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

Описание патента на изобретение RU2705031C2

Область техники

Изобретение относится к построению спутниковых систем (СС) мониторинга околоземного космического пространства, в частности - для обнаружения и слежения за полетом различных космических объектов, движущихся в области, простирающейся от низких околоземных орбит (порядка 1000 км) до орбит с высотами порядка высоты геостационарной орбиты (около 36000 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.

Уровень техники

В патенте RU 2568291 С1, 20.11.2015 [1] построена система глобального мониторинга параметров состояния многопараметрических объектов (наземных, воздушных и др.), содержащая группировку спутников - ретрансляторов на геостационарной орбите и спутники наблюдения на более низких орбитах.

Патент RU 2570009 С1, 10.12.2015 [2] характеризует СС предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве и на Земле, в которую включены, как фрагменты, спутники навигационных, телекоммуникационных, мониторинговых и других систем, собирающие разнородную информацию из различных областей пространства, обрабатываемую как в космическом, так и на наземном сегменте.

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 определенные 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 учетом 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 [3].

Оптимальному построению известных СС в патентах [1], [2] уделено недостаточно внимания, причем задача их оптимизации может быть достаточно сложной (по нескольким критериям), нерегулярной и не всегда строго обоснованной.

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 (Vхар), так что критерий N→min не вполне обоснован (не универсален).

Достаточно широким классом СС, полезных с практической точки зрения и удобных для их оптимизации, являются многоярусные 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.

Способ построения многоярусной СС, где каждому ярусу соответствует своя область обслуживания, представлен в патенте RU 2535760 С1, 20.12.2014 [4].

Построение двухъярусной СС обзора околоземного космического пространства, близкой по структуре к предлагаемой в настоящем изобретении, описано в пат.US 8511614 В2, 20.08.2013 [5]. В этой СС спутники наблюдения размещают на нижнем (высота ≈ 400 км) и верхнем (≈1400-1600 км) ярусах (ретроградных солнечно-синхронных орбитах с наклонением i ≈ 82°), причем с нижнего яруса спутники наблюдают космические объекты, находящиеся выше этого яруса, а с верхнего яруса - космические объекты, находящиеся ниже верхнего яруса.

СС имеет специальное назначение: наблюдать объекты на фоне Земли, на освещенном Солнцем Земном фоне и на фоне Космоса. Ввиду этого не преследуется задача глобального мониторинга обширного (толщиной ≈ 10000…40000 км) сферического слоя околоземного пространства, а задача оптимизации может быть решена минимизацией числа N спутников.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является разработка достаточно общего метода построения СС непрерывного глобального обзора околоземного космического пространства в виде сферического слоя, охватывающего обширную область от низких до геостационарных орбит, в которой могут находиться как постоянно присутствующие (спутники, мусор и др.), так и пролетные (крупные метеориты, кометы и т.п.) объекты.

Техническим результатом изобретения является построение СС непрерывного глобального обзора указанного околоземного космического пространства с минимальными энергетическими затратами.

Решение поставленной задачи, с получением указанного технического результата достигается тем, что предлагаемый способ построения СС непрерывного глобального обзора заданного сферического слоя околоземного космического пространства с заданными кратностью и периодичностью, включает выведение спутников на орбиты по меньшей мере одного из ярусов, причем нижний ярус расположен под нижней границей указанного сферического слоя, а верхний ярус - над верхней границей указанного сферического слоя, ориентирование бортовой спутниковой аппаратуры наблюдения с одинаковыми полями и достаточной дальностью обзора в сторону обозреваемого сферического слоя так, чтобы спутники нижнего яруса обозревали верхнюю, а спутники верхнего яруса - нижнюю зоны контроля, на которые условно разделен промежуточной сферической поверхностью указанный сферический слой, при этом определяют параметры орбитального построения СС из условия минимума суммарной характеристической скорости, требуемой для выведения спутников в их рабочие точки на орбитах только верхнего, или только нижнего, или одновременно обоих - ярусов при заданных ограничениях на параметры орбит в каждом ярусе, а количество (один или два) и вид (верхний или нижний) ярусов выбирают по наименьшему из трех значений указанной минимальной суммарной характеристической скорости.

Предпочтительно, при построении СС 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: Nk - число спутников в ярусе, Pk - число плоскостей их орбит и Fk ∈ [0, Рk - 1] - коэффициент расфазировки спутников в соседних плоскостях.

Предпочтительно, орбиты спутников верхнего яруса располагают на высоте не менее высоты геостационарной орбиты, а орбиты спутников нижнего яруса - на высоте не менее 300 км (из условий длительного существования, с учетом торможения атмосферой).

Сущность изобретения можно пояснить следующим образом.

Во-первых, для выбора орбитального построения СС используется общий и достаточно простой критерий затрат: характеристическая скорость, требуемая для выведения спутников на их рабочие орбиты.

Во-вторых, при современном уровне характеристик аппаратуры наблюдения (в т.ч. ее большой дальности при достаточно широких полях обзора) целесообразно максимально удалять от спутников наблюдения подконтрольные им зоны, уменьшая тем самым потребное число спутников, покрывающих эти зоны.

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 верхнего яруса НU

при: l=1, H1=10000 км, H2=40000 км, β=35°, D=60000 км, HL=500 км.

Фиг. 4 - зависимость энергетики ΣV построения СС от высоты нижнего яруса HL

при: l=1, Н1=10000, Н2=40000 км, β=35°, D=60000 км, HU=61000 км

Фиг. 5 - то же

при: l=1, H1=10000, Н2=40000 км, β=35°, D=60000 км, HU=65000 км

Фиг. 6 - то же

при: l=1, H1=10000, Н2=40000 км, β=35°, D=60000 км, HU=69000 км

Лучший вариант осуществления изобретения

Способ согласно изобретению включает построение СС, содержащей один или два яруса: нижний: 1, 2, … N1, и верхний: 1', 2', … N2 - спутников наблюдения, снабженных единообразной аппаратурой с одинаковыми полями (2β) и достаточной дальностью (D) обзора (принятой здесь равной 60000 км), причем нижний ярус расположен под нижней границей H1 обозреваемого сферического слоя, а верхний - над верхней границей H2. Сферический слой условно разделен 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 (здесь l=1) и периодичность обзора сферического слоя, при этом параметры орбитального построения СС получаются из условия минимума суммарной характеристической скорости (V Σхар → min), требуемой для выведения спутников в их рабочие точки на орбитах верхнего и нижнего ярусов.

Орбитальное построение каждого k-ого яруса СС можно кратко характеризовать четверкой: Wk≡Nkk/Fk/ik - так наз. параметров Уолкера (J. Walker) и наклонением ik. Для полноты следует добавить: H1, Н2 - высоты нижней и верхней границы обозреваемого сферического слоя, а также HL, НU - высоты круговых орбит спутников нижнего и верхнего ярусов. Ясно, что HL<H1<H2U. Это можно обозначить четверкой ≡HL/H12U/.

Если СС имеет только один ярус, то можно условно положить: ≡0/H12U (только верхний ярус) или ≡HL/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 wk - условно нулевая). Все множество оптимальных СС можно символически представить в виде графика {W, }, где все параметры в скобках считаются оптимальными.

Проектно-баллистические исследования описанной выше СС обзора выявляют области {W, }, где наилучшими из оптимальных СС являются та или иная одноярусная СС или двухъярусная СС (см. фиг. 3-6). 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.

Характерной особенностью оптимальной двухъярусной СС является наличие всего двух спутников наблюдения в верхнем ярусе: w2=2/1/0/i2 при больших высотах этого яруса: НU=40000…60000 км. При этом высота нижнего яруса может меняться в широком диапазоне, например: HL=300…3000 км.

Оптимальные СС с одним нижним ярусом тяготеют к низким орбитам, а оптимальные СС с одним верхним ярусом - к высоким (≥ 60000 км).

Орбиты спутников нижнего яруса располагают на высоте не менее 300 км, где аэродинамическое торможение достаточно слабо. Количество спутников на нижнем ярусе типично N1≈70…80 - при таком же (или вдвое меньшем) числе плоскостей орбит P1.

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.

Похожие патенты RU2705031C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ ПОДДЕРЖАНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ НЕПРЕРЫВНОГО ГЛОБАЛЬНОГО ОБЗОРА ОКОЛОЗЕМНОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА 2017
  • Разумный Юрий Николаевич
  • Самусенко Олег Евгеньевич
  • Нгуен Нам Куи
  • Разумный Владимир Юрьевич
  • Купреев Сергей Алексеевич
  • Федяев Константин Сергеевич
RU2705029C2
СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА НЕПРЕРЫВНОГО ГЛОБАЛЬНОГО ОБЗОРА ОКОЛОЗЕМНОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА 2017
  • Разумный Юрий Николаевич
  • Самусенко Олег Евгеньевич
  • Нгуен Нам Куи
  • Разумный Владимир Юрьевич
  • Купреев Сергей Алексеевич
  • Федяев Константин Сергеевич
RU2705027C2
СПОСОБ ПОДДЕРЖАНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ НЕПРЕРЫВНОГО ГЛОБАЛЬНОГО ОБЗОРА ОКОЛОЗЕМНОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА 2017
  • Разумный Юрий Николаевич
  • Самусенко Олег Евгеньевич
  • Нгуен Нам Куи
  • Разумный Владимир Юрьевич
  • Купреев Сергей Алексеевич
  • Федяев Константин Сергеевич
RU2705030C2
СПОСОБ ПОДДЕРЖАНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ НЕПРЕРЫВНОГО ГЛОБАЛЬНОГО ОБЗОРА ОКОЛОЗЕМНОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА 2017
  • Разумный Юрий Николаевич
  • Самусенко Олег Евгеньевич
  • Нгуен Нам Куи
  • Разумный Владимир Юрьевич
  • Купреев Сергей Алексеевич
  • Федяев Константин Сергеевич
RU2705028C2
СПОСОБ НАБЛЮДЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПЛАНЕТЫ ИЗ КОСМОСА И КОСМИЧЕСКАЯ СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЭТОГО СПОСОБА 2013
  • Козлов Павел Георгиевич
  • Мошнин Александр Алексеевич
  • Разумный Владимир Юрьевич
  • Разумный Юрий Николаевич
RU2535375C1
Способ обслуживания искусственных спутников на средних и высоких околоземных орбитах 2022
  • Разумный Юрий Николаевич
  • Купреев Сергей Алексеевич
  • Разумный Владимир Юрьевич
  • Самусенко Олег Евгеньевич
  • Баранов Андрей Анатольевич
  • Каратунов Максим Олегович
  • Попов Алексей Геннадьевич
RU2774915C1
Космическая обслуживающая система и способ ее функционирования 2022
  • Разумный Юрий Николаевич
  • Купреев Сергей Алексеевич
  • Разумный Владимир Юрьевич
  • Самусенко Олег Евгеньевич
  • Баранов Андрей Анатольевич
  • Каратунов Максим Олегович
  • Попов Алексей Геннадьевич
RU2771191C1
СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА СВЯЗИ И НАБЛЮДЕНИЯ ПРИЭКВАТОРИАЛЬНЫХ ШИРОТ 2017
  • Улыбышев Сергей Юрьевич
RU2653063C1
Способ обслуживания космических объектов на орбитах различного наклонения и высокоорбитальная космическая инфраструктура для реализации способа 2022
  • Разумный Юрий Николаевич
  • Купреев Сергей Алексеевич
  • Разумный Владимир Юрьевич
  • Самусенко Олег Евгеньевич
  • Баранов Андрей Анатольевич
  • Каратунов Максим Олегович
  • Попов Алексей Геннадьевич
RU2775039C1
СПОСОБ НАБЛЮДЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ИЗ КОСМОСА 1995
  • Гусев Ю.Г.
  • Ермаченков А.В.
  • Неволько М.П.
  • Разумный Ю.Н.
  • Силов В.В.
RU2118273C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 705 031 C2

Реферат патента 2019 года СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ НЕПРЕРЫВНОГО ГЛОБАЛЬНОГО ОБЗОРА ОКОЛОЗЕМНОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА

Изобретение относится к построению одно- или многоярусных спутниковых систем (СС) непрерывного глобального обзора околоземного пространства с заданными кратностью и периодичностью. Областью обзора СС является сферический слой околоземного пространства. Способ включает выведение спутников наблюдения на орбиты, по меньшей мере, одного из ярусов, из которых нижний расположен под нижней, а верхний - над верхней границами данного сферического слоя. Слой условно разделен на верхнюю и нижнюю зоны контроля, причём (в случае двухъярусной СС) спутники нижнего яруса обозревают верхнюю, а спутники верхнего яруса - нижнюю зоны контроля. Параметры оптимальной одно- или двухъярусной СС выбирают из условия минимума суммарной характеристической скорости, требуемой для выведения спутников на орбиты только верхнего, или только нижнего, или одновременно обоих ярусов. Техническим результатом является создание СС непрерывного глобального обзора указанного околоземного космического пространства с минимальными энергетическими затратами на ее построение. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула изобретения RU 2 705 031 C2

1. Способ построения спутниковой системы непрерывного глобального обзора заданного сферического слоя околоземного космического пространства с заданными кратностью и периодичностью, включающий выведение спутников наблюдения на орбиты, по меньшей мере, одного из ярусов, причем нижний ярус расположен под нижней границей указанного сферического слоя, а верхний ярус - над верхней границей указанного сферического слоя, ориентирование бортовой спутниковой аппаратуры наблюдения с одинаковыми полями и достаточной дальностью обзора в сторону обозреваемого сферического слоя так, чтобы спутники нижнего яруса обозревали верхнюю, а спутники верхнего яруса - нижнюю зоны контроля, на которые условно разделен промежуточной сферической поверхностью указанный сферический слой, при этом определяют параметры орбитального построения спутниковой системы из условия минимума суммарной характеристической скорости, требуемой для выведения спутников в их рабочие точки на орбитах только верхнего, или только нижнего, или одновременно обоих ярусов при заданных ограничениях на параметры орбит в каждом ярусе, а количество (один или два) и вид (верхний или нижний) ярусов выбирают по наименьшему из трех значений указанной минимальной суммарной характеристической скорости.

2. Способ построения спутниковой системы по п. 1, отличающийся тем, что орбиты спутников каждого k-го яруса (k=1,2) - круговые, одинаковых высоты и наклонения, их плоскости разнесены равномерно по долготе восходящего узла, а параметрами орбитального построения служат: Nk - число спутников в k-ом ярусе, Pk - число плоскостей их орбит и Fk∈[0, Pk-1] - коэффициент расфазировки спутников в соседних плоскостях.

3. Способ построения спутниковой системы по п. 1 или 2, отличающийся тем, что орбиты спутников верхнего яруса располагают на высоте не менее высоты геостационарной орбиты, а орбиты спутников нижнего яруса - на высоте не менее 300 км.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2019 года RU2705031C2

МАШИНОСТРОЕНИЕ
Приспособление с иглой для прочистки кухонь типа "Примус" 1923
  • Копейкин И.Ф.
SU40A1
Под ред
акад
К.В.Фролова
Машина для добывания торфа и т.п. 1922
  • Панкратов(-А?) В.И.
  • Панкратов(-А?) И.И.
  • Панкратов(-А?) И.С.
SU22A1
Ракетно-космическая техника
Печь для непрерывного получения сернистого натрия 1921
  • Настюков А.М.
  • Настюков К.И.
SU1A1
М., "Машиностроение"
Изложница с суживающимся книзу сечением и с вертикально перемещающимся днищем 1924
  • Волынский С.В.
SU2012A1
Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов 1917
  • Гордон И.Д.
SU2A1
Спутниковые системы (под ред
Ю.Н
Разумного), с.180-183
СПОСОБ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ОБ ОПАСНЫХ СИТУАЦИЯХ В ОКОЛОЗЕМНОМ КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ И НА ЗЕМЛЕ И АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2014
  • Козлов Виктор Григорьевич
  • Лаврентьев Виктор Григорьевич
  • Олейников Игорь Игоревич
  • Середин Сергей Вадимович
RU2570009C1
СИСТЕМА ГЛОБАЛЬНОГО МОНИТОРИНГА В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ 2014
  • Гапонов Олег Анатольевич
  • Качкин Анатолий Алексеевич
  • Месячик Виктор Алексеевич
  • Сидорец Сергей Иванович
  • Уваров Александр Валерьянович
RU2568291C1
US 8511614 B2, 20.08.2013
US 8240611 B2, 14.08.2012
US 20080081556 A1, 03.04.2008.

RU 2 705 031 C2

Авторы

Разумный Юрий Николаевич

Самусенко Олег Евгеньевич

Нгуен Нам Куи

Разумный Владимир Юрьевич

Купреев Сергей Алексеевич

Федяев Константин Сергеевич

Даты

2019-11-01Публикация

2017-12-28Подача