Космическая система
SPACE SYSTEM

Изобретение относится к области космических систем и, более конкретно, к космическим системам с постоянным покрытием определенной поверхности Земли.
Геостационарные и полярные системы наблюдений, которые представляют собой абсолютно отдельные системы, то есть имеют отдельные орбиты и разные зоны наблюдения за землей, хорошо известны.
Геостационарные системы, так же как и полярные системы очень хорошо известны, причем полярные системы хорошо известны, в частности, из-за используемых орбит с такими известными классическими названиями, как орбиты «Молния» или орбиты «Тундра».
Также известны другие орбиты, отличающиеся от орбит геостационарного или полярного типа, как указано в международной заявке на патент WO 2012/040828 A1, но которые касаются только зон, расположенных выше широты 60°, или чисто полярных систем, такие, как так называемые «трехапогейные орбиты», известные под аббревиатурой «TAP», описанные в статье «Трехапогейная 16-часовая высокоэллиптическая орбита, как оптимальный выбор для получения непрерывного метеорологического изображения полярных областей», Trischenko & al, Journal of the American Meteorological Society, Nov 2011.
Во французском патентном документе FR 2291299 A1 описана космическая система, содержащая по меньшей мере один спутник, описывающий ретроградную солнечно-синхронную орбиту вокруг Земли.
Все эти космические системы имеют очень большую стоимость, что демонстрируется тем фактом, что ни одна страна до настоящего времени не смогла в одиночку разместить отдельную систему с постоянным покрытием на таких орбитах, как, например, Канада, где проект «PCW» (Polar Communication and Weather Mission) по размещению метеорологической системы был отложен на 10 лет из-за недостатка бюджета.
Одна задача изобретения заключается в ограничении стоимости непрерывного обслуживания и в возможности его разделения на зоны, соответствующие нескольким странам.
Другая задача изобретения заключается в сохранении максимальной степени совместимости с существующими элементами, как для материальной части спутников и встраиваемых измерительных устройств (для выгоды от повторяемости или экономии благодаря массовому производству и для повторного использования материальной части, уже подтвержденной для космического использования), так и для ракетоносителей (рекомендуемая орбита должна быть совместимой с существующими ракетоносителями и, в особенности, с наименее дорогими/мощными среди них; орбита, которая недостижима для последних, будет бесполезна).
В соответствии с одним аспектом изобретения предлагается космическая система содержащая
- два основных спутника, каждый из которых описывает отдельную эллиптическую орбиту вокруг Земли, причем каждая из двух орбит имеет следующие характеристики:
- наклонение плоскости орбиты относительно экваториальной плоскости находится в диапазоне от 55° до 65°,
- эксцентриситет орбиты находится в диапазоне от 0,2 до 0,3,
- большая полуось орбиты задана так, чтобы обеспечивалась геосинхронная орбита,
- аргумент перигея находится в диапазоне от 240° до 265° или в диапазоне от 275° до 300° для покрытия зоны, расположенной по меньшей мере выше широты 55° (Северная полярная шапка), объединенной с дополнительной зоной, расположенной по большей части ниже широт 55° и имеющей долготы, находящиеся в диапазоне значений, имеющих величину ниже первого порога; или находится в диапазоне от 60° до 85° или в диапазоне от 95° до 120° для покрытия зоны, расположенной по большей части ниже широты -55° (Южная полярная шапка), объединенной с дополнительной зоной, расположенной по меньшей мере выше широт -55°и имеющей долготы, находящиеся в диапазоне значений, имеющих величину ниже второго порога,
- долгота восходящего узла определяется как функция от дополнительной зоны таким образом, что она находится вдиапазоне значений с центром, соответствующим средней долготедополнительной зоны, и имеет величину меньше 80°, и
- два основных спутника, имеющих различие в прямых восхождениях восходящего узла, составляющее 180°, и различие в истинных аномалиях, составляющее 180°; и
- по меньшей мере одну наземную станцию, выполненную для обмена данными по меньшей мере с одним из указанных основных спутников.
Такая космическая система обеспечивает постоянное или непрерывное обслуживание по большей части над географической зоной, содержащей полярную шапку, а также над областью, имеющей другую широту с диапазоном долгот, который может соответствовать нескольким странам, желающим разделить затраты на обслуживание, такое как предоставление метеорологических или геологических услуг, телекоммуникационных услуг любого типа (телепередачи, доступ в интернет, радио, телефония и так далее) или услуг по визуализации любого типа (для наблюдения, обнаружения/предупреждения, отслеживания краткосрочных и долгосрочных тенденций и так далее).
В одном варианте осуществления первый порог составляет 90°, когда дополнительная зона имеет минимальную широту, находящуюся в диапазоне от 10° до 30°.
Таким образом, достигаемое постоянное покрытие, в дополнение к Северной полярной шапке, обеспечивает обслуживание одной или более дополнительных стран, расположенных до широты, которая является очень низкой в положительных значениях и является квази-экваториальной.
Согласно одному варианту осуществления первый порог составляет 150°, когда дополнительная зона имеет минимальную широту, находящуюся в диапазоне от 30° до 50°.
Таким образом, обеспечивается широкое покрытие континентального масштаба (или больше, чем одной страны) в северном полушарии дополнительно к Северной полярной шапке. Это обеспечивает непрерывное предоставление услуг, как для северных стран, так и для континента, такого как Европа или, например, Средний Восток.
В одном варианте осуществления второй порог составляет 90°, когда дополнительная зона (2) имеет минимальную широту, находящуюся в диапазоне от -30° до -10°.
Таким образом, достигаемое постоянное покрытие, в дополнение к Южной полярной шапке, обеспечивает обслуживание одной или более дополнительных стран, расположенных на широте, которая является очень высокой в отрицательных значениях, и является квази-экваториальной.
Согласно одному варианту осуществления второй порог составляет 150°, когда дополнительная зона (2) имеет минимальную широту, находящуюся в диапазоне от 50° до -30°.
Таким образом, обеспечивается широкое покрытие континентального масштаба (или более чем одной страны) в южном полушарии в дополнение к Южной полярной шапке. Это обеспечивает непрерывное обслуживание, как пользователей, находящихся в полярной области, так и континента, такого как, например, Австралия.
В одном варианте осуществления наклонение плоскости орбиты по отношению к экваториальной плоскости находится в диапазоне от 60° до 65°.
,
.
Таким образом, наклонение может быть выбрано для точной корректировки постоянного покрытия зоны, оставаясь при этом близким к резонансным орбитам относительно Земли и притяжений от взаимодействия солнца/луны: такая близость обеспечивает существенную экономию топлива во время удерживания на орбите в течение срока жизни спутников, и корректировка обеспечивает дополнительное улучшение покрытия зоны при необходимости. Кроме того, такое наклонение обеспечивает хороший компромисс между покрытием полярных зондля которых предпочтительно высокое наклонение, и покрытием зон низких широт, для которых предпочтительно низкое наклонение
В соответствии с одним вариантом осуществления наклонение плоскости орбиты относительно экваториальной плоскости составляет 63,5°.
Таким образом, это значение является точным значением резонансной орбиты, описанной ранее, обеспечивающей максимальную экономию топлива для удерживания на орбите (или даже самую большую длительность эксплуатации для спутников, в которых имеется определенное количество топлива).
В одном варианте осуществления эксцентриситет орбиты составляет 0,25.
Таким образом, такой эксцентриситет обеспечивает требуемую форму постоянного покрытия на земле при соблюдении критериев, относящихся к возможности запуска, иными словами, того, что требуемая орбита достижима при использовании конкретного существующего ракетоносителя, дополненного специальным средством для приращения характеристической скорости, внедренным в спутник. Этот параметр эксцентриситета может изменяться в зависимости от доступной грузоподъемности ракетоносителя во время действия контракта и желаемой формы постоянного покрытия.
В соответствии с одним вариантом осуществления аргумент перигея находится в диапазоне от 280° до 290° для покрытия зоны, расположенной выше широты 55° (Северная полярная шапка), объединенной с дополнительной зоной, расположенной ниже широт 55° и имеющей долготы, находящиеся в диапазоне значений, имеющих величину ниже первого порога.
Таким образом, постоянное покрытие зоны, обеспечиваемое спутниковой системой, сосредоточено на Северной полярной шапке, и также включает в себя территорию, расположенную ниже по направлению к низким широтам, охватывающую широкую зону долгот.
В одном варианте осуществления аргумент перигея находится в диапазоне от 275° до 285° для покрытия зоны, находящейся выше широты 55° (Северная полярная шапка), объединенной с дополнительной зоной, находящейся ниже широт 55° и имеющей долготы находящиеся в диапазоне значений, имеющих величину ниже первого порога.
Таким образом, спутниковая система обеспечивает постоянное покрытие зоны, содержащей территорию, расположенную выше по отношению к широтам, чем в предшествующем случае, при этом покрывая в ней более широкую зону долгот.
В соответствии с одним вариантом осуществления аргумент перигея находится в диапазоне от 280° до 300° для покрытия зоны, расположенной выше широты 55° (Северная полярная шапка), объединенной с дополнительной зоной, находящейся ниже широт 55° и имеющей долготы, находящиеся в диапазоне значений, имеющих величину ниже первого порога.
Таким образом, спутниковая система обеспечивает постоянное покрытие зоны, содержащей территорию, расположенную ниже относительно широт, чем в предшествующем случае, покрывая при этом более узкую зону долгот.
В одном варианте осуществления, система содержит по меньшей мере один дополнительный спутник в качестве дублирующего резерва для основного спутника, размещенный на орбите соответствующего основного спутника со сдвигом по аномалии между дополнительным спутником и соответствующим основным спутником.
Таким образом, надежность системы и доступ к обслуживанию улучшаются, причем резервирование во время полета гарантирует отсутствие прерывания услуг даже в случае полного отказа одного из спутников.
В соответствии с одним вариантом осуществления система содержит по меньшей мере один дополнительный спутник, размещенный на эллиптической орбите вокруг Земли, отличающейся от двух орбит двух основных спутников, но имеющей такие же упомянутые характеристики, причем различие между двумя спутниками системы таково, что различие в их прямых восхождениях восходящего узла и различие в из истинных аномалиях составляет 360°, разделенные на количество основных спутников орбитальной системы.
Таким образом, постоянное покрытие зоны может быть увеличено. Также, вторая пара спутников может быть размещена в одно и то же время или позже для обеспечения большего расширения постоянного покрытия.
Изобретение будет лучше понято при изучении некоторых вариантов осуществления, описанных в виде не ограничивающих примеров и проиллюстрированных прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг.1 представляет собой схематическое изображение постоянного покрытия Северной полярной шапки для обслуживания в соответствии с предшествующим уровнем техники;
Фиг.2 представляет собой схематическое изображение дополнительной зоны, прилегающей к Северной полярной шапке из фиг.1 в соответствии с одним аспектом изобретения;
Фиг.3 представляет собой схематическое изображение зоны, содержащей комбинацию Северной полярной шапки из фиг.1 и дополнительной зоны из фиг.2;
Фиг.4 и 5 представляют собой схематическое изображение орбит в соответствии с одним аспектом изобретения;
Фиг.6 представляет собой проекции траекторий спутников, а также их соответствующие контурные кривые возвышения, возможные в конкретный момент, в соответствии с одним аспектом изобретения; и
Фиг.7 представляет собой иллюстративное изображение географических областей, постоянно покрываемых по меньшей мере одним из спутников с минимальным возвышением, выбранным равным 27°, в соответствии с одним аспектом изобретения.
На разных фигурах элементы, которые имеют одинаковые ссылочные позиции, являются идентичными элементами.
На фиг.1 схематически показано постоянное покрытие Северной полярной шапки 1 для обслуживания посредством, например, традиционной системы, размещаемой на орбите i=90° или на орбите типа «Молния» или «Тундра», и относящейся только к полярному обслуживанию.
На фиг.2 схематически показана дополнительная зона 2, прилегающая к Северной полярной шапке из фиг.1, и на фиг.3 схематически представлена зона 3, содержащая комбинацию Северной полярной шапки из фиг.1 и дополнительной зоны из фиг.2.
Предлагается, как показано на фиг.4 и 5, не ограничивающим образом, космическая система, содержащая
- два основных спутника 4, 5, каждый описывающий отдельную эллиптическую орбиту 6, 7 вокруг Земли T, причем каждая из двух орбит 6, 7 имеет следующие характеристики:
- наклон 8 плоскости 9 орбиты 6, 7 относительно экваториальной плоскости 10 находится в диапазоне от 55° до 65°,
- эксцентриситет орбиты 6, 7 находится в диапазоне от 0,2 до 0,3,
- большая полуось 11 орбиты 6, 7 задана так, чтобы обеспечивать геосинхронную орбиту 6, 7,
- аргумент перигея 12 находится в диапазоне от 240° до 265° или в диапазоне от 275° до 300° для покрытия 3 зоны 1, расположенной выше широты 55°, объединенной с дополнительной зоной 2, расположенной на широтах ниже 55° и имеющей долготы, находящиеся в диапазоне значений, имеющих величину ниже первого порога; или находится в диапазоне от 60° до 85° или в диапазоне от 95° до 120° для покрытия 3 зоны 1, расположенной ниже широты -55°, объединенной с дополнительной зоной 2, расположенной на широтах выше -55° и имеющей долготы, находящиеся в диапазоне значений, имеющих величину ниже второго порога,
- долгота восходящего узла 14 определяется в зависимости от дополнительной зоны 2 так, что она находится в диапазоне значений с центром, соответствующим средней долготе дополнительной зоны, и имеет величину, составляющую 60°,
- два основных спутника 4, 5 имеющих различие в прямых восхождениях (15) восходящего узла 14, составляющее 180°, и различие в истинных аномалиях, составляющее 180°; и
- по меньшей мере одну наземную станцию 16, выполненную с возможностью обмена данными по меньшей мере с одним из двух упомянутых основных спутников 4, 5.
На фиг.4 показана одна из двух орбит 6 или 7 одного из основных спутников 4 или 5.
Прямое восхождение 15 восходящего узла 14 вычисляется относительно отметки 17, которая является средним значением долгот дополнительной зоны 2, для лучшего покрытия этой дополнительной зоны 2.
Спутниковая система изобретения, которая не является геостационарной системой, обеспечивает наилучшее постоянное покрытие зоны 3, состоящей из некоторых стран или географических областей, называемых целями 2, и полярной шапки 1.
Понятие «лучшее покрытие» связано с рядом критериев, перечисляемых в порядке важности в зависимости от предполагаемой задачи (услуг). Эти критерии могут содержать следующее:
;
- постоянство наблюдения (по меньшей мере один из спутников 4, 5 системы всегда видим из целей или также видим в течение длительного периода в течение дня, для которого предусматривается увеличение)
- локальное возвышение, из которого наблюдаются по меньшей мере некоторые из точек цели 2; например, данные метеорологического наблюдения обычно принимают только точки, наблюдаемые из возвышений больше, чем приблизительно 20°; при этом телекоммуникационное обслуживание обычно принимают возвышения до двух раз меньше;
- дальность наблюдения (среднее значение для всех точек цели или для заданной основной точки, или для подспутниковых точек), это также может быть выражено в терминах «размер пикселя, видимого на земле»;
- максимальное расширение дополнительной зоны 2, покрываемой вблизи определенной цели (например, при метеорологических наблюдениях или наблюдениях за Землей, определенная страна может захотеть наблюдать за тысячью километрами, находящимися за ее границами);
- возможное положение наземной станции приема и управления, или станций 16, управляющих пропускной способностью приема в реальном времени («постоянство»);
- способность ракеты-носителя размещать систему; в особенности, максимальный вес, который данная ракета-носитель может разместить на конечной или переходной орбите ограничивает вес спутников, которые могут быть использованы и, следовательно, если задачей является новое использование спутника существующего типа, его вес ограничивает увеличение протяженности возможных орбит, например, ограничением апогея 18 или наклонения 8;
- контроль за радиационной окружающей средой, например, с целью ограничения времени нахождения спутников 4, 5 в поясах Ван-Аллена; и
- срок службы, определяемый через стоимость станции, имея в виду расходные материалы.
Следует понимать, что размер пикселя означает поверхность на земле, показываемую пикселем спутникового изображения, или средний размер такой поверхности.
Первый порог может составлять 90°, когда дополнительная зона имеет минимальную широту, находящуюся в диапазоне от 10° до 30°, или может составлять 150°, когда дополнительная зона имеет минимальную широту, находящуюся в диапазоне от 30° до 50°.
Наклон плоскости орбиты относительно экваториальной плоскости может находиться в диапазоне от 60° до 65° и, например, может составлять 63,5°, и эксцентриситет орбиты может составлять 0,25.
Аргумент перигея 12 может находиться в диапазоне от 280° до 290° для покрытия зоны 1, расположенной выше широты 55°, объединенной с дополнительной зоной 2, расположенной ниже широт 55° и имеющей долготы, находящихся в диапазоне значений, имеющих величину ниже первого порога, или находится в диапазоне от 275° до 285° для покрытия зоны 1, расположенной выше широты 55°, объединенной с дополнительной зоной 2, расположенной ниже широт 55° и имеющей долготы, находящиеся в диапазоне значений, имеющих величину ниже первого порога, или находится в диапазоне от 280° до 300° для покрытия зоны 1, расположенной выше широты 55°, объединенной с дополнительной зоной 2, расположенной ниже широт 55° и имеющей долготы, находящиеся в диапазоне значений, имеющих величину ниже первого порога.
.
Космическая система может содержать по меньшей мере один дополнительный спутник, в качестве дублирующего резерва для основного спутника 4, 5, размещенный на орбите соответствующего основного спутника, с небольшим сдвигом по аномалии между дополнительным спутником и соответствующим основным спутником
Космическая система может содержать по меньшей мере один дополнительный спутник, размещенный на эллиптической орбите вокруг Земли, отличающейся от двух орбит двух основных спутников, но имеющих одинаковые характеристики, причем различие между двумя спутниками системы таково, что различие в их прямых восхождениях восходящего узла и различие в их истинных аномалиях составляет 360°, разделенное на количество основных спутников орбитальной системы.
Конкретный пример заключается в создании группировки для метеорологического наблюдения, покрывающей северные страны Европы, но также и другую целевую страну, расположенную ближе к экватору, для того чтобы обеспечивать требуемое обслуживание по стоимости одной системы для большего количества инвестирующих стран.
Наилучшее решение требуется для:
- метеорологического применения с минимальным возвышением, составляющим 20°,
- постоянного покрытия всех европейских арктических стран,
- постоянного расширения для покрытия географических зон, сосредоточенных на Среднем Востоке,
- как можно большего расширения к Канаде, которая полностью покрыта, но возможно не постоянно, при возвышении выше 20° для центральных областей, и
- окончательного рассмотрения других ограничений: запуск возможен для спутников, подобных метеорологическим спутникам существующей геостационарной системы, имеющих размер пикселя, обоснованно близкий к обычной характеристике при геостационарной орбите, радиационная окружающая среда близкая к радиационной окружающей среде при геостационарной орбите.
Типичная исходная точка выбирается на основе экономических критериев: сначала предполагается, что спутниковая система имеет точки, общие с точками, используемыми для покрытия только зоны северных стран, а именно, минимальный комплект из двух спутников на двух орбитах, одним известным примером которых является 24 часовая орбита «Тундра», а также «обычные» геостационарные системы наблюдения.
Орбита с периодом в 24 часа принимается в качестве исходной точки. Для обеспечения покрытия самых северных зон наклонение увеличивают (и поэтому необходимы два спутника для непрерывного постоянного покрытия требующихся стран).
Для постоянного покрытия полюса необходимо переключаться на эллиптическую орбиту и обслуживать одно полушарие, в данном случае Северный полюс и, следовательно, занимать положение апогея, составляющее приблизительно 270°.
Орбитальную плоскость спутника определяют приблизительно так, чтобы она геометрически пересекала все целевые страны, и корректируют таким образом, чтобы во время прохода спутника подспутниковая точка располагалась в целевой стране или как можно ближе к целевой стране. Следует понимать, что подспутниковая точка является пересечением между поверхностью Земли и прямой линией, связывающей спутник с центром Земли.
В этом примере долгота восходящего узла определена равной 25°, как показано на фиг.6, на которой ясно видно, что во время перемещения спутника подспутниковая точка последовательно перемещается через западную часть Среднего Востока до стран на севере Европы по кривой 20.
В итоге, для сведения к минимуму дрейфов апогея с течением времени наклон поддерживается у критического значения, составляющего 63,5°, стандартного значения на высоких околоземных орбитах или «высокоэксцентричеких орбитах» (HEO).
Большая полуось может корректироваться приблизительно до 42000 км и эксцентриситет может корректироваться до 0,25 (24 часовой период) для того, чтобы отдавать предпочтение постепенному перемещению спутников в областях апогея над всей целевой зоной, и чтобы максимально покрывать эти зоны.
Корректировка сдвига перигеев/апогеев задается таким образом, чтобы апогеи располагались в областях барицентров целевых зон, что делает возможным улучшение покрытия Северной Европы при сохранении хорошего покрытия нужной страны.
Размещение двух спутников с аномалией, составляющей 180°, обеспечивается при подтверждении того, чтовеса/объемы типовых метеорологических спутников совместимы с запусками типовых ракетоносителей «Фалькон 9» для такого типа орбит.
В случае дублирования спутника могут быть выполнены два запуска.
Промежуточная переходная орбита определяется минимумом, позволяющим спутнику оставаться на орбите за счет собственных средств.
Здесь следует отметить, что тогда возможно использовать типовое приращение характеристической скорости для перехода на круговую орбиту, обеспечиваемое в спутниках геостационарного типа, для того чтобы заново без выполнений модификаций использовать существующую конструкцию (геостационарные метеорологические спутники) для образования возможных переходных орбит.
Другими словами, в этом варианте требуются ракетоносители, выводящие на переходную орбиту с такими характеристиками, чтобы посредством приращения характеристической скорости (дельта-V) (обычно составляющей 1500 м/с) обеспечивать достижение заранее определенной конечной орбиты либо посредством изменения высоты апогея и высоты перигея, либо посредством корректировки наклонения орбитальной плоскости, либо посредством комбинации этих двух действий.
Кривая 20 из фиг.6 в форме несимметрично деформированной фигуры 8 представляет собой проекцию траектории спутника на земную поверхность, иначе говоря, все подспутниковые точки во время прохождения одной орбиты. Орбиты двух основных спутников 4, 5 выбраны таким образом, чтобы они имели одинаковую проекцию 20 траектории спутника на земную поверхность для того, чтобы гарантировать постоянство и повторяемость покрытия.
Горизонтальные линии 21, 22, 23, 24, 25 и 26, 27, 28, 29, 30 соответственно представляют собой контурные кривые минимального возвышения, иными словами, кривые угла, под которым каждый из спутников 4, 5 виден с земли. Для предоставления продуктов необходимого качества, которые могут быть использованы конечными пользователями, такое возвышение всегда должно быть больше, чем номинальное значение, которое зависит от предоставляемой услуги и составляет обычно приблизительно 10° или более для телекоммуникаций, или 20° или более для метеорологического изображения (это значение оценивается, например, по меньшей мере в 27° для метеорологического обслуживания Европы).
На фиг.7 схематически показаны области, постоянно покрываемые по меньшей мере одним из спутников с минимальным возвышением, выбранным равным 27° в соответствии с одним аспектом изобретения.