Разработка и исследование методики геоинформационного моделирования трехмерных динамических сцен околоземного космического пространства тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.35, кандидат наук Орлов Павел Юрьевич

• Орлов Павел Юрьевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Орлов Павел Юрьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ЗАСОРЕНИЯ ОКОЛОЗЕМНОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА

1.1 Анализ влияния космического мусора на освоение космического пространства

1.2 Обзор нормативно-правовой базы по космическому мусору и методов оценки рисков

1.3 Анализ тематических информационных систем, связанных с исследованием состояния околоземного космического пространства

Выводы по первому разделу

2 ИССЛЕДОВАНИЕ И ОЦЕНКА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ РАЗРАБОТКИ ГИС, ИСТОЧНИКОВ ДАННЫХ И АЛГОРИТМИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ОКОЛОЗЕМНОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА

2.1 Обзор современных библиотек и платформ для разработки web-ГИС

2.2 Представление орбитальных данных в рамках трёхмерной сцены с помощью графических библиотек и интегральная оценка их эффективности

2.3 Анализ и оценка информационного обеспечения по вопросам состояния околоземного космического пространства

2.4 Методы оценки положения космических объектов в околоземном космическом пространстве

Выводы по второму разделу

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И СОЗДАНИЕ ПРОТОТИПА ГИС ОКОЛОЗЕМНОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА С СОПУТСТВУЮЩЕЙ БАЗОЙ ДАННЫХ

3.1 Методика геоинформационного моделирования трёхмерных динамических сцен околоземного космического пространства

3.2 Разработка структурно-логической схемы прототипа ГИС околоземного космического пространства. Основные функции и параметры системы

3.3 Концептуальная модель базы данных космических объектов

3.4 Применение языка CZML для создания динамических сцен околоземного космического пространства

Выводы по третьему разделу

4 РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТРЁХМЕРНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ СЦЕН ОКОЛОЗЕМНОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА

4.1 Разработка программного средства для прогнозирования движения космических объектов и формирования файла трёхмерной динамической сцены

4.2 Реализация web-содержимого и оболочки для прототипа ГИС ОКП

4.3 Разработка алгоритма поиска пересечений трасс космических аппаратов для кросс-

калибровки целевой аппаратуры дистанционного зондирования Земли

4.4 Численные эксперименты по оценке влияния параметров орбиты космических аппаратов дистанционного зондирования Земли на конечную продукцию в рамках прототипа ГИС околоземного космического пространства и их результаты

4.5 Численные эксперименты по оценке точности модели прогнозирования SGP4 и их результаты

Выводы по четвёртому разделу

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ТЕРМИНОВ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование методики геоинформационного моделирования трехмерных динамических сцен околоземного космического пространства»

Актуальность темы исследования.

Многие десятилетия человечество полагало, что освоение космоса не несёт в себе угрозы засорения околоземной среды. К настоящему моменту, на орбите находится несколько сотен тысяч антропогенных объектов, менее двух тысяч из которых - активные спутники, а оставшееся количество - космический мусор (КМ). При этом лишь 5-10% от общего числа космических объектов (КО) наблюдаемы с Земли. Специалистам, которые сталкиваются с необходимостью принимать решения, предоставлять данные о ситуации на околоземных орбитах, выполнять научные исследования, зачастую не хватает инструментов, которые помогли бы выполнить надлежащим образом данную работу. Кроме того, на сегодняшний день космический мусор и космические аппараты не рассматриваются как объекты геоинформационного моделирования.

В настоящий момент существует ряд геоинформационных продуктов, предназначенных для решения задач сбора, систематизации, хранения, анализа, преобразования, отображения и распространения пространственно-координированных данных об объектах и явлениях на земной поверхности. Однако из вида упускается пространство над поверхностью Земли, заполненное антропогенными объектами и также нуждающееся в контроле и поддержке принятия управленческих решений. Кроме того, перед специалистами встаёт и проблема каталогизации КО. Актуализация и обновление данных в каталогах не носит систематический характер, к тому же достоверность предоставляемой информации о КО в полной мере не подтверждается. В первую очередь эти проблемы присущи широкодоступным открытым каталогам. В существующих каталогах космические объекты преимущественно представляются в виде точечных объектов. Следовательно, не учитываются: их размеры, особенности геометрической формы и ориентация в пространстве.

Объектом исследования настоящей работы является состояние околоземного космического пространства (ОКП) и его загруженность космическими объектами.

Отсюда вытекает предмет настоящей работы - программные средства, предназначенные для геоинформационного моделирования трёхмерных динамических сцен околоземного космического пространства, и сопутствующая база данных космических объектов, в которой могут храниться сведения о них, включая: размеры, особенности геометрической формы и ориентацию в пространстве.

Также актуальность исследования подтверждается ниже представленными нормативными документами:

• Указом Президента РФ от 7 июля 2011 г. № 899, содержащим приоритетные направления развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечень критических технологий Российской Федерации, - выполняемая работа соответствует направлениям «Информационно-телекоммуникационные системы», «Перспективные виды вооружения, военной и специальной техники» и «Транспортные и космические системы», а также относится к таким критическим технологиям РФ, как: «Базовые и критические военные и промышленные технологии для создания перспективных видов вооружения, военной и специальной техники», «Технологии информационных, управляющих, навигационных систем», «Технологии мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации её загрязнения», «Технологии и программное обеспечение распределённых и высокопроизводительных вычислительных систем», а также «Технологии предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера».

• Основными положениями Основ государственной политики Российской Федерации в области космической деятельности на период до 2030 года и дальнейшую перспективу, утверждёнными Президентом Российской Федерации от 19 апреля 2013 г. № Пр-906, а именно: Раздел II. Государственные интересы Российской Федерации в области космической деятельности, п. 5 и п. 6.

Степень разработанности научной проблемы.

Проблематика сбора данных, каталогизации КО, анализа, моделирования и визуализации состояния околоземного космического пространства с помощью современных аппаратных и программных средств является предметом активных научных изысканий иностранных академических и корпоративных исследователей. Однако ни в одной из опубликованных работ не обозначена четкая связь с геоинформатикой, а также не сформулировано понятие ГИС околоземного космического пространства.

Ранее вопросами распознавания космических объектов и звёзд на небесной сфере, а также прогнозирования движения объектов на околоземной орбите занимались, как отечественные (Крылов В.И., Краснорылов И.И., Назаренко А.И., Журкин И.Г., Чабан Л.Н. и др.), так и зарубежные (Т.Ш. Келсо, Ф.Р. Хутс, Р.Л. Рорих, Д.А. Валладо, Т.Ван и др.) исследователи.

С другой стороны, российскими исследователями данная тема практически не освещалась в открытой печати, ввиду традиционной закрытости космической тематики. Можно отметить такие административные трудности, как отсутствие публичного доступа к отечественному каталогу наблюдений за КО и отечественным программным средствам для визуализации состояния ОКП, а также зачаточное состояние рынка космических услуг.

Цели и задачи.

Основной целью настоящей диссертационной работы является разработка методики геоинформационного моделирования трёхмерных динамических сцен околоземного космического пространства. Для достижения заявленной цели в рамках исследовательских мероприятий были поставлены следующие задачи:

• Аналитический обзор тематической литературы в рамках настоящего исследования.

• Рассмотрение текущей нормативно-правовой документации по тематике исследований околоземного космического пространства.

• Формулирование и научное обоснование понятия ГИС ОКП.

• Сравнение существующих баз данных, каталогов космических объектов, программных решений для моделирования ОКП, их интегральная оценка и формулирование требований к атрибутивным данным разрабатываемой концептуальной модели базы данных (БД) КО.

• Сравнение, интегральная оценка и выбор оптимальной программной платформы для разрабатываемого прототипа ГИС ОКП.

• Исследование существующих и выбор подходящей модели прогнозирования для расчёта положения космических объектов.

• Разработка концептуальной модели и прототипа ГИС околоземного космического пространства с сопутствующей базой данных.

• Проведение экспериментальных исследований для проверки работоспособности прототипа геоинформационной системы ОКП и модели для прогнозирования движения космических объектов.

• Разработка алгоритма поиска пересечений трасс космических аппаратов для кросс-калибровки целевой аппаратуры (ЦА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).

• Проведение экспериментальных мероприятий по геоинформационному моделированию для сопровождения дистанционного зондирования Земли.

Научная новизна.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1) Впервые сформулировано понятие ГИС околоземного космического пространства, отличающейся от классических ГИС другим объектовым составом, а также обоснована целесообразность использования нового класса геоинформационных систем для исследования ближнего космоса с их классификацией по проблемной ориентации, целевому назначению и масштабу.

2) Геоинформационное моделирование предложено в качестве основополагающей методики визуализации и аналитического мониторинга состояния околоземного космического

пространства, позволяющей сформировать файл трёхмерной динамической сцены с конечным результатом: орбитой, трассой, точкой пересечения с объектом интереса и т.д.

3) Учёт формы, размеров и особенностей геометрической формы в базе данных космических объектов позволяет повысить точность прогноза и правильность принимаемых решений при оценке риска столкновений, а также при проведении мероприятий по слежению. Теоретическая и практическая значимость работы.

Поскольку в современной научно-технической литературе отсутствует понятие геоинформационной системы околоземного космического пространства, а методы геоинформационного моделирования применяются крайне ограниченно, данное исследование расширяет границы предметной области геоинформатики и ГИС.

Использование предложенной методики геоинформационного моделирования в рамках концептуальной ГИС околоземного пространства с интегрированной базой данных КО позволяет:

• Моделировать положение спутников в ОКП на заданный пользователем момент времени в пределах прогнозного сценария.

• Анализировать и обрабатывать пространственные данные, наиболее полно характеризующие выбранные космические объекты.

• Выполнять оценку возможности проведения съёмки аппаратами дистанционного зондирования Земли, планировать мероприятия по кросс-калибровке их целевой аппаратуры.

Основные результаты исследования применяются в АО «Корпорация «ВНИИЭМ» в ходе работ по сопровождению мероприятий кросс-калибровки ЦА ДЗЗ аппаратов «Канопус-В» №5 и «Канопус-В» №6, в АНО «Центр Дополнительного Образования «БУДУЩИМ-КОСМОНАВТАМ» в рамках дополнительного школьного образования по направлению «Геоинформационные системы и космический мониторинг», а также в учебном процессе Мытищинского филиала федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана (национальный исследовательский университет)» по профилю обучения «Космический мониторинг».

Методология и методы исследования.

Использованы методы геоинформационного моделирования космических объектов в околоземном пространстве, компьютерного моделирования с использованием аналитической модели прогнозирования SGP4, сравнительного анализа и интегральной оценки программных платформ, баз данных космических объектов и существующих программных средств

моделирования для последующего создания собственного геоинформационного программного обеспечения.

Использованы материалы доступных баз данных и каталогов космических объектов, орбитальные параметры в формате TLE, упрощённые общие модели возмущений SGP4 и SDP4, трёхмерные модели космических объектов, треки с бортового спутникового геодезического приемника КА «Канопус-В-ИК», а также инструментальное средство разработки ГИС с открытым исходным кодом Cesium.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1) Сформулированное понятие ГИС околоземного космического пространства, входящей в новый класс геоинформационных систем, предназначенных для работы с пространственными и атрибутивными данными космических объектов.

2) Разработанная методика геоинформационного моделирования, позволяющая визуализировать движение космических объектов и выполнять аналитический мониторинг состояния околоземного пространства.

3) Прототип концептуальной ГИС околоземного космического пространства с интегрированной базой данных космических объектов и программным средством для прогноза положения КО в ОКП на заданный интервал времени.

4) Алгоритм поиска пересечений трасс космических аппаратов для кросс-калибровки целевой аппаратуры дистанционного зондирования Земли.

5) Результаты численных экспериментов по оценке эффективности разработанного прототипа ГИС околоземного космического пространства и выбранной аналитической модели прогнозирования, доказывающие возможность применения данной системы, как для решения задач специалистов космической отрасли, так и в образовательных целях. Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Диссертационная работа соответствует следующим пунктам паспорта научной специальности 25.00.35 - «Геоинформатика»: 1 - «Теоретические и экспериментальные исследования в области развития научных и методических основ геоинформатики», 3 -«Геоинформационные системы (ГИС) разного назначения, типа (справочные, аналитические, экспертные и др.), пространственного охвата и тематического содержания», 6 -«Математические методы, математическое, информационное, лингвистическое и программное обеспечение для ГИС», 8 - «Компьютерные геоизображения новых видов и типов, анимационные, мультимедийные, виртуальные и другие электронные продукты». Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность результатов работы подтверждается: логикой постановки задач настоящего исследования, научной аргументированностью положений и выводов; всесторонним анализом

ранее выполненных исследований и разработок по исследуемому предмету; применением апробированных теоретических положений, корректным использованием математического аппарата; большим объёмом выполненных экспериментальных исследований; представлением сформулированных требований к концептуальной системе в рамках составной части научно-исследовательской работы «Исследование возможностей повышения эффективности контроля засоренности космического пространства» Шифр: СЧ НИР «Магистраль» (Устойчивость-КМ-МИИГАиК) договор № (149-1006-2014)-1322/340-2015 от 14.10.2015 г.; представлением результатов работ по повышению эффективности контроля состояния околоземного космического пространства, исследованию большого объёма данных о находящихся в нём объектах и выбору рациональных методов ДЗЗ на основе ГИС-технологий в рамках Государственного задания Минобрнауки РФ №5.6680.2017/8.9 (Развитие ГИС околоземного космического пространства).

Основные положения и результаты настоящей диссертации докладывались на:

• 6-ом Международном летнем студенческом семинаре ISPRS GEOMIR 3S-2015, 17-21 августа 2015 г., МИИГАиК, Москва, Российская Федерация;

• VIII Конференции «Геоинформационные технологии и космический мониторинг» под эгидой объединённой конференции «Экология. Экономика. Информатика», 6-12 сентября 2015 г., Краснодарский край, пос. Дюрсо, Российская Федерация;

• X Международной научно-практической конференции «Математические методы и модели анализа и прогнозирования развития социально-экономических процессов черноморского побережья Болгарии», 23-27 декабря 2015 г. Бургас, Болгария;

• 7-ом Международном летнем студенческом семинаре ISPRS GEOMIR 3S-2016, 15-19 августа 2016 г., Университет Тунцзи, Шанхай, Китайская Народная Республика;

• 72-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных МИИГАиК, посвящённой Дню космонавтики, 12-13 апреля 2017 г., МИИГАиК, Москва, Российская Федерация;

• 73-ей научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных МИИГАиК, посвящённой Дню космонавтики, 3-4 апреля 2018 г., МИИГАиК, Москва, Российская Федерация;

• Шестой международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы создания космических систем дистанционного зондирования Земли», 24 мая 2018 г., АО «Корпорация «ВНИИЭМ», Москва, Российская Федерация;

• Международной научно-технической конференции к 239-летию основания МИИГАиК «Пространственные данные как основа развития цифровой экономики России», 28 мая 2018 г., МИИГАиК, Москва, Российская Федерация;

• Всероссийской научной конференции с международным участием «Космический мусор: фундаментальные и практические аспекты угрозы», 17-19 апреля 2019 г., Институт космических исследований РАН, Москва, Российская Федерация;

• Седьмой международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы создания космических систем дистанционного зондирования Земли», 13 мая 2019 г., АО «Корпорация «ВНИИЭМ», Москва, Российская Федерация;

• Международной научно-технической конференции к 240-летию основания МИИГАиК «Пространственные данные - основа стратегического планирования, управления и развития», 27-29 мая 2019 г., МИИГАиК, Москва, Российская Федерация. Публикации.

Основные результаты исследований представлены в 11 научных публикациях, в том числе две опубликованы в журналах, входящих в перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных ВАК Министерства науки и высшего образования РФ, а также индексируемых в международной реферативной базе данных и системе цитирования Scopus. Объём и структура диссертационной работы.

Общий объём диссертации 190 страниц. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка терминов, списка использованных источников из 123 наименований, 3 приложений; содержит 25 таблиц и 65 рисунков.

Благодарности.

Автор выражает благодарность своему научному руководителю, д. т. н. Игорю Георгиевичу Журкину, а также к. т. н. Виктору Владимировичу Некрасову за помощь при написании работы. Автор признателен д. т. н. Виктору Борисовичу Непоклонову, д. т. н. Андрею Александровичу Майорову, к. т. н. Вениамину Станиславовичу Грузинову, к. т. н. Виктору Ивановичу Крылову, а также соавторам публикаций по теме настоящего исследования.

1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ЗАСОРЕНИЯ ОКОЛОЗЕМНОГО

КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА

1.1 Анализ влияния космического мусора на освоение космического пространства

Общее состояние околоземного космического пространства характеризуется различными параметрами. Весьма важным параметром является его засорение космическим мусором естественного и техногенного происхождения [ 1].

Освоение космического пространства, которое началось 60 лет назад, условно можно разделить на три периода [77; 88; 89]:

1) Первый период (1957 - 1975 гг.): Период политических амбиций. Именно на этом этапе человечество смогло побывать за пределами Земли и увидеть бескрайние просторы Вселенной. Результатом космической гонки, проводимой СССР и США, стал Первый искусственный спутник Земли, Первый пилотируемый космический полёт, Первый выход космонавта в открытый космос и Первая высадка на Луне. Однако эти достижения применялись скорее для усиления престижа стран-участниц гонки, а не для практического применения.

2) Второй период (1975 - 1995 гг.): Период практических задач. Человечество начинает осознанно изучать космическое пространство и использовать его для нужд человечества. Формируются группировки спутников глобальных навигационных систем GPS и ГЛОНАСС. Начинаются систематические исследования земной поверхности, а также её атмосферы методами дистанционного зондирования. Количество космических объектов искусственного происхождения, находящихся на орбите, достигает нескольких тысяч. Однако вопросам экологии космоса не уделяется должное внимание.

3) Третий период (1995 г. - настоящее время): Период неопределённости. Отсутствие чёткой государственной политики и проработанного плана по исследованию космического пространства у большинства космических держав приводит к ещё большему техногенному засорению ОКП. Из-за бесконтрольного роста и отсутствия всеобъемлющего систематического мониторинга, количество каталогизированных космических объектов в конце 2018 г. превышает 19000 [97]. Важно отметить, что их продолжительность нахождения на орбите напрямую зависит степени приближения и удаления от Земли (таблица 1). При этом количество ненаблюдаемых с Земли объектов (< 10 см) по некоторым оценкам превышает 200000 [53; 78]. На орбите всё чаще происходят столкновения космических аппаратов с объектами космического мусора, что в свою очередь приводит к ещё большему засорению ОКП. Первым крупным подобным инцидентом стало столкновение отечественного спутника связи «Космос-2251» (на тот

момент уже неактивного) и КА «Иридиум-33», использовавшегося для обеспечения спутниковой связи, в 2009 году [111; 121]. Таблица 1 - Время существования (в сутках) спутника массой 100 кг и диаметром 1 метр [94]

Высота перигея (км) Высота апогея (км)

500 700 1000 1300 1600

200 9 18 37 58 82

230 25 52 102 165 237

260 53 116 238 370 535

300 114 260 545 890 1280

400 410 1120 2630 4450 6600

Засорение околоземного космического пространства мешает его освоению и ставит под угрозу саму возможность его эксплуатации [77]. Дальнейшая работа в ОКП практически невыполнима без полного и объективного анализа текущего состояния и источников его засорения. Особенно остро этот вопрос стоит для низких орбит с высотами до 2000 км и геостационарных, где техногенное засорение максимально и возникла реальная опасность взаимных столкновений спутников (рисунок 1) [68].

Рисунок 1 - Распределение искусственных КО по орбитальным областям: до 5000 км, около

20000 км и геостационарная область [87] В настоящее время нет чёткого представления о том, как следует бороться с космическим мусором. Количество спутников ДЗЗ, навигации и связи продолжает увеличиваться, поскольку

человечество уже не может осуществлять свою деятельность без космических средств. Однако растёт и объём космического мусора: по современным оценкам масса КМ, находящегося на орбите, ежегодно увеличивается на 27 тонн [6]. Ступени ракет-носителей, неактивные спутники, а также остатки космических аппаратов после различных аварий (столкновений и взрывов) - всё это несёт в себе потенциальную угрозу дальнейшему освоению околоземного космического пространства.

Космический мусор принципиально изменяет околоземную среду, приводит к нарушению её первозданной чистоты. Астрономы уже заметили, что при выполнении астрономических наблюдений, особенно с длительными экспозициями, мелкие фракции космического мусора снижают прозрачность космического пространства. Баланс свето- и теплообмена нашей планеты с внешней средой также меняется, в силу неуклонного роста засорённости околоземного пространства [13].

Падение на Землю КО и фрагментов космического мусора (ФКМ) после их вхождения в плотные слои атмосферы является наиболее популяризованным последствием засорения ближнего космоса. Такие события случались неоднократно и вызывали мощный международный резонанс [13; 68]:

• падение на Землю обломков аппарата «Космос-954» с радиоактивными материалами на борту в 1978 г.;

• сход с орбиты американской космической лаборатории «Скайлэб» в 1979 г.;

• падение КА «Космос-1402» (с бортовым ядерным реактором) в 1983 г.;

• крушение орбитального комплекса (ОК) «Салют-7» - «Космос-1686» в 1991 г.;

• падение транспортного корабля «Прогресс М-17» в 1994 г.;

• сход с орбиты КА «Космос-398» в 1995 г.;

• падение российской межпланетной станции «Марс-96» в 1996 г.;

• затопление советской орбитальной станции «Мир» в марте 2001 г.;

• падение российской межпланетной станции «Фобос-Грунт» в 2012 г.;

• сход с орбиты и падение на Землю советского неактивного спутника связи «Молния-1-44» в октябре 2017 г.;

• сход с орбиты и падение на Землю китайской орбитальной станции «Тяньгун-1» в апреле 2018 г.

Чаще всего поверхности Земли достигают топливные баки ракет-носителей (РН). Ввиду их значительной массы и большого объёма они представляют серьёзную опасность (рисунок 2). Если же в них сохранились остатки топлива, то при падении они могут взорваться.

Рисунок 2 - Главный топливный бак второй ступени ракеты-носителя «Дельта-2» после падения близ Джорджтауна, штат Техас (США) 22.01.1997 г. [97] В результате столкновения КА с элементом КМ может произойти полное или частичное его разрушение [69; 70]. Удар может вывести КА из строя, нарушив функционирование даже отдельного компонента, а также нанести повреждения поверхности аппарата, что сделает невозможным поддержание его стабильного теплового режима и дальнейшего использования по назначению. Отдельные части КА могут отличаться различной степенью уязвимости от ударов КМ. Например, небольшая болванка, даже на небольшой относительной скорости, ударившаяся в солнечную батарею, разрушит только её, но не весь КА, хотя и может нарушить его стабилизацию (рисунок 3).

Рисунок 3 - Повреждённая солнечная панель на станции «Мир». Июнь 1997 г. [13] Разрушение КА опасно не только его потерей, но и образованием иногда очень большого количества обломков как крупных, так и мелких. Особенно опасно разрушение аппарата, несущего на борту радиоактивные материалы [4].

Стоит отметить, что характерной чертой процесса засорения ОКП является постоянное возрастание вероятности столкновений и их катастрофичности даже при небольших размерах частиц мусора (из-за гигантских относительных скоростей во время столкновения). Например, стальной шарик диаметром в 1 см и массой в 4,07 г., движущийся со скоростью 10 км/с, имеет импульс при столкновении с КО, равный 40,7 кг-м/с, что крайне опасно, как для спутников, так и для орбитальных станций [13; 45]. Увеличение плотности материала, равно как и габаритов ФКМ ведет к росту импульса (таблица 2). Так стальной болт диаметром в 10 мм, длинной 100 мм и массой в 78 грамм, при той же скорости (рисунок 4), будет иметь импульс, равный 780 кг-м/с.

Вероятность столкновения в космосе - это очень растяжимое понятие: оно имеет смысл лишь при задании эпохи, интервала времени, размеров и формы КО, параметров их орбит и т.д. Например, вероятность столкновения КО диаметром 10 м с каталогизированным КО (т. е. размером более 10 см) на высотах 800...1000 км в течение 1997 г. составляла 0,0004, а в 2000 г. - уже 0,01. На высоте 400 км эта вероятность в пять раз меньше.

Таблица 2 - Зависимость поведения материалов от относительной скорости соударения [44]

Относительная

скорость столкновения Последствия

(км/с)

Менее 0,05 Преобладают упругие деформации. Возможно появление вмятин в пластичном материале и трещин в хрупком.

От 0,05 до 0,5 Преобладают пластические деформации. На поверхности мишени из пластического материала образуются вмятины с отношением глубины к диаметру Н/0>0. Существенно влияние механической прочности материала преграды и ударника.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Орлов Павел Юрьевич, 2019 год

Источники данных

Высокоуровневый API, инкапсулирующий типы данных уровня сцены и изменяемые по времени свойства. Загрузчики CZML, KML, GeoJSDN.

Сцена

Обработчик растровых данных и данных о рельефе местности (вне ядра). 313 модели, геометрия и векторные данные. Пакетирование. Камера. Визуализация кадра путем передачи команд на уровень рендеринга.

Уровень рендеринга

LUebGL абстракции и набор встроенных шейдеров на GL5L.

Ядро

□□работка больших объемов численных данных, таких как: картографические данные, включая декартовы координаты, матрицы

и кватернионы.

Рисунок 15 - Архитектура Cesium Сравнительные характеристики библиотеки Cesium и интерфейса программирования приложений Google Earth API, а также Google Maps API приведены в таблице 7.

Интенсивное развитие программного средства Cesium стремительно расширяет его функциональные возможности. Есть основания полагать, что в скором времени этот продукт достигнет уровня Google Earth API, а рост сообщества пользователей Cesium будет стимулировать его дальнейшее совершенствование [76].

Таблица 7 - Сравнительные характеристики программных средств Cesium, Google Earth API и Google Maps API

Характеристика Cesium Google Earth Google Maps

API API

Принципы работы

Платформа Любой web-браузер с поддержкой технологии WebGL ОС Windows, Любой web-

Mac OS браузер

Загружаемый

Клиентская часть Технология WebGL JavaScript-код

плагин

Да, не требуется изменений исходного кода

Функционирование на мобильных платформах Нет Да

Работа в режиме «offline» Да Нет Нет

Коммерческая сторона

Свободное

коммерческое Да Нет Нет

использование

Да, по лицензии Apache

Открытый исходный код 2.0. Исходный код Нет Нет

доступен

Растущее сообщество Да Нет Да

пользователей

Возможности

Загрузка 3D моделей в формате Collada Да, но при конвертировании в glTF Да Нет

Поддержка языка KML Да, но без представления структуры файла Да Да

Интуитивно понятные Нет Да Да

элементы управления

Потоковая передача 3D моделей Да Да Нет

Выбор растровой подложки Да Нет Нет

Выбор модели рельефа Да Нет Нет

Трёхмерная сцена Да Да Нет

Математический аппарат

для обработки пространственных Да Нет Нет

данных

Встроенные графические примитивы и встраиваемые модули Cesium позволяют дополнять визуализируемую динамическую сцену такими объектами, как: полоса захвата КА ДЗЗ (для этого необходимо описать геометрические свойства целевой аппаратуры), зоны видимости станций слежения, сближения космических объектов и др. Также существует потенциальная возможность добавления дополнительного растрового слоя, содержащего

текущую облачность над земной поверхностью, что может быть крайне полезным при принятии решения о проведении съёмки исследуемой территории в определенный момент времени.

Также нужно рассмотреть альтернативные средства (библиотеки и платформы) для реализации ГИС ОКП.

D3.js

D3.js - это JavaScript-библиотека для динамической и интерактивной визуализации данных в web-обозревателях. Она поддерживает широко распространённые стандарты SVG, HTML5 и CSS. Начиная с 2011 года, она активно используется разработчиками программного обеспечения.

Библиотека D3.js позволяет проводить групповые операции над элементами HTML-документов, применяя к ним данные из массива. Она предназначена для визуализации самой разной информации, и подход, примененный в этой библиотеке, оказался настолько успешным, что она используется в огромном количестве различных инструментов визуализации данных и десятках библиотек JavaScript для построения графиков.

Встроенная в HTML-страницу, D3.js, используя предустановленные функции JavaScript, позволяет производить выборку элементов, создавать SVG-объекты, стилизовать их, добавлять к ним динамические эффекты и всплывающие окна-подсказки. Также эти объекты могут быть стилизованы с помощью CSS. Большие наборы данных могут быть легко связаны с SVG-объектами с помощью встроенных в библиотеку функций. После этого можно сгенерировать, как графические, так и текстовые схемы и диаграммы. При этом, загружаемые данные могут быть представлены в различных форматах, таких как: JSON, CSV или GeoJSON. Однако, если это необходимо, существует возможность написать собственные функции JavaScript для чтения других форматов данных.

Библиотека D3.js часто используется в паре с библиотекой Cesium. Для текущей задачи данная библиотека подходит меньше, поскольку графическая библиотека Cesium изначально была предназначена для визуализации данных о КО и разрабатывалась компанией, уже более 25 лет работающей в области космической ситуационной осведомлённости. Тем не менее, её использование возможно после выполнения ряда доработок, хотя время создания прототипа, при этом, может увеличиться.

WebGL Earth

WebGL Earth - это открытый виртуальный глобус, выполненный на основе стандарта HTML5 и технологии WebGL. В его основе лежит библиотека Cesium, используемая для визуализации данных. А это значит, что он может работать на мобильных устройствах с операционными системами iOS и Android.

Также он адаптирован для работы с интерфейсом программирования приложений LeafletJS API, что позволяет добавлять к уже существующим картографическим приложениям 3-е измерение (псевдо-), а также анимацию полёта камеры. Кроме того, доступны такие инструменты как: маркеры, всплывающие подсказки, центрирование и полёт камеры к точке с заданными координатами.

В качестве растровой основы могут выступать тайлы от OpenStreetMap, MapBox, Bing и других поставщиков. Возможна и загрузка собственной растровой подложки. Для этого ваши геоданные в форматах GeoTIFF, ECW, MrSID и др. должны быть подготовлены в совместимую тайловую структуру с помощью программы MapTiler. Заранее разместив тайлы на собственном сервере, можно использовать глобус в рамках закрытой локальной сети (Интранет), либо в режиме «offline». Доступ к библиотеке должен осуществляться по протоколу HTTP (возможно выполнить и через localhost).

API этого проекта доступен через облачную платформу Google CDN и может быть привязан и вызван напрямую из web-приложения пользователя по ссылке URL: http://www.webglearth.com/v2/api.js. Поскольку проект полностью открытый, весь исходный код может быть размещён на сайте пользователя, либо распределён с помощью приложений.

Поскольку этот проект по своей сути является надстройкой библиотеки Cesium, вопрос об использовании для нужд настоящего проекта остаётся открытым.

ArcGIS Earth

ArcGIS Earth - бесплатная настольная ГИС от компании ESRI для 64-битных операционных систем Windows (Windows 7 и старше, а также Windows Server 2008 и старше) предназначена для работы с двухмерными и трёхмерными данными, включая KML и ArcGIS-сервисы, как в пределах локальной сети, так и в сети Интернет. Данные в формате KML/KMZ/Shape могут хранится локально, либо в глобальной сети. Доступ к сервисам ArcGIS (растровые, векторные, трёхмерные сцены и спутниковые изображения) осуществляется только по сети Интернет. Для рендера сцены используется библиотека DirectX.

Существует возможность передавать снимки рабочей области программы с помощью специального инструмента по электронной почте. В остальном же функционал и инструментарий аналогичен настольному ГИС-обозревателю Google Earth, который в настоящее время признан устаревшим и более не поддерживается. Доработка готового бесплатного программного обеспечения от иностранной компании займет слишком много времени и выглядит нецелесообразно.

ArcGIS API for JavaScript

По своему функционалу интерфейс программирования приложений ArcGIS API for JavaScript весьма близок к библиотеке Cesium. К немногим отличиям стоит отнести лишь

доработанный инструментарий пользователя, более понятный интерфейс, а также систему аутентификации OAuth, позволяющую пользователям получать доступ к закрытому контенту. Данная система позволяет управлять доступом к данным на портале и отслеживать активность пользователей для последующей оценки их действий в вашем приложении.

Существующие примеры тестовых приложений от компании ESRI, предвычисляющие движение спутников по данным TLE, подтверждают возможность использования данного фреймворка для настоящего проекта. Однако отсутствие обработчика численных данных затрудняет применение данного средства для разработки перспективной ГИС ОКП.

Программные решения ИТЦ «СканЭкс»

ScanEx Satellite Orbit Kit

Также необходимо рассмотреть существующие отечественные решения, которые могут быть использованы в рамках настоящей работы. На текущий момент это программные продукты компании «СканЭкс».

Коробочное программное решение ScanEx Satellite Orbit Kit позволяет развернуть собственный интернет-сервис визуализации движения спутников вокруг Земного шара в режиме реального времени. Сервис выполняет отрисовку орбит спутников, подспутниковых трасс и визуализирует движение спутников по орбитам, иллюстрируя процесс съёмки территории целевой аппаратурой спутников (рисунок 16) [48].

Рисунок 16 - Визуализация пролётов спутников вокруг Земного шара в режиме 3D

Пользователю сервиса предоставляется возможность выбора типа картографического покрытия (2D и 3D) и перечня визуализируемых спутников. Информацию о текущем положении спутника можно просмотреть по клику мыши на его изображении, а в списке панели инструментов сервиса можно включать/отключать отображение интересующих спутников.

В основе данного программного продукта лежит библиотека Cesium. Благодарю этому, пользователь может обращаться к сервису с любого web-обозревателя, поддерживающего технологию WebGL, и вне зависимости от операционной системы своего персонального компьютера.

Реальное положение спутников рассчитываются с заданной частотой на основе орбитальных параметров, представленных в стандартном формате NORAD TLE (модель с сопутствующим форматом данных описаны в параграфе 2.4) и доступных из открытых источников в Интернет.

2013-2016 fi RDC ScanEx, V2.1

Рисунок 17 - Визуализация пролётов спутников GPS вокруг Земного шара в режиме 3D Данный программный продукт может использоваться в демонстрационных и образовательных целях в качестве наглядной иллюстрации процессов дистанционного зондирования Земли, а также в реальной работе служб оперативного приёма и обработки спутниковой информации в центрах ДЗЗ (рисунок 17) [48].

В настоящий момент данное программное решение недоступно для потенциальных пользователей и клиентов, а информация о нём удалена с официального русскоязычного

портала компании. Инженерно-технологический центр «СканЭкс» не комментировал дальнейшую судьбу данного продукта, однако можно предположить, что он не будет поддерживаться и развиваться, поскольку упоминания о нём остались лишь в английском сегменте портала компании (на момент написания работы), а основные силы отдела разработки в ближайшее время должны быть направлены на развитие другого геопортала - Scanex Web Geomixer.

Рекомендуемые системные требования программного решения:

• Конфигурация серверного ПК:

o Процессор Intel Core i7 или аналогичный; o Оперативная память не менее 4 Гигабайт; o Не менее 100 Гигабайт свободного места на жестком диске; o ОС Windows Server 2012, Windows 7, Ubuntu 12.04 LTS, OpenSUSE 13.1; o Программное окружение: MySQL v 5.1 и выше, Apache v 2.2 и выше, PHP v 5.4 и выше.

• Конфигурация ПК пользователя:

o Двухядерный процессор 3 ГГц; o Оперативная память не менее 4 Гигабайт; o Монитор 1024x768 True Color;

o Актуальный видеоадаптер с установленными последними драйверами для возможности просмотра 3D-покрытия; 3D будет работать только в браузерах, поддерживающих технологию WebGL; o MS Windows XP/7 или Linux Ubuntu 12.04 LTS; o Браузер Google Chrome, Mozilla Firefox c поддержкой WebGL.

GeoBox 3D

GeoBox 3D - программное решение на базе ПО Планета СканЭкс (инструмент интерактивной и реалистичной визуализации разнородной геопространственной информации на 3D-модели Земли), представляющее собой универсальный web-конструктор трёхмерных геопорталов. Позволяет быстро и просто создавать в сети Интернет (Интранет) тематические порталы и управлять их контентом (рисунок 18).

Рисунок 18 - Интерфейс программного решения GeoBox 3D Одна лицензия GeoBox 3D позволяет создавать несколько отдельных проектов, каждый из которых может выступать в роли отдельного картографического сервиса [48]. Отличительные особенности GeoBox 3D:

• простая установка, настройка и администрирование геопорталов в Intranet/Internet сетях;

• гибкость программного решения, позволяющая провести его настройку и адаптацию под конкретные задачи пользователя;

• возможность создания отдельных тематических геопорталов с различными web-адресами, оформлением, набором растровых и векторных данных, инструментами, меню, соответствующим нуждам пользователя;

• наличие инструментов администрирования геопортала, позволяющих управлять проектами, загружать новые данные, добавлять их в проекты, создавать учётные записи пользователей и давать им права доступа к данным;

• функция личного кабинета, где каждый пользователь может создавать индивидуальные настройки для работы с геопорталом;

• наличие инструментов подготовки геопространственных данных (в том числе мозаик растровых изображений и цифровых моделей рельефа) к публикации в геопортале;

• набор базовых глобальных картографических и спутниковых покрытий и цифровая модель рельефа.

• Возможности геопорталов, созданных на базе GeoBox 3D:

• визуализация геопространственных данных (карты, спутниковые снимки, рельеф, векторные слои, атрибутивная информация, 3D-модели объектов и другие);

• визуализация данных оперативной космической съёмки;

• просмотр местности в трёхмерном и стерео-режимах;

• загрузка данных по протоколам WMS/WFS;

• определение координат местоположения объектов, наличие инструмента геопоиска;

• визуализация движения космических аппаратов в режиме реального времени.

• Примеры использования 3D геопорталов:

• Региональные и отраслевые системы информационной поддержки и принятия управленческих решений;

• Информационное наполнение ситуационных центров, созданных для удалённого мониторинга территориально-распределённой инфраструктуры;

• Платформа для создания, управления и визуализации крупных каталогов данных (массивов геоданных);

• Публикация разнообразной геопространственной информации для проектирования и ускорения процессов принятия решений;

• Симуляторы/эмуляторы реальной обстановки;

• Геопространственное моделирование и аналитика с учётом рельефа Земли. Геопорталы на базе ПО GeoBox 3D могут служить эффективным инструментом для

принятия решений в таких отраслях и направлениях деятельности, как государственное управление, оборона и безопасность, энергетика и нефтегазовая отрасль, сельское и лесное хозяйства, связь и телекоммуникации, транспорт, образование, экология и многих других (рисунок 19) [48].

Рисунок 19 - Визуализация данных о пожарах с помощью программного решения GeoBox 3D

Системные требования программного решения:

• Процессор - 2 ядра по 3,0 ГГц;

• Оперативная память - 4 Гигабайта;

• Видеокарта - 1024 Мегабайта;

• Жёсткий диск - 50 Гигабайт;

• Монитор - разрешение 1280x1024;

• Операционная система - Windows 7 и выше;

• Браузеры Google Chrome, Mozilla Firefox, Opera последних версий;

• Включённый JavaScript в настройках браузера;

• Актуальный видеоадаптер с установленными последними драйверами для возможности

просмотра 3D-покрытия.

Также необходимо рассмотреть и программное обеспечение, на котором базируется данное программное решение, а именно - Планета СканЭкс.

Планета СканЭкс

Программное решение Планета СканЭкс предназначено для создания различных тематических 2D и 3D картографических интернет-сервисов (геопорталов) и приложений.

Планета СканЭкс представляет собой Java-приложение, имеющее программный интерфейс API, и может быть интегрировано как в настольные пользовательские приложения, так и в web-сайты (функционирующие в сетях Internet или Intranet). Планета СканЭкс позволяет визуализировать различные мозаичные картографические покрытия (карты, спутниковые снимки, данные о рельефе) и разнородную геопространственную информацию (растровые и векторные слои, атрибутивную информацию, 3D модели объектов) на 3D-модели земного шара [48].

На основе программного решения Планета СканЭкс можно строить различные отраслевые системы информационной поддержки и реалистичной 3D визуализации картографических данных, результатов космической съёмки и оперативной обстановки с учётом особенностей ландшафта для наглядного отображения пространственной информации и увеличения эффективности её восприятия лицами, принимающими решения.

Преимуществом Планеты СканЭкс является гибкость программного решения, что позволяет интегрировать приложение с другими системами информационной поддержки и выполнять его адаптацию под конкретные задачи заказчика.

Возможности программного решения:

• Удобный и интуитивно понятный пользовательский интерфейс управления;

• Поддержка кроссплатформенности и кроссбраузерности приложений;

• Возможность реализации, как настольных приложений, так и интернет / интранет-сервисов.

• Реалистичное отображение информации с учётом рельефа местности.

• Возможность переключения режима отображения 2D/3D.

• Визуализация информации в обычном 3D режиме и в режиме анаглиф-стерео.

• Возможность подгрузки и отображения информации в режиме близком к реальному времени.

• Отображение трёхмерных моделей объектов (в форматах .obj, .3ds).

• Отображение в реальном времени положения объектов по координатам, например, измеренным с помощью систем ГЛОНАСС или GPS.

• Возможность плавного передвижения 3D моделей по заданным траекториям.

• Возможность отображения, как базовых подложек, так и пользовательских растровых и векторных данных, данных о рельефе.

• Возможность отображения рельефа и мозаик, как с локальных, так и с внешних серверов.

• Поддержка растровых форматов .jpeg, .tiff и .png.

• Поддержка векторных данных в форматах .shp и .kml, поддержка KML со стилями.

• Подгрузка данных с внешних WMS и WFS серверов.

• Возможность создания, конфигурирования и управления подгруженными слоями.

• Возможность отображения метаданных об объектах в виде всплывающих окон.

• Инструмент геопоиска (поиск географических объектов по названиям и автоматическое позиционирование на них).

• Визуализация движения космических аппаратов вокруг земного шара в режиме реального времени.

• Возможность оперативного отображения данных космической съёмки (в том числе и с наземных приёмных станций).

На рисунках 20-22 представлен первый российский картографический 3D геопортал, позволяющий визуализировать базовые мозаичные картографические покрытия (карты, спутниковые снимки, данные о рельефе) и пользовательскую геопространственную информацию на 3D модели земного шара [48].

Рисунок 20 - Интерфейс 3D геопортала Планета СканЭкс

Рисунок 21 - Отображение рельефа на 3D геопортале Планета СканЭкс

Рисунок 22 - Информационная система 3D моделирования ведомственных ситуационных центров, получившая сертификат Министерства обороны РФ

Обсуждения и выводы

Вышеперечисленные программные решения и продукты (GeoBox 3D и Планета СканЭкс) не подходят как основа для создаваемой геоинформационной системы околоземного космического пространства. Руководство компании сообщило, что данные продукты морально устарели, т.к. они реализованы на устаревшей технологии JAVA, которая в течение 2017 года была лишена поддержки как платформа для web-приложений. Это означает, что перечисленное ранее ПО не будет функционировать. В этом можно убедиться уже сейчас, т.к. геопортал Планета СканЭкс не функционирует из-за просроченного сертификата безопасности JAVA. Также руководство ИТЦ «СканЭкс» сообщило, что компания приняла решение отказаться от поддержки продукта Планета СканЭкс (а значит и решения GeoBox 3D, базирующегося на нем) и планирует добавить возможность 3D визуализации (возможно с помощью библиотеки Cesium) в другое геопортальное решение - Scanex Web Geomixer. Однако было отмечено, что пока эта работа находится в зачаточном состоянии.

2.2 Представление орбитальных данных в рамках трёхмерной сцены с помощью графических библиотек и интегральная оценка их эффективности

В настоящее время за рубежом наблюдается активное развитие различных тематических web-ориентированных геоинформационных систем. Разработчики не обходят стороной и тематику околоземного космического пространства, хотя и не позиционируют их как ГИС. Кроме того, они не подкрепляют свою проектную деятельность соответствующими публикациями, а академическая среда по обе стороны океана не обращает на их работу

должного внимания. В результате, не смотря на попытки создания геоинформационной системы, служащей для моделирования состояния околоземного пространства, эти экспериментальные работы, выполненные как коммерческими организациями, так и энтузиастами, остаются вне геоинформатики. Ниже будут рассмотрены существующие проекты, с целью подкрепить выдвинутые теоретические положения о ГИС ОКП в параграфе 1.3.

В качестве первого объекта сравнительного анализа был взят ГИС web-сервис SpaceBook, который уже упоминался ранее в параграфе 1.3 [85]. Данный сервис (рисунок 23) отображает положение более 9000 космических объектов, отслеживаемых с помощью оптических и радиолокационных станций слежения центра, и служит для моделирования движения более 17000 объектов, занесённых в каталог NORAD, с помощью двухстрочных наборов элементов ^Е. Таким образом, появляется возможность осуществлять выборку объектов на основании следующих критериев:

• Название объекта;

• Номер в каталоге NORAD;

• Статус активности;

• Тип орбиты;

• Функциональное назначение;

• Страна-владелец.

Рисунок 23 - Публичная демонстрационная версия ГИС web-сервиса SpaceBook [85]

К преимуществам данной системы относятся:

• Максимально возможный охват КО;

• Использование проработанной и отлаженной графической оболочки;

• Удобный интерфейс;

• Развёртывание в виде сетевого ресурса на основе сервис-ориентированной архитектуры значительно уменьшает затраты на внедрение и поддержку.

Однако важно отметить, что в общедоступной версии системы не представлены данные (в том числе и текущие координаты) и подробное описание характеристик космических объектов, а также нет возможности выявлять пересечения орбит КО и оценивать риск их столкновения.

Рассмотрим базы данных космических объектов, известные из открытой печати и опубликованные в сети Интернет, и выполним их краткий анализ. Сравним их с сервисами, использующими для визуализации Google Earth API, Google Maps API и Cesium соответственно (таблица 8).

Таблица 8 - Сравнительный анализ баз данных КО и сервисов моделирования (по атрибутивным данным) [36]

Наименование базы данных или сервиса

База от компании

Вид данных Analytical База "What's Up"® Сервис Solenix® Сервис N2YO Сервис SpaceBook Сервис iSat®

Graphics Inc.®

Имя КО + + + + + +

Номер по каталогу NORAD + + - + + +

Международный идентификатор КОСПАР + + - + - -

Страна-владелец + + - + + -

Компания-владелец - + - - - -

Статус активности объекта + + - - + -

Дата запуска + + - + - -

Космодром * + + - - - -

Период обращения КО + + - + - -

Большая полуось - - - + - -

Перигей + + - + - -

Апогей + + - + - -

Наклонение орбиты + + - + - -

Предполагаемый срок службы * - + - - - -

Эксплуатирующая организация * - + - - - -

Функциональное назначение * - + - - + -

Мощность силовой установки * - + - - - -

Стартовая масса * - + - - - -

Сухая масса * - + - - - -

Размер объекта ** - + - - - -

Эффективная площадь рассеяния - - - + - -

Продолжение таблицы 8

Наименование базы данных или сервиса

База от компании

Вид данных Analytical База "What's Up"® Сервис Solenix® Сервис N2YO Сервис SpaceBook Сервис iSat®

Graphics Inc.®

Страны, заключившие договор по запуску КО * - + - - - -

Организация-подрядчик, запускающая КО * - + - - - -

Ракета-носитель * - + - - - -

Комментарии - + - + - +

График изменения большой полуоси орбиты КО - + - - - -

Широта - - + + - +

Долгота - - + + - +

Высота над уровнем моря - - + + - +

Орбитальная скорость - - - + - +

Угол курса - - - + - -

Угловая высота - - - + - -

Прямое восхождение - - - + - -

Тип орбиты - - - - + -

Частота обновления данных 30 сек 86400 сек 5 сек 1 сек 1 сек 1 сек

Средство визуализации GE API + GE API + GE API + GM API + Cesium Cesium

Примечание: + - GE API: интерфейс программирования приложений Google Earth API; GM API: интерфейс программирования приложений Google Maps API * - только для действующих космических аппаратов ** - только для КМ ® - проект более не поддерживается

Базы данных космических объектов AGI и "What's Up" в формате .kml (иерархическая БД), созданные для настольной ГИС Google Earth, и интегрируемые в приложения на основе Google Earth API, были впервые рассмотрены и применены в рамках дипломного проекта Space Inspector [71]. Первая содержала в себе краткие сведения о наблюдаемых и каталогизированных КО, и их некоторые орбитальные параметры, однако не предусматривала вывод их текущих координат (рисунок 24). Её обновление, а значит, и обновление положения объектов производилось разработчиком один раз в 30 секунд. База "What's Up", созданная доктором Т. Ваном, содержала в себе практически все известные сведения (в том числе и орбитальные параметры) о космических объектах, включая графики изменения некоторых из них. Обновление БД производилось лишь раз в сутки, что не позволяло выполнять вывод актуальных сведений о положении КО (рисунок 25). В настоящий момент компания Analytical Graphics Inc. прекратила поддержку своей базы данных в формате .kml из-за введения в эксплуатацию центра ComSpOC и сервиса SpaceBook. Также не поддерживается и не доступна в сети Интернет и БД КО "What's Up".

Рисунок 24 - База данных КО от компании Analytical Graphics Inc. Визуализация выполнена с

помощью Google Earth API

Data S, I О,. NO A A, U.S. Navy, NGA, GE8CO Image 18GAO

„Goog

53*14'18.11"N Е7*4Г19 46" £ etev 892 ft Eye alt 32014.52 ml

Рисунок 25 - База данных КО "What's Up", созданная доктором Т. Ваном в 2010 г. Визуализация выполнена с помощью Google Earth Pro. Жёлтым отмечены рабочие КА, белым -

все остальные объекты Сервис моделирования движения КА от швейцарской компании Solenix содержал в себе сведения о нескольких десятках действующих ИСЗ и позволял вывести их текущие географические координаты. В настоящее время он недоступен, в связи с прекращением поддержки интерфейса программирования приложений Google Earth API. Web-сервис iSat (рисунок 26), созданный НАСА с применением библиотеки Cesium, позволял пользователю выбрать интересующий его объект по определенному критерию (страна-владелец, назначение) и визуализировать его на виртуальном глобусе. К сожалению, в настоящее время и он не доступен для пользователей. Сервис N2YO обладает схожим атрибутивным содержимым, что и БД от компании Analytical Graphics Inc. и БД "What's Up", однако доступ к нему предоставляется лишь подписчикам. Кроме того, поскольку он реализован с помощью Google Maps API, он лишён трёхмерной сцены, что не позволяет рекомендовать его для реализации ГИС ОКП.

Рисунок 26 - Проект НАСА iSat Представленные в таблице 8 базы данных и сервисы получают исходную информацию, в том числе данные для расчёта орбитальных параметров и предварительные вычисления положения КО для последующей обработки, из открытых источников, таких как:

• Сайт доктора Томаса Шона Келсо (URL: http://celestrak.com/);

• Сайт Командования воздушно-космической обороны Северной Америки - NORAD (URL: https://www.space-track.org/) - доступен только подписчикам;

• База данных космических объектов The Union of Concerned Scientists, США (URL: http://www.ucsusa.org/nuclear-weapons/space-weapons/satellite-database);

• Сайт компании Analytical Graphics Inc. (URL: https://www.agi.com/) - медиаданные доступны только подписчикам;

• На основе прочих несистемных источников.

Проведём интегральную оценку эффективности баз данных и сервисов из таблицы 8. Воспользуемся формулой 5 [43] для расчёта:

Qs = Vnp, (5)

где ^п - свойство, характеризующее полноту данных, - свойство, характеризующее обновление данных, ^пр - свойство, характеризующее программную платформу, лежащую в основе сервиса или базы.

Для упрощения будем считать влияние свойств на эффективность равнозначным, что объясняет отсутствие в данной формуле весовых коэффициентов.

Для определения свойства «полнота данных», воспользуемся формулой 6 [43]:

Vn = —А (6)

где ап - пороговое значение параметра, определяющее свойство полноты данных, аф -фактическое значение параметра, определяющее свойство полноты данных. Из таблицы 8 в расчёте этого свойства участвует 34 вида данных. Наличие того или иного вида данных i описывается 1, а их отсутствие - 0. Таким образом, пороговое значение ап определяется суммой всех возможных данных, которые могут быть представлены в системе или базе данных и принимает значение, равное 34. Преобразуем формулу 6 для данного случая:

Va ~ У ( )

Для определения свойства «обновление данных» достаточно воспользоваться формулой 6. При этом пороговое значение параметра, определяющее свойство обновления данных, представленное в таблице 8, составляет 86400 - максимальное время в секундах, необходимое для обновления данных в базе "What's Up". Фактическое значение параметра, определяющее свойство обновления данных, берётся для каждого объекта сравнения из поля «Частота обновления данных».

Для определения свойства «программная платформа» ^пр воспользуемся формулой 7 и характеристиками Google Earth API, Google Maps API и Cesium из таблицы 7. Из таблицы 7 в расчёте этого свойства участвует 15 характеристик. Отсюда ап для данного свойства принимает значение 15. Результаты расчётов представлены в таблице 9. Таблица 9 - Оценка эффективности баз данных КО и сервисов моделирования

База от компании Analytical Graphics Inc. База "What's Up" Сервис Solenix Сервис N2YO Сервис SpaceBook Сервис iSat

Полнота данных 0,1929 0,5454 0,0625 0,3877 0,0967 0,1147

Обновление данных 0,9993 0 0,9998 0,9999 0,9999 0,9999

Эффективность платформы ^пр 0,2 0,2 0,2 0,25 0,7647 0,7647

Интегральная оценка Qэ 0,0385 0 0,0124 0,0969 0,074 0,0877

База "What's Up", созданная доктором Т. Ваном ещё в 2010 году, из-за слишком редкого обновления, не может выступать эталоном при создании ГИС ОКП, несмотря на наибольшее значение свойства Остальные объекты сравнения имеют приблизительно равные значения свойства из-за работы в режиме, близком к реальному времени. Сервисы на базе библиотеки Cesium обладают наибольшим значением свойства ^пр, т.к. данное средство обладает большим набором возможностей, необходимых при создании ГИС ОКП. Сервис N2YO получил наибольшее значение итоговой интегральной оценки Q3. Однако он реализован с помощью закрытого интерфейса программирования приложений Google Maps API, в котором нет возможности работы с трёхмерной сценой и нет математического аппарата для обработки пространственных данных.

Исходя из данных, представленных в таблице 8 и 9, можно сделать вывод, что ни один из объектов сравнения не имеет в своём составе наиболее полный перечень данных о космических объектах (в частности, изменяющиеся ежесекундно орбитальные параметры, принадлежность объекта и его эффективную площадь рассеяния), которые необходимы пользователю в режиме, близком к реальному времени. На основании данных критериев, и с учётом прекращения поддержки многих БД и сервисов моделирования ОКП, далее будет проведён анализ и оценка первичного информационного обеспечения по вопросам состояния околоземного космического пространства.

2.3 Анализ и оценка информационного обеспечения по вопросам состояния околоземного

космического пространства

База данных космических объектов The Union of Concerned Scientists

База данных, созданная некоммерческой организацией - Союзом Заинтересованных Учёных (The Union of Concerned Scientists или UCS), содержит детальную и актуальную информацию о действующих КА, находящихся в настоящее время на орбите. Однако существует некоторое недопонимание относительно её содержимого. Примером ошибочного понимания сущности данной базы является работа [117], поэтому вначале необходимо прояснить некоторые её особенности.

При составлении настоящей базы данных не использовалась конфиденциальная информация, а значит, публикуемые в ней сведения не являются секретными (рисунок 27). Данные, содержащиеся в БД, поступают в неё из открытых источников, причем большая часть информации предоставляется самими операторами спутников. Цель UCS состоит в том, чтобы включить в базу данных все активные спутники, включая так называемые «секретные», то есть спутники, чьи текущие орбитальные параметры не публикуются их операторами и не

отображаются в каталоге Командования воздушно-космической обороны Северной Америки (NORAD) Space-Track. Орбитальные параметры для этих спутников поступают не из секретных источников, и даже не из рассекреченных правительственных источников.

Дата запуска, название аппарата, исходные параметры орбиты и назначение доступны почти для всех спутников из реестра космических объектов Организации Объединенных Наций, в который все космические державы обязаны вносить сведения о запуске космических объектов. Иногда информация неверна или отсутствует, и в таких случаях в реестр ООН включают информацию из других источников. Соединенные Штаты Америки также ведут Национальный реестр космических объектов. Лишь очень немногие «секретные» спутники США в базе данных UCS не зарегистрированы ни в реестре США, ни в реестре ООН, а информация об этих спутниках была почерпнута из других источников.

I M a m & of S atell ite, Altern ate M a m es

Country fOrg of UN Registry

Country of Operator/Owner OperatorfOwner

AAUSat-4 ABS-2 (Koreasat-8, ST-3) ABS-2A

ABS-3 (Agila 2, Ma huh ay 1) ABS-3A

ABS-4 (ABS-2i, MBSat, Mobile Broadcasting Satellite, Han Byul)

ABS-6 (ABS-1, LMl-1, Lockheed Martin-lntersputnik-1)

ABS-7 (Koreasat 3, Mugungwha

Advanced Orion 2 (UROL 6, USA 139)

Advanced Orion 3 (NROL19, USA 171)

Advanced Orion 4 (NRO L-26, USA 202)

Advanced Orion 5 (IJRO L-32, USA 223)

Advanced Orion 6 (IJRO L-15, USA 237)

Advanced Orion 7 (IJRO L-37, USA 268)

AEHF-2 (Advanced Extremely High Frequency satellite-2, USA 235)

AEHF-3 (Advanced Extremely High Frequency satellite 3. USA 246)

Aeneas

Aerocube 4.5A

Aerocube 4.5B

Aerocube 5A

Aerocube 5B

Aerocube 5C

Aerocube 6A

Aerocube 6B

Aerocube 7A

Aerocube 8A

Aerocube 8B

Afghansat 1 [Eutelsat 28B, Eutelsat48B, Eutelsat W2M, Eutelsat 48D)

AIM (Aeronomy of Ice in Mesosphere) AISat-1

AISSat-1 [Automatic Identification System Satellite-1)

AISSat-2 (Automatic Identification System Satellite-2)

AIST-1

AIST-2

AIST-2D

NR (6/16)

Philippines

NR

NR

NR

South Korea

USA

USA

USA

USA

USA

NR (6/16)

USA

NR

USA

USA

USA

NR NR

USA USA

Germany Norway Norway Russia

NR (6(16)

USA USA

Germany Norway Norway

Rus Rus

U n iversity of Aalbo rg Civil

Asia Broadcast Satellite Ltd. Commerc

Asia Broadcast Satellite Ltd. Commerc

Asia Broadcast Satellite Ltd. Commerc

Asia Broadcast Satellite Ltd. Commerc

Asia Broadcast Satellite Ltd. Commerc

Asia Broadcast Satellite Ltd. Commerc

Asia Broadcast Satellite Ltd. Commerci

National Reconnaissance Office (NRO) Military

National Reconnaissance Office (NRO) Military

National Reconnaissance Office (NRO) Military

National Reconnaissance Office (NRO) Military

National Reconnaissance Office (NRO) Military

National Reconnaissance Office (NRO) Military

US Air Force Military

US Air Force Military

Department of Homeland Security Government

Aerospace Corporation Commerci

Aerospace Corporation Commerc

Aerospace Corporation Commerc

Aerospace Corporation Commerc

Aerospace Corporation Commerc

Aerospace Corporation Commerc

Aerospace Corporation Commerc

Aerospace Corporation Commerc

Aerospace Corporation Commerc

Aerospace Corporation Commerc European Telecommunications Satellite Consortium (EUTELSAT) Commerc

1 Worldspace Commerci

Center for Atmospheric Sciences, Hampton UniversityiNASA Government

German Aerospace Center (DLR) Government

Norwegian Coastal Admnistration Government

Norwegian Coastal Admnistration Government

Samara State Aerospace University, SGAU Civil Samara State Aerospace University, SGAU Samara State Aerospace University

Communie Communie Communie Communie Communie Communie Earth Observation Earth Observation Earth Observation Earth Observation Earth Observation Earth Observation Communications Communications Technology Development Technology Development Technology Development Technology Development Technology Development Technology Development Technology Development Technology Development Technology Development Technology Development Technology Development Communications Communications Earth Observation Communications Communications Communications Technology Development Technology Development Technology Development

Рисунок 27 - БД The Union of Concerned Scientists (на изображении представлены сведения

лишь по некоторым категориям атрибутов) Утверждение в статье [117] о том, что в 2006 году в базе данных UCS были опубликованы конфиденциальные данные о двух японских правительственных спутниках-шпионах, не соответствует действительности. В основе этого заблуждения лежит тот факт, что японское правительство официально не вносило в реестр ООН сведения об аппаратах IGS-1A и IGS-1B. Напротив, другие источники ссылаются на сведения об этих спутниках в данном реестре. Более того, запуск этих спутников и описание их полезной нагрузки широко освещались в прессе, поэтому эту информацию нельзя считать «конфиденциальной».

Для наполнения базы данных используются самые последние значения параметров орбиты, доступные из открытой печати, в том числе данные, опубликованные в сети Интернет независимыми астрономами-любителями. Это послужило источником для последних параметров орбиты IGS-1A и IGS-1B. За спутниками могут вести наблюдение, как простые

граждане, так и целые государства. Поэтому эта информация, по своей сути, лежит на поверхности и просто не может храниться в секрете. Кроме того, в статье [117] сказано, что учёным из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики удалось расшифровать данные о двух космических объектах, которые были опубликованы командованием NORAD в зашифрованном виде. Нужно отметить, что, поскольку существуют ограничения на повторное опубликование данных Space-Track, их не включают базу данных UCS.

Однако следует сказать, что данные, представленные на сайте проекта Space-Track, не кодируются каким-либо образом и свободно доступны пользователю после регистрации на портале. Эти данные, представленные в формате TLE, активно используются специалистами на протяжении последних 40 лет, тем не менее, не могут быть интерпретированы теми, кто не знаком с данным форматом.

Орбитальные параметры, представленные в базе данных UCS, нельзя использовать для прогнозирования движения космических аппаратов. В работе [117] утверждается, что используя эти данные, можно точно определить местоположение спутников над поверхностью Земли. Параметры орбиты настоящей базы данных описывают орбиту, по которой следует спутник, в общем виде и не могут использоваться для определения координат КА в данный момент времени.

В текущей версии базы данных UCS (начало 2019 г.) содержится информация о 1958 искусственных спутниках Земли. Она доступна всем желающим на официальном сайте организации в виде файла, подготовленного в табличном процессоре Microsoft Excel, либо в текстовом формате с разделителями-табуляторами. Обновление БД производится раз в квартал.

В базу данных входят только активные спутники, т.е. те, с которыми поддерживается постоянная связь и управление с Земли. Под эту категорию не подпадают спутники, переведенные операторами в «режим ожидания» и не использующиеся на данный момент, хотя они и могут быть вновь задействованы в учебных и других вторичных целях. Также в эту категорию не входят пассивные ИСЗ, используемые, например, для калибровки РЛС или применяемые в лазерной дальнометрии, такие как КА Lageos-1 и Lageos-2, а также КА Calsphere.

Ниже приведены категории атрибутивных данных, содержащихся в БД К А UCS и их расшифровка (* помечены категории, не участвовавшие в оценке БД и сервисов): 1) Название КА, альтернативное или текущее официальное название

Сначала указывается текущее или наиболее часто используемое название, с альтернативными или ранее использованными именами, указанными в круглых скобках. Космический аппарат может иметь несколько имён в течение своего срока эксплуатации,

особенно это касается коммерческих спутников, которые продаются, сдаются в аренду, передаются как активы или просто используются более чем одним пользователем. Спутники разведки правительства США могут быть известны под несколькими именами одновременно.

2) Государство/организация-владелец в реестре ООН

В данную категорию заносится страна, которая зарегистрирована как ответственная за спутник в Реестре космических объектов Организации Объединенных Наций. Поскольку право собственности и управление полётом коммерческих спутников становится всё более сложным и постоянно изменяется, в данную категорию вносятся сведения о стране, осуществившей запуск КА, согласно Конвенции об объектах, запускаемых в космическое пространство.

3) Страна эксплуатирующей организации

Родная страна, отождествляемая с оператором/владельцем КА, указанным в категории «Эксплуатирующая организация», то есть, страна, которая эксплуатирует или владеет спутником или родная страна юридического лица, осуществляющего данную деятельность. Записывается не более трёх стран, в противном случае вносится запись «Международный». Исключение составляют проекты Европейского космического агентства (ЕКА), которые представляют собой совместную работу 15 государств-членов и обозначаются как ЕКА.

4) Эксплуатирующая организация

Текущий организация, осуществляющая управление КА. Организация-оператор не

обязательно является владельцем спутника, т.к. спутники могут сдаваться в аренду.

_ *

5) Потребители

Принадлежность первичных пользователей спутника описывается одним или более ключевыми словами: гражданский (академический, любительский), коммерческий, государственный (метеорологический, научный и т.д.), военный. Космические аппараты могут быть многофункциональными, и нести на себе, в качестве полезной нагрузки, например, специализированные ретрансляторы для коммерческих и военных целей.

6) Функциональное назначение (общее)

Область деятельности, в которой применяется спутник. Указанные цели - это те, о которых сообщил оператор КА. Косая черта между значениями данного поля, говорит о том, что спутник используется для различных целей. Более подробная информация о цели приводится в категории «Функциональное назначение (детальное)».

7) Функциональное назначение (детальное)

В данном поле приводится более подробная информация о цели спутника, например, КА, осуществляющие наблюдение за земной поверхностью, могут выполнять геофизические,

метеорологические исследования, радиотехническую разведку, решать задачи дистанционного зондирования Земли посредством оптической и радиолокационной целевой аппаратуры.

8) Класс орбиты

The Union of Concerned Scientists делит орбиты спутников на два широких класса: орбиты, близкие к круговым, и эллиптические орбиты. Спутники на эллиптических орбитах имеют апогей и перигей, значительно отличающиеся друг от друга, поэтому в разное время они могут находиться на разных высотах над Землёй. The Union of Concerned Scientists классифицирует орбиты спутников с эксцентриситетом менее 0,14, как почти круговые, а с эксцентриситетом 0,14 и выше как эллиптические.

Почти круговые орбиты далее классифицируются по их высоте:

• Низкие околоземные орбиты (НОО): орбиты с высотами между 80 км и примерно 1700 км, где верхняя высота выбрана в соответствии с периодом обращения в 2 часа;

• Средневысотные орбиты (MEO - Medium Earth Orbit): орбиты с высотами более 1700 км и менее 35700 км, что соответствует периодам обращения между 2 и 24 часами. Наиболее важный регион этой полосы - около 20000 км, что соответствует полусинхронным орбитам (орбитальный период - 12 часов);

• Геосинхронные орбиты (ГСО): орбиты с высотами около 35700 километров, соответствующие периоду обращения около 24 часов, что позволяет этим спутникам выглядеть с Земли почти стационарными.

9) Тип орбиты

Почти круговые орбиты далее классифицируются по следующим категориям:

• Экваториальные орбиты: околоземные экваториальные орбиты с наклонением от 0° до 20°;

• Неполярные наклонные орбиты: околоземные переходные орбиты с наклонением от 20° до 85°;

• Полярные орбиты: околоземные орбиты с наклонением от 85° до 95° и более 104°;

• Гелиосинхронные орбиты: околоземные орбиты с наклонением приблизительно между 95° и 104° и солнечно-синхронным соотношением между высотой и наклонением орбиты.

• Эллиптические орбиты также классифицируются по следующим типам:

• Внутрилунные орбиты: орбиты, у которых апогей превышает 318200 км;

• Высокоэллиптические орбиты: орбиты, у которых период обращения превышает 25 часов, а эксцентриситет больше 0,5;

• Орбиты типа «Молния»: орбиты с периодом между 11,5 и 12,5 часами, эксцентриситетом между 0,5 и 0,77 и наклонением между 62° и 64°.

10) Долгота местоположения на ГСО

Это земная долгота точки, над которой находится КА (для спутников, находящихся на геосинхронных орбитах). «+» указывает долготу к востоку от Гринвичского меридиана, а «-» к западу от него. Поле остаётся незаполненным для спутников с типами орбит, отличных от геостационарных.

11) Перигей

Высота спутника над земной поверхностью, в точке орбиты, ближайшей к центру масс Земли (в километрах).

12) Апогей

Высота спутника над земной поверхностью, в точке орбиты, наиболее удалённой от