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 полётом различных космических объектов, движущихся в области, простирающейся от низких околоземных орбит (порядка 1000 км) до орбит с высотами порядка высоты геостационарной орбиты (около 36 000 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 путём простого выведения недостающих спутников с Земли, так и путём использования определённого 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 определённые ограничения, в частности - требование обеспечения непрерывного глобального (/ - кратного, т - периодичного) обзора областей (слоев) околоземного космического пространства при помощи бортовой аппаратуры с заданными полями обзора (9), дальностью действия, с учётом условий засветки или тени и т.д.
(подред. Ю.Н. Разумного),
Математические аспекты оптимального баллистического проектирования СС изложены, например, в источнике: МАШИНОСТРОЕНИЕ. Энциклопедия в 40 томах. Под ред. акад. К.В.Фролова. Том ГУ-22. Ракетно-космическая техника. Книга 1. М., «Машино-строение». 2012. Глава 2.5. Спутниковые системы с.180-183 [1].
(Ы)
хар
Часто минимизируют число 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 (0) поля обзора их аппаратуры наблюдения), но заметно возрастают затраты характеристической скорости (К),
2
—>тт
так что критерий N не вполне обоснован (не универсален).
многоярусных
ярусом
При оптимизации рассматриваемых СС наблюдения удобно пользоваться понятием СС. При этом 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 К112535760 С1, 20.12.2014 [2].
Другой пример - двухъярусной СС обзора околоземного космического пространства, дан в патенте 118 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 / ~ 82°), причём 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, снабжённых единообразной аппаратурой с одинаковыми полями и достаточной дальностью обзора, причём нижний ярус расположен под нижней границей обозреваемого сферического слоя, а верхний - над верхней границей этого сферического слоя. Сферический слой условно разделён 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).
г
Х
тт),
Должны быть обеспечены заданные кратность и периодичность обзора сферического слоя, при этом параметры орбитального построения СС получаются из условия минимума суммарной характеристической скорости (^ар — требуемой для выведения спутников в их рабочие точки на орбитах верхнего и нижнего ярусов.
(к =
Рк
Рк
Р
-
к
Орбиты спутников каждого А>ого яруса 1,2) приняты круговыми, с одинаковыми высотой и наклонением, их плоскости разнесены равномерно по долготе восходящего узла, а параметрами орбитального построения системы служат: - число спутников в ярусе, -число плоскостей их орбит и е [0, 1] - коэффициент расфазировки спутников в соседних плоскостях.
М/к =
Рк IРк I
Т.о., орбитальное построение каждого яруса СС можно кратко характеризовать четвёркой: Л/* / 4 - так наз. параметров Уолкера (I. \Уа1кег) и наклонением Для
Н\, И.2 -
Нь Нц
полноты следует добавить: высоты нижней и верхней границы обозреваемого сферического слоя, а также - высоты орбит спутников нижнего и верхнего ярусов.
3
Нц.
Нь IН] I Нг I Нц .
О I Н] I Н.2 I Нц
Н=Нь/Н]/Н2/0
Ясно, что < Я/ < #2 < Это можно обозначить четвёркой Н = Если СС имеет только один ярус, то можно условно положить: Н = (только верхний ярус) или (только нижний ярус).
М/г)
щ -
Решение задачи оптимизации СС состоит в определении оптимального АД/ = (\У/, при заданном И (при одном ярусе одна из условно нулевая). Всё множество оптимальных СС
можно символически представить в виде графика       Н }, где все параметры в скобках
считаются оптимальными.
Проектно-баллистические исследования описанной выше СС обзора выявляют наличие
областей {\\>, Н }, где наилучшей из оптимальных СС является двухъярусная СС. Её
особенностью является наличие всего двух спутников наблюдения в верхнем ярусе при
М/2
Н2
Нц =
=
больших высотах этого яруса, т.е. 2 /1 / О при 40 ООО ... 60 ООО 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.
Н]
N1
Нь =
Оптимальные СС с нижним ярусом предпочтительны для обзора сферических слоёв с высокими нижними границами: =16000...30000 км. Число спутников ~ 70; 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 2598682 С1, 27.09.2016 [4]).
Однако выведение новых спутников с Земли требует, в общем случае, длительного времени ожидания приемлемого времени старта, причём восстановленная СС сохраняет те же качества, что и первоначальная.
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
4
восстановления работоспособности указанной СС и расширения её функциональных возможностей (целевой задачи).
Решение поставленной задачи, с получением указанного технического результата достигается тем, что предлагаемый способ поддержания функционирования спутниковой системы непрерывного глобального обзора заданного сферического слоя околоземного космического пространства с заданными кратностью и периодичностью, содержащей спутники наблюдения, снабжённые единообразной аппаратурой с одинаковыми полями и достаточной дальностью обзора и первоначально выведенные на орбиты нижнего яруса, расположенного под нижней границей указанного сферического слоя, характеризуется тем, что в случае выхода из строя одного или более спутников нижнего яруса выводят несколько спутников 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 её 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 выводят два спутника с поверхности Земли, при этом избыточные для вновь образованной двухъярусной системы спутники нижнего яруса 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.
верхнего яруса -
Сущность изобретения можно пояснить таким образом, что при выведении заменяющих спутников с Земли не на первоначальные орбиты нижнего яруса, а на орбиты изменяется структура СС, которая становится двухъярусной, близкой к оптимальной и одновременно позволяющей расширить границы обозреваемого сферического слоя.
При этом ограничения на время старта с Земли для выведения спутника на орбиту верхнего яруса ослабляются (см. ниже).
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
5
космического пространства.
Фиг. 2 - структура двухъярусной СС.
Фиг. 3 - зависимость энергетики XV построения СС от высоты нижнего яруса Нь
2
и
при: / =1, Н1=10000, Н=40000 км, (3=35°, Б=60000 км, Н=69000 км Фиг. 4 - то же
2
и
при: / =1, Н1=10000, Н=40000 км, р=35°, Б=60000 км, Н= 61000 км.
Лучший вариант осуществления изобретения
N1,
Н]
(Но)
Способ согласно изобретению используется для поддержания функционирования СС, первоначально содержащей один нижний ярус спутников наблюдения 1,2, ... снабжённых единообразной аппаратурой с одинаковыми полями (20) и достаточной дальностью (Э) обзора, причём нижний ярус расположен под нижней границей обозреваемого сферического слоя. Сферический слой условно разделён промежуточной сферической поверхностью 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).
В этой СС обеспечены заданные кратность и периодичность обзора сферического слоя, при этом параметры орбитального построения СС получаются из условия минимума суммарной характеристической скорости (К
ар —* тт), требуемой для выведения спутников в их рабочие точки на орбиты нижнего яруса. Принята кратность 1=1.
г
Х
Существует известная область, где оптимальная (по указанному критерию) СС с одним нижним ярусом превосходит 2-ярусную СС и СС с одним верхним ярусом (фиг.З).
Положение может измениться, если, например, высота верхнего яруса оптимальной 2-ярусной СС снизится (фиг.4).
На графиках фиг.3-4 обозначено:
XV н - суммарная характеристическая скорость (энергетика) 2-ярусной системы. 2Ую - суммарная характеристическая скорость (энергетика) 1-ярусной системы (только верхний ярус).
ЕУо1 - суммарная характеристическая скорость (энергетика) 1-ярусной системы (только нижний ярус). Значения IV на всех графиках даны в км/с.
12
В случае выхода из строя одного или более спутников нижнего яруса, с Земли (или из орбитального резерва) выводят на орбиты верхнего яруса два спутника наблюдения, образуя орбитальное построение = 2/ 1/ 0 / (два спутника в одной плоскости с произвольным наклонением).
6
Во вновь образованной близкой к оптимальной двухъярусной СС верхний ярус расположен над верхней границей Я? обозреваемого сферического слоя.
больше,
У^хар —* тгп)
В этой новой двухъярусной СС, близкой к оптимальной, обеспечены заданные кратность и периодичность обзора сферического слоя, причём число спутников нижнего яруса в этой новой СС может оказаться чем в близкой к ней оптимальной (в смысле двухъярусной СС. 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:
\У =(70/70/64/79.9,0) при Н = 4000/ 28000 /42000 /0
'
П
)
2
\У = (68 /68 /62 /80.5, 2/1 /0 при Н = 4000/ 25000/42000/650000
двух)
При выходе из строя (например, спутников нижнего яруса СС (\У ) выведение на
Н2
')
орбиту высотой = 65000 км двух новых спутников образует двухъярусную СС (\У с
орбитами нижнего яруса практически того же наклонения (79.9 — 80.5).
')
Восстановленная СС (\\> может обозревать более толстый  сферический слой: его
нижняя граница уменьшилась с 28000 до 25000 км.
Избыточные для вновь образованной двухъярусной СС спутники нижнего яруса переводят в «спящий» режим или используют для наблюдения дополнительных зон околоземного пространства.
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.