На правах рукописи

Денисов Сергей Сергеевич

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО И

ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ

МОДЕЛИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ МАЛЫХ

ТЕЛ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

05.13.18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы

программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Ульяновск – 2013

Работа выполнена на кафедре «Прикладная математика и информатика» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учереждении высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет».

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Заусаев Анатолий Фёдорович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет», профессор кафедры информационной безопасности и теории управления Леонтьев Виктор Леонтьевич доктор физико-математических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (национальный исследовательский университет)», профессор кафедры физики Курушина Светлана Евгеньевна

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учереждение науки «Институт астрономии Российской академии наук» (ИНАСАН)

Защита диссертации состоится 24 апреля 2013 г. в 1100 часов на заседании диссертацион­ ного совета Д 212.278.02 при ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный университет», по адресу: г. Ульяновск, ул. Набережная реки Свияги, 106, корп. 1, ауд. 703.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Ульяновского государствен­ ного университета, с авторефератом — на сайте http://uni.ulsu.ru и на сайте Высшей ат­ тестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации — http://vak.ed.gov.ru.

Отзывы на автореферат просьба присылать по адресу: 432017, г. Ульяновск, ул. Л. Тол­ стого, д. 42, Ульяновский государственный университет, Отдел послевузовского и профес­ сионального образования.

Автореферат разослан «» марта 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук, доцент Волков М. А.

Общая характеристика работы

Актуальность работы В решении проблемы астероидной опасности одним из важнейших этапов является исследование эволюции орбит астерои­ дов групп Аполлона, Амура и Атона, так как орбиты астероидов этих групп в процессе эволюции могут пересекать орбиту Земли.

Дифференциальные уравнения, описывающие движения астероидов, сложны и в общем случае не имеют аналитического решения, поэтому для их ин­ тегрирования используются численные методы. Разработка алгоритмов чис­ ленного интегрирования является одним из составных этапов решения «про­ блемы астероидной опасности».

Помимо разработки алгоритмов численного интегрирования необходимо провести исследования их устойчивости и получить надёжные оценки погреш­ ности получаемых результатов.

Проблеме астероидной опасности в последне время уделяется повышен­ ное внимание, помимо этого остаётя актуальной разработка моделей, опи­ сывающих движение объекта, методов численного интегрирования диффе­ ренциальных уравнений движения и программного обеспечения для иссле­ дования эволюции движения малых тел Солнечной системы.

Как было сказано выше астероиды из групп Аполлона, Амура, Атона могут пересекать орбиту Земли. Исследование эволюции таких объектов яв­ ляется особенно актальной задачей и требует разработки более точных мате­ матических моделей и метовов.

На текущий момент известно более 8500 астероидов, принадлежащих к группам Аполлона, Амура и Атона, поэтому разработка программного обес­ печения, позволяющего автоматизировать процесс исследования эволюции орбит малых тел Солнечной системы, так же является актуальной задачей.

Объектом исследования являются математические модели, описы­ вающих движение малых тел Солнечной системы, представленные в виде 1 Заботин А. С., Кочетова О. М., Шор В. А. сближение малой планеты (99942) Apophis = 2004 MN с Землёй в 2029 г. // Всероссийская конференция «Астероиднокометная опасность — 2005» (AKO–2005).

— 2005. — С. 134– 2 Ивашкин В. В., Стихно К. А. Анализ проблемы коррекции орбиты астероида Apophis. — 2008.

3 Башаков А. А., Питьев Н. П., Соколов Л. Л. Особенности движения астероида 99942 Апофис. — 2008. — Т. 42, № 1. — С. 20–29.

4 Виноградова Т. А., Железнов Н. Б., Кузнецов В. Б. Каталог потенциально опасных астероидов и комет // Тр. ИПА РАН. — 2003. — Т. 9. — С. 11–218.

5 О влиянии эффекта Ярковского на орбиту Апофиса / В. А. Шор, Ю. А. Чернетенко, О. М.

Кочетова, Н. Б. Железнов // Астрономический вестник. — 2012. — № 46 (2). — С. 131–142.

6 Смирнов Е. А. Современные методы численного интегрирования уравнений движения астероидов, сближающихся с Землёй. — 2007.

7 Железнов Н. Б., Шор В. А. Компьютерные разработки лаборатории малых тел солнечной си­ стемы ИПА РАН // Физика Космоса: Труды 32 Международной студенческой научной конференции. — 2003. — Т. 1–3. — С. 88–96.

';

диффиренциальных уравнений, алгоритмы и методы их численного интегри­ рования.

Предметом исследования является разработка программных ком­ плексов для моделирования эволюции движения астероидов групп Аполлона, Амура и Атона на основе метода Эверхарта численного интегрирования диф­ ференциальных уравнений и математических моделей, описывающие движе­ ние малых тел Солнечной системы.

Цель и задачи работы работы. Для математической модели, пред­ ставленной в виде дифференциальных уравнений второго порядка, учитыва­ ющей гравитационные и релятивистские эффекты, разработать вычислитель­ ных алгоритмы на основе модифицированного одношагового метода Эвер­ харта и создать на их основе программный комплекс для исследования эво­ люции малых тел Солнечной системы, с помощью которого провести иссле­ дование эволюцию движения астероидов из групп Аполлона, Амура и Атона, представляющих потенциальную опасность.

Достижение поставленной цели связано с решением нижеследующих за­ дач.

1. Разработать вычислительные алгоритмы и программное обеспечение для модифицированного одношагового метода Эверхарта с высоким (до 33-го включительно) порядком аппроксимирующих формул.

2. Выполнить исследование сходимости и устойчивости как используемого численного метода, так и решаемой задачи Коши; произвести оценки погрешности полученных результатов.

3. Автоматизировать процесс численного интегрирования дифференциаль­ ных уравнений небесных тел и обработки получаемых результатов с ис­ пользованием возможностей современных многоядерных процессоров.

4. При помощи разработанного программного обеспечения провести ис­ следование и создать информационный банк данных эволюции орбит астероидов групп Аполлона, Амура и Атона на интервале времени с 5. Разработать программное и информационное обеспечение для создавае­ мого научно-информационного сайта, позволяющее в наглядной и удоб­ ной пользователю форме представлять и обрабатывать полученные ре­ зультаты, в интерактивной форме работать с созданной базой данных.

6. Выявить астероиды из групп Аполлона, Амура и Атона, проходящие через сферу действия больших планет, и объекты, представляющие по­ тенциальную опасность для Земли.

Методы исследования. В диссертационной работе применялись сле­ дующие методы:

1. Методы математического моделирования управляемых систем.

2. Численные методы решения дифференциальных уравнений.

3. Методы теории устойчивости и управления.

4. Методы объектно–ориентированного программирования.

Научная новизна.

1. Для исследования эволюции орбит малых тел Солнечной системы пред­ ложена модифицированная математическая модель, применяемая ра­ нее для создания численной теории движения планет, Луны и Солнца DE405, что позволило повысить точность проводимых исследований для объектов, сближающихся с Землёй.

2. Для математической модели эволюции движения малых тел Солнечной системы разработаны вычислительные алгоритмы для модифицирован­ ного одношагового метода Эверхарта, которые, в отличие от ранее суще­ ствующих, обладают более высоким (до 33-го включительно) порядком аппроксимирующих формул.

3. Разработан универсальный программный комплекс, позволяющий авто­ матизировать процесс исследования эволюции орбит малых тел Солнеч­ ной системы и обработки получаемых результатов, на основе которого создан научно-информационный ресурс SmallBodies.Ru.

4. Проведено исследование эволюции орбит астероидов групп Аполлона, Амура и Атона на основе разработанных современных модифицирован­ ных математических моделей и методов, выявлены астероиды, пред­ ставляющие потенциальную опасность для Земли.

Основные положения, выносимые на защиту. Автором защища­ ются следующие положения:

1. Модификация математической модели, описывающей ранее движение планет, Луны и Солнца, и её применение для исследования эволюции движения малых тел Солнечной системы, сближающихся с Землёй.

8Standish E. M. Jpl planetary and lunar ephemerides, DE405 / LE405 // JetProp Lab Technical Report, IOM 312, F-048. –– 1998. –– P. 1– 2. Вычислительный алгоритмы для исследования математической модели эволюции орбит малых тел Солнечной системы, созданные на основе модифицированного численного метода Эверхарта с высоким (до 33-го включительно) порядком аппроксимирующей формулы и переменным шагом интегрирования.

3. Информационный банк данных эфемерид астероидов групп Аполона, Амура и Атона, сближающихся с Землёй, на интервале времени с по 2206 годы, созданный на основе разработанных математических мо­ делей и методов.

4. Разработанные алгоритмы и Java-апплеты для работы с научно-инфор­ мационным ресурсом SmallBodies.Ru, позволяющие производить вычис­ ления с размещёнными на сайте данными и в наглядной форме пред­ ставлять получаемые результаты.

5. Разработанный универсальный программный комплекс, автоматизиру­ ющий процесс исследования эволюции движения малых тел Солнечной системы и обработки получаемых результатов.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. Разработанный программный комплекс имеет универсальный характер, позволяет исследовать эволюцию движения астероидов, короткоперио­ дических комет и метеорных потоков; сохранять, обрабатывать и анали­ зировать результаты расчётов; автоматизировать процесс исследования и получать результаты в удобной и наглядной форме.

2. Созданный банк данных эволюции орбит астероидов групп Аполлона, Амура и Атона на интервале времени с 1800 по 2206 годы может быть использован при исследовании их движения и планирования наблюде­ ний, а также для выявления потенциально опасных объектов.

3. Созданный на основе разработанных алгоритмов и программ научно­ информационный сайт SmallBodies.Ru, который не уступает, а по неко­ торым параметрам — превосходит, зарубежные аналоги, может быть использован как для научных, так и учебных целей.

Достоверность полученных результатов обеспечивается:

1. сравнением численных и аналитических решений рассматриваемых за­ дач с известными результатами в частных случаях;

2. частичным соспоставлением теоретических исследований с результатами наблюдений;

3. апробацией результатов диссертации на международных и всероссий­ ских конференциях и семинарах.

Связь диссертационной работы с планами научных исследова­ ний Работа выполнялась в рамках плана НИР СамГТУ (тема «Разработка методов математического моделирования динамики и деградации процессов в механике сплошных сред, технических, экономических, биологических и социальных системах и методов решения неклассических краевых задач и их приложений»); проекта Федерального агентства по образованию РФ (про­ ект РНП 2.1.1.1689): «Создание информационной среды на базе современ­ ных математических моделей и методов для исследования эволюции малых тел в Солнечной системе» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006–2008 гг)»; проекта ми­ нистерства образования и науки РФ (проект РНП 2.1.1.745): «Создание на­ учно-информационной базы данных эволюции орбит малых тел Солнечной системы, представляющих потенциальную опасность для Земли» аналити­ ческой ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009–2010 гг)»; проекта министерства образования и науки РФ (проект РНП 2.534.2011): «Разработка математического и программного обеспечения для исследования эволюции орбит главных метеорных потоков».

Апробация работы Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях: Международной конференция «Астероидно­ кометная опасность — 2009» (г. Санкт-Петербург, 2009 г.), XIV Междуна­ родной научной конференции «Решетневские чтения» (г. Красноярск, г.), Cедьмой всероссийской научной конференции «Математическое модели­ рование и краевые задачи» (г. Самара, 2010 г.), Международной молодёжной научной конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу —- творчество молодых» (г. Йошкар-Ола, 2010 г.), Ше­ стой всероссийской научной конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2009 г.), Седьмой Международной конференции «Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов» (г. Ульяновск, 2009 г.), Международной кон­ ференции «100 лет Тунгусскому феномену: прошлое, настоящее, будущее» (г.

Москва, 2008 г.), Пятой всероссийской научной конференции «Математиче­ ское моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2008 г.), Международной молодёжной конференции XXXIV Гагаринские чтения (г. Москва, 2008 г.), Международной молодёжной научной конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу –– творчество молодых»

(г. Йошкар-Ола, 2008 г.), Четвёртом Международном форуме молодых учё­ ных «Актуальные проблемы современной науки» (г. Самара, 2008 г.), Тре­ тьем Международном форуме молодых учёных «Актуальные проблемы со­ временной науки» (г. Самара, 2007 г.), Четвёртой всероссийской научной кон­ ференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2007 г.), Зимней сессии Седьмого Всероссийского симпозиума по прикладной и промышленной математике (г. Москва, 2007 г.), Втором Международном форуме молодых учёных «Актуальные проблемы современной науки» (г. Са­ мара, 2006 г.), Третьей всероссийской научной конференции «Математиче­ ское моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2006 г.), Второй всерос­ сийской научной конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2005 г.), Всероссийской конференции «Дифференциаль­ ные уравнения и их приложения». (г. Самара, 2005 г.), на научных семинарах «Механика и прикладная математика» Самарского государственного техни­ ческого университета (руководитель профессор В.П. Радченко, 2010–2012 гг.), семинаре Института астрономии Российской академии наук (г. Москва, г.) Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубли­ кованы в 24 печатных работах, из которых 5 входят в список изданий, ре­ комендованных ВАК и 1 монография. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Личный вклад автора Работы [3, 7, 9–16, 18] выполнены самостоя­ тельно, в работах [4, 17, 19–21] диссертанту принадлежит совместная поста­ новка задачи и разработка методов решений, ему лично принадлежит алго­ ритмизация, реализация методов в виде программного продукта и анализ результатов. В остальных работах [1, 2, 5, 6, 8, 22–24], опубликованных в со­ авторстве, автору в равной степени принадлежат как постановка задачи, так и результаты выполненных исследований.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографии и трёх приложений. В конце каж­ дой из глав, за исключением обзорной, приводятся краткие выводы. Общий объём диссертации 206 страниц, включая 126 рисунков и 18 таблиц. Библио­ графия включает 131 наименований на 16 страницах. Приложение включает 6 таблиц и основные листинги разработанных программ на 51 страницах.

Содержание работы Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сфор­ мулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения.

В первой главе приводится краткий аналитический обзор современ­ ных численных методов решения обыкновенных дифференциальных уравне­ ний,излагаются основные сведения из курса теоретической астрономии, да­ ётся схема математического моделирования движения небесных тел.

Описываются и анализируются алгоритмы численных методов, базирую­ щихся на разложении в ряды Тейлора, методов Рунге–Кутты, Эверхарта, экс­ траполяционные методы, многошаговые методы Адамса, Обрешкова, блоч­ ные, гибридные методы. Представлена сравнительная характеристика этих методов, рассмотрены вопросы их сходимости и устойчивости.

Поскольку в диссертационной работе осуществляется математическое моделирование движения малых тел Солнечной системы, в первой главе при­ водится краткое описание основных параметров системы малых тел.

В конце главы по результатам обзора формулируются задачи и методы исследования.

Во второй главе рассматриваются эклиптическая и экваториальная ге­ лиоцентрические системы координат и связь между ними, даётся определение эфемеридного, всемирного времени и юлианских дней, приводятся понятия элементов орбит и рассматривается их связь с координатами.

В основе математической модели движения небесных тел лежат диффе­ ренциальные уравнения различного вида, в зависимости от конкретно решае­ мых задач. Рассматриваются уравнения движения небесных тел как с учётом только взаимного гравитационного взаимодействия, так и с учётом влияния фигур планет и релятивистских эффектов.

При исследовании орбит малых тел Солнечной системы проводилось совместное интегрирование уравнений движения больших планет, Плутона, Луны и возмущённого тела.

Математическая модель движения Солнца, планет и малого тела опи­ сывается системой дифференциальных уравнений, которая в координатной форме в барецентрической системе координат имеет вид (1), где где — гравитационная постоянная а ность, создаваемую гравитацией; — параметр, измеряющий пространствен­ ную кривизну, производимую единичной покоящейся массой (в данной работе = = 1); = |ri | — скорость тела ; — скорость света; — Гауссова по­ стоянная; — число совместно интегрируемых объектов, а,, в правой части вычисляются по формулам (2).

В данной работе учёт влияния астероидного пояса моделируется следу­ ющим образом: на орбите, принадлежащей главному поясу астероидов, зада­ ются (в разработанных программах — 50) материальных точек, при этом их массы и орбита подбираются таким образом, чтобы возмущающее действие от смоделированного объекта стремилось по величине к возмущениям от реальных самых крупных астероидов. Данная модификация, содержащаяся в последних членах системы уравнений (1), позволяет получать результаты, Newhall X. X., Standish E. M. J., Williams J. G. De102: a numerically integrated ephemeris of the moon and planets spanning forty-four centuries // Astron. and Astrophys. –– 1983. –– no. 125. –– P. 150–167.

согласованные с наблюдениями, при многократном сокращении времени вы­ числений.

Помимо этого, для Луны добавляются ускорения, вызванные влиянием асферичности форм Земли и Луны и влиянием Земных приливов.

Система дифференциальных уравнений второго порядка (1) имеет неизвестных (по 3 пространственных координаты и 3 компоненты вектора ско­ ветствует математической модели, описывающей движение Солнца, 9 планет, Луны и астероида.

Наряду с учитываемыми в данной математической модели эффектами, такие негравитационные эффекты, как эффект Пойнтинга-Робертсона, Яр­ ковского, столкновения с пылью и газом также приводят к вековым измене­ ниям элементов орбит небесных тел.

Эффект Пойнтинга–Робертсона оказывает существенное влияние только на пылевые частицы. На движение небесных тел, размеры которых более од­ ного метра, им можно пренебречь.

Более существенное влияние по сравнению с эффектом Пойнтинга–Робертсона на движение небесных тел производит эффект Ярковского. Эффект Ярковского зависит от положения оси вращения орбиты и массы тела, от теплопроводности поверхности его слоев. Поскольку большинство парамет­ ров неизвестны, явным образом учесть этот эффект невозможно.

Эффекты торможения небесных тел в результате столкновения с пылью и газом пренебрежимо малы по сравнению с выше рассмотренными эффек­ тами, так как плотность межпланетной среды вблизи Земли составляет г/см.

Исходные данные элементов орбит астероидов для расчётов были взяты ской Лаборатории реактивного движения (JPL) на стандартную дату. В связи с тем, что решалась задача Коши, требовалось задать начальные координаты и скорости Солнца, планет (от Меркурия до Плутона), Луны. Эти коорди­ наты и скорости были получены на стандартные даты, используя банк DE американской Лаборатории реактивного движения (JPL).

Решение системы (1) производилось модифицированным методом Эвер­ харта. Для интегрирования системы (1) методом Эверхарта она представля­ ется в виде:

Представим правые части (3) при соответствующих координатах в виде обобщённых временных рядов:

10 ftp://ftp.lowell.edu/pub/elgb/astorb.htm Интегрируя (4), получим выражения для координат и скоростей:

правых частях которых не являются рядами Тейлора.

вычисляются по алгоритму модифицированного метода Эверхарта.

...,, 1,..., воспользуемся вспомогательным уравнением, усечённым по времени для = 1, :

(7) и (4), выразим коэффициенты

ных соотношений:

Таким образом, нахождение решения уравнения (3) сводится к нахожде­ нию узлов разбиения шага[0, ]. Порядок метода, определяющий точность интегрирования, зависит от количества разбиений основного шага = [0, 1] на подшаги =, а узлы разбиения, получаемые из соотношения (10), совпадают с узлами квадратурной формулы Гаусса-Радо.

Однако для использования данного метода для порядков выше 15-го необходимо использовать модифицированную схему расчёта коэффициентов щие уравнения:

Для модифицированным методом Эверхарта доказаны следующие тео­ ремы.

Теорема 1. Метод Эверхарта является и согласованным, и нуль-устой­ чивым.

Теорема 2. Если порядок метода Эверхарта выше 15, то добавление 0 в неявную схему расчёта коэффициентов 1, 2,..., ется необходимым для повышения точности и быстродействия метода.

В третьей главе даётся описание разработанного программного обес­ печения и баз данных.

Исследование движения астероидов с учётом возмущающего действия от больших планет сопряжено с большим объёмом вычислений. Это обстоя­ тельство накладывает повышенные требования на применяемые методы чис­ ленного интегрирования уравнений движения и программное обеспечение.

Создание банка данных астероидов также сопряжено с вопросами получе­ ния, хранения, просмотра, анализа и использования больших объёмов инфор­ мации. Для выполнения поставленной задачи нужно разработать не только программу для расчёта эволюции движения объекта, но и приложения, позво­ ляющие автоматизировать процесс создания базы данных, а также представ­ ляющие информацию, содержащуюся в полученной базе данных, в наглядной форме.

При разработке данного программного комплекса учитывалась возмож­ ность современных процессоров обрабатывать несколько потоков одновре­ менно и тенденция к увеличению числу ядер на процессоре (как физических, так и виртуальных). Существенную роль в реализации данной задачи играет выбор языка и среды программирования. В качестве основных языка и среды программирования был выбран C++ — язык высокого уровня, на котором по­ лучается наилучший по быстродействию и расходу памяти код, а в качестве среды разработки — Microsoft Visual Studio 2008 Express Edition, т.к. этот ком­ пилятор полностью поддерживает стандарт C++03 (ISO/IEC 14882:2003), а также обладает высокой степенью оптимизации получаемого кода. Для при­ ложения, с которыми непосредственно работает пользователь, был выбран язык Object Pascal в среде Borland Developer Studio 2006, т.к. эта среда предо­ ставляет удобные компоненты для создания пользовательского интерфейса.

В качестве СУБД для реализации базы данных был выбран MySQL 5. Ап­ плеты для сайта были написаны на языке Java. Язык Java SE 6 и его рас­ ширение — API Java3D были выбраны для обеспечения наиболее широкого круга пользователей данным сайтом: так, разработанные апплеты работают под управлением таких операционных систем как: Windows, Mac, Linux и т.д.

Разработано следующее программное обеспечение для 32-х разрядных операционных систем семейства Microsoft Windows NT:

1. Database Manager и Database Viewer — приложения, реализующее управ­ ления пользователем базой данных, т.е удаление и добавление данных, а также получение различной статистической информации об астерои­ дах, содержащихся в базе данных соответственно;

2. Calculation Server и Calculation Client — приложения, автоматизирую­ щее процесс вычислений при создании базы данных и оптимизирован­ ные для работы в многопоточной среде (серверная и клиентская часть соответственно);

3. Asteroid Viewer — приложение, позволяющее пользователю посмотреть эволюцию орбит астероида, его тесные сближения с большими плане­ тами и Луной и 3-х мерную сцену эволюции движения астероида в Сол­ нечной системе на любом интервале времени.

Все приложения собраны в установочные пакеты, что обеспечивает про­ стоту их установки на компьютер пользователя. Во время установки прило­ жение Asteroid Viewer регистрируется как приложение для открытия файлов с расширениями avd, adb.

Для созданного при помощи описанного выше программного комплекса web-сайта SmallBodies.Ru — «Каталог орбитальной эволюции малых тел Сол­ нечной системы», предоставляющего доступ к данным, занесённым в раз­ работанную автором настоящей диссертационной работы базу данных, были разработаны нижеследующие Java-апплеты.

1. Апплет Diagram1D строит столбчатые диаграммы для оценки распре­ деления астероидов по элементам орбит, роста объема базы данных и числа содержащихся в ней объектов, имеющих тесные сближения с пла­ 2. Апплет Diagram2D строит двухмерные диаграммы, показывающее рас­ пределение объектов по группам относительно двух элементов орбит;

3. Апплет Graph2D строит график эволюции выбранного элемента орбит любого объекта, содержащегося в базе данных;

4. Апплет Graph3D показывает 3-х мерную картину эволюции движения малых тел и Солнечной системы;

5. Апплеты PosCalculator, ElemCalcualtor и EphCalculator рассчитывают соответственно координаты и скорости, элементы орбит и эфемериды любого объекта, занесённого в базу данных, на произвольный момент времени.

11 http://smallbodies.ru Следует отметить, что созданный электронный научной-информацион­ ный ресурс SmallBodies.Ru не уступает зарубежным аналогам, в частности, сайту американской Лаборатории реактивного движения (JPL).

Следует также отметить, что все алгоритмы реализованы в виде динами­ чески подключаемых библиотек, что позволяет их использовать в других про­ граммах. Помимо этого, ввиду универсальности разработанных алгоритмов интегрирования и реализации основных математических моделей движения малых тел Солнечной системы данный программный комплекс может быть использован при исследовании эволюции орбит главных метеорных роёв и короткопериодических комет.

Таким образом, разработан достаточно универсальный и расширяемый программный комплекс для исследования эволюции орбит малых тел Сол­ нечной системы.

В четвёртой главе приводятся результаты исследования эволюции ор­ бит астероидов групп Аполлона, Амура и Атона на интервале времени с по 2206 годы. Также в этой главе приводятся результаты исследования сходи­ мости и устойчивости как используемого численного метода, так и решаемой задачи Коши; произведены оценки погрешности полученных результатов.

Банки данных эволюции орбит астероидов и короткопериодических ко­ мет создаются для выявления объектов, представляющих потенциальную опасность Земле, изучения вопросов о происхождении, устойчивости и эво­ люции движения астероидов; быстрого получения координат, скоростей и элементов орбит астероида или кометы на любой момент времени.

В частности, создан банк данных эфемерид астероидов групп Аполлона, Амура и Атона и их тесных сближений на исследуемом интервале времени с 1800 по 2206 годы. Проведено исследование эволюции орбит 8530 астерои­ дов. Среди них выявлено 1126 объектов, тесно сближающихся с внутренними планетами, из которых 894 проходят через сферу действия Земли.

Эти данные получены численным интегрированием при помощи описан­ ного выше программного комплекса и занесены в разработанную базу дан­ ных.

О точности говорит тот факт, что вычисленные нами координаты и ско­ рости планет были согласованы с DE405 — одной из самых точных численных теорий движения больших планет, Луны и Солнца, а величины и даты сбли­ жений астероидов с Землёй совпадают с наблюдениями.

В качестве примера в нижепредставленной таблице приведено 12 асте­ роидов из групп Аполлона, Амура и Атона, имеющих наиболее тесные сбли­ жения с Землёй из реально наблюдаемых. В таблице содержаться данные о наблюдениях, которые были взяты из списка Гарвардского университета наиболее близко прошедших от Земли астероидов (Closest Approaches to the 12 http://ssd.jpl.nasa.gov/ Earth by Minor Planets), и расчётные данные, полученные при помощи раз­ работанного программного комплекса.

Таблица 1. Тесные сближения астероидов с Землёй 2011 CQ1 04.02.2011 19:39:22 0.000079 04.02.2011 19:40:48 0. 2004 FU162 31.03.2004 15:34:34 0.000086 31.03.2004 15:36:00 0. 2008 TS26 09.10.2008 03:28:48 0.000082 09.10.2008 03:21:36 0. 2011 MD 27.06.2011 17:00:58 0.000125 27.06.2011 17:02:24 0. 2009 VA 06.11.2009 21:34:34 0.000137 06.11.2009 22:04:48 0. 2008 US 20.10.2008 23:22:34 0.000207 20.10.2008 23:16:48 0. 2004 YD5 19.12.2004 20:24:00 0.000264 19.12.2004 20:38:24 0. 2010 WA 17.11.2010 03:44:38 0.000260 17.11.2010 03:50:24 0. 2008 VM 03.11.2008 22:27:50 0.000306 03.11.2008 22:33:36 0. 2004 FH 18.03.2004 22:09:07 0.000328 18.03.2004 22:04:48 0. 2010 XB 30.11.2010 18:00:00 0.000360 30.11.2010 18:00:00 0. 2010 TD54 12.10.2010 10:48:00 0.000346 12.10.2010 10:48:00 0. Как видно из таблицы, результаты вычислений очень хорошо согласу­ ются с наблюдениями, несмотря на то, что рассматриваемые объекты имеют очень тесные сближения с Землёй и, как известно, исследование эволюции их движения является особо сложной задачей. Из данных таблицы можно сде­ лать вывод о высокой точности результатов, получаемых рассматриваемым методом.

Исследованием астероида 99942 Apophis занимались многие специали­ сты. Этот интерес возник ввиду нескольких факторов: величины астероида, довольно тесному его сближению с Землёй в относительно недалёком буду­ щем, изначальной информации о возможном столкновении с Землёй в 2029, вероятности столкновения в 2036 и последующих годах по прогнозу некото­ рых учёных. Приведённые в четвёртой главе результаты исследования асте­ роида 99942 Apophis сопоставлены с результатами других учёных. Так, в ра­ ботах Башакова А. А., Питьева Н. П. и Соколова Л. Л., Заботинa А. С., Ко­ четоваa О. М. и Шорa В. А., Смирнова Е. А., Ивашкина В. В. и Стихно К. А.

приводятся результаты расчётов сближения в 2029 году, которые совпадают с данными, полученными автором настоящей работы.

В данной главе показано, что для объектов, не имеющих тесных сближе­ ний, результаты, полученные по начальным данным на различные моменты времени, отличаются незначительно. Однако начальные данные значительно 13 http://www.cfa.harvard.edu/iau/lists/Closest.html влияют на результаты интегрирования на отрезке времени после тесного сбли­ жения астероида с планетой Солнечной системы. Таким образом, уточнение орбиты астероидов в значительной степени влияет на результаты исследова­ ния эволюции движения малых тел Солнечной системы на длительном ин­ тервале времени для объектов, имеющих тесные сближения с планетами.

Оценки погрешности для метода Эверхарта были получены методом экс­ траполяции. Проведя исследование ряда объектов при помощи рассматрива­ емого метода были получены нижеследующие результаты. Принималось, что вычисления получены с необходимой точность, если разница в вычисленных положениях объекта не превосходисла а.е. и в вычисленных скоростях 10 а.е./сутки.

1. Для объектов, не имеющих сближений, метод Эверхарта обеспечивает требуемую точнось на всём рассматриваемом интервале времени с 2. Для объектов, имеющих тесные сближений, в общем случае, погреш­ ность резко возрастает после момента сближений. Только при интегри­ ровании с малым (порядка 0.01 дня) или переменным шагом можно обеспечить точность на интервале времени порядка нескольких десят­ ков лет после сближения.

В работе было показано, что в общем случае для исследования объектов, имеющих тесные сближения, необходимо использовать метод 27-го порядка с переменным шагом интегрирования или постоянным шагом, равным 0. дня. При этом использование переменного шага интегрирования позволяет сократить время вычислений более чем в 6 раз по сравнению с вычислениями с постоянным шагом 0.01 дня.

Проведено сравнение метода Эверхарта и метода Адамса и показано, что для астероидов, имеющих тесные сближения, эффективнее использовать метод Эверхарта, так как для данного класса объектов он обеспечивает более высокую точность.

В заключении перечислены основные результаты, полученные при вы­ полнении данной диссертационной работы, которые приведены ниже.

1. Предложена модификация математической модели, описывающей ра­ нее движение планет, Луны и Солнца, и её применение для исследова­ ния эволюции движения малых тел Солнечной системы, сближающихся 2. Разработаны вычислительные алгоритмы для модифицированного од­ ношагового метода Эверхарта с высоким (до 33-го включительно) по­ рядком аппроксимирующих формул и переменным шагом интегрирова­ 3. Автоматизирован процесс численного интегрирования дифференциаль­ ных уравнений небесных тел и обработки получаемых результатов с ис­ пользованием возможностей современных многоядерных процессоров.

4. Разработанный программный комплекс имеет универсальный характер, позволяет исследовать эволюцию движения астероидов, короткоперио­ дических комет и метеорных потоков; сохранять, обрабатывать и анали­ зировать результаты расчётов; автоматизировать процесс исследования и получать результаты в удобной и наглядной форме.

5. При помощи разработанного программного обеспечения проведено ис­ следование более 8500 объектов и создан банк данных эфемерид асте­ роидов групп Аполлона, Амура и Атона, сближающихся с Землёй на интервале времени с 1800 по 2206 годы.

6. На основе проведённых исследовании эволюции орбит астероидов групп Аполлона, Амура и Атона, выявлены астероиды, представляющие по­ тенциальную опасность для Земли.

7. Разработаны алгоритмы и Java-апплеты для работы с научно-информа­ ционным ресурсом SmallBodies.Ru, позволяющие производить вычисле­ ния с размещёнными на сайте данными и в наглядной форме представ­ лять получаемые результаты.

8. Проведено исследование сходимости и устойчивости как используемого численного метода, так и решаемой задачи Коши; произведены оценки погрешности полученных результатов.

В приложении приводятся параметры для разработанных Java-аппле­ тов, листинг программы для интегрирования дифференциальных уравнений движения малого тела Солнечной системы, интерфейс части программного комплекса, отвечающий за интегрирование уравнений движения.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ

ДИССЕРТАЦИИ

Монография 1. Заусаев А. Ф., Абрамов В. В., Денисов С. С. Каталог орбитальной эволю­ ции астероидов, сближающихся с Землёй с 1800 по 2204 гг. — М. : Маши­ ностроение-1, 2007. — С. 608.

Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК 2. Заусаев А. Ф., Денисов С. С., Деревянка А. Е. Исследование эволюции асте­ роида 2012 da14 // Вестник самарск. госуд. техн. ун-та. Серия: физ.-матем.

науки. — 2012. — № 3(28). — С. 211–215.

3. Денисов С. С. Разработка программного обеспечения для автоматизации процесса создания банка данных эволюции орбит астероидов // Вестник самарск. госуд. техн. ун-та. Серия: физ.-матем. науки. — 2011. — № 4(25). — С. 200–202.

4. Денисов С. С. Выявление астероидов группы атона, представляющих по­ тенциальную угрозу для земли // Вестник самарск. госуд. техн. ун-та.

Серия: физ.-матем. науки. — 2007. — № 1(14). — С. 174–177.

5. Заусаев А. Ф., Денисов С. С., Соловьев Л. А. Численное интегрирование уравнений движения астероида 2004 fu162 на интервале времени с по 2206 годы // Вестник самарск. госуд. техн. ун-та. Серия: физ.-матем.

науки. — 2006. — № 43. — С. 189–191.

6. Выявление астероидов группы аполлона, амура, атона, представляющих потенциальную угрозу для земли / В. В. Абрамов, А. Ф. Заусаев, Л. А. Со­ ловьев, С. С. Денисов // Обозрение прикладной и промышленной матема­ тики. — 2007. — Т. 14 (Вып. 2), № IV. — С. 384.

Публикации в прочих изданиях 7. Денисов С. С. Разработка программного обеспечения для автоматизации процесса исследования эволюции орбит астероидов // Решетневские чте­ ния: материалы XIV Междунар. науч. конф конференции. — Т. 2. — Крас­ ноярск : Сиб. гос. фэрокосмич. ун-т., 2010. — С. 385–386.

8. Database development of the solar system small bodies’ orbital evolution based on modern mathematical models and methodsды / A. F. Zausaev, A. A. Zausaev, V. V. Abramov, S. S Denisov // Защита земли от столкно­ вений с астероидами и кометными ядрами: труды международной конфе­ ренции “Астероидно-кометная опасность – 2009”. — СПб : Наука, 2010. — С. 102–106.

9. Денисов С. С. Разработка апплетов для вычисления элементов орбит асте­ роида на произвольный момент времени // Математическое моделирова­ ние и краевые задачи. Труды седьмой всероссийской научной конферен­ ции. Часть 3. — Самара : СамГТУ, 2010. — С. 78–82.

10. Денисов С. С. Влияние начальных данных на результаты исследования эволюции орбит астероидов // Сборник материалов Международной мо­ лодёжной научной конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам: “Научному прогрессу – творчество молодых”. Часть 1. — Йошкар-Ола : МарГТУ, 2010. — С. 73–84.

11. Денисов С. С. Влияние уточнения орбит на результаты исследования эво­ люции движения астероидов // Математическое моделирование и крае­ вые задачи. Труды шестой всероссийской научной конференции. Часть 3. — Самара : СамГТУ, 2009. — С. 111–116.

12. Denisov S. S. Development of database and software for the web-site in the problem of modeling the orbital evolution of small bodies of solar system // International Conference Asteroid-Comet Hazard–2009. — СПб, 2009. — С. 210–211.

13. Денисов С. С. Разработка базы данных и программного обеспечения для web-сайта в задаче моделирования астероидной и кометной безопасности земли // Труды Седьмой Международной конференции: “Математиче­ ское моделирование физических, экономических, технических, социаль­ ных систем и процессов”. — Ульяновск, 2009. — С. 91–93.

14. Денисов С. С. Создание банков данных астероидов, сближающихся с зем­ лёй // Международная конференция: “100 лет Тунгусскому феномену:

прошлое, настоящее, будущее”. — Москва, 2008. — С. 114–115.

15. Денисов С. С. Разработка программного обеспечения с целью создания банка данных астероидов // Математическое моделирование и краевые задачи. Труды пятой всероссийской научной конференции. Часть 3. — Самара : СамГТУ, 2008. — С. 90–93.

16. Денисов С. С. Создание банка данных астероидов групп аполлона, аму­ ра, атона на основе метода эверхарта // XXXIV Гагаринские чтения:

Научные труды Международной молодёжной конференции. Часть 5. — Москва, 2008. — С. 53–54.

17. Денисов С. С. Создание базы астероидов из групп аполлона, амура и атона на интервале времени с 1800 по 2206 годы // Сборник материалов Международной молодёжной научной конференции по естественнонауч­ ным и техническим дисциплинам: “Научному прогрессу —- творчество молодых”. Часть 1. — Йошкар-Ола : МарГТУ, 2008. — С. 182.

18. Денисов С. С. Разработка программного обеспечения для представления эволюции орбит малых тел солнечной системы на web-сайте // Актуаль­ ные проблемы современной науки. Труды 4-го Международного форума молодых ученых. Часть 1–3. — Самара : СамГТУ, 2008. — С. 34–38.

19. Денисов С. С. Создание банка данных астероидов групп аполлона, амура и атона на интервале времени с 1800 по 2206 годы // Актуальные пробле­ мы современной науки. Труды 3-го Международного форума молодых учены. Часть 3. — Самара : СамГТУ, 2007. — С. 25–28.

20. Денисов С. С. Создание базы данных астероидов группы аполлона, амура и атона на интервале времени с 1800 по 2206 годы // Математическое мо­ делирование и краевые задачи. Труды четвёртой всероссийской научной конференции. Часть 3. — Самара : СамГТУ, 2007. — С. 78–81.

21. Денисов С. С. Математическое моделирование движения астероида YD5 на интервале времени с 1800 г. по 2206 г. // Актуальные пробле­ мы современной науки. Труды 2-го Международного форума молодых учены. Часть 1–3. — Самара : СамГТУ, 2006. — С. 41–46.

22. Денисов С. С., Заусаев А. Ф., Соловьев Л. А. Математическое моделиро­ вание движения астероида 2004 FU162 на интервале времени с 2006 по 2206 годы // Математическое моделирование и краевые задачи. Труды третьей всероссийской научной конференции. Часть 3. — Самара : СамГ­ ТУ, 2006. — С. 119–123.

23. Денисов С. С., Заусаев А. Ф., Соловьев Л. А. Эволюция орбит кометы мачхольца // Математическое моделирование и краевые задачи. Труды второй всероссийской научной конференции. Часть 1. — Самара : СамГ­ ТУ, 2005. — С. 116–122.

24. Денисов С. С., Заусаев А. Ф., Соловьев Л. А. Исследование родствен­ ной связи метеорного потока дельта - акварид с кометой мачхолца // Всероссийская конференция: “Дифференциальные уравнения и их при­ ложения”. — Самара : СамГУ, 2005. — С. 43–44.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.278. ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный университет»