ПЛАНШЕТ ДЛЯ ВЫБОРА ОБЪЕКТОВ НАБЛЮДЕНИЯ С ОРБИТАЛЬНОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2008 года по МПК G01C21/24 G09B29/00 

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 КА.

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. При этом одним из основных условий выполнения визуальных наблюдений поверхности планеты является условие нахождения КА на освещенной Солнцем части орбиты.

Задачей, стоящей перед предлагаемым устройством, является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения выбора объектов наблюдения с КА при наложении условия нахождения КА на освещенной Солнцем части орбиты.

Технический результат 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 с нанесенными на нее двумя экземплярами 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, 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, вторая полупрозрачная пластина с изображением кривых линий, каждая из которых выполнена в масштабе осей карты звездного неба и образована точками, удаленными на одинаковое угловое расстояние, равное значению угла полураствора видимого с космического аппарата диска планеты, от точек из диапазона широт линии эклиптики, и устройство обеспечения перемещения второй пластины вдоль первой пластины, 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(2π+Δ Ω),

где Т - период обращения космического аппарата вокруг Земли,

ω - угловая скорость вращения Земли в инерциальном пространстве,

Δ Ω - витковая прецессия орбиты в инерциальной системе координат, причем ширина второй пластины совпадает с шириной первой пластины, а длина второй пластины L определяется по формуле:

L=arcos([cosQ-sinεsini]/[cosεcosi]L_s/2π,

где L_s - длина экваториальной шкалы одного экземпляра карты звездного неба;

Q - угол полураствора видимого с космического аппарата диска планеты;

ε, i - углы наклонения плоскостей соответственно эклиптики и орбиты космического аппарата к плоскости экватора.

Суть предлагаемого планшета поясняется на фиг.1-5. При этом приведены: на фиг.1 - планшет-прототип; на фиг.2 - вариант конструкции предлагаемого планшета; на фиг.3 - пример графического изображения линий, изображенных на второй пластине; на фиг.4 - схема затенения КА планетой; на фиг.5 - схема, поясняющая конструкцию представленного варианта планшета.

На фиг.2 ведены 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 - вторая полупрозрачная пластина;

11 - кривая линия 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);

16 - направляющие элементы устройства обеспечения перемещения второй пластины (10) вдоль первой пластины (9);

17 - линии, изображенные на второй пластине (10);

18 - линия нулевой долготы линий (17).

В представленном варианте конструкции предлагаемого планшета устройство обеспечения перемещения второй пластины вдоль первой пластины имеет направляющие элементы (16), обеспечивающие перемещение пластины (10) вдоль пластины (9). В представленном варианте планшета направляющие элементы (16) также являются элементами конструкции, фиксирующими положение пластины (9) относительно элементов конструкции (4), (8).

Представленное устройство обеспечения перемещения ленты (5) вдоль пластины (9) выполнено из двух разнесенных и скрепленных параллельно между собой валов (6) и элементов конструкции (4), (8), (16), которые скрепляют оси валов (6) между собой и фиксируют положение пластины (9) относительно валов (6), на которых размещается лента (5).

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 для случая обращения КА вокруг Земли по формуле ([4], стр.149):

где R_э - экваториальный радиус Земли;

р - фокальный параметр орбиты;

i - угол наклонения 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 (МКС)) 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 К - коэффициент соответствия масштабов экваториальных шкал, определяемый по формуле:

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

Поясним выбор предложенных размеров второй пластины.

На фиг.4, поясняющей схему затенения КА планетой, обозначено:

О - центр планеты;

Р - поверхность планеты;

К - положение КА в момент входа или выхода КА из тени планеты;

G - точка видимого с КА горизонта планеты;

R - единичный вектор направления радиус-вектора КА;

S - единичный вектор направления на Солнце;

S_o - единичный вектор противосолнечного направления;

Q - угол полураствора видимого с КА диска планеты.

КА находится на теневой части орбиты, когда угол между R и S_o меньше значения угла Q, а в точках входа и выхода КА из тени планеты выполняется условие:

где (R, S_o) - скалярное произведение единичных векторов R и S_o.

Величина угла Q рассчитывается по формуле:

где R_o=OK - радиус орбиты КА;

R_p=OG - радиус планеты.

Построим на карте звездного неба линию {Т}, образованную точками, удаленными от точки S_o на угловое расстояние Q:

Тогда пересечение линии {Т} и линии {R}, образованной радиус-векторами КА витка орбиты, укажет моменты входа КА в тень планеты и выхода КА из тени планеты.

Диапазон широт линии эклиптики составляет [-ε, ε], где ε - угол наклонения плоскости эклиптики к плоскости экватора (ε=23,4°). Построим набор линий {Т} (линии (17) на фиг.2), каждая из которых задается формулой (8), для разных значений широты точки S_o из диапазона [-ε, ε] (например, с равномерным шагом). На фиг.3 представлен пример графического изображения данных кривых линий, построенных для значений широты точек S_o в диапазоне [-23°, 23°] с шагом 2° для орбиты МКС высотой ≈370 км (Q=71°).

Поскольку форма линий {Т} зависит только от широты точки S_o, то долгота точек S_o, для которых построены данные линии, принята равной 0, т.е. все точки S_o лежат на линии нулевой долготы (линия (18) на фиг.2).

Отметим, что линия {R} (линия (11) на фиг.2) витка орбиты КА охватывает область карты звездного неба в интервале значений широт [-i, i] (принимаем, что i положительно). Поэтому отрезки линий {Т}, расположенные за пределами интервала широт [-i, i], избыточны для задачи определения пересечения линий {Т} и линии {R}. Учитывая, что избыточные размеры второй полупрозрачной пластины, на которую нанесены линии {Т}, может создавать неудобства для считывая информации с карт, расположенных под данной пластиной, то данную пластину целесообразно выполнить максимально короткой - вмещающей только отрезки линий {Т}, расположенные внутри интервала широт [-i, i] (данная область на фиг.3 ограничена пунктирной линией).

Такой размер второй пластины определяется следующим образом.

Обозначим:

T₁ - точка линии {Т}, имеющая широту i;

S₁ - крайняя точка на эклиптике, имеющая широту ε.

Максимальный размер L линии {Т} в интервале широт [-i, i], измеренный параллельно линии экватора, реализуется на широте точки T₁ и при положении точки S_o в точке S₁.

По формуле угла между двумя единичными векторами Т₁ и S₁ имеем:

где Δα - разность долгот между точками T₁ и S₁.

С учетом (8) имеем

Например, для орбиты МКС высотой ≈370 км (i=51,6°; Q=71°) получаем Δα=88,6° (см. фиг.3).

Используя значение Δα, L определяется по формуле:

где L_s - длина экваториальной шкалы одного экземпляра карты звездного неба.

Таким образом, минимально возможная длина второй пластины L определяется по формуле (13).

На фиг.5, поясняющей конструкцию представленного варианта планшета, дополнительно обозначено:

L₀ - длина пластины (9), равная длине проекции линии (11) на экватор карт;

L₁ - расстояние между осями валов (2);

L₂ - расстояние между осями валов (6);

L - длина второй пластины (10);

R₁ - радиусы валов (2);

R₂ - радиусы валов (6).

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). После этого 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.

Фиксируют точку эклиптики S_o, противоположную точке текущего положения Солнца S, определяют и фиксируют широту точки S_o.

Перемещают вторую пластину (10) относительно первой пластины (9) и, следовательно, линии эклиптики, нанесенной на ленту (5), до попадания точки S_o на линию нулевой долготы (18). Идентифицируют линию (17), соответствующую зафиксированной широте точки S_o. Пересечение данной идентифицированной линии (17) с линией (11) указывает точки входа и выхода КА из тени планеты. Отрезок линии (11), расположенный между данными точками, является теневым участком витка орбиты. Остальная часть линии (11) является освещенным Солнцем участком витка орбиты. В случае, когда идентифицированная линия (17) не пересекается с линией (11), КА находится на «солнечной орбите» - для наблюдателя на КА Солнце не заходит за горизонт планеты в течение всего витка.

Таким образом, полученное графическое представление позволяет одновременно определить точки земной поверхности и точки небесной сферы, доступные наблюдению с КА в течение теневой и освещенной частей рассматриваемого витка орбиты.

Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.

Предлагаемое устройство расширяет функциональные возможности устройства-прототипа за счет обеспечения выбора объектов наблюдения с КА с учетом условий, связанных одновременно с объектами земной поверхности и небесной сферы, в том числе условия нахождения КА на освещенной Солнцем части орбиты. Для этого в предлагаемом устройстве решена техническая задача одновременного отображения прохождения КА над объектами наблюдения и определения моментов освещенности орбиты КА Солнцем (определения точек начала и конца освещенного участка витка орбиты КА).

Технический результат достигается за счет введения в устройство-прототип гибкой полупрозрачной ленты с изображением объектов карт звездного неба, устройства обеспечения перемещения вновь введенной ленты, второй полупрозрачной пластины с изображением предложенных кривых линий и устройства обеспечения перемещения второй пластины вдоль первой пластины, а также за счет предложенной установки вновь введенных элементов и выполнения предложенных размеров вновь введенных элементов.

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 17К-7988. РКК «Энергия».

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

Изобретение относится к средствам космической техники и направлено на расширение функциональных возможностей планшета за счет обеспечения выбора объектов наблюдения с космического аппарата (КА) при наложении условия нахождения КА на освещенной Солнцем части орбиты, что обеспечивается за счет того, что планшет для выбора объектов наблюдения с орбитального КА включает полупрозрачную пластину с изображением кривой линии витка орбиты КА, расположенную под пластиной гибкую ленту с нанесенными на нее двумя экземплярами 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, 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, вторая полупрозрачная пластина с изображением кривых линий, каждая из которых выполнена в масштабе осей карты звездного неба и образована точками, удаленными на одинаковое угловое расстояние, равное значению угла полураствора видимого с КА диска планеты, от точек из диапазона широт линии эклиптики, и устройство обеспечения перемещения второй пластины вдоль первой пластины, 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/(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, причем ширина второй пластины совпадает с шириной первой пластины, а длина второй пластины L определяется по формуле: L=arccos([cosQ-sinεsini]/[cosεcosi)L_s/2π, где L_s - длина экваториальной шкалы одного экземпляра карты звездного неба; Q - угол полураствора видимого с КА диска планеты; ε, i - углы наклонения плоскостей соответственно эклиптики и орбиты КА к плоскости экватора. 5 ил.

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 с нанесенными на нее двумя экземплярами 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, 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, вторая полупрозрачная пластина с изображением кривых линий, каждая из которых выполнена в масштабе осей карты звездного неба и образована точками, удаленными на одинаковое угловое расстояние, равное значению угла полураствора видимого с космического аппарата диска планеты, от точек из диапазона широт линии эклиптики, и устройство обеспечения перемещения второй пластины вдоль первой пластины, 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/(2π+Δ Ω),

где Т - период обращения космического аппарата вокруг Земли;

ω - угловая скорость вращения Земли в инерциальном пространстве;

Δ Ω - витковая прецессия орбиты в инерциальной системе координат,

причем ширина второй пластины совпадает с шириной первой пластины, а длина второй пластины L определяется по формуле

L=arccos([cosQ-sin ε sin i]/[cos ε cos i])L_s/2π,

где L_s - длина экваториальной шкалы одного экземпляра карты звездного неба;

Q - угол полураствора видимого с космического аппарата диска планеты;

ε, i - углы наклонения плоскостей, соответственно, эклиптики и орбиты космического аппарата к плоскости экватора.