Анализ точности оптических методов наблюдений космических тел в Узбекистане

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

АНАЛИЗ ТОЧНОСТИ ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ НАБЛЮДЕНИЙ КОСМИЧЕСКИХ ТЕЛ В УЗБЕКИСТАНЕ Мирмахмудов Э.Р.

Мирмахмудов Эркин Рахимжанович - кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра геодезии и геоинформатики, Национальный университет Узбекистана, г. Ташкент, Республика Узбекистан

Аннотация: в данной работе приводится анализ первых наблюдений ИСЗ с помощью визуальных инструментов АТ-1, ТЗК и БМТ. Отмечается роль фотографических методов наблюдений космических тел. Описываются достоинства и недостатки астрономических телескопов при регистрации геосинхронных спутников на территории международной китабской широтной станции. Выполнены синхронные или псевдосинхронные наблюдения геодезического спутника "Лагеос" для уточнения параметров гравитационного поля Земли и основных параметров общеземного эллипсоида. Особое внимание уделено телевизионным и лазерным измерениям на измерительном комплексе "Майданак" для целей геодезии и геодинамики Республики Узбекистан. Ключевые слова: АТ-1, ТЗК, ДАЦ, АЗТ-24, ГСС, ИСЗ, Лагеос.

Первые наблюдения ИСЗ выполнялись астрономическими трубами (АТ-1). Позже стали использоваться более совершенные инструменты ТЗК (Труба зрительная командирская) и БМТ (большая морская труба), снабженные горизонтальными и вертикальными лимбами [1]. В этих приборах между окуляром и объективом вставлена треугольная призма для удобства наблюдений спутника через зенит, а бинокулярное устройство позволяет снизить напряжение глаз.

Рис. 1. ТЗК Рис. 2. БМТ

Этими инструментами автор данной статьи на базе станции наблюдений ИСЗ при Новосибирском институте инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии (НИИГАиК) отнаблюдал 300 прохождений спутников в 1976-1981гг. по программе "Атмосфера" (рис.3). На основе результатов наблюдений был разработан алгоритм редукции измерений с неизвестными координатами наземных станций [2].

Рис. 3. Станция наблюдений ИСЗ в НИИГАиК (Мирмахумдов

Э.)

Y —

X

Составлена программа на языке ФОРТРАН для определения предварительных элементов орбиты по способу Гаусса, где основное внимание уделялось сходимости результатов значений топоцентрического расстояния |р|. Значения топоцентрических координат спутника можно вычислить по формуле:

р cosh cos A pcoshsin A psinh

где А, h, p - являются угловые координаты и топоцентрическое расстояние.

Геоцентрические координаты спутника выражаются через кеплеровские элементы орбиты следующей формулой:

r(cos D cos П - sin d sin Qcos i) r(cos (sinП + sinD cos Пcos i) r sin (sin i

Точность определения элементов орбит была в пределах 0.001, т.к. штрихи делений лимба вертикальных и горизонтальных кругов нанесены через 30 минут дуги. Основная проблема заключалась в определении топоцентрических и геоцентрических расстояний (рис. 4).

X

y —

z

Рис. 4. Схема редукции

47

Используя итерационный способ вычисления расстояний, можно достичь определенного предела разности расстояний между предыдущим и последующим значениями, после которой величина разности изменяется незначительно по мере увеличения количества итераций. Программа оттестирована на реальных космических телах. Были определены первоначальные элементы орбиты П0, ю0, а0, е0, /0, т0 и топоцентрическое расстояние р0.

Параллельно велись работы по поиску более точного метода наблюдений космических тел на фоне звезд. Предложено начать с имеющихся астрономических телескопов, которые были приспособлены к наблюдениям звезд и планет. Если же использовать фотографические телескопы, то необходимо произвести техническую модернизацию движущихся механизмов, а это трудоемкая и сложная задача. Самым быстрым и оптимальным способом было преобразование аэрофотоаппарата под универсальную фотокамеру, которая получила название УФИСЗ (рис.5). В 1969-1970гг. Рижские специалисты сконструировали специальную астрономическую фотокамеру в альтазимутальной установке (АФУ-75), которая была установлена во многих обсерваториях и учебных заведениях СНГ[3].

Рис. 5. Профессор Антонович К.М. - подготовка УФИСЗ к

наблюдениям

48

Фотографирование небесного объекта производится в ночное время, когда от спутника отражаются солнечные лучи. Такие наблюдения зависят от условий прохождения спутника в зоне видимости. Специальные маяки (лампы) на спутниках через определенный интервал времени производили световую вспышку с заданной длительностью. Такие «маяки» были установлены на борту геодезических спутников «Геос-1» и «Геос-2». В результате длительной исследовательской работы точность определения направления на яркий космический аппарат составила 0.5" по одному снимку. При слежении за слабым объектом эта точность колеблется в пределах 2-3". Наблюдения производились по всему земному шару, где были установлены инструменты АФУ-75 (рис. 6).

Рис. 6. АФУ-75

В Узбекистане были организованы 2 станции наблюдений за космическими аппаратами, одна при кафедре физики атмосферы Ташкентского Государственного Университета (ныне Национальный университет Узбекистана имени Мирзо-Улугбека), а другая на базе Ташкентской астрономической обсерватории (ТАО). Фотографической камерой УФИСЗ было получено 70 изображений и произведены синхронные фотографические наблюдения

спутника «Эхо-1» . С АФУ-75 выполнялись наблюдения по международным программам АТМОСФЕРА, БОЛЬШАЯ ХОРДА. На международном семинаре по геодезической обработке наблюдений ИСЗ выработаны основные направления геодезической обработки оптических наблюдений ИСЗ.

В 1959 году профессором Батраковым Ю.В. был разработан метод выведения космического аппарата на геосинхронную орбиту, где угловые скорости спутника и Земли должны быть одинаковы. Спустя 11 лет начали выводить на геосинхронную орбиту спутники с периодом обращения 24часа. Поскольку эти объекты расположены на значительном расстоянии от центра Земли (40000км), то блеск этих спутников будет слабее, чем яркость низкоорбитальных спутников. Современные телескопы могут фиксировать слабые объекты, но не все астрономические установки приспособлены к наблюдениям ГСС. Автор данной статьи предложил получать изображения геосинхронных спутников с помощью двойного астрографа Цейсса (ДАЦ) на базе китабской международной широтной станции. ДАЦ не был приспособлен к наблюдению быстродвижущих объектов и космических аппаратов [4]. Был разработан оптимальный способ наблюдений звезд и геостационара для ДАЦ. Наблюдения малых тел отличаются от ГСС тем, что видимое движение стационаров противоположное движению звезд по небосводу. В результате звезды получаются растянутыми, а геостационар в виде точки (рис.7-а, б).

Рис. 7. Наблюдение ГСС в Китабе:ДАЦ, б- изображение ГСС

В 1989 годы произведены наблюдения некоторых стационаров на двойном астрографе Цейсса с целью получения точных положений и улучшения эфемеридных данных. По начальным условиям были вычислены экваториальные координаты через каждые 5 минут декретного времени. Экспозиция варьировалась от 3 минут до 6 минут в зависимости от блеска объекта. Всего получено 9 фотопластинок с изображениями геостационаров и опорных звезд, которые были отождествлены из звездного каталога AGK3. Обычно координаты объектов можно определить по трем опорным звездам, а при точных вычислениях желательно иметь 5-6 звезд в зависимости от конфигурации распределения вокруг спутника. Редукция координат спутника производилась по формулам Шлезингера и Тернера (табл. 1).

Таблица 1. Топоцентрические координаты геосинхронных

спутников

ИСЗ Дата T А московское а1950 8l950

772 2.10.1989 18h 30m 00s 21h 13m 21.s91 - 60 23/ 29.3/;

772 2.10.1989 19 30 00 21 13 23.99 - 6 26 56.9

772 3.10.1989 20 00 00 22 47 37.48 - 6 27 34.6

638 3.10.1989 20 15 00 22 31 15.42 - 6 48 36.0

772 4.10.1989 20 25 00 23 16 21.67 - 6 29 27.5

772 5.10.1989 18 40 00 21 29 24.00 - 7 43 06.0

772 11.05.1990 20 00 00 12 54 07.59 - 7 20 49.9

769 19.05.1990 20 55 00 16 35 00.00 - 6 05 00.0

772 10.07.1990 20 55 00 17 49 56.70 - 6 50 35.8

Фотографические наблюдения ГСС позволяют определять угловые координаты с точностью 0.5"-1.0". С точки зрения увеличения точности все возможности наблюдений в значительной степени уже исчерпаны. Кроме того, при решении геодезических задач используются наблюдения других космических объектов, выполненных телевизионным способом.

Телевизионная система применяется в космической геодезии сравнительно недавно, но благодаря своим возможностям получила широкое распространение. К числу достоинств астрономических телевизионных систем следует отнести их высокую чувствительность, определяющую квантовым выходом фотокатода передающей трубки, который значительно превышает квантовый выход фотографической эмульсии. В качестве недостатка следует отметить ограниченные размеры фотокатодов, вследствие чего метод неприменим, когда требуется получать информацию с большего участка неба с хорошим угловым разрешением.

С появлением приборов с зарядной связью появилась возможность оперативно фиксировать изображения небесных тел. Обычно современные приемники охватывают узкое поле на небосводе (20/х20/), где опорных звезд незначительно. В этом отношении этот способ обладает некоторым преимуществом по сравнению с CCD - камерами. Основным источником ошибок является дисторсия,

которая быстро растет с удалением от центра поля и на краях доходит до 10 % от диаметра поля зрения. Точность может быть повышена, если поместить объект в центр поля, а опорные каталожные звезды отождествлять ближе к объекту и симметрично по отношению к нему. Разность координат спутника и опорной звезды могут быть измерены по времени движения луча развертки от одного изображения до другого или путем счета числа штрихов сетки между измеряемыми объектами. При этом результаты измерений могут поступать непосредственно в компьютер.

Телевизионные наблюдения были испытаны на измерительном комплексе "Майданак", где основные телескопы оснащены современными приемниками, облегчающими процесс наблюдений объектов, имеющих блеск 16.1 звездной величины [5]. Суть измерений заключается в одномоментном получении изображения наблюдаемого объекта и опорной звезды в запоминающем устройстве аппаратуры. Всего получено 17 изображений геостационаров с точностью 2.07 7(рис. 8).

Рис. 8. Изменение точности наблюдений с течением времени: а - по прямому восхождению, б - по склонению

Из рисунка 8 видно, точность наблюдений меняется с течением времени. Причина изменений обусловлена собственным движением спутника и влиянием незначительных поправок к осям вращения алидады параллактических кругов, т.е. имеется постоянная систематическая поправка, которую необходимо определить метрологическим способом. Но телевизионная система АЗТ24 была предназначена для контроля ориентировки системы с целью лазерной локации [6].

Лазерные наблюдения космических аппаратов позволяют получать высокоточные расстояния между пунктом и космическим телом. В настоящее время созданы дальномеры, измеряющие расстояния в тысячи километров с погрешностью от нескольких сантиметров до 0.5 метра. Принцип измерения основан на регистрации интервала времени, в течение которого излученный импульс света достигает спутника и, отразившись от него, возвращается обратно. Так как скорость света хорошо известна, то по измеренному интервалу времени легко определить расстояние до спутника. Очевидно, что точность наведения установки имеет принципиальное значение, поскольку позволяет уменьшить угол расходимости луча и соответственно увеличить дальность действия источника. Однако большие трудности возникают при регистрации слабых отраженных сигналов. Во время наблюдений спутник быстро перемещается на фоне звезд, поэтому измерения должны быть зарегистрированы с высокой точностью. Узкий и очень короткий луч света испускается квантовым генератором в сторону спутника и отражается уголковым отражателем, особенность которого состоит в том, что после отражений от трех граней призмы полного внутреннего отражения направление луча изменяется на противоположное. На измерительном комплексе имеется счетчик времени, регистрирующий интервалы времени до 1:109с. На основе этих интервалов времени можно вычислить расстояние до спутника с точностью 10-15см. Потребовались годы теоретической и инженерной работы,

чтобы выйти на точность 1-2дм. Надо было понять, как уменьшить влияние основных источников помех: воздействие атмосферы, искажения на пути следования луча и задержки в аппаратуре. Существенную роль в процессе измерений играет диафрагмирование входного пучка лучей, который уменьшает вредные влияния фоновых засветок. Уменьшение постоянных инструментальных поправок, вызванных задержками в аппаратуре, выполняется калибровкой, которая заключается в измерении расстояния до отражающей цели, расположенной на известном расстоянии. И конечно, повышение точности получаемых расстояний связано с тем, что луч попадает не на поверхность космического объекта, отражающие свойства которой неопределенны, а на уголковый отражатель. Последние представляют собой специальные устройства -призмы с высокими отражающими свойствами, которые размещаются на поверхности спутника.

В 1976г. на почти круговую орбиту 6000 км над поверхностью Земли был выведен геодезический спутник «Лагеос», состоящий из 426 уголковых отражателей (рис.8). С 1979 года на территории китабской станции были начаты тестовые наблюдения "Лагеос", а в 1981г. продолжены на измерительном комплексе "Майданак" с астрономическим зеркальным телескопом АЗТ-24А (рис.10) для координатной и некоординатной информации [7].

Рис. 9. ИСЗ Лагеос Рис. 10. Дальномер АЗТ24 А

Произведено сравнение топоцентрических координат, полученных по разработанной программе автором данной статьи и эфемеридными значениями, которые были вычислены численным интегрированием в аналитическом центре научно-исследовательского института космического приборостроения Российской Федерации. В качестве измеренных значений использованы наблюдения, произведенные на измерительном комплексе "Майданак" в сентябре 1999г. Измерения из нескольких пунктов исключают систематические ошибки

Рис. 11. Схема наблюдения ИСЗ Лагеос в Узбекистане

Синхронные или псевдосинхронные наблюдения "Лагеос" привели к накоплению большого массива данных, что дали основание для уточнения параметров гравитационного поля Земли и основных параметров общеземного эллипсоида. Все фундаментальные параметры, используемые в астрономии и геодезии, были скорректированы с учетом последних достижений в области локации спутников и Луны.

Список литературы

1. Рыхлова Л.В., Касименко Т.В. Первые наблюдения спутников: как это было/ Материалы международной конференции" Околоземная астрономия". Терскол, Нальчик. 3-7 сентября, 2007. С. 15-17.

2. Антонович К.М. Отчет о научно-исследовательской работе "Визуальные наблюдения ИСЗ " по программе "Атмосфера"/ НИИГАИК. Новосибирск, 1977. 56 с.

3. Лозинский А.М. Фотографические наблюдения ИСЗ /«Научные информации Астрономического совета АН СССР», 1970. В. 18.

4. Мирмахмудов Э. Исследование двойного астрографа Цейсса в Китабе. Кометный циркуляр АН УССР. № 333. Киев, 1984.

5. Арсланов Р.А. и др. Измерение координат ИСЗ с помощью телевизионной системы / Космические исследования, технологии и конверсия-П: сб. статей. Ташкент, 1997. С. 15-17.

6. Мирмахмудов Э.Р. Краткий обзор оптических наблюдений ИСЗ в Узбекистане. Журнал географического общества Узбекистана. НУУз. Тошкент, 2011. № 38.

7. Арсланов Р.А. и др. О некоторых задачах в области космических исследований Узбекистана / Космические исследования, технологии и конверсия-П: сб. статей. Ташкент, 1997. С. 17-20.