Способ обзора геостационарной области для наблюдения элементов космического мусора и других объектов с космического аппарата на полусуточной высокоэллиптической орбите
METHOD OF THE GEOSTATIONARY REGION SURVEY FOR THE SPACE DEBRIS ELEMENTS AND OTHER OBJECTS OBSERVATION FROM SPACE CRAFT ON THE SEMI-DIURNAL HIGH-ELLIPTIC ORBIT

Целью настоящего изобретения является разработка способа получения детальных изображений элементов космического мусора и других объектов, находящихся на геостационарной орбите, а также измерения угловых координат объектов в геостационарной области. Дальность наблюдения и размер наблюдаемых объектов определяются характеристиками аппаратуры наблюдения космического аппарата.
Известны космические системы, реализующие способы обзора геостационарной области для получения координатной и некоординатной информации о находящихся в этой области объектах.
1. Космические аппараты (КА) системы GSSAP располагаются на квазигеостационарных орбитах, имеющих наклонение около 0,48° и период обращения, немного отличающийся от звездных суток, что обеспечивает постоянный дрейф со скоростями порядка 0,4…0,6°/сут. относительно КА на геостационарной орбите (ГСО). Такое построение обеспечивает возможности получения детальной некоординатной информации по геостационарным объектам на пролете в процессе дрейфа и получения координатной и фотометрической информации практически постоянно (за исключением ограничений, обусловленных условиями освещения) [1, 2].
К недостаткам этого способа обзора относятся относительно большие времена, необходимые для доступа к конкретному объекту на ГСО, измеряемые интервалом несколько месяцев.
2. Система SBSS начала развертываться в 2010 г. и состоит из космических аппаратов, обращающихся на низких круговых солнечно-синхронных орбитах с наклонением 97,97°, высотой перигея 625,0 км, высотой апогея 640,0 км, периодом обращения 97,42 мин. В ее задачи входит обзор космического пространства, измерение координат наблюдаемых объектов и обеспечение информацией органов управления космическими системами. [3].
К недостаткам этого способа обзора относится невозможность получения детальной некоординатной информации по объектам в геостационарной области из-за больших расстояний до этих объектов.
В качестве прототипа принят способ обзора геостационарной орбиты космической системой, описанной в [4].
Для наблюдения объектов на ГСО авторы предлагают разместить космические аппараты на полусуточных высокоэллиптических орбитах (ВЭО) с наклонением около 63,4° и аргументом широты перигея в районе 0° или 180°. Дополнительно поставлено требование ежесуточной повторяемости трассы КА, которая обеспечивается (что не указывают авторы) при периоде обращения 43065 с…43067 с. Указано, что требования, предъявляемые к наблюдению ГСО, приводят к декомпозиции этой задачи на две составляющие:
- задача 1 - обзорное наблюдение ГСО;
- задача 2 - детальное наблюдение обнаруженных объектов на ГСО.
Основное отличие параметров орбиты для решения задачи 2 от параметров орбиты для решения задачи 1 - увеличение высоты перигея, необходимое для расположения апогея в близкой окрестности ГСО.
Для решения задачи 1 обзор всей ГСО предлагается осуществить с двух космических аппаратов типа КА-О при дальности наблюдения не более 17000 км. Оба КА-О размещены в одной плоскости, но разведены на ВЭО по времени ее прохождения. Они проходят рабочий участок орбиты со сдвигом по времени на 6 часов. На протяжении рабочего участка каждому КА-О доступен для наблюдения при требуемом диапазоне дальности участок дуги ГСО порядка 90°. При этом (что авторы не указывают) необходимо, чтобы апогей орбиты превышал ГСО на ~4000 км. Таким образом, за два витка, т.е. в течение суток, может быть обеспечен полный обзор ГСО при дальности наблюдения не более 17000…18000 км.
Для решения задачи 2, то есть детального контроля объектов на ГСО, используется космический аппарат КА-ДК другого типа с диапазоном дальности наблюдения от 100 км до 400 км, размещенный на ВЭО, имеющей апогей в близкой окрестности ГСО. По условию ежесуточной повторяемости трассы апогей одноименных (четных или нечетных) витков имеет неизменную географическую долготу с расстоянием 180° между четными и нечетными витками. Как показывает соответствующий расчет, длина контролируемого участка долгот ГСО при максимальной дальности наблюдения 400 км на каждом витке составляет приблизительно±440 км относительно долготы апогея. Для обслуживания космических объектов на всей ГСО возможно обеспечение определенного ежесуточного дискретного смещения (дрейфа) рабочего участка КА-ДК вдоль ГСО по долготе. Такой дрейф осуществляется соответствующей коррекцией периода обращения орбиты.
Указанный прототип обладает следующими существенными недостатками, предопределенными в основном описанным способом обзора ГСО.
1. Способ обзорного наблюдения ГСО и способ детального наблюдения обнаруженных объектов на ГСО реализуется двумя различными типами космических аппаратов наблюдения - КА-О и КА-ДК, причем орбиты КА-О и КА-ДК отличаются по высотам апогея и перигея.
2. Задача полного покрытия всей ГСО участками детального контроля за ограниченное число суток даже не ставится.
3. Большой срок осуществления полного накрытия ГСО участками детального контроля в режиме фиксированной скорости дрейфа, обеспечивающей примыкание участков контроля на соседних одноименных (четных или нечетных) витках. Как показали соответствующие расчеты, для этого требуется не менее 100 суток при максимальной дальности детального наблюдения 400 км.
max
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в новом способе обзора геостационарной области с одного КА на полусуточной высокоэллиптической орбите. Под полусуточными ВЭО в дальнейшем понимаются ВЭО с периодом Т, меньшим половины звездных суток (43082 с) на величину до 800…1000 с. Предлагаемый способ обеспечивает как измерение точных координат объекта в задаваемой области околоземного космического пространства, так и получение детальных изображений объекта в любой точке его стояния на ГСО при минимально возможном сроке полного обзора ГСО. При получении детальных изображений максимальная дальность наблюдения L, определяемая характеристиками аппаратуры наблюдения, составляет, например, 400 км, а допустимая минимальная дальность наблюдения также определяется характеристиками аппаратуры наблюдения.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается также в рациональном выборе параметров полусуточной высокоэллиптической орбиты - периода обращения, радиуса орбиты в апогее, аргумента широты перигея, наклонения. С этими параметрами на рабочем участке орбиты обеспечивается дальность наблюдения объекта на ГСО, не превышающая допустимого значения 400 км, при которой имеет место требуемая разрешающая способность наблюдения. Измерение координат объектов в геостационарной области производят на выбранных участках ВЭО на дальности, максимальное значение которой определяется проницающей силой БАО.
Изобретение имеет целью минимизировать время полного беспропускного обзора всей геостационарной орбиты при получении детальных изображений объектов, находящихся на этой орбите.
max
max
Изобретение включает в себя способ выбора параметров полусуточной высокоэллиптической орбиты. Для такой орбиты предлагается использовать наклонение i, находящееся в диапазоне от 0° до 5°. Радиус орбиты в апогее должен превышать радиус ГСО на величину, несколько меньшую, чем максимально допустимая дальность наблюдения L. С апогейного участка этой орбиты КА обеспечивает получение детального изображения каждого объекта с точкой стояния на любой долготе ГСО за минимальное количество суток. При этом дальность детального наблюдения не превышает заданного значения L.
2
3
max
На фиг. 1 приведена схема конфигурации ГСО и ВЭО в экваториальной плоскости и образования на ГСО контролируемого участка. На чертеже показан апогей A высокоэллиптической орбиты и рабочий участок ВЭО между точками В и С. Контролируемый участок на ГСО ограничен точками F и F, которые удалены от крайних точек рабочего участка В и С соответственно на величину L. На этой схеме не учтено движение КА по высокоэллиптической орбите и объектов на ГСО, изменяющее размер наблюдаемого участка ГСО, что подробно разъяснено и показано ниже.
Предлагаемым способом достигается рациональный выбор параметров полусуточной высокоэллиптической орбиты в зависимости от характеристик применяемой аппаратуры наблюдения. При этих параметрах для одного витка оценивают длину интервала долгот ГСО, на котором при прохождении космическим аппаратом апогейного участка ВЭО обеспечивается дальность получения детального изображения, не превышающая предельно допустимой. Параметры ВЭО выбирают так, чтобы указанные интервалы долгот у соседних одноименных (четных или нечетных) витков имели некоторое перекрытие и не оставляли на ГСО неконтролируемых промежутков. При этом количество суток, за которое осуществляется полное накрытие ГСО интервалами наблюдения, является минимально возможным.
Измерение координат объектов в геостационарной области производят по заданиям, передаваемым с наземных пунктов управления. Детальная или координатная информация, получаемая на интервалах прямой видимости КА с наземных пунктов управления и приема информации, передается на эти пункты в процессе наблюдения. Если получение детальной или координатной информации происходит вне интервалов прямой видимости, эта информация запоминается и передается с КА на наземные пункты приема и обработки информации в периоды его прямой видимости.
По предлагаемому способу обзора геостационарной области возможно получение детального изображения объекта, движущегося в геостационарной области по орбите с ненулевым наклонением, то есть не находящегося на ГСО, но периодически сближающегося с ней. Для этого делают точные измерения наблюдаемых координат объекта и на наземном командно-управляющем пункте рассчитывают параметры его орбиты. Производят прогноз движения объекта на некоторое количество витков, определяют ряд положений, когда объект проходит вблизи ГСО, и фиксируют точные значения его координат в трехмерном линейном пространстве. Из этих положений выбирают оптимальное и рассчитывают момент времени и вектор приложения такого импульса коррекции орбиты КА, после которого в назначенный момент времени КА будет находиться в выбранной точке.
гco
ГCO
π
Конфигурация пространственного положения геостационарной и полусуточной высокоэллиптической орбит представлена на фиг. 2. На чертеже показан центр Земли О, полярная ось ON, перигей П, радиус-вектор КА в апогее OA, текущее положение КА в точке К и радиус ГСО r (отрезок ОА). Рассматривается высокоэллиптическая орбита с ненулевым положительным малым наклонением i и аргументом широты перигея ω=0 (однако на чертеже для наглядности показана зеркально симметричная картина с наклонением 180° - i).
π
ар
гсо
max
Учитывают, что для достижения максимальной длины интервала долгот на ГСО, на котором производится получение детальных изображений, аргумент широты перигея ω должен быть равным 0, а радиус апогея ВЭО (точка А) должен превышать радиус ГСО. При выборе величины радиуса апогея r учитывают, что высота апогея над ГСО (отрезок АА) должна быть несколько меньше максимальной дальности детального наблюдения L.
max
ву
При определении длины интервала долгот ГСО, на котором возможно получение детальных изображений объектов на дальности, не превышающей L, назначают такое значение величины λ, при котором апогей данного витка имеет географическую долготу Д=0.
Для задания эллиптической орбиты используют следующие параметры:
- период обращения Т;
ар
- радиус апогея r;
ву
- географическая долгота начального восходящего узла λ;
π
- аргумент широты перигея ω;
- наклонение i.
q
э
э
max
По этим параметрам для любого текущего момента времени рассчитывают координаты КА - радиус-вектор r, географическую долготу Д и широту Ш. Далее определяют геометрические параметры, показанные на фиг. 2: расстояние h от КА до плоскости экватора, минимальное расстояние D от КА до ГСО, проекцию радиус-вектора КА на плоскость экватора (отрезок ОК) и расстояние b в плоскости экватора от точки К до точки S, находящейся на ГСО на предельной дальности наблюдения L.
э
ву
Σ
Σ
По определенным трем сторонам косоугольного треугольника OKS в плоскости экватора вычисляют угол ΔД этого треугольника. Как упоминалось выше, при рациональном задании величины λ апогей данного витка имеет долготу, равную нулю. В этом случае угловое расстояние по долготе Д от апогея до точки S на ГСО, достижимой для наблюдения, но максимально удаленной от апогея в данный момент времени, определяется выражением Д=Д+ΔД.
Σmax
Σ
По результатам расчетов с малым шагом по времени на интервале движения КА на ВЭО от перигея до апогея выявляют максимальное значение Д величины Д на одном витке для данной орбиты.
з
max
При расчетах учитывают, что косоугольный треугольник OKS, в котором определяют угол АД, существует лишь при рассмотрении точек на том участке ВЭО в области апогея, на котором минимальное расстояние Dq от КА до ближайшей точки ГСО не превышает максимально допустимой дальности наблюдения L Для остальной части орбиты точка S не существует.
л
гсо
max
max
Σmax
Вследствие симметрии геометрической ситуации при дальнейшем движении КА от апогея к следующему перигею при ω=0 аналогичная крайняя точка удалена от точки А в другую сторону также на величину ДΣ. Таким образом, на одном витке длина всего интервала долгот, на котором дальности наблюдения объектов на ГСО не превышают L, составляет 2Д.
Σmax
В вышеописанном расчете орбитального движения КА учитывается как собственное движение КА по эллиптической орбите, так и вращение Земли с неподвижными относительно него точками стояния объектов на ГСО. Длина контролируемого участка 2Д получается при этом меньшей, чем показана на фиг. 1. При этом не учитываются возмущающие эллиптическое движение факторы: нецентральность поля тяготения Земли, притяжение Луны, Солнца и др.
В качестве примера для наглядного построения трассы движения КА, показанной на фиг. 3, относительно точек ГСО с фиксированной долготой рассчитаны с малым шагом по времени следующие текущие координаты КА:
- географическая долгота Д, град;
- широта Ш, град;
- геоцентрическое расстояние (радиус) r, км.
Ввиду того, что наклонение орбиты невелико, проекции КА с этими координатами на экваториальную плоскость с приемлемой точностью можно рассматривать как трассу движения КА относительно фиксированных точек геостационарного круга.
max
Приведенный пример показывает построенную по этим координатам трассу движения КА на пяти витках относительно географических точек геостационарной орбиты с перекрывающимися участками контроля. В этом примере рассмотрено движение КА по строго эллиптической орбите (без учета возмущающих факторов) с периодом 41977 с, высотой перигея 3344 км, наклонением 3,3°. С этими параметрами при допустимой дальности наблюдения L=400 км обеспечивается полное накрытие ГСО участками контроля за 39 витков, то есть за 19 суток.
Ввиду того, что в окрестности апогея ВЭО скорость КА составляет около 1,8 км/с, а скорость точек ГСО - около 3 км/с, КА на ВЭО в окрестностях апогея смещается относительно точек ГСО на запад, а длина контролируемого участка ГСО уменьшается по сравнению с показанной на фиг. 1.
π
гсо
В общем случае при расчете параметров ВЭО задают ненулевое значение наклонения i в интервале от 0° до 5° и значение аргумента широты перигея ω=0. Начальное значение количества суток n принимают заведомо небольшим и рассчитывают для него период высокоэллиптической орбиты Т по формуле Т=Т⋅n/(2n+1).
гcо
гcо
Строго говоря, целое число n является числом звездных суток с периодом Т=86164 с, а не истинных суток с длительностью 86400 с. При таком значении периода Т высокоэллиптическая орбита является кратносинхронной по отношению к геостационарной орбите, имеющей период Т, так как длительность n периодов ГСО равна длительности 2n+1 периодов ВЭО.
ар
ву
Σmax
Параметры Т и r полностью определяют форму высокоэллиптической орбиты и позволяют подобрать такое значение географической долготы восходящего узла λ, при котором долгота КА в апогее равна нулю. По этим параметрам описанным выше способом определяют длину 2Д контролируемого участка ГСО на одном витке в угловой мере и их суммарную длину за 2n+1 витков. Если суммарная длина контролируемых участков не превышает 360°, то увеличивают число суток n на единицу и повторяют расчеты до получения искомого числа n, при котором начинается минимальное превышение значения 360° суммарной длиной контролируемых участков ГСО.
ут
ап
ут
ап
з
з
пр
пр
После выбора вышеописанным способом параметров ВЭО, минимизирующих количество витков при полном накрытии ГСО участками контроля, переходят к уточнению периода Т высокоэллиптической орбиты. Для этого производят прогнозирование движения КА с учетом возмущающих факторов на 2п+2 витков, фиксируют уточненную географическую долготу апогея на этом витке Д и сравнивают ее с прежним значением Д, полученным для движения КА по строго эллиптической орбите. По этим данным вычисляют поправку периода обращения ΔT по формуле ΔT=(Д-Д)/(ω⋅(2n+1)). Здесь ω=0,004178°/с - угловая скорость вращения Земли. Затем вносят эту поправку в предыдущее значение Т периода обращения, вычисленное для строго эллиптической орбиты, и получают окончательное значение кратносинхронного периода обращения Т=Т+ΔТ.
Для получения детальных изображений с наивысшим разрешением при наблюдений объекта, находящегося в любой точке ГСО, осуществляют сближение с ним КА-наблюдателя на минимально допустимое расстояние, определяемое характеристиками аппаратуры наблюдения. В этом случае проводят коррекцию периода обращения и переходят на высокоэллиптическую орбиту с периодом Т, отличающимся от кратносинхронного и задаваемым по формуле
гcо
T=T⋅n/(2n+1)+Δt.
Здесь Δt - добавка к вышеописанному периоду кратносинхронной орбиты, исчисляемая некоторым количеством секунд и вызывающая медленное смещение трассы этой орбиты по географической долготе. При таком выборе периода обращения ВЭО через определенное время при незначительной коррекции периода обращения КА-наблюдателя произойдет его сближение с наблюдаемым объектом на минимально-допустимую дальность. Следует учитывать, что для такого сближения может потребоваться длительное время.
max
max
По предлагаемому способу обзора геостационарной области применительно к получению детальных изображений объектов на ГСО с кратносинхронной орбиты проведены расчеты для двух вариантов максимально допустимой дальности получения детальных изображений: L=100 км и L=400 км.
Проведенные расчеты показали, что предлагаемый способ обзора геостационарной орбиты позволяет уменьшить время полного обзора ГСО в 6-10 раз по сравнению с прототипом.
Из вышеизложенного следует, что предложенный способ обзора имеет преимущество перед известными способами обзора геостационарной области и получения детальных изображений объектов на геостационарной орбите с космических аппаратов на околоземных геоцентрических орбитах.
Источники информации
1. И. Чёрный. Шпион высокого полета. Новости космонавтики. №5. 2014. С. 62-63.
2. И. Лисов. «Ангелы» и «стражи» для геостационара. Новости космонавтики. №9. 2014. С. 54-57.
3. И. Чёрный. Запущен спутник контроля космической обстановки. Новости космонавтики. №11. 2010. С. 34-36.
4. Н.Н. Клименко, А.Е. Назаров. Перспективная космическая система для наблюдения геостационарной орбиты. Вестник НПО им. С.А. Лавочкина. №4. 2015. С. 16-22.