Исследование возможностей АЗТ-8
по наблюдению высокоэллиптических спутников
для участия в контуре наземного обеспечения
программы "РадиоАстрон"
А. Богдановский, В. Рыхальский ( e-mail), С. Золотов,
В. Лопаченко ( e-mail), А. Брюховецкий
Национальный центр управления и испытания космических средств.
УДК 629.7.066.1
Бюллетень Украинского центра
определения параметров вращения Земли №3.
Киев ГАО НАН Украины, 2008г.
Вступление
В середине 2009 года Российской Федерацией в рамках проекта "Спектр-Р" планируется запуск космического аппарата "РадиоАстрон". Согласно этого проекта в качестве наземного сегмента космического радиоинтерферометра планируется использование радиотелескопа РТ-70.
Планируемая орбита КА "РадиоАстрон" имеет высоту апогея 350 тыс. км и будет находиться под значительным влиянием возмущений, вызванных Луной. При этом ошибки в определении орбиты аппарата будет существенно влиять на результаты исследований. Таким образом, для определения параметров орбиты КА необходимо их постоянное отслеживание наземными средствами контроля. Следует особо подчеркнуть, что в случае возникновения внештатных ситуаций, наземные оптические средства могут стать единственным инструментами по определению орбиты КО. Телескоп АЗТ-8 обладает проницающей способностью до 19m и способен наблюдать слабые объекты на высоко эллиптических орбитах, а это создает предпосылки для его участия в контуре контроля орбитальных параметров КА "РадиоАстрон".
Для реализации возможностей АЗТ-8, специалистами Николаевской астрономической обсерватории было предложено провести серию факультативных наблюдений космических объектов на орбитах схожих с параметрами орбиты КА "РадиоАстрон". Основной целью исследований является практическое подтверждение возможности наблюдения высокоэллиптических космических объектов с помощью оптического телескопа АЗТ-8, а так же возможность использования полученных измерений для уточнения начальных условий. Материалы исследования могут быть использованы для формирования предложений по координатной поддержке проекта "Спектр-Р".
1. Общая характеристика телескопа АЗТ-8
Евпаторийский телескоп АЗТ-8 входит в состав Системы контроля и анализа космической обстановки (СКАКО) и предназначен для наблюдения за космическими объектами, которые находятся на геостационарной и высокоэллиптических орбитах, а так же для проведения научных и прикладных исследований. Телескоп характеризуется диаметром главного зеркала 0.7 м и фокусным расстоянием 2.8 м.
Рис.1.1 Внешний вид телескопа АЗТ-8.
Рис.1.2 Фрагмент кадра с КО 13901 (ASTRON)
В январе 2008г. на телескоп была установлена ПЗС камера "FLI PL09000". Для привязки измерений к шкале времени используется GPS приемник "Trimble Resolution-T". Характеристики АЗТ-8 с данной камерой представлены в таблице 1.1.
Таблица 1.1. Основные параметры АЗТ-8
| N | Характеристика | Значение |
|---|
| 1 | Размер поля зрения | 44.6 х 44.6 |
| 2 | Масштаб пикселя (по координате t и h) | 0.884 |
| 3 | Предельная звездная величина в режиме отработки часового ведения и временем экспозиции 10 секунд | 17.9m |
| 4 | Точность измерения угловых координат (О-С, определена при наблюдении эталонных звезд) | 0.2"-1.1" |
2. Объекты наблюдений
Для оценки возможности наблюдения космических объектов на высоко эллиптических орбитах специалистами НАО были отобраны следующие КО (нумерация NORAD): 10370, 13901, 25867, 26464, 27540 см. таблицу 2.1.
Таблица 2.1. Орбитальные параметры ВЭО
№ КО
(NORAD) | Название КО | Наклонение
[гр.] | Эксцентриситет | Высота апогея
[km] | Высота перигея
[km] |
|---|
| 10370 | PROGNOZ 6 | 56.0 | 0.70 | 173313 | 24935 |
| 13901 | ASTRON | 51.3 | 0.82 | 191887 | 12305 |
| 25867 | CXO (Chandra) | 63.6 | 0.67 | 129232 | 19595 |
| 26464 | CLUSTER II-FM8 | 99.2 | 0.77 | 127340 | 10420 |
| 27540 | INTEGRAL | 86.9 | 0.80 | 152019 | 10671 |
 |  |  |
| Рис.2.1 ASTRON | Рис.2.2 PROGNOZ 9 | Рис.2.3 Chandra |
 |  |
| Рис.2.4 CLUSTER II-FM8 | Рис.2.5 INTEGRAL |
3. Результат наблюдений КО
По вышеперечисленным объектам были проведены следующие серии наблюдений:
- 26.05.2008, КО № 25867;
- 29.05.2008, КО №№ 10370, 13901, 25867;
- 06.06.2008, КО №№ 10370, 13901, 25867, 26464, 27540.
Условия наблюдения объектов представлены в таблице 3.1.
Таблица 3.1 Условия наблюдения ВЭО
| Название КО | Время наблюдений
[UTC] | Фазовый угол
[deg] | Дальность до КО
[km] | Число полученных кадров с КО | Оценка яркости
[m] |
|---|
| CXO (Chandra) | 26.05.2008
20:04 - 20:11 | 91 | 129137 | 10 | 14.6 - 15.2 |
| PROGNOZ 6 | 29.05.2008
19:43 - 20:57 | 83-82 | 160709 - 162994 | 13 | 13.0-19.0 |
| ASTRON | 29.05.2008
21:02 - 21:06 | 17 | 146203 | 4 | 13.9-14.3 |
| CXO (Chandra) | 29.05.2008
20:34 - 20:51 | 79 | 117458 | 13 | 14.8-15.0 |
| PROGNOZ 6 | 06.06.2008
19:04 - 20:27 | 86 | 163801 | 12 | 14-18 |
| ASTRON | 06.06.2008
18:43 - 22:22 | 30 - 29 | 167459 - 158220 | 24 | 11-14.5 |
| CXO (Chandra) | 06.06.2008
18:56 - 21:23 | 82-78 | 117390 - 111505 | 12 | 9.2-16.1 |
| CLUSTER II-FM8 | 07.06.2008
00:04 - 00:23 | 107 | 73722 | 11 | 13.7-14.3 |
| INTEGRAL | 07.06.2008
19:20 - 22:13 | 84 - 70 | 59818 - 37206 | 11 | 13.6-17.1 |
Первичная обработка полученных кадров проводилась программным комплексом "Apex" (автор: В.Куприянов, Пулковская обсерватория). В результате обработки получены угловые координаты и видимая звездная величина. В качестве примера на рис. 3.1-3.11 представлены изменения звездной величины четырех КО, зарегистрированные 6 июня 2008г. Плотность заполнения графика определяется интервалом накопления и периодом следования кадров, при необходимости плотность данных может быть увеличена до периода 30с (для КО на ВЭО), а интервал измерений растянут на всю наблюдаемую дугу.
 |  |
| Рис.3.1 ASTRON (№13901) | Рис.3.2 Chandra (№25867) |
 |  |
| Рис.3.3 CLUSTER II-FM8 (№26464) | Рис.3.4 INTEGRAL (№27540) |
Кроме вышеперечисленных КО, в 2008 году высокоэллиптические объекты так же наблюдались при обзоре геостационарной орбиты (ГСО) в рамках международный работ AI23.4 Межагентского комитета по космическому мусору (Inter-Agency Space Debris Coordination Committee). В частности были обнаружены ВЭО объекты:
- 2 мая: №№ 26471,17134,21941;
- 5 мая: № 29350;
- 6 мая: № 18571;
- 7 мая №№ 23177, 09892;
- 30 мая: №№ 23177, 09892, 27404, 24751, 04632, 22850;
- 31 мая: № 28900;
- 2 июня №№ 26780, 28913, 23734;
- 3 июня №№ 27510, 28914,27593.
Таким образом, проведенные наблюдения доказывают, что телескоп АЗТ-8 способен наблюдать слабые космические объекты на высокоэллиптических орбитах и получать по ним измерительную информацию.
4. Результат обработки измерений АЗТ-8 специалистами НИПЦ ХАРКОС
Полученные измерения были направлены для дальнейшего анализа в Научно исследовательский- производственный центр "Харкос" (НИПЦ Харкос, г.Харьков), который является разработчиком программного комплекса баллистического обеспечения СКАКО. Обработка данных проводилась с помощью программного комплекса "Библиотека космических программ" (БКП), разработанной в НИПЦ ХАРКОС.
Методика проведенного анализа заключалась в получении уточненных начальных условий движения высокоэллиптичного объекта путем решения краевой задачи по методу наименьших квадратов при заданных начальных условиях, в качестве которых использовались данные NORAD, и проведенных относительных оптических измерений в системе координат J2000. Результат оценки результирующих невязок (отклонения полученных измерений от УНУ) представлен на рис.4.1-4.5.
Рис. 4.1 Объект 10370, невязки по координатам α и δ
Рис.4.2 Объект 13901, невязки по координатам α и δ
Рис. 4.3 Объект 25867, невязки по координатам α и δ
Рис. 4.4 Объект 26464, невязки по координатам α и δ
Рис. 4.5 Объект 27540, невязки по координатам α и δ
Как видно из графиков, результирующие невязки находятся в пределах от 10 угловых секунд до 3 угловых минут. Причиной этого может быть:
- Неточности в определении центра трека изображения наблюдаемого объекта и привязки его к шкале времени.
- Несоответствие между расчетным и фактическим положением КО в пространстве которое обусловлено невозможностью проведения прецизионного расчета по причине отсутствия данных о динамике баллистического коэффициента и ограниченности модели расчета.
При этом отличие УНУ от НУ оказывается незначительным (секунда по времени, тысячные доли градуса по угловым параметрам и десятки секунд по периоду), что свидетельствует о хорошем согласовании полученных измерений и НУ NORAD.
На основании наблюдений и полученных на их основании базовых УНУ был проведен сравнительный анализ точности открыто распространяемых Американским космическим командованием НУ в виде двустрочных элементов (NORAD, TLE). Невязки "контрольных" прогнозов сведены в таблицу 4.1. В этой таблице приведены 7 столбцов в соответствии с номерами вариантов "контрольных" прогнозов.
Таблица 4.1 Невязки прогнозов для КО 25867
| № варианта | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| Прогноз | NORAD-NORAD | УНУ-NORAD | NORAD-NORAD | УНУ-NORAD | NORAD-NORAD | УНУ-NORAD | УНУ-УНУ |
| Интервал расчета УНУ | | 13 суток | | 2 суток | | 5 суток | - |
| | NORAD-1 | UNU | NORAD-1 | UNU | NORAD-1 | UNU | UNU |
| Data | 25.05.2008 | 25.05.2008 | 05.06.2008 | 05.06.2008 | 25.05.2008 | 25.05.2008 | 25.05.2008 |
| Time | 13:00:00.0 | 12:59:59.9 | 01:59:59.9 | 01:59:59.9 | 13:00:0.0 | 13:00:0.0 | 13:00:0.0 |
| | NORAD-2 | NORAD-2 | NORAD-2 | NORAD-2 | NORAD-2 | NORAD-2 | UNU |
| Data | 07.06.2008 | 07.06.2008 | 07.06.2008 | 07.06.2008 | 30.05.2008 | 30.05.2008 | 05.06.2008 |
| Time | 18:00:00.0 | 18:00:00.0 | 18:00:00.0 | 18:00:00.0 | 19:00:0.0 | 19:00:0.0 | 01:59:59.9 |
| Xosk m | 939025.79 | -43017.46 | 54602.89 | 126870.43 | 774102.46 | 698753.74 | -3919.68 |
| Yosk m | 18890.21 | -32431.95 | 41491.19 | -48285.84 | 92919.10 | -1742.40 | 33613.49 |
| Zosk m | -711.89 | 2471.63 | 7858.83 | 4563.57 | -16791.93 | -2490.44 | 1558.40 |
| VXosk m/s | 18.31230 | 2.77298 | -3.45688 | 7.71296 | 15.97169 | 21.97821 | -3.79728 |
| VYosk m/s | -102.06298 | 4.33983 | -7.85198 | -13.54588 | -70.19386 | -62.03523 | 0.49436 |
| VZosk m/s | 0.33927 | -4.54539 | -6.37812 | -4.95328 | 6.97688 | 2.46932 | -0.45553 |
В таблице приняты следующие условные обозначения:
- NORAD-1 - дата и время исходных НУ NORAD,
- NORAD-2 - дата и время "контрольных" НУ NORAD,
- UNU - дата и время УНУ,
- Xosk, Yosk, Zosk - невязки координат прогноза и "контрольного" вектора в ОСК (метры),
- VXosk, VYosk, Vzosk - невязки скоростей прогноза и "контрольного" вектора в ОСК (метры в секунду).
Как видно из таблицы 4.1, на 13-суточном интервале (столбцы 1 и 2) прогноз NORAD-NORAD дает невязки координат в ОСК, превышающие 900 км, в то время как прогноз УНУ-NORAD дает невязку в ОСК до 43 км, что позволяет говорить о значительном уточнении прогноза при использовании УНУ.
На 2-х суточном интервале прогноза (столбцы 3 и 4) сравнение невязок ОСК обратное (в пользу прогноза "NORAD-NORAD"). Несмотря на то, что невязки прогноза и измерений находится на уровне 5 угловых секунд, на расстоянии наблюдения более 110000 км это составляет невязку всего лишь около 2 км.
Аналогично, на 5-х суточном интервале прогноза (столбцы 5 и 6) прогноз NORAD-NORAD дает невязки координат в ОСК, превышающие 770 км, а прогноз УНУ-NORAD дает невязку в ОСК - около 700 км. Невязки прогноза и измерений находится на уровне 2 угловых секунд, что на расстоянии наблюдения более 110000 км составляет невязку всего лишь около 1 км.
"Решающим экспериментом" был прогноз УНУ от 25.05.2008 на УНУ от 05.06.2008 (столбец 7). На 11-суточном интервале прогноза невязки в ОСК составляют 33 км, т.е. полученные УНУ являются "самосогласованными", вне зависимости от данных NORAD.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что как на коротких интервалах прогноза, соизмеримых с временем 1 витка высокоорбитального КА, так и на более длинных интервалах времени лучшая сходимость с наблюдениями получается при использовании УНУ. Данные NORAD менее точны и могут быть использованы при первичном обнаружении объекта.
С точки зрения прогноза движения КА "Радио-Астрон" наиболее важный участок движения - именно апогей, и, соответственно, для получения надежных НУ следует проводить измерения на восходящей ветви, желательно после прохождения перигея и непосредственно перед апогеем, что для орбит с высоким апогеем доступно только оптическим средствам наблюдения.
Вывод
В Украине имеются все необходимые средства для получения УНУ по КА "РадиоАстрон", а именно, средства получения измерений и программы обработки данных.
Обработка измерений, полученных с помощью АЗТ-8, показала, что их использование на 2…3 порядка повышает точность прогноза по сравнению с использованием данных NORAD. При этом на 11-суточном интервале прогноза УНУ ошибка положения КА (т.е. ошибка базиса наблюдений "РадиоАстрон") может достигать 33 км (при высоте апогея 191887 км), что для высокоэллиптического класса объектов и однопунктной системы измерений является очень хорошим результатом.
Полученные в данной работе результаты могут быть использованы для формирования предложений к ФГУП НПО им. Лавочкина относительно включения в контур координатной поддержки проекта "Спектр-Р" Украинского телескопа АЗТ-8.
29 октября 2008
Материалы статьи публикуются с согласия авторов
|
