КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 19-72-00033

НазваниеСоздание навигационных имитационных моделей координатного обеспечения на физических поверхностях небесных тел на основе многопараметрического метода анализа спутниковых данных дистанционного зондирования и геофизического мониторинга

РуководительДемина Наталья Юрьевна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет", Республика Татарстан (Татарстан)

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2019 - 06.2021 

КонкурсКонкурс 2019 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

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

Ключевые словакосмическая астрометрия, селенофизика, геодинамика, дистанционное зондирование небесных тел, многопараметрический гармонический анализ, регрессионный анализ, математические и наблюдательные технологии

Код ГРНТИ41.15.21


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальных проблем небесной механики, космической астрометрии и геофизики Луны, связанных с построением системы прецизионного координатно-временного обеспечения для выполнения современных спутниковых миссий. В настоящее время в рамках проекта Роскосмоса «Вызов-Перспектива» проводится развитие системы наземной навигационной системы ГЛОНАСС как на подводное и подземное применение, так и на окололунную орбиту для роботизированного и пилотируемого освоения Луны. С этой целью в Проекте планируется решение взаимосвязанных вопросов геодинамики, селенофизики и координатно-временной привязки для расширенной на окололунную орбиту наземной навигационной системы, а также на решение задач по исследованию внутреннего строения Луны, вращательной динамики, физической либрации и селенографии, что в дальнейшем позволит использовать результаты настоящего проекта для нахождения корреляций полученных параметров с вращательной и приливной эволюцией Луны. Также следует отметить, что цели проекта связаны с ключевыми задачами развития исследований и в области радиоастрономии, астрометрии и космической геодезии, в частности, дистанционного зондирования Земли из космоса. В настоящем проекте заложена реализация комплекса усовершенствованных физических моделей, экспериментальных методов, методов анализа данных, а также разработка компьютерных программ для создания высокоточных космических навигационных систем, что имеет существенное практическое значение, так как позволит в дальнейшем использовать результаты проекта при создании навигационных аппаратов для освоения космоса. Решение основных задач проекта направлено на развитие следующих взаимосвязанных направлений современных космических исследований: 1) Создание метода и разработка системы его практического использования для навигационного обеспечения перспективных космических миссий в части фотограмметрии земной и лунной поверхности и налунных лазерных маяков. С этой целью будет выполнено построение имитационных моделей отдельных элементов лунной навигационной спутниковой системы в части лунного картографического обеспечения с учетом опыта дистанционного зондирования Земли. Для достижения поставленных целей авторы проекта располагают необходимыми экспериментальными данными спутниковых наблюдений гравитационного поля и топографии Луны, полученными в ходе российского и международного сотрудничества космическими миссиями «Apollo», «Зонд», «Clementine», «KAGUYA», «LRO»,«GRAIL», «SMART-1». Для решения задач координатно-временного обеспечения и геодинамического мониторинга будут использованы результаты миссий «GAIA» и «ASTER». 2) Анализ спин-орбитальной эволюции и приливной диссипации многослойной Луны и применение полученных результатов теоретических изысканий при обработке современных высокоточных наблюдений для обеспечения ряда космических миссий к Луне – «Луна-25, -26, -27, -28» (2017-2020+), и в будущем к Марсу – «ЭкзоМарс», «Инсайт», включая лунные проекты навигационных лазерных маяков, налунный телескоп, лазерные угловые отражатели и активные бортовые лазеры. 3) Анализ стохастических и динамических особенностей временных рядов, описывающих спутниковые измерения гравитационных полей и параметров физической либрации, применение для этих целей современных методов многопараметрического анализа, способствующих выявлению характера взаимосвязей и перекрестных корреляций, эффектов статистической памяти, определенного уровня стохастического и частотно-фазового подобия, в дальнейшем определение статистических параметров аномалий гравитационных полей исследуемых объектов. Актуальность настоящего проекта заключается в том, что на основе современных экспериментальных данных, полученных в ходе космических исследований Луны, и современных методов планетарной геодезии будут разработаны новые высокоточные модели и методы анализа данных, появится возможность улучшить навигационное сопровождение в серии космических миссий России «Луна». Также результаты работы найдут применение в совместных проектах космических программ по исследованию Луны. Новизна проекта состоит в создании и применении новых эффективных методов спутниковой навигации, основанных на фотограмметрической привязке к опорной селеноцентрической системе к лазерным маякам. Для развития теории физической либрации будет выполнен анализ спин-орбитальной эволюции и приливной диссипации многослойной Луны с использованием лунных сейсмических наблюдений и современных данных лазерной локации Луны. При редукции спутниковых данных будут использованы многопараметрический анализ и методы статистической физики. Практико-ориентируемая часть результатов проекта будет использована в системе высшего образования при подготовке бакалавров, специалистов и магистров отделения астрономии и космической геодезии и научно- педагогического отделения. При выполнении Проекта будут в качестве соисполнителей будут привлечены два аспиранта: А.А.Загидуллин, тема его диссертационной работы является изучение динамики и физической либрации Луны, и А.О. Андреев, тема его диссертационной работы относится к использованию современных робастных методов к анализу спутниковых наблюдений и исследованию селенографических параметров.

Ожидаемые результаты
В процессе выполнения проекта будут разработаны современные имитационные прецизионные модели и методы анализа спутниковых данных, появится возможность улучшить координатное сопровождение космических миссий. Предлагаемые модели, подходы и методы откроют возможность практического использования результатов проекта в экономике и социальной сфере, так как решение запланированных задач основано на современных спутниковых данных и последних достижениях планетарной геодезии. 1) Будет создан метод и разработана система его практического использования для навигационного обеспечения перспективных космических миссий к Луне в части космического дистанционного зондирования и фотограмметрии лунной поверхности. С этой целью будет построена картографическая имитационная динамическая система и разработано программное обеспечение для ее автоматизированного использования как с поверхности небесного тела, так и с борта космического аппарата. При построении имитационной системы будут использованы экспериментальные данные спутниковых наблюдений гравитационного поля и топографии Луны, полученные в ходе российского и международного сотрудничества космическими миссиями «Apollo», «Зонд», «Clementine», «KAGUYA», «LRO», «GRAIL», «SMART-1». Для решения задач координатно-временного обеспечения и геодинамического мониторинга будут использованы результаты миссий «GAIA» и «ASTER». 2) Будут разработаны алгоритмы построения численной теории физической либрации Луны для деформируемой Луны с включением прямых и косвенных планетных возмущений, в этом же направлении будет развиваться соответствующий аналитический подход. Таким образом, применение теории физической либрации Луны, как инструмента математического и компьютерного моделирования, в сочетании с методами геофизики и геодезии к анализу динамики лунного ядра, позволит приблизиться к решению ряда фундаментальных вопросов, в частности, проблемы расхождения наблюдаемого сжатия Луны с современными теоретическими моделями. 3) На основе исследований в области неравновесной статистической физики и физики сложных систем будет разработан метод обработки и анализа спутниковых наблюдений, выполненных на протяженных годовых временных интервалах. Этот метод позволит проводить анализ эффектов статистической памяти, описывать динамику коротко- и долговременных корреляций спутниковых наблюдений. 4) Будут созданы компьютерные программы для анализа параметров спутниковых альтиметрических и гравиметрических наблюдений и автоматизированного использования разработанных в Проекте имитационных моделей. По сравнению с мировым уровнем исследований задачи данного проекта являются актуальными и по многим параметрам новыми. Имитационные модели и методы анализа спутниковых данных позволят создать достаточно точное координатно-временное сопровождение космических миссий. Для анализа спутниковых долгопериодических рядов наблюдений будут использованы авторские методы, в частности, разработанные на основе многопараметрического статистического анализа. Планируется, что в перспективе полученные модели можно будет совместно использовать с современными результатами по созданию высокоточных звездных датчиков ориентации в космическом пространстве, разрабатываемых в лаборатории космических проектов МГУ (науч. рук. М.Е.Прохоров), теоретическими основами физической либрации Луны Б.П.Кондратьева и системами практической навигации ИПА РАН. Все это должно намного повысить эффективность результатов настоящего Проекта. Практическое использование предполагаемых результатов проекта в экономике и социальной сфере заключается в следующем. Для России космонавтика имеет особое значение в силу ее географического положения, размещения природных ресурсов и социально-экономических объектов. Ни одна крупномасштабная социально-экономическая, научная или оборонная программа не решается без использования космической техники, обеспечивающей единое информационное пространство страны, изучение и использование природных ресурсов, контроль за экологической обстановкой и чрезвычайными ситуациями, создание прорывных наукоемких технологий производства, ресурсодобычи и энергетики будущего. И в первую очередь это касается вопросов развития навигационного обеспечения в космическом пространстве и исследований Луны, что шаг за шагом обеспечит доступ к ее ресурсам и энергии. Именно решению этих вопросов и посвящен настоящий Проект. Также в области социальной сферы с использованием результатов Проекта планируется написания и издания монографии «Современная селенография» и учебного пособия «Задачи по практической астрономии», которые будут ориентированы на их использование при проведении учебного процесса в ВУЗ-е и занятий по астрономии в школах.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Проект направлен на решение взаимосвязанных вопросов геодинамики, селенофизики и координатно-временной привязки для расширенной на окололунную орбиту наземной навигационной системы, а также на решение задач по исследованию внутреннего строения Луны, вращательной динамики, физической либрации и селенографии, что в дальнейшем позволит использовать результаты настоящего проекта для нахождения корреляций полученных параметров с вращательной и приливной эволюцией Луны. Все задачи Проекта первого этапа полностью выполнены, достигнуто их решение, результаты опубликованы. В ходе выполнения Проекта получены следующие основные результаты: 1) Был создан метод трансформации для координатных систем, мегарельефа и гравитационного поля Луны. Выполнен анализ возможности координатной привязки окололунных космических аппаратов к опорной системе с помощью координатных положений объектов опорного каталога. Разработанный метод трансформации предполагает наличие основного селеноцентрического каталога координат опорных объектов видимой стороны Луны (DSC) и каталогов объектов либрационной зоны и обратной стороны Луны, а также систем, созданных на основе космических миссий. Создание единой системы координат с центром, совпадающим с центром масс Луны, и осями, совпадающими с главными осями инерции Луны, включает следующие этапы: исследование систематических и случайных ошибок используемых селенодезических систем; трансформацию различных селенодезических данных, привязанных к соответствующим системам отсчета данных, к динамической системе координат, в качестве которой нами использовалась динамическая система DSC. Была построена система координат на основе данных миссии “LRO” в динамической селеноцентрической системе. Было выполнено исследование системы “LRO” по определению сдвига геометрического центра Луны (ГЦЛ) относительно ее центра масс (ЦМЛ), который вычислялся через гармонические коэффициенты первого порядка. На основе изложенного метода производится трансформация параметров координатной привязки мегарельефа и гравитационного поля и в результате определяются новые координатные положения для высотных значений поверхности Луны и ее гравитационных аномалий. 2) Была построена единая цифровая база данных наблюдений спутниковых миссий «Apollo», «Зонд», «Clementine», «KAGUYA», «LRO» и «SMART-1» с учетом перспективы осуществления новых космических миссий. Для осуществления данной задачи был выполнен научно-технический анализ современных космических миссий для изучения топографии Луны и существующих баз данных космических оптических наблюдений поверхности Луны. Было разработано три подхода: а) одновременное сканирование лунной поверхности с точным определением координат точки лазерного луча и привязкой космического аппарта к звездам, что технически трудновыполнимо, так как координаты «падения» лазерного луча на лунную поверхность определить практически невозможно; б) использование системы лунных светодиодных маяков; в) навигационная привязка к электронной селеноцентрической сети на основе фотограмметрических методов. 3) Было выполнено развитие авторской теории физической либрации Луны (ФЛЛ), получено решение задачи трансформации классических параметров физической либрации в эйлеровых углах в самолётные углы и из анализа остаточных разностей при сравнении с элементами теории Рамбо и Уильямса были найдены параметры соответствия полученных данных. Была проведена работа по учет в уравнениях физической либрации Луны упругости лунного тела и разработка метода решения этих уравнений с учетом изменяющихся во времени главных моментов инерции. Это важнейший этап в построении теоретического фундамента описания вращения Луны, на основании которого становится возможным дальнейшее развитие теории. Во-вторых, были проведены исследования по включению вязкоупругих свойств в уравнения, описывающих либрацию нетвердой Луны. 4) Был произведен учет в уравнениях физической либрации Луны упругости лунного тела и осуществлена разработка метода решения этих уравнений с учетом изменяющихся во времени главных моментов инерции. Для этого было выполнено: а) построение гамильтониана и соответствующих дифференциальных уравнений с учетом введения дополнительных потенциалов с учетом вязкоупругих свойств лунного тела и его двухслойной структуры; б) приведение уравнения вращения Луны в форму, адаптированную для высокоточной интеграции, обеспечивающей точность решения 0,1 мс в течение интервала времени, превышающего 3 года. 5) Были разработаны новые методы обработки и анализа временных рядов на основе современных достижений неравновесной статистической физики сложных систем. С этой целью осуществлена разработка методов для обобщения теоретических подходов на случай локально-временного описания – анализ локальных выборок оптимальной временной продолжительности и выполнено исследование событийных корреляций, реализующихся в неэквидистантных временных сериях, регистрируемых со случайным шагом дискретизации в сериях спутниковых наблюдений гравитационного поля Луны и разработан метод анализа сложных многопараметрических систем на основе определения фрактальных размерностей и коэффициентов фрактального самоподобия. 6) Были разработаны компьютерные программы для редукции спутниковых наблюдений. Был разработан комплекс компьютерных программ. Был создан программный комплекс «Автоматизированная система трансформации координат» (ASTC). Программные модули, включенные в ASTC, позволяют выполнить решение переопределенных и нормальных систем условных линейных алгебраических уравнений. Существует возможность использования пошагового регрессионного анализа, который применяется для получения модели с меньшим количеством наблюдений. При моделировании наблюдений с поверхности Луны используется разработанный авторами проекта комплекс программ, построенный на основе аналитической теории ФЛЛ. 7) Результаты первого года проекта были опубликованы и поданы к печати в следующих физических и астрономических журналах: 1. Demina N.Y., Andreev A.O., Nefedyev Y.A., Akhmedshina E.N. and Demin S.A. Analysis of the surfaces and gravitational fields of planets using robust modeling methods // Journal of physics: Conference series (IOP Publishing). - 2019. - Vol. 1400. - Article number 022019. doi:10.1088/1742-6596/1400/2/022019 2. Mubarakshina R.R., Andreev A.O., Nefedyev Y.A., Borovskih V.S. and Churkin K.O. The multiparametric method of analyzing the lunar dynamic processes // Journal of physics: Conference series (IOP Publishing). - 2019. - Vol.1400. - Article number 022047. doi:10.1088/1742-6596/1400/2/022047 3. Sergienko M.V., Sokolova M.G., Andreev A.O. and Nefedyev Y.A. Genetic analysis of the meteor showers and asteroids // Journal of physics: Conference series (IOP Publishing). - 2019. - Vol. 1400. - Article number 022045. doi:10.1088/1742-6596/1400/2/022045 4. Churkin K.O., Andreev A.O., Nefedyev Y.A., Mubarakshina R.R. and Borovskih V.S. Analysis of the dynamic coordinate system using photoelectric lunar occultations // Journal of physics: Conference series (IOP Publishing). - 2019. - Vol.1400. - Article number 022044. doi:10.1088/1742-6596/1400/2/022044 5. Nefedyev Y.A., Andreev A., Hudec R. Isodensity analysis of comets using the collection of digitized EAO photographic plates collection // Astronomische Nachrichten. - 2019. - Vol. 340, Issue 7. - P. 698-704. doi: 10.1002/asna.201913677 6. Андреев А.О., Нефедьев Ю.А., Демина Н.Ю., Петрова Н.К., Загидуллин А.А. Разработка методов навигационной привязки окололунных космических аппаратов к селеноцентрической динамической системе координат // Астрономический журнал. - 2020 (статья принята к печати). 8) Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет (url-адреса), посвященные проекту: 1. Электронная газета «Медиапортал КФУ» «Молодые физики КФУ создадут навигационные модели для Луны» https://media.kpfu.ru/news/molodye-fiziki-kfu-sozdadut-navigacionnye-modeli-dlya-luny 2. Электронная газета «SELDON NEWS» «Молодые физики КФУ создадут навигационные модели для Луны» https://news.myseldon.com/ru/news/index/213760617 3. Электронная газета «БеZформата» «Молодые физики КФУ создадут навигационные модели для Луны» https://kazan.bezformata.com/listnews/fiziki-kfu-sozdadut-navigatcionnie/76439183/ 4. Электронная газета «KAZAN FIRST» «Ученые КФУ разработают новую систему космической навигации» https://kazanfirst.ru/news/495888 5. Электронная газета «Новости сибирской науки» «Молодые физики КФУ создадут навигационные модели для Луны» http://www.sib-science.info/ru/institutes/molodye-23072019 9) Была проведена апробация результатов первого года проекта на Международных научных конференциях. По результатам настоящего проекта были сделаны доклады на Международных конференциях "PhysicA.Spb/2019" (ФТИ им. А.Ф. Иоффе) и Астрометрической конференции (ГАИШ МГУ). По итогам участия в Международной конференции "PhysicA.Spb/2019" опубликовано 4 статьи в журнале Journal of Physics: Conference Series (IOP Publishing) с аффиляцией гранта РНФ № 19-72-00033, по итогам участия в Международной Астрометрической конференции принята в печать 1 статья в журнал "Астрономический журнал" с аффиляцией гранта РНФ № 19-72-00033. 10) Была выполнена подготовка заявки на получение свидетельства программы для ЭВМ в Роспатенте. На разработанную "Программу ЭВМ имитационной модели отдельных элементов ЛНСС в части картографического обеспечения" в Казанском федеральном университете получено Авторское право АП № 85 и отправлена заявка в “Федеральную службу по интеллектуальной собственности” для регистрации программы в РОСПАТЕНТЕ. Полученные в Проекте результаты в дальнейшем могут найти свое применение при создании интеллектуальных транспортных систем в космическом пространстве как в пределах Земли, так и на окололунной орбите. Отдельные результаты Проекта использованы при разработке содержания ряда дисциплин в Институте физики КФУ.

 

Публикации

1. - Молодые физики КФУ создадут навигационные модели для Луны Электронная газета «Медиапортал КФУ», - (год публикации - ).

2. - Молодые физики КФУ создадут навигационные модели для Луны Электронная газета «SELDON NEWS», - (год публикации - ).

3. - Физики КФУ разработают новые навигационные модели для Луны Электронная газета «БеZформата», - (год публикации - ).

4. - Ученые КФУ разработают новую систему космической навигации Электронная газета «KAZAN FIRST», - (год публикации - ).

5. - Молодые физики КФУ создадут навигационные модели для Луны Электронная газета «Новости сибирской науки», - (год публикации - ).

6. Андреев А.О., Нефедьев Ю.А., Демина Н.Ю., Петрова Н.К., Загидуллин А.А. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ НАВИГАЦИОННОЙ ПРИВЯЗКИ ОКОЛОЛУННЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ К СЕЛЕНОЦЕНТРИЧЕСКОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ КООРДИНАТ Астрономический журнал, - (год публикации - 2020).

7. Демина Н.Ю., Андреев А.О., Нефедьев Ю.А., Ахмедшина Е.Н., Демин С.А. Analysis of the surfaces and gravitational fields of planets using robust modeling methods Journal of Physics: Conference Series (IOP Publishing), Vol. 1400, Article number: 022019 (год публикации - 2019).

8. Мубаракшина Р.Р., Андреев А.О., Нефедьев Ю.А., Боровских В.С., Чуркин К.О. The multiparametric method of analyzing the lunar dynamic processes Journal of Physics: Conference Series (IOP Publishing), Vol.1400, Article number: 022047 (год публикации - 2019).

9. Нефедьев Ю., Андреев А., Гудец Р. Isodensity analysis of comets using the collection of digitized EAO photographic plates Astronomische Nachrichten, Vol. 340, Issue: 7, P. 698-704 (год публикации - 2019).

10. Сергиенко М.В., Соколова М.Г., Андреев А.О., Нефедьев Ю.А. Genetic analysis of the meteor showers and asteroids Journal of Physics: Conference Series (IOP Publishing), Vol.1400, Article number: 022045 (год публикации - 2019).

11. Чуркин К.О., Андреев А.О., Нефедьев Ю.А., Мубаракшина Р.Р., Боровских В.С. Analysis of the dynamic coordinate system using photoelectric lunar occultations Journal of Physics: Conference Series (IOP Publishing), Vol.1400, Article number: 022044 (год публикации - 2019).