Направления развития сети оптических обсерваторий НСОИ АФН

Направления развития сети
оптических обсерваторий
НСОИ АФН/ISON
Игорь Молотов
Институт прикладной математики
им. М.В. Келдыша РАН
im62@mail.ru
www.astronomer.ru
Околоземная астрономия - 2013
Отправная точка проекта
• Распад СССР привел к тому, что большая часть
обсерваторий осталась за рубежом и доступ к ним
российских астрономов был затруднен, связи в
астрономическом сообществе стран бывшего СССР
оказались разорваны
• Массовый переход на ПЗС-камеры не произошел из-за их
дороговизны, а фотопластинки прекратили выпускаться
• В 2001 г. образована экспертная рабочая группа Совета
РАН по космосу по проблеме космического мусора.
Распоряжением Президиума РАН №10103-142 от
28.02.2001 г., на ИПМ им М.В. Келдыша возложены
обязанности по проведению работ по сбору, обработке и
анализу информации по космическому мусору
Цели проекта НСОИ АФН
• Поддержка обсерваторий бывшего СССР
• Запуск интеграционных процессов на постсоветском
астрономическом пространстве
• Сохранение и модернизация существующих
телескопов в странах СНГ
• Поддержка телескопостроения, развитие
астрономического программного обеспечения
• Решение научных и прикладных задач, требующих
участия распределенной наблюдательной сети
• Наполнение данными центра сбора, обработки и
анализа информации по космическому мусору при
Баллистическом центре ИПМ им. М.В. Келдыша РАН
Основные вехи проекта НСОИ АФН
• Май 2001 г. – пробные ПЗС-наблюдения в Пулково
• 2002 – грант на выяснение состояния обсерваторий СНГ
• 2003-04 – подача заявок на новые гранты, попытки первых
координированных наблюдений
• 2005-2006 – дооснащение ПЗС-камерами, начало
производства новых телескопов, появление АПЕКСа, ХАОСа
• 2007-2008 – начало регулярных наблюдений, переход на
самофинансирование
• 2009-2010 гг. – формирование подсистем телескопов,
создание первой эксплуатирующей организации
• 2010 – начало работы астероидных обзоров, обсерватории
для Роскосмоса, расчеты прогнозов опасных сближений
• 2011-12 –организация обсерватории в Кисловодске,
создание второй эксплуатирующей организации
Научная сеть оптических инструментов для
астрометрических и фотометрических наблюдений
• Проект кооперации обсерваторий на хозрасчете (33
обсерватории и наблюдательных пункта с 70-ю
телескопами в 14 странах мира)
• Группа координации проекта организована в ИПМ им.
М.В. Келдыша РАН
• Центр обработки данных по космическим объектам
создан в ИПМ им. М.В. Келдыша РАН
• Преимущественная область мониторинга НСОИ АФН высокие орбиты (геостационарная – ГСО и
высокоэллиптические – ВЭО)
• Проводятся эксперименты по наблюдению объектов на
низких и средневысоких орбитах (НОКО и СВО)
Поддержка обсерваторий
• Возобновлены наблюдения в Уссурийске, Тарихе (Боливия),
Китабе (Узбекистан), Абастумани (Грузия), Гиссаре и Санглоке
(Таджикистан), Благовещенске, Ужгороде (Украина),
Приозерске (Казахстан), Хуралтоготе (Монголия)
• Новые пункты наблюдений созданы в Тирасполе, Мильково
(Камчатка), Артёме (Дальний Восток), Лесосибирске,
Кисловодске, Синалоа (Мексика)
• Модернизация существующих телескопов в странах СНГ (80см телескопы в Маяках и на Терсколе, 64-см телескоп АТ-64 в
Научном, 60-см Цейссы-600 в Андрушёвке, Тарихе, на
Санглоке, в Архызе, 60-см телескопы в Маяках и Андрушёвке)
• Приобретено 60 ПЗС-камер, установлено 40 новых телескопов
• Созданное программное обеспечение используется в 90%
обсерваторий стран СНГ
Научная сеть оптических инструментов для
астрометрических и фотометрических наблюдений
Текущие основные задачи НСОИ АФН
• Исследования космического мусора (ИПМ им.
М.В. Келдыша РАН)
• Участие в обеспечении безопасности космических
полётов (ЦНИИмаш, ОАО «ИСС им. Решетнёва»)
• Участие в анализе космической обстановки (ОАО
«МАК «Вымпел»)
• Изучение астероидов, сближающихся с Землей
(НИИ «Институт астрономии» ХНУ)
• Поиск новых астероидов и комет (ЛА)
• Наблюдение оптического послесвечения гаммавсплесков (ИКИ РАН)
Структура оптической сети НСОИ АФН
• кооперация оптических обсерваторий:
- поисково-обзорная подсистема
- подсистема сопровождения слабых КО по ЦУ
- подсистема сопровождения ярких КО по ЦУ
- подсистема астероидных обзоров
- подсистема для фотометрических наблюдений
астероидов
• группы технической и программной поддержки
• группы производства телескопов и монтировок
• центры планирования наблюдений и обработки
измерений
• группа координации и планирования работ по
развитию сети
Глобальная поисково-обзорная подсистема:
двенадцать 22-25 см телескопов с полем
зрения 3.5- 5.5 градусов
Созданы эффективные алгоритмы и программы планирования
работы телескопов, учитывающие многочисленные параметры
(положение траекторий всех КО, тени Земли, Млечного пути и
др.) и обеспечивающие возможность наблюдений сотен КО в
области ГСО и ВЭО одним телескопом за ночь
Глобальная поисково-обзорная подсистема
- 12 небольших автоматизированных телескопов вокруг
Земного шара + один 50-см телескоп в Барселоне
- централизованное планирование в ИПМ
- каждый телескоп производит обзор видимой части ГСО в
полосе шириной 18 градусов и получает несколько тысяч
измерений по нескольким сотням объектов за ночь
- проницание – до 15,5 звездной величины, длительность
проводок 15 – 40 минут
- эти обзоры обеспечивают измерения для всех ярких ГСОобъектов, обеспечивая ведение динамического
орбитального архива в ИПМ
-
попутно обнаруживается множество некаталогизированных
фрагментов и объектов новых запусков
- попутно обнаруживаются много ВЭО-объектов
Подсистема для расширенных ГСО-обзоров и
обзоров ВЭО-объектов: 18-см и 19,2 см
телескопы с полем зрения 7х7 и 7х9 градусов
Планирование расширенных ГСО-обзоров –
больше выбранных барьеров позволяют
проходить за ночь ГСО в несколько раз чаще
Подсистема для расширенных ГСО-обзоров
- 4 автоматизированных телескопа
- централизованное планирование в ИПМ
- каждый телескоп производит обзор видимой части ГСО
в полосе шириной 18 градусов и получает до 15 тысяч
измерений по 500 – 700 объектов за ночь
- проницание – до 14 звездной величины, длительность
проводок до нескольких часов
- Эти обзоры позволяют ИПМ построить более точные
орбиты ГСО-объектов дпри расчете опасных сближений,
оперативно обнаруживать маневры активных КА и
помогают идентифицировать объекты в кластерах
- попутно обнаруживаются много ВЭО-объектов
Пример распределения проводок по
длительности в обзоре Санглока
Локальные обзоры областей сгущений
орбит ГСО-фрагментов
С 2011 г. локальные обзоры
позволили обнаружить уже
порядка 200 новых
объектов
Подсистема для наблюдений слабых КО:
AT-64 Научный-1, RC-800 Маяки, ОРИ-50 Уссурийск
AЗТ-8 Гиссар, АЗТ-14 Монды, Цейсс-600 Архыз, ОРИ-40 Китаб
ЧВ-500 Кисловодск,
Подсистема сопровождения космических объектов по
целеуказаниям: ГАС-250 в Уссурийске, BNC-250 в
Ужгороде, ОРИ-25 в Благовещенске, ОРИ-25 в
Тирасполе, ОРИ-25 в Кисловодске, PH-1 в Научном-1,
АЗТ-28 в Приозерске
Рост количества измерений по КО
сети НСОИ АФН за 2003 – 2012 гг.
Количество телескопов НСОИ АФН по ночам
наблюдавших в 2013 года
Количество ГСО и ВЭО объектов по ночам
наблюдавших в 2013 года
При Баллистическом центре ИПМ организованы Центр РАН по
сбору, обработке и анализу информации о космическом
мусоре, а также Сегмент АСПОС ОКП мониторинга опасных
ситуаций в области ГСО, ВЭО и СВО
• Созданы программно-алгоритмические комплексы для ведения
динамического орбитального архива, массовой обработки
получаемого потока информации, идентификации измерений с
орбитами из архива, уточнения параметров орбитального
движения, прогнозирования и оценки параметров опасных
сближений «защищаемых» КА с КО «риска», выявление фактов
разрушения КО, планирования наблюдений и расчета целеуказаний
• В режиме службы проводится анализ позиционных измерений,
поступающих от сети НСОИ АФН каждую ночь, расчет целеуказаний
для обсерваторий сети, обновляется банк данных измерений и
орбит, выполняется анализ орбитальной эволюции наблюдавшихся
за ночь объектов
• Создается программно-аппаратный комплекс ведения архива
первичной информации (ПЗС-кадров) из обсерваторий НСОИ АФН
Научные задачи мониторинга ОКП
• Определение фактической населённости орбит в интересах
построения и верификации эволюционной модели
популяции объектов космического мусора
• Совершенствование используемых моделей движения (в
особенности для объектов с большим отношением площади
к массе), в т.ч. в интересах баллистического обеспечения
научных КА (например, Радиоастрон)
• Улучшение методов и алгоритмов обнаружения новых КО,
построения и регулярного уточнения многих тысяч орбит
• Оптимальное планирование наблюдений для получения
подтверждающих измерений по вновь обнаруженным
объектам и обеспечения устойчивости их траекторного
сопровождения
• Создание математических моделей для определения
вероятных источников образования обнаруженных объектов
• Разработка научно обоснованных предложений по
снижению засоренности (в т.ч. очистке) ОКП
Работы в интересах АСПОС ОКП
Основные решаемые задачи:
- мониторинг объектов в области ГСО, ВЭО и СВО;
выявление объектов риска и возможных опасных
ситуаций, связанных с этими объектами;
- сбор измерительной информации, обеспечивающей
требуемую точность количественных оценок риска
- выявления фактов нарушения существующих
международных рекомендаций по снижению
техногенной засоренности
- поддержание в актуальном состоянии баз данных по
всем техногенным объектам в областях
ответственности
- поддержка международной деятельности РФ
26
Центр РАН по сбору, обработке и анализу информации о
космическом мусоре и Сегмент АСПОС ОКП мониторинга
опасных ситуаций в области ГСО, ВЭО и СВО
• В ИПМ им. М.В. Келдыша РАН поддерживаются 3 базы данных (БД)
– ORDA (ОАО «НПК СПП») , АСПОС (ЗАО «НПП Проект-техника») и
ADAPS (ЗАО «НьюКомТехнолоджис»)
• В БД ADAPS через созданный веб-интерфейс собираются измерения
НСОИ АФН, которые идентифицируются и поступают в БД ORDA и
АСПОС, а также рассылаются заказчикам
• Первоначальный расчет опасных сближений выполняется в БД
ORDA, который потом поступает в базу АСПОС
• В БД АСПОС прогнозы опасных ситуаций уточняются по результатам
дополнительных наблюдений, а затем производится их выдача по
выделенному каналу связи в ЦУП ЦНИИмаш вместе с орбитами
сближающихся объектов и ковариационными матрицами ошибок
• В БД АСПОС работают планировщики обзорных наблюдений и
наблюдений по ЦУ – с возможностью удаленного доступа
База данных ИПМ
• На 15 апреля 2013 в базе данных АСПОС содержится
измерительная и орбитальная информация по 4800
объектам, наблюдавшимся сетью НСОИ АФН, в т.ч.:
- 1800 КО геостационарной области;
- 2700 КО на высокоэллиптических орбитах;
- 270 КО на средневысоких орбитах;
- по 3260 ГСО, ВЭО и СВО объектам, находящимся на
орбите, включая 960 КО открытых проектом НСОИ АФН
за 10 лет работы
• 15,6 млн. астрометрических измерений
• 14,8 млн. измерений блеска
• 2 млн. записей с оценкой орбитальных параметров и
соответствующих ковариационных матриц ошибок
Научная сеть оптических инструментов
• Основной источник информации для прогноза
опасных событий на высоких орбитах в рамках
проекта АСПОС ОКП, обеспечивает 97%
отечественных данных по высоко-орбитальным КО
для решения задач мониторинга ОКП
• Превосходит сеть слежения США в части
мониторинга ГСО - НСОИ АФН наблюдает на 600
ГСО-объектов больше
• Обеспечивает более оперативное (по сравнению с
США) обнаружение КО новых запусков на ГСО,
маневров КА, получение более точных орбит с
большей частотой обновления
• За 2012 год получено почти 6 млн. измерений по
3200 объектам
• За 2012 год обнаружено 270 новых КО (2011 – 168
КО, 2010 – 61 КО)
Объекты на ГСО, ВЭО и СВО в базе
данных ИПМ им. М.В. Келдыша РАН
Объекты, ассоциированные с
запусками на орбиты типа Молния
Объекты,
ассоциированные с
запусками на
геопереходные орбиты
Объекты, произошедшие на
ГСО
Распределение 1758 ГСО-объектов в базе данных
ИПМ по периоду и наклонению
синие точки – 1162 объекты, имеются также у США
красные точки – 597 объектов, отсутствующих в данных США
Распределение ГСО объектов по
эксцентриситету и отношению площади к
массе
Распределение по типам ГСОобъектов и блеску в базе данных ИПМ
approx. 1 m
size
approx. 10 cm
size
Распределение по блеску и количеству
фрагментов КМ (включая объекты с большим
отношением площади к массе)
примерно
1м
Примерно
10 см
Распределение ВЭО-объектов, наблюдавшихся
сетью НСОИ АФН, по эксцентриситету и наклонению
Распределение по эксцентриситету и периоду 300
фрагментов, открытых сетью НСОИ АФН
Распределение по наклонению и периоду 300
фрагментов, открытых сетью НСОИ АФН
Существующие проблемы
• в области ГСО – плохое перекрытие западной зоны, большие
разрывы в сопровождении фрагментов - много теряется
• недостаточная регулярность и точность наблюдений активных
спутников (с запозданием выявляются совершаемые
маневры, путаница в кластерах на ГСО)
• резкое ухудшение качества в летний период (короткие ночи)
• в области высокоэллиптических орбит сопровождается
только 15% объектов, периодически обнаруживается и
теряется порядка 50% популяции ВЭО-объектов.
Не хватает телескопов сопровождения по ЦУ
• Каталог перестал прирастать – сколько обнаруживается
новых КО, столько же и теряется
• в области средневысоких орбит типа ГЛОНАСС/GPS – объекты
космического мусора практически не сопровождаются (хотя
они периодически обнаруживаются)
Перекрытие геостационарной орбиты для
фрагментов космического мусора в первую
половину 2012 г
181
161
141
121
101
81
61
41
21
1
-180
-150
-120
-90
-60
-30
0
30
60
90
120
150
180
Необходимые направления развития сети
оптического мониторинга
• Резкое (в несколько раз ) увеличение объема
измерительной информации для повышения точности и
увеличения количества сопровождаемых КО
• Увеличение регулярности обзоров ГСО (лучшее перекрытие
западной зоны, снижение зависимости от погодных
условий)
• Обеспечение обнаружения и отслеживания фрагментов
космического мусора на всем протяжении ГСО
• Обеспечение равномерности потока данных вне
зависимости от времени года (установка обсерваторий в
Южном полушарии)
• Качественное улучшение работы по обнаружению и
сопровождению ВЭО объектов
• Начало наблюдений объектов на СВО
• Отработка методики оптических наблюдений КО на низких
орбитах
Планы поэтапного развития сети НСОИ АФН
• Нарастить подсистему обзорных телескопов 20 см
(поле зр. 7х7 градусов) и 50 см (поле зр. 4х4
градусов) в Западном и Южном полушариях
• Нарастить подсистему сопровождения слабых
фрагментов по ЦУ
• Нарастить подсистему сопровождения ярких
объектов по ЦУ
• Создать подсистему телескопов для наблюдений
низкоорбитальных фрагментов
• Специализированный кометный поиск
• Запуск новых астероидных обзоров
• Формирование подсистемы для подхвата
открываемых астероидов и комет
Развитие подсистемы сопровождения слабых КО:
40-см в Синалоа, 50-см в Благовещенске, 40-см в
Ужгороде, ОРИ-40 в Хуралтоготе, Цейсс-600 на
Санглоке и в Тарихе
Развитие подсистемы сопровождения ярких КО:
ТАЛ-250 в Барнауле, Чугуеве, Маяках, Тарихе, ОРИ25 на Маконе (Аргентина), РК-360 в Китабе
Заключение
• Сеть НСОИ АФН является уникальным научным инструментом
и обеспечивает 97% отечественных данных по ВОКО
• В ИПМ им. М.В. Келдыша РАН создан Центр сбора, обработки
и анализа информации по техногенным объектам в ОКП.
Выполняется прогноз опасных событий на высоких орбитах
• Обнаружено 960 ранее неизвестных ВОКО. Количество
относительно ярких ГСО-фрагментов непрерывно
увеличивается, это является неожиданным фактом, учитывая,
что обзоры области ГСО проводятся уже несколько лет
• В геостационарной области оказалось неожиданно
значительное количество объектов нового класса - с большим
отношением площади к массе, которые со временем
начинают пересекать области высокоэллиптических и даже
низких орбит
• Выполняется развитие подсистем для сопровождения ярких и
слабых КО, а также для расширенных обзоров области ГСО
Информационная поддержка проекта НСОИ АФН
Сайт: www.astronomer.ru
Форум: http://astronomer.ru/forum/index.php