НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ГОЛОВНА АСТРОНОМІЧНА ОБСЕРВАТОРІЯ

Суберляк Василь Романович

УДК 528.021.7 + 520.2.03

РОЗРОБКА ТА СТВОРЕННЯ ПРОГРАМНО-АПАРАТНОГО КОМПЛЕКСУ ДЛЯ ВИСОКОТОЧНОЇ ЛОКАЦІЇ ШСЗ.

01.03.01 – Астрометрія і небесна механіка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Головній астрономічній обсерваторії

Національної Академії наук України, м. Київ.

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, Медведський Михайло Михайлович,

Головна астрономічна обсерваторія НАН України, старший науковий співробітник.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

Кокурін Юрій Леонідович,

Кримська лазерна обсерваторія ГАО НАН України,

директор;

кандидат фізико-математичних наук,

доцент, Логвиненко Олександр Олексійович,

Львівський національний університет

ім. І. Франка,

директор АО ЛНУ.

Провідна установа: Полтавська гравіметрична обсерваторія Інституту геофізики ім. Субботіна НАН України, м. Полтава.

Захист відбудеться “26” _квітня 2002 року на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.208.01 при Головній астрономічній обсерваторії НАН України (ГАО НАН України, вул. акад. Заболотного 27, Київ, МСП, 03680). Початок засідань о 10 годині.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Головної астрономічної обсерваторії НАН України (ГАО НАН України , вул. акад. Заболотного 27, Київ, МСП, 03680).

Автореферат розісланий 23 березня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

кандидат фіз.-мат. наук Васильєва І.Е.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В останні три десятиліття розвиваються нові методи геодезичних та астрономічних вимірювань, які витісняють класичні методи і дозволяють вирішувати ряд задач геодезії та геодинаміки на високому рівні точності. Зокрема, з 1 січня 1988 року Міжнародна Служба Обертання Землі (IERS) перейшла на нові методи спостережень для визначення параметрів обертання Землі (ПОЗ) – лазерну локацію штучних супутників Землі (ШСЗ) і наддовгобазисну радіоінтерферометрію.

Лазерна локація ШСЗ (ЛЛС) на сьогоднішній час є однією з високоточних методик дослідження ряду геодинамічних явищ. Визначення параметрів обертання Землі та інших геодинамічних параметрів базується на спостереженнях таких спеціалізованих ШСЗ як LAGEOS-1 і LAGEOS-2 мережею лазерних супутникових віддалемірів (ЛСВ), котра охоплює усю Земну кулю. На сьогоднішній день такою мережею є Всесвітня Мережа Лазерних Віддалемірів (ILRS Network), яка станом на 2001 рік нараховує близько 40 станцій у більш як 30-ти країнах світу.

Для дослідження швидкості руху тектонічних плит, визначення ПОЗ, потрібно постійне, високоточне визначення координат віддалеміра.

В 1999 р. ЛСВ "Київ-Голосіїв" був зареєстрований у мережі ILRS. Згідно вимог ILRS перманентний віддалемір повинен спостерігати не менше 1000 проходжень низькоорбітальних ШСЗ та 400 проходжень ШСЗ LAGEOS-1 і LAGEOS-2 за рік, точність одного виміру відстані не гірше 10 см, точність нормальної точки не гірше 1 см. Для цього виникла необхідність модифікації й удосконалення частини існуючого, створення нового апаратного обладнання та програмного забезпечення комплексу лазерного віддалеміра.

35 % нічних проходжень низькоорбітальних ШСЗ (висота орбіти < км) знаходяться у тіні Землі. Проникної здатності гіда телескопа віддалеміра недостатньо для візуальних спостережень ШСЗ типу LAGEOS. Щоб не втрачати такі проходження необхідно мати модель похибок наведення телескопа, точності якої було б достатньо для проведення "сліпої" локації ШСЗ.

Лазерна локація ШСЗ (satellite laser ranging, SLR) на сьогоднішній день є одним із сучасних методів вивчення руху спеціалізованих супутників у гравітаційному полі Землі та навігації космічних місій. На сьогодні похибка визначення нормальної точки виміряної відстані до ШСЗ найкращими станціями становить 2-3 мм., а похибка одного виміру – 1-2 см.

Таким чином розвиток та підтримка лазерних супутникових віддалемірів на такому рівні точності визначення відстаней до ШСЗ, який задовольняв би сучасним вимогам науки про Землю, є актуальним завданням космічної геодинаміки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана і отримано основні наукові результати згідно планових науково-дослідних робіт в рамках науково–дослідних тем відділу космічної геодинаміки Головної астрономічної обсерваторії НАН України: "Вивчення змін орієнтації Землі в космічному просторі та інших геодинамічних явищ за даними ЛЛС, РНДБ та GPS-спостережень" (шифр 1.4.6/3–169В, № держреєстрації 0196U011266, 1996 -1999 рр.); "Створення та розвиток системи визначення параметрів обертання Землі та шкали всесвітнього часу" (шифр 1.4.6/3–Кт "Орієнтація", № держреєстрації 0196U011267, з 1995 р.). А також у рамках Державної теми “Створення та розвиток Державної служби єдиного часу та еталонних частот”, 1995-1999 рр..

Мета і задачі дослідження. З метою включення у Всесвітню Мережу Лазерних Віддалемірів ILRS в 1986 р. був змонтований лазерний супутниковий віддалемір “Київ-Голосіїв” (ГАО НАН України). У зв'язку з розпочатими в 1996 році роботами, пов'язаними із переведенням віддалеміра “Київ-Голосіїв” з експериментального режиму у перманентний режим з точністю визначення відстані до ШСЗ краще 10 см, виникла необхідність модифікації і вдосконалення частини існуючого та створення нового апаратного обладнання, програмного забезпечення комплексу віддалеміра. Виходячи із цього, були поставлені наступні задачі.

1. Провести спостереження зірок та на основі отриманих даних створити модель похибок наведення телескопа для можливостей локації “невидимих” ШСЗ.

2. Провести лазерно-віддалемірні спостереження ШСЗ LAGEOS-1 і LAGEOS-2 та на основі отриманих даних обчислити геоцентричні координати точки відліку лазерного віддалеміра “Київ-Голосіїв”.

3. Розробити алгоритми та створити програми для автоматичного збору вихідних даних для обчислення моделі похибок наведення телескопа, за спостереженнями зірок.

4. Провести збір експериментальних даних, що забезпечать необхідну модифікацію комп'ютерних програм управління телескопом.

5. Створити частину нового та модифікувати існуюче програмне забезпечення управління комплексом віддалеміра.

6. Прийняти участь у розробці та створенні модифікованих електронних, механічних та оптичних підсистем віддалеміра.

Кінцевим результатом роботи повинен бути завершений програмно-апаратний комплекс управління телескопом та процесом лазерної локації ШСЗ на віддалемірі “Київ-Голосіїв”.

Наукова новизна отриманих результатів.

·

· вперше розроблено та реалізовано систему автоматичного спостереження зірок, використовуючи основний канал прийому лазерного віддалеміра. Разом із впровадженим методом математичної обробки даних спостереження вона стала основою для побудови моделі похибок телескопа.

· для лазерного віддалеміра “Київ-Голосіїв”, на основі побудованої моделі похибок наведення телескопа, вперше досягнута точність наведення телескопа на ШСЗ краще 20І. Це дало змогу вперше розпочати на даному віддалемірі спостереження “невидимих” супутників.

· вперше визначені координати точки відліку віддалеміра з точністю 1-2 см на основі віддалемірних спостережень геодинамічних ШСЗ LAGEOS-1 і LAGEOS-2.

Практичне значення отриманих результатів. Модель похибок наведення телескопа є дуже важливою для будь-якого лазерного віддалеміра і суттєво впливає на ефективність спостережень ШСЗ. На основі розробленого методу побудови моделі похибок телескопу лазерного віддалеміра “Київ-Голосіїв” вдалося довести похибку наведення та супроводження ШСЗ до 15І-20І. Це дало змогу вперше розпочати віддалемірні спостереження “невидимих” ШСЗ. Розроблена методика обчислення моделі похибок може бути рекомендована і для інших лазерних віддалемірів України, обладнаних подібним телескопом та монтуванням. До їх числа входять:

·

· експериментальні ЛСВ “Львів” та “Алчевськ”.

Рівень автоматизації спостереження зірок та обробки їх результатів дозволяє уточнювати окремі параметри моделі за 30-40 хв., або визначати усі її параметри за 3-4 год.

Пакет управління комплексом станції, що містить в собі як удосконалені та модифіковані існуючі частини, так і розроблені конструктивно нові, дозволяє оперативно керувати такими процесами, як: вимірювання відстаней до ШСЗ, калібрування, попередня обробка даних спостереження та відправка результатів віддалемірних спостережень (нормальні точки) у Європейський Центр Даних (EDC, м. Мюнхен, Німеччина).

Визначені координати точки відліку ЛСВ “Київ-Голосіїв” разом із координатами інших віддалемірів мережі ILRS можуть бути використані для реалізації Міжнародної земної системи координат ITRF. А також для обчислень параметрів обертання Землі. Провівши повторні обчислення координат через 2-3 роки можна визначити вектор швидкості руху лазерного віддалеміра.

Завдяки проведеному комплексу робіт по удосконаленню існуючих та створенню нових електронно-оптичних блоків, з січня 2000 року на ЛСВ “Київ-Голосіїв” проводяться регулярні нічні локації низькоорбітальних ШСЗ та геодинамічних LAGEOS-1 і LAGEOS-2.

Особистий внесок здобувача. Результати, висновки і рекомендації були сформульовані й отримані автором самостійно. По темі дисертаційної роботи опубліковано 7 статей. Особистий внесок автора в перерахованих спільних роботах такий: в роботах [1, ] автор брав участь у розробці нових та модернізації існуючих електронно-оптичних вузлів ЛСВ “Київ-Голосіїв”. В роботах [1, ] авторові також належать 30% віддалемірних спостережень ШСЗ LAGEOS-1 і LAGEOS-2, проведених в 2001 році, на основі яких було обчислено координати точки відліку віддалеміра. В роботах [2, ] автором самостійно було проведено серії спостережень зірок протягом 1998-2001 рр., за результатами яких автор побудував модель похибок наведення телескопа. У роботі [4] автор брав участь у спостереженнях із метою обробки результатів методом спектрального аналізу в комбінації з методом найменших квадратів. Даний розроблений алгоритм був використаний при спектральній обробці результатів лабораторних досліджень датчиків кута повороту та нахилу горизонтальної платформи телескопа. Для обробки результатів спостережень зірок та побудови моделі похибок автор розробив алгоритми та створив спеціальний пакет програм. Автор проводив лабораторні дослідження окремих вузлів телескопа з метою оцінки внеску їх похибок у загальну модель похибок телескопа. Автор також створив унікальну програму для проведення автоматичного спостереження зірок. Завдяки проведеній суттєвій модернізації існуючих, та створенні нових програм управління телескопом та процесом локації, створено цілісний програмний комплекс для проведення лазерно-віддалемірних спостережень ШСЗ на ЛСВ “Київ-Голосіїв”.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідалися на наукових семінарах відділу космічної геодинаміки ГАО НАН України, а також міжнародних конференціях:

·

· міжнародній конференції, присвяченій 90-річчю з дня народження академіка Є.П.Федорова, Київ, 26-29 червня 1999 р.;

· міжнародній конференції “Вивчення геодинамічних процесів методами астрометрії, геодезії і геофізики”, присвяченій 75-річчю заснування Полтавської гравіметричної обсерваторії Інституту геофізики ім. С. І. Субботіна НАН України, Полтава, 9-12 жовтня 2001 р.;

· міжнародній конференції Journйes 2001 Systиmes de Rйfйrence Spatio-Temporels "Influence of geophysics, time and space reference frames on Earth rotation studies" , ?рюссель, Бельгія, 24-26 вересня 2001 р.

Результати роботи також доповідалися та обговорювалися на робочих семінарах по лазеро-віддалемірних технологіях:

·

· ЛСВ “Київ-Голосіїв”, м. Київ, 2000 р.;

· ЛЛС “Кацівелі”, смт. Кацівелі, АР Крим, 2000 р., 2001 р.

Публікації. Основні результати роботи опубліковані у 4 наукових журналах, одному препринті та у тезах 2 конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'ятьох розділів, висновків, списку використаних джерел. Загальний об'єм дисертації становить 147 сторінок машинописного тексту, включаючи 40 рисунків, 12 таблиць та список використаних джерел із 107 найменувань. Список використаних джерел розташовано у алфавітному порядку.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульована її мета, визначено наукову новизну та практичну цінність роботи, наведені основні результати та особистий внесок здобувача.

У першому розділі описується основний принцип лазерної локації ШСЗ. Проводиться короткий огляд основних наукових задач, де використовуються результати віддалемірних спостережень ШСЗ. Описується всесвітня мережа лазерних віддалемірів, її сучасний стан. Приводиться опис та характеристики основних вузлів лазерного віддалеміра нового покоління SLR2000, призначеного для повністю автоматичних спостережень ШСЗ (з дистанційним управлінням через мережу INTERNET). Розглядаються усі супутники, по яким здійснюється лазерна локація, майбутні та сучасні космічні місії, приводяться характеристики орбіт та фізичні розміри супутників.

Лазерна локація ШСЗ на сьогоднішній час є одним із сучасних методів вивчення руху спеціалізованих супутників у гравітаційному полі Землі. Її результати використовуються для вирішення широкого кола задач геодезії, геодинаміки та космічної навігації. Точність визначення відстані до ШСЗ сягає декількох сантиметрів, і продовжує зростати. Точність визначення координат полюса Землі по результатах лазерної локації ШСЗ складає 0.3 мілісек. дуги, всесвітнього часу (надлишок тривалості доби) - 0.04 мілісек., координат пунктів - 1-2 см., змін координат пунктів - 3 мм./рік.

ЛСВ “Київ-Голосіїв” розроблений для використання в складі лазерно-локаційних мереж і проведення високоточних віддалемірних спостережень спеціалізованих штучних супутників Землі з точністю не гірше 10 см. В 1997 році віддалемір був зареєстрований у Міжнародній мережі ILRS та отримав власні ідентифікаційні коди. У грудні 1999 р. він був переведений з експериментального режиму в перманентний. З цього часу на ЛСВ “Київ-Голосіїв” проводяться регулярні, нічні локації ШСЗ. Результати вимірювань, проведених за допомогою віддалеміра, відсилаються у Міжнародний центр даних у Мюнхені EDC (Німеччина), і використовуються для отримання параметрів обертання Землі, включення їх результатів до баз даних Міжнародної служби обертання Землі IERS, а також для уточнення орбіт ШСЗ різних космічних місій.

В розділі також приводяться результати спостережень ШСЗ мережею віддалемірів ILRS за 2001 р. Показані кількість проходжень ШСЗ, нормальних точок, середньоквадратичну похибку одного виміру відстані та похибку нормальних точок для супутників LAGEOS-1 і LAGEOS-2.

У другому розділі проведено детальний опис апаратного комплексу ЛСВ “Київ-Голосіїв”. Реалізований комплекс дозволяє проводити вимірювання часу поширення короткого лазерного імпульсу до ШСЗ та назад з точністю не гірше 400 пікосек. у межах від 5 мс до 130 мс. Приведено технічні параметри, склад, та принцип роботи основних компонент віддалеміра.

Загальна блок-схема комплексу лазерного віддалеміра представлена на рис. , де показано його основні електронні, оптико-механічні вузли та їх взаємодія один з одним.

Комплекс віддалеміра складається з наступних основних систем:

телескоп серії ТПЛ-1;

лазерний передавач;

фотоприймачі “стартових” та “стопових” імпульсів;

система оптичного узгодження телескопа з лазерним передавачем та фотоприймачем;

система управління телескопом;

система збору інформації та управління процесом вимірювання;

служба часу та частоти.

До основних технічних характеристик комплексу віддалеміра можна віднести:

робочий діапазон вимірювань відстаней: 450-6000 км.;

абсолютна точність одного вимірювання відстані: ± 7 см.;

частота чередування лазерних імпульсів: 10 Гц;

телескоп: оптична система: діаметр головного дзеркала: еквівалентна фокусна відстань: монтування: похибка наведення: максимальна швидкість супроводження об'єктів: максимальне прискорення при наведенні: лазер: довжина хвилі випромінювання: енергія імпульсу: тривалість імпульсу: керована зміна розходження лазерного променя на виході телескопа: служба часу: режим роботи віддалеміра: система Куде; катадіоптрична передфокальна система, де первинне дзеркало-сфера, а вторинне-сфера з корегуючою лінзою; 1 м; 11.6 м; альтазимутальне; < І; 2.5 °/сек; 2 ў/сек2; 532 нм; 0.01 – .03 Дж; 0.4 нс; 8І – І 1 мкс, GPS–синхронізація; нічний.

Завдяки проведеній суттєвій модернізації електронно-оптичних вузлів починаючи із 1999 року на віддалемірі проводяться регулярні віддалемірні спостереження ШСЗ у нічний період часу. Проводяться спостереження усіх низькоорбітальних супутників, обладнаних кутковими відбивачами, а також геодинамічних ШСЗ LAGEOS-1 і LAGEOS-2.

У третьому розділі обґрунтовується необхідність обчислення моделі похибок наведення телескопа лазерного віддалеміра, точність якої дозволила б проводити віддалемірні спостереження “невидимих” ШСЗ. Розглядається проблема побудови моделі похибок наведення телескопа станції: теорія інструментальних похибок та результати їх моделювання.

Для здійснення успішної локації ШСЗ необхідне його точне супроводження телескопом. Для визначення положення по азимуту та висоті телескоп станції оснащено кодовими датчиками положення. Розглянуто теорію похибок наведення телескопа, обладнаного альтазимутальним монтуванням: їх походження та методи врахування. Отримано функціональні співвідношення для компенсації похибок, які вносять суттєвий вклад у точність наведення. Розроблено методику знаходження усіх параметрів моделі похибок на основі лабораторних вимірів та спостережень зірок.

На основі проведеного аналізу проблеми, було отримано наступні співвідношення, скореговані за даними практичного використання:

(1)

(2)

де - ефемеридний азимут;

- ефемеридна висота;

- похибки кодового датчика азимута;

- похибки кодового датчика висоти;

- колімація;

- неортогональність осей обертання телескопа;

- x компонента обертання поля зору;

- y компонента обертання поля зору;

- нахил вертикальної осі обертання телескопа;

- рефракція;

- вагові деформації телескопа.

Приведені співвідношення дозволяють компенсувати похибки наведення та супроводження телескопа шляхом визначення поправок по азимуту та висоті . Основні джерела виникнення згаданих вище похибок такі. та виникають через зсув нуль-пункту та неточність масштабу датчиків кутів повороту. Поява коефіцієнтів та спричинена нахилом горизонтальної платформи обертання телескопа. Оскільки телескоп являється системою Кассегрена з фокусом Куде, то при переміщенні телескопа по азимуту та висоті виникає ефект обертання всіх бокових оптичних осей (осей лазерного передавача та фотоприймача) довкола головної осі телескопа, що в свою чергу призводить до появи так званого ефекту обертання поля зору. Цей ефект можна компенсувати, знаючи величини та . Співвідношення при них були отримані експериментально. Похибки, спричинені ваговими деформаціями елементів телескопа, включені у загальну модель телескопа даного типу, проте, як виявилося, не є значимими. Тому ними можна знехтувати. Як видно з рівнянь (1) та (2), деякі похибки, а саме: нахил вертикальної осі та обертання поля зору, входять у поправки як по висоті так і по азимуту. Тому рішення цієї системи рівнянь із невідомими та потрібно проводити разом.

Розроблено та реалізовано систему автоматичного спостереження зірок. Разом із впровадженим методом математичної обробки даних спостереження вона стала основою для побудови моделі похибок телескопу.

Проводилися систематичні спостереження зірок (1998–2001 рр.), результати яких показали, що деякі параметри моделі похибок не є стабільні та змінюються з часом. Тому було запропоновано розділити параметри моделі на дві групи: постійні, незмінні протягом усього циклу спостережень; нестійкі (квазіпостійні), постійні на обмеженому інтервалі часу приблизно в 1-2 місяці. Розроблені та реалізовані алгоритми математичної обробки об'єднаних серій спостережень для побудови багатогрупової моделі похибок телескопу.

У четвертому розділі описуються розроблені та реалізовані алгоритми програм управління телескопом, проведення вимірювань відстаней до ШСЗ, конроль та тестування апаратури, спостереження зірок та обчислення моделі похибок телескопа, системи автоматичного спостереження зірок. Структурна блок-схема створеного пакету програм представлена на рис. .

Управління комплексом віддалеміра проводиться у режимі реального часу (на рис. . обведені суцільною лінією). Рівень автоматизації процесом вимірювання, реалізований завдяки розробленим алгоритмам та створеним програмам, дозволяє проводити спостереження ШСЗ однією людиною. Спостереження зірок для визначення параметрів моделі похибок повністю автоматизоване.

В цьому розділі також приводяться результати калібровочних вимірювань з використанням зовнішньої наземної мішені, їх точність та стабільність апаратної затримки у часі. А також результати внутрішньої обробки віддалемірних спостережень деяких ШСЗ, отриманих за допомогою пакету програм, розробленого на ЛСВ “Боровець” (Польща) та адаптованих в ГАО НАНУ.

У п'ятому розділі наведені результати визначення координат точки відліку ЛСВ “Київ-Голосіїв”, якою є точка перетину осей обертання телескопа. Використовуючи результати лазерних спостережень ШСЗ LAGEOS-1 і LAGEOS-2, що були отримані за період 24.01.2001-17.06.2001, визначено геоцентричні прямокутні координати точки відліку віддалеміра в системі ITRF97. Для обчислень використовувався програмний комплекс “Киев-Геодинамика 5.2”. Був отриманий наступний вектор положення:

м.

Даний вектор було порівняно з вектором цієї точки, визначеним із високоточної геодезичної прив'язки, котра базувалась на GPS вимірюваннях опорних маркерів. Різниця між координатами, отриманими з SLR- та GPS- методик, становить ”0.6 м.

На основі лазерних спостережень ШСЗ ніколи раніше координати віддалеміра “Київ-Голосіїв” не визначалися. Отримані координати являються першим результатом, що мають наукову цінність. Вони можуть бути використані як початкова точка для визначення вектора швидкості руху віддалеміра, коли будуть отримані результати віддалемірних спостережень ШСЗ LAGEOS-1 і LAGEOS-2 на інтервалі часу в декілька років.

У висновках наведені основні результати дисертаційного дослідження.

1. Реалізовано апаратний комплекс лазерного віддалеміра “Київ-Голосіїв”, що технічно дозволяє проводити вимірювання часу поширення згенерованого лазерного імпульсу до ШСЗ та назад із точністю не гірше 400 пікосек. Електронно–оптична конструкція віддалеміра дозволяє проводити вимірювання часових затримок у межах від 5 мс до 130 мс.

2. Запропоновано методику й алгоритми для обчислення моделі похибок наведення телескопа лазерного віддалеміра. На основі даних спостережень зірок обчислено модель похибок телескопа, що забезпечує його точність наведення на ШСЗ не гірше 20І. Це дозволило вперше на віддалемірі розпочати локацію “невидимих” ШСЗ, а також геодинамічних ШСЗ LAGEOS-1 і LAGEOS-2. Розроблено та реалізовано систему автоматичного спостереження зірок, яка дозволила систему похибок віднести до центра чутливості фотоприймача, виключивши таким чином із процесу спостереження похибки юстування основного гіда телескопа та суб'єктивність спостерігача. Разом із впровадженим методом математичної обробки даних спостереження вона стала основою для побудови моделі похибок телескопу віддалеміра “Київ-Голосіїв”. Розроблено та впроваджено алгоритм об'єднання декількох серій спостережень зірок з метою виявлення змінних у часі параметрів моделі.

3. Розроблено, створено та відтестовано цілісний пакет програм для управління комплексом ЛСВ “Київ-Голосіїв”. До його складу входять наступні програми:

а) управління телескопом;

б) автоматичний пошук ШСЗ;

в) калібрування лазерного віддалеміра по зовнішній мішені;

г) локації ШСЗ;

д) тестування та контроль вузлів станції;

е) сканування зірок.

є) обчислення параметрів моделі похибок.

Рівень автоматизації управління комплексом віддалеміра дозволяє проводити спостереження ШСЗ одному спостерігачеві.

4. На основі проведених віддалемірних спостережень ШСЗ LAGEOS-1 і LAGEOS-2 за період 24.01.2001-17.06.2001 обчислено геоцентричні прямокутні координати точки відліку віддалеміра з точністю 2.8 см. Отримані результати були порівняні із координатами, обчисленими із результатів високоточної геодезичної прив'язки точки відліку віддалеміра до маркерів, закладених поблизу нього. Координати маркерів обчислювалися з результатів GPS-спостережень ШСЗ. Різниця між координатами, отриманими із SLR- та GPS- методик, становить ”0.6 м. Причина такої різниці не з'ясована. Висловлено тільки припущення щодо її природи.

5. В 1997 році віддалемір був зареєстрований у Міжнародній мережі ILRS та отримав власні ідентифікаційні коди. У грудні 1999 р. він був переведений із експериментального режиму в перманентний. З цього часу на ЛСВ “Київ-Голосіїв” проводяться регулярні, нічні локації усіх низькоорбітальних супутників, пристосованих для лазерної віддалеметрії, а також геодинамічних супутників LAGEOS-1 і LAGEOS-2. Результати вимірювань, проведених за допомогою віддалеміра, відсилаються у Міжнародний центр даних у Мюнхені EDC (Німеччина), і використовуються для отримання параметрів обертання Землі, включення їх результатів до баз даних Міжнародної служби обертання Землі IERS, а також для уточнення орбіт ШСЗ різних космічних місій.

Автор висловлює щиру подяку науковому керівникові Медведському М. М. за всебічну підтримку та допомогу при виконанні даної роботи, Болотіній О. В. за допомогу при проведенні обчислень координат віддалеміра, академіку НАНУ Яцківу Я. С. за корисні зауваження та дискусії. Автор також щиро вдячний колективу лазерного віддалеміра “Київ-Голосіїв”, Перетятку М. М., Глущенку Ю. М. та Яцківу Д. Я., за тісну та плідну співпрацю.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Болотина О.В., Глущенко Ю.М., Медведский М.М., Перетятко Н.Н., Суберляк В.Р., Яцкив Д.Я. Лазерный спутниковый дальномер “Голосиив-Киев”. Технические характеристики и результаты наблюдений 2001 года // Кинематика и физика небес. тел.- Т.17.-№6.-2001.-С.560-572.

2. Суберляк В. Р., Медведський М. М., Перетятко М. М., Яцків Д. Я., Модель похибок телескопа типу СПЛ (Крим) для лазерної локації ШСЗ // Кинематика и физика небес. тел. (Приложение)- 1999.-№1. С. 118-120.

3. Medvedsky M., Suberlak V., Mount errors model for Kyiv SLR station // Artificial Sattelites. – Warszawa, 2002. - Vol.37. - No 1.

4. Musatenko S. I., Suberlyak V. R., The solar partial eclipse during 12 october 1996 and correspondent effects in the ionospheric radionoises //Annales Geophysicae, part III: Space & Planetary Sciences, Supplement III to Volume 15, 1996,C 634.

5. Peretyatko M.M., Medvedskij M.M., Yatskiv D.Ya., Suberlak V.R. Mount error model for satellite laser ranging // Proceedings of conference of the Aerosense/Defense 99 on laser radar technologies and applications, 6 October 1999, Kiev, Ukraine.

6. SuberlakBolotina O., GlushchenkoMedvedskijPeretyatko M., Yatskiv D. SLR Station "Golosiiv-Kiev": current state and activity // Proceedings of conference Journйes 2001 Systиmes de Rйfйrence Spatio-Temporels "Influence of geophysics, time and space reference frames on Earth rotation studies" , 24-26 September 2001, Brussels, Belgium.

7. Yatskiv D.Medvedskij M.M., Suberlyak V.R., and Peretyatko M.M., Kyiv laser ranging station report on the experimental operation 1997-1998 // Preprint of the Main Astronomical Observatory of the NAS of Ukraine.-MAO-98-6E.-Kyiv.-1998.-15 p.

АНОТАЦІЯ

Суберляк В. Р. Розробка та створення програмно-апаратного комплексу для високоточної локації ШСЗ. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.03.01 - Астрометрія і небесна механіка. - Головна астрономічна обсерваторія НАН України, Київ, 2002.

Дисертація присвячена розробці та створенню нового і модифікації існуючого програмно-апаратного комплексу супутникового лазерного віддалеміра “Київ-Голосіїв”. Проведена значна модифікація існуючих електронно-оптичних підсистем станції, що дало змогу проводити вимірювання часу поширення згенерованого лазерного імпульсу до ШСЗ з точністю не гірше 400 пікосекунд. Розроблено методику визначення параметрів моделі інструментальних похибок наведення телескопа, оснащеного кодовими датчиками положення. Точність моделі дозволяє проводити локацію “невидимих” для спостерігача ШСЗ. Для автоматизації процесу спостереження зірок та підвищення точності моделі, розроблено систему автоматичного спостереження зірок та визначення параметрів моделі. Створено цілісний програмний комплекс управління станцією, який структурно поділяється на три основні частини: управління телескопом, управління процесом вимірювання відстаней до ШСЗ, тестування та контроль апаратури.

Ключові слова: модель похибок, телескоп, лазерна локація ШСЗ, лазерний супутниковий віддалемір, алгоритми програм.

АННОТАЦИЯ

Суберляк В. Р. Разработка и создание программно-аппаратного комплекса для высокоточной локации ИСЗ. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.03.01 - Астрометрия и небесная механика. - Главная астрономическая обсерватория НАН Украины, Киев, 2002.

Диссертация посвящена разработке и созданию нового и модификации существующего программно-аппаратного комплекса спутникового лазерного дальномера “Киев-Голосиив”. Дальномер был смонтирована с целью проведения высокоточных измерений расстояний к ИСЗ, оснащенных уголковыми отражателями. Проведен ряд существенных усовершенствований электронно-оптических узлов приемно-передающего тракта дальномера, системы измерения интервала времени между сигналами СТАРТ-СТОП, следящей системы дополнительного гида телескопа. Для реализации системы автоматического наблюдения звезд приемный тракт был дополнительно оснащен электронно-счетным частотомером. Считывание интенсивности сигнала проводится через специально разработанный интерфейс связи.

Телескоп оснащен специальными кодовыми датчиками положения, которые сохраняют значение ноль-пункта после выключения питания, с разрешением 0.6І. Наличие подобных датчиков позволяет создать систему наведения телескопа на объект, базирующуюся на кодах углов, считываемых с датчиков. Поэтому возникла необходимость детального изучения ошибок датчиков, горизонтальной платформы и осей вращения телескопа. В связи с этим основная работы посвящена теории инструментальных ошибок наведения телескопа с альтазимутальной монтировкой. Разработана методика определения параметров модели ошибок, идея которой заключается в разделении неизвестных на вычисляемые лабораторными измерениями и полученных в результате наблюдений звезд.

Проведено около 12 серий наблюдений звезд на протяжении трех лет (1998-2001 гг.). В результате обработки полученного материала, с помощью разработанного математического алгоритма, стало возможным определить 50 параметров модели ошибок телескопа.

С целью повышения точности модели ошибок, была разработана система автоматического наблюдения звезд. Она представляет собой программно-аппаратный комплекс для проведения сканирования изображением звезды по входной апертуре приемного тракта и определение положения максимума интенсивности сигнала. Преимущество этой системы, по сравнению с визуальными наблюдениями, состоит в том, что модель ошибок относится к центру чувствительности приемника, которым регистрируется также и отраженный от ИСЗ сигнал. В итоге, результаты проведенных работ, дали возможность построить новую, более точную модель ошибок наведения телескопа. Точность наведения телескопом на ИСЗ по этой модели достигла уровня 20І, что позволило, впервые на данном дальномере, производить наблюдения “невидимых” ИСЗ.

Разработан целостный пакет программ управления комплексом дальномера в реальном режиме времени, имеющий три части :

управление телескопом;

управление процессом измерения дальности;

тестирование и контроль аппаратуры.

Программы разработаны для IBM совместимых компьютеров и работают в операционной системе DOS.

По результатам наблюдений ИСЗ LAGEOS-1 и LAGEOS-2 вычислено геоцентрический вектор положения лазерного дальномера. Произведен сравнительный анализ координат реперной точки дальномера, полученных из разных методик – из геодезической локальной привязки к маркерам, координаты которых вычислены по GPS наблюдениям, и по результатам лазерных наблюдений ИСЗ LAGEOS-1 и LAGEOS-2.

Ключевые слова: модель ошибок, телескоп, лазерная локация ИСЗ, лазерный спутниковый дальномер, алгоритмы программ.

ABSTRACT

Suberlak V.The development and realization soft-hardware system for high precision SLR.- Manuscript. Thesis for candidate scientific degree in Physical and Mathematical Sciences by speciality 01.03.01 - Astrometry and Сelestial Mechanics. - The Main Astronomical Observatory of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2002.

The dissertation deals with a problem of the determination of the instrumental mount errors for the satellite laser ranging (SLR) station telescope. Research on the determination of the mount errors model of this telescope was carried out at the permanent satellite laser ranging station "Kyiv-Golosiiv" (SLRK) located in the Main Astronomical Observatory of the NAS of Ukraine. Method of the determination and solving the errors model on the basis of observation of bright stars was proposed. The paper describes the theory of the instrumental errors of the telescope, errors nature, procedures of their accounting and exclusion. The key idea of this research is an automation of the stars observation process by the scanning procedure. As the receiving path of SLRK is based on a photomultiplier tube and the telescope is equipped with angular encoders, it was used for the stars observation not via the guide of the telescope but with using the photomultiplier optical axis. The results that are evidence of efficiency and increasing of the error model accuracy by means of automation of the model parameters solving are given. Proposed method allows to get more precise determination of the model parameters before an each ranging period, and increases the pointing and tracking accuracy of an artificial satellite via telescope. It was also found that the model has the time dependent parameters. The dissertation also describes the software developed for solving tasks mentioned, namely: pointing to a star, star scanning, data observation processing, parameters determination of the mount errors model . The coordinates of the SLRK station reference point are computed on the basis of LAGEOS-1 and LAGEOS-2 observations conducted since 24 Jan 2001 till 17 Jun 2001.

Keywords: telescope, mount errors model, laser, satellite laser ranging, SLR station, software.