Добавил:

Justeeeek100500 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Национальный университет Львовская политехника

Предмет:

Супутникова геодезія

Файл:

Методичні рекомендації. Прогнозування спостережень ШСЗ

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

28.06.2022

Размер:

823.32 Кб

Скачать

☆

1 / 21 2 > Следующая >>>

МIНIСТЕРСТВО ОСВIТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНIВЕРСИТЕТ "ЛЬВIВСЬКА ПОЛIТЕХНIКА"

ПРОГНОЗУВАННЯ СПОСТЕРЕЖЕНЬ ШСЗ

МЕТОДИЧНI ВКАЗIВКИ

до лабораторної роботи з курсу “Космічна геодезія” для студентів всіх геодезичних спеціальностей

та студентів заочної форми навчання

Затверджено на засіданні кафедри вищої геодезії та астрономії, протокол № 1-2001/02 від 28.08.2001 р.

Львів 2002

Прогнозування спостережень ШСЗ: Методичні вказівки до лабораторної роботи для студентів всіх геодезичних спеціальностей та студентів заочної форми навчання /Авт.: Дульцев А.Т., Цюпак I.М. -- Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2002.- 15 с.

Автори: Дульцев Анатолій Тихонович, канд.техн.наук, доц. Цюпак Ігор Михайлович, канд.техн.наук, доц.

Відповідальний за випуск Ф.Д. Заблоцький, канд.техн.наук, доц.

Рецензенти: П.Д. Двуліт, д-р техн.наук, проф.

А.Л. Церклевич, канд.фіз.-мат.наук, доц.

Мета роботи: ознайомити студентів з теоретичними основами прогнозування руху ШСЗ та навчити їх виконувати обчислення збурених елементів орбіти і траси супутника, визначення умов видимості, обчислення ефемериди та попередньої орбіти ШСЗ за результатами вимірів.

Лабораторна робота виконується індивідуально за вихідними даними свого варіанту завдання, виданого викладачем. До роботи треба зробити рисунки, записати робочі формули, обчислення подати у таблицях.

Зміст роботи:

1.Ознайомлення зі збурюючим геопотенціалом та обчислення збурених елементів орбіти на початкову епоху запланованих спостережень (tсп).

2.Обчислення траси ШСЗ за формулами незбуреного руху.

3.Визначення умов видимості ШСЗ та можливих періодів його спостережень з пункту

P(B,L,H).

4.Обчислення ефемериди для спостережень.

5. Обчислення попередньої орбіти (з метою її подальшого збереження).

Вихідні дані для розрахунків

Елементи орбіти ШСЗ o, io, o, ao, eo, o , та епоха їх визначення te (за шкалою UT). Геодезичні координати B,L,H пункту спостережень P в геоцентричній земній СК. Епоха початку спостережень tсп (за UT) і крок розрахунку траси m (за середнім часом).

Фундаментальні геодезичні сталі (GRS-80), зональні коефіцієнти зовнішнього

гравітаційного поля Землі (GEM-9), та додаткові параметри (αE, (eE)2 - полярне стиснення і
квадрат першого ексцентриситета загальноземного еліпсоїда						GRS-80	~
квадрат першого ексцентриситета загальноземного еліпсоїда						GRS-80	та	- коефіцієнт
переведення інтервалів середнього часу в зоряні інтервали) :

		398600.5 км3 c-2	J3	-2.540 10-6		αE		1/298.257
	E	7.292115 10-5 с-1	J4	-1.619 10-6		(eE)2	6.69438002·10-3
	aE	6378137 м	J5	-0.230 10	-6	~		9,856 h/s
	aE	6378137 м	J5	-0.230 10				9,856 h/s
	J2	1.08263 10-3	J6	0.552 10-6

Короткий теоретичний вступ

1. Обчислення збурень елементів орбіти. Рівнодійна F

що діють на ШСЗ підчас його орбітального руху, дорівнює:

F=FЕ + FМ + FС + Fоп.атм. + Fт.с.пр. + Fвідб.пром.

суми векторів природних сил,

+ Fм.п. + …,

де права частина містить за порядком наступні сили: притягання супутника Землею, притягання Місяцем, притягання Сонцем, опір верхніх шарів земної атмосфери рухові ШСЗ, тиск сонячних променів на поверхню ШСЗ, тиск відбитих від Землі сонячних променів, взаємодія електричного кола ШСЗ з магнітним полем Землі, тощо. Найбільшою за інші в навколоземному просторі залишається сила земного притягання FE . Вона неоднакова в різних точках простору і, в свою чергу, є векторною сумою наступних сил:

FE =Fц + F + Fст.екв. + Fм.атм. + Fгр.аном. + Fприпл. + …,

тобто, за порядком, центральної сили (сили притягання моделі Землі, як кулі з однорідним розподілом мас або як матеріальної точки, що діє в напрямі до центра Землі), сил, обумовлених

впливом полярного стиснення планети, її екваторіального стиснення, притяганням супутника масою земної атмосфери, впливом гравітаційних аномалій в тілі Землі, місячно-сонячних припливів, тощо. Сила Fц за своєю дією є суттєво більшою від всіх інших, що входять в праві частини обох попередніх формул. Тому вона (разом з величиною швидкості виведення ШНТ на орбіту) визначає загальний характер і тип руху КА (коловий, еліптичний, параболічний, гіперболічний): Fц надає КА прискорення до 9 м/с2 (теоретично, 9,8 м/с2 на коловій орбіті з висотою H=0). Всі інші – тільки <0.03 м/с2, вони дещо змінюють траєкторію ШСЗ, не змінюючи загального типу його руху, тому їх називають збурюючими силами. В подальшому візьмемо до уваги тільки геогравітаційні сили: F FЕ=Fц+ Fзб. Всі вони мають потенціальні функції. Потенціал сили FE (геопотенціал) представимо у вигляді суми потенціала центральної сили Fц і потенціала суми Fзб: UЕ =Uц + Uзб = fME mка/r +mкаRE (f – універсальна гравітаційна стала, ME – маса Землі, mка – маса КА, r – відстань між центрами мас планети і ШСЗ), або

1	U E		RE ,	(1)
mка		r

де гравітаційний параметр планети =f ME, а RE називають збурюючою функцією геопотенціала, пертурбаційною функцією, або збурюючим геопотенціалом (тобто RE -- потенціальна функція суми збурюючих сил, що припадає на одиницю маси супутника). Її застосовують для знаходження збурених елементів орбіт ШСЗ. Найчастіше представляють збурюючий геопотенціал в кожній точці навколоземного простору (наприклад, т. σ на рис. 1) зі сферичними геоцентричними координатами r, , наступним рядом сферичних функцій (в геоцентричній СК):

		a	E	n	n
RE					Cnm cos m Snm sinm Pnm sin ,	(2)
	r
		r			m 0
		n 2

де безрозмірні коефіцієнти Cnm, Snm є параметрами зовнішнього гравітаційного поля Землі, а функції широти Pnm(sin ) - відомими сферичними функціями Лежандра степеня n і порядку m. Функції Лежандра Pnm(sin ) при m=0 називаються поліномами Лежандра: Pn0 (sin ) = Pn(sin ). Вони ділять сферу (в даному випадку сферичну модель поверхні планети) паралелями на n+1 широтних зон. При m 0 Pnm(sin ) називаються приєднаними функціями Лежандра. Ці функції ділять сферу при m=n на меридіанні сектори, а при m n відповідними паралелями і меридіанами на криволінійні трапеції. На границях всіх зон, секторів і трапецій Pnm(sin )= 0. При переході через границі вони змінюють знак на протилежний. Фізичний зміст ряду (2) полягає в тому, що реальний збурюючий потенціал планети послідовно апроксимується потенціалом, що створюється сукупністю додаткових (до тіла Землі як однорідної кулі) мас, розподілених по цих зонах, секторах і трапеціях. Члени ряду з m=0 називаються зональними гармоніками. Їх сукупність характеризує відмінність потенціалу сфероїдальної моделі Землі від потенціалу Землі як кулі з однорідним розподілом мас, тобто асиметрію фігури планети відносно площини її екватора. Члени з m 0 називаються довготними. Вони характеризують відмінність потенціалу реальної фігури Землі від потенціалу ії сфероїдальної моделі і поділяються на секторіальні, якщо m=n, та тесеральні або клітинні, при m n, гармоніки. Зональні коефіцієнти Cn0 можуть замінюватися на Jn: Jn Cn0.

Поліноми Лежандра Pn(sin ) нульвого, першого і другого степеня приймають наступні значення:

P0(sin )=1,

P1(sin )=sin ,

P2(sin )=1.5 sin2 - 0.5.

Поліноми Лежандра вищих степенів можна обчислювати за рекурентною формулою:

sin 2n 1 sin P sin

sin .

(3)

n 1

n 1 n 1

z, z g

z’g

· s

r’

zg’

d’

yg’

x’g

Pg'

· s’

y’g

x S

z= z g

· ~

Рис.1.

Геоцентричні і топоцентричні координати ШСЗ σ.

Точка О– центр мас Землі і центр загальноземного еліпсоїда, γ˜-- точка весняного

рівнодення,

g – початкова точка для відліку геодезичних довгот, Р – пункт на

поверхні еліпсоїда.

Геоцентричні сферичні координати ШСЗ: r,

= δ,

=γ.

Приєднані функції Лежандра Pnm( )

отримують з виразу:

Pnm 1 sin2

m 2

d m Pn0 sin

(4)

d sin m

Для обчислення похідних можна застосувати рекурентну формулу

d Pnm m tg Pnm Pn,m 1 , d

де =1, якщо m n 1,=0, якщо m n .

Приєднані функції Лежандра також обчислюють за рекурентною формулою:

P	2n 1	sin P	n m	P	.

n 1,m	n m 1	nm	n m 1 n 1,m

(5)

(6)

Коефіцієнти Jn,Cnm і Snm характеризують певні особливості гравітаційного поля планети, що викликають збурення в русі ШСЗ, тобто поступові зміни елементів їх орбіт. Наприклад, зональні коефіцієнти Jn з n парним характеризують полярне стиснення Землі, з n непарним – асиметрію її фігури відносно площини екватора (грушевидність Землі). Коефіцієнти довготних гармонік C21,S21 зв’язані з координатами полюса Землі xp,yp, S22 –з екваторіальним стисненням

планети. Кожна сферична функція степеня n має 2n+1 коефіцієнт. Визначення та уточнення цих параметрів з аналізу збурень елементів орбіт КА на тривалих інтервалах часу є однією з основних задач космічної геодезії – визначення параметрів зовнішнього гравітаційного поля Землі. На сучасному етапі вже надійно визначено і використовується в розрахунках ефемерид супутників глобальних навігаційних систем всі параметри Cnm і Snm до n=360 і m=360. Величини коефіцієнтів Cnm і Snm суттєво зменшуються із збільшенням степеня n (див., наприклад, наведені вище параметри J2,…J6). При цьому коефіцієнти при сферичних функціях Pnm(sin ) швидко зростають до багатозначних чисел (див. форм. (3 і 6)), тому для обчислень користуються нормованими значеннями коефіцієнтів Cnm , S nm та функцій Лежандра Pnm ,

наприклад,

Cnm

;

Snm

nm Snm

де

2 d0m

n m !

2n 1

n m !

		nm sin nm Pnm sin ,
	P		(7)

іd0 0, при m 0 . m 1, при m 0

Найбільшим збурюючим рух ШСЗ потенціальним фактором є полярне стиснення Землі, яке функціонально пов’язано із зональними коефіцієнтами парних степенів, і головним чином з найбільшим з них, із зональним коефіцієнтом J2 другої сферичної функції в розкладі (2):

	1			2 a3			3			3	2 a3
E		3J	2	E E 1	E	1		J	2		E E 1	E	.	(8)
		3J		E E 1		1		J			E E 1		.	(8)
	2						4			8
	2						4			8

Воно викликає, в першому наближенні, тільки вікові збурення в кутових орбіти:

t t

cos i n

J 2

5cos

1 n t te ;

3cos

2 i 1

p a 1 e

-- фокальний параметр

де

орбіти,

-- середній рух, t

елементах

(9)

(10)

(11)

-- біжучий

момент часу, а M0 -- середня аномалія на деякий прийнятий за початковий момент часу t0, зв’язана з наступною формулою:

~	t0	.	(12)
M0 n

2. Обчислення траси ШСЗ. Трасою ШСЗ називається множина точок земної поверхні, над якими він проходить в зеніті (з врахуванням добового обертання планети), тобто траса -- це проєкція траєкторії руху ШСЗ на поверхню Землі, що обертається навколо своєї осі. Землю розглядатимемо як кулю (рис. 2-4). Кожна j-та точка траси (j=1,2,...,20) характеризується географічними координатами j , j та відповідним моментом часу tj (UT):

			7
	j arcsin sinu j				sini ,		(13)
	j SN			j s j ,			(14)
	j arctg tgu j cosi .
			pN
							K O
					K
	SN			u
g	SN		N	u	i	k
			N			k
		g	N
		g

				N o

Рис. 2. Орбіта ШСЗ і її слід на земному еліпсоїді

	)g k =			K
	)g N =
			u=w+v
			u=w+v
g	SN	N N	i	•
g	g			k
	g			k

екватор

Рис. 3. Фрагмент поверхні земного еліпсоїда (рис. 2), зв’язок елементів орбіти ШСЗ з географічними координатами його миттєвого положення

N’

a E

C O

s’

s”

p	r

допоміжне коло ел. орбіта

Рис. 4. Орбітальні полярні координати ШСЗ.

8
В формулах (13), (14) SN – грінвицький зоряний час в момент tN		проходження КА через
висхідний вузол N орбіти, s j - інтервал зоряного часу від момента tN		до біжучого момента tj :
h	~	(15)
s j t j tN	,	(15)

uj v j -- аргумент широти КА на момент tj (vj – його істинна аномалія на цей момент).

3.Розрахунок зони видимості. Для огляду з ШСЗ σ, в момент проходження його через зеніт пункта P (рис. 5) на висоті Hка, є доступною частина земної поверхні, що обмежена дотичними σА і σА’. Назвемо її миттєвою зоною огляду. На сферичній поверхні Землі вона обмежена колом з центром в пункті P і радіусом

;

max arccos R

(16)

max

ка

ог

де RE = 6371 км --середній радіус Землі. В лінійній мірі це відповідає (ρº=57,3)

max / 111.19 max [км].

(17)

ог

hmin

s’

вих ·

вх

·s’

горизонт пункта D

· D

90°-( + hmin)

max

орбіта

A’

D ·

пов

емна

90°+ h

min

O·

Рис. 5. Визначення зони видимості ШСЗ

В цей момент сигнали з σ доступні наземним спостерігачам, розташованим тільки в зоні огляду. При цьому для спостерігача в пункті P кутова висота КА h=90o. В інших пунктах h зменшується з віддаленням від P до 0о в пункті A. Тобто ШСЗ буде знаходитися в горизонті пункта А. Відомо, що через значний негативний вплив атмосферної рефракції поблизу горизонта спостереження, звичайно, виконують на висотах h>hmin. В залежності від розв’язуваних завдань приймають hmin= 15o, 10 o, 5o. Так в пункті P супутник σ може спостерігатися після того, як він піднімиться над горизонтом на висоту hвх=hmin і прийде в точку σвх , що приймається за точку входу КА в зону видимості, і до σвих – точки виходу з цієї зони, яка так само лежить на висоті hвх . Множина точок зони огляду, або земної поверхні

навколо пункту P, для яких КА знаходиться в цей момент на висотах h>hmin , утворює миттєву

зону видимості ШСЗ. Її радіус

Rз.в. PD . З рис. 5 випливає:

RE H ка

sin 90 hmin

RE cos hmin

звідки

arccos

(18)

cos hmin

RE H ка

min

або

Rз.в.=111,19·βº [км].

(19)

Тривалість проходження КА через зону видимості

tз.в. = tвих – tвх .

(20)

Максимальне значення цей інтервал приймає для пункта P, над яким він проходить в зеніті:

~	T / .	(21)
tз.в.max 2 / n

Якщо на карту, або графік нанести зону видимості деякого пункту і кілька послідовних витків траси певного ШСЗ, можна графічним шляхом встановити періоди можливих його спостережень радіотехнічними методами. У випадку оптичних спостережень потрібно додатково оцінювати умови освітленості пункту і супутника сонячними променями.

4.Обчислення ефемериди. Ефемеридою ШСЗ називається таблиця його топоцентричних координат (та інших параметрів) на певні моменти часу, які потрібні для спрямування на нього спостережувального приладу. Ефемериди можуть розраховуватися з точністю ~ 0,1’ та 0,5 км. Вихідними даними служать координати пункта спостереження і елементи орбіти КА. Встановивши за допомогою траси можливий період спостережень, вибирають крок розрахунку ефемеридних даних, або безпосередньо моменти майбутніх спостережень. На кожний момент визначають збурені елементи орбіти, за якими обчислюють геоцентричні координати ШСЗ в інерціальній СК. В подальшому послідовно переходять до декартових геоцентричних в земній СК, декартових топоцентричних координат в земній СК, до топоцентричних сферичних (полярних) екваторіальних координат і, якщо потрібно, до горизонтних координат.

5.Обчислення попередньої орбіти за результатами вимірів. Вихідними даними для обчислення параметрів орбіти є: координати пункту спостережень в геоцентричній земній

системі координат, спостережені величини i, di,	r і	- топоцентричні екваторіальні
координати.

Послідовність виконання завдання

1. Збурюючий геопотенціал, обчислення збурених елементів орбіт.

1.1.Розписати ряд (2) до n = 6, включно.

1.2.Виділити окремо зональну і довготну частини збурюючого геопотенціала, і записати їх в скороченому вигляді.

1.3.За формулою (3) знайти вирази для сферичних поліномів P3,…,P6.

1.4.Обчислити окремо зональні сферичні функції геопотенціала для n = 2,…,6 в точці орбіти ШСЗ з координатами φ = B, λ = L, r = a.

1.5.За формулами (9-11) обчислити збурення в елементах орбіти, викликані полярним стисненням Землі, за період від t0 = te до t = tсп.

1.6.Обчислити збурені елементи орбіти ШСЗ на епоху tсп:

	d;	i i ;		d;	a a	;	e e ;		1	dM		.	(22)
0			0					0	~		0
		0			0		0
									n

2. Розрахунок траси і побудова її розгортки.								~
2.1. Обчислити середній рух	~				3 1/2
	n	=(μ/a ) , період обертання супутника T 2 / n , крок
розрахунку траси в середньому m		1		T	і в зоряному часі	~	( h )	, зміщення
						s m ( m )
			20

вузла за виток в E T .

2.2.

Обчислити

проєкцію

висхідного

вузла

(рис.6)

для

першого

вітка

орбіти

( tN , N 0, N )

[рад.];

1 e

e sinE

[рад.];

2arctg

;

1 e

;

S N S0

( h )

;

N SN .

~ M N

tN tN

(Наближено S0=6h41m50,55s+8640184,81s·T’+0,093s·T’2, де T’=(JDсп -2451545)/36525 інтервал

часу в юліанських сторіччях від 0hUT 1.01.2000 р.)

2.3. Обчислити з кроком Δm j-ті точки траси (j=1,…,5,10,15,20).

зона видимості

з пункта P

3-ий

2-ий

1-ий

виток

Рис.6. Розгортка траси ШСЗ, орбіта якого має i<90˚ і T<12h.

t j tN j m ;

M j M N n t j tN M N n j m ,

E j M j

e sin E j

(ітерації до

E≤2");

1 e

E j

;

2 arctg

;

1 e

s j

j s ;

j arctg( tg u j

cos i ),

причому 0 2 ; і далі за формулами (13-14), причому i i ; 0 2 .

2.4. Побудувати розгортку траси в довільному масштабі.

3. Визначення періодів видимості КА і вибір сприятливих моментів для його

радіотехнічних спостережень

3.1.Обчислити радіус зони видимості неба Rз.в.і нанести її в масштабі на розгортку траси.

3.2.Продовжити трасу шляхом екстрополяції сусідніх витків, що накладатимуться на

зону видимості. Виписати три послідовні періоди видимості КА, порівняти з tз.в.. Вибрати сприятливі для спостережень КА три моменти з кроком 5 хв: t1, t2, t3.

4. Обчислення ефемериди

4.1. Обчислити збурені елементи орбіти на моменти t1, t2, t3 (пункти 1.5, 1.6), а також

~	a	3	12	і	p a 1 e	2	.
n

1 / 21 2 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете Супутникова геодезія

#
28.06.2022492.8 Кб5ЛЕКЦІЯ_Модель незбуреного руху ШСЗ.pdf
#
28.06.2022642.91 Кб6Лекція_Системи координат.pdf
#
28.06.2022823.32 Кб5Методичні вказівки Прогнозування спостережень ШСЗ.pdf
#
28.06.2022478.84 Кб5Методичні рекомендації. Визначення параметрів трансформації двовимірних координат пунктів.pdf
#
28.06.2022814 Кб5Методичні рекомендації. Обчислення ефемериди незбуреного руху ШСЗ.pdf
#
28.06.2022823.32 Кб5Методичні рекомендації. Прогнозування спостережень ШСЗ.pdf
#
28.06.2022871.53 Кб5Методичні рекомендації. Форма орбіти та рух ШСЗ за законами Кеплера.pdf
#
28.06.20222.25 Mб9Питання на екзамен.pdf
#
28.06.2022448.42 Кб4Системи координат і шкали часу.pdf
#
28.06.20222.4 Mб13Сферична астрономія.pdf
#
28.06.202213.73 Mб7Усе.pdf