Голиков Алексей Роальдович XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г. Институт прикладной математики им. М.В.Келдыша РАН. - презентация

1 Голиков Алексей Роальдович XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г. Институт прикладной математики им. М.В.Келдыша РАН

2 Основные приложения THEONA Расчёты движения спутников: прогноз орбиты, дизайн миссий и трасс, орбитография и изучение эволюции орбит, вторичная баллистика, объёмные вычисления Орбитальные измерения: обработка измерений, уточнение орбит, определение параметров силовой модели (напр. гравит. поля Луны), баллистико-навигационное обеспечение полёта, обработка данных научных экспериментов миссии Манёвры: определение параметров манёвров, оптимизация схем манёвров для задач встречи, для формирования, сохранения и перестройки спутниковых группировок Анализ миссии: планирование и оценка схем миссии на длительных интервалах, оценка ошибок реализации, исключение обнаруженных систематических ошибок Контроль околоземного пространства: идентификация космических объектов, вычисление рисков столкновений, контроль физических условий, анализ случаев изменений XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

3 Преимущества THEONA Прямое соответствие эйлеровых элементов орбиты КА и его векторов состояния (без необходимости их дополнительного согласования) Аналитическое интегрирование с использованием специальных функций обеспечивает эффективное вычисление других возмущений Орбитальный прогноз на основе THEONA с высоким быстродействием (~1000 раз, чем при численном интегрировании) и хорошей точностью (относительная погрешность ~ для THEONA первой версии и ~ для THEONA второй версии – 3 го порядка точности) XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

4 Пример точности THEONA Солнечно-синхронная орбита (ССО): На высоте ~ 491 км с наклонением ~ 97°,35 Коэффициент торможения спутника C D = 2,0 Коэффициент светового давления C R = 1,44 Отношение площади поперечного сечения к массе КА: A/m = 0,0067 м 2 /кг Сравнение ведётся с численным интегрированием Коуэлла (12 th -order Cowell numerical integration) XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

5 Абсолютная точность (1 месяц) XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

6 Точность 3 го порядка (1 месяц) XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

7 Точность 3 го порядка (1 год) XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

8 Солнечно-синхронная орбита XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

9 Солнечно-синхронная орбита XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

10 Солнечно-синхронная орбита Наиболее существенные возмущения: Вторая зональная гармоника => наклонение Атмосферное торможение => высота, местное солнечное время, уровень солнечной активности Гравитационное влияние Солнца => местное солнечное время Световое давление => местное солнечное время, интервал прохождения тени Земли, уровень солнечной активности XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г. Вывод: Вывод: Необходим учёт изменений солнечной активности, в т.ч. при проектировании миссий

11 24 ый солнечный цикл XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г. Прогноз индексов солнечной активности F10.7 : Australian Space Weather Agency (IPS Radio and Space Services, Australian Government) Space Weather Prediction Center (NOAA / National Weather Service, Boulder, Colorado, USA) National Center for Atmospheric Research (USA) Solar Influences Data Analysis Center (the Royal Observatory of Belgium) National Physical Laboratory (Space Weather Regional Warning Centre, New Delhi, India) Solar Physics Group (Marshall Space Flight Center, NASA, USA) National Geophysical Data Center (NDGC, Penticton, British Columbia, Canada)

12 24 ый солнечный цикл XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г. Характеристики предстоящего солнечного цикла : Характеристики предстоящего солнечного цикла : Начало 24 го цикла задерживается на несколько месяцев ( ) и имеет значительно меньшую производную увеличения солнечной активности Максимум солнечного цикла прогнозируется на сентябрь-октябрь 2013 года Прогнозируемые индексы (F10.7 cm Solar Radio Flux) солнечной активности не превосходят 140 единиц Окончание солнечного цикла – в конце 2019 года (F~72)

13 24 ый солнечный цикл XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

14 24 ый солнечный цикл XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

15 24 ый солнечный цикл XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

16 Эволюция ССО для пассивного ИСЗ XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

17 Эволюция ССО для пассивного ИСЗ XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

18 Эволюция ССО для пассивного ИСЗ XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

19 Эволюция ССО для пассивного ИСЗ XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

20 Эволюция ССО для пассивного ИСЗ XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

21 Поддержание орбиты ССО XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г. Поддержание высоты орбиты Поддержание высоты орбиты Выбор, формирование и поддержание параметров устойчивой солнечно-синхронной орбиты КА дистанционного зондирования Земли Н.С. Лысов, Е.А. Давыдов, К.В. Кисленко 4 ЦНИИ Минобороны России Интернет-конференция МАИ «Авиация и космонавтика» Форум «Баллистика, динамика и управление движением» Добавлено 22 октября 2006 года Поддержание высоты орбиты с периодической корректировкой наклонения Поддержание высоты орбиты с периодической корректировкой наклонения

22 Большая полуось (ССО) XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

23 Эксцентриситет (ССО) XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

24 Наклонение (ССО) XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

25 Местное солнечное время (ССО) XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

26 Высота (ССО) XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

27 Контакты Алексей Роальдович Голиков Институт прикладной математики им. М.В.Келдыша, Российская Академия наук XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

28 Основные принципы THEONA Промежуточная орбита (с эйлеровыми элементами ) основывается на точном решении (в квадратурах) Обобщённой задачи 2 х неподвижных центров (GP2FC) [Е.П.Аксёнов, Е.А.Гребеников, В.Г.Дёмин] Повитковое аналитическое интегрирование: Возмущения оскулирующих эйлеровых элементов внутри каждого шага вычисляются аналитически Аналитические возмущённые интегралы используют специальные функции от орбитальных элементов XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

29 Специальные функции Функции косинуса наклона орбиты Функции косинуса наклона орбиты ( ): основные функции (отличаются от функций Kaula множителем): где многочлены Якоби (Jacobi) с интегральным представлением: дополнительные функции для включения членов 3 го порядка: XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

30 Специальные функции Функции среднего движения и эксцентриситета: коэффициенты Ганзена (Hansen) являются частным случаем этих функций: связь с цилиндрическими функциями Бесселя (Bessel) 1 го рода и "гиперболоидными" функциями Якоби (Jacobi): XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г. теорема сложения для функций, предложенных Голиковым:

31 Специальные функции "Гиперболоидные" функции Якоби (Jacobi): "гиперболоидные" функции Якоби являются матричными элементами унитарных представлений T l ( u ) группы QU(2) XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г. "гиперболоидные" функции Якоби с нулевым нижним индексом соответствуют присоединённым функциям Лежандра (Legendre): присоединённые функции Лежандра с нецелыми нижними индексами используются в THEONA при учёте атмосферного торможения КА с высокой точностью изменения шкалы высот и для рассмотрения суточного "атмосферного горба"

32 Существенные возмущения Существенные возмущения вычисляются аналитически: Модель поля тяготения центрального небесного тела (с произвольным набором гармоник) Атмосферное торможение (для различных моделей плотности атмосферы Земли, Марса, Венеры) Гравитационное влияние внешних небесных тел (напр. Луны и Солнца для ИСЗ) Световое давление (с теневыми эффектами) Орбитальный прогноз может рассматривать движение как пассивных, так и активных КА XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

33 Другие эффекты Численно-аналитическая схема THEONA принимает во внимание различные типы манёвров: и другие коррекции спутникового движения: импульсы продолжительные малой тяги солнечный парус коррекции орбиты (немоделируемые и т.п.) обновление параметров солнечной активности и геомагнитной возмущённости прецессия, нутация и движение полюса XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

34 Интегралы от возмущающих функций Гравитационное поле центрального небесного тела: Гравитационное влияние внешних небесных тел: XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

35 Пример точности THEONA Солнечно-синхронная орбита (ССО): На высоте ~ 491 км с наклонением ~ 97°,35 Коэффициент торможения спутника C D = 2,0 Коэффициент светового давления C R = 1,44 Отношение площади поперечного сечения к массе КА: A/m = 0,0067 м 2 /кг Сравнение ведётся с численным интегрированием Коуэлла (12 th -order Cowell numerical integration) XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

36 Точность (большая полуось a ) XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

37 Точность 3 го порядка ( a ) XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

38 Поддержание орбиты ССО XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

39 Долгота восходящего узла (ССО) XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

40 Аргумент перицентра (ССО) XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

41 Наклонение (ССО) XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

42 Эволюция (наклон орбиты i ) XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

43 Силовые составляющие в эволюции i XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.

44 Силовые составляющие в эволюции i XXXIV Академические Чтения по Космонавтике, 27 января 2010 г.