УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫБОРА АСТРОНОМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НАБЛЮДЕНИЯ С ОРБИТАЛЬНОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2008 года по МПК G01C21/24 

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 учебное пособие по навигации и небесной механике.

Известен глобус (см. [1], с.93-97), который можно использовать, в частности, для определения и выбора объектов наблюдений, выполняемых с КА. Недостатком данного устройства является отсутствие элементов, позволяющих отобразить информацию об орбите КА. Известен также 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 глобуса, доступные наблюдению с КА.

Наиболее близким из аналогов, принятым за прототип, является устройство [3], включающее звездный глобус с охватывающими его двумя кольцами, установленными с совмещением центров колец с центром глобуса. При этом первое кольцо закреплено над точками полюсов глобуса с возможностью поворота вокруг оси вращения глобуса, проходящей через полюса глобуса, а второе кольцо установлено с возможностью выставки кольца под любым задаваемым углом к экватору глобуса.

Внешний вид устройства [3] представлен на фиг.1.

Работа с устройством осуществляется следующим образом.

Глобус поворачивают относительно кольца, позволяющего выставку кольца относительно глобуса под любым задаваемым углом к экватору глобуса, в положение, при котором данное кольцо составляет с экватором глобуса угол, равный углу наклонения орбиты КА.

Дальнейшим поворотом глобуса вокруг оси его вращения устанавливают глобус в положение, при котором данное кольцо пересекает экватор глобуса в точке экватора с долготой, равной значению долготы восходящего узла рассматриваемого витка орбиты КА. При этом проекция данного кольца на поверхность глобуса покажет линию проекции плоскости орбиты КА на поверхность глобуса на момент прохождения восходящего узла рассматриваемого витка орбиты КА. В качестве возможных объектов наблюдения с КА выбираются объекты, расположенные на карте звездного неба, нанесенной на поверхность глобуса, вдоль смоделированной линии проекции плоскости орбиты КА - данная линия образована следами радиус-векторов КА на небесной сфере за виток орбитального перемещения КА.

Наблюдению с КА будут доступны астрономические объекты (объекты небесной сферы или звездного неба), 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. При этом некоторые астрономические объекты будут затеняться планетой в течение рассматриваемого витка орбиты КА, а некоторые могут быть доступны наблюдению с КА в течение всего витка орбиты. Последний случай является особо интересным, в частности, потому, что позволяет максимально долго (весь виток) выполнять наблюдение таких астрономические объектов.

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 в течение всего витка орбиты.

Задачей, стоящей перед предлагаемым устройством, является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения отображения на звездном глобусе областей, доступных наблюдению с КА в течение всего витка 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, 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 космического аппарата, дополнительно введены 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 космического аппарата диска планеты, вокруг которой обращается движущийся по околокруговой орбите космический аппарат, при этом введенные элементы закреплены над поверхностью глобуса с его противоположных сторон посредством одной или нескольких дуг, соединяющих введенные элементы со вторым кольцом.

При этом поставленная задача решается тем, что каждый из элементов, 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 космического аппарата диска планеты, выполнен в виде полупрозрачного сферического сегмента, угол полураствора которого равен 90° за вычетом угла полураствора видимого с космического аппарата диска планеты, с прорезью, выполненной от края сферического сегмента к его центру, длина дуги которой равна или более угла полураствора сферического сегмента за вычетом угла наклонения орбиты космического аппарата, при этом центры сферических сегментов расположены на прямой, проходящей через центр глобуса и перпендикулярной к плоскости второго кольца, с совмещением центра сферы, образующей сферические сегменты, и центра глобуса, причем прорези в сферических сегментах выполнены напротив разных полюсов глобуса.

Кроме этого, поставленная задача решается тем, что каждый из элементов, 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 космического аппарата диска планеты, выполнен в виде кольца, размещенного по контуру элемента, с разрывом, при этом в местах разрывов колец удалены сегменты колец, расположенные напротив разных полюсов глобуса.

Таким образом, в предлагаемом устройстве, в отличие от прототипа, дополнительно введены элементы, выполненные в виде полупрозрачных сферических сегментов с прорезью и/или колец с разрывом, при этом введенные элементы выполнены предложенных размеров, вычисляемых по значениям угла наклонения орбиты КА и угла полураствора видимого с КА диска планеты, причем введенные элементы установлены в устройстве предложенным образом.

Суть предлагаемого устройства поясняется на фиг.1-5. При этом приведены: на фиг.1 - устройство-прототип; на фиг.2 - вид предлагаемого устройства, в котором вновь введенные элементы выполнены в виде полупрозрачных сферических сегментов с прорезью (по п.2 формулы); на фиг.3 - вид предлагаемого устройства, в котором вновь введенные элементы выполнены в виде колец с разрывом (по п.3 формулы); на фиг.4 - схема, поясняющая вычисление размеров введенных элементов; на фиг.5 - схема, поясняющая выбор размера прорези в сферических сегментах.

На фиг.2 введены обозначения:

1 - глобус с нанесенной на него картой звездного неба;

2, 3 - первое и второе кольца соответственно;

4 - вновь введенные элементы, выполненные в виде полупрозрачных сферических сегментов с прорезью;

5 - прорезь в сферическом сегменте (4);

6 - дуга, соединяющая элементы (4) с кольцом (3);

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 контура сферического сегмента (4) 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;

V - центральная точка сферического сегмента (4).

На фиг.3 дополнительно введены обозначения:

13 - вновь введенные элементы, выполненные в виде колец с разрывом;

14 - разрыв в кольце (13).

Отметим, что элементы (4) и (13) соединены с кольцом (3) идентичными дугами (6), а также линии проекции контуров элементов (4) и (13) на поверхность глобуса (1) идентичны линиям (10).

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 - наклонение орбиты;

R₀ - 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°.

В течение витка орбиты значение Ω изменяется от значения Ω₀, равного долготе восходящего узла орбиты на момент начала рассматриваемого витка (u=0°), до значения Ω₀+Δ Ω, равного долготе восходящего узла орбиты на момент окончания рассматриваемого витка (u=360°), где Δ Ω - витковая прецессия орбиты КА в инерциальной системе координат - межвитковое расстояние, измеренное по экваториальной шкале. Например, величина Δ Ω при движении КА вокруг Земли определяется формулой (см. [5], стр.149):

где R_э - экваториальный радиус Земли;

р - фокальный параметр орбиты;

I₂=-1082,2 10^-6 - коэффициент потенциала гравитационного поля Земли.

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 I₂, 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 астрономических наблюдений на интервале одного витка орбиты.

В этом случае принимам, что в течение всего витка

и формулы (1) принимают вид, являющийся описанием окружности, наклоненной к плоскости экватора на угол и пересекающей экватор в точке с долготой Ω₀. Вместо Ω₀ в (3) также возможно использование среднего значения Ω за рассматриваемый виток Ω₀ ^*= Ω₀+Δ Ω/2.

На фиг.4, поясняющей вычисление размеров введенных элементов, введены обозначения:

S - небесная сфера;

Р - поверхность сферы, аппроксимирующей поверхность планеты, вокруг которой обращается КА;

O_p - центр планеты;

О₁, О₂ - положения КА в противоположных точках витка орбиты;

O₁O₂ - плоскость орбиты КА;

N₁, N₂ - точки следов на небесной сфере прямой, проходящей через центр планеты и перпендикулярной к плоскости орбиты КА;

M₁, М₂ - точки следов на небесной сфере направлений от КА на видимый с КА горизонт планеты из положения КА O₁;

М₃, М₄ - точки следов на небесной сфере направлений от КА на видимый с КА горизонт планеты из положения КА О₂;

Е, E₁ - точки видимого с КА горизонта планеты из положения КА O₁;

ЕЕ₁ - диск планеты, видимый из положения КА O₁;

Q - угол полураствора видимого с КА диска планеты;

δ - угол между направлением, перпендикулярным к плоскости орбиты КА, и направлениями от КА на видимый с КА горизонт планеты.

Для рассматриваемого случая круговой орбиты КА угол δ является постоянной величиной и равен (см. фиг.4):

Величина угла Q рассчитывается по формуле (см. фиг.4):

где R_p=O_pE - радиус планеты;

R₀=О_pО₁ - радиус орбиты КА.

Небесная сфера рассматривается как сфера большого радиуса, в сравнении с которым расстояние между точками O₁, O₂, О_р пренебрежительно мало, поэтому в применении к звездному глобусу эти точки совмещены в одну точку О, являющуюся центром небесной сферы и глобуса. При этом часть небесной сферы, находящаяся внутри сферических сегментов M₁N₁M₃ и М₂N₂М₄, имеющих угол полураствора 8 и центрами которых являются точки N₁ и N₂, доступна наблюдению с КА в течение всего витка орбиты. Остальная часть небесной сферы в течение некоторого времени витка будет закрыта от наблюдателя, находящегося на КА, планетой.

В случаях, когда элементы (4) и (13) расположены в окрестности полюсов глобуса, данные элементы покрывают точку соответствующего полюса. Учитывая, что в точках полюсов закреплены конструкционные элементы глобуса, являющиеся продолжением оси вращения глобуса за полюса глобуса, то в процессе поворота кольца (3) элементы (4) и (13) будут пересекать указанные конструкционные элементы. При этом элементы (4) и (13) покрывают только по одному разному полюсу.

Для обеспечения возможности такого перемещения и расположения элементов (4) и (13) в сферических сегментах (4) выполнены прорези (5), а в кольцах (13) выполнены разрывы (14).

На фиг.5, поясняющей вычисление необходимой длины прорези в сферических сегментах (4), дополнительно к обозначениям фиг.2-4 обозначено:

О - центр глобуса;

- угол наклонения орбиты КА;

γ_min - минимальная длина дуги прорези, измеренная в угловых единицах из центра глобуса;

V₁, V₂ - центры сферических сегментов (4);

V₁V₂ - прямая, проходящая через центры сферических сегментов (4) и центр глобуса и перпендикулярная к плоскости кольца (3).

Минимально необходимая длина дуги прорези (5) γ_min определяется из условия (см. фиг.5)

или (с учетом (4)):

При этом прорезь необходима, если значение γ_min положительно, т.е. когда наклонение орбиты меньше значения δ:

Максимальная длина дуги прорези при этом равна углу δ (т.е. прорезь выполняется до центра сегмента, как изображено на фиг.2).

Для обеспечения возможности считывания информации с областей глобуса, находящихся под сферическими сегментами (4), данные сегменты необходимо выполнить полупрозрачными. При этом на поверхности сегментов может быть нанесена дополнительная графическая информация - например, линии, указывающие значения углов возвышения астрономических объектов над видимым с КА горизонтом планеты, реализуемые в течение витка наблюдения.

В другом варианте исполнения устройства вновь введенные элементы выполнены «пустотелыми» - в виде колец с разрывом. При этом разрыв (14) в каждом кольце (13) выполнен путем удаления из кольца сегмента кольца, расположенного напротив соответствующего полюса глобуса.

Работа с устройством осуществляется следующим образом.

Кольцо (3) поворачивают относительно кольца (2) в положение, при котором кольцо (3) составляет с плоскостью экватора глобуса (7) угол, равный углу наклонения орбиты . При этом в случае, когда не выполняется условие (8), элементы (4) и (13) не покрывают полюса глобуса. В случае, когда выполняется условие (8), элементы (4) и (13) покрывают полюса глобуса и в процессе поворота кольца (3) конструкционные элементы глобуса, являющиеся продолжением оси вращения глобуса за полюса глобуса, входят в прорези (5) сегментов (4) и в разрывы (14) колец (13).

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 Ω₀ (или Ω₀ ^*).

После этого элементы (4) и (13) покроют на поверхности глобуса область, доступную наблюдению с КА в течение всего витка орбиты. Данная область поверхности глобуса ограничена линиями (10). Астрономические объекты, расположенные на остальной части поверхности глобуса, в течение некоторого времени витка будут закрыты от наблюдателя, находящегося на КА, планетой.

Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.

Предлагаемое устройство расширяет функциональные возможности устройства за счет обеспечения отображения на звездном глобусе областей, доступных наблюдению с КА в течение всего витка орбиты КА. Технический результат достигается за счет введения в устройство дополнительно элементов, выполненных в виде полупрозрачных сферических сегментов с прорезью и/или колец с разрывами, при этом введенные элементы выполнены предложенных размеров, вычисляемых по значениям угла наклонения орбиты КА и угла полураствора видимого с КА диска планеты, причем введенные элементы установлены в устройстве предложенным образом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Красавцев Б.И. Мореходная астрономия. М.: Транспорт, 1986.

2. Заявка на изобретение №93045113/12 от 1993.09.14.

3. Звездный глобус ЗГ-ОМ1.1.

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.

Устройство для выбора астрономических объектов наблюдения с орбитального космического аппарата (КА) относится к космической технике. Устройство для выбора астрономических объектов наблюдения с орбитального КА включает устройство для выбора астрономических объектов наблюдения с орбитального КА, включающее глобус с нанесенной на него картой звездного неба, 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. Дополнительно введены 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 элементы закреплены над поверхностью глобуса с его противоположных сторон посредством одной или нескольких дуг, соединяющих введенные элементы со вторым кольцом. Дополнительно каждый вновь введенный элемент выполнен в виде полупрозрачного сферического сегмента, угол полураствора которого равен 90° за вычетом угла полураствора видимого с КА диска планеты, с прорезью, выполненной от края сферического сегмента к его центру, длина дуги которой равна или более угла полураствора сферического сегмента за вычетом угла наклонения орбиты КА, при этом центры сферических сегментов расположены на прямой, проходящей через центр глобуса и перпендикулярной к плоскости второго кольца, с совмещением центра сферы, образующей сферические сегменты, и центра глобуса, причем прорези в сферических сегментах выполнены напротив разных полюсов глобуса. Дополнительно каждый из вновь введенных элементов выполнен в виде кольца, размещенного по контуру элемента, с разрывом, при этом в местах разрывов колец удалены сегменты колец, расположенные напротив разных полюсов глобуса. Технический результат - в обеспечении отображения на звездном глобусе областей, доступных наблюдению с КА в течение всего витка орбиты КА. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для выбора астрономических объектов наблюдения с орбитального космического аппарата, включающее глобус с нанесенной на него картой звездного неба, 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 космического аппарата, отличающееся тем, что дополнительно введены 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 космического аппарата диска планеты, вокруг которой обращается движущийся по околокруговой орбите космический аппарат, при этом введенные элементы закреплены над поверхностью глобуса с его противоположных сторон посредством одной или нескольких дуг, соединяющих введенные элементы со вторым кольцом.2. Устройство для выбора астрономических объектов наблюдения с орбитального космического аппарата по п.1, отличающееся тем, что каждый из элементов, 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 космического аппарата диска планеты, выполнен в виде полупрозрачного сферического сегмента, угол полураствора которого равен 90° за вычетом угла полураствора видимого с космического аппарата диска планеты, с прорезью, выполненной от края сферического сегмента к его центру, длина дуги которой равна или более угла полураствора сферического сегмента за вычетом угла наклонения орбиты космического аппарата, при этом центры сферических сегментов расположены на прямой, проходящей через центр глобуса и перпендикулярной к плоскости второго кольца, с совмещением центра сферы, образующей сферические сегменты, и центра глобуса, причем прорези в сферических сегментах выполнены напротив разных полюсов глобуса.3. Устройство для выбора астрономических объектов наблюдения с орбитального космического аппарата по п.1, отличающееся тем, что каждый из элементов, 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 космического аппарата диска планеты, выполнен в виде кольца, размещенного по контуру элемента, с разрывом, при этом в местах разрывов колец удалены сегменты колец, расположенные напротив разных полюсов глобуса.