Оценка возможностей орбитальных оптических средств по получению информации о космических объектах
Ключевые слова:
околоземное космическое пространство, оптико-электронное средство, космический объект, нечеткий логический вывод, сближение космических объектовАннотация
Цель исследования заключается в выборе оптимальных условий сбора некоординатной информации о космическом объекте орбитальным оптическим средством при прохождении обоими объектами окрестностей точек минимального расстояния между их орбитами. Для достижения указанной цели предложен количественный показатель, характеризующий меру возможности получения некоординатной информации о космическом объекте с требуемым уровнем качества. Аргументами функции, характеризующей вводимый показатель, являются: расстояние между объектами; относительная скорость объектов; фазовый угол освещенности космического объекта Солнцем по отношению к оптико-электронному средству; длительность интервала времени, в течение которого оба объекта находятся в окрестности точки минимума расстояния между их орбитами. Расчет величины показателя обеспечивается решением трех частных задач исследования. Первая задача – поиск окрестностей, включающих минимальные расстояния между орбитами космического объекта и орбитального оптического средства. Для ее решения используется быстрый алгоритм расчета минимального расстояния между орбитами, при этом осуществляется прогноз дрейфа найденных окрестностей на интервале времени до 60 часов. Вторая задача – оценка характеристик движения и условий оптической видимости космического объекта в окрестностях точек минимума расстояния между его орбитой и орбитой оптического средства. Решение данной задачи осуществляется средствами имитационного моделирования с использованием библиотеки прогноза движения космических объектов SGP4. Третья задача – обоснование и расчет показателя, характеризующего меру возможности получения некоординатной информации о космическом объекте. Для решения данной задачи разработана система правил нечеткого логического вывода, которая используется в качестве входных данных алгоритма Мамдани. Рассматриваемая методика реализована программно, в ходе вычислительного эксперимента проведена оценка возможности получения некоординатной информации по низкоорбитальным и геостационарным космическим объектам. Применение предложенного показателя обеспечивает повышение результативности процедуры сбора некоординатной информации о космических объектах за счет выбора наиболее информативных альтернатив контроля космических объектов из доступного множества возможных наблюдений на заданном интервале планирования сбора информации о космических объектах.
Литература
2. Алешин В.И., Астраханцев М.В., Афанасьева Т.И. Мониторинг техноген-ного засорения околоземного пространства и предупреждение об опасных ситуациях, создаваемых космическим мусором // М.: ЦНИИмаш. 2015. 244 с.
3. Шилов Л.Б., Федосеев А.А. «О работах АО «РКЦ «ПРОГРЕСС» по вопросам методологии и средствам космического базирования для наблюдения кос-мических объектов» // Сб. тр. Всероссийской научн. конф. с междунар. участ. “Космический мусор: фундаментальные и практические аспекты угрозы”. 2019. С. 110–116.
4. Okasha M., Park C., Park S.-Y. Guidance and control for satellite in-orbit-self-assembly proximity operations // Aerospace Science and Technology. 2015. vol. 41. pp. 289–302.
5. Jianbin H. et al. Docking mechanism design and dynamic analysis for the GEO tumbling satellite // Assembly Automation. 2019. vol. 39. no. 3. pp. 432–444.
6. Вахитов Э.В., Лагуткин В.Н., Лукьянов А.П. Исследование эффективности управления движением космического датчика, фотографирующего низко-орбитальные космические объекты // Вопросы радиоэлектроники. 2018. № 3. С. 40–44.
7. Боев С.Ф. Концепция интегрированной системы ракетно-космической обо-роны России // Вопросы радиоэлектроники. 2019. № 3. C. 7-11.
8. Capolupo F., Labourdette P. Receding-Horizon Trajectory Planning Algorithm for Passively Safe On-Orbit Inspection Missions // Journal of Guidance, Con-trol, and Dynamics. 2019. vol. 42. no. 5. pp. 1–10.
9. Лагуткин В.Н., Лукьянов А.П. Возможности фотографирования низкоорби-тальных космических объектов из космоса на пролете // Радиопромышлен-ность, 2016. № 1. С. 109–117.
10. Шилин В.Д. и др. Вопросы применения космических информационных средств для контроля космических объектов // Вопросы радиоэлектроники. 2018. № 3. С. 85–89.
11. Миронов В.И., Миронов Ю.В., Хегай Д.М. Оптимальное определение орби-ты космических объектов по угловым измерениям наземных оптико-электронных станций // Труды СПИИРАН. 2019. Т. 18№. 5. С. 1239–1263.
12. Охтилев М.Ю., Соколов Б.В., Юсупов, Р.М. Теоретические и технологиче-ские основы концепции проактивного мониторинга и управления сложны-ми объектами // Известия южного федерального университета. Техниче-ские науки. 2015. Т. 162. № 1. С. 162–174.
13. Curtis D.H., Cobb R.G. Free Access Satellite Articulation Tracking Using Com-puter Vision // Journal of Spacecraft and Rockets. 2019. vol. 56. no. 5. pp. 1478–1491.
14. Gui H., DeRuiter A.H.J. Quaternion Invariant Extended Kalman Filtering for Spacecraft Attitude Estimation // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 2018. vol. 41. no. 4. pp. 863–878.
15. Богачёв С.А., Ерхова Н.Ф., Перцов А.А., Ульянов А.С. Оптическая камера для наблюдения космических объектов с использованием аппаратов типа «Кубсат» // Космонавтика и ракетостроение: Центральный научно-исследовательский институт машиностроения. 2020. № 1. С. 98–107.
16. Tweddle B.E., Saenz-Otero A. Relative computer vision-based navigation for small inspection spacecraft // Journal of guidance, control, and dynamics. 2015. vol. 38. pp. 969–978.
17. Fourie D., Tweddle B.E., Ulrich S., Saenz-Otero A. Flight Results of Vision-Based Navigation for Autonomous Spacecraft Inspection of Unknown Objects // Journal of spacecraft and rockets. 2014. vol. 51. pp. 2016–2026.
18. Opromolla R., Fasano G., Rufino G., Grassi M. A review of cooperative and uncooperative spacecraft pose determination techniques for close-proximity operations // Progress in Aerospase Sciences. 2017. vol. 93. pp. 53–72.
19. Sternberg D., Sheerin T.F., Urbain G. INSPECT Sensor Suite for On-Orbit Inspection and Characterization with Extravehicular Activity Spacecraft // 45th International Conference on Environmental Systems. 2015. 17 p.
20. Gunter`s Space Page. URL: https://space.skyrocket.de/doc_sdat/sj-12.htm (да-та обращения: 07.06.2020).
21. Горшков О.А., Муравлёв В.А., Шагайда А.А. Холловские и ионные плаз-менные двигатели для космических аппаратов // М.: Машиностроение. 2008. 280 с.
22. Aerospace security. URL: https://aerospace.csis.org/data/unusual-behavior-in-geo-sj-17/ (дата обращения: 10.02.2020).
23. Хеллман О. Введение в теорию оптимального поиска // М.: Наука. 1985. 248 с.
24. Mikryukov D.V., Baluev R.V. Fast error-controlling MOID computation for confocal elliptic orbits // Astronomy and Computing. 2018. vol. 27. pp. 11–22.
25. Hedo J.M., Ruız M., Pelaez J. On the minimum orbital intersection distance computation: a new effective method // Monthly Notices of the Royal Astro-nomical Society. 2018. vol. 479. no. 3. pp. 3288–3299.
26. Деревянка А.Е. Быстрая оценка минимального расстояния между двумя конфокальными гелиоцентрическими орбитами // Вестник Самарского гос-ударственного технического университета. Серия физико-математические науки. 2014. № 4(37). С. 144–156.
27. space-track.org. URL: https://www.space-track.org (дата обращения: 16.02.2020).
28. Hoots F.R., Ronald L. Roehrich. Spacetrack report N 3. Models for Propagation of NORAD Element Sets. 1988. pp. 87.
29. Haingja S., Ho J., Yongjun S., Yongseok L., Yongseok O. The Photometric Brightness Variation of Geostationary Orbit Satellite // Journal of Astronomy and Space Sciences. 2013. vol. 30. no. 3. pp. 179–185.
Assessment of the capabilities of orbital optical devices for obtaining information about space objects
Abstract
The purpose of the study is to select the optimal conditions for collecting non-coordinate information about a spacecraft by a space optical-electronic means at the time objects pass the vicinity of the points of the minimum distance between their orbits. The quantitative indicator is proposed that characterize the measure of the possibility of obtaining non-coordinate information about space objects with the required level of quality. The arguments of the function characterizing the indicator are the distance between spacecraft; their relative speed; phase angle of illumination of a spacecraft by the Sun in relation to the optical-electronic means; the length of the time interval during which both objects are in the vicinity of the point of a minimum distance between their orbits. The value of the indicator is computed by solving three particular research problems. The first task is to search for neighborhoods that include the minimum distances between the orbits of the controlled spacecraft and optical-electronic means. To solve it, a fast algorithm for calculating the minimum distance between orbits used. Additionally, the drift of the found neighborhoods is taken into account on the time interval up to 60 hours. The second task is to estimate the characteristics of motion and the conditions of optical visibility of a controlled spacecraft in the vicinity of the minimum points of the distance between the orbits of spacecraft. The solution to this problem is carried out by using the SGP4 library of space objects motion forecast. The third task is justification and calculation of an index characterizing the measure of the possibility of obtaining an optical image of a spacecraft for given conditions of optical visibility. To solve the problem, the developed system of fuzzy inference rules and the Mamdani algorithm is used. The presented method is implemented as a program. In the course of a computational experiment, an assessment was made of the possibility of obtaining non-coordinate information on low-orbit and geostationary space objects. The proposed indicator provides an increase in the efficiency of the procedure for collecting non-coordinate information about space objects by choosing the most informative alternatives for monitoring space objects from the available set of possible observations at a given planning interval for collecting information about space objects.
Опубликован
Как цитировать
Раздел
Copyright (c) Анатолий Александрович Карытко, Валерий Пророк, Александр Горянский, Екатерина Емельянова
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Авторы, которые публикуются в данном журнале, соглашаются со следующими условиями: Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и передают журналу право первой публикации вместе с работой, одновременно лицензируя ее на условиях Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным указанием авторства данной работы и ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале. Авторы сохраняют право заключать отдельные, дополнительные контрактные соглашения на неэксклюзивное распространение версии работы, опубликованной этим журналом (например, разместить ее в университетском хранилище или опубликовать ее в книге), со ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале. Авторам разрешается размещать их работу в сети Интернет (например, в университетском хранилище или на их персональном веб-сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению, а также к большему количеству ссылок на данную опубликованную работу (Смотри The Effect of Open Access).