Интегрированная спутниковая система наблюдения Земли Российский патент 2023 года по МПК B64G1/10 H04B7/185 

Изобретение относится к космической области, а именно к системам оптико-электронного наблюдения.

В настоящий момент возникла потребность перехода от традиционных систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), обеспечивающих преимущественно задачи визуализации пространственно-расположенных объектов, то есть выполняющих функции той или иной разновидности разведки или основы для создания электронных карт, к системам, обеспечивающим извлечение новых знаний из комплексной информации, мониторинг изменений и прогнозирование развития процессов. Одним из ключевых инструментариев этого перехода становятся технологии “Больших данных” (Big Data) - новые принципы анализа сверхбольших массивов разнородных структурированных и неструктурированных данных, обеспечивающие возможности извлекать новые знания, которые недоступны при традиционном использовании ограниченных выборок.

Традиционные задачи, например, создание и поддержка электронных карт, сезонные наблюдения в интересах сельского хозяйства, долговременные наблюдения определенных объектов, вполне решаются существующими системами ДЗЗ, состоящими из ограниченного количества спутников. Как правило, такие созвездия спутников строятся на круговых орбитах с различными наклонениями и высотой 400…800 км. Эти космические системы наблюдения со спутниками на низких околоземных орбитах обеспечивают высокое разрешение, но низкую периодичность и производительность, так как в любой произвольный момент спутник может произвести съемку кадрами ограниченных размеров, повторную съемку - через несколько суток, а прием и сброс информации только при очередном пролете над наземной станцией.

Попытка масштабирования низкоорбитальных систем для задач быстрого анализа и прогнозирования развития ситуации, получения информации по произвольным объектам по требованию, с оперативностью до единиц часов или минут, приводит к большому количеству низкоорбитальных спутников, размещенных в разных плоскостях (каждая плоскость – отдельный запуск по крайней мере одного носителя).

С геостационарной орбиты (ГСО) или высокоэллиптических (ВЭО) орбит типа «Молния» или «Тундра» возможно квази-постоянное наблюдение видимого диска Земли. Однако, зона наблюдений ограничена околоэкваториальным широтным поясом для ГСО, или фиксированными зонами в северном или южном полушариях для орбит «Молния» или «Тундра», а мировой уровень технологий в ближайшие годы не позволяет для этих орбит реализовать разрешение лучше 3…4 м.

Исходя из современных задач и характера наблюдаемых объектов, необходима система наблюдения, состоящая из детальных спутников, имеющих разрешение 0.35…0.5 м. с периодичностью 1…2 часа, и обзорных спутников, имеющих разрешение 1.5…2.5 м. с периодичностью 2…3 часа.

Построить и поддерживать такую систему наблюдения на традиционных круговых орбитах очень дорого и практически невозможно.

Известны различные системы спутников с использованием эллиптических орбит. Как правило, такие системы достаточно хороши для связи, а использование их для ДЗЗ упоминается формально. Во всех эти системах предполагается использование апогейных участков орбит для наблюдения. В основном, используются солнечно-синхронные эллиптические орбиты с критическим наклонением ~63.4°.

В изобретении [US 5553816], принятом авторами за прототип, предлагается использовать средне-эллиптические ретроградные орбиты для систем связи и ДЗЗ.

В этом изобретении имеется спутниковая система телесвязи или дистанционного зондирования, содержащая множество спутников, расположенных над Землей, по меньшей мере, на одной короткопериодической эллиптической солнечно-синхронной орбите, имеющей следующие кеплеровские параметры: наклон орбиты 116.6° в экваториальной плоскости Земли, суточное вращение узловой линии 0.9863° и орбитальный период такой, что N орбитальных периодов вписываются в M солнечных дней. При этом М и N имеют один из следующих наборов значений: М = 1, N = 8; М = 2, N = 17; М = 3, N = 25; и М = 3, N = 26.

Недостатком этого изобретения является то, что применение указанных орбит для ДЗЗ рассмотрено номинально, и упущен синергетический эффект от применения апогейных и перигейных спутников в одной интегрированной системе ДЗЗ. Орбита с параметрами М = 1 и N = 8, детально рассмотренная в изобретении, практически бесполезна для ДЗЗ, так как для перигея 518.1 км и разрешения 0.35…0.5 м требуется достаточно простой и легкий спутник с телескопом около ∅0.75 м, а для апогея 7846.2 км и разрешения 1.5…2.5 м необходим сложный и тяжелый спутник с телескопом около ∅2 м. Кроме того, тенденции развития телекоммуникационных систем показали отсутствие востребованности подобных орбит и для связи.

Задачей данного изобретения является создание интегрированной спутниковой системы наблюдения Земли, состоящей из группировок спутников с высокой степенью унификации, и обеспечивающей как детальное наблюдение заданных объектов, так и обзорное наблюдение заданных регионов с выявлением изменений, с последующим нацеливанием детальных спутников на измененные объекты.

Данная задача решается тем, что спутниковая система наблюдения Земли содержит по крайней мере одну группировку спутников Земли, размещенных на близких орбитальных плоскостях, на средневысотных эллиптических орбитах с одинаковыми значениями орбитального периода, при этом по крайней мере один спутник расположен на орбите с аргументом перигея Аp (перигейные спутники), и по крайней мере один спутник расположен на орбите с аргументом перигея около Аp+180° (апогейные спутники), при этом спутники унифицированы по основным системам и отличаются фокусными расстояниями и диапазоном изменения фокусировки унифицированной оптико-электронной системы, при этом оптико-электронная система перигейного спутника оптимизирована для высот от перигея и выше, а оптико-электронная система апогейного спутника оптимизирована для высот от апогея и ниже.

Как и в существующих системах ДЗЗ, спутники изначально имеют по крайней мере одну передающую высокоскоростную радиолинию с высоконаправленной антенной, ориентированной в нижнюю полусферу спутника, и по крайней мере одну приемную командную радиолинию со слабонаправленными антеннами для работы в нижней и верхней полусферах спутника.

Для повышения оперативности получения детальной информации, орбиты спутников могут быть синхронизированы так, что апогейный спутник в точке, близкой к апогею, может находится в зоне прямой радиовидимости по крайней мере одного наземного приемного пункта и по крайней мере одного перигейного спутника, при этом перигейный спутник имеет передающую антенну высокоскоростной радиолинии, ориентированной в верхнюю полусферу спутника, а апогейный спутник имеет приемную высокоскоростную радиолинию с антенной, ориентированной в нижнюю полусферу спутника, и выступает как ретранслятор для передачи информации с перигейного спутника на наземный приемный пункт. Традиционной альтернативой такого решения является использование спутников-ретрансляторов на ГСО. Но при этом имеются определенные организационно-технические и межведомственные проблемы, а также ограничения из-за неизбежно возрастающей загруженности этих ретрансляторов.

Для повышения объема и качества получаемой детальной информации, орбиты спутников могут быть синхронизированы так, что апогейный спутник в точке, близкой к апогею, находится в зоне прямой радиовидимости по крайней мере одного перигейного спутника и опережает его по моменту видимости запланированной для перигейного спутника съемки по крайней мере одного наземного объекта на 0…1 час, апогейный спутник имеет предающую командную радиолинию с направленной антенной, ориентированной в нижнюю полусферу спутника и имеет оптико-электронную подсистему низкого разрешения, автоматически анализирующую изображение облачного покрова над этим объектом, определяющую наличие или отсутствие облачного покрова в заданной зоне над этим объектом, и передающую на перигейный спутник команду запрета или разрешения на съемку этого объекта.

При использовании традиционных средств метеорологической разведки также имеются организационно-технические и межведомственные проблемы. Кроме того, традиционные средства не могут дать 0…1 часовой прогноз по конкретным областям интереса.

Интервал 0…1 час выбран достаточно условно, и зависит от множества факторов – время анализа облачной обстановки, время перенацеливания перигейного спутника, скорость ветра над объектом интереса, при этом суть данного изобретения не меняется.

Функции имеющихся и дополнительных высокоскоростной и командной радиолиний могут быть объединены в одной унифицированной приемо-передающей системе спутника, при этом суть данного изобретения не меняется.

При размещении группировок спутников на двух и более орбитальных плоскостях и/или орбитах с разными Ap, апогейные спутники одной группировки могут обслуживать перигейные спутники других группировок.

Далее изобретение раскрывается более подробно с использованием графических материалов, где:

Фиг. 1 – вид группировки ДЗЗ в плоскости орбиты;

Фиг. 2 – вид группировки ДЗЗ по стрелке А;

Фиг. 3 – изометрический вид группировки ДЗЗ.

На Фиг. 1, 2, 3 показаны перигейный 1 и апогейный 2 спутники на орбитах 3 и 4. Орбиты располагаются практически в одной орбитальной плоскости 5, имеют одинаковые высоты перигея Hp, и одинаковые высоты апогея Ha. Плоскость 5 имеет наклонение 6 и расположена так, чтобы находиться в районе терминатора день-ночь 7, с некоторым отклонением линии узлов в сторону, обеспечивающую более эффективное наблюдение в утренние (8:00…11:00) часы местного времени. Для простоты восприятия, показано положение на день летнего солнцестояния, а линия узлов 8 совпадает с терминатором 7.

Перигейный спутник 1 имеет зону обзора 9 и зону радиовидимости наземных станций 10. Апогейный спутник 2 имеет зону обзора 11 и зону радиовидимости наземных станций 12. В зоне радиовидимости 12 находится по крайней мере один наземный приемный пункт 13.

Фокусные расстояния и диапазоны фокусировки оптико-электронных систем перигейного и апогейного спутников соответствуют высотам Hp…Hp1 и Ha…Ha1 соответственно (с учетом наклонной дальности в зонах обзора 9 и 11). Высоты Hp1 и Ha1 здесь показаны формально, исходя из пересечения орбит, и могут изменяться в некоторых диапазонах, в зависимости от задач группировки спутников и возможностей фокусировки оптико-электронных систем.

В пределе, Ha1 и Hp1 могут быть равны Hp для апогейного и Ha для перигейного спутников соответственно, при этом, при наличии наземной станции в другом полушарии, спутники полностью идентичны и обеспечивают наблюдение как северных, так и южных широт.

Орбиты, в зависимости от задач и возможностей оптико-электронных систем, могут быть практически любыми средневысотными эллиптическими, вплоть до орбит типа «Молния» или «Тундра». Аргумент перигея Аp определяет предпочтительную область детального наблюдения, от экваториальных до арктических или антарктических. Разумеется, для задач ДЗЗ предпочтительно использовать солнечно-синхронные орбиты.

Реализация изобретения может быть выполнена следующим образом:

Спутники группировки размещаются на солнечно-синхронных ретроградных орбитах с наклонением 116.565°, суточное вращение узловой линии 0.9863°, Hp = 1371 км, Ha = 6153 км. Плоскость орбиты выбирается из необходимых условий наблюдения объектов, например, в утренне-дневное или дневное-вечернее время суток. При этом спутники практически всегда, и только с одной стороны, освещены солнцем, что существенно упрощает системы энергопитания и терморегулирования. Перигейные спутники имеют аргумент перигея Ap около 90°, апогейные спутники имеют аргумент перигея около 270°.

Минимальный состав группировки – 1 апогейный и 2-3 перигейных спутника. Оптимальный состав – 2 и 4 спутника соответственно.

Перигейный спутник имеет:

- унифицированную оптико-электронную систему с телескопом ∅1.7 м и разрешением 0.35…0.5 м, оптимизированным для высот Hp … Hp1;

- высокоскоростную передающую радиолинию с направленными антеннами, обеспечивающими канал 14 передачи информации на апогейные спутники или на наземные станции (не показано);

- приемную командную радиолинию с антеннами, обеспечивающими канал 15 передачи информации с апогейных спутников или с наземных станций (не показано);

Апогейный спутник имеет:

- унифицированную оптико-электронную систему с телескопом ∅1.7 м и разрешением 1.5…2.5 м, оптимизированным для высот Ha … Ha1;

- высокоскоростной ретранслятор с направленными антеннами, обеспечивающий канал приема информации 14 с перигейных спутников и канал ее передачи 16 на наземные станции;

- передающую командную радиолинию с направленными антеннами, обеспечивающими канал передачи информации 15 на перигейные спутники;

- оптико-электронную систему низкого разрешения для анализа облачной обстановки.

Применение группировок спутников ДЗЗ с оппозитно размещенными апогейными и перигейными аппаратами на средневысотных эллиптических орбитах позволит достичь следующих преимуществ:

- уменьшить количество спутников для обзорного и детального наблюдения объектов в заданной полосе широт;

- увеличить эффективность использования спутников детального наблюдения;

- обеспечить оперативное, до единиц часов или минут, наблюдение объектов по требованию;

- обеспечить длительное, до 20 визитов в день, наблюдение объектов интереса (для состава группировки с 4 перигейными спутниками).

Таким образом, все задачи данного изобретения выполнены.

Хотя настоящее описание изобретения было выполнено со ссылкой на конкретный пример реализации, специалисты в данной области техники понимают, что изменения могут быть сделаны по форме и деталям без отклонения от объема описания и/или формулы изобретения.

Литература

Патент US 5553816 (прототип).

Патент RU 2396187.

Патент RU 2499750.

Патент RU 2671601.

Патент US 4854527.

Изобретение относится к области космической техники, а именно к спутниковым системам наблюдения. Интегрированная спутниковая система наблюдения Земли содержит по крайней мере одну группировку спутников Земли. Спутники размещены на близких орбитальных плоскостях на средневысотных эллиптических орбитах с одинаковыми значениями орбитального периода. Спутники имеют командную приемную радиолинию с антеннами, направленными в нижнюю и верхнюю полусферы спутника и высокоскоростную передающую радиолинию с антенной, направленной в нижнюю полусферу спутника. Один спутник – перигейный – расположен на орбите с аргументом перигея, отличающимся на 180° от аргумента перигея другого – апогейного. Спутники унифицированы по основным системам и отличаются фокусными расстояниями и диапазоном изменения фокусировки унифицированной оптико-электронной системы. Оптико-электронная система перигейного спутника оптимизирована для высот от перигея и выше, а оптико-электронная система апогейного спутника оптимизирована для высот от апогея и ниже. Достигается уменьшение количества спутников для наблюдения в заданной полосе широт, увеличение эффективности использования спутников дальнего наблюдения, обеспечение оперативного и длительного наблюдения. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Интегрированная спутниковая система наблюдения Земли, содержащая по крайней мере одну группировку спутников Земли, размещенных на близких орбитальных плоскостях на средневысотных солнечно-синхронных эллиптических орбитах с одинаковыми значениями орбитального периода, и по крайней мере один наземный приемный пункт, при этом спутники имеют командную приемную радиолинию с антеннами, направленными в нижнюю и верхнюю полусферы спутника и высокоскоростную передающую радиолинию с антенной, направленной в нижнюю полусферу спутника, отличающаяся тем, что в каждой группировке, по крайней мере один спутник расположен на орбите с аргументом перигея Аp – перигейные спутники, по крайней мере один спутник расположен на орбите с аргументом перигея около Аp+180° – апогейные спутники, сами спутники унифицированы по основным системам и отличаются фокусными расстояниями и диапазонами изменения фокусировки унифицированных оптико-электронных систем, при этом оптико-электронная система перигейного спутника оптимизирована для высот от перигея и выше, а оптико-электронная система апогейного спутника оптимизирована для высот от апогея и ниже.

2. Спутниковая система по п. 1, отличающаяся тем, что по крайней мере один наземный приемный пункт расположен в зоне радиовидимости апогейных спутников в области апогея, орбиты синхронизированы так, что апогейный спутник в области апогея находится в зоне прямой радиовидимости по крайней мере одного перигейного спутника, при этом перигейный спутник имеет передающую антенну высокоскоростной радиолинии, направленную в верхнюю полусферу спутника, апогейный спутник имеет приемную высокоскоростную радиолинию с антенной, направленную в нижнюю полусферу спутника, и выступает как ретранслятор для передачи информации с перигейного спутника на наземный приемный пункт.

3. Спутниковая система по п. 1, отличающаяся тем, что орбиты синхронизированы так, что по крайней мере один апогейный спутник в области апогея находится в зоне прямой радиовидимости по крайней мере одного перигейного спутника и опережает его по моменту видимости запланированной для перигейного спутника съемки по крайней мере одного наземного объекта на 0…1 час, апогейный спутник имеет оптико-электронную подсистему низкого разрешения, автоматически анализирующую изображение облачного покрова над этим объектом, определяющую наличие или отсутствие облачного покрова в заданной зоне над этим объектом, и имеет передающую командную радиолинию с антенной, направленную в нижнюю полусферу спутника и передающую на перигейный спутник команду запрета или разрешения на съемку этого объекта.

4. Спутниковая система по п. 2 или 3, отличающаяся тем, что по крайней мере две группировки спутников расположены на разных орбитальных плоскостях, и апогейные спутники одной группировки обслуживают перигейные спутники другой группировки.

5. Спутниковая система по п. 2 или 3, отличающаяся тем, что по крайней мере две группировки спутников расположены на орбитах с разными Аp, и апогейные спутники одной группировки обслуживают перигейные спутники другой группировки.