📄Работа №192439
Тема: АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ ГЕОСИНХРОННЫХ СПУТНИКОВ ПО ДАННЫМ ИЗМЕРЕНИЙ
Тип работы
Магистерская диссертация
Предмет
информатика
Объем:
87 листов
Год:
2023
Просмотров:
48
5870
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
РЕФЕРАТ 2
ВВЕДЕНИЕ 3
1 Описание наблюдательного материала (позиционные и фотометрические измерения) .... 8
2 Численное моделирование движения ГСС и представление наблюдений 10
2.1 Вводные замечания 10
2.2 Численная модель: уравнения движения, системы координат, модель сил,
интегратор 11
2.3 Процедура представления наблюдений 16
3 Составление и решение системы линейных уравнений 18
3.1 Вычисления изохронных производных путем интегрирования соответствующих
дифференциальных уравнений 19
3.2 Составление систем линейных уравнений поправок 20
3.3 Масштабирование 22
3.4 Метод дифференциальных поправок. Обусловленность задачи 22
3.5 Отбраковка измерений 24
4 Использование данных фотометрии для нахождения динамических параметров
объекта 25
5 Результаты определения динамических параметров группы объектов ГСС по данным
позиционных и фотометрических измерений 27
6 Методы исследования орбитальной эволюции околоземных объектов 34
6.1 MEGNO-анализ орбитальной эволюции объектов 34
6.2 Исследование резонансных структур 35
6.2.1 Методика выявления орбитальных резонансов 36
6.2.2 Выявление вековых резонансов 37
7 Результаты исследования особенностей динамической эволюции группы объектов
ГСС 39
8 Результаты определения сближений объектов на интервале времени 10 лет 51
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 58
ЛИТЕРАТУРА 60
ПРИЛОЖЕНИЕ А Материалы наблюдений группы геосинхронных объектов подученных в Терскольской обсерватории 62
ВВЕДЕНИЕ 3
1 Описание наблюдательного материала (позиционные и фотометрические измерения) .... 8
2 Численное моделирование движения ГСС и представление наблюдений 10
2.1 Вводные замечания 10
2.2 Численная модель: уравнения движения, системы координат, модель сил,
интегратор 11
2.3 Процедура представления наблюдений 16
3 Составление и решение системы линейных уравнений 18
3.1 Вычисления изохронных производных путем интегрирования соответствующих
дифференциальных уравнений 19
3.2 Составление систем линейных уравнений поправок 20
3.3 Масштабирование 22
3.4 Метод дифференциальных поправок. Обусловленность задачи 22
3.5 Отбраковка измерений 24
4 Использование данных фотометрии для нахождения динамических параметров
объекта 25
5 Результаты определения динамических параметров группы объектов ГСС по данным
позиционных и фотометрических измерений 27
6 Методы исследования орбитальной эволюции околоземных объектов 34
6.1 MEGNO-анализ орбитальной эволюции объектов 34
6.2 Исследование резонансных структур 35
6.2.1 Методика выявления орбитальных резонансов 36
6.2.2 Выявление вековых резонансов 37
7 Результаты исследования особенностей динамической эволюции группы объектов
ГСС 39
8 Результаты определения сближений объектов на интервале времени 10 лет 51
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 58
ЛИТЕРАТУРА 60
ПРИЛОЖЕНИЕ А Материалы наблюдений группы геосинхронных объектов подученных в Терскольской обсерватории 62
📖 Введение
Объект и предмет исследования
В качестве объекта исследования выступает совокупность застрявших на орбитах нефункционирующих искусственных аппаратов и их фрагментов, которые принято называть космическим мусором. Подобного рода объекты чаще всего неисправны и уже никогда не смогут послужить полезным целям. Предметом исследования является их динамическая эволюция.
Актуальность проблемы
За последнее десятилетие, наряду с быстрым развитием технологий резко увеличилось количество аппаратов, запускаемых в околоземное космическое пространство (ОКП). Большинство из них в конце своего жизненного цикла безопасно удаляются с низкой околоземной орбиты или размещаются на соответствующих орбитах захоронения. Однако, несмотря на все предпринимаемые меры, которые определяют, как проектировать, запускать и утилизировать космические миссии, просторы ОКП всё ещё остаются переполненными вышедшими из строя космическими аппаратами (КА).
По оценкам ESA (The European Space Agency), количество космического мусора с каждым годом продолжает неуклонно расти (таблица 1). На текущий год службами контроля ОКП зафиксировано около 33290 единиц космического мусора, регулярно отслеживаемых сетями космического наблюдения на орбитах запуска и сохраняемых в каталогах. Хотя истинное количество неопознанных объектов, таящих в себе потенциальную угрозу для рабочих аппаратов, в разы больше. Всего же суммарная масса всех космических объектов на околоземной орбите составляет более 10800 тонн.
Главная опасность, которую несет космический мусор, оставаясь в окрестностях активно используемых орбит, это столкновение такого рода объектов с рабочими аппаратами, что в последствии может привести к выходу из строя последних. Кроме того, существует угроза падения сошедших с орбиты крупных объектов космического мусора на Землю. На сегодняшний день расчетное количество разрушений, взрывов, столкновений и аномальных событий, приведших в итоге к фрагментации, насчитывается уже более 640 эпизодов. Таким образом текущая неблагоприятная ситуация в космосе подтверждает актуальность темы исследования космического мусора в долгосрочной перспективе.
Степень проработанности темы
Проблема космического мусора в современном мире не нова. Впервые о засорении околоземного космического пространства начали задумываться ещё в конце 50-х годов XX века, сразу после запусков первых искусственных спутников Земли (ИСЗ). Однако должное внимание от мирового сообщества проблема получила только в 1993 году, после доклада Генерального секретаря ООН, в котором отмечался глобальный характер воздействия космической деятельности на окружающую среду. С тех пор ученые всего мира вплотную занялись изучением космического мусора и методов парирования угроз, поступающих от него. В России одним из важных шагов в объединении накопленных исследовательских трудов на тему космического мусора, стало проведение первой всероссийской конференции «Космический мусор: фундаментальные и практические аспекты угрозы» в апреле 2019 года в Институте космических исследований РАН. Совокупность представленных данных показала, что на сегодняшний день существует большое количество современных и перспективных методов и средств наблюдений космических аппаратов, благодаря которым собраны информативные базы данных искусственных спутников Земли и околоземного мусора. Наряду с этим на этапе разработки находятся различные способы борьбы с техногенными загрязнениями ОКП, разрабатываются методы защиты и предотвращения столкновений рабочих аппаратов с фрагментами космического мусора. Также показаны имеющиеся проблемы связанные с точностью прогнозирования общей обстановки в околоземном космическом пространстве и в отдельных его областях, которую попыталась решить команда из ТГУ путем создания высокоточного программно-математического обеспечения «Численная модель движения систем ИСЗ».
Рассмотреть результаты всех трудов, опубликованных за такой большой период времени, не представляется возможным, поэтому выделим только те, которые представляют наибольшую значимость для настоящей работы. К числу таких относятся:
- работа (Cincotta, Girdano, Simo, 2003) в которой описан алгоритм вычисления быстрой ляпуновской характеристики MEGNO;
- работы (Allan, 1967a), (Allan, 1967b) и (Кузнецов, 2012), в которых описано получение компонент орбитальных резонансов из критического аргумента возмущающей функции;
- работы (Rossi, 2008), (Бордовицына, 2016) и (Александрова, 2020) в которых изложены численно-аналитические методики влияния вековых резонансов.
Цели и задачи исследования
Целью настоящей работы является исследование динамики группы объектов, относящихся к фракции космического мусора, с помощью «Численной модели движения систем ИСЗ».
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
- освоение усовершенствованного программного комплекса «Численная модель движения систем ИСЗ»;
- освоение различных методов исследования орбитальной эволюции околоземных объектов;
- определение и улучшение систем элементов орбит по высокоточным наборам наблюдений, которые были получены в Терскольской обсерватории с помощью установки «Цейсс-2000»;
- вычисление приблизительных масс объектов;
- исследование особенностей динамической эволюции группы объектов на временном интервале 10 лет;
- анализ влияния резонансных структур на динамику объектов;
- выявление тесных сближений объектов на интервале времени 10 лет.
Методологическая база
Фундаментом для текущего исследования служат законы небесной механики, а также методики для изучения и вычисления движения небесных тел, построенные на их основе, среди которых: алгоритм MEGNO-анализа, алгоритм вычисления площади миделевого сечения по данным фотометрии, методики выявления и исследования резонансных характеристик движения, методика выявления тесных сближений между объектами. В качестве дополнения к теоретической базе выступает использование численного моделирования, которое позволяет прогнозировать движение исследуемых объектов в будущем с достаточно большой точностью.
Научная новизна работы
Научная новизна работы состоит в следующем:
- выполнен обширный анализ динамической эволюции группы геосинхронных объектов с учетом влияния различных возмущающих фактор;
- предпринята попытка вычисления приближенных значений масс объектов космического мусора с использованием фотометрических наблюдений;
- построено пространственное распределение орбит, благодаря которому наглядно видно имеются ли сближения между исследуемыми объектами и насколько они велики.
Практическая значимость работы
Представленный подход к исследованию объектов мусора позволяет проводить надежное прогнозирование и оценку его поведения в космическом пространстве для того, чтобы предоставить возможность своевременного принятия решения для предотвращения возможной угрозы, поступающей от него.
Краткое содержание магистерской диссертации
Настоящая работа состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы и одного приложения. Общий объем работы составляет 61 страницу, в состав которых входит 27 рисунков и 26 таблиц.
В первом разделе дано описание позиционного и фотометрического материала, предоставленного наблюдателями Терскольской обсерватории для осуществления дальнейшего исследования наблюдавшихся объектов искусственного происхождения.
Во втором разделе представлено краткое описание задействованного в работе программно-математического обеспечения, а также описание модели сил, учитываемой в процессе численного моделирования движения исследуемых объектов.
В третьем разделе представлен алгоритм решения обратной задачи орбитальной динамики с помощью численного моделирования, включающий в себя такие этапы как: вычисление изохронных производных, вычисление поправок в определяемые параметры и другие.
В четвертом разделе описана методика использования фотометрических данных, с помощью которой можно извлечь информацию о том, как меняются фазовая функция, площадь миделевого сечения и масса исследуемых объектов.
В пятом разделе представлены результаты улучшения орбит группы исследуемых объектов по наборам наблюдений, полученных в разные промежутки времени.
В шестом разделе рассмотрены методы исследования орбитальной эволюции околоземных объектов, в числе которых MEGNO-анализ, а также методики выявления орбитальных и вековых резонансов.
В седьмом разделе представлены результаты исследования особенностей динамической эволюции группы объектов на десятилетнем интервале времени.
В восьмом разделе представлены результаты определения тесных сближений между объектами.
В заключении перечислены основные результаты проделанной работы и седланы соответствующие выводы.
В качестве объекта исследования выступает совокупность застрявших на орбитах нефункционирующих искусственных аппаратов и их фрагментов, которые принято называть космическим мусором. Подобного рода объекты чаще всего неисправны и уже никогда не смогут послужить полезным целям. Предметом исследования является их динамическая эволюция.
Актуальность проблемы
За последнее десятилетие, наряду с быстрым развитием технологий резко увеличилось количество аппаратов, запускаемых в околоземное космическое пространство (ОКП). Большинство из них в конце своего жизненного цикла безопасно удаляются с низкой околоземной орбиты или размещаются на соответствующих орбитах захоронения. Однако, несмотря на все предпринимаемые меры, которые определяют, как проектировать, запускать и утилизировать космические миссии, просторы ОКП всё ещё остаются переполненными вышедшими из строя космическими аппаратами (КА).
По оценкам ESA (The European Space Agency), количество космического мусора с каждым годом продолжает неуклонно расти (таблица 1). На текущий год службами контроля ОКП зафиксировано около 33290 единиц космического мусора, регулярно отслеживаемых сетями космического наблюдения на орбитах запуска и сохраняемых в каталогах. Хотя истинное количество неопознанных объектов, таящих в себе потенциальную угрозу для рабочих аппаратов, в разы больше. Всего же суммарная масса всех космических объектов на околоземной орбите составляет более 10800 тонн.
Главная опасность, которую несет космический мусор, оставаясь в окрестностях активно используемых орбит, это столкновение такого рода объектов с рабочими аппаратами, что в последствии может привести к выходу из строя последних. Кроме того, существует угроза падения сошедших с орбиты крупных объектов космического мусора на Землю. На сегодняшний день расчетное количество разрушений, взрывов, столкновений и аномальных событий, приведших в итоге к фрагментации, насчитывается уже более 640 эпизодов. Таким образом текущая неблагоприятная ситуация в космосе подтверждает актуальность темы исследования космического мусора в долгосрочной перспективе.
Степень проработанности темы
Проблема космического мусора в современном мире не нова. Впервые о засорении околоземного космического пространства начали задумываться ещё в конце 50-х годов XX века, сразу после запусков первых искусственных спутников Земли (ИСЗ). Однако должное внимание от мирового сообщества проблема получила только в 1993 году, после доклада Генерального секретаря ООН, в котором отмечался глобальный характер воздействия космической деятельности на окружающую среду. С тех пор ученые всего мира вплотную занялись изучением космического мусора и методов парирования угроз, поступающих от него. В России одним из важных шагов в объединении накопленных исследовательских трудов на тему космического мусора, стало проведение первой всероссийской конференции «Космический мусор: фундаментальные и практические аспекты угрозы» в апреле 2019 года в Институте космических исследований РАН. Совокупность представленных данных показала, что на сегодняшний день существует большое количество современных и перспективных методов и средств наблюдений космических аппаратов, благодаря которым собраны информативные базы данных искусственных спутников Земли и околоземного мусора. Наряду с этим на этапе разработки находятся различные способы борьбы с техногенными загрязнениями ОКП, разрабатываются методы защиты и предотвращения столкновений рабочих аппаратов с фрагментами космического мусора. Также показаны имеющиеся проблемы связанные с точностью прогнозирования общей обстановки в околоземном космическом пространстве и в отдельных его областях, которую попыталась решить команда из ТГУ путем создания высокоточного программно-математического обеспечения «Численная модель движения систем ИСЗ».
Рассмотреть результаты всех трудов, опубликованных за такой большой период времени, не представляется возможным, поэтому выделим только те, которые представляют наибольшую значимость для настоящей работы. К числу таких относятся:
- работа (Cincotta, Girdano, Simo, 2003) в которой описан алгоритм вычисления быстрой ляпуновской характеристики MEGNO;
- работы (Allan, 1967a), (Allan, 1967b) и (Кузнецов, 2012), в которых описано получение компонент орбитальных резонансов из критического аргумента возмущающей функции;
- работы (Rossi, 2008), (Бордовицына, 2016) и (Александрова, 2020) в которых изложены численно-аналитические методики влияния вековых резонансов.
Цели и задачи исследования
Целью настоящей работы является исследование динамики группы объектов, относящихся к фракции космического мусора, с помощью «Численной модели движения систем ИСЗ».
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
- освоение усовершенствованного программного комплекса «Численная модель движения систем ИСЗ»;
- освоение различных методов исследования орбитальной эволюции околоземных объектов;
- определение и улучшение систем элементов орбит по высокоточным наборам наблюдений, которые были получены в Терскольской обсерватории с помощью установки «Цейсс-2000»;
- вычисление приблизительных масс объектов;
- исследование особенностей динамической эволюции группы объектов на временном интервале 10 лет;
- анализ влияния резонансных структур на динамику объектов;
- выявление тесных сближений объектов на интервале времени 10 лет.
Методологическая база
Фундаментом для текущего исследования служат законы небесной механики, а также методики для изучения и вычисления движения небесных тел, построенные на их основе, среди которых: алгоритм MEGNO-анализа, алгоритм вычисления площади миделевого сечения по данным фотометрии, методики выявления и исследования резонансных характеристик движения, методика выявления тесных сближений между объектами. В качестве дополнения к теоретической базе выступает использование численного моделирования, которое позволяет прогнозировать движение исследуемых объектов в будущем с достаточно большой точностью.
Научная новизна работы
Научная новизна работы состоит в следующем:
- выполнен обширный анализ динамической эволюции группы геосинхронных объектов с учетом влияния различных возмущающих фактор;
- предпринята попытка вычисления приближенных значений масс объектов космического мусора с использованием фотометрических наблюдений;
- построено пространственное распределение орбит, благодаря которому наглядно видно имеются ли сближения между исследуемыми объектами и насколько они велики.
Практическая значимость работы
Представленный подход к исследованию объектов мусора позволяет проводить надежное прогнозирование и оценку его поведения в космическом пространстве для того, чтобы предоставить возможность своевременного принятия решения для предотвращения возможной угрозы, поступающей от него.
Краткое содержание магистерской диссертации
Настоящая работа состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы и одного приложения. Общий объем работы составляет 61 страницу, в состав которых входит 27 рисунков и 26 таблиц.
В первом разделе дано описание позиционного и фотометрического материала, предоставленного наблюдателями Терскольской обсерватории для осуществления дальнейшего исследования наблюдавшихся объектов искусственного происхождения.
Во втором разделе представлено краткое описание задействованного в работе программно-математического обеспечения, а также описание модели сил, учитываемой в процессе численного моделирования движения исследуемых объектов.
В третьем разделе представлен алгоритм решения обратной задачи орбитальной динамики с помощью численного моделирования, включающий в себя такие этапы как: вычисление изохронных производных, вычисление поправок в определяемые параметры и другие.
В четвертом разделе описана методика использования фотометрических данных, с помощью которой можно извлечь информацию о том, как меняются фазовая функция, площадь миделевого сечения и масса исследуемых объектов.
В пятом разделе представлены результаты улучшения орбит группы исследуемых объектов по наборам наблюдений, полученных в разные промежутки времени.
В шестом разделе рассмотрены методы исследования орбитальной эволюции околоземных объектов, в числе которых MEGNO-анализ, а также методики выявления орбитальных и вековых резонансов.
В седьмом разделе представлены результаты исследования особенностей динамической эволюции группы объектов на десятилетнем интервале времени.
В восьмом разделе представлены результаты определения тесных сближений между объектами.
В заключении перечислены основные результаты проделанной работы и седланы соответствующие выводы.
✅ Заключение
Таким образом, результаты проделанной работы можно сформулировать следующим образом:
1. Был полностью освоен усовершенствованный программно-математический комплекс «Численная модель движения систем ИСЗ», с помощью которого по позиционным и фотометрическим наблюдениям удалось определить и улучшить динамические параметры десяти неуправляемых объектов искусственного происхождения, а также произвести высокоточное прогнозирование их движения на десятилетнем интервале времени. Результаты показали, что все рассмотренные объекты принадлежат области геосинхронного движения, однако несмотря на это, благодаря MEGNO-анализу, выяснилось, что характер движения этих объектов различается. Движение объектов 10294, 90008, 90031, 90073, 90196, 90214, 95406 является исключительно устойчивым, а движение объектов 43149, 43165, 97149 является регулярным;
2. Освоены две методики выявления резонансных характеристик движения. Методика определения орбитального резонанса показала, что объекты 10294, 90008, 90031, 90073, 90196, 90214, 95406 захвачены в резонанс 1:1 со скоростью вращения Земли, так как их резонансные соотношения проходят через нулевые значения, а критические аргументы устойчиво либрируют. Что касается объектов 43149, 43165, 97149 то они оказались не резонансными. Методика определения вековых резонансов показала, что влияние вековых резонансов низких порядков на движение объектов отсутствует;
3. Построены фазовые портреты объектов в плоскости {a, 1} которые показывают, что во вращающейся системе координат объекты 10294, 90008, 90031, 90073, 90196, 90214, 95406 либрируют около устойчивой точки либрации 1=75 градусов, а объекты 43149, 43165, 97149 находятся в области неустойчивого движения;
4. С помощью численного моделирования выполнено построение пространственного распределения орбит исследуемых объектов. Результаты распределения показали, что у семи пар объектов (90196-95406, 10294-95406, 10294-90196, 10294-90031, 90008-90031, 90031-90196, 10294-90008) наблюдаются тесные, но неопасные сближения.
Подводя итоги, можно сделать следующий вывод, несущий в себе отрицательный характер: движение семи из десяти рассмотренных объектов оказалось настолько устойчивым, что усредненный параметр MEGNO ведет себя как в случае гармонического осциллятора. Это означает то, что объекты 10294, 90008, 90031, 90073, 90196, 90214, 95406 будут бесконечно долго либлировать около устойчивой точки либрации с долготой равной 75 граудсов. В данном случае в этом нет ничего хорошего, так как рассматриваемые объекты принадлежат фракции космического мусора, следовательно, в дальнейшем они будут препятствовать выведению новых рабочих аппаратов в устойчивую зону.
1. Был полностью освоен усовершенствованный программно-математический комплекс «Численная модель движения систем ИСЗ», с помощью которого по позиционным и фотометрическим наблюдениям удалось определить и улучшить динамические параметры десяти неуправляемых объектов искусственного происхождения, а также произвести высокоточное прогнозирование их движения на десятилетнем интервале времени. Результаты показали, что все рассмотренные объекты принадлежат области геосинхронного движения, однако несмотря на это, благодаря MEGNO-анализу, выяснилось, что характер движения этих объектов различается. Движение объектов 10294, 90008, 90031, 90073, 90196, 90214, 95406 является исключительно устойчивым, а движение объектов 43149, 43165, 97149 является регулярным;
2. Освоены две методики выявления резонансных характеристик движения. Методика определения орбитального резонанса показала, что объекты 10294, 90008, 90031, 90073, 90196, 90214, 95406 захвачены в резонанс 1:1 со скоростью вращения Земли, так как их резонансные соотношения проходят через нулевые значения, а критические аргументы устойчиво либрируют. Что касается объектов 43149, 43165, 97149 то они оказались не резонансными. Методика определения вековых резонансов показала, что влияние вековых резонансов низких порядков на движение объектов отсутствует;
3. Построены фазовые портреты объектов в плоскости {a, 1} которые показывают, что во вращающейся системе координат объекты 10294, 90008, 90031, 90073, 90196, 90214, 95406 либрируют около устойчивой точки либрации 1=75 градусов, а объекты 43149, 43165, 97149 находятся в области неустойчивого движения;
4. С помощью численного моделирования выполнено построение пространственного распределения орбит исследуемых объектов. Результаты распределения показали, что у семи пар объектов (90196-95406, 10294-95406, 10294-90196, 10294-90031, 90008-90031, 90031-90196, 10294-90008) наблюдаются тесные, но неопасные сближения.
Подводя итоги, можно сделать следующий вывод, несущий в себе отрицательный характер: движение семи из десяти рассмотренных объектов оказалось настолько устойчивым, что усредненный параметр MEGNO ведет себя как в случае гармонического осциллятора. Это означает то, что объекты 10294, 90008, 90031, 90073, 90196, 90214, 95406 будут бесконечно долго либлировать около устойчивой точки либрации с долготой равной 75 граудсов. В данном случае в этом нет ничего хорошего, так как рассматриваемые объекты принадлежат фракции космического мусора, следовательно, в дальнейшем они будут препятствовать выведению новых рабочих аппаратов в устойчивую зону.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🖼 Скриншоты
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.