СПОСОБ ПОДДЕРЖАНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ НЕПРЕРЫВНОГО ГЛОБАЛЬНОГО ОБЗОРА ОКОЛОЗЕМНОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА Российский патент 2019 года по МПК B64G1/10 B64G3/00 

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 (/ - кратного, т - периодичного) обзора областей (слоев) околоземного космического пространства при помощи бортовой аппаратуры с заданными полями обзора (9), 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 ГУ-22. Ракетно-космическая техника. Книга 1. М., «Машино-строение». 2012. Глава 2.5. Спутниковые системы (подред. Ю.Н. Разумного), с.180-183 [1].

Часто минимизируют число (Ы) 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 (0) поля обзора их аппаратуры наблюдения), но заметно возрастают затраты характеристической скорости (К_хар),

2

так что критерий N —>тт 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 К112535760 С1, 20.12.2014 [2].

Другой пример - двухъярусной СС обзора околоземного космического пространства, дан в патенте 118 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 / ~ 82°), причём с нижнего яруса спутники наблюдают космические объекты, находящиеся выше этого яруса, а с верхнего яруса - космические объекты, находящиеся ниже верхнего яруса.

СС, рассматриваемая в рамках предлагаемого изобретения, содержит от одного (первоначально) до двух ярусов 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 (^^г_Хар —► тт), требуемой для выведения спутников в их рабочие точки на орбитах верхнего и нижнего ярусов.

Орбиты спутников каждого А>ого яруса (к = 1,2) приняты круговыми, с одинаковыми высотой и наклонением, их плоскости разнесены равномерно по долготе восходящего узла, а параметрами орбитального построения системы служат: - число спутников в ярусе, Рк -число плоскостей их орбит и Рк е [0, Р_к -1] - коэффициент расфазировки спутников в соседних плоскостях.

Т.о., орбитальное построение каждого яруса СС можно кратко характеризовать четвёркой: М/к = Л/* / Рк IРк I 4 - так наз. параметров Уолкера (I. \Уа1кег) и наклонением Для

полноты следует добавить: Н\, И.2 - высоты нижней и верхней границы обозреваемого сферического слоя, а также Нь Нц - высоты орбит спутников нижнего и верхнего ярусов.

3

Ясно, что < Я/ < #2 < Нц. Это можно обозначить четвёркой Н = Нь IН] I Нг I Нц . Если СС имеет только один ярус, то можно условно положить: Н = О I Н] I Н.2 I Нц (только верхний ярус) или Н=Нь/Н]/Н2/0 (только нижний ярус).

Решение задачи оптимизации СС состоит в определении оптимального АД/ = (\У/, М/г) при заданном И (при одном ярусе одна из щ - условно нулевая). Всё множество оптимальных СС

можно символически представить в виде графика Н }, где все параметры в скобках

считаются оптимальными.

Проектно-баллистические исследования описанной выше СС обзора выявляют наличие

областей {\\>, 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. М/2 ⁼ 2 /1 / О Н2 при Нц = 40 ООО ... 60 ООО км.

Вместе с тем существуют значительные области, где наилучшими из оптимальных СС являются одноярусные СС - с одним верхним или одним нижним ярусами. Число спутников как в верхнем, так и нижнем ярусах таких СС достаточно велико.

Оптимальные СС с нижним ярусом предпочтительны для обзора сферических слоёв с высокими нижними границами: Н] =16000...30000 км. Число спутников N1 ~ 70; Нь = 1000 ...5000 км.

При выходе из строя некоторых спутников нижнего яруса их следует оперативно заменить. Обычно это делается выведением исправных спутников с Земли в окрестность рабочих точек спутников, вышедших из строя (см., например, патент 2598682 С1, 27.09.2016 [4]).

Однако выведение новых спутников с Земли требует, в общем случае, длительного времени ожидания приемлемого времени старта, причём восстановленная СС сохраняет те же качества, что и первоначальная.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является разработка такого способа поддержания функционирования оптимальной СС непрерывного глобального обзора околоземного космического пространства в виде сферического слоя, который использовал бы особенности структур оптимальных одно- и двухъярусных СС для эффективного восстановления работоспособности системы.

Техническим результатом изобретения является обеспечение оперативности

4

восстановления работоспособности указанной СС и расширения её функциональных возможностей (целевой задачи).

Решение поставленной задачи, с получением указанного технического результата достигается тем, что предлагаемый способ поддержания функционирования спутниковой системы непрерывного глобального обзора заданного сферического слоя околоземного космического пространства с заданными кратностью и периодичностью, содержащей спутники наблюдения, снабжённые единообразной аппаратурой с одинаковыми полями и достаточной дальностью обзора и первоначально выведенные на орбиты нижнего яруса, расположенного под нижней границей указанного сферического слоя, характеризуется тем, что в случае выхода из строя одного или более спутников нижнего яруса выводят несколько спутников на орбиты спутников верхнего яруса так, чтобы образовалась двухъярусная спутниковая система непрерывного глобального обзора указанного сферического слоя с теми же кратностью и периодичностью, при этом первоначальная одноярусная система обзора является оптимальной по критерию минимума суммарной характеристической скорости, требуемой для её построения, а вновь образованная двухъярусная система обзора является оптимальной по тому же критерию или близкой к таковой для спутниковых орбит, образующих подмножество первоначального множества орбит спутников нижнего яруса.

Предпочтительно на орбиты спутников верхнего яруса выводят два спутника с поверхности Земли, при этом избыточные для вновь образованной двухъярусной системы спутники нижнего яруса переводят в «спящий» режим или используют для наблюдения дополнительных зон околоземного пространства.

Типично орбиты спутников нижнего яруса выбирают круговыми, с одинаковыми высотой и наклонением, а их плоскости разносят равномерно по долготе восходящего узла, поддерживая одинаковый коэффициент расфазировки спутников в соседних плоскостях.

Сущность изобретения можно пояснить таким образом, что при выведении заменяющих спутников с Земли не на первоначальные орбиты нижнего яруса, а на орбиты верхнего яруса -изменяется структура СС, которая становится двухъярусной, близкой к оптимальной и одновременно позволяющей расширить границы обозреваемого сферического слоя.

При этом ограничения на время старта с Земли для выведения спутника на орбиту верхнего яруса ослабляются (см. ниже).

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

5

космического пространства.

Фиг. 2 - структура двухъярусной СС.

Фиг. 3 - зависимость энергетики XV построения СС от высоты нижнего яруса Нь

при: / =1, Н1=10000, Н₂=40000 км, (3=35°, Б=60000 км, Н_и=69000 км Фиг. 4 - то же

при: / =1, Н1=10000, Н₂=40000 км, р=35°, Б=60000 км, Н_и= 61000 км.

Лучший вариант осуществления изобретения

Способ согласно изобретению используется для поддержания функционирования СС, первоначально содержащей один нижний ярус спутников наблюдения 1,2, ... N1, снабжённых единообразной аппаратурой с одинаковыми полями (20) и достаточной дальностью (Э) обзора, причём нижний ярус расположен под нижней границей Н] обозреваемого сферического слоя. Сферический слой условно разделён промежуточной сферической поверхностью (Но) 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 (К^г_Хар —* тт), требуемой для выведения спутников в их рабочие точки на орбиты нижнего яруса. Принята кратность 1=1.

Существует известная область, где оптимальная (по указанному критерию) СС с одним нижним ярусом превосходит 2-ярусную СС и СС с одним верхним ярусом (фиг.З).

Положение может измениться, если, например, высота верхнего яруса оптимальной 2-ярусной СС снизится (фиг.4).

На графиках фиг.3-4 обозначено:

XV н - суммарная характеристическая скорость (энергетика) 2-ярусной системы. 2Ую - суммарная характеристическая скорость (энергетика) 1-ярусной системы (только верхний ярус).

ЕУо1 - суммарная характеристическая скорость (энергетика) 1-ярусной системы (только нижний ярус). Значения IV на всех графиках даны в км/с.

В случае выхода из строя одного или более спутников нижнего яруса, с Земли (или из орбитального резерва) выводят на орбиты верхнего яруса два спутника наблюдения, образуя орбитальное построение = 2/ 1/ 0 / 12 (два спутника в одной плоскости с произвольным наклонением).

6

Во вновь образованной близкой к оптимальной двухъярусной СС верхний ярус расположен над верхней границей Я? обозреваемого сферического слоя.

В этой новой двухъярусной СС, близкой к оптимальной, обеспечены заданные кратность и периодичность обзора сферического слоя, причём число спутников нижнего яруса в этой новой СС может оказаться больше, чем в близкой к ней оптимальной (в смысле У^хар —* тгп) двухъярусной СС. 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 одноярусных СС имеются близкие к ним по структуре двухъярусные СС, например:

\У =(70/70/64/79.9,0) при Н = 4000/ 28000 /42000 /0

\У ' = (68 /68 /62 /80.5, 2/1 /0 П₂) при Н = 4000/ 25000/42000/650000

При выходе из строя (например, двух) спутников нижнего яруса СС (\У ) выведение на

орбиту высотой Н2 = 65000 км двух новых спутников образует двухъярусную СС (\У ') с

орбитами нижнего яруса практически того же наклонения (79.9 —► 80.5).

Восстановленная СС (\\> ') может обозревать более толстый сферический слой: его

нижняя граница уменьшилась с 28000 до 25000 км.

Избыточные для вновь образованной двухъярусной СС спутники нижнего яруса переводят в «спящий» режим или используют для наблюдения дополнительных зон околоземного пространства.

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.

Изобретение относится к построению и преобразованию спутниковых систем (СС) обзора околоземного пространства, имеющего вид сферического слоя, с заданными кратностью и периодичностью. Способ включает выведение спутников наблюдения первоначально на орбиты нижнего яруса, расположенного под нижней границей указанного сферического слоя. Данная одноярусная СС обзора является оптимальной по критерию минимума суммарной характеристической скорости, требуемой для ее построения. В случае выхода из строя части спутников нижнего яруса выводят несколько спутников (с Земли или из орбитального резерва) на орбиты спутников верхнего яруса, образуя двухъярусную СС обзора указанного сферического слоя с теми же кратностью и периодичностью. Эта двухъярусная СС является оптимальной (по тому же критерию) или близкой к таковой для орбит спутников верхнего яруса и по меньшей мере части орбит работоспособных спутников нижнего яруса. Техническим результатом является обеспечение оперативности восстановления работоспособности СС и расширение ее функциональных возможностей. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ поддержания функционирования спутниковой системы непрерывного глобального обзора заданного сферического слоя околоземного космического пространства с заданными кратностью и периодичностью, содержащей спутники наблюдения, снабженные единообразной аппаратурой с одинаковыми полями и достаточной дальностью обзора и первоначально выведенные на орбиты нижнего яруса, расположенного под нижней границей указанного сферического слоя, характеризующийся тем, что в случае выхода из строя одного или более спутников нижнего яруса выводят несколько спутников на орбиты спутников верхнего яруса так, чтобы образовалась двухъярусная спутниковая система непрерывного глобального обзора указанного сферического слоя с теми же кратностью и периодичностью, при этом первоначальная одноярусная система обзора является оптимальной по критерию минимума суммарной характеристической скорости, требуемой для ее построения, а вновь образованная двухъярусная система обзора является оптимальной по тому же критерию или близкой к таковой для спутниковых орбит, образующих подмножество первоначального множества орбит спутников нижнего яруса.

2. Способ поддержания функционирования спутниковой системы по п. 1, отличающийся тем, что на орбиты спутников верхнего яруса выводят два спутника с поверхности Земли, при этом избыточные для вновь образованной двухъярусной системы спутники нижнего яруса переводят в «спящий» режим или используют для наблюдения дополнительных зон околоземного пространства.

3. Способ поддержания функционирования спутниковой системы по п. 1 или 2, отличающийся тем, что орбиты спутников нижнего яруса выбирают круговыми, с одинаковыми высотой и наклонением, а их плоскости разносят равномерно по долготе восходящего узла, поддерживая одинаковый коэффициент расфазировки спутников в соседних плоскостях.