ПРОЕКТ СОЗДАНИЯ
МЕЖПЛАНЕТНОЙ СОЛНЕЧНОЙ СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОЙ ОБСЕРВАТОРИИ
КОНЦЕПЦИЯ И НАУЧНАЯ ПРОГРАММА

 

Введение

 

Идея организовывать стереоскопические солнечные наблюдения, нацеленные в основном на опережающее предсказание проявлений солнечной активности, была заявлена сравнительно давно. Научные предложения обрели форму специализированных космических проектов только к началу 1990-х годов вследствие прогресса в создании приборов для исследования, а также из-за возрастающей уверенности в том, что для исследования трехмерной структуры атмосферы Солнца неизбежно придется использовать наблюдения Солнца, выполняемые минимум с двух существенно различных направлений.

Применение метода стереоскопии имеет реальную перспективу в этих исследованиях. В астрономии стереоскопические (триангуляционные) наблюдения сыграли ключевую роль в установлении шкалы расстояний в Солнечной системе еще в XVII и XVIII веках при наблюдениях прохождения Венеры по диску Солнца, а затем в распространении этой шкалы во Вселенной уже в XIX веке при определении параллаксов звезд.

В 1993 году Григорьевым В.М. в работе [1] предложена и группой поддержки проекта в работах [2–8] развита в деталях идея создания Межпланетной Солнечной Стереоскопической Обсерватории (МССО) с расположением космических аппаратов в окрестностях Лагранжевых центров либрационных орбит L4, L5 системы «Солнце – барицентр Земля+Луна» (Рис.1). Целью стадии научного установления проекта является определение полного потенциала идеи занятия точек либрации для выполнения научных экспериментов. Отметим, что идеи создания радиоинтерферометрической базы с размером порядка 1 астрономической единицы высказаны, например, в работе [9] еще в 1973 году.

С 1999 года идея стереоскопических наблюдений Солнца стала обсуждаться в НАСА. К настоящему времени работы над проектом STEREO NASA прошли стадию интеграции. Подробности этого проекта читатель найдет на сайте http://www.nasa.gov.

Проект МССО отличается от проекта НАСА концепцией технических решений и программой исследований. Основная идея — создание долговременной устойчивой конфигурации созвездия космических аппаратов для получения однородных рядов наблюдений длительностью в гелиоцикл ~ 12 лет.

 

Выбор конфигурации МССО

Можно с уверенностью утверждать, что расположение в окрестностях тригональных центров либрации в системе «Солнце — барицентр Земля+Луна» аппаратуры для фундаментальных исследований по физике и астрономии с опорой на принцип стереоскопии, а также для размещения приборов космической связи и приборов, отслеживающих космические события, по меньшей мере, в Солнечной системе, произойдет с той же непреложностью в XXI веке, с которой произошло заселение геостационарной орбиты в веке XX. К такому заключению приводит размышление о подобии свойств пространства в окрестностях Лагранжевых либрационных центров свойствам пространства геостационарной орбиты.

 

Вывод аппаратов в окрестности либрационных центров представляет ту трудность, что в этих особых точках нет массивных тел с гравитационным полем. Посадка аппаратов на орбиты эксплуатации требует хорошего знания возмущенных орбит гелиоцентрического перехода и точного управления импульсами торможения-ускорения вблизи этих центров.

 

Космические аппараты МССО в окрестности тригональных Лагранжевых центров либрации L4 и L5 (Рис.1) вследствие устойчивости орбит либрационных движения, (устойчивость пока может быть доказываемой только интегрированием орбит, что и сделано, [7]), сохранят их взаимные расположения и ориентацию относительно Земли и Солнца в течение длительного времени, образуя три устойчивые стереоскопические пары — 2 стороны равностороннего треугольника L4TL5 длиной а (две вспомогательные базы) и его основание, равное a (основная база), где а — астрономическая единица. Треугольник при этом будет совершать квази твердотельное вращение вокруг Солнца S с годичным периодом.

 

 

Рис. 1. Конфигурация МССО (красный треугольник) и схема развертывания рабочих орбит в окрестностях устойчивых центров либрации Лагранжа L4, L5. Т3 – Земля: a) – схема орбит гелиоцентрического перехода; b) – последовательность стартов с Земли; c) d) –
– угловые размеры областей балансирования космических аппаратов в окрестностях Ларганжевых центров либрации, видимые с расстояния в одну астрономическую единицу.

 

Проектируемое матобеспечение на борту – интеллектуальный автомат:

 

Дальность от Земли до космических аппаратов МССО составляет 1 астр. ед. и проблема передачи данных требует решений, отличных от таковых в околоземных спутниковых системах. Предлагаемый подход сводится к идее «интеллектуального автомата». «Интеллект» борта представлен бортовым матобеспечением (МО) и электронно-цифровым оснащением, с помощью которого в автономном режиме возможно решать задачи регистрации изображений и задачи их первичной обработки, упаковки с целью преодолеть ограниченные возможности канала связи для пересылки материала наблюдений на Землю. МО включает:

1) пакет программ для вычислений эфемеридных положений Земли, Луны, больших планет и их спутников, малых планет, имеющих орбиты в системе теорий DE405/LE405 или их более поздних версий;

2) современный высокоточный звездный каталог, представляющий «звездную сферу» с плотностью не ниже 1200 звезд/кв. град., и матобеспечение для вычисления астрографических положений и яркостей звёздных объектов с яркостью, близкой к пределу проницания бортовой системы ПЗС-регистрации изображений;

3) пакет программ, вычисляющий положения космических аппаратов и решающий навигационные задачи проекта;

4) бортовой процессор с соответствующей операционной системой и системой хранения времени;

5) исполнительная электроника приемно-передающей бортовой радиостанции, интегрированная в единую систему управления угловым движением аппарата и управления программой исследований планируемого эксперимента в целом.

Составляющие 1) и 2) задают бортовую эфемериду и координатную систему проекта, близкую к системе ICRF настолько, насколько близок к ней бортовой каталог. Навигация космических аппаратов в дальнем космосе, как известно, возможна только относительно направлений на тела Солнечной системы, проектируемых на небесную сферу космического аппарата, задаваемую высокоточным с достаточной плотностью звезд каталогом. Применение ПЗС-регистрации для выполнения целевой программы требует использования современного каталога с плотностью не ниже, чем 1 звезда на 4 квадратные минуты.

Навигационные задачи

Для удачного вывода космических аппаратов на эксплуатируемые орбиты и для целей автономной навигации и метрологического обеспечения планируемых экспериментов в проекте предлагается применить звездный датчик (Рис.2) — специальный авто-коллимированный и взаимно-коллимированный двухтелескопный прибор, оснащенный ПЗС-регистрацией изображений требуемых площадок на небе.

Космический аппарат на орбите гелиоцентрического перехода, Рис.3, двигаясь с орбитальной скоростью, близкой к скорости V = 30 км/сек, и, находясь в окрестности точки 1, выполняет единичное наблюдение первой навигационной планеты Q – «створ 1–1», разумеется, строго фиксируя время наблюдения. По окончании первого наблюдения (примерно через пять минут) в точке 2 выполняется наблюдение створа с навигационной планетой P – «створ 2–2». Аналогично в точке 3 аппарат повторяет наблюдение створа с первой планетой Q – «створ 3–3». Первый и третий створы приводятся к моменту «створа 2–2». Это возможно сделать с требуемой точностью, если учесть криволинейность орбитального движения космического аппарата и планет.

После выполнения этого сеанса измерений, который, по нашим расчетам, будет длиться не более 15 минут, мы получаем в средний момент наблюдений tk «навигационный треугольник» KPQ, в котором становятся известными следующие величины:

а) имеющееся на борту программное обеспечение позволяет вычислить в барицентрической системе ICRF с началом в барицентре В радиус-векторы обеих навигационных планет P, Q, а именно:

                   ;                                                                          (1)

b) по данным векторов (1) вычисляется вектор-расстояние между планетами P и Q:

                   ;                                                                       (2)

c) при выполнении сеанса наблюдений каждого из створов отнаблюдены направления:

                                                                                        (3)

 

 

Рис.2. Решение задачи автономной навигации методом определения навигационных направлений с точностью на уровне сотых долей секунды дуги. Используется бортовой двухканальный звездный датчик, содержащий телескопы с зеркалами М1, М2 и согласующий элемент ВС в виде двустороннего плоскопараллельного зеркала. Планеты – яркие объекты, и получить в одном с ними кадре достаточное количество изображений звезд для решения задачи астрографической привязки невозможно. Поэтому направление вектора «Земля (планета) – КА» определяется из согласованной ПЗС-экспозиции различной длительности противоположных площадок неба, расположенных в створе навигационного направления.  Затем оцифрованное изображение, образованное из суммы изображений площадок А1 и А2, обрабатывается в бортовом процессоре по методу «постоянных пластинки» в системе бортовых каталога и эфемериды. На выходе получается направление вектора «планета – КА» с астрометрической точностью, которая реализуется в современных ПЗС-наблюдениях.  

 

Рис. 3. Принцип построения замкнутого навигационного треугольника.

 

С учетом данных, определяемых по формулам (1), (2), (3), очевидно, что наблюдатель, находящийся в точке К, Рис. 3, будет видеть планеты P и Q на небесной сфере в направлениях , а дуга большого круга на этой сфере, соединяющая концы указанных векторов, будет углом a. Аналогично для наблюдателя в центре планеты P направление на планету Q задано вектором (2), а положение космического аппарата будет в точке {aP – p, –dP}; дуга большого круга, их соединяющая, есть угол g. Для наблюдателя же в центре планеты Q планета Р видна в направлении {aPQ – p, –dPQ}, а положение космического аппарата будет {aQ – p, –dQ}; дуга большого круга, их соединяющая, есть угол b.

Углы a, b, g в плоском векторном треугольнике KPQ, таким образом, вычисляются по формулам сферической тригонометрии, (данным Альбатегнием еще на рубеже IX–X веков!), с контролем углов треугольника:

                                                            (4)

Теперь определение модулей векторов  и  производится по формулам тригонометрии:

                                                                                                                    (5)

Вектор положения аппарата теперь определяется по правилам сложения (или вычитания) векторов:

                                                                                                   (6)

Набор серий наблюдений позволяет получить орбиты перелета по классическому методу «улучшения орбит».

 

МССО

 

Концепция обсерватории и научной программы проекта отражены на схеме рисунка 4. Как сказано выше, основная концепция измерений — автономный режим наблюдений, полное программное обеспечение на борту, автономная навигация на всех этапах жизни МССО после стадии разгона, глубокая степень обработки материала наблюдений на борту, передача на Землю от 6 до 12 Гигабайт информации в сутки в течение 6 лет, запуск аппаратов второго поколения через 5-6 лет, чтобы перекрыть наблюдениями интервал гелиоцикла – 12 лет.

 

ПРОГРАММА НАБЛЮДЕНИЙ:

1°. Наблюдения и трехмерный мониторинг событий на Солнце и в его окрестностях

Это направление исследований является главным в программе МССО. Результатом длительных наблюдений в режиме стереоскопа должно стать новое знание о естественных энергетических механизмах Солнца, его структуре, предсказание геоэффективных последствий Солнечной активности, качественно новое понимание механизмов солнечно-земных связей и космической погоды, построение прогноза Солнечной активности в расчете на создание всемирной службы предупреждения о ее проявлениях. Наблюдения Солнца S выполняются синхронно тремя аппаратами из точек L4, L5, Т, (Рис. 4.), разнесенных в плоскости эклиптики на угловые расстояния в 60°, что позволяет одновременно видеть почти 5/6 полной поверхности Солнца. Наблюдения событий на Солнце с трех существенно различных направлений должны обрабатываться с применением методов томографии, с построением трехмерной пространственной картины явлений, с построением сечений по трем направлениям. Именно эта возможность обеспечивает новое качество и более высокое разрешение изображений во времени и в пространстве, обеспечивает принципиальную возможность детектировать неизвестные до настоящего времени процессы и факты активности Солнца.

 

 

Рис.4. Концепция программы наблюдений. ПN и ПS — полюсы эклиптики, ПSGCПN — «меридиан МССО» или плоскость, перпендикулярная вектору главной базы L4L5,
Е — плоскость небесного экватора,
W — узел плоскости Галактики на экваторе,
g — точка весеннего равноденствия.

2°. Наблюдения тел Солнечной системы

Объекты Солнечной системы s1, s2 (Рис.4) в режиме триангуляции наблюдаются в противоположной Солнцу S стороне симметрично большому кругу ПNGCПS, плоскость которого перпендикулярна линии главной базы L4L5 и которая выполняет функцию «меридиана» МССО. Измеряются углы при вершинах L4, L5 в плоском треугольнике L4L5s1 – как трехмерные направления на сфере. Особую часть этой программы представят наблюдения астероидов, сближающихся с Землей (АСЗ), Рис. 5. Таких небесных тел к настоящему времени известно более 500 [5], определены формы международного сотрудничества для их детектирования и изучения в рамках программы «Предотвращение Астероидной Опасности». На Рис. 5 пунктиром изображены орбиты двух типичных АСЗ семейства Aten. В зоне, близкой к Земле, наблюдения синхронные, – в режиме стереоскопа. В зонах секторов АВ и CD при необходимости наблюдения ведутся в режиме одиночного телескопа. Таким образом, даже с учетом угла избегания засветок от Солнца инструменты МССО могут быть использованы для контроля положений АСЗ во всем пространстве возможных их орбит. Моделирование общего случая задачи определения орбит из синхронных наблюдений МССО [6] позволяет сделать вывод о высокой степени эффективности метода прямой триангуляции для контроля движений тел Солнечной системы.

 

 

Рис. 5. Решение задачи контроля пространства орбит астероидов,
сближающихся с Землей.

3°. Астрографические наблюдения для определения тригонометрических параллаксов звезд

Стрелками p (Рис.4) отмечены параллельные направления инструментов при наблюдениях параллаксов звезд, X — направление Солнце – Земля. Потенциал МССО позволяет получить параллаксы звезд в объеме сферы радиусом 1 Кпс с использованием специализированного астрографа с апертурой порядка 50 см. Прямые тригонометрические определения расстояний до звезд, в основном слабых, предоставляют альтернативный классическому материал, не требующий использования сложных гипотез о характере движения наблюдателя и объекта наблюдения, поскольку каждое синхронное наблюдение площадки на небе, длящееся в течение ПЗС-экспозиции, позволяет определить «перспективу» базы в пространстве с определением параллаксов всех звезд в площадке. Потенциал развития этого метода содержится в применении интерференционной оптики на борту. В этом случае материал наблюдений параллаксов составит достойную и необходимую конкуренцию параллаксам, получаемым по таким могучим программам, как GAIA [10] и ОСИРИС [11]. Нет необходимости доказывать, что сопоставление конкурентного материала наблюдений, полученного с применением различных принципов, крайне полезно и плодотворно в науке.

4°. События микролинзирования

Наблюдения этих событий наиболее вероятны в направлениях на центр и антицентр Галактики, отмеченные на Рис. 3 их знаками созвездий, а также в направлении на Магеллановы Облака (БМО). Это – «экзотическая», но не менее интересная часть программы. Рис. 6 иллюстрирует идею. Теория явления имеет уже богатую историю. Наблюдения МССО позволяют значительно увереннее верифицировать само явление и определить тангенциальную скорость линзирующего объекта [8]. Но средства МССО могут быть использованы для наблюдений этого интереснейшего явления лишь в режиме поддержки, т.е., после его детектирования средствами наземного сканирования. Полученный к настоящему времени опыт детектирования [12] свидетельствует о крайне высоком уровне затрат и наблюдательного времени на обнаружение эффекта. Планировать подобное детектирование на борту нереально. Но выполнение наблюдений на бортах параллельно с наземными может дать «контрольный пакет» для верификации самого явления на значительно более высоком уровне достоверности.

 

Рис. 6. «Экзотическая» программа: наблюдения объектов, гравитационно «линзируемых». Cвет от тела S обтекает массивное тело L, (a), движущееся в пространстве со скоростью VL, по гиперболе и собирается вдоль оси SLxm в области, имеющей форму бесконечного «конуса» с образующей в виде каустики с вершиной в точке xm. Наблюдатель наблюдает в плоскости орбиты Земли О, секущей «конус», изображение в виде пробегающего «зайчика», имеющего центральное распределение яркости и размеры С, (b), сопоставимые с размерами орбиты Земли. Наблюдение моментов прохождения максимума яркости через систему инструментов МССО и Земли (T) в общей шкале времени (с) позволяет определить тангенциальную проекцию скорости Vt (a), верифицируя само явление гравитационного линзирования, длящееся от десятков до сотен дней. Наблюдения ведутся минимум в двух спектральных полосах, например, в B и R.

5°. Исследования in situ

Это сопутствующие измерения, обязательные в каждом эксперименте, тем более в эксперименте в дальнем космосе, – комплекс физических измерений – с использованием счетчиков – параметров микро- и элементарных частиц, потоки которых обтекают и пронизывают космические аппараты.

Заключение

Работы над проектом создания МССО выполнены на стадии «научное определение» с построением сценариев работы бортовой аппаратуры при решении вышеуказанных программ. Коллектив исследователей имеет представления и предложения для решения всего комплекса научных и технических задач проекта. Актуальность проекта представляется не вызывающей сомнений.

Решена задача автономной навигации аппаратов на стадиях формирования рабочих орбит и на стадии эксплуатации. Технический вариант с применением двухканального звездного датчика позволяет свести к минимуму использование методов радиолокации, дорогостоящих и трудно реализуемых при наблюдениях космических аппаратов в дальнем космосе.

Обоснована устойчивость конфигурации, построены теории движения аппаратов в окрестностях треугольных центров либрации, готовые к использованию [7]. Выполнено начальное моделирование процесса автономной навигации. Разработана общая схема матобеспечения борта. Предложена схема приемно-передающего комплекса. Все решения прошли апробацию на многочисленных конференциях в среде специалистов, включая оптиков [8], ведущих работы на современном уровне требований. Работа над проектом широко опубликована в российских и зарубежных журналах и сборниках трудов конференций.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Grigoryev V.M., 1993. Space-born solar stereoscope experiment in solar physics, 1993. Solar Phys. V.148. P.386 – 391.

2. Chebotarev V.E. et al. (1997) Phys. Chem. Earth, 22, No. 5, 445 – 450.

3. Grigoryev V.M., Papushev P.G., and Chubey M.S., Kopylov I.M., Eroshkin G.I., Ilin A.E., Gorshanov D.L., Pashkevich V.V., Savastenya A.V. Interplanetary Solar Stereoscopic Observatory (ISSO): scientific objectives and facilities. In: Astronomy & Astrophysics Transaction, v.19, ##3-4, 2000, pages 646–661.

4. V.K.Abalakin, M.S.Chubey, G.I.Eroshkin, I.M.Kopylov. 2000. Triangulation measurements in the Solar System. Proceed. of IAU Coll. 180, pp.132–149.

5. Захаренков В. Ф., Стариченкова В. Д., Цуканова Г. И., Григорьев В. М., Папушев П. Г., Чупраков С. А., Чубей М. С. Оптическое оснащение в проекте создания межпланетной солнечной стереоскопической обсерватории. Сборник трудов международной конференции  ПРИКЛАДНАЯ ОПТИКА 2000. СПб, 2000, стр. 142–143.

6. Chubey M.S. Estimation of Triangulation Measurements Accuracy in the Project «Interplanetary Solar Stereoscopic Observatory». Journ. of Physical Studies. Lvov. Vol.6, No 4, 2002, pp. 404–407.

7. M.S.Chubey, G.I.Eroshkin, V.V. Pashkevich. Space Stereoscopic Observatory Project. Записки Научных Семинаров ПОПИ, том 300. Теория Представлений, Динамические Системы, Специальный Выпуск VIII. Санкт-Петербург, 2003, стр. 80–86.

8. Чубей М.С. О возможности определения геометрических параметров движения линзирующих объектов. 1998. Известия ГАО РАН, №213, с. 273-278

9. И.С.Кардашев, Ю.Н.Парийский, Н.Д.Умарбаева, 1973, Возможность прямых измерений расстояний во Вселенной радиометодами и «трехмерная» радиоастрономия. Изв. САО, т.5, 1973. С.16-29.

10.  GAIA

11.  OZIRIS

12.  EROS, MACHO, Microlensing

 

Руководитель проекта:

чл.-корр. РАН Григорьев Виктор Михайлович, ИСЗФ СО РАН

Руководитель астрометрической группы проекта:

канд. физ.-мат. наук Чубей Маркиян Семенович, ГАО РАН

 

Группа научно-технической поддержки проекта:

В.М.Григорьев1, П.Г.Папушев1, С.А.Чупраков1, М.С.Чубей2, И.М.Копылов2, Г.И.Ерошкин2, В.В. Пашкевич2, В.Н. Львов2, Е.С.Кулагин2, В.К.Абалакин2, С.А.Толчельникова2, Л.И.Ягудин2, В.С.Коновалов3, Г.Р.Успенский3, В.Е.Чеботарев4, В.Е.Косенко4, В.Ф.Захаренков5, В.Д.Стариченкова5, Г.И.Цуканова6, А.В.Бахолдин6.

 

1ИСЗФ,         vgrig@iszf.irk.ru   papushev@iszf.irk.ru

2ГАО РАН,    mchubey@gao.spb.ru    

3ЦНИИМаш,

4НПО "Прикладная механика", г. Железногорск Красноярского края,

5ГОИ, СПб,

6СПбИТМО.

 

28 января 2005 года.