КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2012, том 50, № 2, с. 205-208
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 629.78
ЭЛЛИПТИЧЕСКИЕ ОРБИТЫ И СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ ОБЗОРА
ОСВЕЩЕННЫХ РАЙОНОВ
© 2012 г. Ю. П. Улыбышев
Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева, г. Королев
yuri.ulybyshev@rsce.ru Поступила в редакцию 22.02.2011 г.
Традиционным подходом к проектированию спутниковых систем (СС) является синтез систем непрерывного или периодического обзора — от глобального Земли до обзора отдельных районов. В этом направлении разработаны методы баллистического проектирования, ориентированные на различные типы орбит и виды обзора [1—7]. Краткий исторический обзор развития и современного состояния теории СС непрерывного обзора представлен в [8]. Особую разновидность составляют СС на высокоэллиптических орбитах типа "Молнии" [9—11], которые характеризуются использованием критического наклонения орбиты (/ = 63.4° или i = 116.6°) и размещением апогея орбиты в полушарии с областью обзора. Среди них были разработаны так называемые однотрас-совые системы (или одномаршрутные) [10], которые имеют совпадающие трассы на поверхности Земли (т.е. одинаковые параметры орбит и гринвичские долготы восходящих узлов).
Для систем наблюдения поверхности Земли, связанных с освещенностью наблюдаемых районов Солнцем возможно использование СС непрерывного обзора на высокоэллиптических орбитах [11]. Однако, подобный подход может быть неоптимальным по потребному количеству спутников. Использование СС периодического обзора, как правило, не может решить подобную задачу, поскольку возникающие перерывы в обзоре носят циклический характер и не связаны с освещенностью Солнцем. Целью работы является
разработка методов выбора экономичных СС, ориентированных на наблюдение освещенных районов, на основе новой разновидности высокоэллиптических орбит типа "Молнии". Такие орбиты имеют синхронизм с солнечными сутками. Это отличает их от классических орбит типа "Молнии", связанных синхронизмом с вращением Земли (т.е. со звездными сутками). Отметим, что подобные орбиты могут использоваться и для обратной задачи — обзора районов в ночное время (например, для их освещения). Другим применением могут быть системы спутниковой связи, в которых интервалы видимости, определяющие ее возможность, связаны с местным временем, на которое приходится максимум связного трафика.
Псевдо-солнечно-синхронные орбиты типа "Молнии". Рассмотрим некоторый район наблюдения. Пусть центр района имеет географическую долготу и соответствующую шкалу местного времени ?т. Предположим, мы имеем некоторую высокоэллиптическую орбиту с орбитальным периодом кратным продолжительности солнечных суток
Т « Т5/п = 86400'/«, (1)
где: п — кратность орбиты по солнечным суткам, Т — длительность солнечных суток. Тогда КА на такой орбите будет находиться в апогее своей орбиты через п-витков в одно и то же местное время
Кратность орбиты, п Период, Т с (час) Эксцентриситет Высота, км
Перигей hn, км Апогей ha, км
1 86399.21 (~24 час) 0.370 20234 51 492
2 43197.57 (~12 час) 0.722 1015 39447
3 28797.2 (~8 час) 0.661 500 27357
Й20 с«
3 15
150 200 250 Время, сут
Р 20 я,
ем15 р
<ч
8 10 £
с
ес 5
150 200 250 Время, сут
Рис. 1
Рис. 2
Отклонение долготы 0°
Р 20
р15
<ч
е о * 10
<ч
о к с о
-Широта 45°
I
5 -
Широта 55°
I? 20
р15
<ч
е о 8 10
<ч
о к
с5 о5
Отклонение долготы +45°
Широта 45°
50 100 150 200 250 300 350 0 50 100 150 200 250
Время, сут Время, сут
Рис. 3
Рис. 4
района наблюдения т например, в местный полдень. Очевидно, что у такой орбиты за счет различия между солнечными и звездными сутками трасса орбиты будет от суток к суткам иметь дрейф по долготе. Следует отметить, что для сохранения одного и того же значения местного времени пролета апогея орбиты необходимо учесть поправки к драконическому периоду, связанные с прецессией плоскости орбиты.
В качестве примеров будут рассматриваться СС на различных эллиптических орбитах с характеристиками, приведенными в таблице. Наклонение и аргумент перигея всех орбит одинаковы: I = 63.4°, юп = 270°.
Спутниковые системы регионального обзора.
Для обзора географических областей предпочтительней использовать одномаршрутные СС [11], в которых сдвиг времени пролета одной и той же точки орбиты равен Т/Ы, где N — число спутников в системе. Например, для непрерывного обзора
областей в Северном полушарии размером сравнимым с территорией России требуется три спутника на 12-часовой орбите "Молния". При уменьшении количества спутников до двух возникают перерывы в обзоре, местные времена которых в течение года изменяются от ночных до полуденных часов. На рис. 1 показано распределение местных времен наблюдения района с произвольной долготой на широте 55° с.ш. для орбиты "Молния" (период ~12 часов) на годовом интервале. Середины интервалов наблюдения (пунктирные линии) для каждого КА соответствуют точке апогея орбиты. Использование близких к этим эллиптических орбит, рассмотренных выше, обеспечивает практически те же самые характеристики обзора и почти стабильное местное время для перерывов. Выбором положения орбитальных плоскостей относительно Солнца может быть сформировано любое местное время прохождения, например, апогея орби-
ЭЛЛИПТИЧЕСКИЕ ОРБИТЫ И СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ ОБЗОРА
207
Отклонение долготы 0, Широта 55°
Рис. 5
ты. Для максимизации интервалов наблюдения в светлое время точка пролета апогея должна соответствовать местному полдню (см. рис. 2).
Рассматривалось наблюдение освещенных областей с широтами 45°—65° с.ш. (местные времена пролета апогеев соответствовали местному полдню, например, центральный регион Российской Федерации по шкале Московского Декретного Времени). Местные времена частей области, имеющих смещение по долготе от ее центра будут отличаться. Однако, даже при относительно больших смещениях по географической долготе Дк = ±45°(или на ±~3000 км по параллели 50° с.ш.), интервалы наблюдения соответствующие требованиям освещенности будут достаточно продолжительными. Принималось, что при наблюдении углы возвышения над местным горизонтом для КА должны быть не менее 20°, а для Солнца не менее 10°.
Моделирование показывает, что приемлемые результаты обеспечивают СС имеющие N = п, т.е. для рассматриваемых орбит соответственно 1, 2 или 3 спутника. Особо отметим, что число спутников здесь меньше, чем в СС непрерывного обзора (где требуется соответственно 2, 3 или 4 спутника [11]). Примеры интервалов возможных наблюдений на годовом периоде для одиночного спутника на орбите 1 представлены на рис. 3—4 (п = 1, для долготы центра района и отклонении по долготе на Дк = +45°, широты 45°, 55°, 65° с.ш.). Двойными стрелками показаны границы интервалов наблюдений и времен восхода и захода Солнца с углом возвышения не менее 10° для соответствующих широт. Подобные графики для СС из 2 спутников на 12 часовой орбите представлены на рис. 5—6 (п = 2, широта 55° с.ш., для Дк = = 0, +45°) и трех спутников для орбиты ~8 часов
Отклонение долготы 45°, Широта 55°
Рис. 6
на рис. 7 (п = 3, широта 55° с.ш.). Пунктирными линиями обозначены границы времен восхода и захода Солнца с углом возвышения не менее 10°.
Видно, что односпутниковая система с периодом ~24 часа (рис. 3) практически полностью обеспечивает наблюдения в светлое время в окрестности долготы центра района широт 55°— 65° с.ш. Для отклонений по долготе Дк = ±45° эти характеристики несколько ухудшаются (рис. 4). Для двухспутниковых систем с ~12 часовым периодом имеются по два ежесуточных перерыва (рис. 5—6), а в системе с тремя КА соответственно по три перерыва (рис. 7). Отметим, что эти перерывы могут быть произвольным образом сдвинуты по местному времени.
Отклонение долготы 0, Широта 55°
Рис. 7
ВЫВОДЫ
Предложена новая разновидность эллиптических орбит типа "Молнии", имеющих синхронизм с солнечными сутками, которые можно назвать псевдо-солнечно-синхронными орбитами. Представленные спутниковые системы на этих орбитах обеспечивают наблюдение обширных географических районов в светлое время суток при меньшем количестве спутников, чем подобные системы непрерывного обзора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баринов К.Н., Бурдаев М.Н., Мамон П.А. Динамика и принципы построения орбитальных систем космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1975.
2. Можаев Г.В. Синтез орбитальных структур спутниковых систем: (Теоретико-групповой подход). М.: Машиностроение, 1989.
3. Lang T.J. Optimal Low Earth Orbit Constellations for Continuous Global Coverage // AAS Paper. 1993. № 597.
4. Ulybyshev Y. Near-Polar Satellite Constellations for Continuous Global Coverage // J. Spacecraft and Rockets. 1999. V. 36. № 1. P. 92-99.
5. Разумный Ю.Н. Синтез орбитальных структур спутниковых систем периодического обзора. М.: Изд. МГТУ им Н.Э. Баумана, 2000.
6. Саульский В.К. Многоспутниковые системы с линейной структурой и их применение для непрерывного обзора Земли // Космич. исслед. 2005. Т. 43. № 1. С. 36-53. (Cosmic Research. P. 34).
7. Ulybyshev Y. Satellite constellation design for complex coverage // J. Spacecraft and Rockets. 2008. V. 45. № 4. P. 843-849.
8. Улыбышев Ю.П. Проектирование спутниковых систем непрерывного обзора: краткий исторический обзор, современное состояние и новые решения // Труды МАИ. 2009. № 34. C. 1-24. (http://science. mai.ru/publications/index.php ?ID=8229)
9. Чернявский Г.М., Бартенев В.А. Орбиты спутников связи. М.: Связь, 1978.
10. Бырков Б.П., Силов В.В., Никитин И.Н. Использование временных диаграмм видимости для выбора одномаршрутных систем ИСЗ на эллиптических орбитах // Труды 18 Чтений К.Э. Циолковского. Секция "Механика космического полета". Калуга. 1983. С. 38-45.
11. Улыбышев Ю.П. Проектирование спутниковых систем непрерывного обзора на эллиптических орбитах типа "Молнии" // Космич. исслед. 2009. Т. 47. № 4. С. 343-354. (Cosmic Research. P. 310).
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.