Способ обнаружения опасных небесных тел, приближающихся к Земле с дневного неба, и космическая система для его реализации СОДА-2 Российский патент 2018 года по МПК G01V8/00 G01C21/02 B64G4/00 

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при создании космических средств и систем обзора космического пространства для обнаружения и наблюдения (мониторинга) опасных небесных тел (ОНТ) Солнечной системы, прежде всего астероидов и комет, сближающихся с Землей.

Целью изобретения является обнаружение движущихся в направлении Земли небесных тел размером от 10 м на дневной небесной полусфере, их классификация по степени опасности на основании первичного определения орбиты, и в случае классификации ОНТ как потенциально угрожающего столкновением с Землей - наблюдательное сопровождение для высокоточного определения орбиты и предсказания места входа в атмосферу с точностью до десятков км для обеспечения возможности принятия мер защиты и снижения ущерба при падении ОНТ.

Известны космические аппараты, проводящие наблюдения небесных объектов (звезд, планет, комет и астероидов), которые можно рассматривать как аналоги настоящего изобретения. Так, с 1990 г. проводятся наблюдения с низкой круговой орбиты космическим телескопом имени Хаббла [1]. С помощью этого телескопа обнаружено большое число астероидов и наблюдалось падение на Юпитер в 1994 году кометы Шумейкера-Леви.

В 2003 году выведен на гелиоцентрическую орбиту инфракрасный космический телескоп имени Спитцера [2], предназначенный для астрофизических наблюдений. Телескоп Спитцера не предназначен для наблюдения астероидов, но они иногда обнаруживаются на снимках.

С 1997 г. ведет наблюдения космическая обсерватория SOHO [3], расположенная на гало-орбите вокруг точки Лагранжа L1 системы Солнце - Земля, и предназначенная для наблюдений Солнца, однако, благодаря своему устройству, незапланированно открывшая уже свыше 3000 комет, сближающихся с Солнцем на очень малые расстояния или сталкивающихся с ним.

С 2009 года на полярной орбите функционирует широкоугольный инфракрасный исследователь WISE [4], запущенный на полярную орбиту. В феврале 2011 года спутник WISE переведен в спящий режим, однако в августе 2013 года его перевели в работоспособное состояние для продолжения исследований, причем основной задачей обновленной миссии, получившей название NEOWISE, становится наблюдение околоземных, в том числе и потенциально опасных, астероидов.

Существуют и другие зарубежные космические проекты, как, например, функционирующие с 2013 г. аппараты NEOSSat [5] на околоземной круговой орбите и Gaia [6] на орбите Лиссажу вокруг точки Лагранжа L2 системы Солнце - Земля (квазипериодические орбиты вокруг точек либрации, имеющие форму фигур Лиссажу, на которых космический аппарат может оставаться в течение длительного времени, затрачивая относительно небольшое количество топлива), предназначенные, в том числе, для наблюдения астероидов. NEOSSat может обнаруживать тела на орбитах, находящиеся внутри орбиты Земли (т.е. на дневном небе), но зона обнаружения ограничена и вследствие малой апертуры телескопа обнаруживаются только очень крупные тела (размером в десятки км и более).

В качестве российских аналогов предлагаемого изобретения можно рассматривать патенты РФ №2014252 «Способ картографирования небесной сферы и космический аппарат для его осуществления» [7] и №2517800 «Способ обзора небесной сферы с космического аппарата для наблюдения небесных объектов и космическая система обзора небесной сферы для наблюдения небесных объектов и обнаружения тел солнечной системы, реализующая указанный способ» [8].

Общим фундаментальным недостатком перечисленных проектов с точки зрения возможностей обнаружения и мониторинга ОНТ является проблема обнаружения и мониторинга ОНТ, приближающихся к Земле со стороны Солнца. Такие тела в принципе не могут быть обнаружены ни одной из систем наблюдений наземного базирования. Наблюдательные средства, находящиеся на низких околоземных орбитах, могут лишь частично закрыть эту проблему. В [9] показано, что для широкоугольного обзорного телескопа космического базирования на околоземной орбите абсолютно недоступная область для наблюдений имеет угол раствора 60° (30° от Солнца), что определяется конструкцией бленд телескопа, а из-за а неоптимального фазового угла обнаружение ОНТ неэффективно даже на большем угловом расстоянии от Солнца (вплоть до 60°).

В связи с этим получила признание идея размещения космического телескопа для мониторинга ОНТ в окрестности точки L1 в системе Солнце - Земля. Впервые эта идея весьма кратко (на 1.5 страницах) была изложена в [10]. В этой работе предлагалось разместить телескоп апертурой ~1 м на гало-орбиту вокруг точки L1 с тем, чтобы он "просматривал" за 24 ч кольцеобразную область небесной сферы вокруг Земли внешним радиусом примерно 25° и внутренним радиусом 5°. В ходе 24-ч обзора снимки каждой области должны выполняться дважды. В работе [9] предложена гораздо более развитая идея космической системы обнаружения опасных небесных тел, приходящих с дневного неба, названная СОДА и являющаяся прототипом настоящего изобретения.

Описанная космическая система СОДА состоит из одного или двух КА, помещенного(ых) в окрестность точки L1 в системе Солнце - Земля на расстоянии около 1.5 млн км от Земли. Телескоп, находящийся в окрестности точки L1, будет видеть ОНТ, летящие к Земле от Солнца, при малых, т.е. благоприятных для наблюдений значениях, фазового угла. При этих условиях видимая звездная величина ОНТ размером 10 м на расстоянии 1 млн км составляет 17^m. Фон неба (зодиакальный свет) в плоскости эклиптики составляет 22^m/кв. сек. дуги. В этих условиях задача обнаружения декаметровых ОНТ, летящих со стороны Солнца может быть решена с помощью относительно небольшого телескопа с апертурой 0.3-0.5 м. Главный режим работы системы - создание конусного барьера(ов). Конусный барьер создается полем зрения телескопа, вращающегося вокруг оси, наравленной на Землю. Любое ОНТ размером более 10 м, приближающееся к Земле, пересечет такой барьер и будет обнаружено. За время пересечения барьера ОНТ будет наблюдаться несколько раз с тем, чтобы была определена орбита на уровне, достаточном для классификации ориты ОНТ как столкновительной (или нет). Если орбита будет признана столкновительной, ОНТ наблюдается максимально долго и интенсивно, с тем чтобы за 4 ч до возможного столкновения (при скорости сближения 19 км/с это означает на расстоянии ~270 тыс. км от Земли) орбита ОНТ и главное - время и место входа ОНТ в атмосферу Земли, были определены с максимально возможной точностью. Система может иметь два режима наблюдения: режим прямого наведения с использованием управляемого перебрасывающего зеркала и режим пассивного конусного сканирования. Предложена схема размещения телескопов и параметры телескопов в рассчитанной трехбарьерной реализации режима пассивного сканирования, включающая размещение двух идентичных 50-см телескопов под определенными углами для оптимального варианта, обеспечивающих построение внешнего и среднего барьеров. В качестве фотоприемного устройства (ФПУ) предлагается использовать ПЗС-приемники излучения, работающие в режиме временной задержки с накоплением (ВЗН). В этом случае из состава комплекса научной аппаратуры (КНА) будут исключены подвижные механизмы, за исключением крышки тубуса телескопа. Сверхширокоугольный телескоп апертурой 20 см предназначен для построения внутреннего барьера, а также для уменьшения количества "пропусков". Работа телескопа в режиме прямого наведения с управляемым перебрасывающим зеркалом для обнаружения и определения орбиты ОНТ подразумевает наблюдение каждой области неба 2-3 раза с интервалом 1-2 ч, а каждое из наблюдений в свою очередь должно состоять из 2-3 наблюдений с интервалом несколько минут.

Подробный анализ, однако, показывает, что эта схема обладает рядом важных недостатков.

1. В качестве основного метода обнаружения в проекте СОДА предлагалось использовать три фиксированных барьера, при пересечении которых происходило бы измерение координат потенциально опасного объекта. По этим трем измерениям предполагалось строить орбиту. Уточненные расчеты показали, что определение орбиты лишь по трем точкам измерения ограничивает точность предсказания места вхождения тела в атмосферу Земли величиной 1000-2000 км (вдоль орбиты тела), которая заведомо недостаточна для обеспечения защитных мер.

2. Для решения проблемы пропуска тел, пролетающих близко (менее 0.3 млн. км) от космического аппарата, в проекте СОДА предлагалось, использовать дополнительную сверхширокоугольную камеру. Такая камера действительно будет регистрировать пролетающие на небольшом расстоянии от космического аппарата тела. Однако для таких тел невозможно будет определить точную орбиту и предсказывать место вхождения тела в атмосферу Земли. Основными причинами этого являются ограничения по чувствительности камеры из-за малой апертуры (невозможно реализовать сверхширокоугольную камеру с апертурой, сравнимой с основным телескопом, т.е. около 30 см); грубый масштаб изображения по сравнению с основными телескопами из-за короткого фокуса (ориентировочно 10”/пиксель или хуже); плохие условия наблюдения в направлении Земли из-за рассеянного света от яркого диска Земли. Совокупность описанных выше ограничений делает установку сверхширокоугольной камеры практически бесполезной, а проблема построения орбит для тел, пролетающих рядом с космическим аппаратом, остается нерешенной.

3. В проекте СОДА не обеспечивалась возможность проводить наблюдения вблизи диска Земли, т.е. при подлете опасного тела к Земле, из-за рассеянного света в оптической системе телескопа от яркого диска Земли. Это обстоятельство сокращало доступную для наблюдений длину дуги и уменьшало точность определения орбиты.

4. В проекте СОДА в качестве фотоприемных устройств предлагалось использовать приборы с зарядовой связью (ПЗС), работающие в режиме временной задержки с накоплением (ВЗН). Такие приборы подвержены существенной деградации в условиях космической радиации, что сокращает срок службы космического аппарата и уменьшает точность наблюдений с течением времени. Применение же современных радиационно-стойких КМОП-детекторов в проекте СОДА оказывалось невозможно из-за того, что КМОП-детекторы по своей архитектуре не могут работать в режиме ВЗН. Деградация ПЗС-устройств ограничивает срок службы аппарата 3-5 годами, снижая экономичность проекта.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в повышении степени полноты и надежности способа обнаружения ОНТ размером от 10 м на дневной небесной полусфере относительно способа-прототипа, а также повышения точности определения орбиты ОНТ и, в случае столкновительной орбиты, предсказания места входа ОНТ в атмосферу Земли до десятков км с упреждением не менее 4 часов для обеспечения возможности принятия мер защиты и снижения ущерба при падении ОНТ, при продлении срока службы устройства для его реализации в составе космического аппарата до 10 лет.

Эта задача решается за счет предложенного способа обнаружения опасных небесных тел (ОНТ), приближающихся к Земле со стороны Солнца, их наблюдательного сопровождения для высокоточного определения орбиты, и определения места их входа в атмосферу Земли, заключающегося в том, что космическая система для обнаружения ОНТ состоит из двух космических аппаратов (КА), расположенных в окрестности точки либрации L₁ в системе Солнце-Земля на орбите Лиссажу на максимально возможном удалении друг от друга, причем на каждом КА размещена аппаратура наблюдения, ориентированная таким образом, чтобы для аппаратуры первого аппарата была доступна для наблюдения область пространства, ограниченная для наблюдений вторым аппаратом, а для аппаратуры второго аппарата была доступна для наблюдения область пространства, ограниченная для наблюдений первым аппаратом, причем аппаратура наблюдения каждого КА последовательно, по повторяющемуся циклу, проводит наблюдения площадок небесной сферы, совместно представляющих из себя непрерывную коническую область с углом раствора 90°, причем ось вращения образованного конуса направлена на Землю, таким образом, что любое тело, летящее со стороны Солнца к Земле, пересекает данный конус, в результате чего осуществляется его обнаружение, причем за время пересечения конуса тело наблюдается несколько раз, что позволяет провести первичное определение его орбиты, по итогам которого в случае, если тело классифицируется как угрожающее, принимается решение о его наблюдении в режиме сопровождения с использованием метода триангуляции для высокоточного определения орбиты и места входа ОНТ в атмосферу Земли в случае столкновительной орбиты или до исчезновения возможности такого столкновения. Космическая система обзора небесной сферы для обнаружения ОНТ, реализующая способ обнаружения ОНТ, приближающихся к Земле со стороны Солнца, их наблюдательного сопровождения для высокоточного определения орбиты, и предсказания места входа в атмосферу, включает в себя два идентичных КА, стабилизированных относительно Земли, на каждом из которых на стороне, обращенной к Земле, установлены три одинаковых зеркально-линзовых широкоугольных телескопа оптического диапазона, причем перед каждым из телескопов установлено полноапертурное поворотное зеркало с углом прокачки не менее 45° по обеим осям, причем каждый из КА оснащен специальной маской в форме трилистника, расположенной на штанге, направленной на Землю, и экранирующей входные зрачки телескопов от диска Земли.

Для сохранения связи со способом-прототипом и реализующей его космической системой СОДА, и одновременно указания на новые технические решения, обеспечивающие лучший технический результат, предлагаемый способ и реализующая его система названы СОДА-2. Недостатки, отмеченные в способе-прототипе и реализующей его космической системе СОДА, преодолеваются в СОДА-2 следующим образом.

1. Способ наблюдения опасных тел по сравнению с прототипом изменен с целью обеспечения не только обнаружения опасных тел, но и определения их орбит с гораздо более высокой точностью. Предлагается использовать не один, а два аппарата на орбите Лиссажу вокруг точки либрации L1 с размахом до 1.3 млн км. Наблюдения каждого опасного тела будут проходить в два этапа: на первом этапе тело будет обнаружено на одном единственном барьере и по нескольким наблюдениям определена его первичная орбита. На втором этапе тело будет наблюдаться в режиме сопровождения цели на всей доступной дуге каждые 5 минут с помощью одного из телескопов с каждого из двух КА. Это позволит получить большое количество траекторных измерений, а радикальное повышение точности определения орбиты ОНТ при квазисинхронных наблюдениях, благодаря методике триангуляционного определения расстояния до объекта, позволит определить орбиту тела и точку входа в атмосферу Земли (для столкновительных тел) с максимальной точностью до 10 км за не менее чем 4 часа до столкновения.

2. Для решения проблемы пропуска тел, пролетающих близко (менее 0.3 млн км) от КА, поля зрения телескопов будут ориентированы таким образом, что каждый аппарат сможет просматривать область пространства, сложную для наблюдений другим аппаратом. Это позволит увеличить полноту обнаружения опасных тел, летящих к Земле по направлению от Солнца, вплоть до 100%.

3. Экранирование входных зрачков телескопов от яркого диска Земли с помощью специальной маски в форме трилистника, расположенной на штанге, направленной на Землю, позволяет почти полностью устранить проблему рассеянного света в оптический системе телескопа от яркого диска Земли. Это позволяет проводить наблюдения за опасным телом вплоть до его подлета к Земле на угловое расстояние 5°. Увеличение длины дуги наблюдений приводит к увеличению точности определения орбиты.

4. Для работы телескопов в режиме сопровождения предлагается использовать режим прямого наведения с помощью подвижного зеркала, для чего каждый телескоп должен быть оснащен полноапертурным поворотным зеркалом с углом прокачки не менее 45° по обеим осям. Благодаря отказу от режима ВЗН, в качестве фотоприемных устройств становится возможным использовать современные радиационно-стойкие КМОП-детекторы, которые имеют срок службы до 10 лет без заметного ухудшения характеристик.

Размещение телескопов вблизи точки либрации L1 позволяет наблюдать летящие в направлении Земли ОНТ при оптимальном фазовом угле, что, вместе с использованием барьерного способа обнаружения (основным преимуществом которого является существенное сокращение необходимой площади обзора), делает возможной реализацию описанного способа обнаружения, наблюдательного сопровождения и высокоточного определения орбиты вплоть до места входа в атмосферу при столкновительной орбите с относительно недорогими оптическими широкоугольными телескопами с умеренным полем зрения (около 3°) и апертурой (20-30 см), а также умеренными по размеру детекторами.

Оптимальным количеством телескопов для размещения на каждом КА является три. Это число связано с необходимостью наблюдательного сопровождения тех ОНТ, обнаруженных с помощью барьерного метода, которые будут признаны угрожающими согласно первичному определению орбиты. Такие тела будут наблюдаться с двух КА, с использованием одного из телескопов с каждого КА, в режиме сопровождения с использованием метода триангуляции для высокоточного определения орбиты и места входа ОНТ в атмосферу Земли в случае столкновительной орбиты или до исчезновения возможности такого столкновения. Как показано в [11], количество опасных тел, требующих сопровождения после прохождения барьера, в среднем составит не более нескольких штук в сутки, и размещение трех телескопов на каждом из КА позволит оптимально покрыть потребность в наблюдательном времени для режима сопровождения без необходимости прерывать барьерные наблюдения.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение степени полноты и надежности способа обнаружения ОНТ размером от 10 м на дневной небесной полусфере до 100%, а также значительное повышение точности определения орбиты ОНТ и, в случае столкновительной орбиты, повышение точности предсказания места входа ОНТ в атмосферу Земли на два порядка относительно способа-прототипа (до десятков км) с упреждением не менее 4 часов (типовое значение 10 часов) для обеспечения возможности принятия мер защиты и снижения ущерба при падении ОНТ, при продлении срока службы устройства для его реализации в составе космического аппарата до 10 лет.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:

Фиг. 1 - способ СОДА-2 обнаружения ОНТ размером от 10 м на дневной небесной полусфере, их наблюдательного сопровождения для определения орбиты, и предсказания места входа в атмосферу (вид в плоскости эклиптики).

Фиг. 2 - компоновка КА СОДА-2 с тремя широкоугольными телескопами и маской.

На фиг. 1 схематически изображен предлагаемый способ СОДА-2 обнаружения ОНТ размером от 10 м на дневной небесной полусфере, их наблюдательного сопровождения для определения орбиты, и предсказания места входа в атмосферу. Цифрами на схеме обозначены: 1 - КА СОДА-2 №1, 2 - КА СОДА-2 №2, 3 - орбита ОНТ, движущегося со скоростью ~10-20 км/с, 4 - момент обнаружения ОНТ за 12-24 часов до столкновения с Землей, 5 - начало наблюдательного сопровождения ОНТ двумя телескопами, по одному с каждого из КА №1, КА №2 с использованием метода триангуляции, 6 - участок уточнения орбиты, 7 - последнее наблюдение перед столкновением, 8 - орбита Луны, 9 - район входа ОНТ в атмосферу, 10 - зоны, недоступные для наблюдений КА из-за экранирования маской (заштрихованные секторы), причем видно, что вплоть до орбиты Луны такие зоны для КА №1 и №2 не пересекаются, т.е. все пространство просматривается с хотя бы одним из КА; 11 - оптические барьеры, при пересечении которых происходит обнаружение ОНТ, 12 - орбита Лиссажу с размахом 1.3 млн км, на которой расположены КА №1 и КА №2; 13 - Солнце, 14 - Земля.

На фиг. 2 изображена компоновка КА СОДА-2 (1, 2 на фиг. 1): 15 - три широкоугольных телескопа с полноапертурными поворотными зеркалами, 16 - светозащитная маска в виде трилистника, 17 - остронаправленные радиоантенны, 18 - космическая платформа, 19 - солнечные батареи.

Далее приводится описание применения способа и реализующего его устройства СОДА-2, с усредненными данными расчетов для параметров системы и характеристик процесса.

Типичная скорость движения ОНТ относительно КА (или Земли) составляет около 15 км/с. ОНТ пересекает оптический барьер в среднем примерно за сутки до возможного столкновения с Землей. В момент пересечения барьера типичное расстояние ОНТ до Земли составляет около 1 млн. км, расстояние до КА около 0.5 млн. км (см. фиг. 1). При данных параметрах время прохождения через оптический барьер (т.е. время возможного наблюдения тела) составляет около 30 минут.

При пересечении оптического барьера ОНТ должно наблюдаться как минимум 4 раза для надежного выделения на фоне помех и для предварительного определения орбиты. При использовании телескопа с полезным полем зрения 3°×3° конусный барьер будет разбит на 80 наблюдательных площадок. Каждую площадку телескоп будет наблюдать 5 с, за это время будет получен 1 кадр с экспозицией 4 с, 1 с уйдет на считывание детектора. Оценка времени перенаведения между соседними площадками составляет 3 с. При таких параметрах время полного обзора конусного барьера одним телескопом составит около 10 минут, при наличии трех телескопов ~3 минуты. За время прохождения типового ОНТ через оптический барьер будет получено около 8 наблюдений. С учетом отбраковки части кадров будет получено не менее 4-6 наблюдений, что достаточно для определения орбиты. Наличие небольшого запаса по производительности позволит наблюдать более быстрые ОНТ.

Характерная длина смаза изображения ОНТ из-за его движения за время экспозиции составит 3 пикселя, что не приведет к существенному падению проницающей способности телескопа.

Помимо обнаружения ОНТ с помощью барьеров, КА должен иметь достаточные наблюдательные ресурсы для осуществления сопровождения ОНТ, если его орбита окажется угрожающе близкой к столкновительной. Проведенное нами моделирование точности определения орбиты по равномерно распределенным по времени точкам наблюдений показало, что в режиме сопровождения ОНТ оптимально делать снимки каждые 5-10 минут на протяжении 12-24 часов, в результате чего может быть получено от 72 до 288 наблюдений. Режим сопровождения можно осуществлять с помощью одного из барьерных телескопов.

Опишем типовой сценарий работы космической системы СОДА-2.

1. Космическая система непрерывно осуществляет наблюдения, формируя оптический барьер вокруг Земли по фиксированной программе, данные наблюдений непрерывно передаются в наземный комплекс.

2. ОНТ примерно за 24 часа до возможного столкновения с Землей в течении 30 минут пересекает оптический барьер, за это время КА производит несколько наблюдений тела, которые передаются в баллистический центр наземного комплекса для обработки.

3. В наземном комплексе вычисляется предварительная орбита.

4. Если ОНТ признано достаточно опасным, вычисляются координаты площадок для наблюдений тела в режиме сопровождения с целью уточнения орбиты, и на космическую систему передается целеуказание для наблюдений ОНТ в режиме сопровождения. По одному из телескопов каждого из двух КА, используя свободный резерв времени, производят дополнительные наблюдения по целеуказанию, данные передаются в наземный комплекс. По мере поступления наблюдений в наземный комплекс уточняется орбита, и по фотометрическим данным оценивается размер ОНТ. При необходимости наземный комплекс передает на КА СОДА-2 скорректированную программу наблюдений по целеуказанию. Если уточненная орбита тела не является столкновительной, наблюдения ОНТ прекращаются.

5. Наблюдения ОНТ, находящегося на орбите близкой к столкновительной, продолжаются вплоть до его приближения к Земле. Наземный научный комплекс периодически выдает уточненную информацию об области вероятного входа в атмосферу, районе падения, размере тела. Наблюдения прекращаются примерно за 3-4 часа до столкновения с Землей, поскольку тело оказывается слишком близко к Земле и входит в тень от маски. Для столкновительных тел наземный комплекс выдает сигнал об угрозе столкновения тела с Землей и окончательную информацию об области вероятного входа в атмосферу, размере тела. Программными средствами наземного комплекса, позволяющими рассчитать движение и эволюцию (разрушение) тела в атмосфере, определяются важные для уменьшения ущерба параметры: границы района падения, высота и энергия взрыва и т.д. Вся эта информация передается в уполномоченную организацию (например, ЦУКС МЧС).

Для определения зоны видимости ОНТ использовался критерий С/Ш>9. Для вычисления отношения С/Ш при наблюдениях ОНТ необходимо учитывать следующие параметры:

- размер и альбедо ОНТ, фазовый угол, расстояние до Солнца и до наблюдателя;

- основные характеристики телескопа и детектора;

- фоновую засветку - зодиакальный свет, рассеянный свет в телескопе;

- время экспозиции;

- смаз изображения из-за движения ОНТ и телескопа.

Приведенные ниже результаты расчетов зон видимости получены для широкоугольного телескопа с апертурой 0.3 м и масштабом изображения 1.8 угл.с/пиксель. В качестве детектора использован современный КМОП-детектор с обратной засветкой, квантовым выходом 90%, шумом считывания 1е^-. Время экспозиции -4 с.

Как показывают расчеты, чувствительность телескопа достаточна для обнаружения ОНТ на расстояниях вплоть до 2 млн. км. Предложенный комплекс технических решений будет обнаруживать практически все тела, приходящие с дневного неба, и некоторую часть тел, приходящих с ночного.

Предполагается использовать зеркально-линзовые телескопы, установленные на стабилизированной по трем осям платформе.

Для перенаведения телескопов с целью формирования оптического барьера, а также для сопровождения ОНТ перед каждым телескопом будет установлено полноапертурное поворотное зеркало с углом прокачки не менее 45° по обеим осям, что обеспечит просматриваемую область в 90°. Необходимость использования подвижного зеркала для перенаведения телескопа диктуется высоким темпом обзора оптического барьера: необходимо перенаводить телескоп примерно каждые 8 с. Обеспечить перенаведение массивного КА или достаточно массивного телескопа относительно платформы КА с таким высоким темпом и обеспечить быстрое успокоение КА на уровне 1 угл.с. практически невозможно. Единственный выход в данном случае - использование поворотного облегченного полноапертурного зеркала с компенсацией момента вращения. Данный узел является одним из ключевых.

Основные параметры одного из проработанных вариантов телескопа и платформы для проекта СОДА-2:

- апертура 30 см;

- поле зрения 3°;

- точность наведения (центра кадра) не хуже 0.1 градуса;

- угол прокачки подвижного зеркала не менее +/-23° по обеим осям;

- свободный угол бленды 90°×90°;

- время перенаведения не более 3 с;

- ресурс механизма подвижки зеркала 20 млн. перенаведений;

- типовая экспозиция 4 с;

- проницающая сила V=17^m;

- масса одного телескопа 20-30 кг.

В качестве фотоприемного устройства могут быть использованы современные широкоформатные ПЗС- или (лучше) КМОП- детекторы с функцией электронного затвора. Электронный затвор и малое время считывания необходимы из-за высокого темпа и большого количества кадров (20 млн. кадров за 5 лет). Основные требования к фотоприемному устройству для широкоугольного телескопа проекта СОДА-2:

- размер фоточувствительной области ~60×60 мм;

- формат не менее 4k×4k;

- электронный затвор;

- спектральный диапазон 400-700 нм;

- квантовый выход >80%;

- время считывания <2 с;

- шум считывания <8 е^-.

В качестве базового варианта предлагается использовать перспективный радиационно-стойкий КМОП-детектор GSENSE6060BSI китайской компании Gpixel (формата 6k×6k, размер пикселя 10 мкм, шум считывания 2 е^- СКО, время считывания 1 с, квантовый выход более 90%) и электронный затвор. В качестве альтернативы можно использовать существующий ПЗС-детектор с кадровым переносом E2V CCD 282 формата 4k×4k, размер пикселя 15 мкм или мозаику из двух перспективных КМОП-детекторов E2V CIS 113 формата 4.5k×2k, размер пикселя 16 мкм.

Возможности представленного изобретения позволяют обнаружить в течение 5 лет не менее 3000 астероидов размером более 10 м, сближающихся с Землей со стороны Солнца. Эти данные будут иметь большое значение для фундаментальной науки (исследований динамики малых тел Солнечной системы). Ожидается, что за 5-10 лет работы проекта СОДА-2 будет обнаружено несколько (консервативная оценка - два) опасных тела на столкновительной орбите, для которых будет заблаговременно (не менее чем за 4 ч, в среднем за 10 часов) и с достаточной точностью будет определена точка входа в атмосферу Земли. Событий, требующих принятия мер предосторожности, будет существенно больше.

ЛИТЕРАТУРА.

1. https://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/main/index.html

2. http://www.spitzer.caltech.edu/mission

3. https://sohowww.nascom.nasa.gov/

4. https://www.nasa.gov/mission_pages/WISE/main/index.html#.VCsyTPldUzI

5. http://www.neossat.ca/

6. http://sci.esa.int/gaia/

7. Способ картографирования небесной сферы и космический аппарат для его осуществления (патент РФ №2014252).

8. Способ обзора небесной сферы с космического аппарата для наблюдения небесных объектов и космическая система обзора небесной сферы для наблюдения небесных объектов и обнаружения тел солнечной системы, реализующая указанный способ (патент РФ №2517800).

9. Б.М. Шустов, А.С. Шугаров, С.А. Нароенков, М.Е. Прохоров, «Астрономические аспекты космических угроз: новые задачи и подходы к проблеме астероидно-кометной опасности после челябинского события 15 февраля 2013 г», Астрономический журнал, 2015, том 92, №10, с. 867-880.

10. Д.У. Данхэм, Х.Дж. Рейтсема, Э.Лу, Р. Арентц, Р. Линфилд, К. Чапмэн, Р. Фаркуар, А. Ледков, Н. Эйсмонт, Е. Чумаченко, «Метод предупреждения столкновения малых астероидов с Землей», Астрономический Вестник, 2013, том 47, №4, с. 341-351.

11. Б.М. Шустов, С.А. Нароенков, Е.В. Ефремова, «О населенности околоземного пространства опасными небесными телами», Астрономический вестник, 2017, том 51, №1, с. 44-50.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при создании космических средств и систем обзора космического пространства для обнаружения и наблюдения (мониторинга) опасных небесных тел (ОНТ) Солнечной системы, прежде всего астероидов и комет, сближающихся с Землей. Космическая система для обнаружения ОНТ состоит из двух космических аппаратов (КА), расположенных в окрестности точки либрации L₁ в системе Солнце-Земля на орбите Лиссажу на максимальном удалении друг от друга. На каждом КА установлены три одинаковых зеркально-линзовых широкоугольных телескопа оптического диапазона, перед каждым из которых имеется полноапертурное поворотное зеркало с углом прокачки не менее 45° по обеим осям, ориентированные так, чтобы просматривать область пространства, ограниченную для наблюдения другим аппаратом, и защищенные от засветки от диска Земли специальной маской в форме трилистника, расположенной на штанге, направленной на Землю. Система последовательно проводит наблюдения площадок небесной сферы, совместно представляющих из себя непрерывную коническую поверхность с углом раствора 90°, причем ось вращения образованного конуса направлена на Землю. Любое тело, летящее со стороны Солнца к Земле, обнаруживается и несколько раз наблюдается при пересечении данного конуса, что позволяет провести первичное определение его орбиты и, при необходимости, принять решение о наблюдении ОНТ в режиме сопровождения с использованием метода триангуляции для высокоточного определения орбиты и места входа ОНТ в атмосферу Земли с точностью до 10 км, или до исчезновения возможности такого столкновения. Степень полноты обнаружения ОНТ размером от 10 м на дневной небесной полусфере достигает 100%. Режим прямого наведения с помощью подвижного зеркала делает возможным использование в качестве фотоприемных устройств современных радиационно-стойких КМОП-детекторов, что обеспечивает срок службы устройства в составе космического аппарата до 10 лет. Техническим результатом изобретения является обнаружение движущихся в направлении Земли небесных тел размером от 10 м на дневной небесной полусфере, их классификация по степени опасности на основании первичного определения орбиты, и в случае классификации ОНТ как потенциально угрожающего столкновением с Землей – наблюдательное сопровождение для высокоточного определения орбиты и предсказания места входа в атмосферу с точностью до десятков км для обеспечения возможности принятия мер защиты и снижения ущерба при падении ОНТ. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ обнаружения опасных небесных тел (ОНТ), приближающихся к Земле со стороны Солнца, их наблюдательного сопровождения для высокоточного определения орбиты, и определения места их входа в атмосферу Земли, заключающийся в том, что космическая система для обнаружения ОНТ состоит из двух космических аппаратов (КА), расположенных в окрестности точки либрации L₁ в системе Солнце-Земля на орбите Лиссажу на максимально возможном удалении друг от друга, причем на каждом КА размещена аппаратура наблюдения, ориентированная таким образом, чтобы для аппаратуры первого аппарата была доступна для наблюдения область пространства, ограниченная для наблюдений вторым аппаратом, а для аппаратуры второго аппарата была доступна для наблюдения область пространства, ограниченная для наблюдений первым аппаратом, причем аппаратура наблюдения каждого КА последовательно, по повторяющемуся циклу, проводит наблюдения площадок небесной сферы, совместно представляющих из себя непрерывную коническую поверхность с углом раствора 90°, причем ось вращения образованного конуса направлена на Землю, таким образом, что любое тело, летящее со стороны Солнца к Земле, пересекает данный конус, в результате чего осуществляется его обнаружение, причем за время пересечения конуса тело наблюдается несколько раз, что позволяет провести первичное определение его орбиты, по итогам которого в случае, если тело классифицируется как угрожающее, принимается решение о его наблюдении в режиме сопровождения с использованием метода триангуляции для высокоточного определения орбиты и места входа ОНТ в атмосферу Земли в случае столкновительной орбиты или до исчезновения возможности такого столкновения.

2. Космическая система обзора небесной сферы для обнаружения ОНТ, реализующая способ обнаружения ОНТ, приближающихся к Земле со стороны Солнца, их наблюдательного сопровождения для высокоточного определения орбиты, и предсказания места входа в атмосферу, включающая в себя два идентичных КА, стабилизированных относительно Земли, на каждом из которых на стороне, обращенной к Земле, установлены три одинаковых зеркально-линзовых широкоугольных телескопа оптического диапазона, причем перед каждым из телескопов установлено полноапертурное поворотное зеркало с углом прокачки не менее 45° по обеим осям, причем каждый из КА оснащен специальной маской в форме трилистника, расположенной на штанге, направленной на Землю, и экранирующей входные зрачки телескопов от диска Земли.