Способ обнаружения и контроля космического мусора вблизи геостационарной орбиты
SPACE DEBRIS NEAR THE GEOSTATIONARY ORBIT DETECTION AND MONITORING METHOD

Изобретение предназначено для использования в космической технике и может быть использовано при создании систем обзора бортовыми средствами космического аппарата пространства вблизи ГСО для мониторинга и определения параметров орбит объектов космического мусора.
Изобретение позволяет уменьшить количество космических аппаратов до одного для периодического обзора объектов космического мусора (ОКМ) вблизи геостационарной орбиты и обеспечить возможность остановки изображения звезд на фотоприемнике во время съема информации для упрощения регистрации оптической системой трека обнаруженного объекта космического мусора.
Известны технические решения, позволяющие наблюдать и регистрировать объекты космического мусора, которые можно рассматривать как аналоги предлагаемого изобретения.
Известно «Устройство регистрации параметров микрометеороидов и космического мусора», (патент РФ 2456639, МПК G01T 1/34), содержащее мишень в виде четырех панелей солнечных батарей, соединенных между собой пленочной структурой металл-диэлектрик-металл и приемника ионов в виде шара, соединенного с блоком измерения. При соударении микрометеороида или объекта космического мусора с мишенями в месте контакта образуется плазма, ионы которой попадают на приемник ионов. Недостатком данного технического решения является невозможность определения скорости, направления и вычисления параметров орбит объектов космического мусора вблизи геостационарной орбиты, соударение с которыми не произошло.
Известно «Устройство и метод обнаружения космического мусора с помощью оптической системы, установленной на космическом аппарате» (патент Японии 2000-025700, МПК B64G 1/68). Наблюдение и обнаружение обломков космического мусора на орбите осуществляют устройством обработки изображения, а параметры орбит объектов космического мусора вычисляют по следам их движения на дисплее. Недостатком данного устройства и метода обнаружения космического мусора является необходимость обработки большого объема информации для селекции следа космического мусора на фоне следов перемещения изображения звезд за счет движения КА по орбите при ограниченном времени наблюдения ОКМ на дисплее.
Известен спутник SBSS (Space Based Space Surveillance) с оптико-электронной камерой на борту, запущенный США в 2013 году и предназначенный для слежения за космическими объектами, другими спутниками и обломками («космическим мусором»). Высота орбиты спутника 625-640 км, период обращения 97,42 мин. Со своей рабочей орбиты КА может наблюдать объекты от низких орбитах до геостационарной орбиты с возможностью сканирования всего пояса за сутки. Космический аппарат SBSS, оснащенный оптическим телескопом с апертурой 30 см и детектором изображений размером 2,4 мегапикселя, входит в систему контроля космического пространства (СККП) США и за последние несколько лет существенно расширил возможности этой системы в части наблюдения космических объектов с размерами менее 10 см. Недостатком данного спутника является недостаточное быстродействие, обусловленное трудностью селекции объектов космического мусора на низких орбитах и геостационарной орбите, поскольку в поле зрения оптико-электронной камеры регистрируется весь космический мусор в широком диапазоне высот и за короткое время наблюдения практически невозможно определить, составляет ли угрозу объект космического мусора для объектов на геостационарной орбите.
Известен «Метод наблюдения космического мусора» (патент Японии 2011 - 218834, МПК B64G 1/68) с помощью подсветки лазерным лучам области пространства, наблюдаемой ПЗС-камерой, установленной на КА. Недостатком данного метода является то, что наблюдаются только подсвеченные лазерным лучом объекты космического мусора и что снижает вероятность выявления рисков столкновения частиц объекта космического мусора с космическими аппаратами на геостационарной орбите.
ATM
ATM
Прототипом, наиболее близким, по сути, техническим решением к заявляемому изобретению является «Система наблюдения за космическими объектами» (патент на полезную модель RU 82678 U, МПК B64G 1/10), так как данная система наблюдения имеет аналогичное предназначение и некоторые аналогичные основные возможности по множеству параметров, что и заявленное. Данная система, являющаяся прототипом, содержит, по меньшей мере, один наземный пункт приема информации, по меньшей мере, четыре космических аппарата наблюдения, равномерно размещенных на круговой солнечно-синхронной орбите обратного наклонения и снабженных системой угловой стабилизации и ориентации, системой электроснабжения, системой терморегулирования, аппаратурой передачи и приема данных, выполненной с возможностью осуществления связи с наземным пунктом приема информации и, по меньшей мере, с двумя соседними космическими аппаратами наблюдения, по меньшей мере, двумя оптико-электронными приборами, выполненными с возможностью обнаружения космических объектов и определения их угловых приборных координат, и процессором обработки данных, подключенным к выходам оптико-электронных приборов и к входу аппаратуры передачи и приема данных, а также аппаратуру определения положения центра масс космического аппарата наблюдения, а космические аппараты наблюдения размещены на орбите с радиусом, имеющим значение не менее R/cos(π/N), где R - максимальный радиус Земли с плотными слоями ее атмосферы; N - количество космических аппаратов наблюдения; и на каждом космическом аппарате наблюдения один оптико-электронный прибор установлен с возможностью наблюдения соседнего космического аппарата наблюдения, расположенного в направлении орбитального движения данного космического аппарата наблюдения, а второй оптико-электронный прибор установлен с возможностью наблюдения соседнего космического аппарата наблюдения, расположенного в направлении, противоположном направлению орбитального движения данного космического аппарата наблюдения. Система снабжена космическими аппаратами ретрансляции, размещенными на геостационарной орбите с возможностью создания каналов радиосвязи с каждым космическим аппаратом наблюдения и с наземным пунктом приема информации.
Недостатком данной системы является необходимость наличия восьми оптических систем наблюдения по две на каждом космическом аппарате, равномерно размещенных на круговой солнечно-синхронной орбите, в полях зрения которых регистрируются все объекты космического мусора, находящиеся как на низких, так и на высоких орбитах. При этом наблюдение движения объектов космического мусора в полях зрения оптических систем осуществляется на фоне перемещающихся звезд за счет движения космических аппаратов по орбите, что требует разработки сложных алгоритмов селекции движущихся объектов космического мусора и перемещающихся звезд и, соответственно, обработки большого количества информации в ограниченное время, что затрудняет селекцию объектов космического мусора.
Задачей настоящего технического решения является сокращение количества космических аппаратов до одного и обеспечение возможности остановки изображения звезд на фотоприемнике во время съема информации для облегчения выделения оптической системой трека обнаруженного объекта космического мусора.
Космический мусора вблизи геостационарной орбите сосредоточен, в основном, вблизи небесного экватора, что и определяет отличительные признаки предлагаемого изобретения.
max
Для контроля геосинхронных объектов космического мусора с большим наклонением их орбит (порядка ~ 25°) предусматривается перенацеливание мгновенного поля зрения оптической системы, направленного вдоль радиус-вектора космического аппарата путем вращение вокруг вектора его орбитальной скорости  Указанное перенацеливание образует широкую полосу обзора вдоль геостационарной орбиты. Чем ближе круговая орбита космического аппарата к геостационарной орбите, тем меньше размер контролируемого объекта космического мусора, однако тем меньше обеспечиваемое наклонение i геосинхронного объекта космического мусора, который захватывается сформированной полосой обзора.
max
ГСО
КА
обз
Соотношение между наклонением i углом и разностью высот геостационарной орбиты и высоты орбиты космического аппарата (Н - Н) при равенстве угла обзора β = ±60 угл. град., имеет вид
ГСО
ГСО
КА
КА
СН
Высота геостационарной орбиты, измеренная от центра Земли R=42164 км, а измеренная от поверхности Земли, при ее радиусе 6371 км Н=35793 км. Расположение космического аппарата наблюдения на орбитах с высотой Н, ниже высоты геостационарной орбиты на величину h обеспечивает время между сеансами наблюдения Т для наклонений орбит объектов космического мусора  в соответствии с таблицей 1.
T
Если проницающая сила оптической системы m не менее 18 звездной величины, то размеры обнаруживаемого объекта космического мусору составляют величину 4,5÷22,0 см в данном диапазоне высот.
Для расширения полосы обзора оптической системы вдоль геостационарной орбиты, обеспечивают перенацеливание мгновенного поля зрения этой системы в несколько дискретных положений путем ее вращения вокруг вектора орбитальной скорости КА. В каждом дискретном положении производят съем изображения на фотоприемнике некоторой области вблизи ГСО.
c
Для реализации режима остановки звезд в поле зрения оптической системы в моменты съема информации в каждом дискретном положении поля зрения, оптическую систему помещают на поворотную платформу и вращают платформу в моменты съема информации t вокруг оси, перпендикулярной плоскости орбиты КА с угловой скоростью   , равной угловой орбитальной скорости КА, в направлении противоположном угловому вращению КА.
в
По окончанию процесса считывания информации с фотоприемника оптической системы, поле зрения оптической системы перенацеливают в следующее дискретное положение со средней угловой скоростью, зависящей от времени перенацеливания и вертикальной ширины углового мгновенного поля зрения где 2β - вертикальная ширина углового мгновенного поля зрения оптической системы.
Для высокоточного определения параметров орбиты геосинхронного объекта космического мусора необходим большой мерный интервал позиционных измерений, производимых оптической системой с регистраций треков точечных изображений в точках, захваченных мгновенным полем зрения на витках обращения объекта космического мусора вблизи нисходящих и восходящих узлов их орбит. Указанное справедливо при малом наклонении орбиты объекта космического мусора i. Если i велико, треки будут регистрироваться в точках, принадлежащих полосе обзора. Однако, необходимо чтобы на соседних витках обращения объекта космического мусора вблизи узлов его орбиты, радиус-вектор космического аппарата, который ориентируется на середину полосы обзора, был направлен на восходящий или нисходящий узел орбиты объекта космического мусора. Если это условие выполняется, изменение аргумента широты геосинхронного объекта космического мусора, регистрируемое на соседних полувитках, составляет большую величину равную ~ 180°. В этом случае достигаться большой мерный интервал позиционных измерений.
КА
ГСО
Первоначально это условие представляется через соотношение между допустимыми периодами обращения космического аппарата наблюдения (Т) и геосинхронного объекта космического мусора (Т):
КА
ГСО
Т((k+1)+0,5)=Т(k+0,5),
ГСО
СН
ГСО
КА
КА
ГСО
КА
СН
КА
где: Т=1 сут, k - натуральный ряд чисел от 0 до 4. Увеличение параметра к на одну 1 соответствует увеличению времени между сеансами наблюдения Т на 1 сутки. Затем это условие представляется через соотношение между допустимыми высотами Н и Н. Полагая k=0 можно получить, что допустимые значения Т=Т/3, т.е. 0,333 сут и определить допустимое значение Н=13899 км, соответствующее Т=0,5 и Т=0,333 сут.
КА
КА
обз
В
З
На фиг. 1 обозначены: КА - космический аппарат; Н - высота орбиты космического аппарата; h - расстояние от орбиты космического аппарата до геостационарной орбиты; β - угол обзора геостационарной орбиты; 2β и 2βг - вертикальная и горизонтальная ширины поля зрения оптической системы; 1 - геостационарная орбита; n - количество положений перенацеливаемого мгновенного поля зрения в направлении, перпендикулярном вектору орбитальной скорости космического аппарата и плоскости геостационарной орбиты, R - радиус Земли.
КА
max
обз
На фиг. 2 обозначены: ГСО - геостационарная орбита; КА - космический аппарат с бортовой оптической системой наблюдения; - диапазон отклонений поля зрения оптической системы; h - расстояние орбиты космического аппарата до геостационарной орбиты; i - максимальный угол наклонения орбиты объекта космического мусора; β - угол обзора геостационарной орбиты;
max
Основные показатели эффективности предлагаемого способа обнаружения и контроля космического мусора вблизи геостационарной орбиты с наклонением i=25°:
- возрастает проницающая сила оптической системы с увеличением времени пребывания объекта космического мусора в пикселе фотоприемника, что позволяет обнаруживать объекты космического мусора с меньшим блеском;
- с увеличением дальности наблюдения пропорционально увеличивается размер обнаруживаемого объекта космического мусора;
общ
- величина дуги ΔU пробега изображения объекта космического мусора через полосу обзора уменьшается с увеличением угловой скорости обращения космического аппарата вокруг центра Земли. Общий мерный интервал ΔU, накопленный за время наблюдения объекта космического мусора в районах его восходящего и нисходящего узлов, составляет ~ 180°;
КА
сн
- с уменьшением расстояния h между геостационарной орбитой и орбитой космического аппарата уменьшается размер обнаруживаемого объекта космического мусора до 7 см, но ухудшается (возрастает) время Т между сеансами наблюдения объектов космического мусора;
T
- реализуемая проницающая сила оптической системы m, оцениваемая с учетом величины моделируемой угловой скорости объекта космического мусора, составляет ~ 18 зв. в.
i
- вероятные погрешности определения параметров движения геосинхронных круговых орбит составляют: по координатам ΔХ, ΔY, ΔZ ~ 100 м; по скоростям  по углу наклонения Δ~ 3 угл. с.