СПОСОБ НАБЛЮДЕНИЯ НАЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ С ДВИЖУЩЕГОСЯ ПО ОКОЛОКРУГОВОЙ ОРБИТЕ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
METHOD OF ONSHORE FACILITIES OBSERVATION FROM SPACECRAFT MOVING ON CIRCULAR ORBIT

Изобретение относится к области дистанционного мониторинга природных и техногенных процессов и может быть использовано для реализации наблюдений наземных объектов с космического аппарата (КА).
Наблюдения наземных объектов при дистанционном мониторинге природных и техногенных процессов могут осуществляться путем выполнения геофизических наблюдений с КА, включающих определение положения и параметров обриты КА, расчет трассы КА на земной поверхности, проверку условий доступности объекта наблюдению, проверку выполнения ограничений на наблюдение объекта, расчет параметров функционирования аппаратуры наблюдения, расчет требуемого расхода ресурсов КА, построение требуемой для проведения наблюдений ориентации КА (М.Ю. Беляев. Научные эксперименты на космических кораблях и орбитальных станциях. М.: «Машиностроение», 1984).
Отметим, что в общем случае разовое наблюдение наземного объекта не обеспечивает возможности прогнозирования состояния объекта во времени.
Для определения изменений состояния наземного объекта во времени используется повторное наблюдение исследуемого объекта.
Известен способ определения скорости движения фронтальной части ледника с КА (патент РФ №2568152 по заявке №2014120766/28, МПК G01C 11/00 (2006.01), приоритет от 22.05.2014 - прототип), согласно которому определяют неподвижные характерные точки на склонах ледника, осуществляют с КА съемку ледника и неподвижных характерных точек и получают изображение, фиксируют контрольный створ в виде линии, проходящей через неподвижные характерные точки, в случае пересечения изображения ледника и контрольного створа измеряют по полученному изображению расстояние от контрольного створа до максимально удаленной крайней точки языка ледника, а в случае, если изображение ледника и контрольный створ не пересекаются - расстояние до минимально удаленной крайней точки языка ледника, через промежуток времени ΔT, больший или равный n=3⋅d/0.2, где n - количество суток, d - геометрическое разрешение съемочной системы КА по поверхности Земли, повторяют съемку с КА при возникновении условий съемки, определяют изменение δL измеряемого расстояния от контрольного створа до крайней точки языка ледника и определяют скорость движения фронтальной части ледника по формуле δL/ΔT.
К недостаткам способа-прототипа относится то, что он не обеспечивает определения таких параметров, описывающих состояние исследуемого объекта (в способе-прототипе - ледника и его движения), как ускорение и производная ускорения изменений текущего состояния объекта в задаваемые моменты времени, например, связанные с критическими состояниями объектов. Кроме того, способ-прототип не обеспечивает возможности целенаправленного формирования орбитальных (навигационных) условий для реализации наблюдений с КА наземных объектов в требуемые временные интервалы.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение точности определения текущих состояний наземных объектов по наблюдениям с движущегося по околокруговой орбите КА.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в формировании околокруговой орбиты КА для обеспечения наблюдения с КА наземных объектов с учетом времени для подготовки к их критическим состояниям.
Технический результат достигается тем, что в способе наблюдения наземных объектов с движущегося по околокруговой орбите космического аппарата, включающем определение текущих параметров орбиты, съемку с космического аппарата исследуемых наземных объектов в моменты, взятые через задаваемый промежуток времени, и определение скорости изменения состояния объектов по получаемым изображениям, дополнительно корректируют орбиту космического аппарата, изменяя ее высоту в выделенных пределах до значения, при котором для каждого исследуемого объекта аргументы широты ,  подсолнечной точки орбиты на моменты времени начала и окончания требуемого интервала наблюдения объекта, соответственно, определяются соотношениями
,
где В - широта объекта,
S
h - требуемая минимальная высота Солнца над объектом при его наблюдении,
ι>0 - наклонение орбиты,
β - угол между направлением на Солнце и плоскостью орбиты,
S
для каждого исследуемого объекта, начиная с момента равенства высоты Солнца над объектом значению h при ее увеличении, выполняют съемку объекта в моменты, взятые через задаваемый интервал времени, выбираемый из условия обеспечения определения изменения состояния объекта по получаемым изображениям, после чего выполняют съемку объекта через промежутки времени, отсчитываемые от момента выполнения предшествующей съемки объекта, начинающиеся временем, выбираемым из условия обеспечения определения изменения состояния объекта по получаемым изображениям, и оканчивающиеся уменьшенным на задаваемое время прогнозируемым по получаемым изображениям текущим временем до достижения критического состояния объекта.
Например, в качестве последнего упомянутого задаваемого времени, на которое уменьшается прогнозируемое время до достижения критического состояния объекта, выступает время для подготовки к наступлению критического состояния объекта.
В качестве наблюдаемых (исследуемых) объектов могут рассматриваться любые природные или техногенные объекты.
Поясним предложенные в способе действия на примере выполнения наблюдения таких исследуемых объектов, как ледники. Как правило, наблюдение ледника требуется выполнять в сезон абляции - сезон, когда идет процесс активного изменения его состояния в результате таяния, испарения, что приводит к «движению» ледника. В качестве критических состояний ледника, например, могут рассматриваться состояния, при которых фронтальная часть (язык) ледника достигает некоторых критических точек. В качестве таких критических точек могут рассматриваться точки, достижение которых ледником приведет к катастрофическим последствиям, и/или точки доступности наземных измерений (научные станции, расположенные рядом с возможными трассами движения ледников, наземные инфраструктурные объекты и т.д.).
В предлагаемом способе для каждого из N исследуемых объектов задают требуемый интервал выполнения наблюдений (, ), j=1, …, N.
В случае наблюдения ледников - для каждого ледника прогнозируют время (сутки) начала и окончания текущего сезона абляции. Такой прогноз делается исходя из анализа результатов предшествующих наблюдений данного ледника или ледников аналогичного типа, аналогичного расположения и в аналогичных условиях. В эти отрезки времени необходимо выполнять дистанционные наблюдения объектов с КА.
Определяют текущие значения параметров орбиты КА, включая измерение высоты орбиты КА, и корректируют орбиту КА, изменяя ее высоту в выделенных пределах до значения, при котором для каждого исследуемого объекта (здесь и далее индекс j, указывающий на номер исследуемого объекта наблюдения в общем перечне объектов, опускаем) аргументы широты ,  подсолнечной точки орбиты на моменты времени начала и окончания требуемого интервала наблюдения объекта, соответственно, определяются соотношениями
и
где ,  - аргументы широты подсолнечной точки орбиты на моменты времени начала и окончания требуемого интервала наблюдения объекта, соответственно;
В - широта объекта;
S
h - требуемая минимальная высота Солнца над объектом при его наблюдении;
ι>0 - наклонение орбиты;
β - угол между направлением на Солнце и плоскостью орбиты.
Функция X=arcsinF имеет два значения, равные в интервале (0, 2π) при F≥0
2
1
, Х=π-Х;
и при F≤0
2
1
, Х=3π-Х.
1
Выражение  соответствует меньшим из данных значений функции X=arcsinF, а именно значениям Х.
2
Выражение  соответствует большим из данных значений функции X=arcsinF, а именно значениям Х.
S
Соотношение (1) определяет такую орбиту КА, при которой для каждого исследуемого объекта в соответствующие сутки  и после этого времени текущее значение высоты Солнца над объектом в моменты его наблюдения с КА превышает требуемое минимальное значение h. Такая орбита описывается условием
MIN
где u - минимальное значение аргумента широты точки местоположения КА на орбите при прохождении КА над объектом;
S
γ - длина дуги отрезка витка, на которой текущее значение высоты Солнца над плоскостью местного горизонта в подспутниковой точке не менее задаваемого значения h.
S
Соотношение (2) определяет такую орбиту КА, при которой для каждого исследуемого объекта в соответствующие сутки  и до этого времени текущее значение высоты Солнца над объектом в моменты его наблюдения с КА превышает требуемое минимальное значение h. Такая орбита описывается условием
MAX
где u - максимальное значение аргумента широты точки местоположения КА на орбите при прохождении КА над объектом.
MAX
MIN
Из (3), (4) с учетом соотношений для определения u, u, γ
следуют соотношения (1), (2).
Отметим, что перечень исследуемых/наблюдаемых объектов и требуемые интервалы времени их наблюдений должны быть согласованы с возможностями КА по формированию требуемой для выполнения наблюдений орбиты, определяемыми, в том числе, необходимостью нахождения высоты орбиты в выделенных пределах.
В качестве исходных данных для определения необходимых маневров для построения требуемой орбиты КА используются результаты определения текущих значений параметров орбиты КА (например, осуществляется методами радиоконтроля орбиты КА с наземных измерительных пунктов или с помощью систем спутниковой навигации). После реализации рассчитанных корректирующих импульсов текущая орбита КА совмещается с требуемой.
Для каждого исследуемого объекта, начиная с соответствующего времени , выполняют первую и вторую (повторную) съемки с КА объекта в моменты, взятые через задаваемый промежуток времени, выбираемый из условия обеспечения определения изменения состояния объекта по получаемым изображениям (в случае наблюдения ледника - например, из условия определения перемещения фронтальной части ледника по изображениям, получаемым с помощью съемочной системы КА).
i
i-1
i
Для каждого исследуемого объекта используем последовательную нумерацию съемок объекта. Обозначаем ΔT, i≥2 - промежуток времени от момента t выполнения (i-1)-й съемки объекта до момента t выполнения i-й съемки объекта.
В случае наблюдения ледника промежуток времени между первой и второй съемками может выбираться, например, из следующих соображений.
2
Например, минимальная скорость движения ледника в период абляции может быть оценена величиной ≈0.2 м/сутки. Для надежного определения перемещения ледника можно использовать соотношение n=K⋅d/0.2, где d - геометрическое разрешение съемочной системы КА по поверхности Земли в метрах, n - количество суток до повторной съемки, K - коэффициент, выбираемый из условия надежности определения перемещения ледника (например, можно принять K=3). Таким образом, повторная съемка ледника может осуществляться при возникновении необходимых условий съемки через промежуток времени ΔT≥n суток.
Условия съемки определяются характеристиками аппаратуры наблюдения и характеризуются взаимным положением объекта съемки и трасс КА на земной поверхности, освещенностью объекта (углом возвышения Солнца над плоскость местного горизонта), метеоусловиями (М.Ю. Беляев. Научные эксперименты на космических кораблях и орбитальных станциях. М.: «Машиностроение», 1984).
При этом в соответствии с (1) и (2) выполнение условий по необходимой освещенности объекта в моменты съемки с КА автоматически обеспечивается в течение всего заданного интервала выполнения наблюдений. Выполнение условий по необходимому взаимному положению объекта съемки и трасс КА на земной поверхности обеспечиваются не реже чем через 1-2 дня в зависимости от межвиткового расстояния орбиты КА.
В случае наблюдения ледников при каждой съемке осуществляют съемку ледника и неподвижных характерных наземных точек вокруг ледника. По получаемым изображениям определяют (измеряют) расстояния от характерных наземных точек до фронтальной части ледника. Необходимые неподвижные характерные точки всегда могут быть найдены на склонах вокруг ледника (ими могут являться кучи камней, отдельные крупные валуны и т.д.).
По расстояниям от характерных наземных точек до фронтальной части ледника, полученным по результатам последовательных съемок ледника, определяют длину перемещения фронтальной части ледника за время между съемками.
По определенной длине перемещения фронтальной части ледника за время между съемками ледника определяют скорость движения фронтальной части ледника на данном интервале времени.
Также по получаемым изображениям определяют текущее расстояние от фронтальной части ледника до задаваемой критической точки, отсчитываемое вдоль линии движения фронтальной части ледника к данной критической точке. Данное расстояние до задаваемой критической точки также может быть определено по измеренным расстояниям от характерных наземных точек вокруг ледника до фронтальной части ледника.
После этого выполняют съемку каждого исследуемого объекта (в случае наблюдения ледника - съемку ледника и неподвижных характерных точек вокруг ледника) через промежутки времени, отсчитываемые от момента выполнения предшествующей съемки объекта, начинающиеся временем, выбираемым из условия определения изменения состояния объектов по получаемым изображениям (например, прогнозируемым по полученным изображениям интервалом времени, через которое изменение состояния объектов доступно определению по снимкам съемочной системы КА - в случае наблюдения ледника - через которое фронтальная часть ледника переместится на расстояние, доступное для определения по двум снимкам, получаемым посредством съемочной системы КА), и оканчивающиеся прогнозируемым по получаемым изображениям текущим интервалом времени до достижения критического состояния объекта, уменьшенным на задаваемое время для подготовительных операций перед достижением критического состояния объекта (в случае наблюдения ледника - интервалом времени до достижения фронтальной частью ледника задаваемой наземной точки, уменьшенным на задаваемое время для подготовительных операций перед достижением данной наземной точки фронтальной частью ледника).
Упомянутые интервалы времени прогнозируются по определяемым по получаемым изображениям текущим значениям параметров, описывающих состояние объектов - скорости, ускорения и производной ускорения изменения состояния объектов.
i+1
d
P
подг
Например, в случае наблюдения ледника дополнительно выполняют две или более съемки ледника и характерных точек вокруг ледника через отсчитываемые от момента выполнения предшествующей съемки ледника промежутки времени ΔT, i≥2, взятые из диапазона значений {KΔT,ΔT-Δt}:
где i≥2 - порядковый номер предшествующей съемки ледника;
подг
Δt - задаваемое время для подготовительных наземных операций перед достижением фронтальной частью ледника задаваемой критической точки;
K - коэффициент, выбираемый из условия надежности определения перемещения ледника по получаемым в съемках изображениям;
d
орб
ΔT - прогнозируемое на текущий момент время, отсчитываемое от момента выполнения i-й съемки ледника, через которое фронтальная часть ледника переместится на расстояние, равное d=λН, где
λ - угол разрешения съемочной системы КА (в радианах);
орб
Н - высота орбиты КА;
(расстояние, доступное для определения по двум снимкам, получаемым посредством съемочной системы КА);
Р
ΔТ - прогнозируемое на текущий момент время, отсчитываемое от момента выполнения i-й съемки ледника, через которое фронтальная часть ледника достигнет задаваемой критической точки,
при этом по получаемым в съемках изображениям определяют расстояния от характерных наземных точек до фронтальной части ледника, по которым определяют текущие значения параметров, характеризующих движение фронтальной части ледника:
- текущие значения скорости, ускорения и производной ускорения движения фронтальной части ледника;
- текущее значение расстояния от фронтальной части ледника до задаваемой критической точки;
- текущее значение прогнозируемого момента времени достижения ледником задаваемой критической точки.
подг
подг,j
Р
подг
подг
подг
Задаваемое время Δt, необходимое для выполнения подготовительных операций перед достижением критического состояния объекта (в случае наблюдения ледника - перед достижением фронтальной частью ледника задаваемой критической точки), может быть задано несколькими значениями - например, заданными с учетом разных уровней и этапов подготовки. В этом случае к использованию принимается текущее наибольшее значение из упорядоченного по времени множества значений {Δt}. После истечения данного наибольшего значения - в момент, когда правая часть диапазона (7) ΔТ-Δt становится отрицательной - к использованию в качестве Δt принимается следующее значение из {Δt} и т.д.
подг,j
подг
подг
Истечение последнего значения из {Δt} соответствует условию, что прогнозируемое критическое состояние объекта будет достигнуто через отрезок времени <Δt (в случае наблюдения ледника - условию, что при движении фронтальной части ледника с начальной скоростью, ускорением и производной ускорения движения фронтальной части ледника, определенным на момент времени последней съемки ледника, фронтальная часть ледника достигнет заданной критической точки через отрезок времени <Δt), отсчитывая от момента времени последней съемки ледника.
подг,j
Таким образом, после истечения последнего значения из {Δt} необходимо выполнить все необходимые подготовительные операции. При этом дальнейшее определение параметров состояния объекта также может осуществляться по снимкам с КА.
Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает формирование требуемой околокруговой орбиты КА для обеспечения наблюдения с КА текущих состояний наблюдаемых (исследуемых) наземных объектов с учетом времени для принятия решений по подготовке к их критическим состояниям.
Действительно, формирование околокруговой орбиты КА, определяемой соотношениями (1) и (2), обеспечивает наблюдение с КА исследуемых/наблюдаемых наземных объектов в течение требуемых временных интервалов.
подг
Выполнение съемки исследуемых/наблюдаемых объектов через получаемый по соотношению (7) промежуток времени после предшествующей съемки соответствующего объекта позволяет получить очередное изображение исследуемого объекта не позже, чем за время Δt до прогнозируемого момента наступления критического состояния объекта, и не ранее, чем через отрезок времени, в течение которого произойдут изменения состояния объектов, доступные для определения по снимкам, получаемым посредством съемочной системы КА.
Таким образом, обеспечивается формирование необходимой околокруговой орбиты КА для реализации гарантированного определения параметров изменения состояния объектов, реализуется определение параметров, характеризующих состояния и изменения состояний объектов, и обеспечивается возможность своевременной подготовки к наступлению критических состояний исследуемых объектов.
Также обеспечивается взаимосвязь дистанционного определения параметров состояний исследуемых объектов с КА с возможностью наземных наблюдений, что позволяет эффективно задействовать и эксплуатировать (в том числе расходовать ресурсы) как космические средства (КА и соответствующая инфраструктура их развертывания и эксплуатации), так и наземные средства наблюдения состояний исследуемых объектов.
Получаемый технический результат достигается за счет дополнительного определения предложенных параметров; предложенного формирования околокруговой орбиты КА с предложенными параметрами, выполнения предложенных съемок с КА исследуемых объектов в предложенные моменты времени, осуществления определения предложенных параметров, описывающих изменения состояний наблюдаемых объектов, в том числе прогнозирование по получаемым изображениям наступления критических состояний объектов.
В настоящее время технически все готово для реализации предложенного способа с использованием КА типа МКС. Промышленное исполнение существенных признаков, характеризующих изобретение, не является сложным и может быть выполнено с использованием существующих технических средств. В том числе, система управления КА позволяет осуществлять построение необходимой ориентации, двигательная установка КА обеспечивает выдачу корректирующих и тормозных импульсов. Определение параметров орбиты и другие необходимые измерения, в том числе параметров освещенности КА и задаваемых наземных объектов, может быть выполнено с использованием известных навигационных средств. Для реализации съемок могут использоваться применяемые на КА оптические приборы и системы. Необходимые вычисления могут быть выполнены с использованием бортовых вычислительных средств КА.