Размещено на http://www.allbest.ru/

Определение орбит Земли и Венеры, астрономической единицы и радиуса Венеры на основе радиолокационных наблюдений Венеры в 1962-1977 гг.

М.Д. Кислик, Ю.Ф. Колюка,

академик В.А. Котельников,

Г.М. Петров, В.Ф. Тихонов

Основное содержание исследования

Радиолокационная планетная астрономия, начало которой было положено в 1961 г. успешной радиолокацией Венеры, накопила большой фактический материал. Его обработка привела к таким известным результатам, как уточнение астрономической единицы, определение параметров собственного вращения Венеры, определение ряда физических характеристик планет и др. С повышением точности радиолокационных наблюдений (¹) и увеличением временного интервала, охваченного ими, стало возможным использовать эти наблюдения для уточнения орбит (теорий движения) лоцируемых планет и Земли.

В настоящей статье описывается методика определения планетных орбит на основе радиолокационных наблюдений, разработанная Институтом радиотехники и электроники АН СССР совместно с рядом организаций, и приводятся результаты её применения к обработке измерений, полученных при радиолокации Венеры в СССР и США в 1962-1977 гг.

Для описания движения больших планет используется система дифференциальных уравнений задачи n тел, т.е. чисто гравитационная теория. В качестве тел взяты Солнце, Меркурий, Венера, система Земля-Луна, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран. Проведённые оценки показали, что влиянием Нептуна и Плутона в условиях данной задачи можно пренебречь. Система Земля-Луна в этих уравнениях представлена своим центром масс (барицентром). Геоцентрическое движение Луны, знание которого необходимо для перехода от барицентра к центру масс Земли, также описывается дифференциальными уравнениями, в которых учитывается влияние полярного сжатия Земли, притяжение Солнца и планет. Все уравнения составлены в прямоугольных координатах. Используются гелиоцентрическая и геоцентрическая (для Луны) геоэкваториальные координатные системы эпохи 1960.0. Независимым переменным является эфемеридное время. Интегрирование производится численно методом рекуррентных степенных разложений; при этом прямоугольные координаты планет и Луны представляются на каждом шаге отрезками степенных рядов, коэффициенты которых находятся последовательно по алгоритму (²).

Для оценки ошибки метода интегрирования (при шаге интегрирования и требованиях к точности, выбранных для обработки радиолокационных наблюдений Венеры), были проведены контрольные расчёты на ЭВМ БЭСМ-6 одних и тех же интегральных кривых при прямом и обратном ходе времени. Для исключения ошибок округления расчёты выполнялись с двойным числом разрядов. На интервале в 20 лет для всех планет ошибки в положении не превысили 10 м.

Обработка измерений при определении планетных орбит производится по способу наименьших квадратов итерационным методом. Предварительно все измерения редуцируются с помощью известных соотношений (^3,4) для учёта прецессии и нутации земной оси при переходе к эпохе 1960.0. Предусмотрена возможность совместной обработки как радиолокационных наблюдений планет, так и оптических наблюдений планет и Солнца, а также измерений параметров движения искусственных спутников планет наземными радиотехническими средствами.

Описанная методика была применена для определения орбит Венеры и Земли. Исходная измерительная информация включала значения времени запаздывания отражённого сигнала, полученные Институтом радиотехники и электроники АН СССР в 1962-1977 гг. (^5,6) (884 измерения), Аресибской ионосферной обсерваторией (Пуэрто-Рико) в 1964-1965 гг. (⁷) (71 измерение) и Лабораторией реактивного движения США в 1967 г. (⁸) (15 измерений), а также оптические измерения угловых координат Венеры и Солнца, выполненные Николаевской обсерваторией АН СССР в 1972-1975 гг. (⁹) (1889 измерений) и Морской обсерваторией США в 1960-1972 гг. (¹⁰) (3598 измерений). Кроме того, при оценке полученных результатов использовались радиотехнические измерения дальностей "Венера-9" и Венера-10" (306 измерений). Расчёты проводились при значениях масс планет и Луны, приведённых в табл.1. При переводе астрономической единицы из световых секунд в километры скорость света принималась равной 299 792,5 км/сек.

Примечание. м - отношение массы Солнца к массе планеты. Отношение массы Земли к массе Луны 81,301.

Определяемыми параметрами были оскулирующие элементы гелиоцентрических орбит барицентра системы Земля-Луна и Венеры, астрономическая единица А и радиус Венеры R_В. Для начала итерационного процесса определения орбит барицентра и Венеры и для описания движения остальных планет и Луны на интервале интегрирования использовались начальные условия, вычисленные по данным (¹¹). В качестве критерия точности полученного решения была выбрана разность фактического ф_ф и расчетного ф_р времени запаздывания отражённого от поверхности Венеры сигнала как наиболее точная непосредственно экспериментально определяемая характеристика движения Венеры относительно Земли.

В первом варианте были обработаны все радиолокационные и оптические измерения 1960-1975 гг. с определением 12 неизвестных элементов орбит барицентра системы Земля-Луна и Венеры и рассчитан прогноз движения Земли и Венеры на 1977 г. Астрономическая единица и радиус Венеры не уточнялись. Их значения были приняты равными: А=149597890,5 км (499,0047800 световых секунд), R_В=6050 км. Результаты сравнения прогноза и данных радиолокации Венеры в 1977 г. представлены на рис.1, где разность Дф= ф_ф-ф_р пересчитана в разность дальностей ДД. На мерном интервале среднеквадратические значения разности дальностей у_ДД монотонно уменьшаются от 12 км в 1962 г. до 1,7 км в 1975 г., что отражает повышение точности радиолокационных наблюдений. Среднеквадратические отклонения оптических измерений от полученного решения на мерном интервале практически не изменяются и составляют 0'',6-1'',2. При пересчёте в координаты планет эти отклонения в среднем превышают у_ДД в 50-300 раз.

Рис.1. Отклонения измеренных в 1977 г. дальностей до Венеры от прогноза, рассчитанного для двух вариантов: 1 - при уточнении только элементов орбит системы Земля-Луна и Венера, 2 - при совместном уточнении элементов орбит, радиуса Венеры и астрономической единицы

Характер изменения отклонений ДД со временем показывает, что они могут быть уменьшены соответствующими изменениями астрономической единицы и радиуса Венеры. Поэтому во втором варианте обработки параметры А и R_В были включены в число неизвестных. Полученные результаты приведены в табл.2. Так как радиолокационные наблюдения в основном охватывают полосу широт на поверхности Венеры в пределах ±20° и интервал долгот около 140°, то уточнённое значение R_В следует считать средним радиусом Венеры для этой области. Точность полученного решения характеризуется отклонениями ДД' измеренных дальностей от прогнозируемых, показанными на рис.1. На всём трёхмесячном интервале наблюдений эти отклонения не превосходят 2 км и в значительной мере обусловлены влиянием рельефа Венеры (¹²). Как и следовало ожидать, включение на окончательном этапе обработки радиолокационных наблюдений Венеры в 1977 г. в исходную измерительную информацию практически не изменило данных табл.2.

Примечания. Астрономическая единица A=149597888,9 км±0,7 км (499,0047740±0,0000022 световых секунд), радиус Венеры R_В=6052,3 км±0,3 км. Приведённые среднеквадратичные ошибки являются формальными, полученными по внутренней сходимости при обработке измерений.

Было проведено также сравнение измеренных радиотехническим дальномером R_ф и расчётных R_р дальностей искусственных спутников "Венера-9" и "Венера-10" от точки наблюдения на Земле. Афродитоцентрические орбиты спутников определяли по радиальным скоростям с использованием данных табл.2. На рис.2 показаны разности ДR=R_ф-R_р на интервале в 7 месяцев, охватывающем участки орбит Земли и Венеры между нижним и верхним соединениями. Так как значения R_р содержат по сравнению с ф_р дополнительные ошибки определения орбит спутников, то, естественно, разности ДR превышают величины ДД'. Однако и они лежат в пределах 20 км. На рис.2 изображены также разности ДR' измеренных и расчётных дальностей для "Венеры-9" и "Венеры-10" при определении их орбит с использованием данных (¹¹).

орбита земля венера астрономический

Рис.2. Отклонения от расчётных значений измеренных расстояний до ИСВ "Венера-9" (1,2) и "Венера-10" (3,4) для двух вариантов определения орбит планет Венеры и Земли: 1, 3 - по уточнённым в работе орбитам планет; 2, 4 - по орбитам планет, вычисленным с использованием данных (¹¹)

Отклонения ДД'' дальностей до Венеры, рассчитанных по данным (¹¹), от полученного решения показаны для 1977-1982 гг. на рис.3. Величины ДД'' и ДR' характеризуют ошибки классических теорий движения Земли и Венеры; на рассматриваемом интервале времени они доходят до 500 км. Аналогичные результаты получены при обработке радиолокационных наблюдений Венеры и Институте прикладной математики АН СССР (¹²).

Рис.3. Отклонения гелиоцентрических расстояний ДД'' Венеры и Земли, вычисленных с использованием данных (¹¹), от прогнозируемых расстояний, полученных по уточнённым в работе орбитам планет

Резюмируя, отметим, что в задачах, связанных с обеспечением полётов к Венере, целесообразно вместо классических теорий движения Земли и Венеры использовать орбиты, определённые на основе радиолокационных наблюдений Венеры. Систематическое накопление и обработка новой радиолокационной информации позволит по мере необходимости уточнять эти орбиты.

Авторы выражают благодарность всем участникам работ по радиолокации Венеры на Центре дальней космической связи.

Литература