СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ГРУППИРОВКИ ИСКУССТВЕННЫХ СПУТНИКОВ ЗЕМЛИ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ УГРОЗ В ОКОЛОЗЕМНОМ КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ В РЕЖИМЕ, БЛИЗКОМ К РЕАЛЬНОМУ ВРЕМЕНИ
METHOD OF FORMATION OF A GROUP OF ARTIFICIAL EARTH SATELLITES FOR MONITORING POTENTIALLY DANGEROUS THREATS IN NEAR-EARTH SPACE IN A MODE CLOSE TO REAL TIME

Область техники
Изобретение относится к области мониторинга в околоземном космическом пространстве космических природных и техногенных явлений и объектов в режиме, близком к реальному времени, с целью оперативного выявления потенциально опасных угроз, в том числе, радиационной обстановки, а также электромагнитных транзиентов - космических и атмосферных гамма-всплесков, вспышек оптического и ультрафиолетового излучения из атмосферы Земли.
Предшествующий уровень техники
Естественная и «техногенная» космическая среда создает серьезные риски для осуществления космических миссий как роботизированных, так и с участием человека. Риск определяется спецификой планируемых миссий - их продолжительностью, локализацией в космическом пространстве и параметрами орбит. Специфика природных условий в космическом пространстве, в т.ч. многообразие физических параметров радиационных полей создают, как правило, реальные трудности для моделирования обстановки и расчетов рисков. Мониторинг в реальном времени космических природных и техногенных объектов и явлений - потенциальных угроз, является оптимальным и эффективным способом снижения рисков.
В рамках настоящего изобретения к радиационной обстановке отнесены следующие потенциально опасные факторы в околоземном космическом пространстве: ионизирующая радиация; электромагнитные транзиенты; антропогенные источники ионизирующей радиации в околоземном пространстве.
При этом ионизирующая радиация в виде потоков заряженных частиц (протонов и электронов) высоких энергий радиационных поясов Земли, а также энергичных частиц солнечных космических лучей, является одним из основных поражающих факторов, влияющих на работоспособность космических приборов и безопасность пилотируемых полетов, являются. Эти потоки испытывают очень значительные вариации на шкале времени от миллисекунд до десятков лет, которые не могут быть описаны существующими квазистатическими моделями радиационных поясов Земли (см., например, Mullen E.G., Gussenhoven M.S., Ray K., Violet M.A. A double-peaked inner radiation belt: cause and effect as seen on CRRES // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1991. V. 38. P. 1713-1718; Мягкова И.Н., Богомолов А.В., Шугай Ю.С. Динамика потоков релятивистских электронов в околоземном космическом пространстве в 2001-2005 гг. // Вестник Московского университета. Серия 3: Физика, астрономия. 2010. №3. С. 77-80).
С другой стороны, существующие спутниковые измерения проводятся только для ограниченного числа орбит и диапазона питч-углов (угол между вектором скорости частицы и магнитной силовой линией) и не могут дать глобальную картину пространственно-временных вариаций радиации в околоземном космическом пространстве (ОКП). Поэтому возникает необходимость радиационного мониторинга и оперативного прогноза радиационного окружения Земли с целью оперативной оценки радиационных условий в ОКП для оценки радиационных рисков выполнения космических миссий и выработки алертных сигналов для принятия решений по управлению ими; верификации современных расчетных моделей полей радиации околоземного космического пространства.
Еще одним потенциально опасным явлением являются электромагнитные транзиенты в верхней атмосфере, которые наблюдаются в разных диапазонах длин волн - от радио- до гамма-диапазона. Среди этих явлений, достаточно достоверно экспериментально идентифицированы - TLE (Transient Luminous Events - световые вспышки преимущественно в ближнем ультрафиолетовом и красном диапазонах) и TGF (Terrestrial Gamma Flashes - гамма-всплески земного происхождения). Эти явления могут быть связаны с высотными электрическими разрядами, возникающими при воздействии на мезосферу лавин убегающих электронов, высыпающимися из радиационных поясов энергичными электронами и электромагнитными волнами, происходящими на высотах в десятки км в верхней атмосфере, и имеют глобальный характер [Surkov V.V., Hayakawa М. Underlying mechanisms of transient luminous events: a review // Ann. Geophys. 2012. V. 30. No. 8. P. 1185-1212]. Выделяемая в них энергия достаточно велика, чтобы оказать существенное воздействие на радио-коммуникации, модифицировать физические параметры мезосферы, а также оказать непосредственное влияние на бортовые системы стратосферных суборбитальных летательных аппаратов (см., например, [Garipov G., Grigoriev A., Khrenov В., Klimov P., Panasyuk M. High energy transient luminous atmospheric phenomena: the potential danger for suborbital flights // In "Extreme Events in Geospace", Ed. Buzulukova. Elsevier. 2017]).
Потенциальную опасность могут также представлять космические гамма-всплески астрофизического происхождения (см., например, [Bhat P.N., Meegan С.A., von Kienlin А. et al. The 3rd Fermi GBM gamma-ray burst catalog: the first six years // The Astrophysical Journal Supplement Series. V. 223. No. 2. P. 28]). Несмотря на большую удаленность источников, они представляют собой самые мощные процессы во вселенной типа взрыва гиперновой, слияния нейтронных звезд, коллапса магнитного поля магнетара. Эффект воздействия достаточно редких, но очень интенсивных космических гамма-всплесков на атмосферу Земли еще не вполне изучен, но в плане ионосферных возмущений он может быть сопоставим с вспышками на Солнце.
Антропогенные источники ионизирующей радиации в околоземном пространстве - радионуклидные источники энергии, ядерные двигательные установки космических аппаратов, представляют собой потенциальную угрозу для других космических аппаратов, находящихся вблизи первых. Обнаружение и определение физических характеристик «ядерно-активных» космических аппаратов - важный элемент снижения радиационных рисков [Аникеева М.А., Боярчук К.А., Улин С.Е. Обнаружение радиоактивного космического мусора с борта космического аппарата // Вопросы электромеханики. 2012. Т. 126. №1. С. 13-18].
Среди основных решаемых технических задач наиболее освоенной являются спутниковые измерения полей ионизирующей радиации. Главный интерес представляют потоки энергичных частиц: электронов с энергиями свыше сотен кэВ и протонов и ядер с энергиями свыше единиц МэВ, способных проникать внутрь космических аппаратов (КА) и влиять на работу их радиоэлектронного оборудования и экипажей. Такие измерения начали осуществляться с начала космической эры, и в настоящее время на околоземных орбитах функционирует ряд КА, имеющих на борту детекторы энергичных заряженных частиц. Однако задача оперативного мониторинга пространственного распределения ионизирующей радиации в значительной области околоземного пространства до настоящего времени не решена. Большинство спутниковых измерений потоков энергичных частиц проводятся в ограниченном диапазоне пространства и питч-углов, и/или не предусматривают оперативную передачу и требуемое качество наземной обработки данных.
Мониторинг потоков ионизирующих излучений в космическом пространстве является одной из важнейших технических задач прикладной космонавтики. Помимо того, что эта задача чрезвычайно актуальна с точки зрения изучения физических закономерностей формирования и пространственно-временных вариаций таких потоков, такой мониторинг в высшей степени необходим с точки зрения возникновения ситуаций радиационной опасности с точки зрения безотказного функционирования космических аппаратов. По имеющимся экспертным оценкам, более половины отказов и сбоев в работе бортовых систем КА обусловлено неблагоприятным воздействием на материалы и элементы оборудования КА окружающей космической среды, основную роль среди которых играют радиационные воздействия. Основное внимание уделяется потокам энергичных заряженных частиц в околоземном пространстве, способных проникать внутрь корпуса КА и оказывать влияние на их радиоэлектронную аппаратуру. Главным образом это потоки энергичных электронов и протонов радиационных поясов Земли; а также кратковременные интенсивные потоки энергичных частиц от мощных солнечных вспышек. Считается, что целесообразно осуществлять мониторинг потоков заряженных частиц в следующих диапазонах энергий: протонов в диапазоне энергий от 1 до >160 МэВ и электронов в диапазоне энергий 0,15-10 МэВ.
Известно, что реальные потоки заряженных частиц в окрестности Земли даже в геомагнитно-спокойных условиях испытывают очень значительные средне- и долгосрочные вариации, связанные солнечной и геомагнитной активностью, изменением магнитного поля Земли и плотности верхней атмосферы. А после мощных геомагнитных возмущений возможно даже возникновение новых временных поясов энергичных электронов и протонов, которые затем могут существовать до нескольких недель или месяцев.
Кроме того, в область орбиты Земли могут приходить значительные потоки энергичных частиц, инжектированных во время мощных солнечных вспышек. Во время таких событий потоки протонов с энергиями в десятки и сотни МэВ, способные проникать за защиту КА, в течение времени до нескольких суток могут превышать фоновые значения потоков протонов галактических космических лучей на 3-4 порядка и более. Такие события имеют непредсказуемый характер.
По этой причине необходимы экспериментальные измерения, которые могут дать информацию о радиационной обстановке на орбитах эксплуатируемых ИСЗ в текущий момент времени.
Измерения потоков энергичных заряженных частиц осуществляются рядом космических аппаратов (КА). Но практически все эти КА осуществляют измерения потоков энергичных заряженных частиц только в ограниченной области пространства и диапазоне питч-углов (угол между векторами скорости частицы и индукции магнитного поля В).
В частности, известна система геофизических наблюдений американского агентства NOAA, действующая с 1970-х гг., в которой используются ИСЗ серий POES на низких полярных орбитах и GOES на геостационарной орбите (одновременно ≥2 ИСЗ на каждой орбите). Также, в 2012 г. на высокоэллиптическую околоэкваториальную орбиту выведены два КА NASA «VanAllenProbes», предназначенные для изучения структуры и характеристик радиационных поясов. Российская аппаратура для измерений потоков энергичных заряженных частиц функционирует на российских метеоспутниках серий «Метеор-М» (низкоорбитальные) и «Электро-Л» (геостационарные). Также имеется еще ряд искусственных спутников земли (ИСЗ), в том числе малых космических аппаратов, осуществляющих такие измерения.
Таким образом, современное состояние как экспериментальных исследований потоков частиц радиационных поясов Земли (РПЗ), так и используемых в настоящее время эмпирических моделей, необходимых для снижения радиационного риска космических миссий, показывает их принципиальную ограниченность в плане применения к задаче оперативного, близкого к реальному времени, снижения радиационного риска и своевременного предупреждения о значительных временных вариаций потоков частиц.
Другой аспект данной проблемы заключается в том, что экспериментальные исследования РПЗ на одном КА позволяют оценить радиационную обстановку непосредственно в районе его локализации в текущий момент времени, но не во всей области околоземного пространства, заполненного РПЗ.
0
0
В квазидипольном магнитном поле захваченные частицы двигаются по спиральным траекториям вдоль магнитных силовых линий между «точками отражения» с одинаковым значением индукции магнитного поля В в Северном и Южном магнитном полушариях, и дрейфуют перпендикулярно плоскости магнитного меридиана, формируя т.н. магнитные дрейфовые оболочки, описываемые параметром Мак-Илвайна L (приближенно равном расстоянию от центра диполя до магнитной силовой линии в плоскости магнитного экватора) (Фиг. 1). Зависимость F(B) потоков частиц на заданной L-оболочке от величины индукции магнитного поля В называется «высотным ходом» потоков. Высотный ход также связан с питч-угловым распределением F(α) потоков частиц на магнитном экваторе теоремой Лиувилля.
Для построения 3-мерной картины текущего распределения потоков протонов и электронов в значительной области радиационных поясов Земли необходимы измерения, охватывающие больший диапазон L-оболочек (желательно вплоть до L=5-7, т.е. до орбит GPS/ГЛОНАСС или геостационарной), и для каждой L-оболочки - позволяющие реконструировать высотный ход потоков частиц в данный момент времени.
Известен способ проведения таких измерений - «сканирование» питч-углов узконаправленным детектором за счет вращения КА. При этом для охвата всего диапазона значений питч-углов, включая малые углы, требуется, чтобы ось вращения КА была направлена перпендикулярно вектору индукции магнитного поля.
Теоретически, имея точные данные о питч-угловом распределении можно точно рассчитать потоки на всем протяжении L-оболочки в области больших значений магнитного поля В, т.е. меньших высот, или больших значений геомагнитной широты. Наилучшими будут измерения вблизи магнитного экватора, т.к. они позволят реконструировать высотный ход практически полностью. Если такие измерения недоступны, допустимы измерения на «средних» широтах. В этом случае для меньших значений В можно использовать экстраполяцию высотного хода по степенному закону.
Измерения питч-углового распределения потоков на около экваториальных высокоэллиптических орбитах были реализованы на ИСЗ NASA Explorer-45 и RBSP/VanAllenProbes. Два ИСЗ «Van Allen Probes», выведены в 2012 г. на орбиту с высотами перигея и апогея ≈700 и 30000 км и наклонением ≈10° и предназначены для изучения РПЗ. На этих ИСЗ установлены несколько детекторов, измеряющих потоки электронов с энергиями от 20 кэВ до >50 МэВ и протонов с энергиями от 20 кэВ до >200 МэВ, а также детекторы плазмы, магнитного и электрического полей и волн. Измерения питч-углового распределения потоков частиц обеспечиваются вращением этих спутников с периодом ≈11 с вокруг оси, направленной на Солнце, т.е. практически перпендикулярной вектору индукции магнитного поля. Разрешение по питч-углам в измерениях потоков частиц РПЗ на этих спутниках составляет 11-16°. Угол апертуры телескопов спектрометров энергичных частиц равен ≈20°.
Однако у такого способа мониторинга радиационной обстановки есть ряд недостатков:
- Большая стоимость вывода ИСЗ на высокоапогейную орбиту. Возможен запуск такого ИСЗ в качестве попутной нагрузки при выведении основной нагрузки на геопереходную орбиту, но для высокоширотных космодромов потребуется коррекция плоскости орбиты.
- Большой период обращения. Для КА «VanAllenprobes» период орбиты равен 9 часам. Учитывая наличие 2 КА на одинаковой орбите в противоположных фазах, период «сканирования» радиационных поясов равен ≈4.5 часам.
При этом главным недостатком является необходимость чрезвычайно точных питч-угловых измерений, в частности, для того чтобы точно рассчитывать потоки частиц внешнего пояса на низких высотах (и в то же время достаточная статистика регистрации частиц).
Анализ проявлений транзиентных атмосферных явлений показывает актуальность разработки методов их космического мониторинга, наблюдающихся в верхней атмосфере Земли, которые могут представлять потенциальную угрозу для суборбитальных полетов летательных аппаратов. Для получения полной картины развития грозовых явлений (предварительные пробои в облаках, компактные внутриоблачные разряды, распространение лидера, обратный удар, отклик верхней атмосферы: эльфы, спрайты, джеты) необходимо проведение измерений в широком поле зрения с высоким временным разрешением и в мониторинговом режиме, т.е. непрерывно.
Важно отметить, что для всестороннего исследования и мониторинга энергичных атмосферных процессов, он должен проводиться комплексом аппаратуры, регистрирующей электромагнитное излучение в разных диапазонах длин волн: УФ, видимом, ИК, рентгеновском и гамма.
Всплески гамма излучения из атмосферы Земли и сопровождающие их потоки релятивистских электронов в околоземном пространстве могут представлять потенциальную опасность, как природный фактор поражающего действия на технические (главным образом электронные) системы и человека на высотах выше облачного покрова, т.е. в несколько км. Гамма всплески астрофизического происхождения как космологические, так и связанные с процессами в нейтронных звездах, очень разнообразны по своим феноменологическим характеристикам. Их природа до конца не понята и требует дальнейшего изучения. Некоторые астрофизические гамма всплески могут иметь очень высокую интенсивность и оказывать значимое воздействие на состояние верхней атмосферы и ионосферы Земли. В этом плане они могут рассматриваться, как потенциально опасные явления и поэтому необходимы мониторные наблюдения этих явлений.
Таким образом, из вышеизложенного можно сделать вывод о том, что основными природными и техногенными факторами риска, ограничивающими или представляющими опасность для осуществления космических автоматических и пилотируемых космических миссий в околоземном пространстве, является космическая радиация. В верхних слоях атмосферы для суборбитальных полетов летальных аппаратов факторами риска являются такие природные транзиентные электромагнитные явления, связанные со значительным высвобождением энергии.
Определение текущих радиационных нагрузок в реальном времени представляется не только целесообразным, но и необходимым, т.к. в условиях быстропеременных потоков ионизирующей радиации в околоземном космическом пространстве, своевременная выработка алертных сигналов радиационной опасности для конкретных КА может позволить снизить радиационный риск путем, например, перевода бортовых систем КА в «спящий режим». Для большинства типов временных вариаций потоков частиц радиационных поясов Земли времена от минут до часов - являются характерными для периодов усиленной магнитной активности (магнитных бурь). Примерно такие времена характерны для быстрых фронтов потоков солнечных энергичных частиц, достигающих окрестностей Земли. Именно в этом диапазоне и должно находиться оптимальное время выработки алертных сигналов для предотвращения или снижения нежелательных эффектов от нештатных ситуаций на КА.
Реализация системы крупномасштабной системы мониторинга на нескольких КА электромагнитных транзиентов в верхней атмосфере позволит выявить локальные области наиболее интенсивной их генерации на шкале времени более короткой, чем это позволяет их мониторинг на отдельном КА и, тем самым, повысить достоверность их прогноза при планировании суборбитальных полетов.
Приборы, предназначенные для регистрации электромагнитных транзиентов в гамма-диапазоне могут одновременно быть использованы и для мониторинга радиоактивного «космического мусора» - остатков КА с ядерными установками или радиоактивными источниками на их борту. Поэтому эта задача также де-факто присутствует в программе мониторинга потенциально опасных объектов.
Известны несколько технических решений по созданию систем мониторинга от космических угроз.
Близкое техническое решение по составу и назначению системы многоспутникового мониторинга описано в патенте RU 2576643 «Спутниковая система со сверхвысокой солнечно-синхронной орбитой». В патенте на изобретение RU 2535375 «Способ наблюдения поверхности планеты из космоса и космическая спутниковая система для осуществления этого способа», предложен способ построения группировок космических аппаратов для мониторинга поверхности Земли. Орбиты аппаратов предполагается выбирать круговыми с различными высотами для аппаратов с различным наклонением. При описанном построении обеспечивается сохранение структуры спутниковой системы. Известен описанный в патенте на изобретение RU 2576643 способ создания спутниковой группировки для целей мониторинга на сверхвысокой солнечно-синхронной орбите. Отличие данной системы в том, что обеспечивается возможность охлаждать телескопы, требующие криогенных температур, с меньшими затратами. Близок к описываемой спутниковой системе решение по патенту RU 2360848 «Многоцелевая спутниковая система». Данное изобретение описывает космические аппараты, выведенные на орбиты на различных высотах и выполняющие различные задачи, включая метеорологические и радиолокационные наблюдения. Система аппаратов включает высокоэллиптические и низковысотные спутники. Особенностью системы является повышение надежности и лучшее обслуживание в арктических и субарктических регионах.
Также известны технические решения по патентам US 9647749 «Satellite constellation», US 6868316 «Satellite constellation system» и US 6009306 «Hub communications satellite and system», которые содержат описание группировок космических аппаратов. В цели таких группировок входит мониторинг атмосферы Земли из космоса, однако основная задача таких систем - телекоммуникация и вещание данных.
В патенте US8511614 «Satellite system providing optimal space situational awareness» описан способ мониторинга объектов в околоземном пространстве на фоне поверхности Земли, на фоне солнечных бликов от поверхности Земли и на фоне звездного неба с применением группировки специализированных спутников. В частности, предлагается размещать хотя бы один такой спутник на орбите высотой ~400 км, а второй - на орбите высотой ~1400-1600 км, а мониторинг осуществлять с помощью детектора электромагнитного излучения на длине волны 200-300 нм. Дополнительно могут использоваться детекторы излучения в инфракрасном (ИК) и ультрафиолетовом (УФ) спектральных диапазонах.
Известна международная аэрокосмическая система глобального мониторинга (МАКСМ) по патенту RU 2465729. Система описана как решающая проблему мониторинга глобальных геофизических явлений и прогнозирования природных и техногенных катастроф. Система построена на базе малых и микроспутников и включает в себя также авиационный и наземный уровни.
Известна заявка на получение патента US 2014/0027576, в которой путем размещения нескольких космических аппаратов на одной орбите можно уменьшить временный сдвиг экваториального пересечения, как описано в фоновом режиме, на произвольный уровень. Например, с 90 космическими аппаратами на 90-минутных орбитах Земля будет поворачиваться на восток на 1 минуту между спутниковыми переходами. Если поле зрения приборов на борту космического корабля равно по ширине расстоянию, на которое Земля поворачивается за это время (27,8 км на экваторе, в случае 1-минутного разделения), то приборы в совокупности будут иметь возможность изображения всей Земли, с увеличением перекрытия к полюсам из-за сферической природы Земли. В случае системы формирования изображения Земли оптический прибор мог либо брать отдельные кадры изображения с соответствующим интервалом, либо непрерывным видео. В результате получается полная запись полосы широты всей созвездием в одном данном случае или регистрации синусоидальной наземной дорожки одним космическим аппаратом, который возвращается на одну и ту же широту каждые 90 минут, и в то же местоположение на Земле каждый день.
Следует отметить, что в настоящее время наиболее активно развивается подход к формированию мультиспутниковых группировок, аппаратно основанных на стандартном конструктиве CubeSat. По данным NORAD на начало 2017 года зарегистрировано более 250 орбитальных объектов с характеристиками, соответствующими этому конструктиву. При этом абсолютное большинство этих спутников находятся на круговых орбитах с малой степенью эллиптичности и являются узкоспециализированными [Power Budgets for CubeSat Radios to Support Ground Communications and Inter-Satellite Links / O. Popescu // IEEE Access, 2017, DOI 10.1109/ACCESS.2017.2721948]. Использование конструктива CubeSat способствует развитию многоспутниковых миссий. Однако существенным недостатком этого стандарта является ограниченные возможности, прежде всего, энергетические по установке и применению на них коммуникационного оборудования, необходимого как для передачи собранных установленными на них научными приборами данных измерений, так и сопутствующей служебной информации, в том числе и обмен сигналами синхронизации и т.п. Именно по этой причине вариантов построения мультиспутниковой группировки всего три: линейная группа спутников, кластер спутников и группа спутников типа «созвездие» [Survey of Inter-satellite Communication for Small Satellite Systems: Physical Layer to Network Layer View / R. Radhakrishnan, W. W. Edmonson, F. Afghah, R. M. Rodriguez-Osorio, F. Pinto, and S. C. Burleigh// IEEE Communications Surveys & Tutorials - 2016- vol. 18, no 4 - p. 2442- 2473].
Наиболее близким к заявляемому является способ мониторинга потенциально опасных явлений на околоземной орбите с использованием нескольких малых космических аппаратов (КА), описанный в статье Панасюк М.И., Подзолко М.В., Ковтюх А.С. и др. «Оперативный радиационный мониторинг в околоземном космическом пространстве на базе многоярусной группировки малых космических аппаратов», Космические Исследования, 2015, т. 53, №6, стр. 461-468 (прототип), в которой представлен вариант системы глобального радиационного мониторинга в околоземном космическом пространстве на базе многоярусной группировки малых космических аппаратов. Рассматриваемая группировка спутников с идентичной радиационной аппаратурой обеспечит оперативную информацию о потоках электронов и протонов радиационных поясов Земли и солнечных космических лучей, что позволит воспроизвести трехмерные картины распределения потоков частиц в реальном времени. Согласно этому способу мониторинг радиационной обстановки осуществляется с использованием спутниковой группировки, который включает 3 аппарата с одинаковым приборным оснащением, располагаемых на круговых орбитах с высотами 650, 1700 и 8000 км и наклонениями 80°, 77° и 60°, соответственно, либо один КА, располагаемый на высокой эллиптической орбите, имеющей высоты перигея и апогея 700 и 8000 км, аргумент перигея 310°, наклонение 63.435°.
Принципиальный недостаток способа мониторинга потенциально опасных явлений на околоземной орбите по этому способу заключается в том, что в варианте с использованием только одного КА на высокой эллиптической орбите не обеспечит высокую степень обновляемости результатов мониторинга радиационной обстановки по причине большей длительности периода его обращения по сравнению с низкоорбитальными спутниками, что важно, поскольку большая часть КА, включая пилотируемые миссии, осуществляется на высотах не выше 500 км. А в варианте с тремя спутниками с высокой круговой орбитой третьего КА, помимо этого, скорость пересечения им L-оболочек с высоким значением L будет до трех раза выше, чем для спутника на высокой эллиптической орбите с апогеем на тех же высотах, что значительно снижает точность мониторинга радиационной обстановки. Данные способы не позволяют производить оценку радиационного мониторинга с целью оперативного выявления космических угроз в режиме реального времени во всей области околоземного пространства, заполненного РПЗ.
Раскрытие изобретения
Технической проблемой, решаемой посредством заявляемого изобретения, является создание способа, лишенного недостатков, присущих перечисленным выше аналогам.
Техническим результатом является создание орбитальной группировки ИСЗ и/или КА, оснащенных комплексом научной аппаратуры, обеспечивающей возможность оперативного (в режиме, близком к «реальному времени») мониторинга ионизирующей радиации (потоков энергичных заряженных частиц) в значительной области околоземного пространства, выявления электромагнитных транзиентных явлений, с выявлением различных космических угроз, в том числе, определение уровней радиационных нагрузок, создаваемых ионизирующей радиацией - частицами радиационных поясов Земли и солнечных энергичных частицами, вторгающимися внутрь магнитосферы не только в районе орбит самих ИСЗ или КА, но и во всей области захваченной радиации, вплоть до геостационарных орбит КА.
Заявляемый способ позволяет оперативно в режиме, близком к реальному времени, определять радиационный риск и своевременно предупреждать о значительных временных вариациях потоков частиц, оценивать радиационную обстановку во всей области околоземного пространства, заполненного РПЗ, т.е. проводить измерения всенаправленных потоков частиц в разных точках L-оболочки на разных высотах с заданной дискретностью по времени. Заявленный способ мониторинга радиационной обстановки также предусматривает измерение в каждой точке величины и направления магнитного поля Земли В.
Для реализации изобретения могут быть использованы малые спутники, для уменьшения стоимости самих ИСЗ и их вывода на орбиты. При этом может быть использована космическая группировка, т.е. совместное использование измерений нескольких ИСЗ, одновременно находящихся на орбитах, и наземных измерений и обработки данных; для мониторинга радиации - наземная обработка данных и построение картины текущего пространственного распределения потоков энергичных частиц в значительной области околоземного пространства.
Указанный технический результат достигается за счет формирования определенной орбитальной группировки космических аппаратов, наиболее обеспечивающей непрерывный мониторинг потенциально опасных угроз в различных точках околоземного пространства (радиационной обстановки, а также электромагнитных транзиентов - космических и атмосферных гамма-всплесков, вспышек оптического и ультрафиолетового излучения из атмосферы Земли) с непрерывным документированием результатов измерений и, по возможности, с минимальными интервалами их передачи на наземные средства приема данных со спутников.
Согласно изобретению способ формирования группировки искусственных спутников земли (ИСЗ) для мониторинга потенциально опасных угроз в околоземном космическом пространстве, оснащенных спектрометрической аппаратурой, включает размещение, по меньшей мере, трех ИСЗ на разных орбитах, пересекающих L-оболочки радиационных поясов Земли в разных точках на разных высотах, при этом используют, по меньшей мере, две круговые орбиты - низкую солнечно-синхронную орбиту высотой 500-650 км и наклонением 97-98°, и орбиту, близкую к круговой с высотой 1400-1500 км и наклонением ~80°; и по меньшей мере, одну эллиптическую орбиту с апогеем 8000 км, перигеем 600-700 км и наклонением ~63.4°; при этом орбиты подобраны таким образом, чтобы уход аргумента перигея орбиты был менее 3-4 град./год.
При размещении более, чем одного ИСЗ на одной орбите, формируют орбитальное построение с по возможности равномерным распределением ИСЗ по орбите.
В качестве спектрометрической аппаратуры для мониторинга радиационной обстановки используют спектрометры частиц и излучений, включая спектрометр энергичных протонов и электронов, содержащий несколько полупроводниковых телескопов с разной пространственной ориентацией их осей: оси всех телескопов, кроме одного, в режиме измерений ориентируют в плоскости магнитного меридиана, а одного телескопа - перпендикулярно этой плоскости.
Спектрометрическую аппаратуру для мониторинга радиационной обстановки устанавливают на все ИСЗ спутниковой группировки, при этом на ИСЗ, установленные на круговые орбиты дополнительно размещают аппаратуру для мониторинга электромагнитных транзиентов - космических и атмосферных гамма-всплесков и вспышек оптического и ультрафиолетового излучения из атмосферы Земли.
Спектрометрическая аппаратура для мониторинга радиационной обстановки включает спектрометр протонов в диапазоне энергий от 1 до >160 МэВ и электронов в диапазоне энергий от 0,15 до 10 МэВ.
Спектрометрическая аппаратура для мониторинга радиационной обстановки включает 3-компонентный магнитометр, с возможностью измерения вариации магнитного поля на частотах до 100 Гц.
В качестве спектрометрической аппаратуры для мониторинга электромагнитных транзиентов используют три широконаправленных сцинтилляционных фосвич-детектора гамма-излучения в диапазоне 10-3000 кэВ, оси которых расположены во взаимно перпендикулярных направлениях, и трековый гамма-спектрометр с диапазоном регистрируемых энергий не хуже 50-5000 кэВ, угловым разрешением не менее ~6°, полем зрения не менее ±25° градусов. Главная ось блока детекторов и трекового гамма-спектрометра ориентирована в надир.
В качестве спектрометрической аппаратуры для мониторинга электромагнитных транзиентов используют пространственно-чувствительный спектрометр с детекторами УФ и ИК излучения, направленный в надир.
Технический результат также достигается в способе мониторинга потенциально опасных угроз в околоземном космическом пространстве, включающем формирование группировки искусственных спутников земли (ИСЗ) по п. 1, с обеспечением скважности передачи информации на Землю предпочтительно не менее 0,5-4 часов в зависимости от орбиты, передачу и обработку измеренных данных в наземном центре обработки. Спектрометрическую аппаратуру, размещенную на различных ИСЗ синхронизируют с привязкой к единому мировому времени с точностью не менее 3-5 мкс.
Краткое описание чертежей
Группа изобретений поясняется чертежами.
На Фиг. 1 представлен схематический вид L-оболочек L=2, 3 и 4 в плоскости магнитного меридиана и движения захваченных частиц.
На Фиг. 2 показаны зависимости величины индукции магнитного поля Земли В при пересечении магнитных оболочек L=4 (сплошные линии) и L=6 (пунктирные) круговыми орбитами с высотой 8000 км и наклонениями 60° (тонкие линии) и 45° (жирные линии) на разных долготах в северном (верхний график) и южном (нижний график) полушариях.
На Фиг. 3 показана проекция эллиптической орбиты с высотами перигея и апогея ≈600-700 и 8000 км, наклонением 63.4° и аргументом перигея ≈310° на плоскость магнитного меридиана. Показаны L-оболочки L=1.6, 2, 3, 4, 5, 6, 7.
п
a
На Фиг. 4 показаны максимальные (гладкие кривые) и средние (пунктирные) значения шага по L при шаге по времени 5 секунд для орбит, сверху вниз: 1) круговой орбиты h=650 км, i=80°; 2) круговой h=1700 км, i=77°; 3) эллиптической h=700 км, h=8000 км, i=63.4°, ω=310° (на низких высотах В>0.1 Гс).
На фиг. 5 представлено схематичное изображение взаимного расположения орбит группировки малых спутников
На Фиг. 6 показаны варианты ориентации телескопов:
на Фиг 6а оси 3 телескопов ориентированы по осям прямоугольной декартовой системы координат, ось 4-го - вдоль главной диагонали куба, построенного на осях первых трех. Угол апертуры телескопов равен 60°.
на Фиг. 6б ось основного телескопа перпендикулярна плоскости магнитного меридиана; оси нескольких дополнительных детекторов лежат в плоскости магнитного меридиана. Угол апертуры телескопов равен 35-45°.
Подробное описание изобретения
Осознание важности проблемы мониторинга опасных факторов в околоземном космическом пространстве («космических угроз») и необходимости системного решения по созданию системы предупреждения об их потенциальной опасности для космических аппаратов (КА) явилось исходной предпосылкой для выбора и обоснования технического решения, представленного настоящим изобретением.
Предлагаемый способ мониторинга в околоземном космическом пространстве позволяет построить космическую систему мониторинга и предотвращения космических угроз как для осуществляемых, так и для планируемых космических миссий, включая высотные атмосферные летательные аппараты.
Основная задача, решаемая настоящим изобретением, осуществлять оперативный (в режиме, близком к «реальному времени») мониторинг потоков заряженных частиц в околоземном пространстве на сравнительно низких высотах с точностью и в объеме, достаточном, чтобы позволить проведение затем по известным эмпирическим моделям реконструкции 3-мерной картины текущего распределения потоков энергичных протонов и электронов в значительной области радиационных поясов Земли и на ее основе - текущие радиационные условия для большого диапазона орбит ИСЗ.
Для охвата большого диапазона L-оболочек также можно использовать эллиптическую орбиту со значительно меньшей высотой апогея, например, ≈8000 км, но более высоким наклонением. Такая орбита имеет меньший период и требует меньших энергетических затрат для выведения ИСЗ. Мониторинг радиационной обстановки, осуществляемый измерениями в этом случае, позволит получать данные измерений, на основе которых возможно проводить пересчет потоков на  высоты для внешнего радиационного пояса экстраполяцией высотного хода по степенному закону.
Способ позволяет проводить измерения всенаправленных потоков частиц в разных точках L-оболочки на разных высотах с заданной дискретностью по времени. Заявленный способ мониторинга радиационной обстановки включает также измерение в каждой точке величины и направления магнитного поля Земли В, для чего применяют 3-компонентный магнитометр.
Получаемые в результате такого мониторинга результаты измерений затем передаются по стандартным каналам связи на наземные принимающие станции и затем на программно-аппаратные средства для последующего расчета высотного хода потоков для всей L-оболочки путем интерполяции и экстраполяции данных измерений с использованием любых известных теоретических и эмпирических закономерностей.
Задача оперативного мониторинга радиационной обстановки предусматривает использование ограниченного числа ИСЗ и высокое, насколько это достижимо,  разрешение проводимых измерений. При этих условиях проводимый мониторинг радиационной обстановки на основе измерений в достаточно ограниченном числе точек вдоль траекторий ИСЗ спутниковой группировки позволяет оптимальным образом решить поставленную техническую задачу повышения полноты результатов при их обновляемости в режиме, близком к режиму реального времени в масштабе характерных скоростей ее изменений.
Получаемые в результате мониторинга радиационной обстановки результаты измерений потоков энергичных частиц могут затем использоваться для реконструкции 3-мерной картины пространственного распределения потоков частиц во всем диапазоне высот вплоть до высот устойчивого захвата заряженных частиц магнитным полем Земли, используя известные и перспективные модели аппроксимации высотного хода потоков частиц радиационных поясов.
min
0
Согласно способу по настоящему изобретению, высоты орбит космических аппаратов сформированы таким образом, что они пересекают L-оболочки в трех областях, где наблюдается разный характер высотного хода потоков: в области резкого «завала» высотного хода на низких высотах h(L, В)<1000 км; некоторой переходной области «колена»; области медленного, близкого к степенному изменения потоков частиц на  высотах вплоть до минимального значения B на геомагнитном экваторе. При этом пересечению орбиты и L-оболочки соответствует не единственное значение магнитной индукции В, а разные значения в некотором интервале на разных витках, из-за асимметрии магнитного поля относительно центра Земли. Указанное условие реализуется при использовании для мониторинга радиационной обстановки по меньшей мере трех ИСЗ на орбитах с высотами ~500-650 км, ~1400-1700 км и >7000-8000 км.
Целесообразность ограничения сверху высоты орбит h≤8000 км обусловлена, в том числе, работоспособностью системы пространственной ориентации ИСЗ и разумным пределом с точки зрения сложности и стоимости запуска, периода орбиты и др. Ограничение снизу h≥500 км выбрано, чтобы заведомо исключить влияние атмосферы на движение ИСЗ.
Анализировались различные значения наклонения орбит. При меньшем наклонении временное разрешение измерений выше, но, в зависимости от витка, меньше охватываемый диапазон L-оболочек. Критерий подбора наклонения в данном случае был взят таким: КА должен при каждом пересечении внешнего пояса электронов проходить через его максимум L=4. В качестве примера, на Фиг. 2 показаны значения В при пересечении круговыми орбитами с высотой 8000 км и наклонениями 60 и 45° магнитных оболочек L=4 и 6 на разных долготах. Как видно из Фиг. 2, ИСЗ на орбите высотой 8000 км с наклонением 45° будет существенно хуже «видеть» внешний радиационный пояс по сравнению с ИСЗ на орбите с наклонением 60°. Также важно отметить, что для задачи радиационного мониторинга наклонения круговых орбит i и (180°-i) равнозначны. Как следствие, орбиты 1 и 2 с высотами ≈500-650 и 1400-1700 км можно выбрать с близким наклонениями, например, солнечно-синхронными или близкими к ним. Для третьего ИСЗ группировки спутников с орбитой до 8000 км предложено использование вместо круговой эллиптической орбиты с высотами перигея и апогея ≈700 и 8000 км, наклонением 63.435°, аргументом перигея 310° и периодом ≈3 часа. Такая орбита и ее проекция на плоскость магнитного меридиана на разных L-оболочках показана на Фиг. 3. Данная орбита для каждой L-оболочки пересекает все три указанные выше области, где наблюдается разный характер высотного хода потоков энергичных заряженных частиц. При этом на каждом витке КА будет пересекать L-оболочки в 2-4 разных точках. После пересечения ИСЗ на этой орбите заданной L-оболочки максимальное время до ее повторного пересечения на той же высоте равно периоду орбиты, т.е. 3 часам. Для круговых орбит это время составляет ≤1/2 периода орбиты, то есть для орбиты высотой 1700 км - ≤1 часа, для орбиты высотой 650 км - ≤50 минут (для внешнего пояса; внутренний пояс эта орбита будет пересекать только в области Южно-Атлантической аномалии, но потоки во внутреннем поясе более стабильны, чем во внешнем). При этом для низких круговых орбит возможны попутные запуски ИСЗ.
Наклонение орбиты высокоорбитального ИСЗ с высотой орбиты до 8000 км выбрано равным «критическому» значению 63.435°, при котором отсутствует уход аргумента перигея в силу влияния 2-й зональной гармоники гравитационного потенциала Земли. Скорость этого ухода в основном определяется 2-й зональной гармоникой гравитационного потенциала Земли, которая отвечает за «сплюснутость» Земли вдоль оси ее вращения, и описывается формулой:
З
a
3.5
2
-2
2
dω/dt=4.982⋅(R/)(1-e)(5cosi-1), градусов/сутки
З
а
где R - средний радиус Земли,  - большая полуось орбиты, е - эксцентриситет, i - наклонение.
При этом необходимо обеспечить точность наклонения орбиты при выводе ИСЗ в пределах ≤0.1-0.2°. При более значительной ошибке в величине наклонения, например, на 0.5° от «критического» значения для эллиптической орбиты с указанными параметрами скорость ухода углового расстояния перигея составит 0.035 град./сутки, или ≈13 град./год. Таким образом, орбита заметно эволюционирует за время жизни ИСЗ (≥3 лет). Для задач радиационного мониторинга желательно, чтобы уход аргумента перигея орбиты был <3-4 град./год. При выведении с использованием разгонного блока, очевидно, требуемая точность может быть обеспечена. Также на изменение параметров орбиты будут влиять гармоники гравитационного потенциала Земли боле высокого порядка и гравитация Луны и Солнца, но в значительно меньшей степени.
Анализ пространственного разрешения измерений на рассмотренных орбитах поясняется Фиг. 4, на которой показан шаг измерений по L при шаге измерений по времени 5 секунд на круговых орбитах высотой 650 и 1700 км и наклонением 80 и 77° и эллиптической орбите с высотами перигея и апогея 700 и 8000 км, наклонением 63.4° и аргументом перигея 310° (на низких высотах В>0.1 Гс; на В>0.1 Гс шаг в несколько раз меньше). Как видно из графиков на Фиг. 4, в зависимости от орбиты на L≤7 максимальный шаг ΔL<0.18-0.35, на L≤4 шаг ΔL<0.8-0.16; средние значения еще в 2-3 раза ниже.
Таким образом, для указанных орбит шаг измерений по времени ≈5 секунд обеспечивает необходимое пространственное разрешение измерений; в то же время такой шаг позволяет получить достаточную статистику регистрации потоков частиц.
Таким образом, для осуществления мониторинга с улучшенной полнотой описания радиационной обстановки измерений целесообразно использовать группировку ИСЗ на орбитах с разной высотой, эллиптичностью, положением плоскостей орбит и в разных фазах орбитального движения. Количество космических аппаратов (КА) в группировке предпочтительно составляет не менее трех, при этом КА №1 размещают на низкой солнечно-синхронной орбите высотой 500-650 км и наклонением 97-98°, КА №2 размещают на орбиту близкую к круговой с высотой 1400-1500 км и наклонением ~80°, КА №3 размещают на эллиптическую орбиту с апогеем 8000 км, перигеем 600-700 км и наклонением 63.4°. Схематичное изображение расположения орбит такой группировки спутников показано на Фиг. 5.
Заявляемое решение позволяет измерять всенаправленных потоков энергичных протонов и электронов. Способ по настоящему изобретению предусматривает раздельную регистрацию потоков этих частиц и измерение их энергетических спектров, поскольку свободные пробеги (проникающая способность) и связанные с этим радиационные эффекты различны для частиц разного сорта и энергий.
Типичная конструкция спектрометра энергичных протонов и электронов представляет собой сборку типа «телескопа», включающую несколько полупроводниковых и сцинтилляционных детекторов разной толщины, расположенных один под другим на единой оси. Заряженные частицы, пройдя через входное окно телескопа и попадая в детектор, выделяют в нем энергию, которая преобразуется в электрический импульс величиной, пропорциональной выделенной энергии. В приборе также находятся электронные логические системы отбора, работающие на принципе совпадений и антисовпадений электрических импульсов. Сборка из нескольких детекторов и электронные логические схемы, работающие по принципу совпадений-антисовпадений импульсов от разных детекторов позволяют определять сорт частицы (электрон, протон), ее энергию, и частично отсеивать боковые прохождения частиц (через корпус телескопа).
Однако такой прибор имеет ограниченный угол обзора. Причина в том, что энерговыделение от частицы данного сорта и энергии в детекторе различается в зависимости от длины ее пробега в материале детектора (это верно и для сцинтилляционных, и для полупроводниковых детекторов), который в свою очередь зависит от угла пролета частицы через детектор. Как следствие, с увеличением возможного диапазона углов будет уменьшаться точность определения сорта и энергии частиц. Максимальное практическое значение угла апертуры телескопа составляет ≈60°.
Согласно способу по настоящему изобретению измерение всенаправленных потоков частиц производится несколькими «телескопами», оси которых ориентированы под разными углами к вектору индукции магнитного поля В. При этом ось хотя бы одного из детекторов в каждой точке орбиты должна быть направлена под углом к вектору индукции магнитного поля близким к 90°. В этом случае такие измерения позволяют затем при обработке результатов измерений наземными программно-аппаратными средствами аппроксимировать питч-угловое распределение потоков частиц и всенаправленный поток. При этом в отличие от аналогов (КА Van Allen Probes) не требуется очень большая точность питч-угловых измерений, в особенности в области малых питч-углов. Поскольку поток электронов и протонов радиационных поясов определяется главным образом потоками частиц с большими значениями питч-углов. При этом для измерений целесообразно ограничиться разумным числом телескопов, например, ≤4-5, чтобы избежать неоправданного увеличения массы космического аппарата и сложности бортовых логических устройств. На Фиг. 6 схематически показаны некоторые возможные варианты ориентации телескопов. На Фиг. 6а показан первый вариант, который предусматривает ориентацию осей 3 телескопов по осям координат прямоугольной декартовой системы, а оси четвертого - вдоль главной диагонали куба, построенного на осях первых трех (углы между этой осью и осями других 3 детекторов равны 54.7°). При такой ориентации телескопов при любой ориентации КА в худшем случае мы будем иметь измерения потоков для 2 разных значений питч-углов, а практически в большинстве случаев - для ≥3 разных значений питч-углов, что позволяет решить заявленную техническую задачу мониторинга, поскольку результаты таких измерений полностью описывают всенаправленный поток с удовлетворительной точностью даже для больших значений угла обзора телескопов ~60°.
Согласно другому возможному варианту конструкции спектрометра, представленного на Фиг. 6б, необходимо наличие системы активной 3-осевой магнитной ориентации КА. В этом варианте основной телескоп направлен перпендикулярно плоскости магнитного меридиана, как следствие этот телескоп дает измерения для питч-углов в окрестности 90°. Оси нескольких дополнительных телескопов лежат в плоскости магнитного меридиана и дают измерения для других питч-углов. Угол зрения для всех детекторов в этом варианте может быть равным 35-45°.
Мониторинг радиационных условий очень важен для обеспечения безопасности космических миссий, как пилотируемых так и роботизированных, электронные приборы которых могут быть повреждены при наступлении неблагоприятных радиационных условий и которые в этих обстоятельствах целесообразно переводить в пассивный режим работы. Однако, не менее важным для этой цели необходимо также осуществлять мониторинг гамма вспышек атмосферного галактического происхождения. Для спутниковых наблюдений транзиентных явлений в атмосфере Земли необходима низкая орбита. Таким образом, в составе спутниковой группировки должен быть ИСЗ на орбите высотой <1000 км, на который будут возложены задачи мониторинга транзиентных явлений. Спутниковые наблюдения атмосферных транзиентных явлений могут проводиться только на ночной стороне Земли и требуют ориентации ИСЗ на Землю («в надир»). Кроме того, задача радиационного мониторинга требует, как минимум, чтобы ось одного из детекторов энергичных протонов и электронов была направлена под углом к вектору индукции магнитного поля близким к 90°. Всем этим требованиям удовлетворяет солнечно-синхронная орбита с локальным временем ≈3 и 15 часов, ИСЗ на которой будет иметь ориентацию 1-й оси в надир, а 2-й - перпендикулярно плоскости географического меридиана. При этом детекторы УФ/рентгеновского/гамма-излучения будут направлены в надир, детектор энергичных протонов и электронов - перпендикулярно плоскости географического меридиана, следовательно, под углом к магнитной силовой линии близким к 90°. Поскольку на низких высотах имеют место значительные углы конуса потерь, например, для околополярной орбиты высотой 650 км угол конуса потерь (диапазон значений питч-углов в данной точке, для которых потоки захваченных частиц равны 0) составляет >50°, для измерения всенаправленных потоков на такой орбите достаточно использовать один такой телескоп, возможно, с  углом обзора ≈60°.
Согласно способу мониторинга по настоящему изобретению результаты измерений каждого ИСЗ должны передаваться на Землю с максимально достижимой оперативностью (хорошее значение - десятки минут; удовлетворительное - 1-3 часа) через системы спутниковой передачи данных или сеть наземных станций приема данных.
Передаваемые данные включают:
- очередную отсечку времени измерений;
- координаты соответствующей точки орбиты;
- для каждого телескопа спектрометра энергичных протонов и электронов - набор значений скоростей счета, [частиц/секунду], потоков протонов и электронов для заданного набора интервалов энергий;
- результаты измерений 3-координатного магнитометра;
- данные об ориентации ИСЗ (последние 2 параметра желательно иметь с точностью ≈1°).
Итак, согласно предлагаемому изобретению в состав группировки малых спутников должны входить, по меньшей мере, три космических аппарата:
• Первый КА, на низкой круговой полярной орбите, несущий научную аппаратуру мониторинга околоземного пространства (ОКП) в оптическом, рентгеновском и мягком гамма-диапазонах, а также аппаратуру регистрации заряженных частиц космической радиации и переменного электромагнитного поля;
• Второй КА, на эллиптической орбите с высотой апогея не ниже 8000 км, несущий аппаратуру регистрации заряженных частиц космической радиации и переменного электромагнитного поля, а также другие приборы;
• Третий КА, на круговой или эллиптической орбите, по составу научной аппаратуры идентичный КА1 или КА2.
Схема группировки ИСЗ, осуществляющая предлагаемый способ показана на Фиг. 5.
При осуществлении способа научные приборы комплекса должны работать в основном (дежурном) режиме, автоматически реагируя на интересующие («триггерные») явления. Минимальная настройка параметров приборов в полете во время летных испытаний будет необходима для балансировки объемов накапливаемой информации с приборов путем настройки триггеров, порогов чувствительности и реакции, скважности регистрации явлений и т.п. Модульная структура комплекса аппаратуры позволяет регулировать объемы накапливаемой информации в пределах двух порядков величины, смещать акценты работы приборов в зависимости от окружающей обстановки, состояния комплекса, результатов анализа полученных данных и других обстоятельств. Такой принцип управления аппаратурой был отработан на КА «Ломоносов».
С точки зрения информационной логистики накапливаемые приборами данные делятся на следующие группы:
• Постоянная мониторинговая информация, анализируемая на Земле в полуавтоматическом/автоматическом режимах по мере поступления. Ориентировочная частота получения такой информации - 1 раз в сутки. Частота может снижаться на ограниченное время без нарушения выполнения научной задачи. Основное ограничение по сбросу данных этого типа - емкость запоминающего устройства (ЗУ) и буферной памяти радиолинии целевой информации (РЛЦИ).
• Оперативная мониторинговая информация о состоянии радиационных поясов Земли и ближней магнитосферы. Частота получения этой информации на Земле не должна опускаться менее, чем до 4 раз в час (количество пересечений космическим аппаратом радиационных поясов Земли на низкой круговой полярной орбите). От регулярности получения этой информации зависит функционирование трехмерной модели околоземной радиации (одна из основных целей проекта).
• Телеметрическая информация, передаваемая в служебную платформу космического аппарата (СП КА). Эта информация позволяет оперативно оценить состояние систем научного комплекса, контролировать режимы работы, основные настройки, текущие объемы накопленной информации и другие важнейшие параметры. Передается в объеме телеметрии космического аппарата (ТМ КА) во время сеансов управления КА. Объем и частота поступления телеметрических кадров согласуются дополнительно.
• Общая телеметрическая информация научного комплекса. Включает в себя подробные логи работы, обменов по командной и телеметрической шинам, результаты самодиагностики приборов, подробные настройки и т.д. Среднесуточный объем не превышает 100 Мб. Информация передается с мониторинговой информацией по РЛЦИ в рамках штатного расписания сеансов связи.
Кроме того, способ предусматривает возможность периодической загрузки с Земли данных, состоящих из:
• обновлений ПО приборов;
• измененных и уточненных настроек;
• дополнительной информации, получаемой в том числе с других космических аппаратов системы, формируемой на Земле в секторе целевого планирования системы.
В качестве основного связующего элемента системы космических аппаратов выступает точная привязка бортовой шкалы времени (БШВ) комплексов научной аппаратуры космических аппаратов к мировой шкале времени. Точность временной привязки обеспечивает пространственную локализацию наблюдаемых событий, взаимную увязку накопленных данных, возможность оперативной триангуляции наблюдаемых объектов (для потенциально опасных тел и космического мусора). Точность привязки БШВ КНА к мировому времени с учетом выдаваемых в приборы синхроимпульсов не должна быть хуже 3-5 мкс.
Основные критерии выбора системы:
• доступность для общегражданского применения в научных целях, покупки и использования в РФ;
• цена передатчика (приемопередатчика) в совокупности с ценой обслуживания на Земле и в полете, в том числе стоимость трафика, стоимость привлечения наземных средств и т.д.;
• простота процесса использования (необходимость перенацеливания антенны, слежения за узлом связи, количество и объем привлекаемых наземных средств, дополнительные требования, накладываемые на КА и т.д.);
• зона покрытия (процент орбиты, на которой возможна регулярная устойчивая связь);
• скорость обмена и ширина канала.
В качестве возможных систем оперативного управления (СОУ) может применяться либо одна из коммерческих систем спутниковой связи, либо вновь создаваемая сеть наземных УКВ-станций, разбросанных по разным долготам.
В качестве основного наземного связующего звена используется аппаратура сектора целевого планирования НИИЯФ МГУ, Центра данных оперативного космического мониторинга (ЦДОКМ) МГУ. Данные узлы в автоматическом и полуавтоматическом режиме позволят обеспечить целевое использование аппаратуры, получение, обработку и анализ данных, в том числе телеметрических, их архивацию, хранение и распространение по пользователям.
Несмотря на разнородность технических задач по мониторингу потенциально опасных объектов в космосе, их объединение в рамках «единой космической платформы» представляется целесообразным по сравнению с проектами, направленными на реализацию мониторинга только одного из опасных космических факторов, поскольку следует принять во внимание то, что бортовой вычислительный комплекс предназначенный для бортовой обработки информации, технически и экономически оптимально создавать для комплекса приборов на одной платформе КА, чем на разных КА для выбранных «однонаправленных» целевых приборов. Именно поэтому становится возможным объединение отдельных детекторов в единую систему с целью реализации «бюджетного» проекта, реализуемого на базе «малых КА» с общей массой, не превышающей 100 кг. Помимо этого реализация такой схемы проекта позволяет относительно упростить сложность наземного сегмента управления и приема информации по сравнению с «распределенными» проектами, выполняющими задачи мониторинга только одного из опасных космических факторов. Таким образом, настоящее изобретение и реализующая предлагаемый способ мониторинга многоорбитная спутниковая группировка позволяет в перспективе создать универсальную платформу для многофункциональных миссий различного назначения.
Пример осуществления изобретения
Группировка малых спутников для мониторинга космических угроз для мониторинга потенциально опасных явлений включает несколько малых космических аппаратах (КА).
В минимальном варианте использована группировка из трех космических аппаратов: КА №1 размещается на низкой солнечно-синхронной орбите высотой 500-650 км и наклонением 97-98°, КА №2 запускается на орбиту близкую к круговой с высотой 1400-1500 км и наклонением ~80°, КА №3 запускается на эллиптическую орбиту с апогеем 8000 км, перигеем 600-700 км и наклонением 63.4°. Взаимное расположение орбит представлено на Фиг. 5.
На спутниках установлены следующие приборы для космического мониторинга опасных объектов и явлений: спектрометр электронов и протонов, широкопольные оптические камеры, комплекс приборов для изучения электромагнитных транзиентных явлений, включающий гамма - спектрометры, детекторы УФ и ИК излучения. При этом на КА №1 установлены приборы: для мониторинга космической радиации, комплекс научной аппаратуры для изучения ТАЯ в оптическом диапазоне, комплекс научной аппаратуры для мониторинга в гамма-диапазоне, а также блок сбора информации (БСИ). На каждом из КА №2 и №3 установлена аппаратура для мониторинга космической радиации и оптическая камера широкого поля зрения и компактный гамма-спектрометр, и блок электроники, осуществляющий связь с бортовыми системами спутника. В составе научной аппаратуры также установлен блок сбора информации БСИ, осуществляющий сбор научной и телеметрической информации с отдельных приборов и передачу ее в бортовое запоминающее устройство, подачу на приборы питания и команд, поступающих от бортовых систем спутника.
Приборы для радиационного мониторинга
Аппаратура для мониторинга космической радиации включает спектрометр (СПЭ) протонов в диапазоне энергий от 1 до >160 МэВ и электронов в диапазоне энергий 0.15-10 МэВ. Его основным элементом является сборка типа «телескоп», включающая несколько полупроводниковых детекторов различной толщины и сцинтилляционный детектор, расположенные соосно один под другим. Для измерения питч-углового распределения потоков и всенаправленных потоков частиц используется несколько телескопов с разной пространственной ориентацией. Возможен также вариант осуществления способа, при котором используется компоновка, при которой оси телескопов должны лежать в плоскости магнитного меридиана (в случае орбиты спутника, близкой к полярной, это означает, что они должны лежать практически в плоскости орбиты), а ось еще одного телескопа - перпендикулярна плоскости магнитного меридиана.
Указанные выше параметры орбит КА, на которых установлены приборы для радиационного мониторинга, охватывают весь пространственный диапазон существования радиации, захваченной в магнитном поле, т.е. радиационных поясов. При этом обеспечиваются измерения всенаправленных потоков захваченных частиц с последующей модельной интерполяцией и экстраполяцией измеренных потоков на всю область радиационных поясов с целью мониторинга космической радиации. Такие измерения позволяют рассчитывать текущее распределение потоков частиц в большом объеме радиационных поясов и, как следствие, текущие уровни радиационных нагрузок для большого диапазона эксплуатируемых орбит.
В составе аппаратуры также используется 3-компонентный магнитометр.
Важным дополнением к системе космического мониторинга является разработанная в МГУ полностью автоматизированная наземная система оперативного анализа спутниковых данных, предназначенная для оценки и прогнозирования радиационных условий в околоземном космическом пространстве (ОКП) в режиме реального времени (Мягкова И.Н., Калегаев В.В., Шугай Ю.С., Довленко С.А., Панасюк М.И., Центр анализа космической погоды НИИЯФ МГУ: мониторинг и прогноз состояния околоземного пространства, В сборнике 13th International Scientific conference "Space, Ecology, Safety - SES1027", Sofia, Bulgaria, 2-4 November 2017. Ed. G. Mardirossian, Ts. Srebrova, G. Jelev. ISSN: 1313-3888. Space Research and Technology Institute - Bulgarian Academy of Sciences, Sofia, Bulgaria, c. 41-47.)
Группировка КА позволяет осуществлять мониторинг в режиме, близком к реальному времени. Для этого предполагается задействовать другие КА (например, КА системы Globalstar или Гонец, или телекоммуникационные спутники на геостационарной орбите).
Приборы для мониторинга электромагнитных транзиентов
Комплекс научной аппаратуры для изучения транзиентных атмосферных явлений (ТАЯ) в УФ и оптическом диапазонах включает пространственно-чувствительный спектрометр - малый линзовый телескоп (МЛТ) с высоким временным разрешением для измерения оптического излучения ТАЯ и молний и детекторы УФ и ИК излучения ДУФИК, дополненный каналами измерений в дальнем УФ диапазоне. Измерение спектра необходимо для определения типа и высоты генерации ТАЯ, а также выделения молниевых разрядов по характерной линии 777 нм и по отсутствию сигнала в области линии поглощения кислорода - 762 нм). Оси приборов МЛТ и ДУФИК должны быть ориентированы в надир с углами незатенения 90° вдоль осей детекторов. Прибор МЛТ состоит из линзового широкопольного объектива и позиционно-чувствительного детектора в виде мульти-анодного ФЭУ, а также набора фотоумножителей для измерения длинных временных рядов сигнала ТАЯ с высокой чувствительностью и высоким временным разрешением. В конструкции прибора предусмотрено до 16 спектральных каналов.
Прибор ДУФИК состоит из трех фотоумножителей, входные окна которых закрыты светофильтрами, обеспечивающими работу в разных спектральных диапазонах - инфракрасном (600-800 нм), ближнем УФ (240-400 нм), солнечно-слепом (100-300 нм). Кроме того, в его состав входит оптический детектор на основе микроканальной пластины, обеспечивающий регистрацию излучения в диапазоне от дальнего УФ до мягкого рентгеновского.
Комплекс научной аппаратуры для мониторинга в гамма-диапазоне включает три широконаправленных сцинтилляционных детектора гамма-излучения типа БДРГ [Амелюшкин A.M., Галкин В.И., Гончаров Б.В. и др. Приборы БДРГ и ШОК для исследования собственного излучения гамма-всплесков на борту космического аппарата «Ломоносов» // Космич. исслед. 2013. Т. 51. №6. С. 478-483] для контроля верхней атмосферы и обзора неба в диапазоне 10-3000 кэВ и трековый гамма-спектрометр высокого разрешения и чувствительности. Детекторный узел каждого блока БДРГ выполнен в виде сборки тонкого (0.3 см) сцинтиллятора NaI(Tl) и сцинтиллятора CsI(Tl) большей толщины (1.7 см) цилиндрической формы. Оба сцинтилляционных кристалла имеют одинаковый диаметр 13 см и просматриваются одним фотоумножителем - так называемый «фосвич». Оси трех гамма детекторов типа БДРГ перпендикулярны друг другу и направлены вдоль взаимно перпендикулярных ребер куба, как бы образуя декартову систему координат. При этом главная диагональ куба ориентирована в надир.
Трековый гамма-спектрометр высокого разрешения и чувствительности представляет собой комбинацию позиционно-чувствительного детектора с кодирующей маской. В состав прибора также входит годоскопический узел на основе сцинтилляционных волокон. Ось прибора должна быть ориентирована вдоль оси «надир - зенит», при этом со стороны кодирующей маски прибор должен быть ориентирован в зенит, а со стороны годоскопического узла - в надир. Эффективная площадь гамма-спектрометра ~250 см2, диапазон энергий 50-5000 кэВ (в режиме кодирования 50-1000 кэВ), угловое разрешение ~2°, поле зрения полного кодирования ±25° градусов. Гамма-телескоп дает возможность проводить проверку появления точечного источника и, таким образом, отделять гамма-всплески различной природы от высыпаний частиц. Аппаратура также включает блок анализа данных, содержащий узлы цифровой электроники, позволяющие вести запись показаний с высоким временным разрешением (до 10 мкс), проводить оперативный анализ изображений с телескопа с кодирующей маской, а также вырабатывать триггер гамма-всплеска.
Наземный комплекс управления
В ходе осуществления космического эксперимента может быть использован наземный комплекс (Спутник "Ломоносов": первые результаты исследований Садовничий В.А., Панасюк М.И., Макриденко Л.А. в журнале Земля и вселенная, №2, с. 3-16).
Наряду с системой приема и обработки космической научной телеметрии может быть использована созданная в МГУ система оперативного анализа и прогнозирования радиационных условий в ОКП, основанная на автоматизированном анализе данных космического мониторинга с использованием операционных моделей внешних воздействующих факторов космической среды [Калегаев В.В., Бобровников С.Ю., Кузнецов Н.В., Мягкова И.Н., Шугай Ю.С. Центр оперативного космического мониторинга НИИЯФ МГУ // Прикладные аспекты гелиогео-физики. Материалы специальной секции «Практические аспекты науки космической погоды» 11-й ежегодной конференции «Физика плазмы в солнечной системе». М.: ИКИ РАН. 2016. С. 146-159].
Таким образом, реализующая заявленный способ группировка спутников позволяет решить следующие технические задачи:
- оперативная (в реальном времени) оценка радиационных условий в околоземном космическом пространстве для оценки радиационных рисков выполнения космических миссий и выработки алертных сигналов для принятия решений по их управлению;
- верификация современных расчетных моделей полей радиации околоземного космического пространства;
- оперативный контроль потенциально - опасных объектов естественного и техногенного происхождения в околоземном пространстве;
- контроль электромагнитных транзиентов в верхней атмосфере Земли и космическом пространстве (гамма-всплески, солнечные вспышки).
Предлагаемый способ позволяет:
- создать космическую систему мониторинга и предотвращения космических угроз как для осуществляемых, так и планируемых космических миссий, включая высотные атмосферные летательные аппараты;
- обеспечить увеличение объема получаемой информации при одновременном резком снижении ее себестоимости.
Заявляемая орбитальная группировка спутников отличающихся пространственным положением плоскости орбиты и истинной аномалией положения ИСЗ на орбите.