Определение орбиты - Orbit determination

Диаграмма, показывающая, как данные определения орбиты обрабатывались в миссии НАСА 1962 года. (Представляет только исторический интерес.)

Определение орбиты оценка орбиты таких объектов, как луны, планеты и космические корабли. Одним из основных приложений является отслеживание вновь наблюдаемых астероиды и убедитесь, что они не были обнаружены ранее. Основные методы были открыты в 17 веке и постоянно совершенствовались.

Наблюдения являются необработанными данными, подаваемыми в алгоритмы определения орбиты. Наблюдения, производимые наземным наблюдателем, обычно состоят из азимут, высота, ассортимент, и / или значения скорости диапазона. Телескопы или радар используются аппараты, поскольку наблюдения невооруженным глазом неадекватны для точного определения орбиты. Чем больше или лучше наблюдений, тем выше точность процесса определения орбиты, и меньше "ложные срабатывания "результат.

После того, как орбиты определены, математические методы распространения могут быть использованы для прогнозирования будущего положения орбитальных объектов. Со временем фактический путь движущегося по орбите объекта имеет тенденцию отклоняться от прогнозируемого (особенно если объект подвержен трудно предсказуемым возмущения такие как атмосферное сопротивление ), а определение новой орбиты с использованием новых наблюдений служит для повторной калибровки информации об орбите.

Спутниковое слежение еще одно важное приложение. Для НАС и страны-партнеры в той степени, в которой оптический и радар ресурсы позволяют, Объединенный центр космических операций собирает наблюдения за всеми объектами на околоземной орбите. Наблюдения используются в новых расчетах определения орбиты, которые поддерживают общую точность спутниковый каталог. Избежание столкновения вычисления могут использовать эти данные для вычисления вероятности столкновения одного орбитального объекта с другим. Оператор спутника может принять решение о корректировке орбиты, если риск столкновения на текущей орбите неприемлем. (Невозможно отрегулировать орбиту для событий с очень низкой вероятностью; это скоро израсходует пропеллент спутник несет для орбитальная станция.) Другие страны, в том числе Россия и Китай, имеют аналогичные объекты отслеживания.

История

Определение орбиты имеет долгую историю, начиная с доисторического открытия планеты и последующие попытки предсказать их движения. Иоганн Кеплер используемый Тихо Браге тщательное наблюдение за Марс вывести эллиптическую форму его орбиты и ее ориентацию в пространстве, получив три законы движения планет в процессе.

Математические методы определения орбиты возникли с публикацией в 1687 г. первого издания Ньютона Principia, который дал метод нахождения орбиты тела, следующего за параболический путь из трех наблюдений.[1] Это использовалось Эдмунд Галлей установить орбиты различных кометы, в том числе и то, что носит его имя. Метод последовательных приближений Ньютона был формализован в аналитический метод Эйлер в 1744 г., работа которого, в свою очередь, была обобщена на эллиптические и гиперболические орбиты Ламберт в 1761–1777 гг.

Еще одной важной вехой в определении орбиты стало Карл Фридрих Гаусс 'помощь в «восстановлении» карликовая планета Церера в 1801 г. Метод Гаусса смог использовать всего три наблюдения (в виде небесные координаты ) найти шесть орбитальные элементы которые полностью описывают орбиту. Теория определения орбиты впоследствии была развита до такой степени, что сегодня она применяется в Приемники GPS а также отслеживание и каталогизация вновь наблюдаемых малые планеты.

Данные наблюдений

Чтобы определить неизвестную орбиту тела, некоторые наблюдения его движения со временем. В ранней современной астрономии единственными доступными данными наблюдений за небесными объектами были прямое восхождение и склонение, полученный путем наблюдения за телом, когда оно двигалось в дуга наблюдения, относительно фиксированные звезды, с помощью оптический телескоп. Это соответствует знанию относительного направления объекта в пространстве, измеренному от наблюдателя, но без знания расстояния до объекта, то есть результирующее измерение содержит только информацию о направлении, например единичный вектор.

С участием радар, родственник расстояние измерения (по времени эхо-сигнала радара) и относительные скорость измерения (путем измерения Эффект Допплера эхо-сигнала радара) возможны с помощью радиотелескопы. Однако мощность возвращаемого сигнала от радара быстро уменьшается, поскольку обратная четвертая степень диапазона до объекта. Это обычно ограничивает радиолокационные наблюдения объектами относительно близко к Земле, такими как искусственные спутники и Околоземные объекты. Большие отверстия позволяют отслеживать транспондеры на межпланетных космических кораблях по всей Солнечной системе, и радиолокационная астрономия естественных тел.

Различные космические агентства и коммерческие поставщики используют сети слежения для обеспечения этих наблюдений. Увидеть Категория: Сеть дальнего космоса для частичного листинга. Также регулярно осуществляется слежение за спутниками из космоса. Увидеть Список радиотелескопов # Космического базирования и Космическая сеть.

Методы

При определении орбиты необходимо учитывать, что на кажущееся небесное движение тела влияет собственное движение наблюдателя. Например, наблюдатель на Земле, отслеживающий астероид, должен учитывать движение Земли вокруг солнце, вращение Земли, а также местная широта и долгота наблюдателя, поскольку они влияют на видимое положение тела.

Ключевое наблюдение состоит в том, что (в точном приближении) все объекты движутся по орбитам, которые конические секции, с притягивающим телом (таким как Солнце или Земля) в главный фокус, и что орбита лежит в фиксированной плоскости. Векторы нарисованные от притягивающего тела к телу в разные моменты времени, все будут лежать в орбитальный самолет.

Если положение и скорость относительно наблюдателя доступны (как в случае с радиолокационными наблюдениями), эти данные наблюдений могут быть скорректированы с помощью известного положения и скорости наблюдателя относительно притягивающего тела во время наблюдения. Это дает положение и скорость относительно притягивающего тела. Если доступны два таких наблюдения, а также разница во времени между ними, орбиту можно определить с помощью метода Ламберта, изобретенного в 18 веке. Увидеть Проблема Ламберта для подробностей.

Даже если информация о расстоянии недоступна, орбита все же может быть определена, если были сделаны три или более наблюдений прямого восхождения и склонения тела. Метод Гаусса, прославившийся в 1801 г. «восстановлением» первых потерянная малая планета, Церера, впоследствии был отполирован.

Одно из применений - определение масс астероидов с помощью динамический метод. В этой процедуре метод Гаусса используется дважды, как до, так и после тесного взаимодействия двух астероидов. После определения обеих орбит можно определить массу одного или обоих астероидов.[нужна цитата ]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Бейт Р.Р., Мюллер Д.Д., Белый Дж. Основы астродинамики. Курьерская корпорация; 1971. Ch 2 p 51 et seq.

дальнейшее чтение

  • Curtis, H .; Орбитальная механика для студентов инженерных специальностей, Глава 5; Эльзевир (2005) ISBN  0-7506-6169-0.
  • Taff, L .; Небесная механика, Главы 7, 8; Wiley-Interscience (1985) ISBN  0-471-89316-1.
  • Бейт, Мюллер, Уайт; Основы астродинамики, Главы 2, 5; Дувр (1971) ISBN  0-486-60061-0.
  • Мадонна, Р .; Орбитальная механика, Глава 3; Кригер (1997) ISBN  0-89464-010-0.
  • Шутц, Тэпли, Борн; Статистическое определение орбиты, Academic Press. ISBN  978-0126836301
  • Определение спутниковой орбиты, Колледж Coastal Bend, Техас