СПОСОБ И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ГРУППОЙ, ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ, ИЗ ДВУХ СПУТНИКОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОБСЛУЖИВАНИЯ НА ГЕОСТАЦИОНАРНОЙ ОРБИТЕ, ПРЕДОСТАВЛЯЮЩИХ УПОМЯНУТОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ НА НЕГЕОСТАЦИОНАРНОЙ ОРБИТЕ
METHOD AND SYSTEM FOR CONTROL OF GROUP, AT LEAST, OF TWO SATELLITES INTENDED FOR PROVIDING SERVICE ON GEOSTATIONARY ORBIT, PROVIDING SAID SERVICE ON NON-GEOSTATIONARY ORBIT

Изобретение относится к способу управления группой, по меньшей мере, из двух спутников, предназначенных для обеспечения обслуживания на геостационарной орбите, предоставляющих упомянутое обслуживание на негеостационарной орбите.
Эксплуатационная готовность обслуживания, предоставляемого космической системой, содержащей множество спутников, является строгим и дорогостоящим критерием.
Хорошо известны спутники, предназначенные для использования на геостационарных орбитах, содержащие так называемые холодные поверхности, снабженные теплообменниками, давая возможность ограничить нагревание спутника. Однако эти геостационарные спутники непригодны для предоставления обслуживания, требующего негеостационарной орбиты.
Одной целью изобретения является преодоление вышеописанных проблем.
В соответствии с одним аспектом изобретения, предложен способ управления группой, по меньшей мере, из двух спутников, предназначенных для обеспечения обслуживания на геостационарной орбите, предоставляющих упомянутое обслуживание на негеостационарной орбите, при осуществлении которого средства, обуславливающие рабочие параметры упомянутого обслуживания и установленные на борту одного спутника, деактивируют, когда Солнце может повредить их, а средства, обуславливающие рабочие параметры упомянутого обслуживания и установленные на борту другого спутника группы, активируют, когда это необходимо для непрерывности обслуживания.
Таким образом, посредством изобретения можно использовать геостационарные спутники известной конструкции на негеостационарных орбитах, что делает возможной экономию весьма значительных затрат на разработку.
В соответствии с одним вариантом осуществления, управление положением спутника в пространстве проводят с учетом мгновенного положения Солнца, так что положение спутника в пространстве временно изменяют, когда его может повредить Солнце.
Таким образом, Солнце не повреждает спутник, а его полезная нагрузка (полезные нагрузки) может быть использована в течение большего времени.
В одном варианте осуществления, упомянутое управление положением в пространстве содержит непрерывное пилотирование по углу рыскания или «управление по рысканию», так что положение спутника в пространстве непрерывно изменяют, когда Солнце может повредить его, а потом, когда Солнце больше не создает риск повреждения спутника, управление положением в пространстве еще раз изменяют, так что ориентация спутника снова возвращается к нормальной ориентации на целевую географическую область, в пределах которой надлежит предоставлять упомянутое обслуживание.
Следовательно, такие временные изменения режима управления положением в пространстве обеспечивают более длительное использование функций спутника на его орбите, вследствие чего, например, полезная нагрузка спутника будет работать на протяжении большего участка орбиты, что увеличивает эксплуатационную готовность.
В соответствии с одним вариантом осуществления, упомянутое обслуживание, предоставляемое группой спутников, является формированием изображения географической области Земли, при котором средства, обуславливающие рабочие параметры упомянутого обслуживания и установленные на борту спутника, активируют со сдвигом по времени между упомянутыми спутниками в связи с характерной для спутника длительностью фотосъемки.
Таким образом, чтобы получить более частые изображения, фотосъемку начинают на одном спутнике, потом фотосъемку того же региона начинают на следующем спутнике, когда предыдущий спутник уже сохранил участок изображения.
В одном варианте осуществления, если группа содержит два спутника, фотосъемку географической области одним спутником начинают, когда другой спутник завершил половину фотосъемки упомянутой географической области.
Таким образом, изображения получаются с удвоенной частотой.
В соответствии с одним вариантом осуществления, когда Солнце не создает риск повреждения упомянутых спутников, управление упомянутыми спутниками осуществляют так, что в каждое мгновение обслуживание, предоставляемое для географической области, предоставляется лишь одним из упомянутых спутников.
Таким образом, появляется возможность использовать орбиты с меньшим наклоном, а значит - те, которых запускаемому космическому аппарату проще достичь, что также делает возможной экономию затрат на запуски спутников.
В соответствии с еще одним аспектом изобретения, также предложена система для управления группой, по меньшей мере, из двух спутников, предназначенных для предоставления обслуживания на геостационарной орбите, предоставляющих упомянутое обслуживание на негеостационарной орбите, отличающаяся тем, что она содержит средство управления, подходящее для деактивации средств, обуславливающих рабочие параметры упомянутого обслуживания и установленных на борту одного спутника, когда Солнце может повредить их, и активации средств, обуславливающих рабочие параметры упомянутого обслуживания и установленных на борту другого спутника группы, когда это необходимо для непрерывности обслуживания.
Изобретение станет понятнее при изучении нескольких вариантов осуществления, описываемых в качестве неограничительных примеров и иллюстрируемых на прилагаемых чертежах, при этом:
фиг.1 схематически иллюстрирует систему и способ управления в соответствии с предшествующим уровнем техники; и
фиг.2 схематически иллюстрирует систему и способ управления в соответствии с одним аспектом изобретения.
На разных чертежах элементы, которые имеют идентичные условные обозначения, являются одинаковыми.
Фиг.1 схематически иллюстрирует обычный способ управления группой, по меньшей мере, из двух спутников, в этом случае - спутников S1 и S2, предназначенных для предоставления обслуживания на негеостационарной орбите.
Без учета ограничений, накладываемых Солнцем, управление группой спутников обычно осуществляется симметрично, как изображено на фиг.1, поскольку спутники предназначены для работы на запланированной орбите.
В представленном примере, данные первого спутника S1 могут ретранслироваться вторым спутником S2 (оба они принадлежат группе спутников), когда они находятся соответственно в положениях P1 и P2 орбиты, на которой первый спутник S1 и второй спутник S2 одновременно обеспечивают охват географической области ZG, для которой следует предоставить обслуживание.
Как вариант, можно также разделить область ZG на две, например - Z1 и Z2, границу которых можно изменять и которые соответствуют горизонту видимости, достигаемому одним из спутников, и осуществить постепенный переход, во время которого, например, первый спутник S1 в положении P11 обеспечивает охват подобласти Z1, а второй спутник S2 в положении P22 обеспечивает охват подобласти Z2, что позволяет спутникам работать на большем участке орбиты.
Возможно наличие спутниковых приборов или полезных нагрузок, которые разработаны для некоторой заданной орбиты, и было бы желательно повторно использовать их на другой орбите. В частности, это распространенное решение в случае спутников, изначально разработанных для геостационарной орбиты, потому что на этой орбите имеется много спутников и вариантов обслуживания.
Когда есть желание использовать спутники, предназначенные для использования на геостационарной орбите, на негеостационарной орбите, например, на наклонной орбите, имеющей больший эксцентриситет, то накладываются различные ограничения, делающие полезные нагрузки спутников неработоспособными в некоторые моменты времени и/или на некоторых участках орбиты. Одним из этих важных ограничений является относительное положение Солнца - по отношению к полезным нагрузкам спутников.
Данное изобретение делает возможным повторное использование  без адаптации или с весьма незначительными адаптациями полезных нагрузок, например полезных нагрузок для наблюдения, изначально предназначенных для геостационарной орбиты, таким образом, что их можно использовать для негеостационарной орбиты, например наклонной орбиты с большим эксцентриситетом.
В отличие от геостационарной орбиты, другие орбиты, например наклонные орбиты с большим эксцентриситетом, явно отличаются весьма разными условиями экспонирования солнечным освещением. В случае геостационарной орбиты, Солнце движется вокруг спутников, оставаясь вблизи одной и той же плоскости, тогда как на негеостационарной орбите, такой как наклонная орбита с большим эксцентриситетом, видимое движение Солнца, хотя и медленное, позволяет ему успешно освещать большинство поверхностей спутников, которые обычно несовместимы с радиаторами охлаждения полезной нагрузки, предназначенной для геостационарной орбиты, которые никогда не должны подвергаться освещению Солнцем.
Данное изобретение делает возможным повторное использование спутников, предназначенных для геостационарных орбит, на негеостационарных орбитах, например в случае флота или группировки спутников, с использованием, в качестве примера обслуживания, передачи функции формирования изображения, конкретным признаком которой является то, что она несимметрична, как изображено в примере согласно фиг.2.
Известны передачи обслуживания, такого как осуществление формирования изображения, от одного спутника к другому из группы спутников, которые обычно являются симметричными, поскольку они определяются только как функция относительной геометрии наблюдения, при этом последовательные спутники обслуживают одну и ту же функцию в этой области. Вместе с тем, на негеостационарной орбите, например на наклонной эксцентрической орбите, положение Солнца, являющееся изменяющимся, нарушает симметрию и поэтому в некоторые моменты времени будет препятствовать работе полезной нагрузки на одном из спутников, но не на другом, потому что он не находится в том же орбитальном положении.
Тогда способ заключается в принятии решения о моменте передачи этой функции наблюдения в момент, когда солнечное освещение находится в точке прерывания работы полезной нагрузки активного спутника, предоставляющего обслуживание.
По выбору, активный спутник тогда может осуществлять изменение положения в пространстве во избежание воздействия Солнца на элементы спутника, например полезные нагрузки, которые могут быть повреждены Солнцем, такие как теплообменники.
Когда удовлетворяется одно из нижеследующих условий, управление положением спутников в пространстве предусматривает отказ от непрерывного пилотирования по углу рыскания или «управления по рысканию» и возврат к предыдущему режиму управления. Этот отказ имеет место, когда положение в пространстве, являющееся результатом управления по рысканию, становится несовместимым с работой элемента спутника (например, в случае радиоантенны, создающей формируемый луч, для которой область не должна быть симметричной, пилотирование по углу рыскания постепенно вносит поворот области охвата на земле, которая, в конечном счете, больше не будет иметь правильную форму, или даже в случае полезной нагрузки для наблюдения, при которой сканирование или последующая обработка больше не сможет компенсировать чрезмерный поворот цели из-за пилотирования по углу рыскания). Этот отказ также имеет место, когда спутник, о котором идет речь, покидает участок орбиты, откуда видна целевая область.
Этот принцип временного изменения пилотирования спутника в момент, когда появляется солнечное освещение, для которого ранее описаны критерии отключения, представляет собой новый способ, воплощающий отход от обычных соображений, связанных с геометрией наблюдения. Он дает возможность повторно использовать полезную нагрузку спутника для предоставления обслуживания, например обслуживания, связанного с наблюдением, изначально предназначенного для геостационарной орбиты, осуществляемого без модификации и поэтому недорогого, для негеостационарной орбиты, такой как орбита с большим эксцентриситетом.
Все соответствующие законы орбитальной механики в данном случае являются детерминистскими, иными словами, решение в связи с планированием передачи обслуживания от одного спутника к другому не должно приниматься в реальном времени, его можно совершенно спокойно рассчитывать и планировать заранее.
По выбору, незначительные модификации, такие, как адаптация противосолнечных заслонок вокруг теплообменников, позволяют полезной нагрузке работать дольше в начале низкого воздействия солнца и тем самым улучшить рабочие параметры, если это потребуется.
Фиг.2 схематически иллюстрирует примерный способ управления в соответствии с одним аспектом изобретения для группы, по меньшей мере, из двух спутников, в этом случае, двух спутников S1 и S2, предназначенных для обеспечения обслуживания на геостационарной орбите, используемых на негеостационарной орбите.
Область ZE орбиты спутников S1, S2 соответствует участку орбиты, на котором солнечное освещение может повредить аппаратуру спутника.
Команда передачи обслуживания с первого спутника S1 на второй спутник S2 отдается как раз перед тем, как спутник S1 заходит в область ZE орбиты, где солнечное освещение может повредить аппаратуру спутника. Тогда управление положением в пространстве первого спутника S1 осуществляется непрерывно с учетом мгновенного положения Солнца, так что положение спутника в пространстве временно изменяется, когда Солнце может повредить спутник. Затем, когда риска повреждения спутника S1 Солнцем больше нет, управление положением в пространстве еще раз изменяется, так что ориентация спутника S1 возвращается к нормальной ориентации на целевую географическую область ZG, в которой надлежит предоставить обслуживание. Таким образом, область ZE орбиты, в которой солнечное освещение может повредить компонент аппаратуры спутника, сокращается.
Управление положением в пространстве может содержать временное переключение на непрерывное пилотирование по углу рыскания, так что положение спутника в пространстве непрерывно изменяется, когда Солнце может повредить спутник. Отказ от этого режима временного пилотирования по углу рыскания происходит сразу же, как только удовлетворяется одно из двух вышеуказанных условий. Кроме того, можно также повысить эксплуатационную готовность системы спутников на негеостационарных орбитах посредством фазового сдвига моментов фотосъемки двумя спутниками S1, S2, которые имеют в виду одну и ту же географическую область ZG.
Когда обслуживание, предоставляемое группой спутников, представляет собой обслуживание, связанное с формированием изображения для географической области ZG Земли, средства, обуславливающие рабочие параметры упомянутого обслуживания и установленные на борту спутников S1 и S2, активируются со сдвигом по времени между упомянутыми спутниками, связанным с длительностью фотосъемки спутником.
Например, фотосъемка географической области ZG вторым спутником S2 начинается, когда первый спутник S1 завершил половину фотосъемки упомянутой географической области ZG.
Таким образом, ужесточается еще один критерий эксплуатационной готовности обслуживания, связанного с наблюдением, проводимого при расположении спутника на наклонной орбите с большим эксцентриситетом, который заключается в наиболее быстром по времени возможном повторении получаемых изображений.
Например, клиенту может понадобиться получение изображения всей целевой географической области ZG каждые десять минут, что накладывает требования непосредственно на размеры прибора для фотосъемки, как правило, со сканированием, в том смысле, что этот десятиминутный период накладывает ограничения на весь механизм сканирования целевой области и последующую скорость передачи данных изображения.
Изменение с десяти минут до пяти минут требует наложения ограничения на механизм сканирования, чтобы оно стало вдвое быстрее, а также вдвое более чувствительных соответствующих датчиков изображения (потому что они оказываются освященными лишь в течение половины прежнего времени), при этом от всей цифровой цепи радиопередачи требуется удвоение ее скорости передачи данных.
Посредством ранее описанного сдвига во времени, вносящего разделение в средства, обуславливающие рабочие параметры упомянутого обслуживания и установленные на борту спутников, создается возможность удвоения частоты наблюдения в течение значительной части времени наблюдения без необходимости наложения вышеописанных строгих ограничений.
Используется тот факт, что при обслуживании, связанном с наблюдением и проводимом при расположении спутников на наклонной орбите с большим эксцентриситетом, часто доступно некоторое количество спутников, два из которых обычно активны к моменту передачи функции формирования изображения. Тот факт, что одновременно доступны два спутника, делает возможным двукратное получение изображения целевой области.
Это предусматривает сдвиг операции формирования изображения таким образом, что начало получения изображения вторым спутником S2 происходит точно в средней точке цикла формирования изображения первого спутника S1: например, если цикл формирования изображения длится десять минут, первый спутник S1 начинает формирование изображения целевой области в момент t (и заканчивает в момент t+10 мин), а второй спутник S2 начинает свое формирование изображения в момент t+5 мин. Результатом является частота повторения изображения через каждые пять минут, даже несмотря на то, что оба прибора способны обеспечить частоту повторения изображения лишь через каждые десять минут.
Эта удвоенная частота не обязательно является постоянно доступной (если только количество спутников не является достаточно большим), но остается весьма выгодной и, в зависимости, от уставок орбитальных параметров - может оказаться действительной в течение значительной части времени наблюдения даже в случае минимума - двух спутников S1 and S2.
Кроме того, когда Солнце не создает риск повреждения спутников, можно также управлять спутниками таким образом, что в каждый момент времени обслуживание, предоставляемое для географической области, предоставляется лишь одним из упомянутых спутников.
Кроме того, как вариант, данные первого спутника S1 могут ретранслироваться вторым спутником S2, когда они находятся в положениях Р11 и Р22, соответственно, если географическая область ZG, которую надо охватить обслуживанием, разделена на две секции Z1 и Z2 (каждая из которых - вследствие этого - меньше, чем вся область ZG), причем первая секция назначается первому спутнику S1, а вторая назначается второму спутнику S2.
Разделение географической области ZG на секции имеет особенность, заключающуюся в том, что первый участок Z1, назначенный первому спутнику S1, предпочтительно состоит из элемента целевой области ZG, который находится на стороне, куда ориентирован первый спутник S1 (участка площади поверхности, являющегося «ближайшим» к первому спутнику SI).
Другой участок Z2 составляет дополнение первого участка Z1 в целевой области ZG, и законы орбитальной механики предписывают, чтобы этот второй участок Z2 был в силу симметрии лучше расположенным для наблюдения посредством второго спутника S2.
Как пояснялось ранее, осуществляется постепенное переключение, т.е. области Z1 и Z2 непрерывно изменяются во времени.
Таким образом, что касается критического момента изменения спутника, предоставляющего обслуживание, например обслуживание, связанное с наблюдением, возможно смягчение ограничения видимости целевой области ZG за счет обеспечения для каждого спутника целевой области (т.е. участка Z1 или Z2), временно меньшей, в конкретный момент времени, когда наблюдение становится затруднительным, поскольку дальнейшее идеальное размещение спутников оказывается больше невозможным: первый из них готов покинуть участок орбиты, на котором ему задавали целевую область, а второй как раз начинает вхождение на тот участок, еще не имея возможности наблюдать всю область ZG. Кроме того, оба последовательных спутника S1 и S2, не нарушая непрерывность обслуживания, могут отходить друг от друга, и это означает, например, что суммарное количество спутников, необходимых для непрерывности наблюдения, можно уменьшить, а еще  в качестве альтернативы можно выбирать орбиты, на которых условия наблюдения целевой области ZG являются менее жесткими и которые при использовании обычного способа не смогли бы обеспечить непрерывность обслуживания, тогда как за счет предлагаемых вышеописанных мер непрерывность обслуживания возможна по всей целевой области ZG.
Спутники S1 и S2, которые ранее должны были следовать друг за другом, находясь в положениях Р1 и Р2, соответственно, теперь могут отодвигаться дальше друг от друга до тех пор, пока не окажутся в положениях P11 и P22 соответственно.
Кроме того, секции Z1 и Z2 могут изменяться со временем в течение этой передачи функции формирования изображения от одного спутника S1 к другому S2.
Что касается группировки спутников, включающей в себя более двух спутников, то можно аналогичным образом определить разделение целевой области ZG на три или более секций в связи с тем, сколько спутников входят в зону видимости или находятся в точке выхода из зоны видимости целевой области ZG.
Результат этого способа заключается в том, что продлевается «полезный» участок орбиты, обеспечивая более раннее начало обслуживания спутником, такого как фотосъемка, чем в случае, если бы понадобилось ждать достижения полной видимости целевой области ZG, и симметрично окончания обслуживания спутником, расположенным дальше на орбите: следовательно, в целом, достигается лучший охват целевой области ZG.
Таким образом, охват для заданной орбиты увеличивается, но в определяющей фазе полета можно, в отличие от вышеизложенного, использовать это для «смягчения требований» к орбите, иными словами, для использования категорий орбит, которые ранее оказывались бы неподходящими. Таким образом, появляется возможность использовать орбиты с меньшим наклоном, которых вследствие этого проще достичь запускаемому космическому аппарату и которые также обеспечивают экономию затрат на запуски спутников.