СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА СВЯЗИ И НАБЛЮДЕНИЯ
COMMUNICATION AND SURVEILLANCE SATELLITE SYSTEM

Изобретение относится к космической области, а именно к системам спутниковой связи и наблюдения Земли, а более точно, касается спутниковой системы обеспечения различными видами связи или наблюдений обширных регионов Земли.
Известны различные системы спутниковой связи и наблюдений с использованием эллиптических орбит, которые предпочтительно использовать для обеспечения связи и наблюдений в одном из земных полушарий (патент США №6954613, №№2149507, 2161372, 2168865, 2005125001), в которых используются группировки искусственных спутников на эллиптических орбитах с критическим наклонением ~63.4°, что обеспечивает устойчивость положения линии апсид по отношению к главному возмущающему члену нецентральности гравитационного поля Земли - ее сжатию и не требует повышенных расходов топлива на поддержание орбит. Периоды орбит в этих системах составляют от 2.4 часа до 8 часов.
Известны системы спутниковой связи на эллиптических орбитах с линией апсид, лежащей в плоскости экватора (патент США №6457687), которые могут использоваться для связи в приэкваториальной зоне на средних широтах.
Спутниковые системы из 4 искусственных спутников на эллиптических орбитах с перигеями, попарно размещаемыми в разных полушариях Земли (патент США №4854527), предпочтительней использовать для глобальной связи.
з
з
Известна спутниковая система связи и наблюдения, включающая два искусственных спутника, оснащенные аппаратурой связи и наблюдения, размещенные на эллиптических орбитах с критическим наклонением, размещением апогея орбиты в земном полушарии с областью обзора, орбитальным периодом, выбираемым из соотношения Т=Т/N, где Т - орбитальный период каждого искусственного спутника, Т - длительность звездных суток, N общее количество искусственных спутников в системе, обеспечивающая непрерывный обзор географических областей (патент РФ №2396187), выбранная нами за прототип.В этой спутниковой системе связи и наблюдения используется 2 искусственных спутника (N=2), проходящих по одинаковым или близким друг другу наземным трассам, с разнесением долгот восходящих узлов этих КА в инерниальном пространстве относительно друг друга на (360/N)°, с равными 1/N орбитального периода смещением времен прохождения точек орбиты с одинаковыми значениями истинных аномалий для каждого из искусственных спутников.
В основу изобретения положена задача разработать экономичную систему спутниковой связи и наблюдения с использованием эллиптических орбит для периодического обзора географических областей в заданное местное время, в которой используется меньшее количество искусственных спутников и, соответственно, уменьшены затраты на развертывание и эксплуатацию такой системы.
c
c
Технический результат достигается тем, что в спутниковой системе связи и наблюдения, включающей N искусственных спутников, где N=1, 2, 3,…,7 оснащенных аппаратурой связи и наблюдения и размещенных на эллиптических орбитах с критическим наклонением и апогеем орбиты в полушарии с областью наблюдения, в отличие от прототипа искусственные спутники размещены на орбитах с прохождением апогея орбиты или любой другой ее точки в требуемое местное время и с орбитальным периодом, выбираемым из соотношения t=t/N, где Т - орбитальный период каждого искусственного спутника. T - длительность солнечных суток, N общее количество искусственных спутников в системе, имеющих одинаковые наземные трассы с разнесенными в инерциальном пространстве относительно друг друга на (360/N)° долготами восходящих узлов, с одинаковыми временами прохождения точек орбиты с одинаковыми значениями истинных аномалий для всех искусственных спутников.
Заявленная система за счет другого орбитального периода искусственных спутников и другого их расположения на орбите сохраняет свои характеристики и позволяет выполнять целевую задачу меньшим числом спутников.
Все это позволяет путем варьирования положения орбитальных плоскостей относительно Солнца выбрать любое местное время прохождения какой-либо точки орбиты, например, апогея над определенной географической областью и обеспечить стабильное местное время перерывов наблюдения.
Требуемое местное время прохождения апогея орбиты или любой другой ее точки может быть обеспечено выбором времени старта при начальном выведении спутников на орбиту и/или соответствующими маневрами спутников.
В этом случае момент старта отстоит от местного времени на величину времени полета до первого прохождения апогея целевой орбиты за вычетом целых суток. Это время полета включает время выведения ракетой носителем на начальную орбиту и время межорбитального перелета с начальной на целевую орбиту.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг.1 - изображает пример трассы для заявленной спутниковой системы с одним искусственным спутником
Фиг.2 - изображает пример трассы для заявленной спутниковой системы с двумя искусственными спутниками и их взаимное расположение на орбите
Фиг.3 - изображает пример трассы для заявленной спутниковой системы с тремя искусственными спутниками и их взаимное расположение на орбите
Фиг.4 - изображает распределение местных времен наблюдения района с произвольной долготой на широте 55° с.ш. для орбиты «Молния» на годовом интервале
Фиг.5 - изображает распределение местных времен наблюдения района с произвольной долготой на широте 55° с.ш. для заявленной спутниковой системы с одним искусственным спутником на годовом интервале
Фиг.6 - изображает пример интервалов возможных наблюдений на годовом периоде для заявленной системы с одним спутником для определенной долготы центра наблюдаемого района на широтах 45°, 55°, 65° с.ш.
Фиг.7 - изображает пример интервалов возможных наблюдений на годовом периоде для заявленной системы с одним спутником для долготы, смещенной на 45° от центра наблюдаемого района на широтах 45°, 55°, 65° с.ш.
Фиг.8 - изображает пример интервалов возможных наблюдений на годовом периоде для заявленной системы с двумя спутниками для определенной долготы центра наблюдаемого района на широте 55° с.ш.
Фиг.9 - изображает пример интервалов возможных наблюдений на годовом периоде для заявленной системы с двумя спутниками для долготы, смещенной на 45° от центра наблюдаемого района на широте 55° с.ш.
Фиг.10 - изображает пример интервалов возможных наблюдений на годовом периоде для заявленной системы с тремя спутниками для определенной долготы центра наблюдаемого района на широте 55° с.ш.
На фигурах используются следующие обозначения:
1: наземная трасса для заявленной спутниковой системы с одним искусственным спутником
2: наземные трассы для заявленной спутниковой системы с двумя искусственными спутниками
3: наземные трассы для заявленной спутниковой системы с тремя искусственными спутниками
4: точка пролета апогея орбиты
5: граница интервалов с углом возвышения Солнца более 10°
6: интервалы возможных наблюдений определенного района первым спутником системы
7: интервалы возможных наблюдений определенного района вторым спутником системы
8: интервалы возможных наблюдений определенного района третьим спутником системы
H
m
c
c
m
s
Заявленная система спутниковой связи с использованием эллиптических орбит содержит один или несколько искусственных спутников (1≤N≤7). Для повышения устойчивости системы и снижения затрат топлива на эксплуатацию выбрано критическое наклонение i орбиты, равное 63.4°. Аргумент перицентра выбран равным -90° для обеспечения наблюдения и связи в Северном полушарии. Рассмотрим некоторый район наблюдения. Пусть центр района имеет географическую долготу λ и соответствующую шкалу местного времени t. Предположим, мы имеем некоторую высокоэллиптическую орбиту с орбитальным периодом кратным продолжительности солнечных суток Т≈T/k=86400 /k, где: k - кратность орбиты по солнечным суткам, T - длительность солнечных суток. Тогда КА на такой орбите будет находиться в апогее своей орбиты через k - витков в одно и то же местное время района наблюдения t, например, в местный полдень. Очевидно, что у такой орбиты за счет различия между солнечными и звездными сутками трасса орбиты будет от суток к суткам иметь дрейф по долготе. Следует отметить, что для сохранения одного и того же значения местного времени пролета апогея орбиты необходимо учесть поправки к драконическому периоду, связанные с прецессией плоскости орбиты.
На фиг.1 представлен пример трассы для предлагаемой спутниковой системы связи и наблюдения, включающей один искусственный спутник. При этом искусственный спутник имеет орбитальный период Т=23.9998/1=23.9998 ч, обеспечивающий синхронизм с солнечными сутками.
На фиг.2 представлен пример трассы для предлагаемой спутниковой системы связи и наблюдения, включающей 2 искусственных спутника. При этом каждый искусственный спутник размещен на собственной эллиптической орбите и орбиты всех искусственных спутников имеют одинаковый орбитальный период Т=23.9998/2=11.9993 ч, обеспечивающий синхронизм с солнечными сутками. Искусственные спутники имеют одну и ту же трассу на поверхности Земли со сдвигом времени пролета одной и той же точки орбиты (например, восходящего узла) равным ~12 часам.
На фиг.3 представлен пример трассы для предлагаемой спутниковой системы связи и наблюдения, включающей 3 искусственных спутника. При этом каждый искусственный спутник размещен на собственной эллиптической орбите и орбиты всех искусственных спутников имеют одинаковый орбитальный период Т=23.9998/3=7.9994 ч, обеспечивающий синхронизм с солнечными сутками. При этом, три искусственных спутника имеют одну и ту же трассу на поверхности Земли со сдвигом времени пролета одной и той же точки орбиты (например, восходящего узла) равным ~8 часам.
При использовании одномаршрутной спутниковой системы с синхронизмом со звездными сутками для непрерывного обзора областей в Северном полушарии с размером, сравнимым с территорией России требуется три спутника на 12-часовой орбите «Молния». При уменьшении количества спутников до двух возникают перерывы в обзоре, местные времена которых в течение года постоянно изменяются от ночных до полуденных часов. На фиг.4 показано распределение местных времен наблюдения района с произвольной долготой на широте 55° с.ш. для орбиты «Молния» на годовом интервале. Середины интервалов наблюдения (пунктирные линии) для каждого КА соответствуют точке апогея орбиты.
Использование заявленной системы обеспечивает практически те же самые характеристики обзора и более стабильное местное время перерывов с двумя искусственными спутниками. Выбором положения орбитальных плоскостей относительно Солнца может быть сформировано любое местное время прохождения, например, апогея орбиты. Для максимизации интервалов наблюдения в светлое время точка пролета апогея должна соответствовать местному полдню (см. фиг.5).
Для примера, рассматривалось наблюдение освещенных областей с широтами 45°-65° с.ш. (местные времена пролета апогеев соответствовали местному полдню, например, центральный регион Российской Федерации по шкале Московского Декретного Времени). Местные времена частей области, имеющих смещение по долготе от ее центра, будут отличаться. Однако, даже при относительно больших смещениях по географической долготе Δλ=±45° (или на±~3000 км по параллели 50° с.ш.), интервалы наблюдения соответствующие требованиям освещенности будут достаточно продолжительными. Принималось, что при наблюдении углы возвышения над местным горизонтом для КА должны быть не менее 20°, а для Солнца не менее 10°.
Моделирование показывает, что приемлемые результаты обеспечивают спутниковые системы, имеющие N=k, т.е. для рассматриваемых орбит соответственно 1, 2 или 3 спутника. Особо отметим, что число спутников здесь меньше, чем в СС непрерывного обзора, где требуется соответственно 2, 3 или 4 спутника. Примеры интервалов возможных наблюдений на годовом периоде для заявленной системы с одним спутником представлены на фиг.6-7 (k=1, для определенной долготы центра района и отклонения по долготе на Δλ=+45°, широты 45°, 55°, 65° с.ш.). Двойными стрелками показаны границы интервалов наблюдений и времен восхода и захода Солнца с углом возвышения не менее 10° для соответствующих широт. Подобные графики для спутниковых систем из 2 спутников представлены на фиг.8-9 (k=2, широта 55° с.ш., для Δλ=0,+45°) и трех спутников - на фиг.10 (k=3, широта 55° с.ш.). Пунктирными линиями обозначены границы времен восхода и захода Солнца с углом возвышения не менее 10°.
Видно, что односпутниковая система с периодом ~24 часа (фиг.6) практически полностью обеспечивает наблюдения в светлое время в окрестности долготы центра района широт 55°-65° с.ш. Для отклонений по долготе Δλ=±45° эти характеристики несколько ухудшаются (фиг.7). Для двухспутниковых систем с 12 часовым периодом имеются по два ежесуточных перерыва (фиг.8-9), а в системе с тремя КА соответственно по три перерыва (фиг.10). Отметим, что эти перерывы могут быть произвольным образом сдвинуты по местному времени, в зависимости от поставленной задачи.