СПОСОБ НАБЛЮДЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПЛАНЕТЫ ИЗ КОСМОСА И КОСМИЧЕСКАЯ СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЭТОГО СПОСОБА Российский патент 2014 года по МПК B64G1/10 G05D1/00 G01C11/00 

Область техники

Изобретения относятся к построению информационных космических спутниковых систем (СС) достаточно широкого класса: мониторинга, навигации, связи и др.

Такие СС обеспечивают наблюдение или обзор (непрерывный или периодический) поверхности планеты, прежде всего Земли, с целью организации потока информации между наземными объектами (пользователями) и СС. Данные объекты должны быть в поле зрения соответствующей спутниковой аппаратуры (как и сами спутники - в зоне видимости объектов).

Вдоль трасс спутников, в зависимости от характеристик их аппаратуры и специальных требований, образуются более или менее широкие полосы обзора поверхности планеты, множество которых определяет тип (непрерывный, периодический) и качество наблюдения (кратность покрытия, периодичность наблюдения и др.) областей заданного широтного пояса.

При оптимизации СС наблюдения (минимизации числа спутников и/или ширины полосы обзора, а также энергозатрат на коррекцию их орбит) следует учитывать возмущения кеплеровских орбит спутников вследствие, прежде всего (для низких орбит ~ 100…10000 км), нецентральности гравитационного поля планеты. Одним из наиболее существенных возмущений, в случае сплюснутой планеты, является вековое изменение долготы восходящего узла (регрессия линии узлов), что выражается в прецессии плоскостей орбит в экваториальном направлении.

Различные скорости прецессии (Ω′) плоскостей орбит спутников могут приводить к изменению (разрушению) структуры СС наблюдения.

Предшествующий уровень техники

Традиционно способы наблюдения поверхности планеты осуществляются СС, при построении которых спутники выводят на одну или несколько одинаковых (с одними и теми же параметрами a, e, i - большой полуосью, эксцентриситетом и наклонением) орбит, распределяя некоторым образом спутники вдоль каждой из орбит (обычно круговой), а плоскости орбит - вдоль экватора, т.е. по долготе восходящего узла.

Такие способы и реализующие их СС описаны в патентах [1] RU 2076059 C1, [2] RU 2118273 C1, [3] RU 2075862 C1, [4] 2058917 C1 и др. В [1]-[4] использованы кратные геосинхронные орбиты, наклонение (i) которых зависит от периодов обращения спутников по орбите и эффективного суточного вращения Земли.

Путем указанного выбора наклонения и кратностей геосинхронных орбит можно оптимизировать СС наблюдения, как замечено выше. Однако дальнейшему совершенствованию СС препятствует следующее обстоятельство.

Взаимное расположение полос обзора спутников с орбитами одного и того же наклонения меняется по широте: на экваторе они максимально отстоят друг от друга, а в верхних широтах сближаются (или даже перекрываются). Т.о., критическое значение ширины полосы обзора спутников (или критическое число спутников при фиксированной ширине полосы обзора), выбранное по нижней широте, оказывается избыточным для верхних широт.

Из геометрических соображений также ясно, что полосы обзора располагаются на поверхности планеты тем плотнее (ближе друг к другу), чем меньше наклонение (i) орбит спутников наблюдения - при фиксированных ширине полосы обзора и распределениях спутников вдоль орбиты и плоскостей орбит - вдоль экватора. Однако величина i ограничена снизу верхними широтами наблюдаемого заданного широтного пояса (φ_в~70…80°), так что улучшить ситуацию единственно за счет орбит малого наклонения нельзя.

Т.о., общим недостатком известных способов и СС наблюдения поверхности планеты является неоднородность по широте условий наблюдения (плотности покрытия) спутниками поверхности планеты, что препятствует уменьшению числа спутников в СС и/или ширины полосы обзора.

Решением проблемы, как следует из вышеизложенного, может служить выбор наклонения орбит спутников в зависимости от широты (φ) наблюдения, т.е. i=i(φ), при обеспечении синхронности прецессии плоскостей всех орбит: Ω′_j=const, где j=1, 2 … m - число плоскостей орбит (последнее - для исключения недопустимых изменений структуры СС).

Известны "многоярусные" СС, спутники которых имеют орбиты с разным наклонением и, соответственно, с разными высотами (в более общем случае - разными a, e) и одинаковой скоростью регрессии линии узлов - см, напр., патенты [5] US 5999127 A, [6] US 5979832 A и [7] US 6892986 B2. Однако данные CC не решают задачи оптимизации наблюдения поверхности планеты путем задания наклонения спутниковых орбит в определенной зависимости от широты наблюдения.

Анализ уровня техники показал, что в качестве ближайших аналогов предлагаемых изобретений могут быть приняты способ и космическая CC наблюдения поверхности планеты из космоса [1], где осуществляют выведение искусственных спутников на околопланетные орбиты с ненулевым наклонением и обзор заданного широтного пояса поверхности планеты этими спутниками с помощью их бортовых средств.

Недостатком известных способа и CC [1] является, как отмечено выше, неоднородность по широте условий наблюдения (плотности покрытия) спутниками поверхности планеты, чем ограничивается эффективность CC наблюдения (в смысле ее оптимальности в отмеченном выше смысле).

Сущность изобретения

Задачей настоящих изобретений является создание способа наблюдения поверхности планеты из космоса, лишенного указанных недостатков известных аналогичных способов (и реализующих их CC).

Техническим результатом изобретений является повышение эффективности CC наблюдения путем уменьшения неоднородности по широте условий наблюдения спутниками поверхности планеты.

Решение поставленной задачи с получением указанного технического результата достигается тем, что, в отличие от известного способа [1], спутники для обзора области указанного широтного пояса с более низкими широтами выводят на орбиты с наклонением меньшим, чем наклонение орбит, на которые выводят спутники для обзора области с более высокими широтами, причем последними из упомянутых спутников осуществляют также обзор областей с указанными более низкими широтами, а орбиты всех спутников выбирают с одинаковой скоростью регрессии линии узлов.

Практически, указанные области с более низкими и более высокими широтами являются широтными поясами из числа тех, на которые разбит указанный заданный широтный пояс поверхности планеты.

В простейшем случае заданный широтный пояс поверхности планеты может быть разбит по меньшей мере на два смежных широтных пояса (от низших до средних широт и от средних до высших широт).

При этом, как и в известных способах, плоскости орбит спутников для обзора по меньшей мере одной из указанных областей с более низкими или более высокими широтами могут быть разнесены по долготе восходящего узла, а сами спутники - сдвинуты вдоль орбит по аргументу широты.

В предпочтительном варианте орбиты спутников могут быть выбраны близкими к круговым, причем спутники для обзора области с более низкими широтами имеют среднюю высоту орбит иную, чем спутники для обзора области с более высокими широтами.

Решение поставленной задачи с получением указанного технического результата достигается также тем, что, в отличие от известной СС [1], орбиты спутников для обзора области указанного широтного пояса с более низкими широтами имеют наклонение меньшее, чем наклонение орбит спутников для обзора области с более высокими широтами, причем орбиты всех спутников выбраны с одинаковой скоростью регрессии линии узлов.

Предпочтительно все искусственные спутники снабжены идентичными средствами обзора заданного широтного пояса (хотя, вообще говоря, эти средства могут быть дифференцированы по широтным областям).

Плоскости орбит спутников для обзора по меньшей мере одной из указанных областей с более низкими или более высокими широтами могут быть разнесены по долготе восходящего узла, а сами спутники - сдвинуты вдоль орбит по аргументу широты.

Орбиты спутников могут быть выбраны близкими к круговым, причем спутники для обзора области с более низкими широтами имеют среднюю высоту орбит иную, чем спутники для обзора области с более высокими широтами.

В простейшем случае орбиты спутников могут быть выбраны при условии, что заданный широтный пояс поверхности планеты разбит на два смежных широтных пояса, из которых один является областью более высоких широт (орбиты большего наклонения), а другой - областью более низких широт (орбиты меньшего наклонения).

Сущность изобретений можно пояснить следующим образом.

Во-первых, равномерность плотности покрытия указанных широтных областей (поясов) обеспечивается указанным в формуле выбором наклонений соответствующих орбит. При этом для покрытия высоких широт используются участки орбит большего наклонения, достаточно удаленные от экватора, а для покрытия низких широт используются, полностью или частично, орбиты малого наклонения, а также участки орбит большего наклонения, менее удаленные от экватора.

Во-вторых, следствием получаемой равномерной плотности покрытия является более эффективный «вклад» каждого из спутников в покрытие широтных поясов (областей) и, как следствие, уменьшение потребного числа спутников и/или потребной ширины полосы обзора спутников.

В-третьих, при заданном числе спутников и фиксированной ширине полос обзора спутников обеспечение равномерной плотности покрытия широтных поясов (областей) позволяет улучшить характеристики функционирования информационных спутниковых систем - уменьшить периодичность обзора для СС мониторинга, повысить точность навигационного поля для навигационных СС, уменьшить среднее время ожидания связи абонентов для СС связи и др.

Перечень фигур

Фигура 1. Двухспутниковая космическая система, построенная по традиционной схеме, в соответсвии с известными способами, на орбитах с одинаковыми значениями высоты H=3000 км и наклонением i=71° для обоих спутников: 1 - орбита первого спутника; 2 - орбита второго спутника; 3 - Земля; 4 - широтный пояс 0…70°, покрываемый обоими спутниками системы.

Фигура 2. Вид трасс полета на поверхности Земли для двух спутников системы, представленной на Фиг.1, в географических координатах «широта φ - долгота λ»: имеется высокая интенсивность «перекрытий» трасс в «верхних» широтах (40…70°) и, одновременно, низкая интенсивность перекрытий в «низких» широтах («дырки» в покрытиях).

Фигура 3. Двухспутниковая космическая система, построенная в соответствии с предлагаемымии изобретениями на двух орбитах с различными значениями высоты и наклонения, выбранных из условия одинаковой регрессии линии узлов обеих орбит: 1 - орбита с высотой H=3000 км и наклонением i=71° первого спутника, участвующего в покрытии «верхних» (40…70°) и «нижних» (0…40°) широт; 2 - орбита с высотой H=5545 км и наклонением i=41° второго спутника, участвующего в покрытии только «нижних» (0…40°) широт; 3 - Земля; 4 - широтный пояс 0…40°; 5 - широтный пояс 40…70°.

Фигура 4. Вид трасс полета на поверхности Земли для двух спутников системы, представленной на Фиг.3, в географических координатах «широта φ - долгота λ»: обеспечивается равномерная интенсивность перекрытий трасс в широтном поясе 0…70°.

Детальное описание изобретений

Существо предлагаемых изобретений поясняется нижеследующим детальным описанием примера их осуществления.

На Фиг.1 показана традиционная система из двух спутников, размещенных на орбите с высотой H=3000 км и наклонением i=71°. Орбиты двух спутников разнесены по долготе восходящего узла. Система из указанных двух спутников обеспечивает периодическое (разрывное) наблюдение широтного пояса 0…70°. На Фиг.2 показаны трассы данных спутников, формируемые в течение некоторого, достаточно продолжительного времени их функционирования. Из Фиг.2 видно, что при обеспечении покрытия заданного широтного пояса 0…70° в верхних широтах этого пояса, достаточно удаленных от экватора, наблюдается интенсивное перекрытие трасс спутников (а следовательно, и связанных с ними полос обзора), в то время как в нижних широтах этого пояса, рассположенных в непосредственной близости к экватору, перекрытие трасс (и полос обзора) имеет существенно меньшую интенсивность, приводящую к тому, что здесь имеют место «критические» случаи обзора, определяющие конечные суммарные характеристики наблюдения всего широтного пояса.

Одновременно на Фиг.3 показана система из двух спутников, предназначенная для наблюдения того же широтного пояса 0…70°, но сформированная в соответствии с предлагаемыми изобретениями. Именно, один из спутников имеет такие же, как и в первом случае, характеристики H=3000 км, i=71°, а другой спутник размещается на орбите с большей высотой H=5545 км и меньшим наклонением i=41°, синхронизированной с первой орбитой по долготе восходящего узла (плоскости обеих орбит прецессируют одинаково). Из Фиг.4, соответствующей этой спутниковой системе и аналогичной по содержанию Фиг.2, видно, что использование предлагаемого способа и соответствующей ему СС позволяет обеспечить существенно более равномерное распределение трасс и связанных с ними полос обзора спутников в пределах наблюдаемого широтного пояса 0…70°. По этой причине характеристики наблюдения широтного пояса в предлагаемом варианте построения СС будут существенно лучше по сравнению с рассматриваемым аналогом. Данный анализ носит качественный характер. Конкретные численные значения возможных выигрышей в характеристиках наблюдения приводится ниже.

Способ наблюдения, согласно изобретению, осуществляется с помощью СС, приведенных в следующих примерах.

Пример 1. Характеристики орбит традиционной системы из двух спутников на круговых орбитах могут быть описаны одинаковыми значениями высоты H=777.3 км и наклонения i=72°. Фазовая структура такой системы определяется следующими значениями долгот восходящих узлов и аргументов широты: Ω₁=0°, u₁=0°, Ω₂=314.4°, u₂=339.7°. При изменении параметров H, i круговой орбиты одного из спутников в соответствии с предлагаемыми изобретениями, при условии сохранения той же прецессии восходящего узла орбиты, что и для первой орбиты, мы можем получить следующие значения высоты H₂=2390.38 км и наклонения i₂=51°. Фазовая структура системы сохранена в том же виде Ω₁=0°, u₁=0°, Ω₂=314.4°, u₂=339.7°, что и для аналога. Моделирование функционирования обеих систем показывает, что в равных условиях наблюдения широтного пояса 10…70° при угле обзора β=49.73° для спутников систем, периодичность обзора, обеспечиваемого традиционной СС, составляет τ=32.5 ч, а для СС, построенной в соответствии с предлагаемым изобретением, τ=12.8 ч. Выигрыш в периодичности наблюдения заданного широтного пояса составляет Δτ=19.7 ч.

Пример 2. Характеристики и фазовая структура традиционной системы из двух спутников таковы: H=852.0 км, i=64°, Ω₁=0, u₁=0, Ω₂=181.9, u₂=26.4. Аналогично Примеру 1, в соответствии с предлагаемыми изобретениями формируется система с той же фазовой структурой, что и у аналога, и следующими параметрами круговых орбит спутников, обеспечивающими одинаковую прецессию линии узлов: H₁=852.0 км, i₁=64°, H₂=1633.15 км, i₂=51°.

Моделирование функционирования обеих систем показывает, что в равных условиях наблюдения широтного пояса 10…64° при угле обзора β=52.18° для спутников систем периодичность обзора для традиционной СС составляет τ=23.1 ч, а для СС, построенной в соответствии с предлагаемыми изобретениями, - τ=10.8 ч. Выигрыш в периодичности здесь составляет Δτ=12.3 ч.

Промышленная применимость

Для осуществления предлагаемого изобретения не требуется принципиально новых разработок в области ракетно-космической техники; могут быть использованы традиционные и хорошо апробированные средства и методы, типичные для спутниковых систем.

Группа изобретений относится к информационным спутниковым системам (ИСС) различного назначения, задачи которых в общем аспекте сводятся к обеспечению обзора (непрерывного или периодического) планеты, в частности Земли. В предлагаемой ИСС спутники для обзора области заданного широтного пояса с более низкими широтами выводят на орбиты с наклонением меньшим, чем наклонение орбит, на которые выводят спутники для обзора области с более высокими широтами. Высокоширотными спутниками осуществляют также обзор областей с указанными более низкими широтами. Целесообразность такого построения ИСС обусловлена тем фактом, что полосы обзора вдоль соседних трасс спутников сближаются и перекрываются с ростом широты. Орбиты спутников могут быть выбраны близкими к круговым со средней высотой, различной для высокоширотных и низкоширотных спутников. Существенным условием построения ИСС является равенство скоростей регрессии линии узлов орбит всех спутников. Это условие обеспечивает сохранение структуры ИСС (заданного разнесения плоскостей орбит по долготе восходящего узла). Тем самым достигается уменьшение потребного числа спутников в ИСС и/или потребной ширины полосы обзора. При заданном числе спутников в ИСС и фиксированной ширине полос обзора повышаются характеристики наблюдения (снижение периодичности обзора, повышение точности навигационного поля и др.). Техническим результатом группы изобретений является повышение эффективности ИСС путем уменьшения неоднородности по широте условий наблюдения спутниками поверхности планеты. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ наблюдения поверхности планеты из космоса, включающий выведение искусственных спутников на околопланетные орбиты с ненулевым наклонением и обзор заданного широтного пояса поверхности планеты этими спутниками с помощью их бортовых средств, отличающийся тем, что спутники для обзора области указанного широтного пояса с более низкими широтами выводят на орбиты с наклонением меньшим, чем наклонение орбит, на которые выводят спутники для обзора области с более высокими широтами, причем последними из упомянутых спутников осуществляют также обзор областей с указанными более низкими широтами, а орбиты всех спутников выбирают с одинаковой скоростью регрессии линии узлов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанные области с более низкими и более высокими широтами являются широтными поясами из числа тех, на которые разбит указанный заданный широтный пояс поверхности планеты.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что заданный широтный пояс поверхности планеты разбит по меньшей мере на два смежных широтных пояса.

4. Способ по любому из пп.1, 2, 3, отличающийся тем, что плоскости орбит спутников для обзора по меньшей мере одной из указанных областей с более низкими или более высокими широтами разнесены по долготе восходящего узла, а сами спутники сдвинуты вдоль орбит по аргументу широты.

5. Способ по любому из пп.1, 2, 3, отличающийся тем, что орбиты спутников выбраны близкими к круговым, причем спутники для обзора области с более низкими широтами имеют среднюю высоту орбит иную, чем спутники для обзора области с более высокими широтами.

6. Космическая спутниковая система наблюдения поверхности планеты из космоса, включающая в себя искусственные спутники на околопланетных орбитах с ненулевым наклонением, снабженные средствами обзора заданного широтного пояса поверхности планеты, отличающаяся тем, что орбиты спутников для обзора области указанного широтного пояса с более низкими широтами имеют наклонение меньшее, чем наклонение орбит спутников для обзора области с более высокими широтами, причем орбиты всех спутников выбраны с одинаковой скоростью регрессии линии узлов.

7. Космическая спутниковая система по п.6, отличающаяся тем, что все искусственные спутники снабжены идентичными средствами обзора заданного широтного пояса.

8. Космическая спутниковая система по любому из пп.6, 7, отличающаяся тем, что плоскости орбит спутников для обзора по меньшей мере одной из указанных областей с более низкими или более высокими широтами разнесены по долготе восходящего узла, а сами спутники сдвинуты вдоль орбит по аргументу широты.

9. Космическая спутниковая система по п.6, отличающаяся тем, что орбиты спутников выбраны близкими к круговым, причем спутники для обзора области с более низкими широтами имеют среднюю высоту орбит иную, чем спутники для обзора области с более высокими широтами.

10. Космическая спутниковая система по п.6, отличающаяся тем, что орбиты спутников выбраны при условии, что заданный широтный пояс поверхности планеты разбит по меньшей мере на два смежных широтных пояса, из которых один является областью более высоких широт, а другой - областью более низких широт.