научная статья по теме ПРЕЦИЗИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЙ ОБЪЕКТОВ В БЛИЖНЕМ КОСМОСЕ Метрология

Текст научной статьи на тему «ПРЕЦИЗИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЙ ОБЪЕКТОВ В БЛИЖНЕМ КОСМОСЕ»

520.8:521.31

Прецизионный измерительный комплекс определения положений объектов

в ближнем космосе

В. К. ТАРАДИЙ, А. В. СЕРГЕЕВ, Н. В. КАРПОВ

Описаны установленный на пике Терскол в Приэльбрусье (высота 3150 м) астрономический комплекс двухметрового телескопа, аппаратно-программные средства и применяемые методы получения измерительной информации из оптических наблюдений небесных объектов в ближнем космосе, малых тел Солнечной системы, а также космических аппаратов при запусках и полетах. Приведены результаты измерений, погрешность определения положений составляет 0,33".

Ключевые слова: телескоп, ПЗС-камера, угловые координаты, звездный каталог.

An astronomical complex of 2-m telescope, established on pik Тerskol in Elbrus region (altitude 3150 м) hardware-software tools and used computing technique of the measuring information from optical observations of objects in near space, small bodies of Solar system, and also at start and flights of space vehicles are presented. Practical results are showed. Error of definition of positions makes 0,33".

Key words: telescope, CCD-camera, angular coordinates, star catalogue.

В середине 1990-х годов на Северном Кавказе в Приэльбрусье (Кабардино-Балкария) на пике Терскол (высота 3150 м) был введен в действие второй по величине на территории России астрономический телескоп с зеркалом диаметром 2 м производства фирмы «Карл Цейсс» (Германия).

Установка крупного телескопа третьего поколения на пике Терскол, развитие светоприемной аппаратуры и создание высокоточных астрометрических каталогов слабых звезд позволили разработать новые технологии оптических измерений тел Солнечной системы и, в частности, объектов ближнего космоса (ОБК), ориентированные на получение оперативной информации о положении наблюдаемого объекта в реальном масштабе времени.

Оптические измерения ОБК как необходимое дополнение к результатам измерений другими, в том числе радиотехническими, средствами предоставляют следующие возможности: независимое определение высокоточных параметров орбиты, верификацию траекторных измерений, полученных другими техническими средствами; мониторинг окрестностей измеряемого ОБК с целью обнаружения других объектов; прогноз движения сопровождаемого ОБК и других объектов как пассивных, так и управляемых; независимый фотометрический контроль процессов или событий в полете объекта; мониторинг в критических точках полета и ситуациях. Высокая проницающая сила крупного телескопа открывает перспективы более точных измерений положений ОБК и мониторинга космического пространства в его окрестностях.

Крупный телескоп позволяет наблюдать очень слабые, а следовательно, и небольшие объекты (малые астероиды, сброшенные детали конструкций космических аппаратов (КА), «космический мусор» и др.) с целью мониторинга, прогноза движения и обеспечения безопасности их полета. При благоприятных условиях можно наблюдать объекты размером

от 10 см, движущиеся в окрестностях геостационарной орбиты, а также несколько объектов, перемещающихся относительно звезд в любом направлении и с любой скоростью. Большой входной световой поток позволяет применить узкополосные светофильтры как для выделения интересующих объектов на фоне оптических помех, так и для наблюдения различных процессов на самом объекте (выбросы вещества, разделение модулей и т. п.). Большая входная апертура создает благоприятные условия для высокоточной и быстрой фотометрии ОБК с привязкой данных наблюдений к фотометрическим системам с использованием в качестве стандартов слабых звезд сведения из обзорных каталогов.

Аппаратно-программный комплекс двухметрового телескопа включает следующие составные части и подсистемы (рис. 1):

двухметровый телескоп системы Ричи-Кретьена-кудэ, оснащенный аппаратурой для работы в фокусе Кассегрена;

двухканальный фокальный редуктор (рис. 2) с двумя ПЗС-камерами, имеющими поле зрения 8-8', и управляющими компьютерами ПК-3, ПК-4 (см. рис. 1) с пакетами программ для цифровой обработки изображений и измерений координат объекта в реальном времени;

астрономические каталоги и программы для калибровки и измерения изображений (Tycho2, UCAC, USNO A2.0 и др.);

фирменные и оригинальные пакеты для работы с ПЗС-камерами, а также астрометрической обработки информации (PMIS, GUIDE 8.0 и др.);

службу времени с устройством регистрации моментов событий на базе персонального компьютера ПК-5 и приемника сигналов точного времени GPS Acutime 2000;

поисковую камеру, включающую две ПЗС-камеры c полями зрения 32-21' и 12-10' и системы наведения телескопа;

Рис. 1. Структура астрономического комплекса двухметрового телескопа обсерватории на пике Терскол

офсетный гид, содержащий ПЗС-камеру c полем зрения 1-1' и систему наведения телескопа;

рабочее место оператора на базе персонального компьютера, работающего с компьютерами ПЗС-камер и другими компьютерами обсерватории под управлением операционной системы Linux в локальной сети;

научно-вспомогательное оборудование (сервисное оборудование и приборы для подготовки к наблюдениям ПЗС-камер, установки для получения жидкого азота, системы связи и др.).

Все составные части приборного комплекса — сам телескоп, многопроцессорный управляющий комплекс, дополнительные приборы, наблюдательная платформа, система позиционирования купола и вспомогательные устройства — согласованы между собой так, что образуют единое целое и создают оптимальные условия для проведения измерений положений ОБК с высокой точностью и оперативностью. Отсчетная система телескопа снабжена датчиками положения фирмы Dr. Heidenhein, которые позволяют получать импульс отсчета при перемещении трубы телескопа на 0,1" по каждой из координат. Погрешность наведения телескопа на ОБК составляет 1", а скорость его слежения за объектом может достигать 100° за 1 мин.

Характеристики основных измерительных систем комплекса телескопа: среднее квадратическое значение (СКЗ) погрешности регистрации моментов событий менее 0,001"; СКЗ погрешности относительных измерений координат небесных тел, яркость которых в три раза больше уровня флуктуаций фона, не превышает 1"; СКЗ погрешности фотометрических измерений не более 0,01 звездной величины; проницающая сила телескопа при экспозиции 1 с в фильтре V равна 18-й звездной величине, при экспозиции 1000 с в том же фильтре — 23-й звездной величине.

Приведенные значения были получены с помощью сравнения с существующими фотометрическими стандартами.

Подсистемы комплекса телескопа, имеющие в своем составе компьютеры, объединены в локальной сети в единый астрономический информационно-измерительный

комплекс оперативной обработки наблюдаемых данных в реальном масштабе времени.

Геометрические и фотометрические параметры твердотельных панорамных приемников — ПЗС-камер — практически не изменяются на протяжении сеанса наблюдений и допускают совместную обработку последовательности снимков внутри одного сеанса, что повышает точность координатных и фотометрических измерений. При этом ограничения, накладываемые на точность наблюдений технологическим размером пикселя и шумами ПЗС-матрицы, в значительной мере преодолеваются с помощью статистических методов и современных информационных технологий.

Результаты аттестации оптики телескопа с определением положения плоскости наилучших изображений и оценкой качества изображений в ней по всему полю приведены в [7].

Двухканальный фокальный редуктор был разработан в Институте аэрономии общества М. Планка (Германия) [2] и поставлен в обсерваторию на пике Терскол для проведения совместных исследований объектов Солнечной системы, в частности ОБК. Следует отметить, что название прибора не в полной мере отражает его функциональные возможности. Фокальный редуктор, изначально спроектированный и оснащенный специализированными аппаратно-программными средствами, кроме своей основной функции — уменьшения фокусного расстояния телескопа, — обеспечивает также различные режимы наблюдений и первичной обработки получаемых данных [2]. Оптическая схема фокального редуктора (см. рис. 2) дает возможность оптимального размещения фильтров, полевых диафрагм и приемников, необходимых для астрономических исследований. После линзового коллиматора параллельный пучок направляется в два канала цветовым делителем, который пропускает красный и отклоняет синий свет. Фильтры и другие компоненты могут быть помещены в красные и синие параллельные лучи позади цветового делителя. Два отдельных объектива с фокальной длиной 140 мм — один для синего спектрального диапазона (355—500 нм) и другой для красного (420—700 нм и более, с дополнительной подстройкой) — отображают лучи на двух отдельных чипах светоприем-ников. В красном канале ПЗС-матрица имеет формат 576 385 пикселей диаметром 0,022 мм; в синем — формат 512512 пикселей диаметром 0,027 мм. Оба приемника в случае необходимости могут быть заменены. Сменный цветовой делитель отражает свет в диапазонах 355—450; 355—500 и 355—520 нм, а пропускает излучение длинами волн более 500; 570 или 580 нм, соответственно. Трансформирующая оптика фокального редуктора уменьшает фокусное расстояние телескопа в 2,86 раза. При этом в рассматриваемом телескопе один пиксель в красном канале соответствует 0,8241 ± 0,0005", в синем — 1,0113 ± 0,0005". Поле зрения прибора ограничено полевой диафрагмой. Прибор имеет собственный офсетный гид с программируемым приводом зеркала, что позволяет отслеживать относительно звезд объекты с большим собственным движением.

С использованием линзовой оптики в коллиматоре и объективах было проведено специальное исследование дисторсии системы телескоп — редуктор при наблюдениях звездных скоплений [8]. Средние значения коэффициента дисторсии составили: (0,301±0,045) ■ 10-7 и (0,281±0,056) ■ 10-7 по координатам прямого восхождения и склонения.

Угол между осями ПЗС-приемника в синем канале на уровне значимости 0,05 равен 2,75 ± 1,37', а в красном — не отличается от нуля.

Рис. 2. Оптическая схема фокального редуктора: 1 — апертура телескопа; 2 — экран с калибровочными лампами; 3 — фокальная плоскость; 4 — линзы поля; 5 — коллиматор; 6 — инте

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком