Развитие космической информатики icon

Развитие космической информатики


1 чел. помогло.
Смотрите также:
Доклад о состоянии и использовании...
25-27 октября 2011 г. Минск, Беларусь организаторы...
25-27 октября 2011 г. Минск, Беларусь организаторы...
Отчет по Междисциплинарному научному проекту...
Элективный курс "Программирование в среде Delphi" Поздняк Анна Вячеславовна, учитель информатики...
Возникновение информатики и смежные научные области 8 Прикладные направления информатики...
Г. Южно-Сахалинск...
Доклад о состоянии и использовании...
Доклад о состоянии и использовании...
Доклад о состоянии и использовании земель...
4 Рынок земли и недвижимости...
Доклад о состоянии и использовании земель в Тюменской области в 2010 году...




ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие академика РАН А.И. Савина 7

Введение 9

Глава 1
Развитие космической информатики 15


1.1. Потенциальные возможности космических
многоспектральных оптико-электронных приборов
при обнаружении малоразмерных объектов 16

1.2. Возможности применения спектроскопических приборов
для космических наблюдений газообразных выбросов
в атмосфере 27

1.3. Применения навигационных КА ГЛОНАСС/GPS
в составе многопозиционной РЛС обзора
земной поверхности 33

1.4. Оптимальный метод обработки сигналов в космических многопозиционных РСА 38
^

Глава 2
Малые космические аппараты калибровки и юстировки
радиолокационных средств и оптико-электронных
комплексов 46


2.1. Принципы создания группировки легких
космических аппаратов для калибровки радиолокационных средств ракетно-космической обороны 47

2.2. Применение малого космического аппарата
с бортовой навигационной аппаратурой ГЛОНАСС/GPS
для юстировки наземных средств траекторных
измерений 53

2.3. Обоснование предложений по использованию
малых космических аппаратов для юстировки
и калибровки наземных радиотехнических
и оптико-электронных средств 58
^

2.4. Принципы построения системы ретрансляции сигналов
радиолокационных станций на базе низкоорбитальных ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие академика РАН А.И. Савина 7

Введение 9
^

Глава 1
Развитие космической информатики 15


1.1. Потенциальные возможности космических
многоспектральных оптико-электронных приборов
при обнаружении малоразмерных объектов 16

1.2. Возможности применения спектроскопических приборов
для космических наблюдений газообразных выбросов
в атмосфере 27

1.3. Применения навигационных КА ГЛОНАСС/GPS
в составе многопозиционной РЛС обзора
земной поверхности 33

1.4. Оптимальный метод обработки сигналов в космических многопозиционных РСА 38
^

Глава 2
Малые космические аппараты калибровки и юстировки
радиолокационных средств и оптико-электронных
комплексов 46


2.1. Принципы создания группировки легких
космических аппаратов для калибровки радиолокационных средств ракетно-космической обороны 47

2.2. Применение малого космического аппарата
с бортовой навигационной аппаратурой ГЛОНАСС/GPS
для юстировки наземных средств траекторных
измерений 53

2.3. Обоснование предложений по использованию
малых космических аппаратов для юстировки
и калибровки наземных радиотехнических
и оптико-электронных средств 58

2.4. Принципы построения системы ретрансляции сигналов
радиолокационных станций на базе низкоорбитальных сверхмалых космических аппаратов 64

2.5. Выбор оптимальной модели движения исследовательских малых космических аппаратов при решении задач
юстировки радиолокационных средств 70

2.6. Применение сетчатых сферических отражателей для калибровки радиолокационных средств 75
^

Глава 3
Малые космические аппараты наблюдения баллистических
и космических объектов 82


3.1. Исследование возможностей использования
оптической сети малых космических аппаратов
наблюдения космических объектов 82

3.2. Низкоорбитальная система наблюдения
за космическим мусором на базе группировки
малых космических аппаратов 88

3.3. Оценивание параметров движения объектов,
наблюдаемых оптическими средствами
с малых космических аппаратов 94
^

Глава 4
Малые космические аппараты радиолокационного
наблюдения Земли 101


4.1. Разнесенная РСА космического базирования
на базе малых космических аппаратов с непрерывным
широкополосным зондирующим сигналом 101

4.2. Бортовая интерферометрическая многопозиционная
система радиолокационного обзора Земли,
использующая сигналы навигационных
космических аппаратов ГЛОНАСС/GPS/GALILEO 108

4.3. Малые космические аппараты обзора морской
поверхности с использованием сигналов
спутниковых радионавигационных систем 115
^

Глава 5
Малые космические аппараты радиомониторинга
Земли 123


5.1. Система контроля наземных объектов с использованием перспективных малых космических аппаратов 123

5.2. Космическая система радиотехнического мониторинга
на основе группировки низкоорбитальных
малогабаритных космических аппаратов 131

5.3. Методика оценки эффективности применения системы
радиомониторинга на базе сверхмалых космических
аппаратов-ретрансляторов 137
^

Глава 6
Малые космические аппараты многоспектрального наблюдения Земли 143


6.1. Новое направление развития малых космических аппаратов дистанционного зондирования Земли 144

6.2. Методы выбора наиболее информативных спектральных
каналов при дистанционном зондировании Земли
с малых космических аппаратов 149

6.3. Моделирование входной информации оптической
системы малых космических аппаратов 160

6.4. Дистанционное зондирование Земли на основе кластера
малых космических аппаратов многоспектрального
наблюдения 165

6.5. Мониторинг чрезвычайных ситуаций с использованием
дистанционного зондирования Земли 174

6.6. Моделирующий стенд для испытаний бортовых
оптикоэлектронных систем малых космических аппаратов
с использованием средств имитации фоноцелевой
обстановки 179
^

Глава 7
Малые космические аппараты ретрансляции и связи 185


7.1. Облик перспективного малогабаритного
низкоорбитального спутника-ретранслятора 186

7.2. Программно-моделирующий комплекс расчета
вероятностно-временных характеристик
информационного обмена в сети малогабаритных
спутников-ретрансляторов 191

7.3. Перспективная сеть передачи данных для локальной
группировки малых космических аппаратов 198

7.4. Рассредоточенный бортовой ретранслятор
на основе локальной группировки наноспутников
серии «CUBESAT» 204
^

Глава 8
Малые космические аппараты мониторинга космического
пространства 210


8.1. Мониторинг солнечных корпускулярных выбросов
с помощью космических микроаппаратов
в точках либрации Луны 210

8.2. Перспективы использования россйских МКА
для мониторинга ионосферы 214

ГЛАВА 9
Научно-образовательные малые космические аппараты серии
«Можаец» и космические эксперименты на их основе 222


9.1. Научно-образовательные малые космические аппараты
серии «Можаец» 223

9.2. Межуниверситетская программа развития новых
технологий на основе малых и сверхмалых космических
аппаратов 234

9.3. Концепция межуниверситетского проекта
«Космическое образование» на основе семейства
студенческих микроспутников 237

9.4. Исследование влияния факторов космического
пространства на работоспособность радиоэлектронных
изделий с использованием экспериментального комплекса «Призма» 242

9.5. Исследование работоспособности электронных
компонентов бортовой аппаратуры космических аппаратов посредством экспериментальных комплексов «Призма-1»
и «Призма-2» 247

Заключение 252

Приложение 1 254

^ Приложение 2 261


сверхмалых космических аппаратов 64

2.5. Выбор оптимальной модели движения исследовательских малых космических аппаратов при решении задач
юстировки радиолокационных средств 70

2.6. Применение сетчатых сферических отражателей для калибровки радиолокационных средств 75
^

Глава 3
Малые космические аппараты наблюдения баллистических
и космических объектов 82


3.1. Исследование возможностей использования
оптической сети малых космических аппаратов
наблюдения космических объектов 82

3.2. Низкоорбитальная система наблюдения
за космическим мусором на базе группировки
малых космических аппаратов 88

3.3. Оценивание параметров движения объектов,
наблюдаемых оптическими средствами
с малых космических аппаратов 94
^

Глава 4
Малые космические аппараты радиолокационного
наблюдения Земли 101


4.1. Разнесенная РСА космического базирования
на базе малых космических аппаратов с непрерывным
широкополосным зондирующим сигналом 101

4.2. Бортовая интерферометрическая многопозиционная
система радиолокационного обзора Земли,
использующая сигналы навигационных
космических аппаратов ГЛОНАСС/GPS/GALILEO 108

4.3. Малые космические аппараты обзора морской
поверхности с использованием сигналов
спутниковых радионавигационных систем 115
^

Глава 5
Малые космические аппараты радиомониторинга
Земли 123


5.1. Система контроля наземных объектов с использованием перспективных малых космических аппаратов 123

5.2. Космическая система радиотехнического мониторинга
на основе группировки низкоорбитальных
малогабаритных космических аппаратов 131

5.3. Методика оценки эффективности применения системы
радиомониторинга на базе сверхмалых космических
аппаратов-ретрансляторов 137
^

Глава 6
Малые космические аппараты многоспектрального наблюдения Земли 143


6.1. Новое направление развития малых космических аппаратов дистанционного зондирования Земли 144

6.2. Методы выбора наиболее информативных спектральных
каналов при дистанционном зондировании Земли
с малых космических аппаратов 149

6.3. Моделирование входной информации оптической
системы малых космических аппаратов 160

6.4. Дистанционное зондирование Земли на основе кластера
малых космических аппаратов многоспектрального
наблюдения 165

6.5. Мониторинг чрезвычайных ситуаций с использованием
дистанционного зондирования Земли 174

6.6. Моделирующий стенд для испытаний бортовых
оптикоэлектронных систем малых космических аппаратов
с использованием средств имитации фоноцелевой
обстановки 179
^

Глава 7
Малые космические аппараты ретрансляции и связи 185


7.1. Облик перспективного малогабаритного
низкоорбитального спутника-ретранслятора 186

7.2. Программно-моделирующий комплекс расчета
вероятностно-временных характеристик
информационного обмена в сети малогабаритных
спутников-ретрансляторов 191

7.3. Перспективная сеть передачи данных для локальной
группировки малых космических аппаратов 198

7.4. Рассредоточенный бортовой ретранслятор
на основе локальной группировки наноспутников
серии «CUBESAT» 204
^

Глава 8
Малые космические аппараты мониторинга космического
пространства 210


8.1. Мониторинг солнечных корпускулярных выбросов
с помощью космических микроаппаратов
в точках либрации Луны 210

8.2. Перспективы использования россйских МКА
для мониторинга ионосферы 214

ГЛАВА 9
Научно-образовательные малые космические аппараты серии
«Можаец» и космические эксперименты на их основе 222


9.1. Научно-образовательные малые космические аппараты
серии «Можаец» 223

9.2. Межуниверситетская программа развития новых
технологий на основе малых и сверхмалых космических
аппаратов 234

9.3. Концепция межуниверситетского проекта
«Космическое образование» на основе семейства
студенческих микроспутников 237

9.4. Исследование влияния факторов космического
пространства на работоспособность радиоэлектронных
изделий с использованием экспериментального комплекса «Призма» 242

9.5. Исследование работоспособности электронных
компонентов бортовой аппаратуры космических аппаратов посредством экспериментальных комплексов «Призма-1»
и «Призма-2» 247

Заключение 252

Приложение 1 254

^ Приложение 2 261


ВВЕДЕНИЕ


Создание и практическое применение орбитальных группировок малых космических аппаратов – это новое бурно развивающиеся направление мировой космонавтики. Оно зародилось в конце прошлого века, и сейчас созданием малых спутников занимаются десятки стран. В России ни одна из конструкторских организаций, работающих на космос, не обходится без проектов малых космических аппаратов. Общемировая мода среди ведущих университетов – иметь свой собственный малый спутник для проведения научных исследований по оригинальной программе и для организации учебного процесса по индивидуальным методикам. В настоящее время наличие своего спутника во многом определяет престиж не только университетов, но и развивающихся стран.

На сегодняшний день понятие «малый космический аппарат» информационного обеспечения определяет не только небольшие массогабаритные и стоимостные характеристики, но и принципиально новую архитектуру построения и применения каждой из четырех составляющих «малой» информационной космической системы:

 собственно малого аппарата (проектирование, изготовление, испытания), использующего современные достижения микроэлектроники, микромеханики, информатики;

 системы оперативного управления в реальном масштабе времени орбитальной группировкой МКА, которая должна иметь наземный и космический сегменты и обеспечивать доступ к любому аппарату системы в любое время в глобальном масштабе;

системы запуска МКА и оперативного восполнения состава орбитальной группировки, что предполагает создание малогабаритных ракет-носителей для стационарных космодромов, а также создания мобильных космодромов: авиационных, морских (корабельных) и наземных (железнодорожных, автомобильных и др.);

персональной аппаратуры пользователя, которая имеет малые габариты, массу, энергообеспечение и способна обеспечить персональный доступ пользователя в любой момент времени к любому виду космической информации: навигационной, видовой (оптической и радиолокационной), телевизионной, метеорологической и др.

По принятой условной международной классификации аппараты массой до 1000 и до 500 кг относятся соответственно к классу малых и мини-спутников, аппараты весом до 100, 10 и 1 кг – микро-, нано- и пико-спутники соответственно. С целью упрощения терминологии все аппараты легче 100 кг далее мы будем называть сверхмалыми КА (СМКА).

К концу XX в. малые и мини-спутники активно вошли в жизнь людей через системы космической связи, дистанционного зондирования Земли, предсказания погоды. Во многих странах они широко используются в военном деле для информационного обеспечения войск. Начало XXI в. дало резкий скачок развитию сверхмалых КА. Появились даже сообщения о разработке нового класса СМКА  фемто-спутников (массой до 100 г).

В настоящее время в мире ежегодно испытываются до полутора десятков СМКА (см. Приложение 2), размещаемых в основном на низких орбитах. Отметим, что первый в мире искусственный спутник Земли ПС-1, запущенный Советским Союзом 4 октября 1957 г., подходил под категорию микроспутников и выведен в космос из соображений государственного престижа.

Вместе с тем бурное развитие «малой» , а теперь уже «сверхмалой» космонавтики имеет в своей основе не только государственный или университетский престиж. Среди прочих основных причин, побуждающих движение мировой космонавтики в область миниатюризации космических автоматических систем информационного обеспечения, следует назвать:

1) необходимость снижения стоимости космических информационных систем, что вызвано условиями текущего мирового кризиса. Этому требованию в полной мере отвечают малые и сверхмалые космические аппараты, поскольку требуют меньших затрат и времени на разработку, на вывод в космос и допускают использование более простых систем запуска. Время от начала разработки до вывода на орбиту МКА может составить всего один-два года, поэтому при его создании могут быть использованы самые последние технологические достижения;

2) значительные успехи в технологии миниатюризации бортовых систем. Быстро развивающиеся микроэлектроника и микроэлектромеханика создают условия для дальнейшей миниатюризации элементной базы, что в свою очередь открывает возможности миниатюризации бортовой аппаратуры. Радиоэлектронным производством сегодня успешно осваивается 0,09-мкм технология. Для таких устройств характерны не только малые масса и габариты, но и весьма невысокое энергопотребление при низких питающих напряжениях и достаточно высоком КПД. Для миниатюризации бортовой аппаратуры уже используются МЭМС-технологии, на подходе использование нанотехнологий. Недавнее изобретение нанорадиоприемника на основе нанотрубок говорит о том, что нано-миниатюризация бортовых радиоэлектронных систем МКА – дело уже ближайшего будущего;

3) бурное развитие наземных цифровых информационных сетей. Это характерно для развития сети Интернет, сотовых телекоммуникационных систем, а также цифровых телевизионных систем. Использование этих технологий уже дало толчок в развитии МКА информационного обеспечения. В ближайшие годы следует ожидать революционного проникновения сетевых технологий в информационные сети МКА;

4) растущие требования потребителя по персонализации космических информационных услуг. В 90-е годы эта технология была названа «космос-человеку». Требования потребителя к персонализации глобальных телефонных услуг уже привели к созданию глобальных систем персональной связи ГЛОБСТАР, Иридиум (США), «Гонец» (Россия), выполненных на основе МКА. Требования персонального глобального контроля доставки грузов привели к созданию системы МКА «Орбком». Появились системы непосредственного телевизионного вещания, правда, пока на базе «больших» КА. На очереди системы персонального глобального видеоконтроля. Создателями системы Иридиум эта возможность уже заявлена в качестве дополнительной услуги. Требование потребителя по персонализации космической информации в глобальном масштабе неминуемо ведет к созданию многоспутниковых информационных систем. В силу экономических причин это возможно только на основе МКА и СМКА, использующих достижения микроминиатюризации и современные информационные технологии;

5) использование сетевых информационных технологий, применение гиперспектральных наблюдений Земли в оптическом диапазоне, реализация стороннего космического радиоподсвета для бистатического радиолокационного наблюдения, использование сигналов космических навигационных систем ГЛОНАСС-GPS-ГАЛИЛЕО для радиопросвечивания ионосферы и ряда других новых идей открывают возможности решения с помощью сетей МКА и СМКА, кроме традиционных, ряда новых практических задач, в частности:

раннее обнаружение изменений в природной среде (развитие пожаров в стадии возникновения, обнаружение начала засухи или переувлажнения почвы, обнаружение заболеваний растений и нашествия вредителей на больших территориях сельхозугодий и лесов);

оперативное обнаружение фактов нарушения природного законодательства (разливов нефти, сброса сточных вод, загрязнения почвы и атмосферы);

непрерывная ледовая разведка на морских путях доставки ценных грузов в северных широтах;

непрерывный контроль акваторий;

обеспечение потребителей персональной видеосвязью в глобальном масштабе;

сопровождение опасных грузов и дистанционный видеоконтроль состояния людей, грузов и транспортных средств в любой точке земного шара;

глобальный контроль и прогнозирование состояния атмосферной и «космической» погоды;

экологический орбитальный контроль засоренности околоземного пространства;

радиомониторинг территорий, объектов и транспортных средств в интересах безопасности людей;

телемедицинское обеспечение и дистанционное обучение удаленных групп людей (на северных территориях, в районах добычи полезных ископаемых и др.);

решение ряда фундаментальных задач гравиметрии, геодезии, радиофизики и других разделов наук, в частности, на основе контроля взаимного перемещения МКА в кластере из 35 аппаратов возможно уточнение карты мелкомасштабных неоднородностей гравитационного поля Земли;

обеспечение ракетной и космической безопасности государства на основе информационной сети МКА и СМКА для освещения обстановки в околоземном пространстве;

непрерывное космическое информационное обеспечение войск на поле боя в рамках общепризнанной во всем мире концепции сетецентрического управления войсками;

совершенствование учебного процесса и научных исследований студентов и аспирантов университетов;

летные испытания новых технологических разработок в области космической техники, пригодных для использования как на малых, так и на «больших», в том числе и обитаемых КА и др.

Свойства МКА во многом определяются их размерами. На рис. В1 для МКА в форме куба с длиной ребра от 1 м до 1 см приведены зависимости от длины ребра площади грани (миделева сечения) S  (кривая 1), объем куба V (кривая 2) и отношения V/S (кривая 3). Кривая 4 приближенно соответствует числу n кубических МКА меньших размеров, умещающихся в пусковом контейнере объемом 1 м3 (n3). Площадь грани определяет площадь бортовых солнечных батарей и, соответсвенно, мощность бортовой солнечной энергетической установки. Из кривой 2 следует, что энерговооруженность этой установки при длине грани в 30 см составляет лишь 10 % от мощности исходного КА с гранью в 1 м и с уменьшением длины ребра падает очень резко. Уровень блеска в солнечном свете также зависит от видимой площади МКА и с уменьшением его размеров падает по тому же закону. С одной стороны, это плохо, поскольку затрудняет наблюдение МКА на фоне звездного неба и соответственно создает трудности поддержания каталога по таким объектам. Вместе с тем это же свойство снижает заметность МКА и вероятность их обнаружения.

Объем МКА ^ V в зависимости от длины ребра снижается быстрее, чем площадь грани S. Так, при длине l = 0,5 м площадь грани составляет 0,25 м2, а объем и, соответственно, масса аппарата при прочих равных условиях составляет лишь 12,5% от исходного. Соответственно уменьшению веса МКА во столько же уменьшается и стоимость его запуска. Известно, что время существования спутника на орбите обратно пропорционально площади миделевого сечения и пропорционально массе МКА. Нетрудно показать, что для МКА в форме куба зависимость времени существования МКА от длины ребра l характеризуется кривой 3, т.е. время существования линейно падает с изменением размеров МКА. Так, при изменении длины ребра до 20% от исходного (l = 0,2 м) время существования сокращается на 80%.

Для восполнения группировки МКА предпочтителен групповой запуск. Если для группового запуска использовать пусковой контейнер объемом 1 м3, то при изменении размеров МКА от 50 до 20 см число одновременно выводимых аппаратов изменяется от 8 штук практически до сотни (кривая 4) (при расчетах не учитывались масса и габаритные размеры пускового контейнера).



Рис. В1


Важнейшее преимущество МКА – это ценовая привлекательность разработки, создания и выведения в космос. Они сравнительно дешевы, используют типовые космические платформы, могут выводится в космос либо носителями легкого класса малыми кластерами, либо большими группами, вплоть до десятков МКА, более тяжелыми ракетами. С учетом низкой цены самих аппаратов на их основе могут быть сформированы многоспутниковые системы различного назначения. Важнейшими свойствами таких систем с точки зрения потребителя, являются непрерывность доступа, глобальность и высокое качество информационных услуг.

В книге, предлагаемой вниманию читателя, изложены результаты работы коллектива единомышленников в рамках ведущей научной школы «Малые космические аппараты», которая в течение нескольких лет поддерживалась грантами Президента РФ. Задача исследования ставилась так, чтобы найти пути снижения веса и габаритов МКА не просто миниатюризацией его элементов, а на основе новых способов получения и обработки информации на борту МКА.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Фатеев В.Ф., Коростелев А.А. Электродинамика движущихся сред в неинерциальных системах отсчета применительно к процессам в кольцевом резонаторе // Оптика и спектроскопия. 1978. Т. 45. Вып. 1. С. 132139.

  2. Фатеев В.Ф. Введение в релятивисткую теорию радионавигации и синхронизации. Л.: ВИКИ им. А.Ф. Можайского. 1988.










Скачать 159.11 Kb.
оставить комментарий
Дата29.09.2011
Размер159.11 Kb.
ТипДокументы, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

плохо
  1
хорошо
  2
отлично
  2
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх