КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 19-72-10022

НазваниеИсследование сложных задач динамики околоземных объектов методами компьютерного моделирования и машинного анализа данных

РуководительАлександрова Анна Геннадьевна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет", Томская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2022 - 06.2024

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (41).

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-701 - Небесная механика

Ключевые словаоколоземное космическое пространство; космический мусор; отработавшие космические аппараты; окололунные спутники; астероиды, сближающиеся с Землей; динамика околоземных объектов; орбитальные резонансы; вековые резонансы; многопроцессорная вычислительная система; машинное обучение; нейронные сети

Код ГРНТИ41.03.02, 41.03.15, 41.51.41

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Целью проекта является применение в практических задачах результатов, полученных в рамках Проекта 2019 по выявлению и анализу динамических структур околоземного орбитального пространства, включая всю внеатмосферную часть этого пространства до сферы действия Луны, окололунные объекты и группу астероидов, сближающихся с Землей и имеющих малые перигелийные расстояния, методами компьютерного моделирования и машинного анализа данных, модификация и доработка программного обеспечения для возможности его предоставления иным организациям, а также для обучения студентов и аспирантов. Таким образом, особенностью проекта является переориентация исследований на практические цели и задачи. В частности, планируется проведение поиска в околоземном пространстве зон утилизации и/или паркинга для отработавших космических аппаратов, а также наиболее удачных областей для вывода новых аппаратов. С целью обоснования пригодности выбранных зон планируется исследование методами компьютерного моделирования долговременной орбитальной эволюции объектов с учетом динамических карт околоземного пространства, полученных в рамках Проекта 2019. Кроме того, в рамках заявляемого проекта планируется осуществить исследования динамики каталогизированного космического мусора. С использованием данных по динамической структуре окололунного пространства планируется поиск зон для размещения долгоживущих систем связи и навигации. Предполагается проведение анализа функционирования таких систем, что потребует обработки большого числа данных, где будут использоваться различные методы машинной обработки данных, в том числе искусственные нейронные сети. Для задач астероидной динамики планируется продолжить начатые в рамках Проекта 2019 исследования влияния эффекта Ярковского и светового давления на резонансные характеристики. Для более эффективного прогнозирования движения предполагается исследовать и использовать новый интегратор Lobbie, показавший хорошие результаты при изучении динамики искусственных спутников Земли и Луны. Кроме того, планируется рассмотреть разные модели учета эффекта Ярковского, что позволит оценить достоверность получаемых результатов. Отдельное внимание будет уделено машинному анализу данных, в частности предполагается реализовать новые модели классификации резонансного поведения. Для ряда объектов планируется рассмотреть мультиплеты резонансных аргументов. В связи с непрерывным освоением околоземного космического пространства и планами различных стран, включая Россию, по освоению окололунного пространства решение поставленных задач представляется весьма актуальным. Поскольку все результаты, полученные в рамках Проекта 2019, были совершенно новыми, использование этих результатов для решения практически важных задач также будет отличаться новизной.

Ожидаемые результаты
В процессе выполнения проекта будут получены следующие результаты: - результаты исследования динамики каталогизированного космического мусора для выявления областей имеющих наибольшую степень замусоривания; - выборка зон космического пространства, пригодных для утилизации и паркинга, полученная в результате совместного анализа динамической структуры околоземного орбитального пространства (данные Проекта 2019) и результатов исследования динамики каталогизированного космического мусора (Проект 2022); (Стоит отметить, что в более ранних работах мы рассматривали ограниченную зону в окрестности GPS/ГЛОНАСС для поиска орбит паркинга объектов этих навигационных систем (Томилова и др, 2018), как и ряд других исследователей (Rossi, 2008)) - набор критериев пригодности зон для утилизации и паркинга, полученных путем исследования методами компьютерного моделирования долговременной орбитальной эволюции объектов, размещенных в этих зонах, с целью обоснования выбора; - адаптированная модель для машинного анализа резонансной структуры, с использованием ИНС, под доработанную на 3-м этапе Проекта 2019 методику выявления резонансов при совместном применении численных и аналитических решений, обученная распознавать резонансы различных типов; - доработанные в части интерфейсов численные модели движения искусственных спутников Земли (ИСЗ) и Луны (ИСЛ) для возможности их применения сторонними пользователями, имеющими потребность в высокоточном прогнозе движения данных объектов (более ранняя версия численной модели для исследования динамики ИСЗ, разработанная в ТГУ, успешно применялась для исследований на базе Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина в Екатеринбурге); - набор зон, пригодных для размещения долгоживущих систем связи и навигации в окололунном космическом пространстве; - результаты компьютерного моделирования вариантов таких систем и анализа их функционирования; - данные по выявлению областей, куда нежелательно размещать новые спутники с точки зрения динамической эволюции ИСЗ; - версии численных моделей движения ИСЛ и ИСЗ, направленные на изучение общих свойств динамики искусственных спутников и предназначенные для работы студентов; - оценки эффективности использования интегратора Lobbie, разработанного в НИИ ПММ ТГУ (Авдюшев, 2020) и ранее успешно встроенного в численные модели движения ИСЗ и ИСЛ, в задаче исследования динамики астероидов с малыми перигелийными расстояниями с применением сглаженных эфемерид планет; - оценки влияния эффекта Ярковского и светового давления на резонансные характеристики (резонансную щель и мультиплет резонансных аргументов) и время предсказуемости движения некоторых астероидов с малыми перигелийными расстояниями; - результаты сравнения параметров эффекта Ярковского, полученных разными методами (Greenberg et al, 2017); - результаты апробации новых методов машинного анализа поведения резонансных аргументов. Все полученные по проекту результаты будут иметь практическую значимость для решения актуальных задач утилизации и паркинга отработавших околоземных космических аппаратов, а также для разработки совершенно новых космических систем связи и навигации в окололунном пространстве. Практическая значимость проводимых исследований динамики астероидов с малыми перигелийными расстояниями обусловлена проблемой астероидной опасности и планируемыми космическими миссиями к астероидам. Все ожидаемые результаты проекта будут новыми и соответствующими мировому уровню.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
С момента запуска первого искусственного спутника Земли (ИСЗ) прошло 65 лет, и за это время на околоземные орбиты было выведено 15430 объектов, из которых 10290 все еще находятся в космосе, и только 7600 аппаратов являются функционирующими. Произошло более 640 фрагментаций околоземных объектов, что значительно увеличило число наблюдаемых единиц космического мусора. На данный момент на регулярной основе отслеживается порядка 33 тыс. околоземных космических объектов искусственного происхождения. Освоение космического пространства продолжается, и оно становится технически сильно загруженным. В связи с этим исследование его динамической структуры и поиск орбит, пригодных для захоронения отслуживших свой срок аппаратов (полной утилизации или долговременного стабильного размещения), являются весьма актуальными задачами, что и было сделано в рамках настоящего проекта РНФ. В рамках текущего этапа проекта также было проведено исследование динамики каталогизированного космического мусора с целью поиска областей, имеющих наибольшую степень замусоривания. Показано, что максимальная плотность распределения объектов характерна для трех областей околоземного пространства: низкоорбитальные ИСЗ (большая полуось до 8 тыс. км), в области размещения навигационных спутников (большая полуось около 26 тыс. км плюс-минус 3 тыс. км), в геостационарной области (большая полуось равна 42164 км плюс-минус 150 км) и ее окрестности (42164 км плюс-минус 2 тыс. км). И, если в области низкоорбитального космического пространства существует естественный механизм самоочистки (атмосфера Земли), то для средневысокой и высокой областей поиск орбит утилизации – более сложная задача. Как показали результаты исследования, для высоких орбит существует зона с естественным механизмом самоочистки в области приполярных орбит, в этой зоне спутники падают на Землю за счет наложения влияний вековых резонансов. Однако перевод спутников после отработки в эту зону оптимален только для ИСЗ с наклонениями и так близкими к приполярным, поскольку изменение наклонения весьма энергозатратно. На основе проведенного анализа резонансной структуры околоземного пространства выработаны критерии пригодности зон для утилизации и паркинга. Был составлен набор зон, удовлетворяющих данным критериям. Проведено исследование методами компьютерного моделирования долговременной орбитальной эволюции объектов, размещенных в выбранных в соответствии с данными критериями зонах, с целью обоснования выбора зон утилизации. Поиск общих свойств зон, пригодных к утилизации или паркингу, показал, что общим является только отсутствие или минимизация пересечений с орбитами других объектов. Исследования проводились с помощью программного обеспечения, разработанного и усовершенствованного в ходе выполнения проекта, включая текущий этап. Так была проведена адаптация программы для машинного анализа резонансной структуры с использованием ИНС (искусственных нейронных сетей) под последнюю комбинированную методику выявления резонансов (для почти круговых орбит и орбит с большими эксцентриситетами необходимо применять различные методики). Программа-классификатор с ИНС служит для выявления наличия резонанса и определения его типа (устойчивый/неустойчивый). Разработан интерфейс для «Численной модели движения ИСЗ», предназначенной для прогноза движения ИСЗ, в том числе высокоточного, и исследования устойчивости движения спутников. Ранее все управление программой осуществлялось с помощью входного файла, что нередко служило причиной случайного неверного заполнения входных данных. Поэтому такой способ управления был неудобным для взаимодействия с «Численной моделью движения ИСЗ». Помимо исследования динамики космическогоо мусора и связанных с этим задач, не теряют свою актальность и исследования в области динамики астероидов, сближающихся с Землей. На примере астероидов с разными эксцентриситетами, в том числе на объектах с малыми перигелийными расстояниями представлено исследование эффективности интегратора Lobbie по сравнению с интегратором Гаусса-Эверхарта. Показано, что при решении задачи двух тел (возмущенной и невозмущенной) при использовании смешанных систем уравнений интегратор Lobbie имеет более высокую эффективность. В случае решения возмущенной задачи двух тел эффективность интегратора Lobbie по сравнению с интегратором Гаусса-Эверхарта не так значительна, но тем не менее применение интегратора Lobbie позволяет расширить интервал интегрирования для исследования резонансного поведения некоторых объектов. Проведенное исследование эффективности использования сглаженных эфемерид больших планет показало, что в случае их применения наблюдается лишь незначительное увеличение эффективности. При построении орбитальной эволюции астероидов с малыми перигелийными расстояниями применение интегратора Lobbie позволило увеличить интервал исследования, что особенно важно при рассмотрении резонансных взаимодействий астероидов с большими планетами. С использованием нового интегратора на расширенном интервале времени 4000 лет был получен обновленный перечень астероидов, движущихся в окрестности орбитальных резонансов с планетами. Показано, что среди 60 астероидов с малыми перигелийными расстояниями, известных на момент исследования, 33 движутся в окрестности орбитальных резонансов с одной или несколькими планетами одновременно. Всего выявлено 50 соизмеримостей, 16 из которых являются устойчивыми. Детально исследована резонансная динамика астероидов 3200 Phaethon, 137924 2000 BD19, 394130 2006 HY51, 431760 2008 HE, 2011 КЕ, 2013 YC и получены оценки влияния эффекта Ярковского (ЭЯ) и светового давления (СД) на поведение характеристик выявленных резонансов с большими планетами. Влияние СД получилось оценить лишь для трех астероидов (Phaethon, 2000 BD19 и 2006 HY51), так как только для них известны такие физические параметры, как масса, диаметр и альбедо. Увеличение интервала исследования существенно повлияло на анализ резонансного взаимодействия 3/7 Phaethon и 3/4 2000 BD19 с Венерой. Анализ результатов показал, что световое давление практически не влияет на характер резонанса, в то время как эффект Ярковского приводит к разрушению устойчивых участков для 2000 BD19 и появлению новых для Phaethon. Резонансное поведение астероидов 2008 HE, 2011 КЕ и 2013 YC на расширенном интервале времени осталось практически неизменным, а влияние ЭЯ оказалось незначительным. Исследование хаотичности движения проводилось с помощью параметра OMEGNO (Orthogonal Mean Exponential Growth factor of Nearby Orbits). Результаты показали, что использование различных моделей сил (с учетом или без учета ЭЯ и СД) практически не влияет на время предсказуемости движения. Однако, применение нового интегратора позволяет сократить время интегрирования смешанных уравнений.

Публикации

1. Александрова А.Г., Попандопуло Н.А., Кучерявченко Н.А., Авдюшев В.А., Бордовицына Т.В. Численная модель движения искусственных спутников Земли Вестник Томского государственного университета. Математика и механика, № 86. С. 5-20. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.17223/19988621/86/1

2. Басхаев Д. Л. Сравнительный анализ методов численного интегрирования Гаусса-Эверхарта и Lobbie «Физика Космоса: Труды 50-й Всероссийской с международным участием студенческой научной конференции, Екатеринбург, 30 января — 03 февраля 2023 г.», С. 184-187 (год публикации - 2023)

3. Басхаев Д. Л., Попандопуло Н. А., Александрова А. Г., Бордовицына Т. В. Численная модель движения систем искусственных спутников Земли. Последняя версия Физика Космоса: Труды 50-й Всероссийской с международным участием студенческой научной конференции, Екатеринбург, 30 января — 03 февраля 2023 г., С. 306-308 (год публикации - 2023)

4. Басхаев Д.Л., Галушина Т.Ю. Исследование эффективности интеграторов Гаусса-Эверхарта и Lobbie в задачах астероидной динамики (The study of the efficiency of Gauss-Everhart and Lobbie integrators in the problems of asteroid dynamics) Известия высших учебных заведений. Физика. (Russian Physics Journal), № 1, T. 66, С. 109 - 116 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.17223/00213411/66/1/109

5. Блинкова Е. В., Томилова И. В., Александрова А. Г., Бордовицына Т. В. Предварительный анализ динамической структуры околоземного космического пространства и распределения космического мусора с целью поиска орбит пригодных для утилизации ИСЗ «Физика Космоса: Труды 50-й Всероссийской с международным участием студенческой научной конференции, Екатеринбург, 30 января — 03 февраля 2023 г.», С. 312-315 (год публикации - 2023)

6. Галушина Т.Ю., Летнер О.Н., Сюсина О.М. Влияние светового давления и эффекта Ярковского на резонансное поведение астероидов с малыми перигелийными расстояниями Вестник Томского государственного университета. Математика и механика, № 85. С. 101-116 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.17223/19988621/85/8

7. Томилова И.В., Александрова А. Г., Попандопуло Н. А., Кучерявченко Н. А., Блинкова Е.В. Анализ динамической структуры околоземного космического пространства с целью поиска орбит пригодных для утилизации и паркинга отработавших ИСЗ (Dynamic structure analysis of the near-Earth space to search for orbits suitable for disposal and parkings...) Известия высших учебных заведений. Физика. (Russian Physics Journal), Т. 66. № 8 (789). С. 68-73 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.17223/00213411/66/8/8

8. Басхаев Д.Л., Галушина Т.Ю. Сравнительный анализ интеграторов Гаусса-Эверхарта и Lobbie в задачах астероидной динамики ХХ конференция молодых учёных «Фундаментальные и прикладные космические исследования» 12-14 апреля 2023, (Без страниц) URL: https://kmu.cosmos.ru/abstracts/baskhaev-dmitriy/sravnitelnyy-analiz-integratorov-gaussa-everkharta-i-lobbie-v-zadachakh (год публикации - 2023)