СПОСОБ СОЗДАНИЯ АГРЕГИРОВАННОЙ СПУТНИКОВОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2025 года по МПК B64G1/10 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области ракетно-космической техники, а именно к способам создания спутниковых систем космических аппаратов.

Уровень техники

Известен способ создания спутниковой системы для решения задач навигации над всеми точками поверхности Земли, заключающийся в том, что для выполнения необходимых условий решения навигационных задач по определению значений текущих координат и скоростей потребителей космические аппараты выводят на заранее рассчитанные орбиты, координируют их действия, поддерживают требуемые значения параметров орбит с помощью двигательных установок систем управления, образуют над любой точкой поверхности земли созвездия космических аппаратов, с помощью которых решают навигационные задачи потребителей (см. патент РФ №2314232, 27.10.2004 г., МПК B64G 1/10).

Основным недостатком данного способа является то, что в данном способе построения расположение спутников в одной плоскости неравномерное, также предусмотрено неравномерное расположение плоскостей орбит вдоль экватора Земли, что приведет к воздействию неодинаковых возмущений на движение спутников и, вследствие чего, будет иметь место различный характер эволюции орбитальных параметров искусственных спутников. Орбитальные параметры системы в данном случае будут деградировать неравномерно (неодинаково) и потребуют постоянной коррекции, что означает неоптимальные показатели динамической устойчивости.

Известен способ создания глобальной информационной среды в околоземном пространстве в виде многофункциональной космической информационной системы на базе сети низкоорбитальных КА (Парадигма), заключающийся в том, что для создания глобальной информационной среды в околоземном пространстве реализуют эшелонное построение многофункциональной космической информационной системы, в которую включены: космический эшелон информационных кластеров КА; воздушный эшелон информационных атмосферных спутников и беспилотных летательных аппаратов; эшелон абонентской аппаратуры связи наземных потребителей; центр приема и анализа информации мониторинга; наземный центр управления системой. Система строится по сетевому принципу, что позволяет увеличить оперативность передачи информации до конечного потребителя. Система предполагает реализацию информационного обеспечения от разнотипной бортовой аппаратуры, (см. патент РФ №2707415, 28.04.2018 г., МПК B64G 3/00).

Основными недостатками данного способа являются:

- отсутствие описания способов проектирования оптимальных орбитальных параметров кластеров космических аппаратов каждого эшелона на целевых орбитах;

- отсутствует описание способов обеспечения структурной устойчивости всего космического эшелона, тем более что кластерный принцип построения предъявляет жесткие требования к относительному положению КА в составе кластера для удовлетворения требований по качеству реализации целевого функционала;

- параметры кластеров КА по эшелонам усреднены к близким орбитам, что в ряде случаев не является оптимальным вариантом при реализации целевого функционала.

Наиболее близким по технической сути (прототипом) к предлагаемому изобретению является способ создания спутниковой системы «Метеор», заключающийся в том, что для реализации метеорологического обеспечения различных потребителей космические аппараты выводят с учетом специфики информации, получаемой с метеорологических КА. При расчете параметров структуры системы учитываются технические возможности, количество одновременно функционирующих КА и продолжительность существования каждого из них. При выборе орбит определяются районы интереса, о которых требуется метеорологическая информация, рассчитывается время полета КА над тем или иным районом Земли, ширина полосы обзора Земли и разрешающая способность бортовой аппаратуры КА. При построении системы учитывается требуемая периодичность доставки метеорологической информации до пункта приема информации, так как погодные данные устаревают и теряют оперативную ценность (см. Румянцев П.А. Космическая система «Метеор» // Новое в жизни, науке, технике. - М.: «Знание». 1983. Серия «Космонавтика, астрономия», №10. - 59 с.).

Недостатками данного способа являются:

- построение системы обусловлено требованиями однородного состава потребителей, кроме того, при формировании структуры системы в принципе не учитывался спектр возможных потребителей и их возможности по приему специальной информации;

- на борту метеорологических спутников «Метеор» устанавливалась штатная и экспериментальная аппаратура (состав которой был неоднороден), которая в свою очередь, для обеспечения оптимальных характеристик информации требует расположения на определенных оптимальных высотах каждая. Однако при построении системы выбирались усредненные параметры орбит, и разнотипная аппаратура на борту искусственных спутников реализовывала целевой функционал со средними не оптимальными характеристиками;

- отсутствие синхронизации взаимного положения КА для обеспечения устойчивости структуры системы, а также синхронизации движения КА относительно Земли, для увеличения числа пролетов над требуемыми районами интереса.

Данный способ создания глобальной спутниковой системы имеет основной недостаток, заключающийся в том, что при построении данной системы и выбора параметров орбит не проводилось оптимизация ресурсных затрат. Выбирались усредненные параметры орбит спутников, поэтому общий функционал был не оптимальным, как и количество спутников в составе системы.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа создания агрегированной спутниковой информационной системы, при котором техническим результатом будет являться снижение ресурсных затрат при создании орбитальной структуры агрегированной спутниковой информационной системы, обеспечивающей заданные требования и ограничения, а также повышение структурной устойчивости агрегированной спутниковой информационной системы.

Этот технический результат в способе создания агрегированной спутниковой информационной системы, заключающийся в выведении на круговые и (или) иные орбиты N космических аппаратов, достигается тем, что для создания агрегированной спутниковой информационной системы поэтапно определяют состав потребителей, их координатно-временные параметры и возможности по приему космической информации, спектр информационного обеспечения, включающий тип, объем, качество, периодичность получения на заданном временном интервале космической информации о требуемых районах на поверхности Земли и областей околоземного и космического пространства, подбирают и (или) создают бортовую специальную аппаратуру, способную обеспечить требуемый объем и качество получения космической информации с требуемых районов на поверхности Земли и областей околоземного и космического пространства на заданном временном интервале, устанавливают бортовую специальную аппаратуру на космические аппараты или унифицированные космические платформы, определяют состав наземного комплекса управления, формализуют целевые показатели агрегированной информационной спутниковой системы, находят параметры баллистических структур орбитальных группировок для каждого типа бортовой аппаратуры, удовлетворяющие целевым показателям к каждому виду информационного обеспечения, формируют область пригодных баллистических структур орбитальных группировок с учетом показателя пригодности, находят оптимальные параметры баллистической структуры агрегированной информационной спутниковой системы, реализующей весь спектр информационного обеспечения потребителей, синхронизируют орбитальные параметры космических аппаратов.

Способ предполагает создание спутниковой информационной системы по принципу агрегирования, в соответствии с которым предполагается объединение подсистем спутников различного целевого функционала в одну единую систему для повышения эффективности информационного обеспечения, при этом орбитальные параметры подсистем спутников синхронизируются относительно друг друга, вырабатываются системные целевые показатели, а все этапы создания спутниковой информационной системы взаимоувязывают по баллистическому построению орбитальной составляющей спутниковой системы. Объединение подсистем состоит в синхронизации прохождения зон обзора спутников различного целевого назначения относительно требуемых районов на поверхности Земли и областей околоземного и космического пространства.

Спутниковые системы, реализующие разные виды информационного обеспечения, строятся по принципиально разным способам. Требования к построению подобных систем противоположны. Для агрегирования подобных подсистем в единую, обеспечивающую заданный спектр информационного обеспечения, требуется определение орбитальных параметров всех подсистем во взаимоувязке. Ввиду разнотипного состава бортовой специальной аппаратуры, требуется размещение искусственных спутников на разновысотных орбитах с разным наклонением. Это позволит обеспечить наилучшие параметры целевого применения подсистем, однако системные показатели (например, такие как оперативность доставки любого вида информации, кратность обзора, структурная устойчивость) будут хуже. Поэтому после определения орбитальных параметров подсистем искусственных спутников в составе агрегированной спутниковой системы требуется синхронизация орбитальных параметров искусственных спутников для обеспечения лучших системных показателей и структурной устойчивости системы в целом.

Осуществление изобретения

Способ осуществляется следующим образом.

На первом этапе:

- определяют состав потребителей, их координатно-временные параметры и возможности по приему космической информации и задается в виде множества U_r.

U_r - множество пунктов приема специальной информации с координатами , r=1(1)R, способных принимать специальную информацию, (R - количество пунктов приема специальной информации, B_r, λ_r, H_r - геодезические широта, долгота и высота r-го пункта приема специальной информации);

- определяют тип, объем, качество, периодичность получения на заданном временном интервале космической информации о требуемых районах на поверхности Земли и областей околоземного и космического пространства (спектр информационного обеспечения) и задается в виде множества U_i.

U_i - множество, определяющее спектр информационного обеспечения такое, что с характеристиками , i=1(1)I, j=1(1)G (I - количество потребителей, G - количество типов информации, U_j - множество j-го типа, k_ij - тип информации (радиотехническая, радиолокационная, оптикоэлектронная и т.п.), v_ij - объем i -й информации j-ro типа, q_ig - качество i-й информации j-го типа, T_ij - периодичность получения i-й информации j-го типа).

Таким образом, формируется произвольное подмножество требований различного состава потребителей к агрегированной системе.

На втором этапе:

- подбирают и (или) создают бортовую специальную аппаратуру, способную обеспечить требуемый объем и качество получения космической информации о требуемых районах на поверхности Земли и областей околоземного и космического пространства на заданном временном интервале и задается в виде множества U_s.

U_s - множество специальной аппаратуры такое, что с характеристиками , s=1(1)S, n=1(1)N (U_n - множество n-го типа (S - количество специальной аппаратуры, N - количество типов бортовой аппаратуры, k_sn - тип аппаратуры (радиотехническая, радиолокационная, оптикоэлектронная и т.п.), m_sn - масса s-й аппаратуры n-го типа, S_sn - стоимость s-й аппаратуры n-го типа, D_sn - дальность действия s-й аппаратуры n-го типа);

- формируют состав параметров унифицированных космических платформ, который задается в виде множества U_p.

U_p - множество космических платформ для установки специальной аппаратуры с характеристиками , р=1(1)Р (Р - количество унифицированных космических платформ, m_p - масса платформы, k_p - тип унифицированной платформы, с_р - состав космической платформы, τ_р - срок активного существования космической платформы, S_p - стоимость платформы);

- устанавливают бортовую специальную аппаратуру на космические аппараты или унифицированные космические платформы, для этого формируется подмножество космических аппаратов U_v.

U_v - множество КА такое, что с характеристиками , v=1(1)V, k=1(1)K (V - количество КА, K - количество типов специальной аппаратуры, U_k - множество КА с аппаратурой k-го типа, m_vk - масса v-го КА с k-й специальной аппаратурой, S_vk - стоимость v-го КА с k-й специальной аппаратурой, D_vk - дальность действия v-го КА с k-й специальной аппаратурой).

На третьем этапе:

- определяют состав наземного комплекса управления агрегированной информационной спутниковой системы и задается в виде множества U_c.

U_c - множество пунктов управления КА с координатами , с=1(1)С (С - количество пунктов управления, В_с, λ_с, Н_с - геодезические широта, долгота и высота с-го пункта управления).

Формализуют множество целевых показателей агрегированной информационной спутниковой системы U_α.

U_α - множество целевых показателей (U_α=U_ΔT U_Δt …).

- множество разрывов в наблюдении объектов дистанционного зондирования (U_o - множество объектов дистанционного зондирования трех типов: I - точечные объекты (М - количество), задаваемые координатами , μ=1(1)М; II - круговые объекты (Θ - количество), задаваемые координатами , η=1(1)Θ, r - радиус объекта; III - прямоугольные объекты (Ω - количество), задаваемые координатами , γ₁=1(1)Ω, , γ₂=1(1)Ω, , γ₃=1(1)Ω, , γ₄=1(1)Ω; - множество разрывов в наблюдении объектов типа μ, η, γ ОГ дистанционного зондирования 1-го типа; U_Δt - продолжительность наблюдения объектов дистанционного зондирования всеми ОГ, и т д.

Проводят синтез баллистических структур орбитальных группировок для каждого типа бортовой аппаратуры, удовлетворяющие целевым показателям к каждому виду информационного обеспечения. При этом баллистическая структура агрегированной информационной спутниковой системы задается множеством U _w.

U_Ψ - множество баллистических структур орбитальной группировки , состоящей из множеств баллистических структур орбитальных группировок (ОГ) КА k-го типа с характеристиками , k=1(1)K (m_k - тип орбит в ОГ КА k-го типа, f_k - количество плоскостей орбит в ОГ k-го типа, n_k - количество КА в плоскости в ОГ КА k-го типа, a_k - большие полуоси орбит в ОГ КА k-го типа, i_k - наклонение плоскостей орбит в ОГ КА k-го типа, ω_k - аргументы широты перигея орбит в ОГ КА k-го типа, Ω_k - прямые восхождения восходящего узла орбит в ОГ КА k-го типа, u_k - аргументы широта КА в ОГ k-го типа, N_k - количество КА в ОГ k-го типа).

Проводят моделирование целевого применения агрегированной информационной спутниковой системы, в результате чего определяется матрица результатов по каждому установленному показателю

- матрица результатов, 1=1(1)L,

ΔT_1jμ - максимальный разрыв в наблюдении j-ым КА 1-й ОГ μ-го объекта I-го типа на интервале времени ΔT.

Проводится анализ полученных результатов по показателю пригодности.

Отбираются варианты баллистических структур, отвечающих показателю пригодности.

Проводят поиск оптимальной баллистической структуры агрегированной спутниковой информационной системы, реализующей весь спектр информационного обеспечения потребителей и обеспечивающей минимум ресурсных затрат:

Ψ∈U_Ψ,

r=1(1)R, с=1(1)С,

μ=1(1)M, η=1(1)Θ, γ1=1(1)Ω, γ2=1(1)Ω, γ3=1(1)Ω, γ4=1(1)Ω,

р=1(1)Р, s=1(1)S, k=1(1)K,

i=1(1)I, j=1(1)G.

Решение поставленной задачи осуществляется на основе сочетания методов структурно-параметрического синтеза и оптимизации параметров, влияющих на возможности системы учитывая специфику задач, возлагаемых на агрегированную спутниковую информационную систему.

На четвертом этапе обеспечивают структурную устойчивость агрегированной информационной спутниковой системы при помощи синхронизации орбитальных параметров структуры агрегированной спутниковой информационной системы.

При построении агрегированной информационной спутниковой системы, орбиты КА различных типов (различных подсистем) могут существенно отличаться друг от друга, причем отличия могут быть в пространственном расположении орбит, в геометрических характеристиках и положении КА на орбите. Это приводит к различным периодическим и вековым уходам параметров орбит, определяющих баллистическое построение подсистем КА с разнотипной бортовой аппаратурой.

Математически подход обеспечения равновесного состояния системы с точки зрения A.M. Ляпунова можно объяснить следующим образом. Пусть А - область допустимых отклонений системы от состояния равновесия. Тогда это состояние является устойчивым, если для любого заданного ε можно указать такую область δ (включающую точку равновесия), что траектория любого движения, начавшегося в области δ, никогда не достигнет границы области Δ. Иными словами, в процессе движения системы ее траектория, отправляясь от точки равновесия, обязательно будет находиться в заданных пределах по отношению к этой точке, т.е. в течение заданного интервала времени обеспечивается расхождение плоскостей орбит относительно друг друга - по прямому восхождению восходящего узла и по наклонению, а так же относительному положению КА - по аргументу широты КА и аргументу широты перигея на величины не более допустимых.

Исходя из данного условия, задача обеспечения устойчивой структуры разделяется на две подзадачи, а именно обеспечение устойчивости относительного положения плоскостей орбит КА и обеспечение устойчивого взаимного положения КА на орбитах на заданном временном интервале.

Изменение взаимного положения КА с разнотипной бортовой аппаратурой вызывается вековыми уходами параметров орбиты каждого КА, возникающими под действием возмущающих факторов. Величина возмущений, действующих на КА, зависит от положения плоскости орбиты в пространстве, ее размеров и формы.

К достоинствам указанного способа создания агрегированной спутниковой информационной системы относятся:

- исключение избыточности при создании системы как в аспекте построения наземного комплекса управления, наземного специального комплекса, так и в количественном составе орбитальной группировки;

- оптимальные характеристики взаимной видимости, ввиду синхронизации орбит искусственных спутников;

- повышенная структурная устойчивость орбитальной структуры КА, ввиду синхронизации орбитальных параметров искусственных спутников в составе орбитальной группировки относительно друг друга, а также ввиду обеспечения нивелирования вековых уходов;

- повышенные характеристики целевого применения за счет того, что орбитальные параметры элементов структуры системы будут выбираться с учетом обеспечения оптимального (требуемого) качества реализации целевого функционала, а также за счет использования взаимно синхронных орбит для обеспечения комплексирования целевых возможностей различных типов бортовой специальной аппаратуры.

Изобретение относится к области ракетно-космической техники, а именно к способам создания спутниковых систем космических аппаратов. Процесс создания агрегированной спутниковой информационной системы включает определение потребителей и спектра информационного обеспечения, выбор бортовой аппаратуры, формирование параметров космических платформ и наземного комплекса управления, ранжирование параметров, формализацию целевых показателей, определение параметров баллистических структур орбитальных группировок и оптимизацию параметров для синхронизации орбитальных аппаратов. Достигается снижение ресурсных затрат при создании орбитальной спутниковой системы, а также повышение ее структурной устойчивости.

Способ создания агрегированной спутниковой информационной системы, заключающийся в выведении на круговые и/или иные орбиты N космических аппаратов, отличающийся тем, что для создания агрегированной спутниковой информационной системы поэтапно определяют состав потребителей, их координатно-временные параметры и возможности по приему космической информации, спектр информационного обеспечения, включающий тип, объем, качество, периодичность получения на заданном временном интервале космической информации о требуемых районах на поверхности Земли и областей околоземного и космического пространства, подбирают и/или создают бортовую специальную аппаратуру, способную обеспечить требуемый объем и качество получения космической информации с требуемых районов на поверхности Земли и областей околоземного и космического пространства на заданном временном интервале, устанавливают бортовую специальную аппаратуру на космические аппараты или унифицированные космические платформы, определяют состав наземного комплекса управления, формализуют целевые показатели агрегированной информационной спутниковой системы, находят параметры баллистических структур орбитальных группировок для каждого типа бортовой аппаратуры, удовлетворяющие целевым показателям к каждому виду информационного обеспечения, формируют область пригодных баллистических структур орбитальных группировок с учетом показателя пригодности, находят оптимальные параметры баллистической структуры агрегированной информационной спутниковой системы, реализующей весь спектр информационного обеспечения потребителей, синхронизируют орбитальные параметры космических аппаратов.