Проекты

Разработка программного обеспечения для построения трассы искусственного спутника Земли

Работа призёра конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Информационные технологии, программирование, прикладная математика, социальный инжиниринг»

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Образовательный центр «Протон»
Предметы: Физика, Математика, Информатика, Астрономия
Классы: 10 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

Роль искусственных спутников Земли (далее – ИСЗ) в современном мире не вызывает сомнений. Средства связи, системы управления движением объектов в околоземном пространстве, телевидение, радиовещание, интернет, геодезия, метеорология – далеко не полный список областей, в которых широко используются ИСЗ. Велика значимость спутниковых систем и в научных аспектах: высокая точность космических измерений в настоящее время позволяет выполнять астро- и геофизические исследования. Постоянно растущая потребность в использовании ИСЗ, а также их высокий потенциал в различных областях человеческой жизнедеятельности обосновывают необходимость и актуальность построения и анализа траекторий полёта выводимых на околоземную орбиту спутников, что, в свою очередь, обосновывает актуальность непосредственно решаемой в рамках работы задачи построения трассы ИСЗ в условиях невозмущённого движения, позволяющей оценить и проанализировать «в первом приближении» полёт ИСЗ по околоземной орбите.

Цель

Разработать программное обеспечение, позволяющее производить расчёт параметров орбиты ИСЗ в момент его отделения от ракеты-носителя и текущих координат ИСЗ для построения трассы спутника.

Задачи

  1. Знакомство с системами координат, используемыми в теории космического полёта, с невозмущённым движением аппарата и, в целом, с базовыми понятиями космической баллистики для формирования представления о движении спутника по орбите.
  2. Определение значений параметров орбиты ИСЗ в момент отделения его от ракеты-носителя, в восходящем узле орбиты, в течение трёх витков ИСЗ вокруг Земли.
  3. Определение координат спутника в каждый момент времени полёта, нанесение полученных точек на цилиндрическую развёртку земной поверхности.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Персональный компьютер с установленным ПО (Python)
  • Программная среда Wing
  • Студенческие пособия

Описание

Условно выполнение проекта можно разделить на следующие этапы.

1. Теоретическая часть. Знакомство с базовыми понятиями космической баллистики, формирование представления о движении ИСЗ, определение условий моделирования и перечня принимаемых при разработке программного обеспечения допущений.

2.  Математическая модель. Опираясь на теоретическую часть работы, производится подбор формул, применяемых для расчёта параметров орбиты ИСЗ, устанавливается взаимосвязь между ними и формируется алгоритм расчёта, являющийся основой разрабатываемого программного обеспечения, выбираются исходные данные для проведения расчётов.

3.  Разработка программного обеспечения – написание программного кода на языке Python и формирование интерфейса, позволяющего осуществлять ввод исходных данных и выводить результаты расчётов в виде числовых значений и непосредственно трассы искусственного спутника Земли, нанесённой на цилиндрическую развёртку земной поверхности.

Автор, опираясь на теоретические знания, разработал математическую модель траектории полёта ИСЗ, написал программный код, позволяющий производить расчёты, и сформировал графический интерфейс, наглядно представляющий результаты расчёта и позволяющий работать с программой людям, не сведущим в программировании.

Результаты работы/выводы

По результатам проделанной работы можно сделать вывод, что цель и задачи проекта выполнены в полном объёме. Разработанное программное обеспечение решает поставленную задачу: позволяет производить расчёт параметров орбиты ИСЗ в момент его отделения от ракеты-носителя, а также рассчитывать текущие координаты ИСЗ и на основании полученных данных строить трассы спутников.

В ходе работы над проектом произведено ознакомление с теорией невозмущённого движения космических аппаратов и, в целом, с понятиями теории космического полёта, применены на практике знания из курса математики, физики и информатики.

Программа значительно упрощает процедуру анализа орбит искусственных спутников Земли за счёт автоматизации процессов расчётов орбитальных элементов и текущих географических координат спутников и позволяет в первом приближении оценивать траекторию полёта на первых трёх витках вокруг Земли.

Разработанное программное обеспечение потенциально применимо в образовательных целях – при обучении студентов по направлениям специальностей, связанных с космической баллистикой и, в целом, с космической техникой. Также программа может быть использована при разработке искусственных спутников Земли для анализа требуемых условий выведения на орбиту.

Перспективы использования результатов работы

Разработанное программное обеспечение потенциально применимо в образовательных целях: при обучении студентов по направлениям специальностей, связанных с космической баллистикой и, в целом, с космической техникой. Также программа может быть использована при разработке искусственных спутников Земли для анализа требуемых условий выведения на орбиту.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

АО «Государственный космический научно-производственный центр им.  М.В. Хруничева»

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

Конференция «Создаём будущее вместе» – победитель.

Конференция «Будущее начинается сегодня» – победитель.

Конференция «Гагаринские чтения» – призёр.

Конференция «Колмогоровские чтения» – участник.

Мнение автора о своей работе, проекте «Инженерный класс в московской школе», конференции «Инженеры будущего», пожелания

«В ходе работы были получены новые знания в области космонавтики и применены на практике знания из школьных профильных предметов. Тема была интересная и актуальная, поэтому работать было нескучно и познавательно.

Конференция «Инженеры будущего» отлично подходит для старшеклассников, интересующихся проектной деятельностью. Достойные соперники и классная атмосфера! Радует, что есть отборочный этап. Огромное спасибо за организацию таких мероприятий!»