ПЛАНШЕТ ДЛЯ ВЫБОРА 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 объектов наблюдения с борта орбитального космического аппарата (КА), движущегося по околокруговой орбите.

Известны карты земной поверхности [1], космонавигационная карта Центра управления полетами (ЦУП) и карты звездного неба [2], которые можно использовать для определения и выбора геофизических и астрономических объектов для наблюдений, выполняемых с КА. Недостатком карт является то, что на них отсутствует графическая информация об орбите КА.

Наиболее близким из аналогов, принятым за прототип, является планшет для определения и выбора объектов геофизических наблюдений с борта орбитальных космических станций [3], содержащий два экземпляра карты земной поверхности, нанесенных на основу (гибкую ленту), полупрозрачную пластину с изображением кривой линии трассы витка орбиты КА, установленную над лентой с картой, и устройство обеспечения перемещения ленты с картой вдоль пластины с изображением орбиты.

Форма кривой линии трассы витка орбиты КА определяется наклонением и высотой орбиты КА и связанным с ними периодом обращения КА вокруг Земли. При этом устройство обеспечения перемещения ленты с картой вдоль пластины с изображением орбиты выполнено из двух разнесенных и скрепленных параллельно между собой валов, причем карты нанесены на ленту с совмещением точки конца экватора первого экземпляра карты с точкой начала экватора второго экземпляра карты, а лента с картой выполнена замкнутой и натянута на валы с возможностью ее кругового перемещения вдоль линии экватора карт.

Планшет [3] представлен на фиг.1. Данный планшет используется в РКК «Энергия» и российском ЦУП для планирования геофизических наблюдений с орбитальных космических станций.

Работа с планшетом осуществляется следующим образом.

С помощью устройства обеспечения перемещения ленты с картой вдоль пластины с изображением орбиты совмещают точку экватора карты, соответствующую значению долготы восходящего узла рассматриваемого витка орбиты, с точкой восходящего узла витка орбиты, изображенного на пластине. При этом изображенная на полупрозрачной пластине кривая линия трассы витка орбиты КА показывает на карте расположение трассы данного витка, что позволяет определить и выбрать точки земной поверхности для наблюдения на данном витке орбиты КА.

Планшет, принятый за прототип, имеет существенный недостаток - он не позволяет при определении и выборе объектов наблюдения на земной поверхности одновременно учитывать условия и ограничения, связанные с объектами на небесной сфере (звездном небе) - Солнцем, Луной, планетами, астрономическими объектами наблюдения.

Задачей, стоящей перед предлагаемым устройством, - обеспечение выбора объектов наблюдения с КА с наложением на наблюдения условий и ограничений, связанных одновременно с объектами земной поверхности и звездного неба за счет одновременного отображения прохождения КА над наземными объектами и объектами небесной сферы.

Поставленная задача достигается тем, что в планшет для выбора объектов наблюдения с орбитального космического аппарата, включающий полупрозрачную пластину с изображением кривой линии витка орбиты космического аппарата, расположенную под пластиной гибкую ленту, на которую нанесены два экземпляра карты поверхности планеты с совмещением точки конца экватора первого экземпляра карты с точкой начала экватора второго экземпляра карты, и устройство обеспечения перемещения ленты с картами вдоль пластины из двух разнесенных и скрепленных параллельно между собой валов, на которых лента, выполненная замкнутой, размещена с возможностью ее кругового перемещения вдоль линии экваторов карт, дополнительно введены гибкая полупрозрачная лента с изображением объектов двух экземпляров карт звездного неба, включая линию эклиптики, с совмещением точки конца экватора первого экземпляра карты с точкой начала экватора второго экземпляра карты, и устройство обеспечения перемещения ленты с изображением объектов карт звездного неба вдоль пластины из не менее двух разнесенных и скрепленных параллельно между собой валов, на которых вновь введенная лента размещена с возможностью ее перемещения вдоль линии экваторов карт, при этом по осям, перпендикулярным экваторам карт, масштаб карт звездного неба и ширина ленты с картами звездного неба совпадают соответственно с масштабом карт земной поверхности и шириной ленты с картами земной поверхности, а по экваториальным осям масштабы карт звездного неба и земной поверхности выполнены в отношении 1:K, где K - коэффициент соответствия масштабов экваториальных шкал, определяемый по формуле:

K=1-Тω/(2π+Δ Ω),

где Т - период обращения КА вокруг Земли,

ω - угловая скорость вращения Земли в инерциальном пространстве,

Δ Ω - витковая прецессия орбиты в инерциальной системе координат.

Кроме того, в планшете для выбора объектов наблюдения с орбитального космического аппарата устройство обеспечения перемещения ленты с изображением объектов карт звездного неба вдоль пластины выполнено в виде двух разнесенных и скрепленных параллельно между собой валов, при этом радиус валов устройства обеспечения перемещения ленты с изображением объектов карт звездного неба более или равен радиусу валов устройства обеспечения перемещения ленты с картами земной поверхности, причем расстояние между осями валов устройства обеспечения перемещения ленты с изображением объектов карт звездного неба более суммы расстояния между осями валов устройства обеспечения перемещения ленты с картами земной поверхности и радиусов всех четырех валов обоих устройств обеспечения перемещения лент, а ширина пластины с изображением линии орбиты и ширина лент выполнены в отношении, равном или более значения отношения угла наклонения орбиты к 90°.

Суть предлагаемого планшета поясняется на фиг.1-3. При этом приведены: на фиг.1 - планшет-прототип; на фиг.2 - конструкция предлагаемого планшета; на фиг.3 - схема, поясняющая выбор предложенных размеров элементов планшета.

На фиг.2, на которой представлен вариант конструкции предлагаемого планшета по п.2 формулы, введены обозначения:

1 - гибкая лента с картами земной поверхности;

2 - валы устройства обеспечения перемещения ленты (1);

3 - оси валов (2);

4 - элементы конструкции, скрепляющие оси валов (2);

5 - гибкая полупрозрачная лента с изображением объектов карт звездного неба;

6 - валы устройства обеспечения перемещения ленты (5);

7 - оси валов (6);

8 - элементы конструкции, скрепляющие оси валов (2) и (6);

9 - полупрозрачная пластина с изображением кривой линии витка орбиты КА;

10 - элементы конструкции, фиксирующие пластину (9) относительно элементов конструкции (4), (8);

11 - линия изображения витка орбиты КА;

12, 13 - линии экваторов карт соответственно земной поверхности и звездного неба;

14 - проекция линии экваторов карт на пластину (9);

15 - точка восходящего узла орбиты на линии (11).

В предлагаемом планшете устройство обеспечения перемещения ленты (5) вдоль пластины (9) выполнено из не менее двух разнесенных и скрепленных параллельно между собой валов (6) и элементов конструкции (4), (8), (10), которые скрепляют оси валов (6) между собой и фиксируют положение пластины (9) относительно валов (6), на которых размещается лента (5).

При этом в планшете по п.2 используются два вала (6). Радиус валов (6) более или равен радиусу валов (2). Расстояние между осями валов (6) более суммы расстояния между осями валов (2) и радиусов всех четырех валов (2) и (6). Ширина пластины (9) и ширина лент (1) и (5) выполнены в отношении, равном или более значения отношения угла наклонения орбиты к 90°.

Поясним выбор коэффициента масштабирования экваториальных осей карт. За время витка плоскость орбиты КА повернется относительно небесной сферы на угол Δ Ω, являющийся витковой прецессией орбиты в инерциальной системе координат, определяемый по формуле ([4], стр.149):

где R_э - экваториальный радиус Земли;

р - фокальный параметр орбиты;

i - наклонение орбиты;

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

При наклонениях орбиты, меньших 90°, (что соответствует всем исследовательским орбитальным КА) значение Δ Ω отрицательно (орбита прецессирует в сторону, обратную вращению Земли). Например, для орбит орбитальных космических станций («Салют», «Мир», международная космическая станция) Δ Ω составляет величину порядка - 0,3°.

Относительно Земли за время витка плоскость орбиты повернется на угол Δλ, являющийся межвитковым расстоянием в связанной с Землей системе координат, определяемый формулой:

где Т - средний период обращения КА вокруг Земли,

ω - угловая скорость вращения Земли в инерциальном пространстве.

Для того чтобы одно и то же изображение орбиты КА было применимо к обеим картам, необходимо, чтобы масштабы их экваториальных осей - оси восхождений карты звездного неба и оси долгот карты земной поверхности - были выполнены в пропорции

или

где K - коэффициент соответствия масштабов экваториальных шкал, определяемый по формуле:

Масштабирование (3)-(5) обеспечивает синхронизацию изображений подспутниковой точки на Земле с зенитной точкой КА на небесной сфере.

Поясним выбор предложенных размеров элементов планшета.

Кривая линия изображения трассы витка орбиты захватывает области карт поверхности планеты в интервале значений широт [-i, i], где i - значение угла наклонения орбиты КА (принимаем, что значение угла наклонения орбиты КА положительно). Поскольку размер карт по широте соответствует интервалу значений широт [-90°, 90°], то ширина пластины с изображением витка орбиты должна быть не меньше ширины лент с картами, умноженной на коэффициент, равный отношению i к 90°. Учитывая, что избыточная ширина полупрозрачной пластины может создавать неудобства для считывания информации с карт, расположенных под пластиной (особенно с карт земной поверхности, расположенных под полупрозрачными пластиной (9) и лентой (5)), то пластину целесообразно выполнить максимально узкой - расположенной в интервале значений широт карт [-i, i]. Данное условие соответствует выполнению размера по ширине пластины W₀ и размера по ширине лент с картами W (ширина обоих лент одинакова) в отношении, равном отношению угла наклонения орбиты i к 90°:

По этой же причине пластину (9) целесообразно выполнить по длине максимально короткой, на которой отображается линия витка орбиты (11), - равной длине проекции линии (11) на линию (14) проекции экватора карт на пластину (9). Поскольку в планшете пластина (9) и участки лент (1) и (5) с картами, непосредственно расположенные под пластиной, параллельны, то все линии экваторов (12), (13), (14) параллельны, то в дальнейшем используем одно общее понятие направления линии экватора.

На фиг.3, поясняющей выбор предложенных размеров элементов планшета, дополнительно обозначено:

L₀ - длина проекции линии (11) на экватор карт (минимальная длина пластины (9));

L₁ - расстояние между осями валов (2);

L₂ - расстояние между осями валов (6);

R₁ - радиус валов (2);

R₂ - радиус валов (6).

Для того чтобы лента (5) охватывала ленту (1), необходимо, чтобы валы (2) располагались между валов (6), что соответствует условию (см. фиг.3):

Для того чтобы лента (5) охватывала ленту (1) без взаимного трения лент необходимо, чтобы радиус валов (6) был не менее радиуса валов (2):

При этом длина каждой ленты S_j(j=1,2), вычисляемая по значениям L_j, R_j по формуле:

выполняется не менее удвоенной длины экватора E_j одного экземпляра соответствующей карты (каждый экземпляр карт имеет диапазон экваториальной шкалы 2π):

Таким образом, длина экватора E_j(j=1,2) одного экземпляра каждого вида нанесенных на ленты карт определяется из соотношения:

Работа с планшетом осуществляется следующим образом. Вращая валы (2) устройства обеспечения перемещения ленты (1), совмещают точку экватора (12) карты земной поверхности, соответствующую значению долготы восходящего узла рассматриваемого витка орбиты, с точкой (15) - точкой восходящего узла изображенного на пластине (9) витка орбиты. Далее, вращая валы (6) устройства обеспечения перемещения ленты (5), совмещают точку экватора (13) карты звездного неба, соответствующую значению прямого восхождения восходящего узла рассматриваемого витка орбиты КА в инерциальной системе координат, с точкой (15).

Тогда кривая линия витка орбиты (11) покажет на картах земной поверхности, нанесенных на ленту (1), расположение трассы рассматриваемого витка орбиты КА, а на ленте (5), на которую нанесены изображения объектов карт звездного неба, - расположение следа радиус-вектора КА на звездном небе в течение рассматриваемого витка. Таким образом, данное графическое представление позволяет одновременно определить точки земной поверхности и точки небесной сферы, доступные наблюдению в течение рассматриваемого витка орбиты.

Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.

Предлагаемое устройство расширяет функциональные возможности устройства-прототипа за счет обеспечения определения объектов наблюдения с КА при условиях и ограничениях, связанных одновременно с объектами земной поверхности и небесной сферы. Для этого в предлагаемом устройстве решена техническая задача одновременного отображения прохождения КА над наземными объектами и объектами небесной сферы.

Технический результат достигается за счет введения в устройство-прототип гибкой полупрозрачной ленты с изображением объектов карт звездного неба и устройства обеспечения перемещения вновь введенной ленты, предложенной установки вновь введенных элементов, выполнения предложенных размеров вновь введенных элементов и предложенного коэффициента масштабирования карт.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вотяков А.А. Теоретическая география - 3. Карты плоской земли. - М.: София, 2002.

2. Карта звездного неба с зодиакальными созвездиями. - М.: ДИ ЭМ БИ, 2004.

3. Картографический планшет 17 К-7988. РКК «Энергия».

4. Инженерный справочник по космической технике. Изд-во МО СССР, М., 1969.

Планшет для выбора объектов наблюдения с орбитального космического аппарата (КА) относится к космической технике. Планшет для выбора объектов наблюдения с орбитального КА включает полупрозрачную пластину с изображением кривой линии витка орбиты КА, расположенную под пластиной гибкую ленту, на которую нанесены два экземпляра карты поверхности планеты с совмещением точки конца экватора первого экземпляра карты с точкой начала экватора второго экземпляра карты, и устройство обеспечения перемещения ленты с картами вдоль пластины из двух разнесенных и скрепленных параллельно между собой валов, на которых лента, выполненная замкнутой, размещена с возможностью ее кругового перемещения вдоль линии экваторов карт. Дополнительно введены гибкая полупрозрачная лента с изображением объектов двух экземпляров карт звездного неба, включая линию эклиптики, с совмещением точки конца экватора первого экземпляра карты с точкой начала экватора второго экземпляра карты, и устройство обеспечения перемещения ленты с изображением объектов карт звездного неба вдоль пластины из не менее двух разнесенных и скрепленных параллельно между собой валов, на которых вновь введенная лента размещена с возможностью ее перемещения вдоль линии экваторов карт. По осям, перпендикулярным экваторам карт, масштаб карт звездного неба и ширина ленты с картами звездного неба совпадают соответственно с масштабом карт земной поверхности и шириной ленты с картами земной поверхности, а по экваториальным осям масштабы карт звездного неба и земной поверхности выполнены в отношении 1:К. Устройство обеспечения перемещения ленты с изображением объектов карт звездного неба выполнено в виде двух разнесенных и скрепленных параллельно между собой валов. Радиус валов устройства обеспечения перемещения ленты с изображением объектов карт звездного неба более или равен радиусу валов устройства обеспечения перемещения ленты с картами земной поверхности. Расстояние между осями валов устройства обеспечения перемещения ленты с изображением объектов карт звездного неба более суммы расстояния между осями валов устройства обеспечения перемещения ленты с картами земной поверхности и радиусов всех четырех валов обоих устройств обеспечения перемещения лент. Ширина пластины с изображением линии орбиты и ширина лент выполнены в отношении, равном или более значения отношения угла наклонения орбиты к 90°. Технический результат в обеспечении одновременного отображения прохождения КА над наземными объектами и объектами небесной сферы. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Планшет для выбора объектов наблюдения с орбитального космического аппарата (КА), включающий полупрозрачную пластину с изображением кривой линии витка орбиты космического аппарата, расположенную под пластиной гибкую ленту, на которую нанесены два экземпляра карты поверхности планеты с совмещением точки конца экватора первого экземпляра карты с точкой начала экватора второго экземпляра карты, и устройство обеспечения перемещения ленты с картами вдоль пластины из двух разнесенных и скрепленных параллельно между собой валов, на которых лента, выполненная замкнутой, размещена с возможностью ее кругового перемещения вдоль линии экваторов карт, отличающийся тем, что дополнительно введены гибкая полупрозрачная лента с изображением объектов двух экземпляров карт звездного неба, включая линию эклиптики, с совмещением точки конца экватора первого экземпляра карты с точкой начала экватора второго экземпляра карты, и устройство обеспечения перемещения ленты с изображением объектов карт звездного неба вдоль пластины из не менее двух разнесенных и скрепленных параллельно между собой валов, на которых вновь введенная лента размещена с возможностью ее перемещения вдоль линии экваторов карт, при этом по осям, перпендикулярным экваторам карт, масштаб карт звездного неба и ширина ленты с картами звездного неба совпадают, соответственно, с масштабом карт земной поверхности и шириной ленты с картами земной поверхности, а по экваториальным осям масштабы карт звездного неба и земной поверхности выполнены в отношении 1:К, где К - коэффициент соответствия масштабов экваториальных шкал, определяемый по формуле:

К=1-Тω/(2μ+Δ Ω),

где Т - период обращения КА вокруг Земли,

ω - угловая скорость вращения Земли в инерциальном пространстве,

Δ Ω - витковая прецессия орбиты в инерциальной системе координат.