СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ НЕПРЕРЫВНОГО ГЛОБАЛЬНОГО ОБЗОРА ОКОЛОЗЕМНОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
METHOD OF CONSTRUCTION OF A SATELLITE SYSTEM OF CONTINUOUS GLOBAL SURVEY OF THE NEAR-SPACE

Область техники
Изобретение относится к построению спутниковых систем (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 могут содержать спутники наблюдения на орбитах как одного, так нескольких разных высотных диапазонов, взаимодействующие друг с другом и с наземным сегментом системы мониторинга.
Уровень техники
В патенте RU 2568291 С1, 20.11.2015 [1] построена 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 (l - кратного, τ - периодичного) обзора областей (слоев) околоземного космического пространства при помощи бортовой аппаратуры с заданными полями обзора (θ), 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 (под ред. 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.
Способ построения многоярусной СС, где каждому ярусу соответствует своя область обслуживания, представлен в патенте RU 2535760 С1, 20.12.2014 [4].
Построение двухъярусной СС обзора околоземного космического пространства, близкой по структуре к предлагаемой в настоящем изобретении, описано в пат.US 8511614 В2, 20.08.2013 [5]. В этой СС спутники наблюдения размещают 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 обширную область 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 построение СС непрерывного глобального обзора указанного околоземного космического пространства с минимальными энергетическими затратами.
Решение поставленной задачи, с получением указанного технического результата достигается тем, что предлагаемый способ построения СС непрерывного глобального обзора заданного сферического слоя околоземного космического пространства с заданными кратностью и периодичностью, включает выведение спутников на орбиты по меньшей мере одного из ярусов, причем нижний ярус расположен под нижней границей указанного сферического слоя, а верхний ярус - над верхней границей указанного сферического слоя, ориентирование бортовой спутниковой аппаратуры наблюдения с одинаковыми полями и достаточной дальностью обзора в сторону обозреваемого сферического слоя так, чтобы спутники нижнего яруса обозревали верхнюю, а спутники верхнего яруса - нижнюю зоны контроля, на которые условно разделен промежуточной сферической поверхностью указанный сферический слой, при этом определяют параметры орбитального построения СС из условия минимума суммарной характеристической скорости, требуемой для выведения спутников в их рабочие точки на орбитах только верхнего, или только нижнего, или одновременно обоих - ярусов при заданных ограничениях на параметры орбит в каждом ярусе, а количество (один или два) и вид (верхний или нижний) ярусов выбирают по наименьшему из трех значений указанной минимальной суммарной характеристической скорости.
k
k
k
k
Предпочтительно, при построении СС орбиты спутников каждого k-ого яруса (k = 1,2) приняты круговыми, с одинаковыми высотой и наклонением, их плоскости разнесены равномерно по долготе восходящего узла, а параметрами орбитального построения системы служат: N - число спутников в ярусе, P - число плоскостей их орбит и F ∈ [0, Р - 1] - коэффициент расфазировки спутников в соседних плоскостях.
Предпочтительно, орбиты спутников верхнего яруса располагают на высоте не менее высоты геостационарной орбиты, а орбиты спутников нижнего яруса - на высоте 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
Фиг. 3 - зависимость энергетики ΣV построения СС от высоты верхнего яруса Н
1
2
L
при: l=1, H=10000 км, H=40000 км, β=35°, D=60000 км, H=500 км.
L
Фиг. 4 - зависимость энергетики ΣV построения СС от высоты нижнего яруса H
1
2
U
при: l=1, Н=10000, Н=40000 км, β=35°, D=60000 км, H=61000 км
Фиг. 5 - то же
1
2
U
при: l=1, H=10000, Н=40000 км, β=35°, D=60000 км, H=65000 км
Фиг. 6 - то же
1
2
U
при: l=1, H=10000, Н=40000 км, β=35°, D=60000 км, H=69000 км
Лучший вариант осуществления изобретения
1
2
1
2
0
Способ согласно изобретению включает построение СС, содержащей один или 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 (принятой здесь равной 60000 км), 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
хар
В этой СС обеспечены заданные кратность (здесь l=1) 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 орбитах верхнего и нижнего ярусов.
k
k
k
k
k
k
1
2
L
U
L
1
2
U
L
1
2
U
Орбитальное построение каждого k-ого яруса СС можно кратко характеризовать четверкой: W≡N/Р/F/i - так наз. параметров Уолкера (J. Walker) и наклонением i. Для полноты следует добавить: H, Н - высоты нижней и верхней границы обозреваемого сферического слоя, а также H, Н - высоты круговых орбит спутников нижнего и верхнего ярусов. Ясно, что H<H<H<Н. Это можно обозначить четверкой ≡H/H/Н/Н/.
1
2
U
L
1
2
Если СС имеет только один ярус, то можно условно положить: ≡0/H/Н/Н (только верхний ярус) или ≡H/H/H/0 (только нижний ярус).
1
2
k
Решение задачи оптимизации СС состоит в определении оптимального w=(w, w) при заданном Н (при одном ярусе одна из w - условно нулевая). Все множество оптимальных СС можно символически представить в виде графика {W,  }, где все параметры в скобках считаются оптимальными.
Проектно-баллистические исследования описанной выше СС обзора выявляют области {W, }, где наилучшими из оптимальных СС являются та или иная одноярусная СС или двухъярусная СС (см. фиг. 3-6). 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.
2
2
U
L
Характерной особенностью оптимальной двухъярусной СС является наличие всего двух спутников наблюдения в верхнем ярусе: w=2/1/0/i при больших высотах этого яруса: Н=40000…60000 км. При этом высота нижнего яруса может меняться в широком диапазоне, например: H=300…3000 км.
Оптимальные СС с одним нижним ярусом тяготеют к низким орбитам, а оптимальные СС с одним верхним ярусом - к высоким (≥ 60000 км).
1
1
Орбиты спутников нижнего яруса располагают на высоте не менее 300 км, где аэродинамическое торможение достаточно слабо. 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 спутниковых систем.