СПОСОБ ПОДДЕРЖАНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ НЕПРЕРЫВНОГО ГЛОБАЛЬНОГО ОБЗОРА ОКОЛОЗЕМНОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
METHOD OF SUPPORTING THE OPERATION OF A SATELLITE SYSTEM OF CONTINUOUS GLOBAL SURVEY OF THE NEAR-SPACE

Область техники
Изобретение относится к управлению функционированием спутниковых систем (СС) мониторинга околоземного космического пространства, в частности - предназначенных 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.
В случае выхода из строя некоторых спутников требуется их замена, которая может производиться как путем простого выведения недостающих спутников с Земли, так и путем использования определенного вида орбитального резерва. Эффективность того или иного способа (или их комбинации) восстановления работоспособности СС зависит от структуры (орбитального построения) и особенностей функционирования СС.
Уровень техники
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., «Машино-строение». 2012. Глава 2.5. Спутниковые системы (под ред. Ю.Н. Разумного), с. 180-183 [1].
xap
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).
При оптимизации рассматриваемых СС наблюдения удобно пользоваться понятием многоярусных 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.
Пример многоярусной СС, где каждому ярусу соответствует своя область обслуживания, представлен в патенте RU 2535760 С1, 20.12.2014 [2].
Другой пример - двухъярусной СС обзора околоземного космического пространства, дан в патенте US 8511614 В2, 20.08.2013 [3]. В этой СС спутники 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, рассматриваемая в рамках предлагаемого изобретения, содержит от одного (первоначально) до двух ярусов спутников наблюдения, снабженных единообразной аппаратурой с одинаковыми полями и достаточной дальностью обзора, причем нижний ярус расположен под нижней границей обозреваемого сферического слоя, а верхний - над верхней границей этого сферического слоя. Сферический слой условно разделен промежуточной сферической поверхностью на нижнюю и верхнюю зоны контроля, так что спутники нижнего яруса обозревают верхнюю, а спутники верхнего яруса - нижнюю зоны контроля (см. фиг. 1-2).
Σ
хар
Должны быть обеспечены заданные кратность 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
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, P - 1] - коэффициент расфазировки спутников в соседних плоскостях.
k
k
k
k
k
k
1
2
L
U
Т.о., орбитальное построение каждого яруса СС можно кратко характеризовать четверкой: w≡N/P/F/i - так наз. параметров Уолкера (J. Walker) и наклонением i. Для полноты следует добавить: H, H - высоты нижней и верхней границы обозреваемого сферического слоя, а также H, H - высоты орбит спутников нижнего и верхнего ярусов.
L
1
2
U
L
1
2
U
1
2
U
L
1
2
Ясно, что H<H<Н<H. Это можно обозначить четверкой ≡H/H/Н/H. Если СС имеет только один ярус, то можно условно положить: ≡0/H/Н/H (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  (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 наличие
2
2
U
областей {w, }, где наилучшей из оптимальных СС является двухъярусная СС. Ее особенностью является наличие всего двух спутников наблюдения в верхнем ярусе при больших высотах этого яруса, т.е. w=2/1/0/i при H=40000…60000 км.
Вместе с тем существуют значительные области, где наилучшими из оптимальных СС являются одноярусные СС - с одним верхним или одним нижним ярусами. Число спутников как в верхнем, так и нижнем ярусах таких СС достаточно велико.
1
1
L
Оптимальные СС с нижним ярусом предпочтительны для обзора сферических слоев с высокими нижними границами: H=16000…30000 км. Число спутников N ≈ 70; H=1000…5000 км.
При выходе из строя некоторых спутников нижнего яруса их следует оперативно заменить. Обычно это делается выведением исправных спутников с Земли в окрестность рабочих точек спутников, вышедших из строя (см., например, патент RU 2598682 С1, 27.09.2016 [4]).
Однако выведение новых спутников с Земли требует, в общем случае, значительных затрат характеристической скорости и/или длительного времени ожидания приемлемого времени старта.
Резервирование спутников на их орбитах практически неприемлемо из-за большого числа спутников.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является разработка такого способа поддержания функционирования оптимальной СС непрерывного глобального обзора околоземного космического пространства в виде сферического слоя, который использовал бы особенности структур оптимальных одно- и двухъярусных СС для эффективного восстановления работоспособности системы.
Техническим результатом изобретения является обеспечение оперативности и экономии затрат на восстановление работоспособности указанной СС в случае выхода из строя спутников наблюдения нижнего яруса.
Решение поставленной задачи, с получением указанного технического результата достигается тем, что предлагаемый способ поддержания функционирования описанной выше СС непрерывного глобального обзора, содержащей спутники наблюдения, снабженные единообразной аппаратурой с одинаковыми полями и достаточной дальностью обзора и первоначально выведенные на орбиты нижнего яруса, расположенного под нижней границей указанного сферического слоя, характеризующийся тем, что в случае выхода из строя одного или более спутников нижнего яруса переводят нескольких исправных спутников этого же нижнего яруса на орбиты спутников верхнего яруса так, чтобы образовалась двухъярусная спутниковая система непрерывного глобального обзора указанного сферического слоя с теми же кратностью и периодичностью, при этом первоначальная одноярусная система обзора является оптимальной по критерию минимума суммарной характеристической скорости, требуемой для ее построения, а вновь образованная двухъярусная система обзора является оптимальной по тому же критерию или близкой к таковой для спутниковых орбит, образующих подмножество первоначального множества орбит спутников нижнего яруса.
Предпочтительно на орбиты спутников верхнего яруса переводят два исправных спутника нижнего яруса, а при избыточном количестве спутников нижнего яруса для вновь образованной двухъярусной системы, эти избыточные спутники переводят в «спящий» режим или используют для наблюдения дополнительных зон околоземного пространства.
Типично орбиты спутников нижнего яруса выбирают круговыми, с одинаковыми высотой и наклонением, а их плоскости разносят равномерно по долготе восходящего узла, поддерживая одинаковый коэффициент расфазировки спутников в соседних плоскостях, а после перевода исправных спутников нижнего яруса на орбиты спутников верхнего яруса, при необходимости, корректируют указанные наклонение орбит и коэффициент расфазировки оставшихся спутников нижнего яруса
хар
Сущность изобретения можно пояснить таким образом, что здесь спутники нижнего яруса выступают в качестве своеобразного «горячего резерва» для замены отказавших спутников этого же яруса, но - путем их перевода в верхний ярус, т.е. - при изменении структуры СС (аппаратура наблюдения и многие другие системы у спутников всех ярусов одинаковы). Этим достигаются оперативность и экономия энергетики (т.е. V) для восстановления работоспособности СС (т.к. перевод с низкой орбиты высотой в несколько тыс.км на орбиту высотой порядка 60000 км существенно экономичнее выведения с Земли на указанную низкую орбиту).
Одновременно, оставшееся число спутников нижнего яруса оказывается достаточным (возможно избыточным) для вновь образованной оптимальной двухъярусной СС. Эти спутники могут быть «законсервированы», либо использованы для расширения области обзора.
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.
L
Фиг. 3 - 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=69000 км
Фиг. 4 - то же
1
2
U
при: l=1, Н,=10000, Н=40000 км, β=35°, D=60000 км, H=61000 км
Лучший вариант осуществления изобретения
1
1
Способ согласно изобретению используется для поддержания функционирования СС, первоначально содержащей один нижний ярус спутников наблюдения 1,2, … N, снабженных единообразной аппаратурой с одинаковыми полями (2β) и достаточной дальностью (например, D=60000 км) обзора, причем нижний ярус расположен под нижней границей H обозреваемого сферического слоя. Сферический слой условно разделен промежуточной сферической поверхностью (Н0) 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
xap
В этой СС обеспечены заданные кратность 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 орбиты нижнего яруса.
Существует известная область, где оптимальная (по указанному критерию) СС с одним нижним ярусом превосходит 2-ярусную СС и СС с одним верхним ярусом (фиг. 3).
Положение может измениться, если, например, высота верхнего яруса оптимальной 2-ярусной СС снизится (фиг. 4).
На графиках фиг. 3-4 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.
В случае выхода из строя одного или более спутников нижнего яруса, с этого же яруса выводят на орбиты верхнего яруса два спутника наблюдения, образуя орбитальное
2
2
построение w=2/1/0/i (два спутника в одной плоскости с произвольным наклонением).
2
Во вновь образованной близкой к оптимальной двухъярусной СС верхний ярус расположен над верхней границей Н обозреваемого сферического слоя.
Σ
хар
В этой новой двухъярусной СС, близкой к оптимальной, обеспечены заданные кратность и периодичность обзора сферического слоя, причем оставшееся число спутников нижнего яруса в этой новой СС может оказаться больше, чем в близкой к ней оптимальной (в смысле V - →min) двухъярусной СС с указанной большей высотой верхнего яруса. Избыточные спутники могут быть переведены в резерв («спящий режим») или использованы для наблюдения дополнительных зон околоземного пространства.
Отмеченная выше возможность обусловлена тем, что в областях преимущественного использования оптимальных одноярусных СС имеются близкие к ним по структуре двухъярусные СС, например:
В областях преимущественного использования оптимальных одноярусных СС имеются близкие по структуре двухъярусные СС, например:
w=(70/70/64/79.9,0) при ≡4000/28000/42000/0
1
2
w=(68/68/62/80.5, 2/1/0/i) при ≡4000/25000/42000/650000
2
1
При выходе из строя (например, двух) спутников нижнего яруса СС (W) выведение на орбиту высотой Н=65000 км двух исправных спутников этого же яруса образует двухъярусную СС (w) с орбитами нижнего яруса практически того же наклонения (79.9→80.5).
2
Если из строя вышел один спутник нижнего яруса, то на орбиту высотой Н=65000 км следует вывести также два исправных спутника нижнего яруса - без ущерба для характеристик СС обзора.
1
Восстановленная СС (w) может обозревать тот же или даже более толстый сферический слой.
После перевода исправных спутников нижнего яруса на орбиты спутников верхнего яруса, при необходимости, может производиться коррекция указанных выше наклонения орбит и коэффициента расфазировки оставшихся спутников нижнего яруса.
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.