КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, том 53, № 4, с. 332-344
УДК 629.78
КОМБИНИРОВАННЫЕ СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ НЕПРЕРЫВНОГО ГЛОБАЛЬНОГО ОБЗОРА НА ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ И ПОЛЯРНЫХ КРУГОВЫХ ОРБИТАХ © 2015 г. С. Ю. Улыбышев
Центральный научно-исследовательский институт химии и механики, г. Москва
тагйос5СФгатЫвг. ги Поступила в редакцию 27.08.2013 г.
Представлен метод проектирования неоднородных спутниковых систем глобального обзора с использованием комбинации экваториальной и полярных спутниковых группировок. Получены уравнения для определения основных проектных параметров всей спутниковой системы и условий ее замыкания при стыке полярного и экваториального сегментов. Проведен анализ особенностей построения таких систем, их преимуществ и недостатков по сравнению с наиболее известными типами полярными фазированными и кинематически правильными спутниковыми системами. Рассмотрены варианты построения НОСС с различными высотами полета и количеством космических аппаратов в экваториальной и полярных плоскостях, а также представлены численные примеры таких СС.
Б01: 10.7868/80023420615040093
1. ВВЕДЕНИЕ
К настоящему моменту опубликовано множество работ по проектированию спутниковых систем (СС) на круговых орбитах для непрерывного глобального обзора. Среди них можно выделить полярные нефазированные [1, 6, 12] и полярные фазированные (ПФСС) [6, 12], кинематически правильные спутниковые системы (КПСС) [2—5, 14] и околополярные [13]. Все эти СС можно объединить в более широкий класс однородных спутниковых систем (ОСС), поскольку они построены на орбитах с одинаковыми высотами и наклонениями. К неоднородным спутниковым системам (НОСС) можно отнести СС, для которых выполняется любое из следующих условий: орбиты имеют различное наклонение (4 Ф 1т) и/или высоту
полета (Нк Ф Нт) или в их состав входят как эллиптические, так и круговые орбиты.
Построение НОСС на широком спектре орбит весьма затруднительно, поскольку для долгосрочного поддержания спутниковой структуры требуется проводить регулярные коррекции орбит и затрачивать большое количество топлива. Данные коррекции связаны с парированием возмущений связанных в первую очередь с взаимной прецессией плоскостей орбит в НОСС, а при использовании в составе СС эллиптических орбит еще и с поворотом линии апсид, который приводит к деформации структуры СС. Именно поэтому методы проектирования ОСС, в которых взаимная прецессия орбит спутников практически отсут-
ствует, наиболее проработаны. Однако сочетание экваториальной и полярных орбит может снять проблему взаимной прецессии. При этом высоты орбит у экваториального и полярного сегментов могут отличаться. Таким образом, использование НОСС возможно с применением особых типов орбит, позволяющих минимизировать или компенсировать влияние возмущений на спутниковую структуру.
В отечественной и зарубежной литературе опубликован ряд работ по проектированию спутниковых систем с использованием комбинаций различных типов орбит. В работах [4, 10] рассмотрен вариант построения СС глобального обзора из 6 спутников расположенных на экваториальной и наклонных орбитах. В статье [15] представлен вариант построения СС на экваториальной и полярных орбитах на основе полос непрерывного обзора, образуемых спутниками одной плоскости. Задача выбора оптимальной конфигурации гибридной спутниковой системы, с применением генетических алгоритмов, описана в [7]. В ней рассмотрены комбинации низкоорбитальных, средневысотных и геостационарных спутниковых группировок для обеспечения двукратного глобального обзора Земли. Полученные решения представляют собой СС с различными высотами полета, наклонениями орбит, числом орбитальных плоскостей и количеством КА в них для каждого высотного уровня. Эти примеры являются частными случаями из всего многообразия НОСС. В данной статье опи-
Рис. 1. Взаимное положение областей обзора КА в
фазированной СС.
сываются принципы и особенности проектирования НОСС непрерывного глобального обзора различной кратности с использованием экваториальной и полярных орбит, а также представлены разнообразные варианты их построения.
2. НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ПОЛЯРНЫХ ФАЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ
Для простоты изложения, ограничимся рассмотрением СС однократного обзора, понимая при этом, что полученные решения могут быть применены и к системам многократного обзора. Для идентификации (обозначения) спутниковой систем используется индекс вида N = P х S, где N — число спутников в системе, P — число орбитальных плоскостей, а S — количество спутников в каждой плоскости. Рассмотрим полярную фазированную систему глобального обзора. Фазирование СС означает, что спутники в смежных сона-правленных орбитальных плоскостях разнесены по фазе вдоль орбиты так, что край области обзора одного КА чуть захватывает полосу однократного обзора КА, расположенных в соседней плоскости [6]. Графически это показано на рис. 1. Далее в качестве базовых систем будем рассматривать ПФСС с заданной кратностью обзора. При конкретном числе орбитальных плоскостей и количестве КА в них можно определить характеристики СС: ширину полосы однократного обзора C и угол поля обзора 9, через который рассчитывается высота полета h. Исходя из рис. 2 и соотношений сферической тригонометрии, значения углов определяются из следующей системы уравнений:
п = (P - 1)0 + (P + 1)C, cos 0 = cos C cos (п/S). (1)
Замыкание система глобального обзора происходит на экваторе. Аналогичное замыкание системы можно также осуществить на любой параллели соответствующей некоторой широте фтЬ отлич-
Рис. 2. Обеспечение замыкания СС глобального обзора.
ной от нуля и 90°. Тем самым, можно сформировать систему зонального обзора для широт 90° > ф > фт;п [6]. В случае покрытия широтной области фт;п > ф > 0° поясом сплошного обзора из КА, движущихся в экваториальной плоскости, сочетание двух этих систем позволяет обеспечить глобальный непрерывный однократный обзор Земной поверхности. В свою очередь, экваториальный сегмент также является системой непрерывного зонального обзора заданной кратности в широтном слое ±фтщ. Сама СС глобального обзора становится при этом неоднородной и по характеристикам орбит, входящих в ее состав, в дальнейшем будет называться полярно-экваториальной спутниковой системой (ПЭСС). Для СС многократного обзора замыкание можно организовать иначе. В качестве параллели замыкания выбирается широта, соответствующая например полосе двух, трех или четырехкратного обзора экваториального сегмента системы. Выше этой параллели, начиная с некоторой широты, заданную кратность глобального обзора обеспечивает полярный сегмент системы, на промежуточных широтах совместно полярный и экваториальный, а ниже широты равной полосе п кратного покрытия экваториальный сегмент СС. Более подробно это свойство рассмотрено в следующем разделе.
3. БАЛЛИСТИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЭСС
3.1. Системы однократного обзора. Рассмотрим полярную нефазированную СС с двумя орбитальными плоскостями, для которой первое уравнение системы (1) будет иметь вид п = 4С. Если повернуть эту СС на 90° относительно любой из орбитальных плоскостей, то получится система, в которой одна плоскость орбиты станет экваториальной с нулевым наклонением, а другая останется полярной с наклонением 90°. Таким образом, мы получим минимальную полярно-экваториальную спутниковую систему. Она также является нефазированной, а значит, будет обладать худши-
R
O
Экватор Широта ф = Се
Рис. 3. Связь широты замыкания ПЭСС с характеристиками обзора.
Экватор
Широта ф = Ce
ми характеристиками обзора, чем эквивалентная ей полярная фазированная система. Замыкание полярного и экваториального сегментов происходит на широте ф = Се, которая находится из решения следующей системы уравнений:
гс/2 = Cp + Ce, cos 9p = cos Cp cos {%/Sp), cos 9e = cos Ce cos (п/Se),
(2)
Рис. 4. Определение плоских углов для замыкания ПЭСС.
полета КА, связанные с указанными выше параметрами известным соотношением:
/ Л
hp = R
cos а
cos
(0 p + а)
-1
(4)
где 9e и 9p — углы поля обзора, Ce и Cp — ширина полосы однократного обзора, а Se и Sp — число спутников в экваториальной и полярных плоскостях соответственно.
Для P > 2 ПЭСС будет иметь одну экваториальную плоскость и P — 1 полярных плоскостей, для которых также будет выполняться аналогичное условие, как и в системе (1) только уже для плоских углов х и у, соответствующих некоторой широте ф = Ce, согласно рис. 3 и рис. 4.
Используя формулы сферической тригонометрии, можно получить соотношения для этих углов, связанных с шириной полосы однократного обзора на экваторе. Общая система уравнений в этом случае будет иметь следующий вид:
X = arcsin (sin Cpl cos Ce), Y = arcsin (sin 0p/cos Ce),
п = (Pp - 1)y + (Pp + 1)X, (3)
cos 0p = cos Cp cos (п/Sp), cos 0e = cos Ce cos (п/Se).
Для решения данной системы априори задаются число полярных плоскостей Pp, количество КА в полярной Sp и экваториальной плоскостях Se, а также один из 6 оставшихся параметров х, Y, Cp, 0 p, Ce, 0e. При этом к проектным характеристикам СС следует относить последние четыре параметра. Так же входными величинами могут быть и высоты
где = 6378.14 км — экваториальный радиус Земли, а а — минимальный угол возвышения КА над местным горизонтом. Далее для численных расчетов примем, что а = 8°.
Общее число спутников в ПЭСС определяется следующим соотношением:
^ПЭ = PpSp + Se.
(5)
" ПЭ — ^ р~р
Число орбитальных плоскостей соответственно Р = Рр + 1. Таким образом, для идентификации ПЭСС будем использовать свой индекс системы, основанный на уравнении (5). Например, для ПЭСС из 24 спутников равномерно расположенных в трех орбитальных плоскостях ее индекс будет иметь вид: 24 = 2 х 8 + 8. Следует отметить, что важным преимуществом ПЭСС является определенная автономность в выборе количества КА в экваториальной и полярных плоскостях (включая отсутствие необходимости взаимного фазирования), а так же их рабочих высот. Очевидно, что все эквивалентные ПЭСС однократного обзора будут по своим характеристикам (высота полета КА и ширина полосы однократного обзора) уступать ПФСС. Под эквивалентной ПЭСС пон
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.