2
Содержание.
Введение.
Глава 1. Поле рассеяния солнечного света поверхностью ИНТ и фотометрические наблюдения ИНТ.
§1.1. Искусственные спутники Земли как объекты исследования в околоземной астрономии.
§1.2. Отождествление объектов но фотометрическим наблюдениям.
§1.3. Исследования ИНТ по данным фотометрических наблюдений
§1.4. Поле рассеяния солнечного света поверхностью небесного тела.
§1.5. Использование параметров поля рассеяния для оперативного отождествления ИНТ.
§1.6. Базисные наблюдения ИНТ при получении некоординатной информации.
§1.7. Многоцветные, спектральные и поляризационные наблюдения ИНТ
§1.8. Определение вектора давления солнечного света на ИНТ по параметрам его поля рассеяния.
§1.9. Значимая информация поля рассеяния.
§1.10. Особенности наблюдений ИНТ.
§1.11. Требования к аппаратуре для фотометрических наблюдений ИНТ.
5
17
17
19
22
24
39
40
41
42
43
47
50
Глава 2. Наблюдательная аппаратура и методы астрономических наблюдений объектов в околоземном пространстве.
§2.1. Получение значимой наблюдательной информации при наблюдениях на телевизионном телескопе объектов в околоземном космическом пространстве
§2.2. Методика проведения координатных наблюдений ИСЗ на телевизионном телескопе с малым полем зрения.
§2.3. Астрометрическая редукция результатов позиционных наблюдений тел в околоземном пространстве.
§2.4. Базисные наблюдения тел в околоземном космическом пространстве.
§2.5. Фотометрия движущихся объектов в условиях сильной атмосферной турбулентности.
§2.6. Фотометр с пульсирующей диафрагмой для наблюдений движущихся объектов.
§2.7. Спектрографы для наблюдений ИНТ.
§2.8. Гибридная телевизионная система для наблюдения слабых космических объектов.
Глава 3. Исследование ориентации и формы тел в
околоземном пространстве по фотометрическим наблюдениям.
§ 3.1. Отождествление ИНТ по их спектрам.
§ 3.2. Определение ориентации спутников.
§ 3.3. Явление переменности периода вращения некоторых геостационарных спутников.
§ 3.4. Определение формы и ориентации ИСЗ по единичной кривой блеска (на примере ГСС "Интелсат-4")
4
§ 3.5. Определение формы и ориентации ИСЗ по его полю
рассеяния (на примере ГСС "Интелсат-5Р"). 118
§ 3.6. Определение формы ГСС по его спектральным
изменениям 124
§ 3.7. Исследование малоразмерного обломка на
геостационарной орбите. 126
§ 3.8. Определение формы и функциональных особенностей
низкоорбитального спутника "Ferret-D". 130
§ 3.9. Анализ состояния аварийного геостационарного
спутника "Ямал-1" 141
Глава 4. Околоземная астрономия 157
§4.1. Естественные и искуственные тела в околоземном
пространстве 157
§4.2. Современный уровень исследований в околоземной
астрономии 161
§4.3. Задачи исследований искусственных небесных тел 171
§4.4. Наблюдения метеороидов в метеорных потоках 175
§4.5. Исследование потоков Персеиды и Геминиды 182
§4.6. Поиск Тунгусского Роя в антирадианте потока ß-Таурид. 192
§4.7. Изучение космического мусора вблизи ГСО 195
§4.8. Опыт изучения космических тел в ОЗКП 199
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 201
Список использованной литературы 205
5
ВВЕДЕНИЕ.
Астрономия с момента своего возникновения изучала "небесные тела", то есть объекты, находящиеся вне Земли, исключительно методами анализа приходящего от них излучения. Изобретение телескопа, возникновение спектрального анализа и расширение наблюдательного диапазона длин волн от радиодиапазона до самых жестких гамма-квантов расширило область астрономических исследований, породив новые научные дисциплины астрономического направления, обладающие определенными специфическими особенностями.
В этом смысле возникновение космонавтики и широкое распространение в последние два десятилетия высокочувствительных оптоэлектронных светоприемников стимулировало проведение наблюдений ^ренще^_ненаблюдавшихся космических объектов искусственных (ИНТ) и естественных небесных тел в околоземном космическом пространстве (ОЗКП). Все они наблюдаются с помощью астрономических телескопов астрономическими методам и ^то- есть их изучение является предметом астрономии как науки. Главной особенностью новой научной дисциплины - околоземной астрономии -является пространственная локализация изучаемых ей объектов независимо от их природы. Эта особенность обуславливает применимость наблюдательных средств, методов наблюдений и методов анализа их результатов как для изучения искуственных небесных тел, находящихся на геоцентрических орбитах, так и естественных, движущихся по гелиоцентрическим орбитам.
Второй важной особенностью наблюдений объектов околоземной астрономии является их временная ограниченность и уникальность. Время прохождения через околоземное пространство тел с гелиоцентрическими
о
6
орбитами составляет от нескольких десятков часов до нескольких суток, что составляет ничтожную часть их периода обращения. Обнаруженный объект такого типа доступен наблюдениям только эти несколько часов после обнаружения, так как на повторное прохождение обнаруженного объекта через околоземное пространство в большинстве случаев просто невозможно рассчитывать.
Столь же кратковременными и уникальными можно считать наблюдения искусственных спутников Земли. Находясь на геоцентрических орбитах, эти тела перемещаются относительно наблюдателя и относительно освещающего их Солнца настолько быстро, что условия наблюдения не могут считаться неизменными даже несколько минут, а повторение этих условий может происходить через промежутки времени, превышающие само время существования объекта.
Третьей особенностью околоземной астрономии, выделяющей ее из смежных дисциплин, является применимость "базисных" методов исследований. Сопоставимость размеров Земли с характерными расстояниями до объектов в околоземном пространстве позволяет проводить синхронные координатные и фотометрические наблюдения из двух обсерваторий для получения прямых триангуляционных измерений положения объекта, и получать значимую некоординатную информацию, достаточную для решения обратной фотометрической задачи и задач прикладного характера.
Как самостоятельная дисциплина околоземная астрономия выделяется из смежных дисциплин классической астрономии, представляющей образец фундаментальной науки, огромным прикладным значением составляющих ее исследований. Изучение искусственных космических аппаратов в околоземном пространстве представляет непосредственный
7
интерес и для эксплуатирующих их агентств, и для военных ведомств, и для международной общественности как способ верификации соблюдения договоров о мирном использовании космоса в интересах всего человечества. Анализ засоренности околоземного пространства
космическим мусором (КМ) искусственного и естественного
происхождения важен для обеспечения безопасности космических полетов, а своевременное обнаружение более крупных тел, движущихся по траектории столкновения с Землей, и составление точного прогноза их } движения^ может оказаться судьбоносным для всей нашей цивилизации. 7 Околоземная астрономия, таким образом, имеет столь существенное прикладное значение, что ее важнейшие направления как
фундаментальной науки как бы отходят на второй план.
Специфические аспекты околоземной астрономии не только выделяют ее как самостоятельную астрономическую дисциплину, но и приводят к необходимости модификации средств и методов астрономических наблюдений применительно к ее особенностям. Стремительное развитие околоземной астрономии, вызванное ее прикладным значением, требует четкого осмысления актуальных направлений этой науки, обоснованного выбора наблюдательной аппаратуры и методик наблюдений, получения необходимого объема исходной информации и способов ее обработки.
Большинство объектов, изучаемых околоземной астрономией, имеет малые угловые размеры и сравнительно невысокую яркость, поэтому естественно применять для их исследования методы наблюдательной астрономии, накопившей огромный опыт дистанционного исследования космических объектов различной природы. Особенность видимого движения искусственных небесных тел, заключающаяся в наличии широкого интервала их угловых скоростей, в движении по достаточно
сложным траекториям и в возможности проведения маневров в космосе, требует соответствующей модификации методов наблюдательной астрономии, необходимых для решения специфических задач спутниковой астрономии. Кроме того, ИНТ по форме и отражательным характеристикам существенно отличаются от естественных небесных тел, так что их яркость меняется во времени существенно нерегулярно.
Настоящая диссертация посвящена разработке методов обнаружения мигрирующих тел Солнечной системы (метеороидов) в околоземном пространстве, методики проведения оптических наблюдений ИНТ, исследованию фотометрическими методами искусственных спутников Земли, определению их формы, ориентации и отражательных свойств их поверхности. Также рассмотрены разработанные автором наблюдательные приборы для проведения этих наблюдений.
Актуальность темы.
Исследование метеороидов на близком к наблюдателю расстоянии позволяют изучить распределение мелких фракций вещества Солнечной системы в окрестностях земной орбиты, до сих пор изучавшихся только методами метеорной астрономии. Кроме того, обнаружение сравнительно крупных метеороидов поперечником в десятки метров на расстоянии в несколько миллионов километров от Земл^может иметь важное значение в свете задачи предотвращения ущерба от астероидной опасности.
Фотометрические наблюдения ИНТ дают возможность по характеру изменений блеска спутника определить те факторы, которые эти изменения вызвали. Нами выделены следующие основные задачи, решаемые с помощью фотометрических наблюдений:
9
1. Отождествление спутников но инвариантным фотометрическим признакам.
2. Определение параметров вращения спутника вокруг центра масс.
3. Определение внешнего вида (формы отражающей поверхности) спутника.
4. Изучение отражательных свойств отдельных элементов поверхности спутника.
5. Измерение вектора давления светового излучения на спутник.
Решение перечисленных задач необходимо для обеспечения
полноценного контроля околоземного космического пространства, для прикладных и научных целей. Само создание таких служб было связано с вопросами обороны, но оно может иметь существенное значение для контроля функционирования космических аппаратов в дополнение к телеметрической информации, и особенно - при ее отсутствии.
В настоящее время, в связи с накоплением огромного .^оличеств^^ прекративших функционирование спутников, фрагментов и обломков разрушившихся спутников и верхних ступеней ракет-носителей на высотах, где время их существования превышает десятилетия, появляется интерес и реальная потребность исследовать ^рукотворный ^гусор" в околоземном космическом пространстве. Фотометрические наблюдения могут дать при этом весьма существенные результаты.
Цели работы:
- исследовать применимость фотометрических, спектральных и поляриметрических методов и средств наблюдательной астрономии для изучения тел в околоземном пространстве оптическими телескопами с
целью последующего их использования в задачах отождествления,
- провести анализ фундаментальных требований, предъявляемых к светоприемной аппаратуре и проведению наблюдений для обеспечения оптимального сбора наблюдательной информации о параметрах поля рассеяния, разработать наблюдательную аппаратуру, удовлетворяющую специфике наблюдений тел в околоземном космическом пространстве^ у
- применить разработанные методы для исследования различных типов космических аппаратов путем анализа наблюдательной информации с целью определения их формы, свойств поверхности и ориентации; показать, что эти наблюдения являются независимым средством получения достоверной информации о состоянии космических аппаратов
разработать методы обнаружения метеороидов в околоземном
пространстве и провести поисковые наблюдения метеороидов, входящих в состав метеорных потоков, для изучения вещества Солнечной Системь ,
Новизна и научная ценность работы состоит в следующем:
1. Впервые разработана теория, позволяющая описать фотометрические и другие характеристики искусственных небесных тел полем рассеяния света их поверхностью и особенностями структурных деталей каждого индивидуального поля рассеяния.
2. Разработана и внедрена методика получения фотометрической информации по наземным оптическим наблюдениям искусственных небесных тел с учетом ее уровня, необходимого для анализа.
3. Разработаны требования к аппаратуре для проведения наиболее эффективных наблюдений тел в околоземном пространстве. Изготовлены
идентификации^! определения функционального состояния объектов:
11
и внедрены специализированные фотометр, спектрограф и телевизионная установка для наблюдений геостационарных спутников.
4. Проведены фотометрические и спектральные наблюдения ряда низких и геостационарных спутников.
5. Впервые обнаружено явление векового изменения периодов
вращения неработающих геостационарных спутников;
6. Впервые разработана и внедрена техника определения формы объекта, его ориентации и отражательных свойств его поверхности по фотометрическим и спектральным наблюдениям при отсутствии априорной информации об объекте. Определены форма, ориентация и отражательные свойства поверхности нескольких геостационарных спутников (в том числе аварийного ГСС "Ямал-1"), низкоорбитальных секретных спутников США группировки "Реггей", а также малоразмерного фрагмента космического мусора, обнаруженного вблизи геостационарной орбиты.
7. Впервые предложено проведение исследования метеороидов непосредственно в околоземном пространстве и разработана методика обнаружения метеороидов в окрестностях радиантов действующих метеорных потоков.
8. Впервые проведено исследование ряда метеорных потоков,
Практическая ценность работы состоит в следующем:
1. Доказана возможность использования астрофизических наблюдений искусственных небесных тел для получения сведений об их виде и состоянии (формы, отражательных свойств поверхности и ориентации),
направленное на изучение декаметровой составляющей ,
12
разработана и внедрена методика проведения фотометрических и спектральных наблюдений искусственных небесных тел.
2. Разработаны специальные приборы для проведения телескопических наблюдений тел в околоземном пространстве, защищенные патентами:
* бесщелевой афокальный спектрограф;
* бесщелевой афокальный спектрограф с изменяемой дисперсией;
* электрофотометр с пульсирующей диафрагмой;
* следящий электрофотометр с пульсирующей диафрагмой;
* купол башни астрономического телескопа.
3. Проведены при участии автора реальные фотометрические наблюдения, по данным которых определены форма, отражательные свойства поверхности и ориентация различных спутников.
4. Разработан метод обнаружения метеороидов в радиантах и антирадиантах метеорных потоков.
5. Проведены первые исследования крупных метеороидов в потоках Персеиды, Каприкорниды, Геминиды и (З-Тауриды.
6. Обозначен круг задач, решаемых околоземной астрономией, выделяющий ее в самостоятельную научную дисциплину.
На защиту выносится:
1. Теория описания фотометрических, спектральных и поляризационных характеристик искусственных небесных тел полем рассеяния света их поверхностью и результаты наблюдений автором 26 различных спутников в виде длинных рядов фотометрических измерений.
2. Требования, предъявляемые к светоприемной аппаратуре и проведению наблюдений, и разработанные с их учетом приборы:
13
бесщелевые спектрографы, фотометр с пульсирующей диафрагмой, телевизионная камера.
3. Метод определения формы объекта, его ориентации и отражательных свойств элементов его поверхности по результатам фотометрических и спектральных наблюдений и результаты анализа вида 6 различных спутников с его помощью.
4. Проведение поисковых наблюдений в окрестностях радиантов (антирадиантов) метеорных потоков с целью обнаружения метеороидов за пределами земной атмосферы и результаты изучения метеорных роев Персеиды, Каприкорниды, Геминиды и р-Тауриды.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем составляет 215 страницы текста, включая 63 рисунка и 5 таблиц. Список цитированной литературы состоит из 169 наименований.
Во ВВЕДЕНИИ рассмотрена научная проблема исследования космических объектов естественного и искусственного происхождения астрономическими методами. Сформулированы особенности околоземной астрономии как самостоятельной научной дисциплины, изученной автором. Рассмотрены вопросы обнаружения метеороидов за пределами атмосферы Земли и определения параметров их траектории, сформулированы основные цели и задачи фотометрических наблюдений ИНТ. Представлены основные научные результаты диссертации.
В первой главе дан краткий аналитический обзор опубликованных работ, связанных с фотометрическими наблюдениями ИНТ и методами анализа некоординатной информации с целью идентификации объектов, определения их формы и ориентации, и сформулирован метод представления результатов фотометрических наблюдений ИНТ в виде
14
характеристик поля рассеяния света поверхностью ИНТ. Рассмотрены основные свойства поля рассеяния и методы анализа наблюдательных данных. Сформулированы требования к наблюдательному материалу для получения значимой информации в поле рассеяния для решения обратной фотометрической задачи определения формы и ориентации ИНТ.
Во второй главе рассмотрена задача получения фотометрической информации при наземных наблюдениях ИНТ. Рассмотрены особенности наблюдений ИНТ по сравнению с другими астрономическими объектами. Оценена точность фотометрических измерений при наблюдениях с телевизионной аппаратурой. Рассмотрен метод учета спектра мощности флуктуаций атмосферы при фотометрии ИНТ. Изложены требования к наблюдательной аппаратуре для проведения фотометрических и других некоординатных наблюдений ИНТ. Дано описание наблюдательной аппаратуры, разработанной автором и использованной им для фотометрических и спектральных наблюдений ИНТ. Приведены результаты фотометрических и спектральных наблюдений ГСС.
В третьей главе рассмотрено решение обратной задачи определения формы, ориентации и отражательных свойств поверхности ИНТ по фотометрическим наблюдениям. Изложен разработанный автором метод определения приближенной формы и ориентации объекта при отсутствии какой-либо априорной информации о нем. Показано применение метода на примере определения формы, ориентации и отражательных свойств поверхности ряда наблюдавшихся ГСС и низкоорбитальных ИСЗ, в том числе американских секретных разведывательных спутников серии "Ferret".
В четвертой главе сформулированы цели, задачи и методы наблюдений околоземной астрономии как новой самостоятельной
15
астрономической дисциплины. Показана возможность исследования малоразмерных тел Солнечной Системы, проходящих через околоземное пространство или находящихся в нем, наземными оптическими средствами. Дано описание разработанных автором методик проведения наблюдений метеороидов вблизи радианта (или антирадианта) метеорных потоков и приведены результаты исследования некоторых потоков. Представлены результаты изучения некаталогизированного космического мусора вблизи ГСО.
В ЗАКЛЮЧЕНИИ приведены основные результаты диссертации.
Аппробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались на:
Международном сипозиуме SPIE (The International Society for Optical Engineering) Оптическая техника и светоприемники для аэрокосмических исследований (1993, Орландо, США), Рабочей группе Института по вопросам Разоружения ООН (The United Nations Institute of Disarmament,
1993), международных семинарах по проблеме экологии космического пространства в Москве (1992 ИКИ РАН, 1993 ЦНИИМАШ), на Всесоюзных совещаниях по проблемам наблюдений высокоорбитальных спутников Земли для решения научных и прикладных задач в Алма-Ате
(1986), Суздале (1988), Ашхабаде (1989), Ужгороде (1990), Екатеринбурге (1991), Зеленчуке (1993), Звенигороде (1994, 1997, 1998), Кацивели (1995), на Международной конференции "Космическая защита Земли" (Снежинск, 1996), на конференции "Программы наблюдений высокоорбитальных спутников Земли и небесных тел Солнечной системы" (С.-Петербург,
1994), на Научно-практической конференции Московского Аэрокосмического Салона (Москва, 1997), на конференции "Околоземная
16
астрономия и проблемы изучения малых тел Солнечной системы” (Обнинск, 1999), на конференции "Околоземная астрономия XXI века" (Звенигород, 2001), на совещаниях по проблемам предотвращения засорения околоземного космического пространтва в РКА (Москва, 1998) и вЫАЗА (Хьюстон, 1997, 1998).
Результаты исследований обсуждались на научном семинаре по наблюдениям искусственных спутников Земли в ИНАСАН (1981-2001), на научных семинарах ГАИШ МГУ (2001), Одесской астрономической обсерватории (1987), Астрономической обсерватории Ужгородского ГУ
(1987), научно-практических конференциях Московского Высшего Училища Радиоэлектроники МО РФ (Кубинка, 1997, 1998).
По теме диссертации опубликовано 42 научных статьи и получено 5 патентов.
17
ГЛАВА 1. Поле рассеяния солнечног о света поверхностью ИНТ и фотометрические наблюдения ИНТ.
§1.1 Искусственные спутники Земли как объекты исследования в околоземной астрономии.
До запуска в 1957 г. первого ИСЗ астрономы могли наблюдать только один объект в околоземном пространстве - Луну. Видимые угловые скорости наблюдавшихся космических объектов были сопоставимы с ошибками часового ведения телескопов, так что необходимости в специальной аппаратуре для наблюдения движущихся тел в космическом пространстве астрономы не имели.
Положение радикально изменилось с началом космической эры. Запущенные в космос аппараты необходимо было наблюдать, - хотя бы для контроля их положения на орбитах. При полном отсутствии наблюдательной аппаратуры, способной вести слежение за быстро движущимися спутниками, первые наблюдения пришлось вести невооруженным глазом [1 -4]. Визуальные наблюдения, субъективные по природе и не обеспечивающие регистрации наблюдаемых событий с необходимой точностью, были сначала заменены фотографическими [4 - 9], а в настоящее время заканчивается переход к телевизионным наблюдениям с прямым вводом изображений всего поля зрения в ЭВМ и обработкой видеосигналов в реальном времени [10-13]. Параллельно с развитием техники регистрации шла разработка специальных инструментов для наблюдений спутников [14 - 20].
Помимо координатных наблюдений, позволяющих определять параметры орбит ИНТ, во всем мире ведутся фотометрические
18
наблюдения - как для решения фундаментальных астрономических, так и прикладных задач [2, 22-30]. Первые фотометрические наблюдения спутников основывались только на визуальных оценках блеска [1, 3, 31 -33], но и они дали интересные практические результаты [34-36]. Применение оптоэлектронных светоприемников обеспечило возможность использования современных методов наблюдательной астрофизики при наблюдениях ИНТ. Поскольку низкоорбитальные ИНТ имеют видимую угловую скорость до нескольких градусов в секунду при широком диапазоне ориентации вектора скорости, то для фотометрических наблюдений ИНТ были созданы специальные электрофотометры на быстроследящих монтировках [14-16]. Некоторые высокоорбитальные ИНТ (на высотах свыше 20 тысяч километров) и, особенно, геостационарные спутники доступны для наблюдений с помощью обычных астрономических телескопов [11, 18, 37-39]. Фотометрические наблюдения таких спутников проводятся как в интегральном свете [38], гак и в стандартных цветовых системах (иВУЛ) [40 - 43]. Исследуется поляризация [44, 45] и спектральный состав [47 - 49] приходящего от ИНТ излучения.
Основная доля излучения от ИНТ является отраженным светом Солнца. Падающий поток составляет более 1 кВт/м2, и даже при коэффициенте отражения 0.1 (реально его значение выше и близко к 0,5) корпус ИНТ отразит не менее 100 Вт/м2, что в тысячу раз превышает его собственное излучение в оптическом диапазоне при температуре поверхности 300 К. Кроме того, максимум яркости солнечного света лежит в видимом диапазоне, а максимум собственного теплового излучения ИНТ будет лежать в инфракрасном диапазоне. В видимой области (380-760 нм) собственное излучение ИНТ пренебрежимо мало.
19
Характер рассеяния солнечного света поверхностью спутника очень сильно зависит от его формы и отражательных характеристик освещенных поверхностей. Поэтому результаты фотометрических наблюдений спутников представляют определенный интерес для решения ряда прикладных задач. Поскольку такие прикладные исследования носят, как правило, закрытый характер, зарубежных публикаций по ним почти нет, хотя известно, что фотометрические наблюдения спутников ведутся американской Службой Контроля Космоса очень интенсивно [50].
§1.2. Отождествление объектов по фотометрическим наблюдениям.
Индивидуальные особенности изменений яркости небесного тела могут быть использованы для отождествления объекта с известными фотометрическими характеристиками при его повторных наблюдениях. Это весьма важно для отождествления объектов, находящихся на близких между собой орбитах, особенно для геостационарных спутников, находящихся очень близко друг от друга практически на одной орбите, и, в первую очередь, для активно действующих, так как их положение меняется (с точки зрения астронома-наблюдателя) непредсказуемо при маневрах. После такой коррекции орбиты спутника может возникнуть трудность в разрешении неопределенности: появился ли новый объект в космосе, или просто один из ранее запущенных перешел на новую орбиту.
Каждый объект, имея индивидуальную форму и окраску отдельных внешних деталей, при наблюдении под разными ракурсами должен проявлять свою индивидуальность специфическими изменениями своего блеска. Кривые блеска для многих объектов имеют характерные формы. В ряде случаев наблюдаются плавные периодические изменения блеска (Рис. 1.1. [51]), на других кривых - изменения блеска носят характер резких
- Київ+380960830922