ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОРБИТЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ ПО СДЕЛАННЫМ С НЕЁ СНИМКАМ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ. DETERMINATION OF THE INTERNATIONAL SPACE STATION ORBIT USING EARTH SURFACE PHOTOS TAKEN FROM THE STATION

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОРБИТЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ ПО СДЕЛАННЫМ С НЕЁ СНИМКАМ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ. DETERMINATION OF THE INTERNATIONAL SPACE STATION ORBIT USING EARTH SURFACE PHOTOS TAKEN FROM THE STATION

© М.Ю.Беляев, П.А.Боровихин, Д.Ю.Караваев, В.В.Сазонов
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Проблемы ракетной и космической техники"
2019 г.

Аннотация: Определены элементы орбиты по результатам обработки тридцати выбранных снимков земной поверхности, сделанных с борта МКС, за интервал времени продолжительностью 8 часов. Была выполнена коррекция временной привязки снимков, что позволило снизить среднеквадратичную ошибку определения координат МКС. Аналогичная методика может быть применена в лунных программах для автономной навигации по снимкам поверхности Луны.

Ключевые слова: определение орбиты, точность определения параметров орбиты, автономная навигация, фотографии Земли из космоса, Международная космическая станция, лунная программа.

Abstract: Orbital elements of the ISS were determined as a result of processing Earth surface photos. 30 photos taken from the ISS within an 8-hour time interval were selected. Timing correction for the photos allowed us to improve the standard error of the estimate for ISS coordinates. Similar techniques are applicable for autonomous navigation using Moon surface photos during lunar programs.

Keywords: orbit determination, accuracy of determining orbital elements, autonomous navigation, photos of Earth from space, International Space Station, lunar program.

Для решения различных задач в ходе полёта космического аппарата необходимы достаточно точные данные о его движении. Для их определения могут быть использованы, наряду с другими средствами, алгоритмы автономного определения положения точки съёмки по фотографиям поверхности планеты. Основанные на этом принципе методы определения орбиты имеют особое значение для экспедиций к Луне, при выполнении которых возможности спутниковой навигации отсутствуют либо ограничены.

Специальное программно-математическое обеспечение позволяет космонавту (или автоматической системе) оперативно осуществить привязку снимков поверхности планеты, то есть сопоставить точки (пиксели) на этих снимках с соответствующими планетографическими координатами. По результатам этой привязки можно оценить координаты космического аппарата в моменты выполнения съёмок, используя геометрические алгоритмы, в частности, описанные в [1]. Располагая достаточным числом определённых таким образом точек съёмки с привязкой их ко времени, можно найти элементы орбиты космического аппарата, применяя статистические методы.

С целью отработки предлагаемых методов проведена автоматическая съёмка земной поверхности с борта МКС. На Земле были отобраны 30 снимков, сделанных на интервале времени продолжительностью 8 часов, выполнена их географическая привязка и определены координаты соответствующих точек съёмки. Определяемая ими орбита сопоставлялась с «эталонной» орбитой МКС, полученной решением достаточно точных уравнений движения.

Для уменьшения среднеквадратичного отклонения определённых по снимкам положений МКС от эталонных потребовалось учесть ошибку привязки фотографий по времени. Поправка dt уточнялась посредством минимизации функции отклонений координат и скоростей Ф(dt) на достаточно мелкой сетке по dt. Подобным образом могут быть включены в уравнения в качестве неизвестных параметров и другие величины, требующие уточнения [2], например, неточности изготовления и установки объектива фотоаппаратуры, несовпадение его характеристик с номинальными и др.

Таким образом, по координатам 30 точек съёмки, рассчитанным по снимкам земной поверхности, удалось решить задачу автономной навигации и определить орбиту МКС. Предложенная методика может использоваться как резервная для околоземных полётов и представляется перспективной для более дальних экспедиций, в первую очередь для лунной программы[1], причём вследствие отсутствия на Луне облачности и сезонных изменений упрощается процесс селенографической привязки снимков её поверхности, а благодаря отсутствию атмосферы не требуется учёт рефракции и аэродинамического торможения.

Литература

1. Микрин Е.А., Беляев М.Ю., Боровихин П.А., Караваев Д.Ю. Определение орбиты по выполняемым космонавтами снимкам поверхности Земли и Луны // Космическая техника и технологии. 2018. № 4(23), С. 88–99.

2. Беляев М.Ю., Рулев Д.Н., Чернопятов А.Н., Сазонов В.В., Феккерспергер С., Пеффген В. Определение движения орбитальной станции «Мир» по данным измерений GPS // Космические исследования. 1999. Том 37. № 3. С. 276-282.