ПРОГРАММНОЕ ПРИЛОЖЕНИЕ
ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
КОСМИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Аннотация
Представлено
программное приложение для визуализации положений искусственных спутников Земли
и вычисления данных для планирования и обработки космических экспериментов.
Программное приложение работает для большинства классов орбит космических
объектов и на основе начальных данных, известных в различных форматах. Исходные модули написаны на
алгоритмическом языке Delphi. Загрузочный модуль работает под
управлением операционной системы Windows.
|
4.
СТРОКА МЕНЮ |
|
11. ВЫВОДЫ |
Для запуска
программного приложения (программы визуализации) необходимо вызвать модуль AstroPuz.Exe
.
На экране раскрывается
демонстрационная картинка звёздного неба размером 
, видимая наблюдателем в заданном пункте в данный момент
времени.
На картинке
изображены яркие звёзды и, возможно, попавшие в эту область небесные объекты:
планеты, Луна, Солнце, искусственные спутники. Информация об объектах
появляется в результате перемещения курсора по картинке и фиксировании его на
изображениях.
Пункт
наблюдений, дата и всемирное время указаны слева на верхней синей полоске. По
умолчанию пункт наблюдений – Звенигородская научная база ИНАСАН.
Топоцентрические горизонтальные координаты точки небесной сферы, которой
соответствует текущее положение курсора, содержатся в левой половине нижней
синей полоски. Для выхода из программы можно нажать одну из клавиш Alt-X , X или щёлкнуть мышью на правой верхней кнопке X. Нажатие клавиши Esc
или щелчок на кнопке Q (слева от
кнопки X) возвращает на экран
исходную картинку.
Изображения
звёзд соответствуют фундаментальному каталогу звёздных положений ФК5,
содержащему сведения о 1535 объектах. Этот набор дополнен яркими звёздами из
каталога Хиппаркос, со звёздной величиной менее 7.5m.
Текущий размер
поля зрения высвечивается как подсказка при наведении курсора на пункт <поле> в нижней синей полоске. Диалоговое оконце для изменения
размера поля зрения появляется после щелчка левой кнопкой мыши на пункте <поле>.
Перемещение
центра картинки в новую точку небесной сферы происходит при щелчке на левой
кнопке мыши.
Для перехода в
другой пункт наблюдений служит кнопка P.
Небесные тела
и космические объекты, находящиеся в данный момент над горизонтом пункта
наблюдений, могут стать центром новой картинки на экране следующим образом:
нажатием клавиши C или щелчком на
кнопке C и выбором объекта из
раскрывающегося списка.
В диалоговом окне
<выбор объекта наблюдений> небесные тела могут быть
упорядочены различными способами: по алфавиту, по величинам орбитальных
элементов, по расстоянию от пункта наблюдений и углу высоты относительно линии
горизонта. При наличии флажка <видимость> первыми в списке идут
объекты, видимые в данный момент с выбранного пункта наблюдений.
Если
остановить указатель мышки в той части верхней синей полоски, где указана дата,
и произвести щелчок левой кнопкой, то появится диалоговое окно для выбора
другого момента моделирования. Клавиши + и – и соответствующие кнопки, расположенные в
верхней синей полоске, служат для перемещения на один шаг вперёд или назад по
времени. Начальный шаг равен одному часу. Выбрать другое значение шага можно
при помощи клавиши или кнопки S в
раскрывающемся диалоговом окне.
Клавиша и
управляющая кнопка E , расположенная в верхней
синей полоске, позволяют выбрать другой набор данных с элементами орбит
искусственных спутников Земли.
Нажатие
функциональной клавиши F1 или клавиши H или щелчок на кнопке H, расположенной в верхней синей полоске, открывают окно с
подсказками.
Вернуться:
к «Оглавлению», на страницу «Приложения…»
После запуска
программного приложения на экране появляется картинка звёздного неба, видимая в
заданный момент времени наблюдателем, находящимся в конкретном месте на
поверхности Земли. Правый угол нижней синей полоски содержит надпись <горизонт>. Щелчок левой кнопкой мыши в районе этой надписи
приведёт к появлению другой диаграммы, с условным названием <глобус и спутники>.
На экране
появляются схематические изображения континентов, океанов, искусственных
спутников Земли, Луны и Солнца. Левый угол нижней синей полоски содержит
информацию о географических координатах места на карте, на которое наведён
курсор.
Яркая кривая
фиолетового цвета является границей дня и ночи. В правом углу нижней синей
полоски появляется информация о времени суток того места на Земле, на которое
наведён курсор (день, ночь или сумерки).
Спутник,
попавший в тень Земли, изображен черным кружком. У спутников, освещённых
Солнцем, внутри чёрного кружка наляпано жёлтое пятно.
Общее число
спутников не превышает восьми. Из общего списка объектов они выбраны случайным
образом.
Одно из
действий – нажатие клавиши V или щелчок левой кнопки мыши в правом углу верхней
синей полоски – вызывают появление диалогового окна <пункт
и объекты>.
Отключение
флажка справа от названия спутника приведёт к исчезновению изображения этого
объекта на фоне карты земного шара. Щелчком левой кнопкой мыши в районе
названия спутника вызывается диалоговое окно для выбора другого объекта.
Щелчком левой
кнопкой мыши в любом месте среди континентов и океанов можно зафиксировать
пункт наблюдений.
После щелчка в
районе надписи <пункт> (синяя нижняя полоска)
появляется окно с информацией о видимости объектов с данного пункта в данный
момент времени.
Чтобы отменить
фиксацию пункта, достаточно щелкнуть мышью в том месте экрана, которое не
содержит изображений континентов и океанов.
Вернуться:
к «Оглавлению», на страницу «Приложения…»
Нажатием
клавиши L можно перейти к диаграмме
другого вида: взгляд на звёзды, планеты, другие спутники и поверхность Земли с
борта выбранного космического аппарата. Если конкретный спутник не
зафиксирован, то вначале он должен быть назначен с помощью диалогового окна <выбор спутника>. После нажатия большой кнопки <выбрать>, на экране появится изображение звёздного неба и
схематическое изображение поверхности Земли с параллелями и меридианами. Что-то
подобное именно такой картинке видно в данный момент со спутника.
В этой
диаграмме используется орбитальная система координат.
Орбитальная
система привязана к спутнику. Ось OZ направлена из центра Земли по
радиус-вектору. Ось OX направлена по трансверсали, то есть в плоскости орбиты
по направлению движения перпендикулярно оси OZ.
Центр
начальной картинки направлен в точку лимба Земли со значением азимута, равным
нулю.
Реакция
программы на нажатие клавиш и кнопок такая же, как и в случае исходной
картинки.
Вернуться:
к «Оглавлению», на страницу «Приложения…»
Каждая
картинка содержит строку главного меню. В каждой строке есть пункт <диаграмма>.
С помощью
пункта <диаграмма> строки главного меню
можно перейти от текущей картинки к другим диаграммам. От картинки <пункт и спутники>, например, к картинкам с условными
названиями <глобус и
спутники> и <взгляд со
спутника>.
С помощью
дополнительного меню пункта <звёздная
величина> можно ограничить число звёзд на экране.
Содержимое
экрана можно сохранить в графическом виде в формате “BitMap” (пункт <сохранить Ctrl+S>).
Вернуться:
к «Оглавлению», на страницу «Приложения…»
Строка
главного меню содержит пункт <эфемериды>.
После выбора
первой строки дополнительного меню <пункт и спутник> появляется диалоговое
окно <эфемериды: начальные условия>.
Место
расположения наблюдателя и наблюдаемый спутник можно выбрать другими с помощью
кнопки <изменить>. Моменты начала и
окончания вывода целеуказаний также могут быть изменены. Результаты вычислений
появляются в диалоговом окне <прогноз положений
ИСЗ> в
текстовом виде и в виде иллюстрации.
Соответствующая
кнопка помогает сохранить результаты.
На иллюстрации
по оси абсцисс отложено время в днях, по оси ординат – угол высоты в градусах.
Голубые полосы означают светлое время суток, чёрные полосы означают ночь. Точки
на рисунке поставлены в момент времени, близком к моменту кульминации спутника,
и в том месте диаграммы, которое соответствует максимальному углу подъёма
спутника над горизонтом в данном прохождении. Если космический аппарат освещён
Солнцем, то точка жёлтого цвета. Точка на рисунке становится красной для
объектов, вошедших в тень Земли.
В диалоговом
окне <начальные условия> может быть включена
кнопка <видимость>. Форматы выдачи
целеуказаний, и текстовый, и графический, приобретают другой вид.
В текстовом
формате сообщаются продолжительность прохождения космического аппарата в поле
зрения наблюдателя, моменты восхода и захода на заданном альмукантарате, момент
кульминации, геодезический азимут и угол высоты на эти моменты времени.
В графическом
формате по оси абсцисс отложено время в днях, а по оси ординат – время в часах
внутри каждых суток. Голубая и чёрная части диаграммы отвечают дню и ночи,
синяя полоска – время сумерек. Точки на рисунке соответствуют моментам
кульминации. Для угла высоты, достигаемого в момент кульминации и превышающего
30°, точки имеют максимальный размер.
Соответствующая
кнопка помогает сохранить результаты вычислений.
Вернуться:
к «Оглавлению», на страницу «Приложения…»
6. ЭФЕМЕРИДЫ: ПУНКТ И СПУТНИКИ
Диаграмма с
условным названием <глобус и
спутники> также содержит пункт <эфемериды>.
Выбор первой
строки <пункт и спутники> в дополнительном меню
вызывает процедуру вычисления условий видимости для группы спутников. Места
расположения наблюдателей можно назначить непосредственно на картинке с
изображениями континентов и океанов. Спутники могут быть выбраны из имеющихся
наборов данных с помощью второй строки дополнительного меню <выбор спутников>. Результат вычислений в графическом виде
появляется в левой стороне экрана в дополнительном окне.
Вернуться:
к «Оглавлению», на страницу «Приложения…»
7. ЭФЕМЕРИДЫ: ВЕКТОР СОСТОЯНИЯ
Щелчок на
пункте <вектор состояния> пункта <эфемериды> строки главного меню приводит к выдаче на экран
параметров вектора состояния космического аппарата на момент пересечения восходящего
узла орбиты.
Формат
вычисляемых параметров движения зависит от включения одной из трёх кнопок,
расположенных слева в светлом прямоугольнике.
Соответствующая
кнопка помогает сохранить результаты вычислений.
Вернуться:
к «Оглавлению», на страницу «Приложения…»
8. ЭФЕМЕРИДЫ: СПУТНИК И ОБЪЕКТ
Щелчок на
пункте <спутник и объект> меню, дополнительного к
пункту <эфемериды> строки главного меню,
приводит к выдаче на экран в текстовом и графическом формате условий наблюдений
выбранного небесного тела с борта космического аппарата.
По оси абсцисс
отложено время в сутках. По оси ординат отложена географическая широта. Узким
полоскам соответствует географическая широта спутника (пункта наблюдений) в
момент восхода из-за края Земли или захода за край Земли объекта наблюдений.
Широким полоскам соответствует географическая широта «прицельной» точки, то
есть точки пересечения линии, соединяющей спутник и небесное тело, и
перпендикуляра, опущенного из центра Земли на эту линию. Красные и жёлтые
кривые – моменты захода и восхода.
Вернуться:
к «Оглавлению», на страницу «Приложения…»
На диаграмме с
условным названием <взгляд со
спутника> пункта <эфемериды> строки главного меню есть
пункт <спутник и лимб>. После щелчка на этой
строке выполняются вычисления на 25 шагов вперёд, начиная с текущего момента
времени.
Космический
аппарат следит за малой областью неба вокруг точки лимба Земли, имеющей нулевой
азимут в орбитальной системе координат. На каждом шаге определяются
географические широта, долгота и высота спутника, орбитальные координаты
Солнца, угол рассеяния, орбитальные и географические координаты «прицельных» точек
для звёзд, планет и спутников.
Вернуться:
к «Оглавлению», на страницу «Приложения…»
10. НАЧАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ДВИЖЕНИЯ
Служба NORAD оперативно
сообщает начальные параметры движения в форме средних кеплеровских элементов
орбиты, заданных в системе экватора даты. Вместо драконического периода
обращения формата КОСМОС в формате NORAD используется среднее движение.
Приводится также эмпирический параметр, равный половине изменения среднего
движения за сутки полёта.
Начальные
параметры движения искусственных спутников Земли в виде средних кеплеровских
элементов орбиты на заданную дату можно найти в Интернете по адресу
http://celestrak.com/NORAD/elements/.
Эти данные ежедневно
публикует радиотехническая служба слежения за спутниками США. Формат параметров
называют двустрочными орбитальными элементами NORAD. Данные для каждого
спутника содержат три строки:
AAAAAAAAAAA
1 NNNNNU NNNNNAAA NNNNN.NNNNNNNN
+.NNNNNNNN +NNNNN-N +NNNNN-N N NNNNN
2 NNNNN NNN.NNNN NNN.NNNN NNNNNNN
NNN.NNNN NNN.NNNN NN.NNNNNNNNNNNNNN
В строке 0 записано имя
объекта из одиннадцати символов.
Строка 1
Колонка Описание
01-01
номер линии,
03-07
номер спутника,
10-11
международный указатель (последние две цифры года запуска),
12-14
международный указатель (порядковый номер запуска),
15-17
международный указатель (часть запущенного изделия),
19-20
эпоха элементов (последние две цифры года),
21-32
эпоха элементов (день с дробной частью от начала года),
34-43
первая производная от среднего движения,
45-52
вторая производная от среднего движения,
54-61
эффективный коэффициент отражения,
63-63
тип эфемериды,
65-68
номер элементов,
69-69
контрольная сумма.
Строка 2
Колонка Описание
01-01
номер линии,
03-07
номер спутника,
09-16
угол наклонения (градусы),
18-25
прямое восхождение восходящего узла (градусы),
27-33
эксцентриситет (впереди числа ставить десятичную точку),
35-42
аргумент перигея (градусы),
44-51
средняя аномалия (градусы),
53-63
среднее движение (обороты за сутки),
64-68
количество витков на эпоху,
69-69
контрольная сумма.
Пример:
LAGEOS
1 08820U 76039A 99305.13363095 .00000017
00000-0 -14899-1 0 5491
2 08820 109.8476 88.0433 0044671 225.0214 134.6681 6.38664538292505
В трёх строках формата
NORAD даны средние кеплеровские элементы 29250-го витка спутника Лагеос на
305.13363095 день с начала 1999 года. Угол наклонения равен 109.8476 градусов,
долгота восходящего узла равна 88.0433 градуса, эксцентриситет орбиты равен
0.0044671, аргумент перигея и средняя аномалия в градусах равны 225.0214 и
134.6681, среднее движение составляет 6.38664538 оборотов за сутки.
Вернуться:
к «Оглавлению», на страницу «Приложения…»
Разработан
комплекс алгоритмов и программное приложение для информационного обеспечения
космических экспериментов, проводимых с помощью искусственных спутников Земли. Алгоритмы реализованы
на алгоритмическом языке Delphi под управлением
операционной системы Windows.
Программное приложение
состоит из загрузочного модуля, исходных модулей – текстов программ, текстовых
файлов с дополнительной информацией и двоичных файлов с данными о координатах
звезд и планет.
Программное
приложение способно работать с начальными данными в формате NORAD и проводить
расчеты для большинства типов орбит космических объектов.
Для удобства
эксплуатации использованы стандартные диалоговые и графические средства Windows,
доступные при работе в среде Delphi. Пользователю
предоставлены следующие возможности:
1.
выбор пункта наблюдений на поверхности Земли,
2.
моделирование перемещения космических аппаратов, Солнца, Луны и
планет на фоне звёзд,
3.
выбор звёзд по трассе прохождения спутника над пунктом наблюдений для
калибровки измерительных приборов,
4.
вычисление целеуказаний, графическое представление результатов
краткосрочного и долговременного прогнозов видимости,
5.
моделирование событий восхода и захода Солнца, Луны, искусственных
спутников Земли, видимых с борта выбранного космического аппарата,
6.
вычисление установочных параметров для слежения за лимбом Земли с
борта космического аппарата,
7.
моделирование перемещения спутников на фоне карты земного шара,
8.
сравнение диаграмм видимости космических аппаратов с различных пунктов
наблюдений.
Вернуться:
к «Оглавлению», на страницу «Приложения…»
1. Абалакин В.К. Основы эфемеридной астрономии. М., Наука, 1979.
2. Аксёнов Е.П. Теория движения искусственных спутников Земли.
М., Наука, 1977.
3. Брауэр Д., Клеменс Дж. Методы небесной механики. М., Мир, 1964.
4. Идельсон Н.И. Фундаментальные постоянные астрономии и геодезии.
/Приложение к Астрономическому Ежегоднику СССР на 1942 год, М.,Л., изд.-во
Академии наук СССР, 1941.
5. Куимов К.В. Редукционные вычисления. /В сб.: Практикум по
астрометрии, изд.-во Московского университета, 1989, с.6-42.
6. Нестеров В.В. Стандарт основных вычислений астрономии. Основные
алгоритмы спутниковой геодинамики. М., ГАИШ МГУ, изд.-во ЯНУС-К, 2001.
Вернуться:
к «Оглавлению», на страницу «Приложения…»
