Фотометрические исследования гсс «Интелсат 10-02»

Вид материала

Документы

Содержание Анализ кривых блеска «Интелсат 10-02» Интерпретация полученных результатов Дата, склонение Солнца Таблица 4. Результаты расчета направляющих косинусов (Xn,Yn, Z

Подобный материал:

• Рабочей программы учебного модуля «основы cтандартизации в экологии», 64.06kb.
• Эффективность исследования систем управления и решения возникающих проблем во многом, 32.47kb.
• Программа социологического исследования, 46.19kb.
• Разработка программы исследования Определение методов исследования Полевые исследования, 72.82kb.
• Рабочей программы дисциплины «Маркетинговые исследования» (наименование) по направлению, 29.26kb.
• Рабочей программы дисциплины «Маркетинговые исследования» (наименование) по направлению, 28.71kb.
• Рабочей программы дисциплины «Маркетинговые исследования» (наименование) по направлению, 28.08kb.
• Планирование программы исследования: основные этапы. Постановка задач маркетингового, 30.98kb.
• Рабочей программы дисциплины «Маркетинговые исследования и ситуационный анализ» (наименование), 31.2kb.
• Маркетинговые исследования фактически это деятельность, направленная на анализ и сбор, 41.83kb.

УДК 523.4


Фотометрические исследования ГСС «Интелсат 10-02»


П.П. Сухов¹, Г.Ф. Карпенко¹, В.П. Епишев², И.И Мотрунич²

1. НИИ Астрономическая обсерватория ОНУ им. И. Мечникова
2. Лаборатория космических исследований УжНУ

sppete@rambler.ru
lkd.uzhgorod@gmail.com


Photometrical research of GSS «Intelsat 10-02»

Sukhov P.P.¹, Karpenko G.F.¹, Epishev V.P.², Motrunych I.I.²

1. Astronomical Observatory I. Mechnikov Odessa National University

2. Laboratory of Space Researches of the Uzhgorod National University


Abstract. On example of the studies the obtained coordinate and photometrical data in B,V,R filters for GSS «Intelsat 10-02» is shown as possible surveillance dynamic state satellite and his behaviors on orbit with the help of ground-based optical facilities.

The analysis of variation character of the light curves in B,V,R filters, time intervals between the specular flashes, the color indexes variation shows that the systems of stabilization of the platform, the transceiving antennas and the solar panels worked in operating normal mode during the dates of observation. The solar panels orientation relative to the Sun maintains well enough, rotated practically along the equator plane tracking the Sun’s path (the Earth’s rotation). Orientation to axis of the rotation of the platform practically remains unchangeable.


На основе электрофотометрических наблюдений активного трехосно стабилизированного коммуникационного геостационарного спутника (ГСС) «Интелсат 10-02» (28358/2004 022 A), проведенных 6, 7, 12, 13, 14 октября 2010г. на станции Маяки под Одессой, в моменты захода-выхода из тени Земли, исследованы некоторые его оптические и геометрические характеристики. Этот ГСС, массой в 5.6 тонн, движется по круговой орбите (e = 0.00) с долготой подспутниковой точки l = 359º.0 E, наклонением к экватору i = 0º.05. Для ГСС вычислены: усредненные эффективные площади отражения S_λ и спектральные коэффициенты отражения γ_λ в B,V,R фильтрах для фазового угла ψ = 0º, а также изменение показателей цвета (B-V), (V-R) для фазового угла ψ = 25º.

Рис.1. КА «Интелсат 10-02»

На рис. 1 показан внешний вид космического аппарата (КА) «Интелсат 10-02» c размахом его солнечных батарей (СБ) равным 45 метров [1]. Платформа «ссылка скрыта» по форме близка к параллелепипеду, на боковых поверхностях которого укреплены две пятисекционные панели СБ, имеющие независимую систему ориентации на Солнце. На платформе ГСС закреплены ориентированные в сторону земной поверхности две антенны диаметром около 2-х метров и две антенны диаметром около 1м. ГСС стабилизирован и удерживается в данной подспутниковой точке, исходя из его функционального назначения.

Наблюдения проводились в B,V,R фильтрах на 0.5м телескопе, приемник излучения ФЭУ-79. Электронные события, после широкополосного усилителя и счетчика импульсов, поступали на программируемый микроконтроллер ATMega16 и заносились в ПЭВМ через последовательный порт RS232. Для редукции в стандартную фотометрическую систему использовались звезды WBVR каталога ГАИШ [2] спектрального класса G2V (близкого к спектру Солнца). Среднеквадратичная ошибка определения звездной величины для всех дат была в пределах 0^m.02 – 0^m.05.

Анализ кривых блеска активных стабилизированных КА известной формы и размеров позволяет определять спектральные коэффициенты отражения γ_λ в B,V,R фильтрах, близкие к реальным значениям. Полученный набор фотометрических характеристик известных активных ГСС облегчит в дальнейшем интерпретацию кривых блеска неизвестных КА и их идентификацию. Комплексные координатные и фотометрические данные позволяют контролировать текущее состояние КА (рабочий – «штатный» режим, аварийный – «внештатный» режим, прекращение активной фазы существования, фрагментарное состояние), а, возможно, и судить о причинах возникновения аварийных ситуаций на КА. Наблюдения в моменты входа или выхода ГСС из тени Земли, как отмечалось в работах [3,4,5], повышают временное разрешение фотометрических наблюдений и, как следствие, детализируют структуру поля отражения от поверхности ИСЗ.

Звездную величину спутника, согласно Мак-Кью и др. [6], можно представить уравнением:

m_sat = – m_sun – 2.5 lg [Sg F(ψ)/d²],

где m_sun – звездная величина Солнца, S – площадь сечения объекта, g – коэффициент отражения, d – топоцентрическое расстояние до спутника, F(ψ) – фазовая функция. При вычислении фотометрических характеристик ГСС использовалась именно эта формула.

В случае диффузного рассеяния света от плоской поверхности фазовую функцию можно представить как:

F(ε,θ) = cos ε ∙ cos θ ,

где ε и θ – соответствующие углы падения и отражения света по отношению к плоскостям панелей солнечных батарей.

Анализ кривых блеска «Интелсат 10-02»

Ниже, на рис. 2-9, приведены кривые изменений блеска и показателя цвета КА «Интелсат 10-02». Расчет угла ориентации панелей СБ и платформы ГСС, а также направления нормали к зеркально отражающей поверхности, проводился в спутникоцентрической экваториальной системе координат по методике описанной в работе [9].

Результаты вычислений углов освещения и отражения света от ГСС, его пространственного положения в спутникоцентрической системе координат и ориентации панелей СБ приведены в таблицах 1 и 2.

Рис.2. Кривые блеска «Интелсат 10-02» за 6.10.10 после выхода из тени Земли в фильтрах: V - сплошная линия, R ---, B – –.	Рис.4. Кривые блеска «Интелсат 10-02» за 7.10.10 после выхода из тени в фильтрах: V - сплошная линия, R ---, B – –.
Рис. 3. Изменение колор-индекса «Интелсат 10-02» за 6.10.10 после выхода из тени; (B –V) сплошная линия, (V– R) ---.	Рис. 5. Изменение колор-индекса «Интелсат 10-02» за 7.10.10 после выхода из тени; (B –V) сплошная линия, (V– R) ---.
Рис. 6. Кривые блеска «Интелсат 10-02» за 12.10.10 после выхода из тени в фильтрах: V - сплошная линия, R ---, B – –.	Рис. 8. Второй максимум кривой блеска «Интелсат 10-02» за 14.10.10 после выхода из тени в фильтрах: V - сплошная линия, R ---, B – –.
Рис. 7. Изменение колор-индекса «Интелсат 10-02» за 12.10.10 после выхода из тени: (B –V) сплошная линия, (V– R) ---.	Рис. 9. Изменение колор-индекса «Интелсат 10-02» за 14.10.10 после выхода из тени: (B –V)- сплошная линия, (V– R) ---.

Таблица 1.

Результаты вычислений положения ГСС и условий его освещения на моменты фиксации максимального блеска

№ п/п	Дата	UT	Δt (мин)	αгеоц, º	δгеоц, º	Ψ, º	Q, º	Qmin, º
1	06.10.2010	1h43m54s	55	39.76	-0.01	27.36	13.63	9.55
		2h08m13s		45.83	-0.01	32.76	16.37
2	07.10.2010	1h43m22s	52	40.60	-0.01	27.45	13.63	10.58
		2h06m00s		46.63	-0.01	32.44	16.18
3	12.10.2010	1h37m55s	30	44.41	-0.01	27.43	13.72	7.98
		2h02m24s		50.03	-0.01	32.63	16.30
4	14.10.2010	1h59m58s	20	51.17	-0.01	32.54	16.26	13.52

В колонках таблицы, слева направо, порядковый номер и дата наблюдений, моменты наблюдений первого и второго максимумов блеска ГСС в шкале всемирного времени UT, время пребывания спутника в тени Земли Δt в минутах, геоцентрические экваториальные координаты ГСС α_геоц и δ_геоц в градусной мере, значения фазового угла ψ и угла Q наклона панелей СБ к направлению на Солнце на моменты наблюдений, а также минимальное значение этого угла Q_min на ночном интервале наблюдения (все углы в градусах).

Таблица 2.

Результаты определения ориентации панелей солнечных батарей на моменты максимального блеска ГСС

№ п/п	Дата	UT	α¤, º	δ¤, º	αнабл, º	δнабл, º	αn, º	δn, º
1	06.10.2010	1h43m54s	191.56	-5.02	216.37	6.82	204.01	0.92
		2h08m13s	191.71	-5.03	222.44	6.82	207.05	0.92
2	07.10.2010	1h43m22s	192.48	-5.40	217.21	6.82	204.89	0.72
		2h06m00s	192.62	-5.40	222.81	6.82	207.72	0.72
3	12.10.2010	1h37m55s	197.05	-7.30	220.76	6.82	208.97	-0.23
		2h02m24s	197.20	-7.31	226.88	6.82	212.03	-0.23
4	14.10.2010	1h59m58s	199.05	-8.05	228.28	6.82	213.68	-0.63

Первые три колонки этой таблицы идентичны таковым в таблице 2. Далее, в колонках слева направо, приведены на моменты наблюдений ГСС значения спутникоцентрических экваториальных координат Солнца (α_¤, δ_¤), наблюдателя (α_набл, δ_набл,) и направления нормали к панелям СБ (α_n, δ_n) – все углы в градусах.

В ночь 13/14.10.2010 детально «записать» удалось только второй максимум кривой блеска. Несмотря на различие в масштабе кривых блеска и длине интервала наблюдений, заметна их схожесть. Это отмечается также для кривых изменения показателей цвета во все наблюдательные ночи. Только 12 октября 2010г. зафиксированные зеркальные вспышки достигали максимального значения до m ≈ 1^m, а сам объект около получаса наблюдался невооруженным глазом.

Интерпретация полученных результатов

В световой поток, отраженный от КА «Интелсат 10-02», основной вклад вносят панели его солнечных батарей (во всех фильтрах), несмотря на то, что коэффициент их отражения меньше 20%. Есть еще добавка света, отраженного от антенн и боковых граней корпуса КА в желтой и красной областях спектра. Она обусловлена золотистым цветом деталей платформы и, относительно, незначительна.

После выхода ГСС из тени, Солнце кроме панелей хорошо освещало нижнюю часть корпуса спутника, где размещены различные приборы, в том числе и меньшие, чем диаметр антенн. В это время отраженный на наблюдателя поток еще слаб. Очень слабо освещена и видимая наблюдателю передняя боковая грань аппарата. Поэтому, на первом участке кривой, наблюдается минимум блеска, флуктуирующий практически во всех фильтрах с амплитудой до 1^m. По мере увеличения высоты Солнца над горизонтом, боковые грани начинают освещаться лучше, а с поворотом панелей уменьшается угол отражения от них света в сторону наблюдателя. Блеск КА во всех фильтрах, совершая колебания, растет до максимума с некоторым дополнительным перепадом в желтой области спектра. Большие по величине значения колор-индекса в эти моменты обусловлены не так оптическими характеристиками деталей поверхности ИСЗ, как их взаимными затенениями. Максимум блеска состоит как бы из двух частей. В это время панели наиболее удачно ориентированы относительно Солнца и наблюдателя. Но часть отдаленной панели наблюдателю не видна. Она перекрыта корпусом спутника.

Начиная с 6.10.2010, в максимуме блеска ГСС, в поле зрения наблюдателя постепенно – от наблюдения к наблюдению – стало попадать изображение Солнца, так называемый „зайчик”, который под некоторым углом перемещался по панелям. В первую наблюдательную ночь край „зайчика” попал в поле зрения наблюдателя только на краешке одной панели, незначительно увеличив блеск ГСС в конце максимума. А 7.10.2010 часть „зайчика” была видна вдоль обоих панелей. Но, начиная свой путь с конца отдаленной от наблюдателя панели, он на некоторое время попал в тень корпуса спутника, потом прошествовал по боковой грани корпуса КА с антенной, ориентированных в пространстве совсем по другому, чем панели СБ, что привело к уменьшению блеска, и закончил свое шествие на второй, ближней к наблюдателю, панели снова увеличив блеск ГСС. В ночь на 12.10.2010 этот „зайчик” был виден практически полностью, увеличив блеск спутника на 4^m, и обусловил нулевое значение колор-индекса (B-V). Во время затенения корпусом КА и ближней большой антенной, он „исчез” с поля зрения наблюдателя на ~20 минут, уменьшив блеск ГСС до привычной 5^m, а затем, проходя по второй панели, его снова увеличил. В последнюю ночь, 14.10.2010, условия видимости „зайчика” значительно ухудшились, что подтверждает и величина колор-индекса (B-V). Блеск ГСС уменьшился, величина колор-индекса возросла.

Из проведенных расчетов видно, что наиболее благоприятное наблюдение „зайчика” следовало ожидать 11.10.2010, когда _¤ и _набл. по абсолютному значению равны [7,8]. Но, к сожалению, в ту ночь наблюдения, из-за плохих условий, не проводились. Таким образом, максимум блеска ГСС ближе всего к идеально “зеркальному” на кривой за 12.10.2010. Следовательно и полученные значения ориентации спутника и панелей его СБ на эту дату будут наиболее точными.

В таблице 3 приводим вычисленные на даты наблюдений фотометрические параметры исследуемого ГСС.

Таблица 3.

Вычисленные фотометрические параметры ГСС «Интелсат 10-02».

Дата, склонение Солнца	Фильтр	M ψ =25°	M ψ = 0°	B-V ψ =25°	V-R ψ =25°	Aгеом	Sλ, [м2] ψ =0°
06.10.2010 d¤= -04°58'	B	9.39	9.12	0.57	1.07	0.11	9.47
	V	8.82	8.54			0.15	13.45
	R	7.75	7.47			0.24	21.56
07.10.2010 d¤ -05°21'	B	9.14	8.87	0.39	1.02	0.13	11.88
	V	8.75	8.48			0.16	14.30
	R	7.73	7.46			0.24	21.95
12.10.2010 d¤ = -07°14'	B	7.89	7.62	0.09	0.50	0.42	37.42
	V	7.80	7.53			0.38	34.14
	R	7.30	7.03			0.36	32.61

Кроме даты наблюдения и видимого склонения Солнца в таблице приведены: спектральная область наблюдений (фильтр), звездные величины М блеска ГСС для фазовых углов 25° и 0°, показатели цвета (B-V) и (V-R) для фазового угла 25°, а также геометрическое альбедо A_геом и эффективная площадь отражения S_λ.

Примечание: Спектральные коэффициенты отражения посчитаны для усреднённой эффективной площади диффузной плоскости и приведенной на нулевой фазовый угол. В нашем случае они совпадают с величинами геометрического альбедо A_геом – т.е. интегральной характеристики, усреднённой по всей площади отражения ГСС, включая элементы конструкции, имеющие разные отражательные характеристики.

Таблица 4.

Результаты расчета направляющих косинусов (X_n,Y_n, Z_n) нормали к поверхности солнечных батарей (СБ) и платформы (П) на выбранные моменты времени.

	Элемент КА	Дата	UT	Xn	Yn	Zn	, º	Fn, º
1	СБ	6.10.2010	2h07m03s	-0.8994	-0.4366	0.0210	33.42	1.2031
2	СБ	7.10.2010	1h42m15s	-0.8963	-0.4432	0.0175	27.97	1.0026
3	СБ	12.10.2010	1h39m21s	-0.8817	-0.4717	0.0003	27.66	0.0172
4	СБ	14.10.2010	1h57m58s	-0.8442	-0.5359	-0.0065	31.88	-0.3724
5	П	6.10.2010	2h08m07s	-0.8984	-0.4387	0.0210	33.66	1.2031
6	П	7.10.2010	2h03m00s	-0.8960	-0.4436	0.0175	32.57	1.0026
7	П	12.10.2010	1h39m33s	-0.9289	-0.3703	0.0004	27.70	0.0229
8	П	14.10.2010	1h58m58s	-0.8431	-0.5378	-0.0066	32.11	-0.3781

Здесь:  – фазовый угол, F_n – геодезическая широта направления нормали.

Из приведенных в таблицах 1-4 данных и описанной выше динамики изменения видимого блеска КА «Интелсат 10-02» четко видно, что панели солнечных батарей вращаются через небольшие интервалы времени вокруг только одной оси, которая перпендикулярна к плоскости экватора. А направление нормали к ним лежит в плоскости экватора, делая полный оборот за сутки, сопровождая Солнце. При этом число периодических движений панелей полностью вкладывается в период вращения спутника по орбите. Оба максимума на кривой блеска спутника, от наблюдения к наблюдению, совпадают с одними и теми же значениями фазовых углов (см. табл. 1.). К сожалению, недостаточный временной интервал каждого из наблюдений не позволил достаточно надежно определить период одного, отдельно взятого, поворота панелей отслеживающих видимое смещение диска Солнца.

Выводы

Анализ характера изменения блеска ГСС в трех фильтрах, соответствующих им показателей цвета (рис. 2-9) и величин интервалов времени между вспышками, показывает; что системы стабилизации платформы, приемо-передающих антенн и СБ в наблюдаемые нами даты функционировали в штатном рабочем режиме. На протяжении наблюдаемых ночей ориентация панелей СБ у КА «Интелсат 10-02» довольно хорошо сохранялась относительно направления на Солнце. Поворот панелей СБ происходил, вероятней всего, вокруг оси перпендикулярной к плоскости экватора, отслеживая видимое движение Солнца (вызванное вращением Земли и ГСС, соответственно). Ориентация основной оси платформы, в пределах ошибок вычислений, оставалась неизменной по отношению к направлению на центр масс Земли.

Полученная координатная и фотометрическая информация об исследуемом ГСС подтверждает, что с помощью наземных оптических средств можно эффективно контролировать динамическое состояние спутника [10], оценивать оптические характеристики деталей видимой его поверхности и собственно поведение КА на орбите.


Литература:

1. Gunter’s Space Page cket.de/space.
   
2. Корнилов В.Г., Волков И.М. и др. Каталог WBVR-величин ярких звезд северного неба. Под ред. Корнилова В.Г., Труды ГАИШ. Т. 63, М.,: Изд-во Московского ун-та, 1991, 400с.
   
3. Диденко А.В., Усольцева Л.А. «Определение оптических характеристик геостационарных спутников и земной атмосферы по их наблюдениям на границах земной тени». Космические исследования в Казахстане, Алматы, КазГосИНТИ, 2002, С. 355-373.
   
4. Диденко А.В., Усольцева Л.А. «О возможности использования кривых изменения блеска ИСЗ на границах земной тени при его идентификации». «Современная астрофизика: традиции и перспективы», Алматы, 2005, С. 75-76.
   
5. Багров А.В. «Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук». Москва, 2002. Стр. 44.
   
6. McCue et al. Optical characteristics of artificial satellites. Planet And Space Sci., 1971, vol. 19, p. 851-868.
   
7. Ерпылёв Н.П., Смирнов М.А. «Наблюдения геостационарных спутников Земли в зеркально отраженном солнечном свете» АН СССР, Наука, 1983, Письма в АЖ, Т 9, N 3, С.181.
   
8. Багров А.В., Павленко Е.П., Прокофьева В.В., Смирнов М.А. «Наблюдение зеркального отражения от геостационарного спутника». АЦ 1286, 1993 окт.28. С.3.
   
9. Епишев В.П.. «Определение ориентации ИНТ в пространстве по их зеркальному отражению». Астрометрия и астрофизика АН УССР, 1983, С.89-93.
   
10. Диденко А.В., Усольцева Л.А. Анализ наземной оптической информации о геостационарном спутнике «Казсат-1». Известия НАН РК. «Серия физико-математическая. 2009. № 4.