СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА НЕПРЕРЫВНОГО ГЛОБАЛЬНОГО ОБЗОРА ОКОЛОЗЕМНОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
SATELLITE SYSTEM OF CONTINUOUS GLOBAL SURVEY OF THE NEAR-SPACE

Область техники
Изобретение относится к спутниковым системам (СС) мониторинга околоземного космического пространства, в частности - для обнаружения и слежения за полетом различных космических объектов, движущихся в области, простирающейся от низких околоземных орбит (порядка 1000 км) до орбит с высотами порядка высоты геостационарной орбиты (около 36000 км).
Подобные СС, как правило, содержат спутники наблюдения на орбитах разных высотных диапазонов, взаимодействующие друг с другом и с наземным сегментом системы мониторинга.
Уровень техники
В патенте RU 2568291 С1, 20.11.2015 [1] описана система глобального мониторинга параметров состояния многопараметрических объектов (наземных, воздушных и др.), содержащая группировку спутников - ретрансляторов на геостационарной орбите и спутники наблюдения на более низких орбитах.
Патент RU 2570009 С1, 10.12.2015 [2] характеризует СС предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве и на Земле, в которую включены, как фрагменты, спутники навигационных, телекоммуникационных, мониторинговых и других систем, собирающие разнородную информацию из различных областей пространства, обрабатываемую как в космическом, так и на наземном сегменте.
Орбитальное построение СС наблюдения (как и других СС) в настоящее время рассматривается как задача их оптимального баллистического проектирования, т.е. выбора числа спутников, вида и структуры их орбит, распределения спутников на орбитах и (плоскостей) орбит в пространстве - по минимуму некоторого критерия, выражающего, например, затраты на построение и поддержание функционирования СС. При этом налагаются определенные ограничения, в частности - требование обеспечения непрерывного глобального ( - кратного, τ - периодичного) обзора областей (слоев) околоземного космического пространства при помощи бортовой аппаратуры с заданными полями обзора (2β), дальностью действия, с учетом условий засветки или тени и т.д.
Математические аспекты оптимального баллистического проектирования СС изложены, например, в источнике: МАШИНОСТРОЕНИЕ. Энциклопедия в 40 томах. Под ред. акад. К.В. Фролова. Том IV-22. Ракетно-космическая техника. Книга 1. М., «Машиностроение». 2012. Глава 2.5. Спутниковые системы (подред. Ю.Н. Разумного), с. 180-183 [3].
Оптимальному построению известных СС в патентах [1], [2] уделено недостаточно внимания, причем задача их оптимизации может быть достаточно сложной (по нескольким критериям), нерегулярной и не всегда строго обоснованной.
хар
Часто минимизируют число (N) спутников в СС, но для СС наблюдения это оправдано лишь для низких орбит с большим числом спутников - с ростом высот орбит уменьшается требуемое число спутников (при достаточной дальности и ширине (θ) поля обзора их аппаратуры наблюдения), но заметно возрастают затраты характеристической скорости (V), так что критерий N→min не вполне обоснован (не универсален).
Достаточно широким классом СС, полезных с практической точки зрения и удобных для их оптимизации, являются многоярусные СС. При этом ярусом считается множество орбит с близкими или равными высотами (большими полуосями) и наклонениями орбит спутников. Плоскости орбит, как правило, разнесены (например, равномерно) по долготе восходящего узла.
Пример многоярусной СС представлен в патенте RU 2535760 С1, 20.12.2014 [4].
Двухъярусной системой, близкой по структуре к предлагаемой в настоящем изобретении, можно считать СС, описанную в патенте US 8511614 В2, 20.08.2013 [5]. В этой СС спутники размещены на нижнем (высота ≈ 400 км) и верхнем (≈1400-1600 км) ярусах (ретроградных солнечно-синхронных орбитах с наклонением i≈82°), причем с нижнего яруса спутники наблюдают космические объекты, находящиеся выше этого яруса, а с верхнего яруса - космические объекты, находящиеся ниже верхнего яруса.
СС имеет специальное назначение: наблюдать объекты на фоне Земли, на освещенном Солнцем Земном фоне и на фоне Космоса. Ввиду этого не преследуется задача глобального мониторинга обширного (толщиной ≈ 10000…40000 км) сферического слоя околоземного пространства, а задача оптимизации может быть решена минимизацией числа N спутников.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является разработка достаточно общего метода построения СС непрерывного глобального обзора околоземного космического пространства в виде сферического слоя, охватывающего область по существу от низких до геостационарных орбит, в которой могут находиться как постоянно присутствующие (спутники, мусор и др.), так и пролетные (крупные метеориты, кометы и т.п.) объекты.
Техническим результатом изобретения является создание СС непрерывного глобального обзора указанного околоземного космического пространства с минимальными энергетическими затратами на ее построение.
Решение поставленной задачи, с получением указанного технического результата достигается тем, что предлагаемая СС непрерывного глобального обзора сферического слоя околоземного космического пространства с заданными кратностью и периодичностью включает нижний, расположенный под нижней границей указанного сферического слоя, и верхний, расположенный над верхней границей указанного сферического слоя - ярусы спутников, снабженных единообразной аппаратурой наблюдения с одинаковыми полями и достаточной дальностью обзора, причем данный сферический слой условно разделен промежуточной сферической поверхностью на верхнюю и нижнюю зоны контроля так, что спутники нижнего яруса обозревают верхнюю зону контроля, а спутники верхнего яруса -нижнюю зону контроля, при этом параметры орбитального построения СС выбраны из условия минимума суммарной характеристической скорости, требуемой для выведения спутников в их рабочие точки на орбитах верхнего и нижнего ярусов, при заданных ограничениях на параметры орбит в каждом из ярусов.
k
k
В предпочтительном варианте СС орбиты всех спутников каждого k-ого яруса (k=1, 2) - круговые, одинаковых высоты и наклонения, их плоскости разнесены равномерно по долготе восходящего узла, а параметрами орбитального построения служат: N - число спутников в ярусе, P - число плоскостей их орбит и  - коэффициент расфазировки спутников в соседних плоскостях.
При этом орбиты спутников верхнего яруса предпочтительно имеют высоту не менее высоты геостационарной орбиты, а орбиты спутников нижнего яруса - не менее 300 км (из условий длительного существования, с учетом торможения атмосферой).
Сущность изобретения можно пояснить следующим образом.
Во-первых, для выбора орбитального построения СС используется общий и достаточно простой критерий затрат: характеристическая скорость, требуемая для выведения спутников на их рабочие орбиты.
Во-вторых, при современном уровне характеристик аппаратуры наблюдения (в т.ч. ее большой дальности при достаточно широких полях обзора) целесообразно максимально удалять от спутников наблюдения подконтрольные им зоны, уменьшая тем самым потребное число спутников, покрывающих эти зоны.
Перечень фигур
Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим детальным примером его осуществления с прилагаемыми чертежами, на которых изображены:
Фиг. 1 - схема построения СС непрерывного глобального обзора околоземного космического пространства.
Фиг. 2 - структура двухъярусной СС.
U
1
2
L
Фиг. 3 - Зависимость энергетики ΣV построения СС от высоты верхнего яруса H при: , H=10000 км, H=40000 км, β=35°, D=60000 км, H=500 км.
L
1
2
U
Фиг. 4 - Зависимость энергетики ΣV построения СС от высоты нижнего яруса H при: , H=10000, H=40000 км, β=35°, D=60000 км, H=61000 км.
Лучший вариант осуществления изобретения
1
2
1
2
0
Согласно изобретению, СС содержит два яруса: нижний: 1, 2, … N, и верхний: 1', 2', … N - спутников наблюдения, снабженных единообразной аппаратурой с одинаковыми полями (2β) и достаточной дальностью (D) обзора, причем нижний ярус расположен под нижней границей H обозреваемого сферического слоя, а верхний - над верхней границей H. Сферический слой условно разделен промежуточной сферической поверхностью (Н) на нижнюю и верхнюю зоны контроля, так что спутники нижнего яруса СС обозревают верхнюю, а спутники верхнего яруса - нижнюю зоны контроля (см. фиг. 1, 2).
Σ
xap
В этой СС обеспечены заданные кратность и периодичность обзора сферического слоя, при этом параметры орбитального построения СС получаются из условия минимума суммарной характеристической скорости (V→min), требуемой для выведения спутников в их рабочие точки на орбиты нижнего и верхнего ярусов.
Для представленного здесь варианта СС принято: β=35°, D=60000 км, .
k
1
2
L
U
L
1
2
U
Орбитальное построение каждого k-ого яруса СС можно кратко характеризовать четверкой:  - так наз. параметров Уолкера (J. Walker) и наклонением i. Для полноты следует добавить: H, H - высоты нижней и верхней границы обозреваемого сферического слоя, а также H, H - высоты орбит спутников нижнего и верхнего ярусов. Ясно, что H < H < H < H. Это можно обозначить четверкой . Если СС имеет только один ярус, то можно условно положить:  (только верхний ярус) или  (только нижний ярус).
Решение задачи оптимизации СС состоит в определении оптимального  при заданном  (при одном ярусе одна из  - условно нулевая). Все множество оптимальных СС можно символически представить в виде графика , где все параметры в скобках считаются оптимальными.
Проектно-баллистические исследования описанной выше СС наблюдения выявляют наличие достаточно широких областей , где наилучшей из оптимальных СС является двухъярусная СС.
Из фиг. 3-4 видны области преимущественного использования 1-ярусных (с верхним или нижним ярусами) и 2-ярусной СС. На графиках обозначено:
11
ΣV - суммарная характеристическая скорость (энергетика) 2-ярусной системы.
10
ΣV - суммарная характеристическая скорость (энергетика) 1-ярусной системы (только верхний ярус).
01
ΣV - суммарная характеристическая скорость (энергетика) 1-ярусной системы (только нижний ярус). Значения ΣV на всех графиках даны в км/с.
U
Преимущества одноярусных СС могут проявляться при значительных высотах верхнего яруса: H≈65000…69000 км.
Орбиты спутников каждого яруса целесообразно выбирать круговыми, одинаковых высоты и наклонения, а их плоскости - равномерно располагать по долготе восходящего узла. Для достаточно высоких орбит верхнего яруса 2-ярусной СС получается  (всего два спутника в одной плоскости с произвольным наклонением).
1
1
Орбиты спутников нижнего яруса выбраны с высотой не менее 300 км, из соображений длительного существования этих спутников. Количество спутников на нижнем ярусе типично N≈70…80 - при таком же (или вдвое меньшем) числе плоскостей орбит P.
Промышленная применимость
Для осуществления предлагаемого изобретения не требуется принципиально новых разработок в области ракетно-космической техники; здесь могут быть использованы традиционные и хорошо апробированные средства и методы, типичные для СС.