УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫБОРА АСТРОНОМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НАБЛЮДЕНИЯ С ОРБИТАЛЬНОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
DEVICE FOR CHOOSING ASTRONOMICAL OBJECTS UNDER OBSERVATIONS FROM ORBITAL SPACE VEHICLE

Предлагаемое техническое решение относится к области космической техники и может быть использовано для определения и выбора астрономических объектов для наблюдения с орбитального космического аппарата (КА), движущегося по околокруговой орбите. Данное техническое решение может быть также использовано как наглядное пособие и учебный прибор по навигации, небесной механике, механике космического полета.
Известен глобус (см. [1], с.93-97), который можно использовать для определения и выбора объектов наблюдений, выполняемых с КА. Недостатком данного устройства является отсутствие элементов, позволяющих отобразить информацию об орбите и трассе КА.
Известен учебный прибор по навигации [2], включающий основание, стойку, модель планеты, которая выполнена в виде глобуса, модель орбиты КА, выполненную в виде кольца и смонтированную на подшипнике стойки. Используя данный прибор, можно, в том числе, моделировать положение орбиты КА над глобусом - моделью планеты - и выбирать объекты на поверхности планеты, доступные наблюдению с КА.
Наиболее близким из аналогов, принятым за прототип, является устройство для выбора астрономических объектов наблюдения с орбитального КА [3], включающее звездный глобус, кольцо, охватывающее глобус с совмещением центра кольца с центром глобуса и закрепленное над точками полюсов глобуса с возможностью вращения кольца вокруг оси вращения глобуса, второе кольцо, охватывающее глобус с совмещением центра второго кольца с центром глобуса и закрепленное на первом кольце в точках пересечения первого кольца с плоскостью экватора глобуса с возможностью поворота второго кольца до положения, в котором плоскость второго кольца составляет с плоскостью экватора глобуса угол, равный углу наклонения орбиты КА, и два элемента, проекция контуров которых на поверхность глобуса образует окружности, направления из центра глобуса на точки которых составляют с прямой, проходящей через центр глобуса и перпендикулярной к плоскости второго кольца, угол, равный 90° за вычетом угла полураствора видимого с КА диска планеты, вокруг которой обращается движущийся по околокруговой орбите КА, при этом указанные элементы закреплены над поверхностью глобуса с его противоположных сторон посредством одной или нескольких дуг, соединяющих указанные элементы со вторым кольцом.
Работа с устройством осуществляется следующим образом.
Второе кольцо поворачивают относительно первого кольца в положение, при котором второе кольцо составляет с плоскостью экватора глобуса угол, равный углу наклонения орбиты i. Поворотом глобуса вокруг его оси вращения устанавливают глобус в положение, при котором точка пересечения первого и второго колец расположена над точкой экватора глобуса с долготой, равной значению долготы восходящего узла рассматриваемого витка орбиты КА. После этого элементы, проекция контуров которых на поверхность глобуса образует окружности, покроют на поверхности глобуса область, доступную наблюдению с КА в течение всего витка орбиты.
При этом астрономические объекты, расположенные на остальной части поверхности глобуса, в течение некоторого времени витка будут закрыты от наблюдателя, находящегося на КА, планетой. В каждый момент времени в течение витка орбиты наблюдению с КА будут доступны астрономические объекты, расположенные в окрестности следа радиус-вектора КА на небесной сфере в текущий момент времени. При этом астрономические объекты, расположенные на противоположной стороне небесной сферы, будут недоступны наблюдению с КА, т.к. в данный момент времени они закрыты для наблюдения с КА планетой, вокруг которой обращается КА. Определение факта доступности и недоступности наблюдению с КА астрономических объектов, расположенных между данными противоположными точками поверхности глобуса, выполняется по координатам данных объектов и орбитальным параметрам рассматриваемого витка орбиты КА с привлечением вычислений на ЭВМ.
Таким образом, устройство, принятое за прототип, имеет существенный недостаток - оно не позволяет без дополнительного привлечения вычислений на ЭВМ определить области небесной сферы и, соответственно, астрономические объекты, доступные наблюдению с КА и не доступные для наблюдения с КА в различные моменты времени витка орбиты КА.
Задачей, стоящей перед предлагаемым устройством, является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения отображения на звездном глобусе областей, доступных наблюдению с КА, и областей, закрытых для наблюдения с КА планетой, вокруг которой обращается КА, при различных положениях КА на рассматриваемом витке орбиты КА.
Технический результат достигается тем, что в устройство для выбора астрономических объектов наблюдения с орбитального космического аппарата, включающее глобус с нанесенной на него картой звездного неба, два охватывающих глобус кольца, центры которых совмещены с центром глобуса, и элемент, проекция контура которого на поверхность глобуса образует окружность, при этом первое кольцо закреплено над точками полюсов глобуса с возможностью вращения кольца вокруг оси вращения глобуса, а второе кольцо закреплено на первом кольце в точках пересечения первого кольца с плоскостью экватора глобуса с возможностью поворота второго кольца до положения, в котором плоскость второго кольца составляет с плоскостью экватора глобуса угол, равный углу наклонения орбиты КА, дополнительно введены элемент в виде половины кольца, закрепленный на втором кольце с возможностью перемещения элемента в виде половины кольца вдоль второго кольца, а элемент, проекция контура которого на поверхность глобуса образует окружность, выполнен таким, что указанная окружность ограничивает сегмент поверхности глобуса с углом полураствора, отсчитываемым от направления из центра глобуса на центр указанного сегмента поверхности глобуса, равным углу полураствора видимого с космического аппарата диска планеты, вокруг которой обращается движущийся по околокруговой орбите космический аппарат, и закреплен своей точкой, проекция которой на поверхность глобуса совпадает с центром указанного сегмента поверхности глобуса, в концевой точке элемента в виде половины кольца.
Кроме этого в устройстве для выбора астрономических объектов наблюдения с орбитального космического аппарата элемент, проекция контура которого на поверхность глобуса образует окружность, ограничивающую сегмент поверхности глобуса с углом полураствора, отсчитываемым от направления из центра глобуса на центр указанного сегмента поверхности глобуса, равным углу полураствора видимого с космического аппарата диска планеты, выполнен в виде сферического сегмента с прорезью, выполненной от края сферического сегмента к его центру, закрепленного своей центральной точкой в концевой точке элемента в виде половины кольца с совмещением центра сферы, образующей сферический сегмент, и центра глобуса и с возможностью вращения сферического сегмента с прорезью вокруг оси, соединяющей центры сферического сегмента и глобуса, причем радиус образующей сферический сегмент сферы равен расстоянию от центра глобуса до центра сферического сегмента, а угол полураствора сферического сегмента, измеряемый от оси, направленной из центра глобуса на центр сферического сегмента, равен углу полураствора видимого с КА диска планеты, при этом длина дуги прорези в сферическом сегменте более или равна сумме углов наклонения орбиты КА и полураствора видимого с КА диска планеты за вычетом 90°.
Кроме этого в устройстве для выбора астрономических объектов наблюдения с орбитального космического аппарата элемент, проекция контура которого на поверхность глобуса образует окружность, ограничивающую сегмент поверхности глобуса с углом полураствора, отсчитываемым от направления из центра глобуса на центр указанного сегмента поверхности глобуса, равным углу полураствора видимого с космического аппарата диска планеты, выполнен в виде дуги, размещенной по контуру данного элемента, и двумя или более дугами, соединяющими дугу, размещенную по контуру данного элемента, и точку крепления данного элемента, причем две из последних указанных дуг оканчиваются в разных концевых точках дуги, размещенной по контуру данного элемента, при этом данный элемент закреплен с возможностью его вращения вокруг оси, соединяющей центр глобуса и точку крепления данного элемента.
В предлагаемом устройстве, в отличие от прототипа, дополнительно введены элемент в виде половины кольца и элемент, проекция контура которого на поверхность глобуса моделирует на поверхности глобуса область, доступную наблюдению из текущего положения КА, и образует окружность, ограничивающую сегмент поверхности глобуса с углом полураствора, отсчитываемым от направления из центра глобуса на центр указанного сегмента поверхности глобуса, равным углу полураствора видимого с космического аппарата диска планеты, причем введенные элементы установлены предложенным образом.
Кроме этого элемент, проекция контура которого на поверхность глобуса моделирует на поверхности глобуса область, доступную наблюдению из текущего положения КА, выполнен или в виде сферического сегмента с прорезью, или в виде дуги, размещенной по контуру данного элемента, и двумя или более дугами, соединяющими дугу, размещенную по контуру данного элемента, и точку крепления данного элемента.
Суть предлагаемого устройства поясняется на фиг.1-4. При этом приведены: на фиг.1 - вид предлагаемого устройства, в котором конструкция элемента, проекция контура которого на поверхность глобуса моделирует область, доступную наблюдению из текущего положения КА, выполнена по п.2 формулы изобретения; на фиг.2 - конструкция элемента, проекция контура которого на поверхность глобуса моделирует область, доступную наблюдению из текущего положения КА, выполненная по п.3 формулы изобретения; на фиг.3 - схема, поясняющая выбор значения угла полураствора сферического сегмента; на фиг.4 - схема, поясняющая выбор размера прорези в сферическом сегменте.
На фиг.1 введены обозначения:
1 - глобус с нанесенной на него картой звездного неба;
2, 3 - первое и второе кольца соответственно;
4 - элемент в виде половины кольца;
5 - сферический сегмент;
6 - прорезь в сегменте (5);
7 - линия экватора глобуса;
8 - линия меридиана, проходящая через точку восходящего узла орбиты КА;
9 - линия проекции кольца (3) на поверхность глобуса (1);
10 - линия проекции края сегмента (5) на поверхность глобуса (1);
11 - элемент подставки глобуса, являющийся продолжением оси вращения глобуса;
12 - основание подставки глобуса;
А, В - полюса глобуса;
АВ - ось вращения глобуса;
С - точка пересечения первого и второго колец;
D - точка экватора, соответствующая восходящему узлу орбиты КА;
1
F, F - концевые точки элемента (4);
1
F - концевая точка элемента (4), в которой закреплен центр сегмента (5);
V - центр сегмента (5).
На фиг.2 дополнительно введены обозначения:
13 - дуга, размещенная по краю сегмента (5);
14 - разрыв в элементе (13);
15, 16 - дуги, соединяющие центр сегмента (5) с элементом (13);
j
V, j=1, 2, 3, 4 - точки дуги (13), соединенные дугами (15), (16) с центром сегмента (5);
1
2
V, V - крайние точки дуги (13).
Виток орбиты КА, движущегося по околокруговой орбите вокруг планеты, задается в правой декартовой системе координат OXYZ с центром в центре планеты и осью OZ, направленной по оси вращения планеты, координатами, рассчитанными по формулам (см. [4], стр.18):
где i - наклонение орбиты;
o
R- радиус орбиты;
Ω - долгота восходящего узла орбиты в инерциальной системе координат;
u - текущее значение аргумента широты - параметра, принимающего на витке орбиты значения от 0° до 360°.
0
0
В течение витка орбиты значение Ω изменяется от значения Ω, равного долготе восходящего узла орбиты на момент начала рассматриваемого витка (u=0°), до значения Ω+ΔΩ, равного долготе восходящего узла орбиты на момент окончания рассматриваемого витка (u=360°), где ΔΩ - витковая прецессия орбиты КА в инерциальной системе координат - межвитковое расстояние, измеренное по экваториальной шкале. Например, величина ΔΩ при движении КА вокруг Земли определяется формулой (см. [5], стр.149):
э
где R - экваториальный радиус Земли;
р - фокальный параметр орбиты;
2
-6
I=-1082,2·10 - коэффициент потенциала гравитационного поля Земли.
Отметим, что при |i|<90° величина ΔΩ отрицательна.
2
С учетом эффекта прецессии орбиты в инерциальной системе координат, проекция плоскости орбиты КА на поверхность глобуса будет непрерывно поворачиваться по мере движения КА вдоль витка орбиты. Малость величины I, входящей в формулу (2), показывает, что данный эффект незначителен. Например, для КА типа международной космической станции, движущейся по околокруговой орбите высотой около 400 км, прецессия орбиты составляет порядка 0.3°/виток, что является малой величиной и, как правило, не учитывается при планировании наблюдений на интервале одного витка орбиты.
В этом случае принимаем, что в течение всего витка
o
о
0
0
и формулы (1) принимают вид, являющийся описанием круга, наклоненного к плоскости экватора на угол i и пересекающего экватор в точке с долготой Ω. Вместо Ω в (3) также возможно использование среднего значения Ω за рассматриваемый виток Ω*=Ω+ΔΩ/2.
На фиг.3, поясняющей выбор значения угла полураствора сферического сегмента, введены обозначения:
S - небесная сфера;
Р - поверхность сферы, аппроксимирующей поверхность планеты, вокруг которой обращается КА;
р
О - центр планеты;
1
O - положение КА;
K - след радиус-вектора КА на небесной сфере;
1
K - след направления от КА на центр планеты на небесной сфере;
1
Е, E - точки видимого с КА горизонта планеты;
1
М, M - точки следов на небесной сфере направлений от КА на видимый с КА горизонт планеты;
1
Q - угол полураствора видимого с КА диска планеты ЕЕ.
В каждый момент времени направление от КА на центр планеты противоположно направлению радиус-вектора КА. При этом величина угла Q рассчитывается по формуле:
o
p
1
где R=OO - радиус орбиты КА;
p
p
R=OE - радиус планеты.
Объекты небесной сферы, направление от КА на которые составляет с направлением от КА в центр планеты угол, не превышающий значение угла Q, будут закрыты планетой от наблюдателя, находящегося на КА, - т.е. будут недоступны наблюдению с КА.
р
1
1
1
1
Небесная сфера рассматривается как сфера большого радиуса, в сравнении с которым расстояние между точками О и O пренебрежительно мало, и в применении к звездному глобусу данные точки совмещены в одну точку О, являющуюся центром небесной сферы (центром глобуса). При этом часть небесной сферы, представляющая собой сферический сегмент MKM, имеющий угол полураствора Q и центром которого является точка K, в данный момент времени недоступна наблюдению с КА. Остальная часть небесной сферы доступна в данный момент времени наблюдению с КА.
В случаях когда сегмент (5) расположен в окрестности полюсов глобуса, сегмент покрывает собой точку соответствующего полюса. Учитывая, что в точках полюсов к оси глобуса закреплено первое кольцо (2), то в данных положениях сегмент (5) пересекается с осью вращения глобуса.
На фиг.1 и 4 изображен вариант выполнения предлагаемого устройства, в котором сегмент (5) может пересекаться с элементом подставки глобуса (11), являющимся продолжением оси вращения глобуса. Также сегмент (5) будет пересекать ось вращения глобуса и при других вариантах взаимного размещения элементов глобуса: например, при размещении сегмента (5) между поверхностью глобуса (1) и вторым кольцом (2). Этот вариант их взаимного расположения имеет то преимущество, что в этом случае край сегмента (5) расположен в непосредственной близости к поверхности глобуса (1), что позволяет более точно определить линию (10).
Таким образом, во всех вариантах выполнения предлагаемого устройства сегмент (5) будет пересекаться с элементами конструкции глобуса, являющимися продолжением оси вращения глобуса за полюса глобуса. Для обеспечения возможности такого расположения в сегменте (5) выполнена прорезь. В случае когда при перемещении центра сегмента (5) вдоль кольца (3) край сегмента «упирается» в ось вращения глобуса (например, в элемент (11)), вращением сегмента (5) мы устанавливаем прорезь (6) напротив оси вращения глобуса. При дальнейшем перемещении центра сегмента (5) вдоль кольца (3) ось вращения глобуса вводится в прорезь (6). Дальнейшее удержание оси вращения глобуса в прорези (6) обеспечивается посредством вращения сегмента (5) вокруг оси, проходящей через центр сегмента и центр глобуса.
На фиг.4, поясняющей выбор размера прорези в сегменте (5), дополнительно к обозначениям фиг.1-3 обозначено:
О - центр глобуса;
i - угол наклонения орбиты КА;
γ - длина дуги прорези, измеренная в угловых единицах из центра глобуса;
δ - угол между осью вращения глобуса и плоскостью кольца (3), совпадающего с плоскостью орбиты КА.
Минимально необходимая длина дуги прорези γ определяется по углу δ, который является минимальным углом, который ось глобуса образует с направлением от центра глобуса на центр сегмента (5):
Из (5), (6) следует соотношение для расчета γ:
1
2
Поскольку сегмент (5) покрывает на поверхности глобуса область, которая в данный момент времени недоступна наблюдению с КА, то, в общем случае, он может быть выполнен непрозрачным. Но иногда может потребоваться дополнительная информация, какие именно астрономические объекты недоступны наблюдению. Для обеспечения считывания с глобуса такой информации сегмент (5) необходимо выполнить полупрозрачным или «пустотелым» - из дуг - например, в виде, представленном на фиг.2. Требование, чтобы крайние точки V, V дуги (13) были обязательно соединены дугами (15) с центром V сегмента (5), обеспечивает удобство обратного выхода оси вращения глобуса (элемента (11)) из прорези (6) через разрыв (14) в дуге (13).
Вращение элемента, проекция контура которого на поверхность глобуса образует окружность, (таким элементом является сегмент (5) или набор дуг (13), (15), (16)) вокруг оси, проходящей через центр элемента и центр глобуса, может быть реализовано с помощью средства его вращения, выполненного в виде штифта, один конец которого закреплен на конце полукольца (4), направление штифта совпадает с направлением от центра глобуса, а второй конец штифта совмещен с центром элемента (например, вставлен в отверстие в центре сегмента (5) или в месте пересечения дуг (15) и (16)), причем элемент имеет возможность вращения вокруг штифта.
Перемещение элемента, выполненного в виде полукольца (4), вдоль кольца (3) может быть реализовано с помощью средства его перемещения, выполненного в виде фиксаторов концов полукольца (4) на кольце (3), допускающих перемещение полукольца (4) вдоль кольца (3).
Работа с устройством осуществляется следующим образом.
0
0
Кольцо (3) поворачивают относительно кольца (2) в положение, при котором кольцо (3) составляет с плоскостью экватора глобуса (7) угол, равный углу наклонения орбиты i. Далее поворотом глобуса (1) вокруг его оси вращения устанавливают глобус в положение, при котором точка С пересечения колец (2) и (3) расположена над точкой D экватора с долготой, равной значению долготы восходящего узла рассматриваемого витка орбиты КА Ω (или Ω*). Линия (9) проекции кольца (3) на поверхность глобуса покажет линию следов радиус-векторов КА на глобусе в течение рассматриваемого витка орбиты.
1
1
1
Далее путем перемещения элемента (4) вдоль кольца (3) совмещаем крайнюю точку элемента (4) F с точками кольца (3), соответствующими различным положениям КА вдоль рассматриваемого витка орбиты. Тогда другая крайняя точка элемента (4) F расположится над точкой K следа на небесной сфере направления от КА на центр планеты. Сегмент (5), центр которого V закреплен в точке элемента (4) F, покроет на поверхности глобуса область, которая в данный момент времени недоступна наблюдению с КА. Данная область поверхности глобуса ограничена линией (10). Астрономические объекты, расположенные на остальной части поверхности глобуса, доступны в данный момент времени наблюдению с КА.
В случае когда в результате перемещения сегмента (5) вдоль кольца (3) край сегмента «упирается» в элемент (11), вращением сегмента (5) мы устанавливаем прорезь (6) напротив элемента (11). При дальнейшем перемещении сегмента (5) вдоль кольца (3) элемент (11) вводится в прорезь (6). Далее удержание элемента (11) в прорези (6) также обеспечивается посредством вращения сегмента (5).
Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.
Предлагаемое устройство расширяет функциональные возможности устройства за счет обеспечения отображения на звездном глобусе областей, доступных наблюдению с КА, и областей, закрытых для наблюдения с КА планетой, вокруг которой обращается КА, при различных положениях КА на рассматриваемом витке орбиты КА.
Технический результат достигается за счет дополнительного введения в устройство элемента в виде половины кольца и элемента, проекция контура которого на поверхность глобуса моделирует на поверхности глобуса область, доступную наблюдению из текущего положения КА, и образует окружность, ограничивающую сегмент поверхности глобуса с углом полураствора, отсчитываемым от направления из центра глобуса на центр указанного сегмента поверхности глобуса, равным углу полураствора видимого с космического аппарата диска планеты, причем введенные элементы выполнены и установлены предложенным образом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Красавцев Б.И. Мореходная астрономия. М.: Транспорт, 1986.
2. Заявка на изобретение №93045113/12 от 1993.09.14.
3. Патент РФ №2339000 от 26.05.2006.
4. Бебенин Г.Г., Скребушевский Б.С., Соколов Г.А. Системы управления полетом космических аппаратов // М.: Машиностроение, 1978.
5. Инженерный справочник по космической технике. Изд-во МО СССР, М., 1969.