Визуализация объектов в околоземном пространстве: проект Above Us

За последние несколько лет околоземное пространство претерпело значительные изменения. Если в конце 2018 года на орбите находилось около 1957 спутников, то сейчас их число возросло до 16 тысяч, а общее количество отслеживаемых искусственных объектов превысило 47 тысяч. Это включает как действующие аппараты, так и обломки, такие как отработавшие спутники и ступени ракет. Несмотря на этот рост, интерес широкой аудитории к околоземному пространству не увеличился пропорционально. Многие люди не осознают, насколько это важно, и воспринимают спутники как нечто абстрактное. Чтобы сделать информацию о спутниках более доступной и интересной, был разработан проект Above Us. Основная идея заключалась в создании визуализации, которая позволила бы пользователям не только видеть спутники, но и взаимодействовать с ними. Однако задача визуализации оказалась более сложной, чем ожидалось.

Первые шаги к визуализации

Для создания визуализации необходимо было получить информацию о текущем положении спутников. В космической отрасли данные о положении спутников хранятся в виде эфемерид — наборов точек, которые показывают положение спутника в определенные моменты времени. Однако такие данные часто недоступны в открытом доступе. Вместо этого можно использовать кеплеровские элементы, которые описывают состояние орбиты спутника с помощью шести параметров:

Большая полуось — определяет размер орбиты и влияет на орбитальный период.

Эксцентриситет — показывает, насколько орбита вытянута.

Наклонение — угол наклона орбиты к экватору.

Долгота восходящего узла — определяет направление орбиты в плоскости экватора.

Аргумент перигея — положение ближайшей точки орбиты к Земле.

Средняя аномалия — определяет положение спутника на орбите в конкретный момент времени.

Однако реальность такова, что орбиты спутников постоянно изменяются под воздействием различных факторов, таких как гравитационное поле Земли и атмосферное торможение. Поэтому для точного отслеживания положения спутников необходимо регулярно обновлять данные.

Источники данных

Первоначально для получения орбитальной информации был выбран ресурс CelesTrak, который предоставляет данные в удобных форматах JSON и CSV. Однако возникли проблемы с доступом к данным, и в конечном итоге было решено использовать Space-Track, который предоставляет более актуальную информацию о спутниках. В результате была разработана схема, в которой данные о названиях и статусах спутников берутся из CelesTrak, а орбитальные параметры — из Space-Track.

Модель SGP4 и расчет положения спутников

Для определения текущего положения спутников используется модель SGP4, которая позволяет «проматывать» спутники вперед или назад по орбите, учитывая изменения, происходящие с орбитами. Эта модель принимает во внимание такие факторы, как сплюснутость Земли и атмосферное торможение. В результате SGP4 выдает координаты спутника в системе TEME (землецентрическая квазиинерциальная система). Однако эти координаты необходимо преобразовать, чтобы учесть вращение Земли. Для этого вычисляется угол поворота Земли на момент времени, и система координат поворачивается, чтобы отобразить актуальное положение спутника над поверхностью Земли.

Архитектура проекта

Проект был реализован с использованием современных технологий, включая Fastify для сервера, SQLite для хранения данных, React для интерфейса и Web Workers для выполнения расчетов. Это позволяет избежать задержек в интерфейсе при вычислении координат спутников. Браузер загружает каталог спутников, а затем запускает фоновый поток для вычисления их положения в реальном времени.

Визуализация и функционал

Визуализация на сайте Above Us предлагает два режима: схематический, где можно сосредоточиться на спутниках, и реалистичный, который позволяет пользователю увидеть Землю с космической перспективы. Пользователи могут различать типы орбит, фильтровать спутники по странам и типам, а также получать информацию о спутниках, находящихся в их геометрической видимости. Кроме того, реализована функция уведомлений, которая позволяет пользователям получать оповещения о пролете спутников. Также есть мини-игра «Орбитальные миссии», где пользователи могут управлять спутниками и выполнять различные задачи, основанные на реальных принципах.

Заключение

Проект Above Us представляет собой попытку сделать информацию о спутниках более доступной и интересной для широкой аудитории. Несмотря на сложности, связанные с получением данных и их визуализацией, разработка продолжается, и автор надеется, что проект сможет привлечь внимание к околоземному пространству и повысить интерес к космосу в целом.