Космическая система обзора небесной сферы для наблюдения небесных объектов и обнаружения опасных для Земли небесных тел - астероидов и комет
SPACE SYSTEM FOR VIEWING CELESTIAL SPHERE FOR OBSERVING CELESTIAL OBJECTS AND DETECTING CELESTIAL BODIES - ASTEROIDS AND COMETS - HAZARDOUS FOR EARTH

Космическая система обзора небесной сферы для наблюдения небесных объектов и обнаружения опасных для Земли небесных тел - астероидов и комет.
Настоящее изобретение относится к космической технике.
Целью изобретения является наблюдение небесных объектов и обнаружение небесных тел - астероидов и комет, в том числе приближающихся к Земле со стороны Солнца, определение степени их опасности для Земли и выдача предупреждения о предстоящих времени и месте их столкновения с Землей за такое время, которое является достаточным для предотвращения столкновения и/или принятия мер по уменьшению наносимого ущерба.
Изобретение представляет собой космическую систему для обнаружения небесных тел в составе наземного информационно-управляющего центра и двух космических комплексов: первого космического комплекса с одним или несколькими космическими аппаратами на геостационарной или близких к ней геосинхронных орбитах с периодом обращения ~24 часа и второго космического комплекса с одним или несколькими космическими аппаратами на гелиоцентрической орбите Земли в плоскости эклиптики с периодом обращения 1 год, расположенными на расстоянии от Земли от 40 млн. км до 80 млн. км.
Известны космические аппараты, проводящие наблюдения небесных объектов (звезд, планет, комет и астероидов) на всей небесной сфере, кроме соответствующей каждому КА околосолнечной области, которые можно рассматривать как аналоги настоящего изобретения.
Уже более 20 лет ведет наблюдение с низкой круговой орбиты космический телескоп имени Хаббла [1]. Этот телескоп обнаружил большое число астероидов и наблюдал падение на Юпитер в 1994 году кометы Шумейкера-Леви. В 2003 году выведен на гелиоцентрическую орбиту космический телескоп имени Спитцера [2], предназначенный для астрофизических наблюдений. Главное зеркало телескопа имеет размер 0,85 м. В состав телескопа входят три канала, работающих в разных участках ИК-диапазона. Этот космический аппарат движется по земной орбите и способен отслеживать объекты, перемещающиеся по небесной сфере. Однако Спитцер способен работать, отвернувшись от Солнца не менее, чем на 80°, т.е. не может наблюдать почти все пространство между Землей и Солнцем. Спитцер не предназначен для наблюдения астероидов, но они заметны на снимках, сделанных одновременно в различных участках спектра.
С 1997 года ведет наблюдения космическая обсерватория SOHO [3]. Существует также ряд других зарубежных космических телескопов, способных наблюдать астероиды. Кроме того, разработан ряд проектов (например, Gaia [4], NEOSSat [5], Asteroid Finder [6]), предназначенных в том числе для наблюдения астероидов с околоземных круговых орбит.
Известны системы с космическими аппаратами, способными наблюдать астероиды в околоземной области, которые также можно рассматривать как аналоги настоящего изобретения.
Космический аппарат WISE (широкоугольный инфракрасный исследователь) [7], запущенный в 2003 году на солнечно-синхронную орбиту для составления каталога инфракрасных источников излучения, способен обнаруживать астероиды. Но он наблюдает под прямым углом от Солнца и не охватывает область внутри орбиты Земли.
В проекте NEO SURVEY [8] представлен ряд вариантов запуска оптических и инфракрасных космических телескопов на орбиту Венеры в точку от 0,6 до 0,8 а.е. позади нее для заполнения каталога потенциально-опасных астероидов размером 140 м и более. Один из вариантов за 8 лет сможет обнаружить 80% таких астероидов. Эти телескопы способны обнаруживать объекты с блеском до 23-26 звездной величины. Телескопы будут иметь срок службы 10 лет и смогут осматривать область космического пространства между Землей и Солнцем, недоступную для наблюдения с Земли и околоземных орбит. Однако из-за разницы периодов обращения Земли и Венеры (и телескопа на фиксированном или медленно меняющемся расстоянии от Венеры) будут возникать календарные интервалы, когда околосолнечная область заслонит Землю, что не позволит гарантированно решать задачу оперативного обнаружения опасных небесных тел.
Общим недостатком перечисленных выше космических систем-аналогов является большая длительность обзора небесной сферы. Эти аналоги неспособны обеспечить оперативное обнаружение опасных для Земли небесных тел, летящих со стороны Солнца, поскольку время их подлета к Земле в области, недоступной для наблюдений с Земли и с околоземных орбит, гораздо меньше времени обзора всей небесной сферы.
Существует предложение российских специалистов по обнаружению опасных небесных тел в области космического пространства, недоступной для наблюдения с Земли и с околоземных орбит. В статье [9] предлагается разместить два космических аппарата (КА) на орбите Земли в точках Лагранжа L4 и L5. Телескопы этих КА имеют круглое поле зрения с угловым диаметром 1°, что формирует обозреваемую сферу вокруг Земли с диаметром 0,017 а.е. = 2,618 млн. км. Радиус контролируемой сферы составляет лишь 1,31 млн. км. При ожидаемой скорости сближения астероидов с Землей 20 км/с [10] это расстояние будет пройдено за ~18 часов. Этого времени недостаточно для измерения параметров орбитального движения астероида, определения степени его опасности и организации противодействия. Как указано в [11], для выявления потенциально опасного небесного тела необходимо его наблюдение на дуге длительностью 2 суток.
В качестве прототипа принята описанная в патенте РФ №2517800 [12] космическая система обзора небесной сферы для наблюдения небесных объектов и обнаружения тел Солнечной системы.
В этой космической системе по крайней мере один космический аппарат с аппаратурой наблюдения выводится на геостационарную или близкую к ней геосинхронную орбиту. На КА неподвижно установлена оптическая бортовая аппаратура обнаружения (БАО). КА вращается с заданной угловой скоростью, сканируя небесную сферу полем зрения БАО по участкам больших кругов заданной длины. При этом возникают полосы сканирования с шириной, соответствующей размеру поля зрения БАО. Смежные полосы образуют участок сканирования заданного размера. Участками сканирования покрывают всю небесную сферу за исключением околосолнечной области, представляющей собой круг с угловым радиусом, соответствующим углу засветки БАО Солнцем. Фотоприемное устройство БАО представляет собой мозаику матричных приборов с зарядовой связью, работающих в режиме временной задержки и накопления.
Существенным недостатком данного прототипа является невозможность обнаружения опасных небесных тел, приближающихся к Земле из области околосолнечного пространства между Солнцем и Землей, недоступной для наблюдения с Земли и околоземных орбит. Эта область представляет собой конус с вершиной на Земле, с осью, направленной на Солнце, и углом при вершине, равным углу засветки Солнцем аппаратуры наблюдения, в дальнейшем именуемый конусом недоступности.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в том, что предлагаемая космическая система вырабатывает информацию обо всех опасных для Земли небесных телах, летящих к Земле со всех направлений, в том числе со стороны Солнца, и выдает заинтересованным абонентам системы заблаговременные сообщения о времени и районе падения небесного тела для принятия решений по ликвидации опасности или организации мероприятий для снижения ущерба от столкновения небесного тела с Землей.
Технический результат также заключается в возможности выдачи целеуказаний космическому аппарату второго космического комплекса, установленному на гелиоцентрической орбите Земли, о прогнозируемых времени и месте входа небесного тела в конус недоступности, полученных в результате наблюдений с космического аппарата первого космического комплекса, установленного на геостационарной (геосинхронной) орбите, что увеличивает время предупреждения об опасных небесных телах, летящих к Земле со стороны Солнца.
Технический результат заключается также в возможности организации синхронных наблюдений двумя удаленными на большое расстояние космическими аппаратами первого и второго космических комплексов одного и того же небесного тела для получения его точных координат и параметров движения.
Указанный технический результат достигается тем, что в состав космической системы обзора небесной сферы для наблюдения небесных объектов и обнаружения опасных для Земли небесных тел - астероидов и комет - включены два космических комплекса.
Первый космический комплекс состоит из космического аппарата, размещаемого на геостационарной или близкой к ней геосинхронной орбите (КА-ГСО) с бортовой аппаратурой обнаружения небесных тел (БАО-ГСО), осуществляющего обзор всей небесной сферы, кроме круговой области с центром на Солнце и угловым радиусом, равным углу засветки Солнцем аппаратуры БАО-ГСО. В состав первого космического комплекса также входят: пункт приема информации с КА-ГСО (ППИ-ГСО), пункт первичной обработки информации, принимаемой с КА-ГСО (ППОИ-ГСО), пункт передачи команд на КА-ГСО (ППК-ГСО) и центр управления полетом КА-ГСО (ЦУП-ГСО).
При проницающей силе телескопов БАО-ГСО 25 звездных величин первый космический комплекс сможет обнаруживать опасные для Земли небесные тела размером 50 и более метров за месяц до возможного столкновения.
Второй космический комплекс состоит из космического аппарата, размещаемого на гелиоцентрической орбите Земли (КА-ГЦО) на расстоянии от Земли от 40 млн. километров до 80 млн. километров, с бортовой оптической аппаратурой обнаружения небесных тел (БАО-ГЦО), осуществляющего обзор ограниченного трехмерного пространства между Солнцем и Землей, недоступного для наблюдения оптическими средствами с Земли и с околоземных орбит, в том числе с КА-ГСО. Ограниченное трехмерное пространство имеет форму кругового конуса (конуса недоступности) с вершиной в центре Земли, с осью, направленной в центр Солнца, и с углом при вершине конуса, равным углу засветки Солнцем аппаратуры БАО-ГСО. При этом область небесной сферы внутри наблюдаемого с КА-ГЦО контура конуса недоступности ограничивается со стороны Солнца кругом засветки с центром на Солнце и с угловым радиусом, равным углу засветки Солнцем оптической аппаратуры БАО-ГЦО. Обзор области небесной сферы внутри контура конуса недоступности, ограниченной кругом засветки, осуществляется в пределах всей видимой с КА-ГЦО этой области или ее части.
Кроме того, в состав второго космического комплекса входят: пункт приема информации с КА-ГЦО (ППИ-ГЦО), пункт первичной обработки информации, принимаемой с КА-ГЦО (ППОИ-ГЦО), пункт передачи команд на КА-ГЦО (ППК-ГЦО) и центр управления полетом КА-ГЦО (ЦУП-ГЦО).
Также в состав космической системы обзора небесной сферы для наблюдения небесных объектов и обнаружения опасных для Земли небесных тел - астероидов и комет - входят: наземный информационно-управляющий центр (НИУЦ), включающий в себя комплекс управления системы (КУ), блок связи с абонентами системы (БСА) и центр комплексной обработки информации (ЦКОИ), передаваемой с первого и второго космических комплексов, наземных и космических обсерваторий, из Центра малых планет. НИУЦ соединен линиями связи с ЦУП-ГСО, ЦУП-ГЦО, ППОИ-ГСО и ППОИ-ГЦО. ЦУП-ГСО соединен линиями связи с ППК-ГСО. ЦУП-ГЦО соединен линиями связи с ППК-ГЦО. ППК-ГСО соединен радиолинией с КА-ГСО, ППК-ГЦО соединен радиолинией с КА-ГЦО. КА-ГСО соединен радиолинией с ППИ-ГСО. КА-ГЦО соединен радиолинией с ППИ-ГСО.
ППИ-ГСО соединен линией связи с ППОИ-ГСО. ППИ-ГЦО соединен линией связи с ППОИ-ГЦО.
Кроме того, в комплекс управления системы включены блок подготовки исходных данных для сканирования БАО-ГСО, блок подготовки исходных данных БАО-ГЦО и блок выдачи целеуказания и команд.
Блок выдачи целеуказания и команд по информации, поступающей с первого космического комплекса и внешних абонентов системы, определяет координаты и время вхождения небесных тел в конус недоступности, передаваемые НИУЦ через ЦУП-ГЦО и ППК-ГЦО на КА-ГЦО, а в состав КА-ГЦО дополнительно включены блок формирования параметров наведения оптической оси БАО-ГЦО (БНОО) и блок запоминания и выдачи информации (БЗВИ).
ЦКОИ при обработке полученной информации вычисляет орбиты обнаруженных небесных тел и определяет небесные тела, у которых велика вероятность столкновения с Землей, определяет время и место возможного столкновения.
НИУЦ через БСА по линиям связи передает эту информацию заинтересованным абонентам системы, к которым относятся, например, Государственные органы управления, Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации стихийных бедствий, система противоастероидной защиты Земли, наземные и космические обсерватории, Центр малых планет.
Структурная схема предлагаемой космической системы приведена на фиг. 1, где:
1 - первый космический комплекс;
2 - второй космический комплекс;
3 - наземный информационно-управляющий центр НИУЦ;
4 - внешние абоненты, не входящие в состав системы;
5 - космический аппарат первого космического комплекса на геосинхронной орбите КА-ГСО;
6 - пункт приема информации первого космического комплекса ППИ-ГСО;
7 - пункт передачи команд первого космического комплекса ППК-ГСО;
8 - пункт предварительной обработки информации первого космического комплекса ППОИ-ГСО;
9 - центр управления полетом первого космического комплекса ЦУП-ГСО;
10 - космический аппарат второго космического комплекса на геоцентрической орбите КА-ГЦО;
11 - пункт передачи команд второго космического комплекса ППК-ГЦО;
12 - пункт приема информации второго космического комплекса ППИ-ГЦО;
13 - центр управления полетом второго космического комплекса ЦУП-ГЦО;
14 - пункт предварительной обработки информации второго космического комплекса ППОИ-ГЦО;
15 - комплекс управления КУ;
16 - блок подготовки исходных данных для сканирования КА-ГСО БПС-ГСО;
17 - блок подготовки исходных данных для сканирования КА-ГЦО БПС-ГЦО;
18 - блок выдачи целеуказаний и команд БЦУК;
19 - центр комплексной обработки информации ЦКОИ;
20 - блок обработки информации, поступающей с КА-ГСО БОИ-ГСО;
21 - блок обработки информации, поступающей с КА-ГЦО БОИ-ГЦО;
22 - блок совместной обработки информации БСОИ;
23 - блок связи с абонентами системы БСА.
Космическая система обзора небесной сферы для наблюдения небесных объектов и обнаружения опасных для Земли небесных тел - астероидов и комет - включает в себя первый и второй космические комплексы, наземный информационно-управляющий центр НИУЦ и линии связи с внешними абонентами системы.
В состав первого космического комплекса входят: космический аппарат КА-ГСО, размещаемый на геостационарной или близкой к ней геосинхронной орбите, пункт передачи команд ППК-ГСО, пункт приема передаваемой с КА-ГСО информации ППИ-ГСО, пункт первичной обработки передаваемой с КА-ГСО информации ППОИ-ГСО и Центр управления полетом КА-ГСО ЦУП-ГСО.
В состав второго космического комплекса входят: космический аппарат КА-ГЦО, размещаемый на геоцентрической орбите на расстоянии от 40 до 80 млн. км впереди Земли, пункт передачи команд ППК-ГЦО, пункт приема передаваемой с КА-ГЦО информации ППИ-ГЦО, пункт первичной обработки передаваемой с КА-ГЦО информации ППОИ-ГЦО и центр управления полетом КА-ГЦО ЦУП-ГЦО. Следует отметить, что для передачи команд и приема информации из-за большого расстояния до КА-ГЦО во втором космическом комплексе, в отличие от первого космического комплекса, используются наземные пункты с большими антеннами дальней космической связи.
Функции наземного пункта управления, приема и обработки информации в части управления средствами системы разделены между входящим в состав НИУЦ комплексом управления средствами системы КУ, центрами управления полетом космических аппаратов ЦУП-ГСО и ЦУП-ГЦО и пунктами передачи команд ППК-ГСО и ППК-ГЦО. В части приема и обработки информации соответствующие функции наземного пункта разделены между пунктами приема информации ППИ-ГСО и ППИ-ГЦО, пунктами первичной обработки ППОИ-ГСО и ППОИ-ГЦО и входящим в состав НИУЦ центром комплексной обработки информации ЦКОИ. Важным отличительным признаком является введение в состав КУ блоков подготовки исходных данных БПС-ГСО и БПС-ГЦО для сканирования космического пространства космическими аппаратами соответственно КА-ГСО и КА-ГЦО. Блок БПС-ГЦО учитывает ограниченность требуемого обзора небесной сферы лишь пределами контура конуса недоступности, наблюдаемого с КА-ГЦО, учитывает специфику сканирования в пределах этого контура и вырабатывает обобщенные параметры сканирования. К ним относятся моменты начала очередного цикла обзора небесной сферы в пределах контура конуса недоступности, моменты начала каждого скана и его параметры: начальные координаты, направление, скорость и длина полосы сканирования. Все эти параметры по линиям связи передаются последовательно через ЦУП-ГЦО и ППК-ГЦО на КА-ГЦО.
Схема космического аппарата КА-ГСО первого космического комплекса приведена на фиг. 2, где:
5 - космический аппарат КА-ГСО;
24 - бортовая аппаратура обнаружения БАО-ГСО космического аппарата КА-ГСО;
25 - телескоп космического аппарата КА-ГСО;
26 - блок управления космическим устройством перемещения основания БУМУ-ГСО космического аппарата КА-ГСО;
27 - механическое устройство перемещения основания МУПО-ГСО космического аппарата КА-ГСО;
28 - основание фотоприемных устройств космического аппарата КА-ГСО;
29 - система управления движением и навигации СУДН-ГСО космического аппарата КА-ГСО;
30 - основное фотоприемное устройство ОФПУ-ГСО космического аппарата КА-ГСО;
31 - фотоприемное устройство звездных датчиков ФПУЗД-ГСО космического аппарата КА-ГСО;
32 - комплекс управления сканированием КУС-ГСО космического аппарата КА-ГСО;
33 - блок управления и обработки информации основного фотоприемного устройства БУОФПУ-ГСО космического аппарата КА-ГСО;
34 - блок управления и обработки информации фотоприемного устройства звездных датчиков БУЗД-ГСО космического аппарата КА-ГСО;
35 - приемо-передающая аппаратура космического аппарата КА-ГСО;
36 - передатчик космического аппарата КА-ГСО;
37 - приемник космического аппарата КА-ГСО;
38 - антенно-фидерная система космического аппарата КА-ГСО;
39 - малонаправленные антенны МНА-ГСО космического аппарата КА-ГСО;
40 - остронаправленные антенны ОНА-ГСО космического аппарата КА-ГСО;
41 - приводы ОНА-ГСО космического аппарата КА-ГСО;
42 - блок управления приводами ОНА-ГСО космического аппарата КА-ГСО.
Схема космического аппарата КА-ГЦО второго космического комплекса приведена на фиг. 3, где:
10 - космический аппарат КА-ГЦО;
43 - бортовая аппаратура обнаружения БАО-ГЦО космического аппарата КА-ГЦО;
44 - телескоп космического аппарата КА-ГЦО;
45 - блок управления механическим устройством БУМУ-ГЦО космического аппарата КА-ГЦО;
46 - механическое устройство перемещения основания МУПО-ГЦО космического аппарата КА-ГЦО;
47 - основание фотоприемных устройств космического аппарата КА-ГЦО;
48 - основное фотоприемное устройство ОФПУ-ГЦО космического аппарата КА-ГЦО;
49 - фотоприемное устройство звездных датчиков ФПУЗД-ГЦО космического аппарата КА-ГЦО;
50 - система управления движением и навигации СУДН-ГЦО космического аппарата КА-ГЦО;
51 - комплекс управления сканированием КУС-ГЦО космического аппарата КА-ГЦО;
52 - блок управления и обработки информации основного фотоприемного устройства БУОФПУ-ГЦО космического аппарата КА-ГЦО;
53 - блок управления и обработки информации фотоприемного устройства звездных датчиков БУЗД-ГЦО космического аппарата КА-ГЦО;
54 - блок формирования параметров наведения оптической оси бортовой аппаратуры обнаружения БНОО космического аппарата КА-ГЦО;
55 - блок запоминания и выдачи информации БЗВИ космического аппарата КА-ГЦО;
56 - приемо-передающая аппаратура космического аппарата КА-ГЦО;
57 - передатчик космического аппарата КА-ГЦО;
58 - приемник космического аппарата КА-ГЦО;
59 - антенно-фидерная система космического аппарата КА-ГЦО;
60 - малонаправленные антенны МНА-ГЦО космического аппарата КА-ГЦО;
61 - остронаправленная антенна ОНА-ГЦО космического аппарата КА-ГЦО;
62 - привод ОНА-ГЦО космического аппарата КА-ГЦО;
63 - блок управления приводом ОНА-ГЦО космического аппарата КА-ГЦО.
Космический аппарат КА-ГЦО второго космического комплекса отличается от космического аппарата КА-ГСО первого космического комплекса тем, что в состав КА-ГЦО включены дополнительные блок формирования параметров наведения оптической оси БАО-ГЦО БНОО и блок запоминания и выдачи информации БЗВИ. Кроме того, конструктивные характеристики таких его элементов, как бортовая аппаратура обнаружения, приемо-передающая аппаратура и антенно-фидерная система из-за большой дальности радиосвязи и изменившихся условий наблюдения существенно отличаются от соответствующих элементов КА-ГСО.
Функционирование космической системы обзора небесной сферы для наблюдения небесных объектов и обнаружения опасных для Земли небесных тел - астероидов и комет - осуществляется следующим образом.
КА-ГСО выводится на геостационарную или близкую к ней геосинхронную орбиту и осуществляет по задаваемой программе постоянный обзор всей небесной сферы за 2-5 суток, кроме околосолнечной области. Если обнаруживается астероид, у которого по проведенным оценкам вероятность сближения с Землей не является пренебрежимо малой, для уточнения его орбиты к наблюдению этого астероида временно привлекается КА-ГЦО, установленный на геоцентрической орбите Земли. Образуется пара наблюдателей с большой базой, позволяющей повысить точность определения орбиты и степень опасности для Земли.
Часть астероидов, летящих по направлению к Земле со стороны Солнца, обнаруживаются КА-ГСО до их вхождения в конус недоступности. По результатам обработки измеренных параметров орбиты такого астероида, проведенных в ЦКОИ наземного информационно-управляющего пункта, определяются время и координаты его вхождения в конус недоступности. Эти данные через ЦУП-ГЦО и ППК-ГЦО передаются на КА-ГЦО. Оптическая ось БАО-ГЦО наводится по этим целеуказаниям для обнаружения в конусе недоступности ожидаемого небесного тела. Предварительное целеуказание, передаваемое на КА-ГЦО для обнаружения небесных тел, летящих к Земле со стороны Солнца, увеличивает время предупреждения о возможном столкновении.
При отсутствии необходимости синхронных наблюдений небесного тела и предварительных целеуказаний КА-ГЦО по задаваемой программе постоянно производит обзор космического пространства в пределах возможной для его наблюдений части контура конуса недоступности.
Космический аппарат КА-ГЦО выводится на гелиоцентрическую орбиту Земли на расстояние от 40 млн. километров до 80 млн. километров впереди Земли. Наблюдаемый с наземного пункта КА-ГЦО при вращении Земли вокруг своей оси совершает видимое суточное движение по небосводу, повторяя движение Солнца со сдвигом по времени приблизительно на 6 часов. При "заходе" КА-ГЦО под местный горизонт его радиовидимость отсутствует. Поэтому в интервалах времени, когда радиовидимость отсутствует, непрерывно поступающая от БАО-ГЦО информация запоминается в БЗВИ. После начала очередного интервала радиовидимости запомненная информация передается на наземный пункт вместе с потоком информации, выдаваемой из БАО-ГЦО в реальном времени.
Бортовая аппаратура обнаружения установлена на КА-ГЦО так же, как и на КА-ГСО, неподвижно. Разворотами корпуса космический аппарат КА-ГЦО производит последовательный обзор (сканирование полем зрения БАО-ГЦО) всего телесного угла или его некоторой части в пределах контура конуса недоступности. При этом, в зависимости от фона части небесной сферы, попадающей в пределы контура конуса недоступности, задают различные времена экспозиции для различных положений поля зрения БАО-ГЦО.
Для оценок времени обзора конуса недоступности вторым космическим комплексом принято, например, что КА-ГЦО установлен на орбите Земли на расстоянии 50 млн. км от нее, размер поля зрения БАО-ГЦО 3°×3°, проницающая сила телескопа БАО-ГЦО 25 звездных величин, скорость сближения небесного тела с Землей 23 км/с. По проведенным оценкам, цикл обзора всей области небесной сферы в пределах контура конуса недоступности и круга засветки может составлять 8-12 часов. При указанной проницающей силе телескопа размер обнаруживаемых астероидов, рассчитанный на основании полуэмпирической формулы определения блеска астероидов ([13], формула 3.6), составляет ~45 м и более. При установке на КА-ГЦО телескопа с большей проницающей силой возможно обнаружение астероидов меньшего размера.
Время цикла обзора может быть сокращено до 3-4 часов, если ограничить обзор конуса недоступности не зоной засветки, а предельным азимутом обзора, например α≤20°, что эквивалентно максимальному удалению наблюдаемых небесных тел от Земли от 25 до 38 млн. километров. Ожидаемое время подлета к Земле наблюдаемых небесных тел при этом составит 12-19 суток.
Такую возможность изменения основных параметров функционирования космической системы также можно считать важным техническим результатом, поскольку она позволяет выбирать оптимальный интервал времени между информационными контактами при наблюдении небесных тел.
Вырабатываемая на КА-ГЦО целевая выходная информация представляет собой поток измеренных угловых координат и блеска всех зарегистрированных (обнаруженных) точечных источников излучения в цифровой форме, подвергнутый сжатию. Эти данные по радиолинии транслируются на ГШИ-ГЦО, а затем через ППОИ-ГЦО по линии связи передаются в НИУЦ, в котором эта информация поступает в ЦКОИ.
ЦКОИ осуществляет обработку всей полученной информации, вырабатывает окончательную информацию об обнаруженных небесных телах и в случае обнаружения потенциально опасных небесных тел выдает в согласованном формате эту информацию органам государственного управления, МЧС и другим организациям, входящим в состав внешних абонентов.
Предлагаемая космическая система допускает увеличение количества космических аппаратов второго космического комплекса и размещение их на земной орбите не только впереди, но и позади Земли на расстоянии от 40 млн. км до 80 млн. км. При этом должно быть соответственно увеличено количество пунктов передачи команд, пунктов приема информации и пунктов первичной обработки информации.
Схема обзора вторым космическим комплексом конуса недоступности, который не может наблюдать первый космический комплекс, показана на фиг. 4. На ней изображена геометрия наблюдения трехмерного космического пространства в проекции на плоскость эклиптики. На фиг. 4 показан пример расположения КА-ГЦО в точке 64, находящейся впереди Земли 65 на расстоянии ~50 млн. километров на Земной орбите 66. Вершина конуса недоступности расположена на Земле, а его ось направлена от Земли на Солнце 67. Пунктиром показана круговая граница области засветки в плоскости эклиптики (круг засветки). В этой области с центром на Солнце невозможно наблюдать небесные тела из любой точки на орбите Земли при угле е засветки аппаратуры наблюдения. В трехмерном пространстве область засветки представляет собой сферу, радиус 68 которой равен радиусу орбиты Земли, умноженному на sine. Луч 69 на фиг. 4, проведенный из точки 64 (от КА-ГЦО) касательно к кругу засветки, показывает границу, левее и выше которой на чертеже БАО-ГЦО способна обнаруживать небесные тела. Аналогичные лучи 70, проведенные от Земли 65 касательно к кругу засветки, представляют границы конуса недоступности. Поэтому треугольник, образованный двумя лучами 70 и лучом 69, характеризует сечение плоскостью эклиптики той части конуса недоступности, в которой бортовая аппаратура КА-ГЦО может наблюдать небесные тела.
При расчете координат точек контура конуса недоступности на небесной сфере, в пределах которого должно производиться наблюдение небесных тел из точки 64, используются два угла: азимутальный Угол α в плоскости эклиптики и угол места β в плоскости, перпендикулярной плоскости эклиптики и соответствующей углу α. Угол α, рассматриваемый как аргумент при описании контура конуса недоступности, отсчитывается в плоскости эклиптики от направления перпендикуляра, опущенного из точки 64 на ось конуса недоступности (на линию 65-67 на фиг. 4). Значения углов α, существенные для рассматриваемой области конуса недоступности между Солнцем и Землей, ограничиваются областью эллиптических сечений этого конуса: α<(90°-ε). При больших значениях угла α точки контура конуса определяются параболическим и гиперболическими сечениями.
На фиг. 5 показано эллиптическое сечение 71 конуса недоступности, соответствующее азимутальному углу α на фиг. 4. Касательные к эллипсу 71 определяют максимальные значения угла места β в верхней и нижней полусферах в пределах конуса недоступности при данном α.
На фиг. 6 показана функциональная зависимость βmax(α), характеризующая контур конуса недоступности. Приведены верхняя и нижняя границы контура конуса недоступности, соответствующие углу засветки ε=30° и расстоянию 1/3 а.е. (50 млн. км) между КА-ГЦО и Землей. Следует отметить, что величина угла засветки в значительной степени определяется качеством экранирующей бленды бортовой аппаратуры обнаружения и может несколько отличаться от принятой выше.
Нижняя граница контура конуса недоступности, как видно из фиг. 5, симметрична его верхней границе. Со стороны Солнца область небесной сферы внутри контура конуса недоступности, в которой возможно наблюдать небесные тела, ограничена зоной засветки, т.е. кругом засветки 72 (см. фиг. 6) с угловым радиусом ε, центр которого находится на Солнце. В предлагаемом изобретении возможен обзор как всей области (телесного угла) небесной сферы, ограниченной контуром конуса недоступности и кругом засветки, так и ее задаваемой части.
На фиг. 7 и фиг. 8 в качестве одного из наиболее неблагоприятных для наблюдения примеров приведены схемы наблюдения астероида, движущегося со стороны Солнца, соответственно за 25 и 5 суток до столкновения с Землей. Подлетное время рассматривается как интервал от момента возможного обнаружения астероида до его столкновения с Землей. Оценка подлетного времени сделана для астероида, движущегося в плоскости эклиптики по догоняющей столкновительной траектории (орбите), недоступной для наблюдения с Земли и околоземных орбит.
В данном примере приняты следующие параметры эллиптической орбиты астероида: радиус в перигелии 0,3 а.е., радиус в афелии 2,0 а.е., период обращения 450 суток. КА-ГЦО на орбите Земли удален от нее на расстояние 51,4 млн. км, при котором Земля отстает от КА на 20 суток.
На фиг. 7 и фиг. 8 показаны точка положения КА-ГЦО 64, а также точка положения Земли 65 на ее орбите 66 и Солнце 67. Буквами обозначены: А - положение астероида; ТС - точка столкновения астероида с Землей; λ - сектор углов, недоступных для наблюдения с Земли 65 и околоземных орбит, т.е. границы конуса недоступности; μ - сектор углов, доступных для наблюдения с КА-ГЦО (левая граница сектора проходит через Землю 65, т.е. через вершину подлежащего наблюдению конуса недоступности).
Схема наблюдения на фиг. 7 относится к моменту начала наблюдения астероида А. В этот момент за 25 суток до столкновения астероид выходит на границу сектора μ.
Схема наблюдения на фиг. 8 показывает положение астероида, Земли и КА-ГЦО за 5 суток до столкновения. Астероид находится внутри сектора μ.
На фиг. 7 и фиг. 8 видно, что, начиная с момента 25 суток до столкновения, астероид непрерывно находится в секторе μ, т.е. доступен для наблюдения с КА-ГЦО. При этом на протяжении всего интервала времени от момента 25 суток и до момента 5 суток и далее вплоть до столкновения с Землей астероид находится в секторе λ, т.е. является невидимым с Земли и с околоземных орбит, в том числе с КА-ГСО.
Таким образом, подлетное время с момента обнаружения астероида в рассмотренном примере составляет 25 суток.
Предлагаемое изобретение предназначено для обнаружения опасных небесных тел, летящих к Земле со всех сторон небесной сферы, включая небесные тела, летящие к Земле со стороны Солнца. Применение этого изобретения позволяет впервые решить задачу заблаговременного (за 10-20 суток) обнаружения небесных тел, летящих со стороны Солнца, которые до сих пор не могут наблюдаться никакими средствами с Земли и околоземных орбит. Уточняемая информация об орбитальных параметрах обнаруженных небесных тел может выдаваться через каждые 4-8 часов.
Кроме того, данное изобретение может быть использовано для исследований космического пространства по различным научным программам, например, уточнение популяции астероидов, обнаружение слабых галактических объектов переменной яркости, наблюдение событий микролинзирования, наблюдение вспышек новых звезд.
Из вышеизложенного следует, что предлагаемые технические решения имеют преимущество перед всеми известными космическими и наземными средствами при решении задачи предупреждения о падении на Землю астероидов и комет, летящих со всех сторон небесной сферы.
Источники информации
1. http//ru.wikipedia.org/wiki/Hubble
2. http//ru.wikipedia.org/wiki/Spitzer
3. http//ru.wikipedia.org/wiki/SOHO
4. http//ru.wikipedia.org/wiki/Gaia
5. http//www.neossat.ca/
6. http//www.dlr.de/pf/en/desktopdefault.aspx/tabid-174/319_read-l8911/
7. http//wise.ssl.berkeley.edu/
8. http//ru/wikipedia.org/wiki/Large Sinoptic Survay Telescope
9. Чубей M.C., Куприянов B.B., Львов B.H. и др. Средства, возможности и методы решения задач астероидной и кометной опасности в проекте «Орбитальная звездная стереоскопическая обсерватория». Экологический вестник научных центров Черноморского сотрудничества. Т. 2. №4. 2013.
10. Нароенков С.А., Шустов Б.М. Распределение скоростей потенциально опасных объектов. Космические исследования. 2012. Т. 50.
11. Нароенков С.А., Шустов Б.М., Емельяненко В.В. О длине дуги наблюдений малого тела Солнечной системы, достаточной для классификации его как опасного. Космические исследования. 2013. Т. 51. №5.
12. Патент РФ №2517800, 17.12.2012. «Способ обзора небесной сферы с космического аппарата для наблюдения небесных объектов и космическая система наблюдения небесных объектов и обнаружения тел Солнечной системы, реализующая этот способ», ОАО «Корпорация «Комета».
13. Астероидно-кометная опасность: вчера, сегодня, завтра. Под ред. Б.М. Шустова, Л.В. Рыхловой. Москва. Физматлит. 2013.