Виктор Петров - Искусственный спутник земли

Существо астрономического метода ориентировки ИСЗ сводится к следующему. Определение координат географического места спутника (см. рис. 47 и 48, точка С ) может быть получено одним из наиболее распространенных методов астроориентировки, основанном на одновременном измерении высоты двух светил. Этот метод широко применяется в морской и авиационной навигации. Его сущность состоит в следующем: из точки С одновременно измеряем зенитное расстояние двух звезд S 1и S 2.

Поскольку координаты ГМС (точки А и В ) нам известны, то измеренные зенитные расстояния Z 1и Z 2позволяют построить два круга равных высот, пересекающихся в точках С и D . В простейшем случае такое построение может быть осуществлено на глобусе, для чего необходимо установить ножку циркуля в точке ГМС звезды (например, в точку А ), отложить дугу АС , равную зенитному расстоянию, и провести окружность — круг равных высот. Аналогичный круг равных высот строится и для второго светила S 2. Поскольку круги равных высот пересекаются в двух точках ( С и D ), расположенных на значительном расстоянии друг от друга, а вероятное местоположение наблюдателя (корабль, самолет) обычно бывает известно, то выбирается точка в районе предполагаемого места. В нашем случае координаты точки С и являются искомыми координатами местонахождения наблюдателя на земной поверхности. Очевидно, для решения этой задачи необходимо иметь оптическое устройство, позволяющее определять направление на звезды и измерять углы между плоскостью горизонта и направлением на звезды. В мореходной и авиационной практике в качестве таких приборов служат секстанты.

Секстант — это прибор, состоящий из оптического устройства, с помощью которого осуществляется визуальное наблюдение за звездой, и вертикали, относительно которой измеряется зенитное расстояние наблюдаемой звезды.

В подавляющем числе случаев в качестве вертикали секстанта используется хорошо известный жидкостной уровень, работающий на принципе маятника.

Если методы астрономической навигации, использующие секстанты, могут быть приемлемы для искусственного спутника Земли, то сами приборы — секстанты непригодны для непосредственного использования на ИСЗ.

Астронавигационными приборами, устанавливаемыми на искусственном спутнике Земли, должно осуществляться автоматическое слежение за небесными светилами, а также должен применяться принципиально новый способ определения вертикали.

Если на Земле положение вертикали определяется без какого-либо труда, так как любое подвешенное на нити тело дает направление вертикали, то в условиях спутника Земли определение направления линии отвеса, или вертикали, представляет чрезвычайно сложную задачу. Объясняется это тем, что вследствие равенства центробежной силы и силы тяготения все тела внутри ИСЗ невесомы, и определение направления вертикали с помощью маятниковых устройств не представляется возможным.

В связи с этим на искусственном спутнике Земли необходимо иметь специальное устройство, определяющее вертикаль. Одним из возможных способов определения ее в условиях ИСЗ является оптический способ. Суть этого способа заключается в том, что на ИСЗ устанавливается трехлучевая оптическая система, следящая за видимыми краями Земли. Углы между оптическими осями телескопов, следящих за видимыми краями (горизонтом) Земли, одинаковые, благодаря чему направления оптических осей телескопов образуют трехгранную пирамиду, опирающуюся своими гранями (рис. 49) на поверхность Земли, с вершиной на ИСЗ. По законам геометрии продолжение оси такой пирамиды обязательно пройдет через центр Земли. Она и будет искомой вертикалью на ИСЗ.

Несмотря на кажущуюся простоту, практическое выполнение такой вертикали встречает существенные трудности, одновременное слежение за освещенными и затененными поверхностями Земли является сложной технической задачей. Кроме того, неровности поверхности Земли (горы), а также облачность и дымка могут вызвать погрешности в определении вертикали. Для устранения влияния облачности и дымки могут быть использованы световые фильтры, позволяющие видеть тепловые излучения поверхности Земли в инфракрасной области спектра.

Точность трехлучевой оптической вертикали может быть высокой. Так, например, при полете ИСЗ на высоте 500 км и превышении отдельных участков горизонта на 10 км отклонение оси оптической пирамиды от истинной вертикали может не превышать один градус.

Другие известные в настоящее время способы определения вертикали на ИСЗ имеют малую точность.

В качестве примера рассмотрим способ, использующий экранирующее свойство земного шара по отношению к изотропной составляющей космических лучей. Эта составляющая состоит в основном из нейтронов, не отклоняемых магнитным полем Земли.

Чтобы использовать это свойство, расположим на спутнике 2–4 счетчика космических частиц направленного действия и направим их на линию горизонта (рис. 50) так же, как были направлены телескопы в рассмотренном оптическом устройстве.

Если под действием каких-либо причин какой-то счетчик окажется направленным ниже линии горизонта, то счетчик, расположенный против него, будет направлен выше линии горизонта. Тогда вследствие экранирующих свойств Земли число частиц, регистрируемых первым счетчиком, станет равным нулю, а у второго счетчика число регистрируемых частиц резко возрастет.

Поступающий от счетчика разностный сигнал после усиления можно подать на устройство типа вращающихся маховичков, восстанавливающее направление вертикали на спутнике к центру Земли. Предполагают, что такой метод стабилизации позволит получить вертикаль на спутнике с ошибкой не более 10°.

Подобная ошибка является большой для астрономической ориентировки. Но такая точность определения вертикали достаточна для решения некоторых задач, не требующих большой точности ориентации ИСЗ в пространстве.

Оптическое устройство, следящее за краями Земли, и устройство с направленными счетчиками требует автоматического изменения угла между ними (α) в зависимости от высоты полета ИСЗ над Землей, которая будет все время меняться, так как спутник имеет эллиптическую орбиту, что вызывает усложнение этих устройств.