Введение к работе
В 1957 году, после запуска первого искусственного спутника Земли появился новый класс небесных объектов - искусственные небесные тела (ИНТ), которые, как и естественные небесные тела, изучаются астрономическими методами.
Пока искусственных спутников Земли было запущено небольшое количество траекторные наблюдения позволяли осуществлять контроль за поведением ИНТ исключительно на основе координатной информации. При увеличении количества объектов, запущенных на близкие орбиты, за время между двумя последующими позиционными наблюдениями ИНТ может изменить свою орбиту под действием возмущающих сил настолько, что возникает необходимость в привлечении дополнительной информации для отождествления (опознавания) наблюдаемых объектов.
Большинство ИНТ имеет малые узловые размеры и сравнительно невысокую яркость, поэтому естественно применять для их исследования методы наблюдательной астрономии, накопившей огромный опыт дистанционного исследования космических объектов различной природы. Особенность видимого движения ИНТ, заключающаяся в наличии широкого интервала угловых скоростей, в движении по достаточно сложным траекториям и в возможности проведения маневров в космосе, требует соответствующей модификации методов наблюдательной астрономии, применяемых для решения специфических задач спутниковой астрономии. Кроме того , ИНТ имеют форму, подчас настолько отличную от естественных небесных тел, что их яркость меняется во времени существенно нерегулярно.
.~>.
Настоящая диссертация посвящена исследованию фотометрическими методами искусственных спутников Земли, определению их формы, ориентации и отражательных свойств их поверхности. Также исследована эволюция орбит высокоорбитальных ИНТ на интервале 500 лет под воздействием светового давления, определяемого из фотометрических свойств объектов.
Актуальность темы. Фотометрические наблюдения дают возможность по характеру изменений блеска спутника определить те факторы, которые эти изменения вызвали. Нами выделены следующие основные задачи, решаемые с помощью фотометрических наблюдений:
-
Отождествление спутников.
-
Определение ориентации оси вращения спутника и угловой скорости его вращения вокруг центра масс.
-
Изучение формы отражающей поверхности спутника.
-
Изучение отражательных свойств поверхности спутника и их изменений с течением времени.
-
Определение некоторых геофизических п раметров.
6. Построение модели давления светового излучения на спутник.
Решение перечисленных задач необходимо при организации служб
контроля околоземного космического пространства для прикладных и научных целей. Начало создания таких служб было связано с вопросами обороны, сейчас приобретает все большее значение международно-правовой режим использования космического пространства. Кроме того, решение задач, перечисленных в п.п.2-4 используются для контроля функционирования космических аппаратов в дополнение к телеметрической информации (или при ее отсутствии).
В настоящее время, а связи с накоплением огромного количества
прекративших функционировать спутников, фрагментов и обломков разрушившихся спутников и верхних ступеней ракет-носителей, пояк-ляется интерес и реальная потребность исследовать рукотворный "мусор" в околоземном космическом пространстве. Фотометрические наблюдения дают при этом весьма существенные результаты.
Точный учет светового давления стал необходимым при более точном вычислении орбит геодезических спутников, а также орбит спутников, используемых как "астрометрические" реперы при определении параметров вращения Земли и решении других задач астрометрии. Исследование долговременного влияния светового давления позволяет понять эволюцию рукотворного облака объектов на околоземных орбитах как для целей фундаментального изучения экологии околоземного космического пространства, так и для обеспечения безопасности космических полетов от столкновения с искусственными объектами и их фрагментами.
Цели работы;
дать описание наблюдаемых фотометрических и спектральных характеристик ИНТ;
провести исследование возможности применения астрофизических методов анализа информации об ИНТ;
разработать наиболее адекватные для ИНТ методы и средства астрофизических наблюдений наземными оптическими средствами;
сформулировать и решить обратную фотометрическую задачу определения формы, свойств поверхности и ориентации ИНТ по их фотометрическим и спектральным наблюдениям;
провести исследование возможности определения вектора силы светового давления солнечной радиации на ИНТ по наземным
фотометрическим наблюдениям;
- исследовать эволюцию объектов на высоких околоземных орбитах, изменяющихся под возмущающим действием светового давления на длительных интервалах времени.
Новизна и научная ценность работы состоит в следующем:
1. Впервые разработана теория, позволяющая описать
фотометрические и других некоординатные характеристики ПИТ
полем рассеяния света его поверхностью и выявления структурных
детален поля рассеяния.
2. Разработана и внедрена методика получения некоординатноіі
информации по наземным оптическим наблюдениям ИНТ.
-
Разработаны требования к светоприемной аппаратуре для наиболее эффективного получения некоординатной информации об ИНТ. Изготовлены и внедрены специализированные фотометр, спектрограф и телевизионная установка для наблюдений геостационарных спутников.
-
Проведены фотометрические и спектралі. ые наблюдения ряда геостационарных спутников.
-
Модернизирована постановка обратной фотометрической задачи определения формы, отражательных свойств поверхности и ориентации объектов в применении к геостационарным спутникам.
-
Впервые разработан и внедрен метод определения формы объекта, его ориентации и отражательных свойств его поверхности по фотометрическим и спектральным наблюдениям при отсутствии априорной информации об объекте. Получена оценка формы, ориентации и отражательных свойств поверхности ряда избранных геосинхронных спутников типа Интелсат 4, Интелсат 5, Интелсат 6 и Транстейдж.
-5.-
7. Предложен новый метод определения давления рассеянной поверхностью ИНТ солнечной радиации по фотометрическим наблюдениям. Впервые по наблюдаемым фотометрическим параметрам построена теория эволюции орбит высокоорбитальных ИНТ под воздействием солнечной радиации на интервале времени 500 лет.
Практическая ценность работы состоит в следующем;
-
Разработана и внедрена методика проведения фотометрических и спектральных наблюдений ИНТ с целью определения их формы, отражательных свойств поверхности и ориентации.
-
Созданы специальные приборы для проведения фотометрических и спектральных наблюдений ИНТ, защищенные патентами.
-
Определена форма, отражательные свойства поверхности и ориентация 9 геостационарных спутников по проведенным при участии автора фотометрическим наблюдениям.
-
Создзна теория учета светового давления на эволюцию орбш высокоорбитальных ИНТ с параметрами, определяемыми из фотометрических наблюдении объектов.
На защиту выносится:
!. Методика описания фотометрических и других некоординатных характеристик ИНТ полем рассеяния света его поверхностью и выявления структурных деталей этого поля.
-
Способ получения некоордннатной информации по наземным оптическим наблюдениям ИНТ, требования, предъявляемые к светоприемной аппаратуре и проведению наблюдений.
-
Метод определения формы объекта, его ориентации и отражательных свойств его поверхности по результатам фотометрических и спектральных наблюдений.
4. Теория длительной по времени эволюции орбит высокоорбитальных ИНТ, под действием давления солнечной радиации, основанная на параметрах, определяемым из фотометрических наблюдений, а также метод получения этих параметров.
Аппробаиня работы.
Основные результаты диссертации докладывались на:
Международном сипознуме SPIE Оптическая техника и светопрн-емники для аэрокосмических исследований (1993, Орландо, США), международных семинарах по проблеме экологии космического пространства в Москве (1992 ИКИ РАН, 1993 ЦНИИМАШ), рабочей группе программы COGEOS Европейского космического агенства (1990. Грасс, Франция), на Всесоюзных совещаниях по проблемам наблюдений высокоорбитальных спутников Земли для решения научных и прикладных задач в Алма-Ате (1986), Иркутске (1987), Суздале (1988), Ашхабаде (1989), Ужгороде (1990), Екатеринбурге (1991). Зеленчуке (1993), Звенигороде (1994). Результаты исследований обсуждались на научном семинаре по наблюдениям искусственных спутников Земли в ИНАСАН (1981-1994), на научных семинарах Института астрофизики АН Таджикистана (1986-1990), Крымской астрофизической обсерватории (1992-1994). >
По теме диссертации опубликовано 27 научных статей и сделано 3 изобретения.
Структура и объем диссертации.