Исследование воздействия факторов космической погоды на системы малых космических аппаратов

В данной статье рассматриваются некоторые усредненные планетарные индексы космической погоды, такие как Dst, Kp, Ap и число Вульфа (индекс солнечной активности), а также их воздействие на системы малых космических аппаратов. Приводятся графики корреляции между параметрами систем спутников и космической погоды в один момент времени, на основании которых сделан вывод о том, оказывается ли влияние на оборудование спутников и если оказывается, то какого рода.

Ключевые слова: космическая погода, малые космические аппараты, планетарные индексы, индекс Dst, индекс Kp, индекс Ap, число Вульфа, спутниковая телеметрия.

В ряде исследований по тематике воздействия факторов космической погоды (КП) на системы малых космических аппаратов (МКА) приводятся различные примеры того, как космическая погода влияет на спутниковую индустрию. Данные собирались различными заинтересованными сторонами спутниковой отрасли, поэтому имеются описания текущих воздействий на аппараты и способы минимизации последствий таких воздействий. К примеру, в статье [1] предлагается улучшение некоторых инструментов для выявления аномалий КП, а также обучение специалистов и взаимный обмен информацией между заинтересованным организациями. В публикации [2] обсуждаются пробелы в наблюдениях за КП, которые можно устранить, используя МКА. Предлагаются основные объекты для наблюдения, наиболее подходящие для этого инструменты и стратегии наблюдения.

Dst индекс геомагнитной активности используется для измерения величины тока, который создает осесимметричное поле возмущения. Kp индекс — это глобальный планетарный индекс геомагнитной активности, измеряющий отклонение самой нарушенной горизонтальной составляющей магнитного поля на станциях по всему миру. Ap индекс является показателем среднесуточного уровня геомагнитной активности. Число Вульфа характеризует показатель солнечной активности, который связан с количеством солнечных пятен.

Это все говорит о том, что конкретно применению МКА для исследования космической погоды и улучшению их работоспособности и защищенности от опасных факторов уделяется достаточно много внимания.

Данное исследование направлено на конкретную цель — выявить зависимости между индексами КП, замеряемые как наземными станциями, так и самими спутниками (речь идет, скорее, о крупных спутниках, нежели о МКА), и непосредственно данными о состоянии спутников в определенный момент времени.

Для достижения цели, были поставлены следующие задачи:

1. Сбор данных о КП и данных телеметрии МКА
2. Анализ и очистка данных при помощи средств Python.
3. Соотнесение данных КП и данных телеметрии МКА таким образом, чтобы они совпадали по времени.
4. Построение графиков корреляции между параметрами с последующим их анализом.
5. Сделать выводы о взаимосвязи данных телеметрии и индексов космической погоды.

Данные, необходимые для данного исследования, были получены с сайта Центра анализа космической погоды НИИЯФ МГУ [3]. Сами данные состоят из двух таблиц формата csv или xlsx и содержат в себе информацию о времени записи параметров КП, данных телеметрии МКА (текущего тока, напряжения на солнечных панелях, тока в батареях, их температуры и так далее) и непосредственно показателей индексов КП Dst, Kp, Ap и числа Вульфа. Информация взята за период с 1 января по 9 декабря 2020 года.

При помощи средств Python для работы с большими данными и их анализа, была проведена очистка данных и приведение их к состоянию, при котором с ними будет удобно работать, а именно удаление пустых значений в строках, изменение формата времени с формата datetime на timestamp. Это необходимо для соотнесения параметров космической погоды и данных телеметрии по параметру времени записи, поскольку они изначально имели разные форматы времени. В итоге, после соотнесения данных, они были объединены в один общий файл.

С данными был проведен корреляционный анализ, составлена матрица и диаграмма корреляции. Матрица корреляции представлена на рис. 1.

Рис. 1. Матрица корреляции

На матрице показана зависимость следующих параметров: Dst, Kp, Ap, Wolf — индексы КП (планетарные, усредненные), usb1 — usb3 –напряжение на солнечных панелях (мВ), isb1 — isb3 — сила тока на солнечных панелях (мА), iab — сила тока на батареях (мА), uab — напряжение на батареях (мВ), t1_pw — t4_pw — температура батарей ( ^o C).

Диаграмма корреляции представлена на рис. 2.

Рис. 2. Диаграмма корреляции

Исходя из результатов корреляционного анализа, можно сделать несколько выводов:

1. Корреляционной зависимости между данными параметрами космической погоды и данными телеметрии не прослеживается.
2. Причиной этого является то, что данные космической погоды берутся сразу с нескольких станции в разных частях планеты (так как эти индексы планетарные), а затем усредняются. В дальнейшем необходимо исследовать зависимости данных непосредственно от каждой станции в отдельности, учитывая время пролета спутника над ней.
3. Также, предполагается наличие корреляции между другими индексами космической погоды, что будет исследовано в дальнейшем.

Литература:

1. Green, J. C. Impact of space weather on the satellite industry / J. C. Green, J. Likar, Shprits Yuri. — Текст: непосредственный // Advancing Earth and space science. — 2017. — № 15. — С. 804–818.
2. Addressing Gaps in Space Weather Operations and Understanding With Small Satellites / O. P. Verkhoglyadova, C. D. Bussy-Virat, A. Caspi [и др.]. — Текст: непосредственный // Advancing Earth and space science. — 2020. — № 19. — С. 1–7.
3. Центр анализа космической погоды НИИЯФ МГУ. — Текст: электронный // Космическая погода НИИЯФ МГУ: [сайт]. — URL: https://swx.sinp.msu.ru/index.php (дата обращения: 22.01.2023).