CC BY
19
УДК 629.7.086
Абакова А.Ш., Картабаев Ж.Б., Ергалиев Д.С., Муханбеткалиева А.К., Калманова Д.М..
Евразийский Национальный университет им. Л.Н.Гумилева, Астана, Казахстан АНАЛИЗ ПЕРЕЛЁТОВ НАНОСПУТНИКОВ МЕЖДУ ОКОЛОЗЕМНЫМИ ОРБИТАМИ
Разработана программа моделирования движения наноспутника. Определена минимальная и максимальная ширина активного участка. Рассмотрены перелёты при различной ширине активного участка Ключевые слова:
МЕЖОРБИТАЛЬНЫЙ ПЕРЕЛЁТ, ДВИГАТЕЛЬ МАЛОЙ ТЯГИ, ОПТИМАЛЬНЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ ТРАЕКТОРИИ, ОКОЛОКРУГОВАЯ ОРБИТА, ПАРАМЕТРЫ УПРАВЛЕНИЯ
Введение
Наноспутники активно используются для научных исследований и дистанционного мониторинга, зондирования Земли, отработки новейших технологий, образования, калибровки наземных и космических систем. В последнее время в околоземное пространство было выведено множество крошечных спутников, которые позволяют проводить простые и недорогие научные эксперименты в космосе. Однако главным минусом миниатюрных космических аппаратов была их полная неуправляемость. Теперь эта проблема решена при помощи двигателем с малой тягой, которые позволяют изменять траектории полетов маленьких спутников и менять маршруты их движения.
Целью работы является анализ перелётов наноспутника на околоземных орбитах с учётом возмущающих факторов и выбор структуры и параметров управления.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
анализ параметров целевых орбит; анализ влияния возмущающих сил на траекторию движения наноспутника;
выбор математической модели движения; разработать программу моделирования движения; анализ результатов моделирования; выбор структуры и параметров управления. Предметом исследования являются структура и законы управления.
Объектом исследования является перелёт нано-спутников между околоземными орбитами.
Проведены анализ запущенных наноспутников за последние 3 года (2012-2014 г.).
Согласно таблицы (А1) наноспутники в основном выводились на орбиту около 400,600,700 км. С эксцентриситетом 0,001-0,002-0,008-0,05.
На рисунке 1 приведены анализ орбит за последние 3 года.
в
е
в
а
с
а а в к
е
а
с
а т
0,06 0,055 0,05 0,045 0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 -6,94Е-17
г
6571 6621 6671 6721 6771 6821 6871 6921 6971 7021 7071 7121 7171
Большая полуось, А
Рисунок 1 - Анализ целевых орбит
Согласно таблицы (А1) 2014 году большие нано-спутники начинают летать больше (2 и 3 юнита) и маленькие наноспутники запускались меньше (1 юнита), соответственно имеется возможность поставить двигательную установку. Даже если РН не
выводит на целевую орбиту, то мы сможем это сделать сами.
На рисунке 2 приведены количество и анализ размеров за последние 3 года.
Рисунок 2 - Анализ размеров наноспутников
При решении динамической задачи для описания орбитального движения КА используется математическая модель в оскулирующих элементах. Положение КА можно описать вектором:
х = {А, е.ш.Ь, П, 0} Т , х = Х , (1)
где А - большая полуось орбиты, е - эксцентриситет орбиты, ш - аргумент перигея, I - наклонение плоскости орбиты, П - долгота восходящего узла, $ - угол истинной аномалии, X - область допустимых значений параметров орбиты, определяемая классом исследуемых межорбитальных манёвров.
Если рассматривать тягу двигательной установки как одну из возмущающих сил, действующих на КА в орбитальном движении, то уравнения движения его центра масс, записанные для компонентов вектора состояния х, будут иметь вид:
йе _
М йш Л йв Л
йА 1р 2А Г
— = i--- \ м
■■ ^ [мм^шд + мт[(1 + г-) созд + е^]}
(2)
з I пд\
где =
йв= ¡Г^ + м^-^Ь+Г-Л^пд] ,
Л " е е\ р) \
р и = Ш + д .....—
аргумент широты, ^
1+есозв
гравитационный параметр Земли, - компо-
ненты вектора возмущающего ускорения ы вдоль трансверсального, радиального и бинормального
направлений, соответственно, кальный параметр орбиты.
р = А(1-е2)
фо-
Для двигательных систем с нерегулируемой тягой управление осуществляется включением - выключением двигательной установки и отклонением вектора тяги в двух плоскостях. В этом случае управление задается вектором:
и = {з,е,х}Т , и = и. (3)
Здесь и - область допустимых управлений, определяемая классом рассматриваемых двигательных установок, 8 = {0,1} - функция включения-выключения, принимающая значения 0 и 1, в,х - угол между вектором тяги ДУ и трансверсалью в плоскости оскулирующей орбиты и угол между вектором тяги и плоскостью орбиты, соответственно. Введём следующие допущения:
оси начальной, переходных и конечной орбит совпадают с линиями узлов и лежат в плоскости
экватора ( ®0 = ® = 0 );
тяга двигателя постоянна и направлена так, что её радиальная составляющая равна нулю;
Рисунок 3 - Изменение эксцентриситета е от большой полуоси А переходной орбиты при различных углах разгонного участка
управление симметрично относительно оси апсид;
двигатель может многократно включаться и выключаться.
Перелёт с одним участком в перигее или в апогее описывается следующим аналитическим выражением:
А • (бшх ± е ■ к1)"1 = cопst ,
(4)
fe3 . Э Ш2Л
1 = -х +--.
1 4 8
где верхний знак соответствует положению центра активного участка в перигее, а нижний знак - в апогее. Согласно аналитическим формулам можно построить две группы изолиний изменения эксцентриситета от большой полуоси. Построим изолинии переходных орбит для разной ширины разгонных участков, задавая угол х разгонного участка, размер большой полуоси А и определяя эксцентриситет е согласно выражения (1.4).
Результаты расчётов параметров переходных орбит перелётов приведены на рисунке 3.
На рисунке 3 представлены две группы изолиний изменения эксцентриситета от большой полуоси на
10, 20, 40 градусов половина ширина активного участка: первая группа начинается из точки, координаты которой соответствуют параметрам начальной орбиты; вторая - из точки с параметрами целевой орбиты. Начальная орбита составляет 6571 км, эксцентриситет 0,004. Конечная орбита составляет 6871 км, эксцентриситет 0,001. Максимальный эксцентриситет достигает 0,023-0,024.
Заключение
Проведен анализ параметров орбит и размеров запущенных наноспутников за период с 2012-2014 гг. Размер большой полуоси целевых орбит лежит в диапазоне от 6671 км до 7071 км, с эксцентриситетом менее 0,06. Проведен анализ двигательных установок и выбран импульсно-плазменный двигатель.
При перелёте с одним активным участком на витке результаты моделирования, полученные численным интегрированием уравнений движения в оскулирующих элементах, совпадают с результатами расчетов по аналитической формуле при увеличении ширины активного участка.
ЛИТЕРАТУРА
1. Российские космические системы [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.spacecorp.ru/directions/nano/ (дата обращения 29.01.2015).
2. Константинов, М. С. Механика космического полета [текст] / Константинов, М. С., Е. Ф. Каменков, Б. П. Перелыгин, В. К. Безвербый. - Под ред. Мишина В. П.. М.: Машиностроение, 1989. - С. 190192.
3. Охоцимский, Д. Е., Основы механики космического полета [текст]: / Учеб. Пособие / Охоцимский, Д. Е., Сихарулидзе Ю.Г. - М.: Наука. Гл. ред. Физ-мат. лит., 1990. - С. 365-366.
4. Ергалиев Д.С., Кошанов С., Салиев А., Тулегулов А.Д. Моделирование искусственного спутника CUBESAT. Актуальные проблемы современной науки: Сборник статей Х1-ой Международной научной конференции - Актобе, 2017г., - с. 362-364
5. Сулейменова А.Х., Ырыскелди Н.Г., Ергалиев Д.С., Ибилдаев Б.К., Мерили Н.А. Программное обеспечение для предварительного расчета системы энергоснабжения космического аппарата дистанционного зондирования Земли (KAZSAT-3). Надежность и качество. Труды международного симпозиума. г.Пенза, РФ - 23 -31 мая 2016 г., №2, С. 235-237.
6. Ергалиев Д.С., Нурлыбай Д.Н., Сериков Н.С. Проектный облик студенческого наноспутника ЕНУ. Надежность и качество. Труды международного симпозиума. 23 -31 мая 2016 г., №2, С. 224-226.
УДК 528.8.041.73
Сакенов Ж. К., Ракишев Ж. Б., Керимбай Н.Н., Ергалиев Д. С.
Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева, Астана, Казахстан
ЦИФРОВОЙ КАЗАХСТАН: АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ - GNSS
В связи с ростом потребности и применения глобальных навигационных спутниковых систем во всех отраслях экономики, проводится анализ технических параметров GNSS. В статье внимание акцентировано на тенденцию развития систем, которые обеспечивают высокоскоростные высокоточные сигналы. Проделан анализ расчет для расширения уже существующих параметров GNSS, целью, которого является обеспечениеболее точного позиционирования GNSS для дальнейшего применения в решении задач ГИС и геодезии Ключевые слова:
ГЛОБАЛЬНЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ (GNSS), СИСТЕМА ГЛОБАЛЬНОГОПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ (GPS), GLONASS, GALILEO, ГЕОДЕЗИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ, МОДЕРНИЗАЦИЯ
Развитие спутниковых технологий нам даёт много новых возможностей, но и требует разработки специальных методик измерений и обработки данных. В настоящее время рынок GNSSразвивается колоссальными темпамии охватывает всесектора современных экономик. Развитие и расширения проходят через глубокие и быстрые сдвиги. Это в свою очередь обусловлено тем, что глобальные навигационные мировые рынки находятся в фазе быстрого роста. Общий термин GNSS в настоящее время используется для охвата двух операционных систем: глобальная система позиционирования США (GPS) и Российский (GLONASS). ПервоначальноGNSSпредна-значено для военного использования, но в последние годы гражданское использование GNSSбыстро растет [1]. На глобальные изменения в сфере IT-технологии, обращают внимание и на государственном уровне Казахстане. В частности, в послании ПрезидентаРеспублики Казахстан Н.А. Назарбаев акцентировал внимание принятию комплексной программы «Цифровой Казахстан» [2].
Непосредственный позитивный эффект подобного процесса выражается в инновациях в данной сфе-реGNSS: появлении на рынке новых навигационных продуктов и услуг, обладающих высокой потребительской ценностью, а также новых рыночных возможностей для консолидированных лидирующих предприятий (к примеру, поглощение фирмы De-lorme, специализирующейся на индивидуальных трекинго-вых устройствах, компанией Garmin - одним из крупнейших производителей навигационной техники). Технологии GNSS используются во всем мире. По статистическим данным в 2016 году насчитывалось 5 млрд. устройств на инновационной основе с потенциальным увеличением до 8 млрд. в 2020 году (в среднем одно устройство на человека) [3]. На рынке и в разработки технологии в сфере GNSS лидирующие позиции с большими финансовыми вложениями занимают США, следом идут Россия, ЕС, Великобритания, Китай и Индия.
Именно система спутниковой навигации обеспечивает GPS-позиционирование во всем мире, а потому имеет наиболее большое значение для современных операций, который охватывает весь спектр в современном, цифровом мире. Для проведения точных операций в любой отрасли, где использу-ютсяGNSSв режиме реального времени, требуется точная информация. Естественно, главную роль здесь играют GPS/GNSS-устройства, необходи-мыепри передаче сигналов со спутников на Землю.
Процесс разработки GNSS подразделяется на четыре этапа: первый этап - экспериментальная строительная сцена (GPS I); второй этап - строительства инфраструктуры (GPS II); третийэтап -строительства дополнений (система расширенного охвата (WAAS), местная область Система увеличения (LAAS) и четвертый этап построения архитектуры (GPS Ш).Современные этапы строительства архитектуры отвечают потребностям военных и гражданских пользователей, рассматривают совместимость с несколькими GNSS, разрабатывают базовую систему GNSS и в целом и подчеркивает политику, законодательство, стандарты и индустри-
ализацию GNSS-Существующие технологии были разработаны для устаревших GPS, а новейшие системы не зависят друг от друга. Единого определения и стандарта нет. Применение глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS) для наук о Зем-лемногочисленны. Международная служба GNSS (IGS), правительственные учреждений, университетов и научно-исследовательских учреждений, играет все более важную роль в научных и инженерных работах, связанные с GNSS.
С внедрением новых гражданских сигналов в GPS, модернизацииGlonass, а также разработку других глобальных навигационных спутниковых систем, таких как Galileo и Compass, а также дополнительные региональные системы наложения IGS (International GPSServiceforGeodynamics) сталкивается с изменениями [4]. Необходимо, чтобы были полностью проанализированы последствия и что новые факторы, влияющие на его деятельность, должным образом учитывались при стратегическом планировании IGS-Все известные системыGNSS имеют некоторые определенные преимущества, но и недостатки, к примеру, многоканальная корреляционная функция. На наш взгляд, все известные приемники, имеют проблемы с этим: либо потому, что приемник не подлежит безопасности, и потенциально ненадежный [5]. Конечно, есть многопиковые, но по очень значительной цене с большой степенью точ-ности.Расширение спектра приложений для приемников GNSS приводит к их внедрению на многие аспекты повседневной современной жизни. Количества приложений GNSS и их космические пользователи также увеличиваются. ВСША уже начали кампанию по модернизации GPS с двумя блоками IIIR-Мспутников в настоящее время. Модернизация GPS направлена на улучшение существующей системы путем трансляциидополнительных военных и гражданских сигналы. Это предназначено для удовлетворения растущегогражданского спроса на высокоточные двухчастотные системы [6]. В конкуренции в области технологии GNSS, не отстают и европейская система Galileo [7]. Это новое поколение GNSS предоставляет больше спутников, передающих рядвысокоскоростные высокоточные сигналы с точной эфемеридой и целостностьюмониторинга. Новые сигналы обеспечивают высокую производитель-ностьпреимущества перед существующими системами [8]. В тройку лидеров входит и Россия, принимающая комплекс мер для расширения и модернизации собственных систем [9].
В казахстанской космической отрасли так же проводится работы по создание и развитие космической инфраструктуры. В штатном режиме функционирует национальные спутники «KazSat-2», «KazSat-З». Приняты и реализуются проекты по созданию системы высокоточной спутниковой навигации (СВСН)[10]. В будущем становится актуальным, расширение уже существующих систем GNSS, а также улучшение высоко точности приборов.
В данной работе сделан акцент на технологии, которые позволяют расширить существующие системы GNSS. На этапе построения архитектуры необходимо переопределить архитектуру технологий расширения GNSS. Будущие системы должны быть построены
