Numerical modeling of overlaps of visibility zones of auroral imagers from spacecrafts in the earth polar zones.pdf Введение Контроль изменений космической погоды, особенно в полярных зонах, в настоящее время относится к числу важных, актуальных направлений в науке. Вследствие активных процессов на Солнце, а также электродинамических свойств ионосферы возникают неоднородности электронной концентрации в ионосферной плазме. Эти неоднородности оказывают паразитное влияние на работу систем космических аппаратов (КА), и особенно систем связи, навигации. При прохождении сигнала от навигационного спутника к приемнику на Земле происходят искажения или пропадания сигнала, потеря захвата частоты. Поэтому необходим контроль в режиме реального времени состояния характеристик полярной ионосферы, особенно в периоды возникновения геомагнитных бурь и суббурь. Исследования физических процессов, приводящих к мелкомасштабным градиентам электронной концентрации в полярной ионосфере, продолжаются [1]. Существуют различные методики контролирования состояния околоземной среды, например радиометоды [2-5], но только оптические методы наблюдений авроральных эмиссий с поверхности Земли и с орбит КА [6-10] позволяют контролировать одновременно большие пространственные области с разрешением несколько километров. В настоящее время перспективным средством для изучения ионосферы с орбит становится использование малых космических аппаратов, так как они гораздо дешевле, хотя есть ограничения по массе, габаритным размерам и мощности, устанавливаемой на них аппаратуры. В настоящее время совместно с Институтом космических исследований РАН, Центральной аэрологической обсерваторией Росгидромет и Томским госуниверситетом (ТГУ) готовится космический эксперимент, одной из задач которого является наблюдение и изучение областей полярной ионосферы на основе серийной обработки изображений авроральных эмиссий, полученных авроральными имаджерами с орбит космических аппаратов и наземных станций. Планируется (предварительно) одновременный запуск перспективных спутников Метеор-МП и Зонд (программа Геофизика) на разновысотные полярные орбиты для наблюдений одних и тех же авроральных структур ионосферы как в северных, так и в южных полярных широтах имаджерами Летиция (с орбиты Зонд) и Авровизор-ВИС/МП (с орбиты Метеор-МП). Для проведения космического эксперимента в ТГУ разрабатывается программное обеспечение Вектор-М [11] на основе высокоточной численной модели движения спутника [12]. Несмотря на то, что она обеспечивает требуемую точность результатов, ее быстродействие довольно низкое. Для получения предварительных экспресс-результатов необходима упрощенная версия программы. Целью настоящей работы является разработка упрощенной версии программного обеспечения и его дружественного интерфейса для планирования космического эксперимента, который позволяет исследовать и прогнозировать движение двух космических аппаратов с учетом различных условий и визуализировать полученные результаты. Основной задачей программы является прогнозирование пересечений полей наблюдения каналов авроральных имаджеров с орбит спутников. 1. Используемые в эксперименте космические аппараты и авроральные имаджеры Космический эксперимент моделировался на примере низколетящих полярных спутников типа Метеор-МП и Зонд. Космический аппарат Метеор-МП - это перспективный гидрометеорологический и океанографический космический комплекс, предназначенный для анализа и прогноза гелиогеофизической обстановки в околоземном космическом пространстве, состояния ионосферы и магнитного поля Земли, мониторинга климата и глобальных изменений и т.д. Космический аппарат Зонд - один из серии перспективных малых КА программы Геофизика. Ориентация КА Зонд обеспечивает постоянную ориентацию на Солнце для питания солнечных батарей и ориентацию на Землю для наведения остронаправленной антенны. В табл. 1 приведены элементы орбит спутников на 1 января 2025, 00:00:00. Таблица 1 Предварительные элементы орбиты космических аппаратов Метеор-МП и Зонд 01.01.2025 00:00:00 , км , км Метеор-МП 7372.686 0.001835 99.333 0.0 0.0 0.0 820 Зонд 7030.0 110-6 98.0 0.0 0.0 0.0 650 Как показывают приведенные в табл. 1 данные, космические аппараты имеют почти круговые орбиты, с наклонениями больше 90 (обратное движение). Высоты полета над поверхностью Земли составляют примерно 650 км (Зонд) и 820 км (Метеор-МП). Характеристики авроральных имаджеров Летиция и Авровизор-ВИС/МП представлены в [13, 14], где они сравниваются с характеристиками работавших на орбитах в 2005-2015 гг. аналогов: мультиспектральным авроральным имаджером МАС на японском малом космическом аппарате REIMEI (INDEX) [9] и авроральным имаджером FAI на канадском малом космическом аппарате e-POP [10]. Поля зрения каналов российских орбитальных имаджеров будут составлять угол ~ 30°. Три параллельные камеры (настроенные на разные эмиссии) Авровизор-ВИС/МП направлены вдоль вектора нормали от центра масс спутника в сторону центра Земли. Две параллельные камеры Летиции направлены под углом 30° от строительной оси КА (-Z) в сторону Земли с учетом того, что его ось +Y всегда направлена на Солнце. Основная мотивация экспериментов с авроральными имаджерами [15] Авровизор-ВИС/МП и Летиция: 1) дистанционный мониторинг эволюции распределения средней энергии и потока энергии высыпающихся заряженных частиц и электронной концентрации и 2) исследования процесса их влияния на условия распространения сигналов конкретных КА навигационных систем GPS, GLONASS и др. 2. Описание математического аппарата 2.1. Численная модель движения КА Орбитальное движение спутника моделировалось в геоцентрической экваториальной прямоугольной системе координат в гравитационном поле (сжатой) Земли с точностью до второй зональной гармоники. Тогда дифференциальные уравнения движения можно представить в виде (1) где - геоцентрический вектор положения спутника; - время; км3/с2 - гравитационный параметр Земли; - возмущающие силы от второй зональной гармоники геопотенциала. Потенциал второй зональной гармоники в (1) можно представить в виде где - коэффициент при второй зональной гармонике; км - экваториальный радиус Земли; - полином Лежандра второго порядка; - широта спутника. Тогда возмущающая сила от второй зональной гармоники может быть записана как где - орт оси аппликат. Дифференциальные уравнения (1) интегрировались численно классическим методом Рунге-Кутты 4-го порядка. 2.2. Переход во вращающуюся систему координат Пусть мы имеем вектор положения спутника в геоэкваториальной системе координат, отнесенной на эпоху J2000.0. Тогда вектор положения космического аппарата во вращающейся системе координат, жестко связанной с Землей, может быть получен по упрощенной схеме: где - это звёздное время; - юлианские столетия от стандартной эпохи J2000.0: , - среднее солнечное время в сутках. 2.3. Условия вхождения КА в тень Земли и пересечение зон видимости имаджеров Для учета вхождения КА в тень Земли использовалась так называемая функция тени : где - угол, образованный Солнцем, объектом и Землей; - угловые размеры Земли и Солнца соответственно, видимые с исследуемого объекта. Для вычисления площади пересечения круговых областей зон видимости камер имаджеров с орбит спутников использовались следующие формулы: где , - радиусы зон видимости камер имаджеров, - расстояние между их центрами (рис. 1). В данной работе не учитывался угол наклона камеры имаджера Летиции. Предполагалось, что направление оптической оси имаджера совпадает с направлением вектора от центра масс спутника до центра Земли, как у Авровизор-ВИС/МП. Рис. 1. Вычисление площади пересечения круговых областей видимости 3. Описание интерфейса программы SEApp Интерфейс программного обеспечения SEApp представлен на рис. 2. Он состоит из строки Menu (верхняя часть интерфейса), строки состояния (нижняя часть интерфейса) и нескольких функциональных блоков (центральная часть интерфейса) (рис. 2). Первый составной блок - это SV1 и SV2 , предназначен для ввода кеплеровских элементов орбиты двух космических аппаратов. Второй блок, Begin time, содержит поля для выбора и ввода даты и времени начала космического эксперимента. Третий блок, Calculation, служит для выбора параметров для вычисления пересечений зон видимости имаджеров с орбит спутников на теневом участке орбиты и для вывода результатов в файл. Правее расположен блок для построения таблицы с результатами, Table, по полученному файлу c выходными данными. Блок Edit plot предназначен для настройки параметров визуализации результатов на карте в правой части основного окна приложения. Рис. 2. Главное окно приложения: 1 - Menu; 2, 3 - блок ввода данных; 4 - параметры вычисления; 5 - результаты; 6 - параметры визуализации; 7 - визуализация результатов; 8 - строка состояния В строке меню на вкладке Menu в выпадающем списке расположены: поле вызова модального окна c краткой информацией о приложении - About, поле для вызова окна помощи - Help (рис. 3) и Exit - выход из программы. Рис. 3. Модальное окно Help Описание каждого изменяемого компонента приложения приведено в табл. 2, которую также можно увидеть в приложении в окне Help на английском языке. Таблица 2 Описание компонентов приложения Компонент Описание Меню Пункт «Описание» Информация о программе Пункт «Помощь» Информация об использовании программы с описанием каждого компонента Пункт «Выход» Выход из программы Блоки «КА1» и «КА2» Поле «a» Значение большой полуоси орбиты КА, измеряемой в километрах Поле «T» Значение периода обращения КА, измеряемого в часах Поле «е» Значение эксцентриситета орбиты КА: e = 0 - окружность, 0 < e < 1 - эллипс, е = 1 - парабола, 1 < e < ∞ - гипербола, е = ∞ - прямая Поле «i» Значение наклонения орбиты КА, измеряемого в градусах: 0° < i < 90° - прямое движение, 0°< i < 180° - обратное движение Поле «ω» Значение аргумента перицентра орбиты КА, измеряемого в градусах Поле «Ω» Значение долготы восходящего узла орбиты КА, измеряемой в градусах Поле «М» Значение средней аномалии КА, измеряемой в градусах Блок «Начальное время» Переключатели «Календарная дата» и «Юлианская дата» Выбор формата начального времени (в виде календарной даты и времени, либо в виде юлианской даты) Поля «Календарная дата» Начальная календарная дата и время Поле «Юлианская дата» Начальная юлианская дата Окончание табл. 2 Компонент Описание Блок «Вычисление» Переключатель «Интервал» Выбор временного интервала вывода результатов вычисления: - «Календарные даты» - два поля с календарными датами; - «Обороты» - поле с календарной датой (дата отсчета оборотов) и поле для ввода количества оборотов; - «Сутки» - поле с календарной датой (дата отсчета суток) и поле для ввода количества суток Пункты «Учет условий» - «теневой участок орбит» - в файл выводятся результаты, если оба КА находятся на теневом участке орбиты; - «пересечение зон видимости» - в файл выводятся результаты, если есть пересечение зон видимости КА; - «выбор участка широт» - в файл выводятся результаты, если КА находятся в выбранных широтах Поля «Северное полушарие» и «Южное полушарие» Значения диапазонов широт нахождения КА в соответствующих полушариях Поле «Шаг вычисления» Значение шага вывода результатов в файл (в с, мин или ч) Поле «Сохранить в» Директория сохранения и имя файла: 1) для изменения имени файла нужно воспользоваться текстовым полем «Сохранить в» для выбора директории для сохранения файла нужно нажать на кнопку «…». В открывшемся окне зайти внутрь нужной директории для сохранения и нажать кнопку «Save»; 2) если в поле «Сохранить в» будет отображено только имя файла (без пути сохранения), то по умолчанию файл будет сохранен в директории, где находится само приложение Кнопка «Вычислить» Вычисление с учетом всех выбранных параметров и вывод в файл Кнопка «Прервать» Прерывание процесса выполнения вычисления Полоса загрузки Отслеживание процесса вычисления и вывода результатов в файл Блок «Таблица» Таблица Табличное представление количества пересечений зон видимости КА в полярных и в приполярных зонах на теневом участке орбиты Поле «Выбрать» Выбор файла с данными, по которому будет заполняться таблица: - если в поле будет отображено только имя файла с результатами, то таблица будет заполняться по файлу, расположенному в той же директории, что и приложение; - если нужно выбрать файл, находящийся за пределами директории с приложением, то следует нажать кнопку «…». В открывшемся окне после выбора нужного файла нужно нажать на кнопку «Open» Пункт «Автозаполнение» Автозаполнение таблицы сразу после завершения процесса вычисления Кнопка «Заполнить таблицу» Заполнение таблицы по файлу с результатами Блок «Редактирование графика» Поле «Выбрать» Выбор файла с данными, по которому будет строиться график: - если в поле будет отображено только имя файла с результатами, то график будет строиться по файлу, расположенному в той же директории, что и приложение; - если нужно выбрать файл, находящийся за пределами директории с приложением, то следует нажать кнопку «…». В открывшемся окне после выбора нужного файла нужно нажать на кнопку «Open» Кнопка «Построить» Построение графика по файлу с результатами вычисления Кнопка «Очистить» Очистка графика в его области построения Пункт «Сетка» Построение сетки в области построения графика Блоки «КА1» и «КА2» Атрибуты трасс каждого КА: - первый пункт - отображение трассы соответствующего КА; - компонент «w» - толщина линии трассы КА; - компонент «Цвет» - выбор цвета трассы КА 4. Численные результаты Приложение SEApp тестировалось на примере спутников типа Метеор-МП и Зонд (табл. 1) на интервале времени одни сутки, начиная в полночь 17.09.2025 г. Как показали результаты (рис. 2), на заданный период времени общих зон видимостей имаджеров в районе Северного и Южного полюса нет. Результаты хорошо согласуются с результатами ПО «Вектор-М» [11]. Заключение В работе описывается численное моделирование зон видимости авроральных орбитальных имаджеров и методика выявления их пересечений в полярных областях Земли. Моделирование реализовано в программном приложении SEApp. Программа находится в свободном доступе и ее можно скачать по ссылке http://astro.tsu.ru/SEApp.zip. Приложение тестировалось на примере спутников типа Метеор-МП и Зонд. Результаты хорошо согласуются с ПО «Вектор-М».

Скачать электронную версию публикации