Способ поддержания функционирования спутниковой системы непрерывного глобального обзора околоземного космического пространства - RU2705030C2

Чертежи

Описание

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 (l - кратного, τ - периодичного) обзора областей (слоев) околоземного космического пространства при помощи бортовой аппаратуры с заданными полями обзора (θ), дальностью действия, с учётом 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., «Машиностроение». 2012. Глава 2.5. Спутниковые системы (под ред. Ю.Н. Разумного), с.180-183 [1].

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_хар), 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°), причём с нижнего яруса спутники наблюдают космические объекты, находящиеся выше этого яруса, а с верхнего яруса - космические объекты, находящиеся ниже верхнего яруса.

СС, подобная [3] и рассматриваемая в рамках предлагаемого изобретения, содержит два яруса 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).

Должны быть обеспечены заданные кратность и периодичность обзора сферического слоя, при этом параметры орбитального построения СС получаются из условия минимума суммарной характеристической скорости (V^Σ_хар → min), требуемой для выведения спутников в их рабочие точки на орбитах верхнего и нижнего ярусов.

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_k- число спутников в ярусе, Р_k - число плоскостей их орбит и F_k ∈[0, Р_k-1] - коэффициент расфазировки спутников в соседних плоскостях.

Т.о., орбитальное построение каждого яруса СС можно кратко характеризовать четвёркой: w_k ≡ N_k/Р_k/F_k/i_k- так наз. параметров Уолкера (J. Walker) и наклонением i_k. Для полноты следует добавить: Н₁, Н₂- высоты нижней и верхней границы обозреваемого сферического слоя, а также Н_L, Н_U- высоты орбит спутников нижнего и верхнего ярусов. Ясно, что Н_L1 < H₂ < Н_U. Это можно обозначить четвёркой Н ≡ Н_L/H₁/H₂/Н_U. Если СС имеет только один ярус, то можно условно положить: Н≡0/H₁/H₂/Н_U (только верхний ярус) или Н ≡ Н_L/H₁/H₂/0 (только нижний ярус).

Решение задачи оптимизации СС состоит в определении оптимального w= (w₁, w₂) при заданном Н (при одном ярусе одна из w_k - условно нулевая). Всё множество оптимальных СС можно символически представить в виде графика {W, Н }, где все параметры в скобках считаются оптимальными.

Проектно-баллистические исследования описанной выше СС обзора выявляют наличие достаточно широких областей {W, Н }, где наилучшей из оптимальных СС является двухъярусная СС. Её особенностью является наличие всего двух спутников наблюдения в верхнем ярусе при больших высотах этого яруса, т.е. w₂=2/1/0/ i₂при Н_U= 40 000 ... 60 000 км. При этом высота нижнего яруса может меняться в широком диапазоне: Н_L= 300 ... 4000 км.

Спутники верхнего яруса находятся далеко от Земли, в области более жёстких условий космической среды и более сильных лунно-солнечных возмущений (что требует специфических, постоянно действующих систем коррекции орбиты), так что их выход из строя можно ожидать с относительно высокой вероятностью - если только не добиваться повышенной надёжности и долгосрочности (а, значит, больших массы и стоимости) этих спутников.

Известный способ резервирования высокоорбитальных (например, геостационарных) спутников предполагает выведение спутников резерва в окрестность рабочих точек орбиты и перевод их в «спящий» режим - см., например, RU 2558530 С2, 10.08.2015 [4]. Однако это требует значительных затрат - тем более, что и в «спящем» режиме необходим расход ресурсов (в т.ч. на коррекцию орбиты).

Выведение высокоорбитальных спутников, заменяющих вышедшие из строя, с Земли, является весьма энергоёмким.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является разработка такого способа поддержания функционирования оптимальной двухъярусной СС непрерывного глобального обзора околоземного космического пространства в виде сферического слоя, который использовал бы особенности структуры данной СС для эффективного восстановления её работоспособности.

Техническим результатом изобретения является обеспечение оперативности и экономии затрат на восстановление работоспособности указанной СС в случае выхода из строя спутников наблюдения верхнего яруса.

Решение поставленной задачи, с получением указанного технического результата достигается тем, что предлагаемый способ поддержания функционирования описанной выше СС непрерывного глобального обзора, содержащей два яруса спутников наблюдения, снабжённых единообразной аппаратурой с одинаковыми полями и достаточной дальностью обзора, причём нижний ярус расположен под нижней границей указанного сферического слоя, а верхний - над верхней границей указанного сферического слоя, включает замену вышедших из строя спутников путём выведения в область их рабочих орбит исправных спутников, при этом в случае выхода из строя одного или более спутников верхнего яруса выводят взамен им один или более исправных спутников нижнего яруса на орбиту, близкую по параметрам к орбите указанных вышедших из строя спутников, но большей высоты, поддерживая заданные кратность и периодичность обзора указанного сферического слоя.

При необходимости, после вывода спутников нижнего яруса взамен вышедших из строя спутников верхнего яруса корректируют наклонение орбит и коэффициент расфазировки оставшихся спутников нижнего яруса, а избыточные для вновь образованной двухъярусной СС спутники нижнего яруса переводят в «спящий» режим или используют для наблюдения дополнительных зон околоземного пространства.

Предпочтительно часть спутников, выводимых на орбиты нижнего яруса, оснащают дополнительными средствами для их перевода на орбиты верхнего яруса и функционирования на орбитах верхнего яруса.

Сущность изобретения можно пояснить таким образом, что здесь спутники нижнего яруса выступают по сути в качестве горячего резерва для спутников наблюдения верхнего яруса (аппаратура наблюдения и многие другие системы у всех спутников одинаковы). Этим достигаются оперативность и экономия энергетики (т.е. V_хар) для восстановления работоспособности СС (т.к. увеличение высоты орбиты верхнего яруса относительно небольшое).

Одновременно, оставшееся число спутников нижнего яруса оказывается достаточным (и даже 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.

Фиг. 3 - зависимость энергетики ΣV построения СС от высоты нижнего яруса Н_L при: l =1, H₁=10000, H₂=40000 км, β=35°, D = 60000 км, Н_U= 61000 км

Лучший вариант осуществления изобретения

Способ согласно изобретению используется для поддержания функционирования двухъярусной СС, содержащей один нижний: 1,2, ... N₁, и один верхний: 1', 2', ... N₂ - ярусы спутников наблюдения, снабжённых единообразной аппаратурой с одинаковыми полями (2β) и достаточной дальностью (D) обзора, причём нижний ярус расположен под нижней границей Н₁обозреваемого сферического слоя, а верхний - над верхней границей H₂. Сферический слой условно разделён 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).

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^Σ_хар → min), требуемой для выведения спутников в их рабочие точки на орбиты нижнего и верхнего ярусов.

На фиг.3 дан пример, показывающий преимущество 2-ярусной СС перед 1-ярусными. На графиках обозначено:

ΣV₁₁ - суммарная характеристическая скорость (энергетика) 2-ярусной системы.

ΣV₁₀ - суммарная характеристическая скорость (энергетика) 1-ярусной системы (только верхний ярус).

ΣV₀₁ - 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 верхнего яруса, с нижнего яруса выводят на орбиты верхнего яруса большей высоты один или два спутника наблюдения, восстанавливая орбитальное построение w₂ ≡ 2/ 1/ 0 / i₂(два спутника в одной плоскости с произвольным наклонением).

Во вновь образованной, близкой к оптимальной двухъярусной СС обеспечены заданные кратность и периодичность обзора сферического слоя, причём оставшееся число спутников нижнего яруса в этой новой СС может оказаться больше, чем в близкой к ней оптимальной (всмысле V^Σ_хар → 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 двухъярусных СС имеются близкие по структуре СС. Например, для обозреваемого слоя: Н₁ = 5000 км, Н₂= 35000 км можно указать множество таких СС, находящихся между крайними СС для диапазона высот Н_U = 45000-50000 км:

w = (82/41/34/74.9, 2/1/0/i₂) при Н ≡ 3000/5000/35000/45000

w¹ = (76 /38/31 /74.1, 2/1 /0/i₂) при Н ≡ 3000/ 5000/35000/50000

или - между крайними CС для диапазона высот Н_U=40000-45000 км:

w = (81 /81/37/74.2, 2/1/0/i₂) при Н ≡ 2000/5000/35000/40000

w¹= (75 /75 /34 /73.4, 2/1/0/i₂) при Н ≡ 2000/ 5000/35000/45000 и т.д.

Как видно из этих наглядных примеров, при удалении с нижнего яруса СС (w) нескольких (в частности, шести) спутников и перевода их на верхний ярус СС (w¹) орбитальное построение СС практически не изменяется: немного отличаются лишь наклонения орбит нижнего яруса (74.9 ... 74.1 или 74.2 ... 73.4).

Корректировка наклонения, в случае повышенных энергозатрат (из-за большого числа спутников нижнего яруса) может быть заменена сохранением избыточных спутников нижнего яруса СС (w¹) в активном режиме (при допущении тем самым некоторой неоптимальности этой вновь образованной СС).

Некоторые из спутников, выводимых на орбиты нижнего яруса (при построении исходной СС), заранее могут оснащаться дополнительными средствами (перигейно-апогейными двигателями, резервной аппаратурой, специальными служебными системами) для их перевода на орбиты верхнего яруса и функционирования на орбитах верхнего 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.