Наземные пункты оптических наблюдений ГСС

Общеизвестно, что настоящее время космическая отрасль является одной из самых развивающихся и перспективных. В активной эксплуатации космического пространства в той или иной мере участвуют сейчас все государства, в том числе и Республика Казахстан.

Согласно государственной программе по форсированному индустриально-инновационному развитию на 2010-2014 годы формирование космической отрасли РК напрямую связано с решением ряда неотложных задач. Наиболее важными из них являются: развитие наземной инфраструктуры, совершенствование научной и научно-технологической базы, получение информации о состоянии околоземного космического пространства над территорией РК, участие в международных проектах, связанных с засоренностью ближнего космоса.

Активная эксплуатация околоземного космического пространства принципиально изменила жизнь современного общества – это неоспоримый факт. ИСЗ обеспечивают работу средств связи, навигационных, метеорологических, экологических служб, систем оборонного и технологического назначения, сбор научной информации и много другого. Но есть и оборотная сторона этих достижений – космический мусор и связанные с ним экологические проблемы, имеющие долговременные и неотвратимые последствия. Согласно данным, представленным T.S. Kelso в Satellite Catalog, по состоянию на 16.02.2014 количество объектов, зарегистрированных на околоземных орбитах наземными пунктами наблюдений, составляет 39 531. Из них активны, т.е. находятся в рабочем состоянии, только 1 292 аппарата, все остальное – космический мусор (КМ). Общее число не отслеживаемых объектов, относящихся к этой категории «населения» околоземных орбит, точному учету не поддается, имеются лишь приблизительные оценки, основанные на теоретических расчетах.

Естественно, что проблемами, связанными с состоянием ближнего космоса, занимаются как международные организации, так и национальные исследовательские институты и космические агентства. Генеральная Ассамблея ООН в своей резолюции 66/71 призвала, в частности, разрабатывать усовершенствованные технологии наблюдения за состоянием околоземного космического пространства, собирать и распространять данные о космическом мусоре и по мере возможности представлять информацию по этому вопросу Научно-техническому подкомитету Комитета по использованию космического пространства в мирных целях. В соответствии с постановлениями ООН это направление исследований должно являться приоритетным для всех государств, связанных с эксплуатацией околоземного пространства, поскольку ситуация с его засоренностью близка к критической.

Сведения о состоянии орбит поступают от наземной сети специализированных служб и пунктов наблюдений (ПН), расположенных по всей территории Земли, в идеальном варианте желательно их равномерное распределение по долготам. Но из-за различных политических и экономических обстоятельств это условие не выполняется. Недостаточное количество средств обнаружения и сопровождения, ограниченность их возможностей и постоянное увеличение числа неконтролируемых объектов приводят к тому, что в настоящее время невозможно непрерывно отслеживать все аппараты и фрагменты космического мусора, находящиеся на околоземных орбитах. Поэтому подключение любого дополнительного пункта наблюдений – это важный вклад в систему контроля за ближним космосом. Как правило, ПН обеспечивают обнаружение, сопровождение, получение координатной и некоординатной информации о функционирующих и пассивных космических аппаратах (КА), крупных фрагментах космического мусора, анализ и отображение обстановки, и предоставляют необходимые сведения заинтересованным ведомствам. Оптические средства могут быть эффективно использованы и в случае возникновения аварийных ситуаций, когда телеметрическая информация об ИСЗ отсутствует.

Следует подчеркнуть, в настоящее время все государства, связанные с эксплуатацией ближнего космоса, стараются снизить зависимость своих систем контроля от иностранных источников информации, к сожалению, единой системы пока нет. Наиболее полные и доступные сведения о работающих и нефункционирующих ИСЗ содержатся в «Таблицах двухстрочных орбитальных элементов (Two Lines Elements – TLE)». Источник – Объединенная система воздушно-космической обороны США и Канады (NORAD). Эти данные широко используются и наблюдателями и аналитиками всего мира. Но проблема состоит в том, что для некоторых объектов информация вообще отсутствует, а опубликованная не всегда верна. Поэтому очень важно иметь отечественные материальные и научные разработки для того, чтобы, во-первых, обладать независимой информацией о состоянии околоземного космического пространства (в том числе и о фактах передислокации космических аппаратов) и, во-вторых, активно подключаться к тем исследованиям, которые сейчас проводятся во всем мире.

Регулярное сопровождение геостационарных спутников (работающих аппаратов и крупных фрагментов КМ) проводится в Казахстане с начала 1980-х годов. Стоит отметить, что наблюдательные пункты РК имеют выгодное географическое расположение: они находятся в долготном разрыве между европейскими и американскими ПН, их долгота близка к долготе одной из точек либрации – 75°Е, что позволяет контролировать большую часть пассивных объектов, находящихся на геостационарных орбитах (ГСО) в диапазоне долгот 10°-140° в.д. В качестве базового пункта использовалась Обсерватория на Каменском плато вблизи Алматы (Астрофизический институт им. В.Г. Фесенкова, АФИФ). Но в последние годы условия наблюдений существенно ухудшились из-за городской подсветки. В связи с этим было принято решение о переносе ПН на Тянь-Шаньскую обсерваторию (1-м телескоп Цейсса с ПЗС-матрицей).

В настоящее время проводятся исследования данной системы и работы по адаптации имеющегося программного обеспечения, регулярные наблюдения пока не ведутся. В качестве примера на рис. 2 показаны снимки ГСС КазСат-2, полученные в Кассегреновском фокусе 1-м телескопа Тянь-Шаньской обсерватории с ПЗС-камерой ALTA U10.

Вторым наземным ПН Казахстана является квантово-оптическая система (KOC), «Сажень-С», расположенная вблизи г. Приозерска, полигон Сары-Шаган. Она была привлечена в работах по контролю за состоянием геостационарной зоны с 1998 года. КОС имеет громадный потенциал и при грамотном подходе может быть использована как основа сети пунктов наблюдений за околоземным космическим пространством РК. Подключение Приозерска было крайне важно в плане территориального разнесения оптических пунктов наблюдения. Это позволяет исключить погодный фактор, упростить процедуру расчета орбитальных параметров, увеличить надежность работы всего наземного комплекса, количество сопровождаемых космических объектов и, как следствие, существенно расширить возможности и повысить достоверность получаемой информации. Преимущества данного ПН:
- возможность одновременного получения координатной и фотометрической информации по наблюдаемому объекту, что крайне важно при решении ряда задач (например, определение ориентации КА в пространстве, направления оси вращения, отождествление типа ГСС и др.);
- по сравнению с высокогорными обсерваториями РК здесь большое количество ясных ночей (до 280 в году, из них почти 100 пригодны для точной фотометрии). Кроме того, полностью открытый горизонт при необходимости позволяет проводить измерения на больших зенитных расстояниях;
- удаленность от населенных пунктов, отсутствие электромагнитных помех и техногенной засветки, что существенно повышает проницающую способность аппаратуры при использовании апертурной оптики небольшого диаметра.

В настоящее время квантово-оптической системой «Сажень-С» отслеживаются геостационарные спутники и крупные фрагменты космического мусора до 15 m (в режиме накопления). Наблюдения проводятся на телескопе АЗТ-28, который фактически состоит из двух соосных 50-см телескопов, смонтированных на одной параллактической установке. Это позволяет 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. В качестве светорегистрирующей аппаратуры используются две телевизионные камеры ФЭУ-79 на основе вакуумных трубок (изокон) ЛИ-804. Наблюдения сопровождаются привязкой к сигналам точного времени. Конструкция КОС «Сажень-С» позволяет провести ее модернизацию, повышение проницающей способности установки может быть достигнуто за счет использования современных ПЗС-матриц. Это позволит наблюдать объекты до 17 m, что представляет наибольший интерес для решения практических задач околоземной астрономии.

По своим функциональным возможностям ПН в Алматы и Приозерске дополняют друг друга. Совместная работа и объединение результатов позволили существенно увеличить объем получаемой информации, расширить имеющуюся базу данных, ежемесячно обновлять сведения, необходимые для ведения текущего Зонального каталога ГСС и расширить круг решаемых задач. Электронная версия Зонального каталога включает результаты текущих наблюдений ГСС, архивные данные о состоянии геостационарной зоны, необходимую астрометрическую и фотометрическую информацию по каждому из КА, входящих в Базу Данных (БД), сведения из других источников (назначение, особенности запуска, состав бортового оборудования и др.). Использование такого варианта каталога позволило существенно упростить обработку собственных наблюдений и проводить оперативный обмен сведениями с другими организациями.

База Данных включает координатную информацию для 1 098 активных и пассивных ГСС, находящихся в зоне видимости наземных пунктов наблюдений РК, из них для 248 есть фотометрия в системе BVR (сведения на февраль 2014 г.). Использование БД в процессе планирования и проведения наблюдений позволяет в реальном времени получать, сравнивать и анализировать сведения о космических аппаратах, находящихся в зоне контроля.

Обработка информации, поступающей от ПН, включает в себя вычисление координат, построение орбит, предварительную сортировку, отождествление (распознавание) и каталогизацию наблюдаемых объектов, планирование последующих наблюдений и расчет целеуказаний, обновление базы данных, анализ фотометрических данных.

Основной состав программного обеспечение (ПО), предназначенного для обработки, анализа получаемой информации и поддержания БД, содержит:
- пакет программ для построения кеплеровской орбиты и расчета эфемерид на основе результатов наблюдений одного или нескольких наземных пунктов;
- программы сортировки и первоначального анализа фотометрической информации;
- пакет полной обработки фотометрической информации;
- блок отождествления типа ГСС по фотометрической и орбитальной информации.

Общий сервис для пользователей включает множество полезных функций, предоставляет возможность обрабатывать и анализировать имеющуюся информацию, легко манипулировать имеющимися данными.

Во многих случаях для уверенного отождествления КА достаточно орбитальных характеристик, т.е. информации, полученной из координатных наблюдений. На основе этих наблюдений вычисляют элементы орбиты и сравнивают их с каталожными по специальным алгоритмам. Но растет количество орбитальных позиций, в которых находятся группировки геостационарных спутников, образующих компактный кластер из нескольких аппаратов, имеющих практически нулевое наклонение к экватору и нулевой эксцентриситет. Анализ орбитальных параметров близко расположенных объектов не всегда дает уверенную идентификацию. В этих случаях для однозначного отождествления КА необходима дополнительная, некоординатная информация.

При отождествлении ГСС на основе координатной информации наиболее значимыми элементами являются углы наклона плоскости орбиты и долготы восходящего узла относительно плоскости экватора i и Ω, по эволюции которых можно, например, определить приблизительную дату запуска КА. В качестве примера можно привести эволюционную диаграмму «наклон – узел» относительно плоскости экватора, построенную на основе информации нашей БД на 2003 г. и 2013 г., рис. 4.

Ежегодно увеличивается количество аппаратов, запускаемых на ГСО, вместе с тем растет и число спутников с большими углами наклона. Этот факт является отражением влияния различных факторов на движение ГСС по орбите (гравитационные возмущения от Луны, Солнца и несферичности Земли, световое давление). В частности, наклон плоскости орбиты объекта к экватору начинает постепенно увеличиваться и примерно за 27 лет достигает максимального значения (около 150), затем за тот же интервал времени он вновь уменьшается до нуля. Долгота восходящего узла орбиты также меняется с периодом 54 года. Этот эволюционный процесс наглядно виден на рис. 4.

Первый ГСС был выведен на орбиту в 1963 году, примерно к 2017-му году самые старые некорректируемые ГСС вновь выйдут в плоскость экватора, и диаграмма полностью замкнется. В дальнейшем регулярное заполнение плоскости экватора будет происходить не только за счет вновь запускаемых аппаратов, но и за счет тех, которые были запущены 54 года назад, со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями. Отсюда следует, что отождествление геостационаров только на основе координатной информации станет практически невозможным. Нельзя будет отличить новый ГСС от старого, запущенного 54 года назад, используя только параметры его орбиты. Для этих целей необходимо будет привлекать дополнительные сведения, в качестве которых логично использовать результаты некоординатных наблюдений.

Эффективность и надежность применяемых нами методик и разработок неоднократно подтверждалась на практике. В качестве примера можно сослаться на работы по сопровождению и анализу наблюдений американских спутников DSP, RHYOLITE, MAGNUM, MENTOR, Сanyon, Chalet и др. Полученные результаты, в частности, свидетельствуют о том, что задача отождествления наблюдаемого объекта наиболее надежно может быть решена на основе совместного анализа координатной и фотометрической информации.

Еще одно важное направление работы наземных ПН – выявление нештатных ситуаций и сопровождение аварийных ГСС. Практика показывает, что в случае «несанкционированного» поведения КА оптические средства могут быть использованы для контроля его состояния. Получаемая информация позволяет проводить оценку пространственной ориентации и оптических характеристик объекта в течение всего периода наблюдений и, при отсутствии телеметрической информации, выявить вероятные причины нештатного поведения спутника. Наглядная демонстрация возможностей наземных пунктов РК – наблюдения и анализ аварийных ситуаций с российскими спутниками «Ямал-1», «Экспресс-АМ11», американским DSP 23; казахстанским «KazSat-1». В качестве примера на рис. 5 и 6 показаны кривые блеска «Экспресс-АМ-11» и «KazSat-1» до и после аварий, произошедших 29 апреля 2006 г. и 8 июня 2008 г. соответственно. Резкие изменения блеска обусловлены вращением объектов вокруг центра масс.

По оси абсцисс отложены фазовые углы, по оси ординат – звездные величины. Длина массива временного ряда Т1 = 240 сек., время накопления ∆t = 0s,5 сек.

Работа наземных ПН РК показывает, что они занимают далеко не последнее место среди аналогичных учреждений СНГ и мирового сообщества. В качестве примера можно привести наше участие в международных проектах – грант INTAS Ref. No: 01-0669 «Optical and radar ecological monitoring of near-Earth space environment for the control of technogenic pollution and natural hazard assessment due to asteroids», 2001 г.; в работе американско-российской рабочей группы по исследованию космического мусора, Санкт-Петербург, 2003 г.; договоры с «КИА-системы», МАК «Вымпел», ИПМ им. Келдыша, в кооперации пунктов, работающих по федеральной программе «Автоматизированная система предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве», РФ.

Регулярно работающие пункты наблюдений по приему, обработке и анализу наземной информации о состоянии геостационарной зоны над территорией РК позволяют:
- оперативно отождествлять наблюдаемые КА и крупные фрагменты КМ;
- контролировать ситуацию в зоне видимости ПН, осуществлять мониторинг точек стояния казахстанских спутников «КазСат-2», «КазСат-3» и последующих;
- оценивать опасность, которую представляют фрагменты КМ для КА на высоких орбитах в настоящем и будущем, рассчитывать вероятность опасных сближений, а значит давать рекомендации о корректировании орбит КА, в том числе и казахстанских;
- участвовать в международных проектах и заключать хоздоговоры с заинтересованными организациями стран СНГ и дальнего зарубежья;
- организовать новые рабочие места и подготовку научно-технических и иных специалистов для национальной космической отрасли, если будут проводиться работы по совершенствованию и модернизации технического и программного обеспечения ПН.

Международная практика свидетельствует, что ПН являются важным звеном в космической отрасли любого государства. Получение наземной оптической и траекторной информации является составной частью развития этой отрасли и призвано обеспечить ее информационную независимость. Если Казахстан намеревается играть активную роль в решении актуальных задач околоземного космического пространства, то особое внимание должно быть уделено совместной работе существующих ПН, их дальнейшему развитию и, в первую очередь, современному техническому оснащению и комплектации.

В настоящее время объекты слабее 16 m практически не наблюдаются из-за отсутствия соответствующих светоприемников и необходимых методик. Для слежения за малоразмерными объектами (10-50 см) на высоких орбитах необходимо увеличить проницающую способность приемной аппаратуры как минимум на 3 m – 3,5 m. Это может быть достигнуто за счет использования специализированных ПЗС-матриц. Применение современных светоприемников позволит существенно расширить и дополнить представления о реальной ситуации с засоренностью в области ГСО, создать основу для формирования архива слабых ГСС, необходимого для изучения их физических свойств и вероятных источников образования.

ПЗС-матрицы – основа современных наблюдений малоразмерных ГСО, но обработка и анализ получаемой информации – процесс достаточно сложный и неоднозначный. При этом необходимо решать ряд новых задач, связанных с:
- автоматической обработкой ПЗС-кадров для обнаружения подвижных объектов и определения их координат;
- поиском и построением наиболее оптимальных стратегий наблюдения для разных классов орбит в зависимости от типа используемого телескопа;
- автоматической сортировкой и идентификацией полученных координатных и фотометрических измерений по каждому из наблюдавшихся объектов.

В настоящее время ведутся работы по дооснащению 1-м телескопа Тянь-шанской обсерватории для проведения наблюдений малоразмерных ГСС и адаптации существующего программного комплекса. Аналогичные доработки необходимо провести и на КОС «Сажень-С». Совместная регулярная работа двух ПН позволит получать достаточно большой объем координатной и фотометрической информации для того, чтобы проводить независимую оценку состояния геостационарных орбит, участвовать в международных программах по наблюдениям и каталогизации космического мусора, проводить обмен информацией об опасных сближениях КА. Кроме того, это и вклад нашей Республики в решение экологических проблем околоземного космического пространства, в международное сотрудничество по цивилизованному использованию ближнего космоса и решению соответствующих научных задач.

Диденко А.В., ДТОО «Астрофизический институт им. В.Г. Фесенкова»

Усольцева Л.А., ДТОО «Астрофизический институт им. В.Г. Фесенкова»

0
Голосов еще нет

Материалы по теме:

Задать вопрос автору