X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Искусственный спутник Земли (ИСЗ) — космический летательный аппарат, вращающийся вокруг Земли по геоцентрической орбите. Для движения по орбите вокруг Земли аппарат должен иметь начальную скорость, равную или большую первой космической скорости.

Полёты ИСЗ выполняются на высотах до нескольких сотен тысяч километров. Нижнюю границу высоты полёта ИСЗ определяет необходимость избегания процесса быстрого торможения в атмосфере. Период обращения спутника по орбите в зависимости от средней высоты полёта может составлять от полутора часов до нескольких лет.

Особое значение имеют спутники на геостационарной орбите, период обращения которых строго равен суткам и поэтому для наземного наблюдателя они неподвижно «висят» на небосклоне, что позволяет избавиться от поворотных устройств в антеннах.

Под понятием спутник, как правило, подразумеваются беспилотные космические аппараты (КА) однако, околоземные пилотируемые и автоматические грузовые космические корабли, а также орбитальные станции, по сути, также являются спутниками.

Методы наблюдения ИСЗ делят на оптические (визуальные, фотографические, лазерные) и радиоэлектронные (интерференционные, доплеровские, дальномерные, комбинированные).

Фотографические и визуальные методы позволяют определять направления на спутник. Радиоинтерференционный способ определяет расстояние, но не определяет направление.

В 60-х годах широкое распространение имели фотографические наблюдения ИСЗ, так как в то время ни один другой метод не мог с ними конкурировать по точности. В дальнейшем на первое место выдвинулись доплеровские и лазерные наблюдения. На основе этих наблюдений решают не только геодезические задачи (проведение измерений на поверхности, формирование единой системы координат, определение фигуры и конкретных размеров гравитационного поля, фиксация графических изображений на топографических картах), но также проблемы геодинамики (изменение формы и гравитационного потенциала Земли, ее приливные деформации, собственные колебания и др.) и астрометрии (вращение Земли, исследование движения полюсов и неравномерности вращения, исчисление времени). Точность лазерных и доплеровских наблюдений непрерывно повышается. Вместе с тем фотографические наблюдения продолжают использоваться при решении геометрических и динамических задач космической геодезии. Их особая ценность состоит в том, что они обеспечивают ориентирование космических геодезических построений.

Фотографические наблюдения документальны, позволяют, в случае необходимости, многократно повторять измерения. Положение ИСЗ на снимке определяется путём привязки к опорным звёздам в системе некоторого фундаментального каталога [1].

Камеры, используемые для наблюдений спутников можно разделить на две группы. Камеры одной из этих групп не отслеживают движение спутника. Они могут иметь азимутальную или экваториальную монтировку. Вторую группу образуют следящие камеры. Эти камеры имеют трёхосную или четырёхосную монтировку. Как правило, неследящие камеры более портативные и дешёвые.

Отслеживание движения ИСЗ может осуществляться одним из следующих методов:

1.  
   отслеживание спутника по малому кругу путём перемещения камеры (четырёхосная монтировка);

   отслеживание спутника по большому кругу путём перемещения камеры (трёхосная монтировка);

   отслеживание путём использования плоскопараллельной пластинки;

   отслеживание путём перемещения кассеты или плёнки.

Следящие камеры позволяют фотографировать более слабые спутники, а также получать большее количество снимков за одно прохождение.

Камеры для фотографических наблюдений ИСЗ снабжены специальными затворами, при помощи которых задаётся необходимая продолжительность экспозиции, многие из них имеют обтюраторы для прерывания следов спутника и звёзд на фотоплёнке (фотопластинке) с целью привязки наблюдений к шкале времени.

Турбулентные явления в атмосфере не позволяют получать из фотографических наблюдений направления с точностью, превышающей 0,4 - 0,5″. По этой причине фотографические наблюдения не могут конкурировать с радиоэлектронными и лазерными [1].

Применение фотографии в астрономии вызвало развитие фотографических методов почти во всех ее разделах, в том числе и в астрометрии. Фотографический метод наблюдений для астрометрии ценен тем, что:

1) ему доступны объекты более слабые, чем наблюдаемые визуально;

2) на одном астронегативе одновременно получаются изображения большого числа звезд (до нескольких тысяч) и других небесных объектов, среди которых особый интерес представляют внегалактические туманности;

3) на фотографической пластинке фиксируется взаимное расположение небесных объектов некоторой области неба в определенный момент, что позволяет сохранить эту картину и для будущих исследований.

Фотографические методы наблюдений в астрометрии применяются главным образом для определения относительных координат, собственных движений и относительных параллаксов небесных тел [2].

Фотографирование спутника на фоне звезд (см. рисунок 1 След летящего спутника на фоне звезд [3]) – наиболее распространенный метод.

Рис.1 След летящего спутника на фоне звезд [3]

При этом получается фотография следа спутника на пластинке, на которой одновременно фотографируется несколько, опорных звезд, координаты которых α, δ приведены в специальных каталогах. Если смещение спутника относительно опорной звезды Δ α, Δ δ, то его координаты будут α+ Δ α, δ+ Δ δ.

Точность фотографического определения координат спутника определяется точностью каталога опорных звезд и точностью компаратора, на котором производятся измерения. Средняя квадратическая ошибка фотографического определения направления на спутник 1”/2”.

Например, проведение обратной задачи, определение координат на местности [4] отслеживание военных кораблей.

Рис.2 Спутники системы NOSS [4]

Рис.3 Спутники системы NOSS [5]

Satellite: NOSS 2-1 (C), NOSS 2-1 (D), NOSS 2-1 (E), Naval Ocean Surveillance System Triplet, 26th Mar 2009

Земля вращается с постоянной угловой скоростью ~15° в час. Искусственный спутник, в зависимости от параметров орбиты, совершает один оборот за время от 90 мин. до 24 часов. В результате с каждым витком спутник «отстаёт» на 25 и более град. долготы. Совершив один виток, он оказывается совсем над другим местом — с каждым оборотом проекция орбиты ИСЗ смещается на запад на тысячи километров.

Исключением является геостационарная орбита, но она слишком высока (35 тыс. км, в 100 раз дальше, чем орбиты военных разведывательных спутников). С такой высоты разведчик не увидит ничего, кроме расплывчатых контуров планеты. Во-вторых, ГСО проходит исключительно над экватором. Чтобы иметь возможность периодически (раз в несколько часов) проверять обстановку в любом районе океана, потребуется группировка из многих десятков низкоорбитальных спутников. Таких возможностей нет ни у одной страны мира.

Американская система морской разведки Naval Ocean Surveillance System (NOSS) располагает всего тремя работоспособными космическими аппаратами. Отечественная «Лиана» состоит из единственного спутника радиотехнической разведки «Космос-2502». Её предшественник — МКРЦ «Легенда», также не обеспечивала оперативное обновления данных из-за недостатка космических аппаратов. Определенные успехи делает Китай, запустивший за три предыдущих года 14 спутников морской разведки серии «Яогань». Но даже этого количества недостаточно для постоянного контроля над заданным квадратом мирового океана.

Существуют три разновидности фотографического метода:

1) когда фотопластинка или пленка неподвижно и на ней фиксируются следы перемещающихся суточным движением звезд и спутника в виде прямых линий с разрывами, задаваемыми часами;

2) когда пластинка перемещается вместе с камерой, следя за суточным движением звезд, в этом случае на пластинке получают точечные изображения звезд и прямолинейная траектория спутника с временными разрывами;

3) когда камера перемещается, следя за спутником. В этом случае спутник изображается на пластинке точкой, а звезды штриховыми линиями.

Первому случаю соответствуют азимутальные неподвижные установки, при которых инструмент имеет движение по азимуту на высоте. Труба инструмента наводится на спутник или заранее устанавливается на область неба, где спутник будет проходить, и закрепляется. В момент прохождения спутника открывается затвор камеры.

Второму случаю соответствуют, параллактические установки с часовым механизмом, обеспечивающим суточное движение камеры по прямому восхождению. С такой камерой получаются непосредственно прямое восхождение и склонение спутника.

Наконец в третьем случае обычно употребляют азимутные установки, имеющие движение, позволяющее следить за спутником и оставляющие его изображение на пластинке неподвижным [6].

Первые зарубежные наблюдения ракеты - носителя первого спутника Земли были присланы в Астрономический совет в начале октября 1957 г. из Королевской астрономической обсерватории в Эдинбурге (Шотландия) и школьной обсерватории в Родевише (ГДР).

10 октября 1957 года в Пулковской обсерватории на двойной короткофокусной камере АКД (D = 100 мм, F = 70 см) Т.П. Киселевой был получен фотографический снимок ракеты - носителя первого спутника (Рис.4). Снимок был сделан в меридиане двумя неподвижными камерами, развернутыми по склонению на 10°, так что общее поле на пленках было 20°х30°.

Рис.4 Первый профессионально сделанный фотографический снимок ракеты - носителя первого спутника.

Получен Т.П. Киселевой 10 октября 1957 года в Пулковской обсерватории на двойной короткофокусной камере АКД.

Фотографирование производилось с перерывами различной длительности для фиксации моментов прохождения ракеты. На снимке виден один из таких перерывов длительностью около 2 секунд. Перед этим промежутком идет семисекундный интервал экспозиции, которому предшествует 3-х секундный перерыв. Середина 2-х секундного перерыва соответствует положению спутника - ракеты: α₁₉₅₀ = 18^h00^m46s, ε₁₉₅₀ = +76°02.'4 на момент декретного времени 5^h15^m15.s4.

Угловая скорость движения ракеты спутника, полученная на фотографии, оказалась равной 0.°82±0.°02 за 1 секунду. Сравнение фотографической траектории полета ракеты с визуальными наблюдениями показало, что точки визуальных наблюдений не уклоняются от фотографической траектории более чем на 0.°5.

Была произведена фотометрия 9-ти точек следа спутника. В качестве звезд сравнения приняты 12 звезд каталога HD (спектральные типы G5 - K0, 5.^m5 - 7.^m5), расположенные вблизи траектории ракеты. Фотометрия производилась на микрофотометре МФ-6. Уравнение поля исключено в процессе обработки. Звездные величины получены с учетом поправки к закону взаимозаместимости. Использована аэрофотопленка Т-10, чувствительность ГОСТ 300.

Таблица 1. Измерение яркости ракеты - носителя первого спутника:

Время декретное mv 5h15m07s.0 +1m.00 5h15m11s.0 -0m.10 5h15m14s. 0 -0m.20 5h15m16s.0 -0m.20 5h15m18s.5 +0m.10

Время декретное mv 5h15m21s.0 +1m.72 5h15m24s.0 +0m.91 5h15m26s.0 +1m.52 5h15m28s.0 +1m.81

Рис.5 Для координации работ фотографических станций, обучения наблюдателей, совершенствования методики наблюдений и создания новой аппаратуры была создана Звенигородская экспериментальная станция Астросовета (1958 г.). Фотографические наблюдения с камерами ВАУ и АФУ-75, СБГ позволили получать снимки летящего светящегося объекта на фоне звездного неба с точностью 6 угл.мин. по положению и по времени - 0.001 сек

Все материалы наблюдений, поступавшие со станций, использовались координатно-вычислительным центром для эфемеридной службы и публиковались в специальных бюллетенях "Результаты наблюдений искусственных спутников Земли", издававшихся Астрономическим советом АН СССР (Рис.6 и Рис.7) [7].

Рис.6 Обложка первого номера "Бюллетеня станций оптического наблюдения искусственных спутников Земли" с автографом Ю. Гагарина.

Рис.7 Издания Астросовета АН СССР "Бюллетени станций оптического наблюдения искусственных спутников Земли" и "Научные информации Астрономического совета".

Таким образом, фотографический метод наблюдения является наиболее точным. Это связано с тем, что при данном методе используется фотографическая аппаратура, расположенная на станциях, обеспечивающая определение трех координат – широты, долготы и высоты полета спутника с высокой точностью. Это оборудование может обеспечить распознавание отдельного объекта диаметром примерно в 550 м с высоты 800 км [8]. Фотографические методы имеют неоспоримое преимущество перед визуальными: фотографии можно детально измерять в спокойной лабораторной обстановке; в случае необходимости их можно повторить, да и вообще фотография является объективным документом, в то время как в визуальные наблюдения наблюдатель вносит много субъективного. Кроме того, фотографическая пластинка, в отличие от глаза, накапливает приходящие от источника фотоны и потому позволяет получать снимки слабых объектов [9].

Также для фотографических наблюдений не требуется, чтобы искусственные спутники Земли находились на орбите очень долгое время, поэтому предусматривается возвращение на Землю небольшого патрона с экспонированной пленкой.

Список литературы / References

1. https://studfiles.net/preview/5169718/

2.http://www.bibliotekar.ru/astronomia/91.htm 3. https://pikabu.ru/story/zvezdnoe_nebo_4314345

4. https://topwar.ru/104164-rassvet-nad-okeanom-kak-obnaruzhit-atomnyy-kreyser.html

5. http://www.kevin-lee.co.uk/astro.html 6. «Основы геодезии и топография местности». Авторы: Олег Кузнецов.

7. http://lfvn.astronomer.ru/report/0000036/index.htm

8. http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/petrov/isz58/06.html

9. https://yunc.org/Астрономические_наблюдения

Список литературы на английском языке / References in English

1. https://studfiles.net/preview/5169718/

2. http://www.bibliotekar.ru/astronomia/91.htm

3. https://pikabu.ru/story/zvezdnoe_nebo_4314345

4. https://topwar.ru/104164-rassvet-nad-okeanom-kak-obnaruzhit-atomnyy-kreyser.html

5. http://www.kevin-lee.co.uk/astro.html

6. "Fundamentals of geodesy and topography of the area". Authors: Oleg Kuznetsov.

7. http://lfvn.astronomer.ru/report/0000036/index.htm

8. http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/petrov/isz58/06.html

9. https://yunc.org/Astronomicheskiye_nablyudeniya

Код для цитирования: Скопировать