Планшет для выбора объекта наблюдения с орбитального космического аппарата

Изобретение относится к средствам для космической навигации и направлено на обеспечение возможности выбора в условиях космического аппарата (КА) объектов наблюдения с одновременным учетом накладываемых условий, связанных с объектами земной поверхности и небесной сферы. Этот результат обеспечивается за счет того, что планшет для выбора объекта наблюдения с орбитального КА включает пластину с картой земной поверхности, полупрозрачную пластину с изображением кривой линии витка орбиты КА от его восходящего узла, установленную над картой земной поверхности с возможностью перемещения вдоль линии экватора карты земной поверхности, полупрозрачную пластину с изображением объектов карты звездного неба, установленную над картой земной поверхности с возможностью перемещения вдоль линии экватора карты земной поверхности, и устройство обеспечения взаимного перемещения пластин вдоль линии экватора карт. При этом по осям, перпендикулярным экваторам, масштаб карты звездного неба и соответствующий размер пластины с данной картой совпадают с масштабом карты земной поверхности и соответствующим размером пластины с картой 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 карты выполнены с диапазоном шкалы долгот карты земной поверхности от 0 до 4π+Δ Ω-Tω и диапазоном шкалы прямых восхождений карты звездного неба от 0 до 4π+Δ Ω, а размеры пластин с орбитой и с картами земной поверхности и небесной сферы вдоль экваториальных осей выполнены в отношении (2π+Δ Ω-Tω):(4π+Δ Ω-Tω):(4π+Δ Ω-Tω-2πTω/(2π+Δ Ω)). 2 ил.

 

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: космонавигационная карта Центра управления полетами (ЦУП) [1] 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.

Известен планшет для определения и выбора объектов геофизических наблюдений с борта орбитальных космических станций [3], содержащий два экземпляра карты земной поверхности, нанесенные на основу (гибкую ленту), установленную над основанием с картой полупрозрачную пластину с изображением витка орбиты КА от его восходящего узла и устройство обеспечения перемещения основания с картой вдоль пластины с изображением орбиты.

Форма кривой линии трассы витка орбиты определяется наклонением и высотой орбиты и связанным с ними периодом обращения КА вокруг Земли. При этом устройство обеспечения взаимного перемещения карты и пластины с изображением трассы витка орбиты вдоль линии экватора карты выполнено в двух вариантах:

1) в виде устройства обеспечения перемещения ленты с картой вдоль пластины с изображением орбиты из двух разнесенных и скрепленных параллельно между собой валов, при этом карты нанесены на ленту с совмещением точки конца экватора первой карты и точки начала экватора второй карты, а лента выполнена замкнутой и натянута на валы с возможностью ее кругового перемещения вдоль линии экватора карт;

2) в виде устройства обеспечения перемещения пластины с изображением орбиты относительно основы с картой, состоящего из пластины (основания планшета), на которой расположена карта, и направляющих, удерживающих пластины и допускающих перемещение пластины с изображением орбиты относительно пластины с картой вдоль фиксированного направления линии экватора карты.

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

В качестве прототипа выбран описанный планшет [3] с использованием второго варианта выполнения устройства обеспечения взаимного перемещения карты и пластины с изображением орбиты. Данный выбор обосновывается простотой выполнения планшета-прототипа.

Работа с планшетом осуществляется следующим образом. С помощью устройства обеспечения взаимного перемещения карты и пластины с изображением трассы витка орбиты вдоль линии экватора карты совмещают точку восходящего узла витка орбиты, изображенного на пластине, с точкой экватора карты, соответствующей значению долготы восходящего узла рассматриваемого витка. При этом линия трассы витка орбиты показывает на карте трассу 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.

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 небесной сферы за счет одновременного отображения прохождения КА над наземными объектами и объектами небесной сферы.

Поставленная задача достигается тем, что планшет для выбора объекта наблюдения с орбитального космического аппарата включает пластину с картой земной поверхности, полупрозрачную пластину с изображением кривой линии витка орбиты космического аппарата от его восходящего узла, установленную над картой земной поверхности с возможностью перемещения вдоль линии экватора карты земной поверхности, полупрозрачную пластину с изображением объектов карты звездного неба, установленную над картой земной поверхности с возможностью перемещения вдоль линии экватора карты земной поверхности и устройство обеспечения взаимного перемещения пластин вдоль линии экватора карт, при этом по осям, перпендикулярным экваторам, масштаб карты звездного неба и соответствующий размер пластины с данной картой совпадают с масштабом карты земной поверхности и соответствующим размером пластины с картой 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 карты выполнены с диапазоном шкалы долгот карты земной поверхности от 0 до 4π+Δ Ω-Тω и диапазоном шкалы прямых восхождений карты звездного неба от 0 до 4π+Δ Ω, а размеры пластин с орбитой и с картами земной поверхности и небесной сферы вдоль экваториальных осей выполнены в отношении

(2π+Δ Ω-Тω):(4π+Δ Ω-Тω):(4π+Δ Ω-Тω-2πТω/(2π+Δ Ω)).

В предлагаемом планшете в отличие от планшета-прототипа дополнительно введена полупрозрачная пластина с изображением объектов карты звездного неба, установленная предложенным образом (над пластиной с картой земной поверхности при совмещении линий экваторов карт и с возможностью перемещения вдоль линии экватора карты земной поверхности), в устройство обеспечения взаимного перемещения пластин вдоль линии экватора добавлены элементы, обеспечивающие возможность перемещения вновь введенной пластины вдоль других пластин, нанесенные на пластины карты земной поверхности и звездного неба выполнения в предложенных масштабах с коэффициентом соответствия масштабов, определяемым по предложенной формуле, а пластины с орбитой и с картами земной поверхности и небесной сферы выполнены предложенных размеров, отношение которых определяется по предложенной формуле.

Суть предлагаемого планшета поясняется на фиг.1 и 2. При этом приведены: на фиг.1 - планшет-прототип, на фиг.2 - конструкция предлагаемого планшета.

На фиг.2, на которой представлена конструкция предлагаемого планшета, введены обозначения:

1 - пластина с картой земной поверхности;

2 - полупрозрачная пластина с изображением объектов карты звездного неба;

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

4 - устройство обеспечения взаимного перемещения пластин вдоль направления линии экваторов карт;

5 - кривая линия витка орбиты КА;

6, 7 - линии экваторов карт земной поверхности и звездного неба;

8 - проекция экваторов карт на пластину с изображением орбиты КА.

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; p - 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.

Отметим, что величина Δλ также отрицательна.

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

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

При работе с планшетом пластину (3) с изображением орбиты КА с помощью устройства (4) перемещают относительно пластины (1) с картой земной поверхности до совмещения точки начала витка орбиты (точки восходящего узла орбиты) с точкой земного экватора (6), соответствующей значению долготы восходящего узла рассматриваемого витка орбиты КА в связанной с Землей системе координат. Пластину (2) с изображением карты звездного неба с помощью устройства (4) перемещают относительно пластины (1) с картой земной поверхности до совмещения точки небесного экватора (7), соответствующей значению прямого восхождения восходящего узла рассматриваемого витка орбиты КА в инерциальной системе координат, с точкой земного экватора (6), соответствующей значению долготы восходящего узла рассматриваемого витка орбиты КА в связанной с Землей системе координат. Тогда кривая линия витка орбиты (5) покажет на карте земной поверхности трассу данного витка, а на карте звездного неба - след радиуса-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.

Номинальный размер экваториальных шкал карт земной поверхности и звездного неба равен [0, 2π]. Чтобы трасса витка орбиты полностью отразилась на картах земной поверхности и звездного неба, необходимо, чтобы размер экваториальных шкал карт был дополнительно увеличен на экваториальный размер витка орбиты, который составляет 2π+Δλ для карты земной поверхности и 2π+Δ Ω, для карты небесной сферы. Поэтому размеры экваториальных шкал карт земной поверхности и звездного неба должны быть не менее [0,4π+Δλ] и [0,4π+Δ Ω] соответственно.

С целью уменьшения размеров планшета для реализации берутся минимальные из данных значений размеров экваториальных шкал карт. При этом линейные размеры орбиты, карты земной поверхности и карты небесной сферы, измеренные вдоль линии экватора карт и выраженные в единой шкале земного экватора (с учетом соотношения (4)), относятся как:

или

Устройство обеспечения взаимного перемещения пластин вдоль направления экваторов карт (4) может быть выполнено в виде направляющих, удерживающих пластины (1), (2), (3) и допускающих их перемещение вдоль фиксированного направления, совпадающего с линией экваторов карт.

Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.

Предлагаемое устройство обеспечивает определение и выбор объектов наблюдения с КА с наложением на наблюдения условий и ограничений, 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 планшет дополнительной пластины с изображением объектов карты звездного неба, предложенной установки вновь введенной пластины, выполнения предложенных размеров и предложенных коэффициентов масштабирования карт и пластин, определяемых по предложенным формулам.

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. Изд-во МО СССР, М., 1969.

Планшет для выбора объекта наблюдения с орбитального космического аппарата, включающий пластину с картой земной поверхности, полупрозрачную пластину с изображением кривой линии витка орбиты космического аппарата от его восходящего узла, установленную над картой земной поверхности с возможностью перемещения вдоль линии экватора карты земной поверхности, полупрозрачную пластину с изображением объектов карты звездного неба, установленную над картой земной поверхности с возможностью перемещения вдоль линии экватора карты земной поверхности, и устройство обеспечения взаимного перемещения пластин вдоль линии экватора карт, при этом по осям, перпендикулярным экваторам, масштаб карты звездного неба и соответствующий размер пластины с данной картой совпадают с масштабом карты земной поверхности и соответствующим размером пластины с картой 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:

K=1-Tω/(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 карты выполнены с диапазоном шкалы долгот карты земной поверхности от 0 до 4π+Δ Ω-Tω и диапазоном шкалы прямых восхождений карты звездного неба от 0 до 4π+Δ Ω, а размеры пластин с орбитой и с картами земной поверхности и небесной сферы вдоль экваториальных осей выполнены в отношении

(2π+Δ Ω-Tω):(4π+Δ Ω-Tω):(4π+Δ Ω-Tω-2πTω/(2π+Δ Ω)).