BÁO cáo đề tài NGHIÊN cứu cấp cơ sở năm 2021 tên đề tài nghiên cứu ứng dụng phần mềm STK để xây dựng kịch bản quan sát cho vệ tinh quan sát trái đất

Báo cáo Đề tài nghiên cứu cấp sở 2021 VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM TRUNG TÂM VŨ TRỤ VIỆT NAM BÁO CÁO ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CẤP CƠ SỞ NĂM 2021 Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng phần mềm STK để xây dựng kịch quan sát cho vệ tinh quan sát trái đất Cơ quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài (Họ, tên, chữ ký đóng dấu) Ngơ Thành Công Hà Nội, 11/2021 Chủ nhiệm đề tài: - Phòng i Báo cáo Đề tài nghiên cứu cấp sở 2021 Mục Lục I Mở đầu: I.1 Lý chọn đề tài: I.4 Kết đạt được: .3 II Nội dung đề tài Một số lý thuyết sở 1.1.1 Quỹ đạo đồng Mặt trời 1.1.2 Các tham số quỹ đạo vệ tinh 1.1.3 Kịch vận hành vệ tinh Phương pháp mô ứng dụng STK .11 2.1.1 Phép mô quỹ đạo 12 2.1.2 Phép mơ góc tới tia sáng mặt trời 14 III Một số kết áp dụng thực tế: 15 IV Kết luận: 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO: 16 Chủ nhiệm đề tài: - Phòng i Báo cáo Đề tài nghiên cứu cấp sở 201 I Mở đầu: Các vệ tinh quan sát Trái Đất định hướng chiến lược công nghệ vũ Hiện nay, Trung tâm Vũ trụ Việt Nam tiến hành pha dự án vệ tinh LOTUSat-1, môt vệ tinh quan sát Trái Đất sử dụng radar độ tổng hợp có quỹ đạo đồng mặt trời I.1 Lý chọn đề tài: Kịch hoạt động vệ tinh cỡ lớn LOTUSat-1 với phân hệ nhiệm vụ sử dụng radar độ tổng hợp có nhiều khác biệt với vệ tinh quan sát trái đất quang học mà Trung tâm thực PicoDragon, NanoDragon hay MicroDragon Sơ bộ, vệ tin LOTUSat-1 xây dựng kịch hoạt động cho số vùng quan sát trọng điểm Tuy nhiên, thực tế hoạt động phát sinh nhiều nhu cầu quan sát khác chưa xây dựng kịch Do đó, đề tài tập trung khai thác số lực công cụ mô phỏng, mà cụ thể phần mềm System Took Kit (STK) hãng AGI để phục vụ xây dựng kịch cho vệ tinh quan sát Trái Đất, đặc biệt vệ tinh tương tự LOTUSat-1 I.2 Mục tiêu đề tài Đề tài tập trung xây dựn phương pháp để tính tốn tham số chủ chốt Các tham số bao gồm:  Mức xả pin  Số lần quan sát trung bình ngày  Giới hạn cực đại cho lần quan sát vệt quỹ đạo  Giới hạn cực đại số lần quan sát liên tục  Thời gian hai lần quan sát liên tiếp  Góc lệch hướng nadir (off-nadir angle) I.3 Tóm tắt nội dung đề tài: Đề tài phân tích số lý thuyết sở liên quan đến quỹ đạo đồng mặt trời, tham số Kepler quỹ đạo vệ tinh phục vụ mơ phỏng, thơng tin định dạng hai dịng (two line element -TLE) thể quỹ đạo vệ tinh Bên cạnh Phương pháp chung để xây dựng kịch hoạt động vệ tinh trình bày để cung cấp nhìn tổng quan việc STK đóng góp giai đoạn trình xây dựng kịch hoạt động vệ tinh Chủ nhiệm đề tài: - Phòng Báo cáo Đề tài nghiên cứu cấp sở 201 Cuối cùng, báo cáo đưa số ứng dụng chi tiết STK kết mô kèm I.4 Kết đạt được: II Nội dung đề tài Trong trường hợp chung, nhận yêu cầu người dùng vùng quan sát, người vận hành thường phải đánh giá yếu tố ràng buộc sau theo thứ tự ưu tiên: Mức xả pin (DOD - Depth of Discharge), mặt trời hoạt động khác tùy thuộc vào thời điểm năm, đặc biệt ngày đơng chí, hạ chí, thu phân xuân phân Từ dẫn đến việc công suất pin mặt trời giảm xuống kết số lần quan sát giảm xuống so với thông thường Việc đánh giá công suất pin thời điểm mặt trời gần xa năm thực phần mềm STK Số lần quan sát trung bình ngày: số thay đổi tùy thuộc vào vệ tinh đặc trưng quỹ đạo, vị trí quan sát, lượng lệnh liệu giám sát cần trao đổi cho lần vận hành Nhìn chung, tham số đánh giá STK Giới hạn cực đại cho lần quan sát vệt quỹ đạo: thông thường, tham số cố định chu kỳ quỹ đạo không đổi thời gian cần thiết trung bình để vận hành vệ tinh khơng đổi Với trường hợp LOTUSat 120 giây Vì vậy, thực phép quan sát vệt quỹ đạo, thời gian quan sát nên 120s Giới hạn cực đại số lần quan sát liên tục: tham số chủ yếu phụ thuộc vào đặc trưng phần cứng vệ tinh Với vệ tinh LOTUSat-1, vệt chụp dài 800km tương ứng với 79 lần chụp liên tiếp cho chế độ stripmap 17 lần chụp liên tiếp cho chế độ ScanSAR Thời gian hai lần quan sát liên tiếp: định nghĩa thời gian tính từ lúc kết thúc lần quan sát trước đến lúc bắt đầu lần quan sát Tham số tính tốn dựa đặc trưng quỹ đạo thông số phần cứng nhiệm vụ Chủ nhiệm đề tài: - Phòng Báo cáo Đề tài nghiên cứu cấp sở 201 Thời gian bảo trì vệ tinh thời gian bảo trì trạm mặt đất: vệ tinh trạm mặt đất cần đánh giá định kì để giảm thiểu rủi ro đến mức thấp Nếu thời gian bảo trì trùng với vệt quỹ đạo quan sát được, số lần quan sát giảm xuống Góc lệch hướng nadir (off-nadir angle): định nghĩa góc tạo đường thẳng nối từ vệ tinh tới tâm trái đất trục quang học (hình 1) Với vệ tinh quan sát trái đất, đặc biệt vệ tinh sử dụng radar độ tổng hợp SAR, góc offnadir ảnh hưởng nhiều đến độ phân giải ảnh Công thức 1.1 [1] cho thấy tương quan độ sáng ảnh góc off-nadir Trong đó, độ sáng ảnh tính tốn dựa đại lượng liên quan đến hệ số tăng ích ăng ten Hệ số tăng ích ăng ten lại hàm biến thiên theo góc off-nadir Các tính tốn góc off-nadir cho phép người vận hành đánh giá vệt quỹ đạo thực chụp ảnh Hình Định nghĩa góc off-nadir (1.1) Có thể nhận thấy, điều kiện ràng buộc cần đánh giá xây dựng kịch vệ tinh dù tính tốn trực tiếp gián tiếp thơng qua kết mô quỹ đạo phần mềm STK Chủ nhiệm đề tài: - Phòng Báo cáo Đề tài nghiên cứu cấp sở 201 Một số lý thuyết sở 1.1.1 Quỹ đạo đồng Mặt trời Với quỹ đạo đồng mặt trời, vệ tinh di chuyển theo hướng từ bắc xuống nam ngược lại nhiều từ đơng sang tây Trong vệ tinh di chuyển qua lại hai đỉnh cực trái đất việc di chuyển đồng với mặt trời, điều có nghĩa vệ tinh ln ln vị trí “cố định” so với mặt trời vệ tinh ln qua điểm thời điểm cố định (theo địa phương) Ví dụ vệ tinh qua Hà Nội ngày vào 12 trưa [2] Trong quỹ đạo đồng mặt trời, vệ tinh bay n vòng quay trái đất, chu kỳ vệ tinh T = (24*60)/n phút Trái đất quay hai chu kỳ cho 360 độ/năm Do vệ tinh quỹ đạo SSO thường bay 12 đến 16 vòng ngày tùy thuộc vào độ cao, khoảng thời gian chu kỳ 1.5 đến khoảng cách góc hai vệt quỹ đạo mặt đất (foot print) khoảng 25 độ đến 30 độ Quỹ đạo tròn đồng mặt trời (SSO) Vệt quỹ đạo (ground track) quỹ đạo SSO qua vị độ cho trước thời gian (theo địa phương) Mỗi nhiệm vụ khác định nghĩa dựa trên ‘Thời gian địa phương nút lên’ LTAN (Thời gian qua đường xích đạo) Do quỹ đạo cho góc không đổi với mặt trời thời điểm xác đinh, nên thích hợp cho vệ tinh viễn thám chụp ảnh quang học sử dụng ánh sáng mặt trời Như hình mặt phẳng quỹ đạo xoay lần năm, tốc độ xoay mặt phẳng quỹ đạo tính tốn bởi: Chủ nhiệm đề tài: - Phòng Báo cáo Đề tài nghiên cứu cấp sở 201 Chu kỳ lặp lại quỹ đạo vệ tinh SSO chu kỳ mà vệt quỹ đạo vệ tinh lặp lại bề mặt trái đất Tần số quỹ đạo theo ngày v đại lượng tính theo cơng thức: Trong C số ngày mà vệt quỹ đạo vệ tinh lặp lại, sau N = v.C vòng quỹ đạo, vệ quỹ đạo lặp lại (ν0, D, C) Việc lựa chọn (ν0, D, C) giúp tính tham số Kepler a I đó: , ứng với T chu kỳ quỹ đạo Quỹ đạo đồng mặt trời bình minh/ hồng Quỹ đạo vệ tinh đồng mặt trời bình minh/ hồng Quỹ đạo bình minh hồng trường hợp đặc biệt quỹ đạo đồng mặt trời SSO, khoảng thời gian trung bình vệ tinh qua vĩ độ xích đạo khoảng thời gian mặt trời mọc mặt trời lăn Do vệ tinh ln qua đường tiếp tuyến ngày đêm Đi đường tiếp tuyến hữu ích cho vệ tinh SAR radar, lượng mặt trời nhìn/thu lượng từ mặt trời mà khơng bị che phủ trái đất (vê tinh qua vùng tối) Quỹ đạo hữu ích cho vệ tinh có payload/camera khơng phụ thuộc cần tránh ảnh hưởng mặt trời, trỏ camera/thiết bị thụ động vào phần ban đêm trái đất Quỹ đạo bình minh/hồng thường sử dụng cho vệ tinh khoa học SAR chúng ln nhìn thấy mặt trời [3] 1.1.2 Các tham số quỹ đạo vệ tinh Các tham số quỹ đạo vệ tinh tham số sử dụng để xác định vị trí/ quỹ đạo đối tượng bay không gian quanh trái đất Trong quỹ đạo thực tế, tham số thay đổi theo thời gian nhiễu loạn lực hấp dẫn từ đối tượng khác (trái đất, mặt trăng, mặt trời…) lên đối tượng quan sát Một Chủ nhiệm đề tài: - Phòng Báo cáo Đề tài nghiên cứu cấp sở 201 quỹ đạo tính tốn dự tham số Kepler xấp xỉ toán học mà kết vị trí vật thể thời điểm cụ thể ngồi khơng gian [4] Các tham số quỹ đạo theo Kepler Các tham số Kepler thể hình bao gồm tham số chính:  Thời gian kỷ nguyên “Epoch time”   Góc nghiêng - “Inclination” ("I0") - Quĩ đạo địa tĩnh (00) - Quĩ đạo cực (900 ) - Quỹ đạo đồng hướng (Prograde Orbit) – 00 - 900 - Quỹ đạo ngược hướng (Retrograde Orbit) - 900 - 1800  Góc lên nút lên - “Right Ascension of Ascending Node” ( "RAAN“) - ("RAAN"; O0) có giá trị -3600 - Đường nút - Line of Nodes - Điểm Xuân phân điểm mặt trời qua - mọc lên mặt phẳng xích đạo hướng từ Nam lên Bắc  Đối cận điểm – “Argument of Perigee” ("ARGP“) - ARGP = 0, cận điểm trùng với điểm lên quĩ đạo - ARGP = 1800, viễn điểm trùng với điểm lên quĩ đạo  Độ lệch tâm – “Eccentricity” ("ecce" or "E0" or "e") - Có giá trị