффициентом (зв.вел./градус). При одинаковых типах покрытий фазовые коэффициенты тем больше, чем больше эффекты затенения, и, наоборот, поверхности с преобладающим многократным переотражением света будут иметь значительно меньшие фазовые коэффициенты. Однако, однозначно оценить параметры отражающей поверхности ГСС, основываясь только на значениях этих коэффициентов, в настоящее время не удается.

Асимметрия фазовой кривой относительно минимальной фазы является характерным признаком ГСС с вынесенными элементами типа панелей солнечных батарей (СБ) и указывает на частичное их затенение корпусом ГСС или другими его частями. Очевидно, что максимальная величина затенения при соответствующих углах фазы будет в тот момент, когда Солнце находится на оси, перпендикулярной корпусу аппарата и проходящей через точки крепления СБ. Изменения величины затенения характеризуют форму и пространственную ориентацию панелей СБ.

Наконец, вариации блеска ГСС зависят от изменения условий освещения объекта в течение суток и от изменения склонения Солнца в течение года.

Представляя блеск ГСС вектором Е с составляющими B, V, R, получим его трехмерный "фазовый портрет" (при подключении других параметров портрет будет иметь размерность более трех). Величина вектора Е определяется отражательной способностью покрытия, а форма образованной поверхности связана с цветовыми характеристиками объекта. Наблюдения ГСС известного типа позволяют получить эталонный фазовый портрет, который характеризует данный тип. Последующие наблюдения неизвестного объекта сравниваются с тем или иным "эталоном", что позволяет определять не только тип ГСС, но и его пространственную ориентацию. В случае неотождествления типа проводятся высокоточные фотометрические наблюдения этого спутника в течение полугода, и создается "эталон" нового типа ГСС. При построении фазового портрета объекта переменной яркости необходимо учесть короткопериодическую составляющую, связанную с его собственным вращением, хотя сама по себе эта составляющая также содержит полезную информацию.

В 1999 году на КОС "Сажень-С" одновременно с координатной была получена точная фотометрическая информация для 40 избранных ГСС. Выбор этих объектов обусловлен тем, что среди них присутствуют все основные типы КА, и они достаточно репрезентативны по отношению ко всей совокупности ГСС.

Обработка наблюдений осуществлялась с помощью комплекса программ, входящих в "Phantom-2". Для обнаружения периодических компонент применялась стандартная процедура Блэкмана-Тьюки. В процессе обработки проводился учет коротковолновых гармоник, обусловленных влиянием земной атмосферы [16]. Уровень доверительной вероятности всех значимых спектральных пиков по критерию Уокера превышает 95%.

Для всех наблюдавшихся объектов в диапазонах B, V, R вычислены звездные величины (в пересчете на нулевую фазу), периоды вращения вокруг собственной оси Р1 и периоды прецессии оси вращения Р2. (если таковая имеется). При этом предполагалось, что ГСС представляет собой сферу с диффузно отражающей поверхностью (по закону Ламберта). Зеркальная составляющая кривой блеска отсекалась, т.к. ее форма зависит, в первую очередь, от ориентации объекта относительно наблюдателя и различна даже для однотипных ГСС. Результаты расчетов представлены в Таблице, где в последнем столбце (Примечания) указан номер(а) рисунка(ов) в Приложении, на котором(ых) показаны фрагменты кривой блеска и кривая блеска, усредненная за период.

Номер
по
каталогу
Международный
номер
Название V B-V V-R P1 P2 Примечание
306 69013B Tacsat 1 12.50 0.40 0.80 1.08 - 5
358 76042A Comstar 1A 13.10 0.40 0.70 4.75 - 6
216 76101A Marisat 3 11.50 1.15 0.70 52.00 - -
235 76107A Ekran 1 12.00 1.00 0.95 126.76 - 7
309 81027A Raduga 8 10.40 0.66 0.85 26.67 - -
311 83098A Calaxy 2 12.30 0.50 0.70 2.42 - 8
214 83100A Ekran 11 11.30 0.35 0.80 87.38 - 9
212 84022A Cosmos 1540 11.90 0.90 1.00 279.00 - -
182 88014A China 22 13.10 0.30 0.80 1.76 - -
191 89081A Gorizont 19 10.10 0.90 1.05 - - -
109 89087A Intelsat 6 F-2 11.60 0.85 0.85 1.24 - -
42 90011A China 26 11.75 0.31 0.80 1.15 - -
97 90016A Raduga 25 10.50 1.15 0.85 58.07 - -
111 90056A Intelsat 6 F-4 10.95 0.85 0.95 - - *
185 90116A Raduga 1-02 10.75 0.65 0.30 40.04 - -
362 91010A Cosmos 2133 11.50 0.80 0.95 - - -
116 92010B Arabsat 1c 12.25 0.80 0.60 5.98 - 10, 11
35 92017A Gorizont 25 10.05 1.0 0.95 - - -
59 93062A Raduga 30 11.10 0.90 0.85 - - -
114 94064A Intelsat 703 10.70 0.40 0.70 - - -
84 95054A Luch-1 9.80 0.40 0.90 57.07 - 12, 13
171 95054D Proton -K f.s. 12.70 0.45 0.80 275.00 - -
108 96020A Inmarsat 3 F-1 10.50 0.80 0.75 - - -
31 97071B Cakrawarta 1 9.00 0.50 0.50 - - -
170 98025A Cosmos 2350 10.30 1.00 0.85 7.15 - 14, 15
56 98033A Zhongwei 1 10.10 0.35 0.35 25.78 - -
55 98049A Singapore 1 10.50 0.88 0.60 2.29 30.95 -
99 98052A PAS 7 9.00 0.60 0.65 - - -
13 - Unknown 4 7.20 0.90 0.60 - - -
36 - Unknown 6 10.70 0.75 0.65 10.00 40.00 16
94 - Unknown 7 8.95 0.75 0.45 - - -
54 - Unknown 8 10.65 0.74 0.25 - - -
63 - Unknown 9 8.60 0.70 0.55 - - -
92 - Unknown 11 10.20 0.85 0.45 10.02 40.16 17
400 - Unknown 12 10.10 0.80 0.70 9.98 40.04 18, 19
110 - Unknown 14 11.50 1.10 1.25 - - -
239 - Unknown 19 10.70 0.80 0.70 56.42 - 20, 21
240 - Unknown 20 9.70 0.40 0.70 36.96 - 24
294 - Unknown 32 10.25 0.75 0.90 97.36 - -
315 - Unknown 36 12.80 1.15 1.20 60.81 - -