Контрольная работа на тему Определение параметров движения околоземных космических аппаратов

Содержание:

Введение……………………………………………………………………………………………….. 2

1 Влияние параметров околоземного
пространства на движение КА……………. 3

1.1 Структура и свойства ОКП……………………………………………………………… 3

1.2 Влияние гравитационного поля
Земли……………………………………………… 4

1.3 Влияние электромагнитного поля
Земли…………………………………………… 5

1.4 Учёт атмосферы Земли…………………………………………………………………… 5

1.5 Выводы к разделу………………………………………………………………………….. 6

2 Основы механики космического полёта………………………………………………….. 7

2.1 Системы координат, используемые
при описании движения КА…………. 7

2.2 Уравнения движения КА………………………………………………………………… 9

2.2.2 Возмущенное движение КА……………………………………………………….. 12

2.3 Выводы к главе……………………………………………………………………………. 13

3 Определение параметров орбиты по
результатам многих измерений………. 14

3.1 Внешнетраекторные измерения……………………………………………………… 14

3.2 Автономное определение параметров
движения околоземного КА……. 16

3.2.1 По измерениям спутниковых
навигационных систем………….. 16

3.2.2 Навигационные системы на базе
гироскопов……………………… 17

Заключение…………………………………………………………………………………………… 19

Список использованной литературы……………………………………………………….. 20

Введение:

В настоящее время происходит интенсивное освоение
космического пространства [1]. Подавляющее большинство космических миссий
проходит в околоземном пространстве (ОКП) — ближайшей и наиболее доступной
исследованию области космического пространства. Актуальным является
прогнозирование и измерение параметров движения космических аппаратов (КА) в
околоземном пространстве.

Цель настоящей работы заключается в исследовании вопросов
описания и управления движением КА в ОКП.

Основным инструментом системного анализа космических
миссий является математическая модель движения космического аппарата. Для
описания движения КА используют совокупность дифференциальных уравнений,  однозначно определяющих траекторию полета КА
[1].

Для точного предсказания траектории движения КА и
управления полетами модель должна учитывать множество факторов:  характеристики гравитационных и иных полей, а
также атмосферы, параметры летательного аппарата (характеристики двигательной
установки, аэродинамические характеристики), 
законы управления движением летательного аппарата.

На этапе эксплуатации КА определяющими являются вопросы
экспериментального определения параметров движения и управления ими.

Таким образом, для решения поставленной цели были
обозначены следующие задачи:

1. определить влияние структуры и свойств ОКП на
параметры движения  КА (первая глава);

2. определить основные законы движения КА (вторая глава);

3. ознакомиться с особенностями экспериментального
определения параметров движения (третья глава).

Заключение:

В настоящей работе рассмотрены вопросы влияния структуры
и свойств ОКП на параметры движения  КА;
основные уравнения, описывающие  движение
КА, а также поднят вопрос экспериментального определения параметров движения в
процессе эксплуатации КА.

На основании
выполнной работы можно сделать вывод, что в настоящее время основным
инструментом при планировании космических миссий является математическое
моделирование. Однако многие параметры, необходимые для точного описания
движения КА ещё не изучены. Поэтому при планировании миссий используют
приближенные математические модели с множеством упрощений.

В процессе выполнения
космических миссий параметры движения наиболее часто определяются по измерениям
оптических или радосигналов на приемнике, который располагается на наземных
пунктах. Однако такой способ измерения ограничен временем «видности» КА.
Поэтому современные разработки измерительных систем направлены на автономность
определения параметров движения с применением систем ГЛОНАСС и GPS. Кроме того,
перспективными являются разработки навигационных систем на базе гироскопов.

Фрагмент текста работы:

1 Влияние параметров околоземного пространства на движение КА

1.1 Структура и свойства ОКП

На этапе проектирования и создания КА и, соответственно,
прогнозирования параметров его движения необходимо знание условий полёта [1].
Поэтому в первую очередь определим границы околоземного космического
пространства (ОКП) и его свойства.

Хотя в настоящее время границы ОКП четко не установлены,
под околоземным пространством, как правило, понимают ближний космос,
находящийся от 100 км до 47000 км над поверхностью Земли [2].

Нижняя граница ОКП обусловлена границей ОКП с атмосферой
Земли, которая составляет 100 км согласно международному соглашению.

За верхнюю границу ОКП принимают максимальную высоту
искуственных спутников, которая составляет примерно 36000 км для
геостационарных спутников и до 47000 км в случае высоких эллиптических
орбит.

Существуют и другие оценки границ ОКП (например, за
верхнюю границу ОКП принимают пространство до орбиты Луны), однако оценка
авторов работы [2] позволяет рассматривать космическое пространство, наиболее однородное
по наличию полей и физическим свойствам.

Область ОКП по международной классификации орбит по
высоте делится на:

1. Область низких орбит LEO (Low Earth orbit)
(700-2000 км). В области низких орбит сосредоточено около 60 % КА.

2. Средневысотные орбиты МEO (Medium Earth orbit) (до
5000 км) располагаются между первым и вторым радиационными поясами.

3. Высокие эллиптические орбиты НEO (High eccentric
orbit) (свыше 5000 км) — это тип эллиптической орбиты, у которой высота в
апогее во много раз превышает высоту в перигее.

4.   GEO (Geostationary Earth orbit) – геостационарная
орбита Земли с высотой над поверхностью Земли приблизительно 35 800 км [3].

При проектировании КА и планировании космических миссий
необходимо учитывать следующие особенности ОКП:

— гравитационные и электромагнитные поля Земли
воздействуют на траекторию движения КА в ОКП;

— вблизи поверхности Земли атмосфера  оказывает сопротивление (особенно для КА с
перигеем орбиты 200–800 км) ;

— на параметры КА (наличие помех в связи, работоспособность
электроники, деградацию конструкционных 
материалов корпуса КА и т.п.) могут оказывать влияние глубокий
космический вакуум, тепловое излучение, космические лучи, солнечное излучение,  радиационные пояса Земли, космический мусор
[2].

1.2 Влияние гравитационного поля Земли

Анализ влияния гравитационного возмущения на движение КА
по низким и высоким эллиптическим орбитам показывает, что в среднем орбиты не
изменяют своих размеров и формы (т. е. большая полуось, фокальный
параметр, эксцентриситет, высота апогея и перигея). Вместе с тем, орбиты
постепенно поворачиваются вокруг оси вращения Земли, происходит вращение линии
аспид (апогей-перигей). Это существенно влияет на баллистическую устойчивость
КА [2]. Поэтому на практике стараются таким образом организовать движение КА,
чтобы максимально снизить влияние гравитационного поля Земли.

Кроме того, с высокой точностью учесть влияение
гравитационного поля Земли затруднительно из-за того, что Земля представляет
собой неоднородное тело вращения, имеющее сложную конфигурацию поверхности. За
более близкую к реальной форме Земли принимают геоид. Однако в настоящее время
данных для точного математического описания геоида недостаточно. При проведении
математического моделирования в качестве приближений к геоиду принимают сферу,
эллипсоид вращения или трёхосный эллипсоид [1].

Для практического использования Международным
астрономическим союзом рекомендована следующая форма записи сил притяжения
Земли: (1) где r, φʹ, L – соответственно радиус, геоцентрическая широта и
геодезическая долгота точки; RЗЭ – средний экваториальный радиус
Земли; Jn, cnk, snk – безразмерные
коэффициенты, зависящие от формы Земли и распределения масс внутри неё; Pn
и Pn(k) – полином Лежандра и присоединённая функция
Лежандра, вычисляемые по известным аналитическим зависимостям.

1.3 Влияние электромагнитного поля Земли

Воздействие электромагнитного поля на траекторию движения КА обусловлено
тем, что на борту КА всегда существуют электрические цепи, магнитные приборы,
которые создают собственное магнитное поле космического аппарата.
Взаимодействие собственных полей КА с электромагнитным полем Земли приводит к
возникновению момента сил, ориентирующего магнитный диполь КА по силовым
магнитным линиям. Если ось Земли лежит в плоскости орбиты, то КА совершает за
один виток два полных оборота вокруг своей оси [1].

1.4 Учёт атмосферы Земли

По составу воздуха
атмосферу подразделяют на гомосферу и гетеросферу. В гомосфере, простирающейся
до высот порядка 100 км, состав воздуха с высотой практически постоянен. В
гетеросфере азот, кислород и другие газы под действием ультрафиолетового
излучения диссоциируют и находятся в ионном состоянии. Кроме того, плотность и
давление воздуха с увеличением высоты уменьшаются. Учитывать воздействие
атмосферы необходимо как при