CC BY
97
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО СБОРА ИНФОРМАЦИИ ПО ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫМ КОСМИЧЕСКИМ ОБЪЕКТАМ
В.А. СКОРНЯКОВ, доц. каф. информатики и вычислительной техникиМГУЛ, канд. техн. наук, М.А. КОНДРАШИН, асп., инженер первой категории баллистико-навигационного отдела
ЦУП ЦНИИМАШ
Интенсивное освоение космического пространства, сопровождающееся ростом числа запускаемых объектов, возникающими их отказами в процессе функционирования, в совокупности с естественной «засоренностью» космоса ставит задачу обеспечения безопасности полета в условиях наличия так называемого «космического мусора».
Рис. 1. Распределение «космического мусора» в околоземном космическом пространстве
В названных условиях возникает реальная опасность столкновения функционирующих КА с неуправляемыми космическим объектами (КО) с непредсказуемыми последствиями, при этом не исключена возможность возникновения чрезвычайных ситуаций и в случаях возможного падения на Землю объектов, обладающих существенными «масс-габаритными» характеристиками или содержащих радиоактивные элементы. Особую опасность «космический мусор» представляет и для функционирующей на орбите международной космической станции МКС.
Однако в настоящее время не существует отработанного методологического обеспечения противодействия «космическому мусору». Причем трудности прогностических расчетов возможных столкновений чрезвы-
caf-vt@mgul. ac. ru
чайно осложняются слабой информационной обеспеченностью объектов «мусора» в части баллистических параметров движения. Пути решения, как правило, основываются на организации мониторинга космического пространства, создании баз данных по космическому мусору и разработке методов наблюдения и прогнозирования оценок состояния космической обстановки. Работы по созданию таких баз данных ведутся в настоящее время и в Российском Центре Управления полетами (ЦУП). При этом в качестве оперативных источников информации используются два направления: либо сообщения, получаемые от ЦУП - Хьюстон, данные информационной базы NORAD, либо сообщения из Российского центра контроля космического пространства (ЦККП). Объект в базе данных NORAD представляется осредненными значениями элементов орбиты. Данные из ЦУП - Хьюстон представляются парой «векторов состояния», характеризующих координаты «объектов» и параметры их скорости на момент возможного опасного сближения с КА. Российский ЦККП выдает значения «векторов состояния», рассчитанные на момент возможного опасного сближения. В связи с тем, что такие данные по КО представляются разными источниками и в различной форме, требуется разработка соответствующих методов и алгоритмов верификации и систематизации этих параметров с последующим хранением в систематизированной «космической мусорной базе данных» с целью их оперативного использования.
Формирование векторов состояния КО на основе элементов баз данных NORAD осуществляется алгоритмом Dr. Kelso SGP4.
Данные, получаемые из ЦККП и ЦУП-Х, представляют собой типизированные файлы, поэтому для наполнения баз данных с использованием этих источников разработано два варианта:
134
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2009
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
1) автоматическая идентификация параметров файла данных;
2) «ручная» идентификация, с использованием консоли управления базой данных.
Комплекс, реализующий эти алгоритмы, состоит из шести программных модулей:
1. модуль сбора информации из различных источников (сервера ЦУП, базы данных NORAD в Интернете и т. д.);
2. модуль обработки полученной информации (определение полученных данных, проверка корректности данных);
3. модуль записи полученных данных в формируемую базу данных;
4. модуль, осуществляющий подключение к полученной БД с опасными объектами, и к БД БИВК (Баллистический информационный вычислительный комплекс) ;
5. модуль вычисления опасных сближений;
6. модуль выдачи информации.
Работа программы в автоматическом
режиме происходит по алгоритму, представленному на рис. 2. Он включает:
1. Запуск программы, выполняющий обновление данных из заданного списка источников данных;
2. Распознавание типов данных по определенным признакам;
Рис. 2. Блок-схема программно-математического комплекса автоматизированного сбора информации по потенциально опасным объектам
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2009
135
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Рис. 3. График прогноза движения МКС и нескольких объектов «космического мусора»
3. Преобразование данных в необходимую форму для записи в БД;
4. Запись новых данных в БД;
5. Инициализация модуля вычислений опасных сближений;
6. Анализ состояния оперативного файла, содержащего данные по опасным сближениям. При наличии таковых выполняется перерасчет данных с учетом получаемых уточнений;
7. Выдача сообщений по опасным сближениям с объектами, занесенными ранее в оперативный файл;
8. Удаление объектов из оперативного файла, сближение с которыми не подтвердилось;
9. Анализ состояния оперативного файла, содержащего результаты расчетов опасных сближений, полученных с учетом уточненных данных из обновленной БД;
10. Формирование и выдача информации о возможных опасных сближениях с последующим занесением ее в оперативный файл;
11. Анализ наличия данных в БД по опасным ситуациям с последующей установкой таймера для следующего запуска программы с целью наполнения оперативного файла.
При этом опасные сближения рассчитываются в два этапа (как это делается для МКС).
На первом этапе производится оценка по «геометрическому критерию». При этом отсеиваются элементы, орбита которых превышает 400 км. Далее, используя вектор состояния КО, находим наклонение орбиты, восходящий и нисходящий узлы и угол, определяющий положение объекта. Далее на-
ходятся точки пересечения двух орбит в пространстве. После чего производится оценка расстояний орбит в точках пресечения, при этом, если расстояние не превышает 20 км, данный элемент заносится в специальный каталог «мусорной базы».
На втором этапе реализуется прогноз движения «опасных» объектов и МКС, при котором для орбит МКС и «мусора» находятся локальные экстремумы, и выполняется проверка их наличия в области допустимых значений.
В случае если значение «экстремума» выходит за допустимый диапазон, такой объект считается опасным и заносится в специальный каталог с целью его дальнейшего сопровождения. Прогнозирование осуществляется на основе 7 точечного метода Эверхарта. Достоинство метода состоит в том, что на каждом шаге интегрирования мы получаем набор полиномов, что значительно сокращает время на поиск экстремумов для выявления потенциально опасных объектов по сравнению с обычными методами интегрирования.
В итоге на втором этапе определяется список «мусорных» объектов, характеризующихся наиболее опасным сближением с МКС.
Процесс реализации рассмотренных алгоритмов требует существенных машинных ресурсов. Время реализации расчетов можно сократить путем составления прогноза не для одной пары объектов, а для определенного набора, предварительно приведя их все к одной исходной точке отсчета. При этом операция уточнения орбит таких объектов производится до тех пор, пока не принимается решение о совершении маневра уклонения, либо становится ясно, что объект не опасен.
Библиографический список
1. Гетман, М. «Космический мусор» страшнее кинетического оружия / М. Гетман // Военный парад. - 2007. - № 2. - С. 28-30.
2. Бордовицына, Т.В. Теория движения искусственных спутников земли: учеб. пособие / Т.В. Бордовицына, В.А. Авдюшев. - Томск, Изд-во Томского университета, 2007. - С. 87-89.
3. Колегов, Г.А. Избранные разделы космической баллистики искусственных спутников Земли / Г. А. Колегов. - ЦНИИмаш, 2007. - С. 94-101.
136
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2009
