Принципы построения и показатели целевой эффективности системы оперативного предупреждения об астероидно-кометной опасности «Космический барьер»

/44 Civil SecurityTechnology, Vol. 13, 2016, No. 1 (47) УДК 629.78

Принципы построения и показатели целевой эффективности системы оперативного предупреждения об астероидно-кометной опасности «Космический барьер»

ISSN 1996-8493

© Технологии гражданской безопасности, 2016

В.А. Емельянов, М.И. Савельев, К.С. Елкин, Ю.С. Бодрова, Ю.К. Меркушев, Р.П. Рамалданов

Аннотация

Рассматривается размещение на гелиоцентрической орбите Земли 2-х космических телескопов оперативного предупреждения о падении на Землю астероидов, идущих к Земле по столкновительным траекториям. Каждый телескоп функционирует в режимах обзорно-поискового наблюдения и последующего совместного проведения синхронно-базисных измерений положений обнаруженного астероида, идущего от перигелия к точке встречи с Землей.

Ключевые слова: астероидно-кометная опасность; чрезвычайная ситуация; афелий; перигелий; наземный и космический телескопы.

Design Principles and the Target Efficiency of Indicators for Asteroid Comet Hazard Rapid Warning System "Space Barrier"

ISSN 1996-8493

© Civil Security Technology, 2016

V. Emel'yanov, M. Savelyev, K. Elkin, Yu. Bodrova, Yu.Merkushev, R. Ramaldanov

Abstract

Is examined the arrangement in heliocentric orbit of the Earth of the 2nd space telescopes of operational warning about a drop to the earth in the small asteroids, which go to the Earth along the collision trajectories. Each telescope functions in the regimes of survey-search observation and subsequent joint conducting of the synchronous-basic measurements of the positions of the discovered asteroid, which goes from the perihelion to the collision point with the Earth.

Key words: asteroid-comet danger; emergencies; aphelion; perihelion; ground-based and space telescopes.

Возможности наземных и космических телескопов обнаружения малых астероидов, идущих по столкновительным с Землей траекториям

С падением Челябинского метеорита проблема обнаружения опасных для Земли небесных тел Солнечной системы (ОНТ) стала предметом особого внимания мирового сообщества. В подобных случаях

применение наземных телескопов (НТ) по обнаружению ОНТ малоэффективно и/или невозможно. В этих условиях наиболее рационально применение космических телескопов (КТ), что подтверждается сравнительным анализом функциональных возможностей наземного и космического телескопов [1].

Полагается, что встреча астероида с Землей происходит в некоторый момент когда точка встречи В астероида находится в одном из узлов его орбиты.

Возможны четыре варианта движения астероида к точке встречи В: прямое движение от перигелия (ПДП), прямое движение от афелия (ПДА), обратное движение от перигелия (ОДП) и обратное движение от афелия (ОДА). В данном случае баллистическое построение КТ с учетом барьерной зоны (БЗ) обнаружения представлено на рис.1.

Возможность обнаружения астероида НТ и КТ в моменты времени 11, предшествующие моменту ^ встречи астероида с Землей, определяется по взаимным положениям астероида и Земли в текущие моменты 1 Разности ^ - 1 дают времена Тв, расходуемые на определение его орбиты (То) и проведение защитных мероприятий по парированию чрезвычайных ситуаций космического происхождения Тм = Тв

- То Ш.

Для множества рассмотренных значений афелий-ных, перигелийных расстояний и наклонений орбиты

— соответственно Q, q и i лишь для вариантов ПДП и некоторых вариантов ОДП траекторий астероидов применение НТ не целесообразно вследствие ограниченности реализуемых ими значений Тв-

В табл. 1 приведены времена видимости Тв наземным телескопом астероидов, идущих к Земле по различным траекториям. Траектории ОДП и ПДП астероидов, для обнаружения которых целесообразно применение КТ, помечены знаком «+».

При построении системы «Космический барьер» необходимо выполнить следующие условия по принципам построения и техническим характеристикам космических телескопов [2]:

сканирование ограниченной области небесной сферы БЗ обнаружения малых астероидов с полями зрения (ПЗ) двух КТ, находящихся на орбите Земли впереди и позади нее на значительных расстояниях и 12, которые позволяют обеспечить синхронно-ба-

зисные измерения положений обнаруженного астероида, идущего по угрожающей Земле траектории;

для достижения без пропуска обзора БЗ с уменьшением количества пикселей в ПЗС-линейке КТ необходим режим непрерывного синфазного равномерного вращения ПЗ без разгона, торможения и успокоения КА;

обеспечение в режиме временной задержки и накопления заряда (ВЗН) большего времени накопления полезного сигнала в накопительном столбце (НС) за счет увеличения в 2-3 раза длины пути изображения поперек вращаемого НС по сравнению с неподвижным;

обеспечение вращения поля зрения телескопа, производимое вокруг направления между передним телескопом Т (или задним Т2) и любой точкой К, принадлежащей орбите Земли (положение точки К оптимизируется);

углы вращения а(1), а(2) вокруг оптических осей (ОО) телескопов должны превышать величину 30° по отношению к углу солнечной элонгации у на внешних краях полей зрения;

вращение ОО телескопов с периодами Т Т , должно обеспечить непрерывное нахождение астероида в поле зрения телескопов, проходящего через БЗ, даже на малом (~0,05 а.е.) расстоянии от них.

Требуемые характеристики телескопов приведены в табл.2.

Принцип работы ПЗС — линейки телескопов проиллюстрирован на рис. 2.

На рис. 2 показано увеличение длины А0А1 пути изображения астероида из точки Ао, соответствующей моменту его входа в НС, в точку А1, соответствующую моменту его выхода из этого столбца. Она превышает размер пикселя — высоту неподвижного столбца, помеченного цифрой 3.

Рис. 1. Положение БЗ относительно астероида А, идущего к точке встречи В от перигелия, соответствующее моменту

1 = 1В - Тв его обнаружения КТ

/46

^П SecurityTechnology, Vol. 13, 2016, No. 1

Параметры орбит угрожающих Земле астероидов

Таблица 1

Параметры орбиты: Q = 1,1 а.е., q = 0,9 а.е.

Вариант ПДП

Tв, сУт 104-362 4-280 0-33 222-160 338-365 0-26 205-144

Необходимость КТ + - - +

Параметры орбиты: Q = 1,6 а.е., q = 0,1 а.е.

^ сУт 0 0-133 0-69 75-117

Необходимость КТ + - - +

Параметры орбиты: Q = 1,6 а.е., q = 0,9 а.е.

^ сУт 61-347 0-230 0-37 169-291 0-23 137-239

Необходимость КТ + - - +

Параметры орбиты: Q = 40 а.е., q = 0,1 а.е.

ТВ, сут 202-365 0-121 275-365 0-87 205-365 69-161 308-365

Необходимость КТ + - - +

Технические параметры телескопов Т1 и Т2

Таблица 2

Параметр Значение

апертура D 1500 мм

фокусное расстояние Г 3 м

поле зрения 2р 6 град

диаметр кружка рассеяния 15-20 мкм

количество пикселей N в строках ПЗС-матрицы 4,048^104

количество пикселей М в столбцах накопления 512+1024

угловой размер пикселя 5 0,55 угл. с

период сканирования контролируемого пространства Тск 8 час

время переноса зарядов в центральных столбцах ПЗС-линейки ограни-ченное ее вращением 0,12 с

максимальный диаметр оптических элементов 1600 мм

диаметр светозащитной козырьковой бленды при угле между краем поля зрения и направлением на солнце 50° 1100 мм

диаметр входного окна 1700 мм

масса усеченной складной бленды с крышкой 50 кг

масса телескопа 700 кг

частота опроса считывающего регистра, при ^ = 0,12 с, Гц 7^105

ежесекундный объем получаемой информации, бит 2^107

объем информации J8, получаемый за время Тск при 3-х кратном сжатии, бит 2^10"

требуемая пропускная способность R радиолинии для передачи информации J8 за 3 часа, бит/с 2^107

После первоначального обнаружения астероида одним из телескопов предусматривается перевод обоих КТ из режима обзорно-поискового наблюдения в режим совместного сопровождения обнаруженного астероида с проведением кадровой съемки. Используются малые ПЗС — матрицы с параметрами МЫ = 512 • 512 пикс2, аП = 12 мкм, 5 = 0,55 угл. с. В алгоритме высокоточного перенацеливания поля зрения телескопа на астероид, обнаруженный другим телескопом, используются принципы, изложенные в [2].

Требуемый запас характеристической скорости на выведение переднего КТ на расстояние 11 = 0,3 а.е. от

Земли составляет ~3,76 км/с а на его поддержание в течение 10 лет ~ 65 м/с.

Имитационная модель движения регистрируемых изображений астероида по фотоприемному устройству космического телескопа

В качестве основных показателей целевой эффективности принимались минимальный размер обнаруживаемого астероида d и время ТВ от момента обнаружения до последующего момента его встречи с Землей. Относительная значимость каждого из этих

Рис. 2. Графика вращения ПЗС — линейки телескопа в режиме съемки

показателей требует более детальных научных исследований, в том числе с целью формирования системы предотвращения падения на Землю или системы предупреждения АКО [1]. В принципе возможно использование дополнительного обобщенного показателя эффективности равного

Тв - Т

а3

где Т0 — время, необходимое для определения орбиты обнаруженного астероида и его пролетного расстояния, поскольку дальность увода его со столкно-вительной орбиты может определяться [3] указанным отношением. При работе «Космического барьера» в режиме предупреждения АКО следует полагать, что в качестве £ может приниматься

Т -Т 4 =  к.

а

Здесь К — коэффициент, устанавливающий связь между временем ТВ - То и площадью района, в котором должны осуществляться защитные мероприятия в системе МЧС России с учетом возможных рисков

К = R.

В зависимости от достоверности прогноза наступления АКО, население и территории могут оказаться в зонах приемлемого или неприемлемого риска. В данном случае риск R = f (Ронт*и§) отражает функцию частоты и последствий нежелательного события, выраженную соответственно через вероятность появления АКО (Р ) и уязвимость (и) населения и

у онт' ^ §

территорий [4].

Имитационным моделированием определялись условия одновременного совмещения в некоторые моменты времени t следующих событий:

накрытия элемента барьерной зоны вращающимся мгновенным полем зрения (ПЗ) телескопа, что требует задания закона перемещения ПЗ во времени;

нахождения в этом же элементе астероида, идущего к Земле по заданной орбите, что потребовало моделирования во времени относительных положе-

ний Солнца, Земли, телескопа и астероида с заданными параметрами орбиты;

выполнения условия обнаружения астероида, что потребовало определения угловой скорости движения его изображения поперек накопительного столбца юА, происходящего вследствие собственного движения астероида.

Представляется необходимым моделирование скорости юА с коротким временным шагом. Для малого астероида, наблюдаемого на малой дальности, она, в отличие от видимой скорости движения звезды, не равна нулю и существенно ограничивает время накопления полезного сигнала. В зависимости от параметров орбит показатели эффективности существенно изменяются.

Определение проницающей способности телескопов проводилось на основе методики [5]. Вместо времени экспозиции кадров ТЭ назначались параметры используемого режима ВЗН — период ТСК сканирования ПЗ, определяющий время ^ переноса заряда по накопительному столбцу ПЗС — линейки, а также количество пикселей М в НС. Следуя [5], полагалось, что изображение полезного сигнала размывается на 4 пикселя. Фон неба накапливается при движении центра пятна рассеяния точечного изображения вдоль и поперек НС. При большой угловой скорости собственного движения астероида юА центр пятна перескакивает на другие НС. При оценке проницающей силы учитывалось количество перескоков п центра пятна на другие НС. Оно равно

алЫ „ 2п

А , где аск = —

ск'8

а — угол между направлением, вокруг которого вращается ПЗ и вращаемой оптической осью (ОО), р. — угловое расстояние между направлениями на центральный накопительный столбец с номером 0 и на НС с номером ^ исходящими из точки ОО, принадлежащей фокальной плоскости телескопа. Моделировалось количество пикселей строки (п+2), через которые проходит центр пятна рассеяния поперек накопительных столбцов. На считывающем регистре образуется соответствующее количество «засвеченных» пикселей п^, равное 2(п+2) (смаз изображения). Моделировались величины: юА, времена 1а пребывания центра пятна рассеяния в накопительных столбцах, ограниченные собственным движением астероида. Моделировались также количества шагов накопления заряда пШН в каждом НС до перескока на другой НС и сумма всех шагов накопления ХпШН, реализуемых на количестве столбцов накопления, равном п+2. На рис. 3 показано перемещение четырехпиксельного изображения астероида по горизонтальным накопительным столбцам ПЗС-ма-трицы, происходящее вследствие ее вращения с угловой скоростью ю , и перемещение по вертикальным строкам, происходящее вследствие собственного движения астероида со скоростью Уа. Выделены «за-

/48 0м1 SecurityTechnology, Vol. 13, 2016, No. 1

свеченные» пиксели считывающего регистра, соответствующие «смазу» изображения по ПЗС-матрице. Время переноса зарядов 1ПЗ по столбцу накопления с номером i равно линейному размеру пикселя ап, деленному на линейную скорость переноса заряда, которая определяется угловой скоростью шСК вращения ПЗС матрицы и радиусом вращения этого НС.

Рис. 3. Перемещение изображения астероида по накопительным столбцам ПЗС-матрицы

Суммарное время накопления полезного сигнала равно М^ПЗ. Проницающая способность телескопа тТ рассчитывалась по формуле (1), подобной, но отличной от формулы, приведенной в работе [5] для кадровой съемки

тт = 8,6 + 0,5 р + 2,5^-

1 +

п + 2

В выражении (1) принимались величины: отношение сигнал-шум = 5,5; квантовая эффективность ПЗС линейки п = 0,8; пропускание оптики т0 = 0,7; фон неба ц = 22,5 зв. в. на 1 кв угл.с.; площадь входного зрачка

5 = 0,

-Р2 (см) 4

при световом диаметре телескопа Б.

Координаты астероида переводились из гелиоцентрической системы координат (СК) в СК, связанную с КА, затем в СК, связанную с вращаемой оптической осью телескопа и далее в СК, связанную с ПЗС-ли-нейкой. Накрытие элемента барьерной зоны полем зрения моделировалось с помощью операторов вращения оптической оси (ОО) телескопа вокруг направления Т1Т2, составляющего с ОО угол а(1) = а(2) = 5,5°.

Необходима регистрация моментов времени, когда выполняются определенные выше условия захвата астероида полем зрения и определяются времена пребывания центра пятна рассеяния изображения на НС ПЗС-линейке.

Регистрация моделируемых фазовых углов ф, дальностей наблюдения L, расстояний гА от Солнца

до астероида обеспечивает определение его видимого блеска, сравнение его с проницающей способностью телескопа тТ и последующее вычисление размера обнаружения астероида d и времени ТВ до встречи астероида с Землей. С увеличением ТВ, как правило, возрастает размер d. Полагалось, что при синхронно-базисных измерениях, проводимых двумя

КТ, время Т0 ~ 1 сут. Поэтому | = -

а

Показатели эффективности обнаружения малых столкновительных астероидов, регистрируемых во время движения от перигелия к точке встречи с Землей

Очевидно, что обнаружение объектов, идущих со стороны Солнца, представляет проблему не только для НТ, но и для КТ. Поэтому минимальный размер обнаруживаемых астероидов с орбитами ПДП и ОДП при любом варианте построения космического телескопа априори должен существенно превышать размер обнаружения астероида, идущего с антисолнечных направлений от афелия. В результате многофакторной оптимизации параметров КС «Космический барьер», был выбран рациональный вариант ее построения для решения задачи оперативного обнаружения астероидов во время их движения от перигелия к точке встречи с Землей. Он показан на рис. 1.

Угловые расстояния КТ от Земли 01 и 02 составляют ~17°, что обеспечивает приемлемые дальности для передачи информации на Землю. Единое направление, вокруг которого производится вращение ПЗ обоих телескопов в режиме обзорно-поискового наблюдения, позволяет более оперативно переходить в режим совместного сопровождения обнаруженного астероида. Выбор углов сканирования ПЗ а(1) = а(2) ~ 5,5° обеспечивает размещение БЗ внутри орбиты Земли. В любой точке БЗ отсутствует отрицательное воздействие Солнечной элонгации. Заметим, что отображенный на рис. 3 астероид А(^ - ТВ) пребывает в конусе зоны невидимости, направленном на Солнце, перемещающемся вместе с Землей к точке встречи В, и не будет обнаружен наземным телескопом или телескопом на орбите искусственного спутника Земли (ИСЗ) в течение всего времени движения этого астероида от перигелия к точке встречи В с Землей.

В табл. 3 приведены показатели эффективности d, Тв телескопа Т1, рассчитанные применительно к широкому множеству значений q транснептуновых ^ = 40 а.е.) астероидов ПДП. Показатели эффективности телескопа Т2 имеют близкие величины. Размеры обнаруживаемых астероидов с малыми перигелийными расстояниями q составляют всего ~ 50 м. На проведение защитных мероприятий по уменьшению опасности обеспечивается время ТМ, равное ТВ — 1сут.

Приведенные значения показателей, ввиду сложности проблемы, не позволяют выработать конкретные рекомендации по реагированию на астероид-но-кометную опасность, но позволяют определиться с направлениями парирования ее угроз.

Таблица 3

Показатели эффективности телескопа Т1 КС «Космический барьер» по оперативному обнаружению малых транснептуновых столкновительных с Землей астероидов

Q=40 а.е q = 0,1 а.е. i = 0o q = 0,1 а.е. i = 20o q = 0,5 а.е. i = 0o q = 0,5 а.е. i = 20o q = 0,9 а.е. i = 0o q = 0,9 а.е. i = 20o

L, а.е. 0,27 0,27 0,31 0,30 0,36 0,33

L, а.е. 0,27 0,27 0,31 0,30 0,36 0,33

r , а.е. A' 0,93 0,93 0,92 0,93 0,94 0,96

ф, град 96 96 96 95 89 88

tn3, с 0,16 0,14 0,11 0,10 0,24 0,07

МП 163 148 104 103 250 75

n 3 3 11 11 67 18

mT зв.в. 24,9 24,9 24,4 24,4 24,0 24,0

d, м 45 45 61 59 78 72

Tr сУт 2,8 2,9 4,8 4,2 9,5 6,3

Выводы

1. Определена область наиболее рационального применения космических телескопов — оперативное предупреждение о падении малых астероидов, идущих к Земле с солнечных направлений, обнаружение с которых наземными телескопами не представляется возможным;

2. Сформулированы принципы построения, технический облик и показатели целевой эффективности системы «Космический барьер» при обнаружении астероидов во время их движения от перигелия к точке встречи с Землей;

3. Для наименее благоприятных орбит далеких транснептуновых астероидов, имеющих высокие (~40 км/с) скорости движения от перигелия к Земле, обеспечивается обнаружение ОНТ размером ~50 м за время ~3-5 суток до падения на Землю, что позволяет МЧС России и РСЧС заблаговременно спланировать меры экстренного реагирования по снижению рисков в условиях астероидно-кометной опасности.

Литература

1. Акимов В.А., Савельев М.И., Шустов Б.М. и др. Астероидно-кометная опасность: стратегия противодействия / Под общ. Ьюд. В.А. Пучкова \ МЧС России. М.: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2015. 272 с.

2. Емельянов В.А., Меркушев Ю.К. Точность определения орбит малых ОНТ двумя космическими телескопами // Сб. трудов Международной конференции «Околоземная астрономия-2005». Казань: Изд-во КГУ, 2006. С. 102-108.

3. Сазонов В.С. Оптимальная стратегия ближнего перехвата опасных для Земли небесных тел в случае применения ядерных средств противодействия // Сб. трудов IX Международной конференции «Околоземная астрономия-2015». Изд-во ИНАСАН и НАНУ.

4. Савельев М.И. Антикризисное управление силами и средствами МЧС России в условиях астероидно-кометной опасности» // Сб. трудов IX международной конференции «Околоземная астрономия-2015. Изд-во ИНАСАН и НАНУ.

5. Bakut P.A., Vygon V.C. at al. Statistical Synthesis of Optimal Algorythm for Detection of Objects // J. Communications Technology and Electronics. 2009. V. 54. # 8. Pp. 925-936.

Сведения об авторах

Емельянов Владимир Алексеевич: д. т. н., проф., Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный научно-исследовательский институт машиностроения» (ФГУП ЦНИИмаш), нач. сект. 141070, Московская область, г. Королев, ул. Пионерская, 4. E-mail: corp@tsniimash.ru

Савельев Михаил Иванович: к. т. н., ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), нач. отд.

121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. E-mail: savelev-22@mail.ru SPIN-код — 9830-6419.

Елкин Константин Сергеевич: к. т. н., ФГУП ЦНИИмаш, зам. нач. отделения.

41070, Московская область, г. Королев, ул. Пионерская, 4. E-mail: corp@tsniimash.ru

Бодрова Юлия Сергеевна: ФГУП ЦНИИмаш, инж. 2-й катег. 41070, Московская область, г. Королев, ул. Пионерская, 4. E-mail: corp@tsniimash.ru

Меркушев Юрий Константинович: ФГУП ЦНИИмаш, вед. инж.

41070, Московская область, г. Королев, ул. Пионерская, 4. E-mail: corp@tsniimash.ru

Рамалданов Роман Петрович: ФГУП ЦНИИмаш, инж 1-й катег.

41070, Московская область, г. Королев, ул. Пионерская, 4. E-mail: corp@tsniimash.ru

Information about authors

Emel'yanov Vladimir A.: Doctor of Technical Sciences, Professor, Federal State Unitary Enterprise "Central Research Institute of Machine Building", Head of Sector. 141070, Moscow region, Korolev, st. Pioneer, 4. E-mail: corp@tsniimash.ru

Savelyev Mikhail I.: Candidate of Technical Sciences,Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and high technology), Head of Department. 121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7. E-mail: savelev-22@mail.ru SPIN-scientific — 9830-6419.

Elkin Konstantin S.: Candidate of Technical Sciences, Federal State Unitary Enterprise "Central Research Institute of Machine Building", Deputy Head of the department. 141070, Moscow region, Korolev, st. Pioneer, 4. E-mail: corp@tsniimash.ru

Bodrova Yulia S.: Federal State Unitary Enterprise "Central Research Institute of Machine Building", Engineer of 2 categories.

141070, Moscow region, Korolev, st. Pioneer, 4. E-mail: corp@tsniimash.ru

Merkushev Yuri K.: Federal State Unitary Enterprise "Central Research Institute of Machine Building", Lead Engineer. 141070, Moscow region, Korolev, st. Pioneer, 4. E-mail: corp@tsniimash.ru

Ramaldanov Roman P.: Federal State Unitary Enterprise "Central Research Institute of Machine Building", Engineer of 2 categories.

141070, Moscow region, Korolev, st. Pioneer, 4. E-mail: corp@tsniimash.ru