Способ регистрации приближения активного объекта к космическому аппарату орбитального резерва в области низких околоземных орбит Российский патент 2018 года по МПК B64G3/00 

Настоящее изобретение относится к области наблюдения космических объектов и может быть использовано для регистрации приближения активного объекта к космическому аппарату (КА) орбитального резерва в области низких околоземных орбит (НОО). Примерами могут служить сближения с целью выявления (инспекции) технических характеристик КА орбитального резерва или его несанкционированного увода в зону захоронения.

Актуальность проблемы выявления фактов инспекции подтверждается запуском четырех КА по программе ГССАП (GSSAP - Geosynchronous Space Situational Awareness Program), которая реализуется по заказу ВВС США и предусматривает размещение в области геостационарной орбиты (ГСО) космических аппаратов для получения информации о находящихся там объектах. Из сравнительной оценки с КА-аналогами серии ANGELS следует, что КА ГССАП могут сближаться с инспектируемым объектом на расстояние до 15-30 км и осуществлять серию маневров для формирования требуемых условий съемки интересующего объекта (освещенность, ракурс и др.). Аналогичные системы активно разрабатываются в США для области НОО. В случае ошибок в управлении объектами в процессе движения возможно их столкновение с образованием дополнительного космического мусора.

Увод отработавших КА на орбиту захоронения относится к операциям орбитального обслуживания [Angel Flores-Abad, Khanh Pham - Review of Robotics Technologies for On-Orbit Services, U.S., Air Force Research Laboratory, Space Vehicle Directorate, Kirtland Air Force Base, New Mexico 87117-5776, USA, 2013], которые включают восстановление/продление работоспособности КА (доставку топлива, расходных материалов; замену вышедших из строя блоков; ремонтно-восстановительные операции), а также изменение орбиты КА (коррекцию рабочей орбиты; увод на орбиту захоронения). Операции увода отработавших КА в настоящее время приобретают особое значение [Булынин Ю.Л., Яковлев М.В. и другие. - Космический мусор. Книга 2. Предупреждение образования космического мусора, М., Физматлит, ISBN 978-5-9221-1504-9, 2014]. Накопление космического мусора (КМ) может привести к лавинообразному нарастанию взаимных столкновений и размножению высокоскоростных механических фрагментов [Kessler D.J. Collisional cascading the limits of population growth in low Earth orbit // Advances in Space Research, v. 11, №12, p. 63-66, 1991], что потребует применения специальной защиты КА и существенного увеличения их стоимости. Расчетные оценки показывают, что ежегодный увод 5-6 крупногабаритных фрагментов КМ из области НОО снизит количество катастроф (подобных столкновению КА «Космос-2251» и «Иридиум-33» в 2009 году) с 40 до 26 событий к середине текущего столетия [Jonson N. and Liou J. - Study of the Effectiveness of Active Debris Removal, Acta Astronautics, 2009]. В условиях отсутствия международных договоров о порядке взаимодействия в космосе отечественные КА орбитального резерва могут быть идентифицированы как фрагменты КМ и оказаться в числе кандидатов для увода из зоны рабочих орбит в области НОО.

Изложенные обстоятельства свидетельствуют об актуальности регистрации приближения активных объектов к космическим аппаратам орбитального резерва.

Известно защищенное патентом изобретение - аналог: заявка №95115874/11, МПК B64G 9/00, 1995 год, «Способ селекции космических объектов» (Атнашев А.Б., Атнашев В.Б., Докукин В.Ф., Земляное А.Б., Чуев В.И.), предназначенное для селекции пассивных космических объектов и обнаружения с борта космической станции (КС) фрагментов частиц, движущихся по траекториям опасного сближения. Сущность изобретения заключается в том, что проводят пеленгацию космических объектов, находящихся вблизи КС (в зоне действия пеленгатора). При этом измеряют два параметра: текущее взаимное положение КС и пеленгуемого объекта, а также относительную радиальную скорость. На основании этих данных осуществляют идентификацию космического объекта. К недостаткам способа следует отнести необходимость применения радиолокационной аппаратуры на борту КС, что приводит к увеличению массы и габаритных характеристик КС, а также к увеличению бортовой энергетики.

Известно защищенное патентом изобретение - аналог: заявка №2012104591/11, МПК B64G, 2012 год, «Метод точного позиционирования и мониторинга подвижных объектов» (В. Заренков, Д. Заренков, В. Дикарев, Б. Койнаш). Метод основан на использовании спутниковой навигации, позволяет определять мобильные координаты объекта и управлять объектом в полете. Метод реализуется с использованием системы технических средств, включающей навигационные космические аппараты, станции коррекции, аппаратные средства телевизионного центра, аппаратные средства космической связи, аппаратные средства контролируемого подвижного объекта и станции контроля за космическим полетом. Все перечисленные средства функционируют одновременно с использованием специально разработанных алгоритмов. Технический результат - высокая надежность и точность дискретных сигналов, которыми обмениваются телевизионные центры и космические объекты, что, в свою очередь, обеспечивает высокую точность позиционирования и мониторинга подвижных объектов. К недостаткам метода следует отнести высокую сложность его реализации.

Известно защищенное патентом изобретение - прототип: заявка №2008133984/09, МПК B64G 4/00, 2007 год, «Устройство контроля относительного(ых) положения(ий) путем измерений мощности для космического аппарата группы космических аппаратов при полете строем», предназначенное для управления космическими аппаратами при их перемещении строем. Устройство осуществляет контроль относительных положений космических аппаратов по отношению друг к другу и содержит:

• комплекс, по меньшей мере, из трех приемоизлучающих антенн, установленных на, по меньшей мере, трех сторонах разного направления относительно данного космического аппарата и способных излучать/принимать радиочастотные сигналы;

• средства измерения, предназначенные для определения мощности сигналов, принимаемых каждой из антенн, и выдачи совокупностей мощностей, каждая из которых связана с одним из космических аппаратов группы, расположенных вокруг данного космического аппарата;

• запоминающие средства, предназначенные для хранения совокупностей картографических данных, каждая из которых характеризует нормализованные мощности сигналов, принятых каждой из антенн в зависимости от выбранных направлений передачи;

• средства обработки, предназначенные для сравнения каждой совокупности мощностей, выдаваемой средствами измерения, с совокупностями хранящихся картографических данных.

В результате работы устройства определяется каждое из направлений передачи сигналов, излучаемых другими космическими аппаратами группы по отношению к системе координат, привязанной к данному космическому аппарату. Техническим результатом использования способа-прототипа является обеспечение позиционирования группы космических аппаратов относительно друг друга с точностью, необходимой для совместного выполнения задания. К недостаткам устройства следует отнести необходимость размещения на борту КА радиопередающей аппаратуры, что увеличивает массу и габаритные характеристики космического аппарата и требует дополнительных затрат бортовой энергетики.

Целью предлагаемого изобретения является регистрация приближения активного объекта к космическому аппарату орбитального резерва в области низких околоземных орбит.

Указанная цель достигается в заявляемом способе регистрации приближения активного объекта к космическому аппарату орбитального резерва в области низких околоземных орбит. Согласно способу регистрируют воздействующие на космический аппарат сигналы, измеряют уровень сигналов, выполняют обработку и запоминание сигналов, причем сигналы регистрируют сериями за равные промежутки времени, а приближение активного объекта определяют по увеличению скорости изменения уровня сигналов в последовательно регистрируемых сериях.

Обоснование практической реализуемости заявляемого способа заключается в следующем. Для выполнения операций сближения с КА активный объект должен иметь бортовой радиолокационный комплекс и/или лидар, которые излучают зондирующий сигнал, а также приемник отраженных сигналов. На первом этапе сближения положение КА определяется наземными радиолокационными станциями (РЛС). Информация от РЛС передается наземным комплексам управления, по командам которых активный объект достигает зоны видимости КА собственными бортовыми средствами локации. При входе в зону видимости КА бортовые средства локации корректируют траекторию движения активного объекта. Таким образом, на КА последовательно воздействуют сигналы наземных РЛС и затем - бортовых средств локации активного объекта.

При регистрации воздействующих на КА сигналов последовательными сериями за равные достаточно короткие промежутки времени отличительной особенностью измерений будет различие скорости нарастания уровня сигналов в пределах серии для случаев наземных РЛС и бортовых средств локации. Уровень сигналов обусловлен изменением расстояния между источником и приемником за время продолжительности серии. Относительное изменение расстояния между РЛС и КА за выбранные достаточно короткие промежутки времени будет пренебрежимо мало, и поэтому уровень сигналов, принимаемых КА от РЛС в пределах одной серии, практически не изменяется. Напротив, бортовые средства локации функционируют на существенно меньших расстояниях до КА, поэтому относительное изменение расстояния между источником и приемником и соответствующей скорости изменения уровня сигналов в пределах одной серии будут значительными. Более того, скорость изменения уровня сигналов будет нарастать от предыдущей серии к последующей. Действительно, уровень сигналов, выраженный в единицах мощности P, обратно пропорционален квадрату расстояния, R²=(R₀-ν⋅t)², между источником и приемником, где R₀ - расстояние между активным объектом и КА при входе активного объекта в зону видимости КА (начало работы бортовых средств локации); ν - скорость сближения активного объекта и КА; t - время (начало отсчета с момента начала локации бортовыми средствами активного объекта). Скорость изменения уровня сигналов dP/dt обратно пропорциональна кубу расстояния R³, что подтверждает увеличение dP/dt по мере приближения активного объекта к КА (при t→R₀/ν).

Таким образом, анализ скорости изменения уровня сигналов, принимаемых на борту КА в последовательных сериях регистрации за равные достаточно короткие промежутки времени, позволяет однозначно свидетельствовать о приближении активного объекта к космическому аппарату орбитального резерва.

Изобретение относится к наблюдению за полётом космических аппаратов (КА), например, при инспекциях КА или при несанкционированном уводе в зону захоронения с низких околоземных орбит. Способ включает регистрацию и запоминание воздействующих на КА сигналов, измерение их уровня и обработку. При этом сигналы регистрируют сериями за равные промежутки времени, а приближение активного КА определяют по увеличению скорости изменения уровня сигналов в последовательно регистрируемых сериях. Техническим результатом является уменьшение массы и габаритных характеристик КА за счёт возможности использования более простых средств регистрация приближения активного КА.

Способ регистрации приближения активного объекта к космическому аппарату орбитального резерва в области низких околоземных орбит, в котором регистрируют воздействующие на космический аппарат сигналы, измеряют уровень сигналов, выполняют обработку и запоминание сигналов, причем сигналы регистрируют сериями за равные промежутки времени, а приближение активного объекта определяют по увеличению скорости изменения уровня сигналов в последовательно регистрируемых сериях.