АНАЛИЗ ОРБИТАЛЬНОГО РАСХОЖДЕНИЯ НАНОСПУТНИКОВ, ВЫВЕДЕННЫХ НА ОРБИТУ В РАМКАХ ОДНОГО ЗАПУСКА Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Секция «Перспективные материалы и технологии»

УДК 52-323.8

АНАЛИЗ ОРБИТАЛЬНОГО РАСХОЖДЕНИЯ НАНОСПУТНИКОВ, ВЫВЕДЕННЫХ

НА ОРБИТУ В РАМКАХ ОДНОГО ЗАПУСКА

М. М. Лукьянов Научный руководитель - Д. М. Зуев

'Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Email: mishka.1255555@mail.ru

Рассмотрены групповые запуски наноспутников и их относительное движение на орбите. Представлен подход к анализу орбитального расхождения, результаты которого могут быть применены для моделирования экспериментов с участием межспутникового взаимодействия.

Ключевые слова: анализ спутниковых орбит, орбитальное расхождение, межспутниковая связь, CubeSat, AstroPy.

ANALYSIS OF THE ORBITAL DIVERGENCE OF CUBESATS LAUNCHED INTO

ORBIT WITHIN A SINGLE LAUNCH

M. M. Lukyanov Scientific supervisor - D. M. Zuev

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Email: mishka.1255555@mail.ru

Cluster launches of nanosatellites and their relative motion in orbit are considered. An approach to the analysis of orbital divergence is presented, the results of which can be applied to modeling experiments involving inter-satellite interaction.

Keywords: analysis of satellite orbits, orbital divergence, inter-satellite communication, CubeSat, AstroPy.

Введение. Современные малые космические аппараты (МКА) в большинстве своем являются многофункциональными, выполняя широкий спектр задач в ходе соответствующими философии эффективности целевого использования [1]. И выбор орбиты для такого аппарата должен соответствовать всем требованиям миссии.

Литературный обзор. Зачастую в космических миссиях применяют целые группировки наноспутников. Одним из основных требований к системе управления полетом каждого отдельно взятого космического аппарата (КА) является оперативность [2]. Традиционно управление полетом осуществляется посредством передачи телекоманд по каналу радиосвязи от наземной станции. При этом обмен информацией со спутником возможен только когда он находится в зоне видимости наземной станции. Поэтому большую часть времени полета связь с КА отсутствует. Наличие межспутниковой радиолинии связи в архитектуре управления может являться одним из вариантов решения данной проблемы. Наибольший опыт применения межспутниковой радиолинии имеют спутниковые группировки систем спутниковой связи и спутникового интернета.

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 1

Зачастую наноспутники выводятся на орбиту на ракете-носителе в рамках одного запуска, кучно располагаясь на своей орбите. Сложность в практическом применении межспутниковой связи на МКА заключается в отсутствии у большинства из них собственного двигателя, способного корректировать орбиту. К тому же, группировки наноспутников, как правило, выводятся ракетой-носителем в рамках одного запуска. Особенности запуска наноспутников CubeSat, связанные со стандартизированной системой отделения, предполагают, что спутники принимают разную скорость в момент пуска. Вначале аппараты летят в близости друг с другом, затем расходятся по орбите.

Рис. 1. Групповой запуск наноспутников c МКС

Практика показывает, что два КА, выпущенных на одну орбиту, могут сблизиться через определенное время после разлета. Моменты сближения на расстояния, доступные для связи между антенно-фидерными устройствами аппаратов, можно использовать для проведения экспериментов с межспутниковой коммуникацией. Определить временные промежутки таких сближений можно лишь методами орбитального анализа. Стоит учитывать факторы, вызывающие возмущение орбит [3]. Основным фактором для аппаратов, находящихся на низкой околоземной орбите, является влияние сопротивления атмосферы. Кроме того, свое корректирующие воздействие вносит влияние солнечного давления, а также слабая эллиптичность орбит, присущая практически всем спутникам.

Методика анализа спутниковых орбит. Перед моделированием орбиты необходимо проанализировать опыт уже осуществленных запусков. Предлагается применение программных возможностей Python для анализа взаимного движения спутников. Поставлена задача получения графика зависимости расстояния между двумя спутниками от времени. Рассматриваются аппараты, выведенные на одну орбиту в рамках одного запуска, начиная с момента запуска. График должен быть проанализирован на предмет наличия моментов сближения рассматриваемых КА и их длительности.

Спутниковые данные обычно предоставляются в формате двухстрочного набора элементов TLE [4]. Эти данные предоставляются в свободном доступе и для большинства спутников обновляются каждый день. Они предназначены для использования в сочетании с теорией модели орбитального движения для прогнозирования положения спутников. Существуют математические модели, предоставляющие эталонную реализацию вычисления векторов орбитального положения спутников относительно геоцентрической инерциальной системы координат в виде программного кода. В качестве готовых решений используются python-библиотеки: space-track - для получения TLE при помощи интерфейса сайта space-track.org, astropy - для получения координат КА. Определив координаты двух спутников в заданное время, нетрудно определить мгновенное расстояние между ними вдоль прямой.

На данном этапе исследования проведен анализ орбит движения нескольких пар МКА класса CubeSat. В ходе движения по орбите рассматриваемые аппараты сближаются с учащающейся периодичностью. Кроме того, можно заметить зависимость скорости расхождения по орбите от форм-фактора аппаратов: первые две пары CubeSat 1U впервые после запуска сблизились больше, чем через год, в то время, когда третья пара - через 3 месяца (рис. 2).

(Секция «Перспективные материалы и технологии»

14000 12000 1«КЮ вооо

/ 1_

/ 1 у / \

к г \ / \

/ \ / \

/ \ /

J f 1/ у

0 / 1

14000

UOOD -ЮООО -

£

Е

ei 6000

х

т

Е soon

£

JOOO -2 ООО О-

J Г- i Ь •

I • ;

J / !• * и» • •

/ • * •

А i •

J • •

•

-b®V «.Ь1 к<>Л -Л® 9 rffl jrtfl „V-

,oV>

01лЪ ¡^ ^ &&

тр^ „с*

дата £od

В Г

Рис. 2. Расстояние между парами спутников: NepaliSat-1 и Raavana-1 в течение двух лет (а) и во время сближения (б), RadFxSat и EagleSat-1 (в), а так же SOAR и RamSat (г)

Рис. 2 (б) показывает, что на протяжении месяца аппараты разделены расстоянием менее 100 км, чего было бы достаточно для проведения экспериментов по межспутниковой связи.

Заключение. Проанализировано несколько групповых запусков наноспутников. Согласно наблюдениям и оценке, разница в скорости между двумя соседними спутниками после пуска составляет около 1,2 метра в секунду. Требуется более детальное изучение влияния внешних факторов на возмущение орбит аппаратов, находящихся на низкой околоземной орбите. Полученные данные можно использовать при моделировании орбит и параметров запуска для проведения межспутниковых экспериментов.

Работа выполнена при поддержке Фонда содействия инновациям в рамках программы «Дежурный по планете» (Space Pi) 6-ой очереди. Проект «Космическая миссия ReshUCube», договор № 71С2/МОЛ/71271 от 29.11.2021.

Библиографические ссылки

1. Генералов А. Г., Гаджиев Э. В. Миниатюрные антенны для малых космических аппаратов CubeSat. Красноярск : Сибирский журнал науки и технологий. 2018. С. 259-270.

2. Пантелеймонов И. Н. Перспективная методика управления полетом космических аппаратов одной орбитальной группировки с применением межспутниковых радиолиний. М : Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. 2018. С. 73-83.

3. Овчинников М. Ю., Ткачев С. С. Влияние слабых возмущений на относительное движение двух спутников. М : Препринты ИПМ им. М. В. Келдыша. 2005. 29 с.

4. NORAD Two-Line Element Set Format [Электронный ресурс]. URL: http://celestrak.com/NORAD/documentation/tle-fmt.php (дата обращения 10.04.2022).

© Лукьянов М. М., Зуев Д. М., 2022