Отождествление геостационарных спутников по орбитальным параметрам, полученным из позиционных измерений

СОДЕРЖАНИЕ
Введение 2
Глава 1. Геостационарные спутники (ГСС) 9
§ 1.1. Геостационарная орбита и ее население 9
§ 1.2. Особенности орбитальной эволюции ГСС 13
§1.3. Классификация ГСС и каталоги орбитальных данных 18
Глава 2. Методы обработки и идентификации измерений ГСС 23
§2.1. Обработка измерений 24
§ 2.2. Идентификация измерений управляемых ГСС 35
§ 2.3. Идентификация измерений неуправляемых ГСС 43
Глава 3. Базы данных измерений и орбитальных данных ГСС 53
§3.1. Банк данных позиционных измерений 53
§ 3.2. Банк данных орбитальных элементов 58
Глава 4. Исследования области движения ГСС и фрагментов космического мусора 61
Заключение 72
Литература 73
Приложение 80
1
Научная новизна работы:
1. Разработана методика и создан комплекс программ для обработки и отождествления позиционных измерений геостационарных спутников (ГСС).
2. Впервые получены ряды измерений неуправляемых ГСС на длительных интервалах времени, которые были использованы для исследования особенностей эволюции орбит.
3. Проведены исследования области движения каталогизированных геостационарных объектов и модельных фрагментов космического мусора в различные эпохи.
Практическая ценность работы:
1. Сформирован банк данных измерений и орбитальных параметров.
2. Данные измерений были использованы при создании каталогов улучшенных орбит геостационарных спутников.
3. Разработанное программное обеспечение успешно применяется в ГАО РАН в исследованиях по проблеме мониторинга геостационарной области и космического мусора, которые ведутся в сотрудничестве с отечественными и зарубежными научными учреждениями.
4. Результаты, полученные в ходе выполнения работы, переданы заинтересованным организациям и использовались в Институте Астрономии РАН, Гиссарской АО Тадж АН, ГАО НАНУ, ЦКБ АООТ «Красногорский Завод», НИИ ПМ, ЦПИИМАШ для решения научных и прикладных задач.
На защиту выносятся:
1. Методика обработки позиционных измерений ГСС.
2. Методики идентификации наблюдений для различных типов ГСС.
3. Базы данных измерений и орбитальных параметров ГСС.
4. Результаты исследований области движения геостационарных спутников и модельных фрагментов космического мусора.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международных научных конференциях:
The First European Conference on Space Debris, Darmstadt, Germany, 5-7 April 1993,
Journées 1995. “Earth Rotation, Reference Systems in Geodynamics and Solar System”, Warsaw, Poland, 1995,
3
The First Internationa] Workshop on Space Debris, Moscow, Russia, October 1995,
The Fourth US/Russian Space Surveillance Workshop, USNO, Washington, October 23-27, 2000,
The Third European Conference on Space Debris, ESOC, Darmstadt, Germany, 19-21 March 2001;
на научных конференциях:
‘‘Современные методы физической геодезии, спутниковой геодинамики и астронавигации”, Санкт-Петербург, 3-6 марта 1992,
“Организация программ наблюдений высокоорбитальных спутников Земли и небесных тел Солнечной системы”, Санкт-Петербург, 21-26 сентября 1992,
“Компьютерные методы небесной механики”, Санкт-Петербург, 24-26 ноября 1992,
“Современные проблемы теоретической астрономии”, Санкт-Петербург, 20-24 июня 1994,
“Наблюдения естественных и искусственных тел Солнечной системы”, Санкт-Петербург, 26-28 ноября 1996,
“Компьютерные методы небесной механики-97”, Санкт-Петербург, 18-20 ноября 1997,
“Новые теоретические результаты и практические задачи небесной механики”, Москва, 2-4 декабря 1997,
“Околоземная астрономия и проблемы изучения малых тел Солнечной системы”, Обнинск, 25-29 октября 1999,
“Околоземная астрономия”, Звенигород, 21-25 мая 2001;
на астрометрических семинарах ГАО РАН (1999, 2001).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в следующих печатных работах:
1. Григорьев К.В., Гулямов М.И., Сочилииа А.С. О методике отождествления неуправляемых геостационарных спутников. Наблюдения ИНТ, 1990.
2. Вершков А.Н.., Григорьев К.В., Жидких С.А. ЛАПЛАС - комплекс программ для станций наблюдения геостационарных спутников. Тезисы международного совещания “Современные методы физической геодезии,
4
спутниковой геодинамики и астронавигации” (Санкт-Петербург. 3-6 марта 1992), с.22.
3. Григорьев К.В., Сочилина А.С. О каталоге объектов геостационарной области. Сборник трудов международного совещания "Техногенное засорение космического пространства: состояние и перспективы", Москва, 1992.
4. Григорьев К.В. Пространственное положение и динамика изменения геостационарной области. Тезисы Комплексной конференции с международным участием “Организация программ наблюдений высокоорбитальных спутников Земли и небесных тел Солнечной системы” (Санкт-Петербург, 21-26 сентября 1992), с.27.
5. Вершков А.Н., Григорьев К.В. Некоторые добавления к программному комплексу ЛАПЛАС. Тезисы Комплексной конференции с международным участием “Организация программ наблюдений высокоорбитальных спутников Земли и небесных тел Солнечной системы” (Санкт-Петербург, 21-26 сентября 1992), с.44.
6. Вершков А.Н., Григорьев К.В. Электронный каталог элементов орбит геостационарных спутников. Тезисы Всероссийского совещания “Компьютерные методы небесной механики” (Санкт-Петербург, 24-26 ноября J 992), с.61.
7. Grigoriev K.V., Sochilina A.S., Vershkov A.N. On catalogue of geostationary satellites. Proceedings of the first European Conference on Space Debris. Darmstadt, Germany, 5-7 April 1993, pp. 665-670.
8. Григорьев К.В. Эфемеридное обеспечение наблюдений и идентификация геостационарных объектов. Тезисы докладов международной конференции “Современные проблемы теоретической астрономии”, Санкт-Петербург, 20-24 июня 1994, т.1, с.60.
9. Sochilina A.S., Kiladze R.I., Grigoriev K.V., Vershkov A.N. Geostationary satellites and their use in geodynamics. Joumees 1995. “Earth Rotation, Reference Systems in Geodynamics and Solar System”, Warsaw, Poland, 1995.
10. Grigoriev K.V., Guljamov M.I., Bakhtigaraev N.S. On the Collection of the Photographic Observations of Geostationary Objects. 1st International Workshop on Space Debris, Space Forum, October 1995, Moscow, Russia, Vol. 1, 1996, pp. 57-62.
11. Sochilina A.S., Kiladze R.I., Grigoriev K.V., Vershkov A.N. On improved geostationary catalog. Adv. Space Res., Vol. 19, No. 2, pp. 321-329, 1997.
12. Сочилина A.C., Киладзе Р.И., Григорьев К.В., Вершков А.Н. Каталог орбит геостационарных спутников. Санкт-Петербург, 1996. - 104 с.
5
13. Григорьев К.В. Неизвестные геостационарные спутники. Тезисы Всероссийской конференции с международным участием “Наблюдения естественных и искусственных тел Солнечной системы”, Санкт-Петербург, 26-28 ноября 1996, стр. 51-52.
14. Григорьев К.В. Эволюция орбит неуправляемых геостационарных спутников и столкновения с космическим мусором. Тезисы докладов научной конференции “Новые теоретические результаты и практические задачи небесной механики”, Москва, 2-4 декабря 1997 г. - М.: Изд-во ГАИШ МГУ, 1997, с. 37.
15. Вершков А.Н., Григорьев К.В., Киладзе Р.И., Сочилина А.С. Модель засорения окрестности геостационарной орбиты фрагментами взорвавшихся спутников. “Космонавтика и ракетостроение”, выи.18, ЦНИИМаш, 2000, стр.50-62.
16. Grigoriev K.V., Hoots F.R. On Improvement of Orbits of Geostationary Satellites from Observations Over a Time Interval of 150-200 Days. Proceedings of the Fourth US/Russian Space Surveillance Workshop. October 23-27, 2000, USNO, Washington DC.
17. Sochilina A.S., Grigoriev K.V., Vershkov A.N., Kiladze R.I., Hoots F., France R. On statistics of changes in rates of drift among uncontrolled geostationary objects. Proceedings of the Third European Conference on Space Debris. ESOC, Darmstadt, Germany, 19-21 March 2001, pp. 367-372.
18. Vershkov A.N., Grigoriev K.V., Kiladze R.I., Sochilina A.S. A model of distribution of geostationary satellite fragments after explosion. Proceedings of the Third European Conference on Space Debris. ESOC, Darmstadt, Germany, 19-21 March 2001, pp. 407-410
19. Григорьев К.В. Методика идентификации наблюдений неуправляемых геостационарных спутников. Тезисы докладов конференции “Околоземная астрономия”, Звенигород, 21-25 мая 2001, с. 24.
20. Григорьев К.В. О динамике фрагментов взорвавшихся геостационарных спутников. Тезисы докладов Межрегиональной конференции “Экология космоса”, Петродворец, СПбГУ, 10-14 июня 2002, стр. 28-29.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 73 наименований и одного приложения, содержит 110 страниц текста, 39 иллюстраций и 13 таблиц.
6
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, определяются ее цели, раскрывается новизна и практическая ценность полученных результатов. Перечислены основные положения, выносимые на защиту. Приводится краткая характеристика диссертации и список статей, в которых опубликованы ес основные результаты.
В первой главе кратко описывается объект исследований -геостационарная орбита и особенности долгопериодической орбитальной эволюции геостационарных спутников. Описана система координат, связанная с плоскостью Лапласа [Сочилина A.C., 1985) и приведены примеры эволюции орбит спутников различных типов.
Приводится классификация геостационарных спутников. Отмечено, что разделение ГСС по степени влияния резонансных возмущений от геопотенциала необходимо при выборе алгоритма вычисления эволюции орбит.
Дана характеристика существующих каталогов орбитальных элементов и приводится обзор основных работ, посвяидейных идентификации измерений и каталогизации юостационарных спутников.
Во второй главе дается описание методики обработки и идентификации измерений. Кратко описаны методы вычисления первоначальных орбит и улучшения параметров орбит на различных интервалах времени. Разработана и исследована процедура представления долготы степенным рядом, для коэффициентов которого получены аналитические выражения. Приводятся примеры оценки точности полученных элементов и представления данных наблюдений.
Приведены методики идентификации наблюдений для ГСС различных типов и примеры для некоторых спутников. Полученные результаты свидетельствуют о надежности идентификации измерений по вычисленным орбитальным параметрам и возможности использования теории движения Киладзе-Сочилиной для поиска временно несопровождаемых объектов на интервалах времени в десятки ле г.
В третьей главе содержится описание банков данных позиционных измерений ГСС и орбитальных параметров. Систематизированы архивные данные измерений одиннадцати наблюдательных пунктов. Отмечено, что данные были опубликованы или получены непосредственно от обсерваторий при проведении совместных работ. В настоящее время база данных содержит 30346 положений. Сформированы ряды измерений для избранных резонансных объектов. Дано краткое описание структуры базы данных.
7
Приводится общая информация о базе орбитальных данных ГСС: 932 объекта имеют международное обозначение, для 832 объектов имеются орбитальные данные, для 382 объектов - ряды измерений.
Проводится сравнение с данными Европейского центра контроля космического пространства [C.Hemandez, R.Jehn, 2002]. Приводятся списки геостационарных спутников, для которых в базе данных имеются «старые» данные, и объектов только с регистрационным номером запуска. Дается описание основных форматов данных, используемых для прогноза движения.
В четвертой главе приводятся примеры применения разработанных алгоритмов и банков данных для исследования области движения геостационарных объектов и планирования программ наземных и космических наблюдений. Приводится сравнение области движения каталогизированных геостационарных объектов и модельных фрагментов взрывов на геостационарной орбите. Построена модель пространственной плотности объектов и анализируется область движения фрагментов известного взрыва [Pensa A.F., et al., 1996]. Для исследования возможности идентификации измерений космического мусора приводится сравнение результатов моделирования области распределения орбитальных параметров с данными наблюдений [Schildknecht Т., ct al., 2001].
В заключении сформулированы основные итоги работы.
В приложении содержатся списки каталогизированных геостационарных объектов.
8
Глава 1. Геостационарные спутники.
§1.1 Геостационарная орбита и ее население.
Геостационарная орбита является уникальной областью околоземного космического пространства. Благодаря точной соизмеримости движения геостационарного спутника (ГСС) по орбите с суточным вращением Земли, появляется возможность с минимальными энергетическими затратами удерживать спутник в экваториальной плоскости на высоте 36 тыс. км над заданной географической долготой и обеспечивать непрерывную связь с наземными станциями. Идея использования геостационарной орбиты появилась задолго до ее практической реализации [6]. Официальной точкой отсчета счи тается первый успешный запуск спутника Syncom I в 1963 году, положивший начало стремительному росту числа телекоммуникационных, метеорологических, геодезических спутников. О важности геостационарной орбиты свидетельствует увеличение доли геостационарных спутников в общем числе ежегодных запусков искусственных спутников Земли (рисунок 1.1, использованы данные NASA). По нашим данным на начало 2002 года вблизи геостационарной орбиты находилось 932 объекта, имеющих соответствующие международные номера (COSPAR numbers). На рисунке
1.2 показан рост числа геостационарных объектов по годам.
Геостационарные спутники, орбиты которых периодически корректируются для компенсации возмущений и «удержания» спутника в определенном диапазоне долгот, называются управляемыми.
В большинстве случаев запускаемые геостационарные спутники выводятся в близэкваториальную плоскость на почти круговые орбиты. Распределение числа геостационарных спутников по большой полуоси, эксцентриситету и наклонению приведено на рисунках 1.3-1.5.
9