CC BY
20
Chernenkaya Liudmila Vasilievna, doctor of technical science, professor, Russia, St. Petersburg, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University
УДК 629.76
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-178-185
МЕТОДИКА БАЛЛИСТИЧЕСКОГО ОБОСНОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ОРБИТАЛЬНОЙ ГРУППИРОВКИ МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ В ПРИПОЛЯРНЫХ ШИРОТАХ
Д.А. Мосин, С.Ф. Стельмах, В.Л. Слатов, А.В. Антропова
В статье представлена методика баллистического обоснования структуры орбитальной группировки малых космических аппаратов дистанционного зондирования Земли в приполярных широтах, построенной по принципу «систем - цепочек», позволяющая рассчитывать баллистические структуры орбитальных группировок непрерывного обслуживания арктического широтного пояса для решения различных задач.
Ключевые слова: малый космический аппарат, система-цепочка, баллистическая структура, непрерывное обслуживание, арктический регион.
Анализ функционирования существующих зарубежных и отечественных космических систем (КС) и космических комплексов (КК), а также развертывания, наращивания и восполнения перспективных орбитальных группировок (ОГ) космических аппаратов (КА) показывает, что в последние годы в мире наблюдается явно выраженная тенденция использования в ходе космической деятельности многоспутниковых группировок на базе малых КА (МКА) [1].
В ГОСТ Р 53802-2010 понятие МКА определяется следующим образом: КА массой менее 1000 кг. МКА в общем случае могут подразделяться по массе на следующие группы: собственно, МКА (массой от 100 до 1000 кг), космические миниаппараты (массой от 1 до 100 кг), космические микроаппараты (массой от 1 до 10 кг), космические пикоаппараты (массой менее 1 кг) [2]. Классификация МКА в данном ГОСТе несущественно отличается от сложившейся международной классификации (рис. 1).
В настоящее время перед российскими разработчиками КС и КК стоит задача повышения эффективности функционирования ОГ в интересах министерства обороны, а также минимизации расходов на КА за счет создания и широкого применения МКА.
Бурное развитие электроники, технологий, появление новых материалов позволяет сегодня значительно уменьшить массогабаритные и энергетические характеристики систем, применяемых в космической технике, удешевить их и сделать более надежными. Одна из главных современных проблем отечественного оборонно-промышленного комплекса (ОПК) состоит в отсутствии собственной микроэлектронной базы на уровне мировых образцов. Именно из-за несовершенной отечественной электроники предприятия ОПК в настоящее время вынуждены производить КА массой свыше одной тонны и использовать для их запуска ракеты-носители (РН) среднего и тяжелого классов. Все это приводило и приводит к удорожанию космических программ.
Малые К А
Сверхмалые КА
Сложившаяся международная классификация Фемто КА ПикоКА НэноКА Микро КА Мини КА Малый К А
0 0.1 10 00 500 1000
ГОСТ Р 53*802-2010 Пико КА Мин иКА Малый КА
МикроКА
Рис. 1. Классификация МКА
В настоящее время в развитых зарубежных странах уже производятся микросхемы с топологическими размерами 20-28 нанометров [1]. На современном этапе отечественная промышленность располагает отдельными полупроводниковыми производствами, способными выпускать микросхемы с топологическими размерами в 90-180 нм. По этой причине до настоящего времени бортовая аппаратура отечественных КА в значительной степени комплектовалась элементной базой иностранного производства [1]. В настоящее время осуществляется запуск отечественных производств элементных баз с уровнями 45-65 нм. Как показали исследования, транзисторы в новых пробных кристаллах на основе технологии 65 нм работают в 1,5 раза быстрее, чем выполненные по технологии 90 нм [1]. При этом их энергопотребление снижается более чем в два раза. Достижение указанной цели должно обеспечить выполнение программы полного импортозамещения при производстве соответствующей аппаратуры КА. В этом случае будет возможна дальнейшая миниатюризация отечественных МКА и уменьшение их энергопотребления.
Преимущества малых космических аппаратов. МКА обладают многими преимуществами перед КА массой свыше одной тонны. Так, они относительно недороги, легко модифицируются для решения определенной задачи, создают меньше радиопомех [3]. Их применение способствует уменьшению рисков, связанных с запуском на орбиту и работой в космосе, снижая финансовые потери в случае отказа или утраты такого КА. К снижению массы отдельного КА ведет и построение ОГ, функционирующей на низких орбитах, в составе которой могут быть десятки МКА. В целом функционирование таких КС и КК во многих случаях оказывается более эффективным по сравнению с теми, где применяются КА массой свыше одной тонны на высоких орбитах. Кроме того, низкоорбитальные КС и КК, как правило, имеют в своем составе большое количество КА, поэтому выход из строя одного или нескольких МКА не приводит к потере работоспособности системы.
Таким образом, к основным преимуществам применения МКА можно отнести следующие [3]:
- малые сроки разработки, позволяющие своевременно внедрять новые технологии приборостроения;
- быстрое восполнение ОГ в случае выхода из строя отдельных МКА;
- значительное увеличение оперативности получения данных наблюдения за счёт создания необходимой по численности МКА ОГ;
- экономическая эффективность целевого использования МКА на высотах функционирования до 1000 км, на которых срок активного существования КА массой свыше одной тонны без применения соответствующих двигательных установок коррекции орбиты достаточно мал.
ОГ МКА позволяют оперативно получать данные для решения широкого круга социально-экономических задач, в том числе: картографии, мониторинга и контроля окружающей среды, метеорологии, прогнозирования опасных явлений и оперативного контроля чрезвычайных ситуаций, инфотеле-коммуникационного обеспечения деятельности различных министерств и ведомств [1]. Особенно актуально для России решение вышеперечисленных проблем в Арктическом регионе (рис.2), освоение которого с течением времени будет играть все большую роль для различных аспектов развития нашей стра-
Рис. 2. Область Арктического региона земного шара
Анализ существующей литературы [3, 4] показывает, что к основным вариантам создания и функционирования ОГ МКА можно отнести следующие:
Вариант 1: ОГ МКА (как правило, не более 10 МКА), каждый из которых выполняет свою определенную функцию в рамках единой целевой программы (текущее планирование работы и обработка информации в этом случае осуществляются специально разработанными для каждого МКА программными средствами);
Вариант 2: ОГ МКА, состоящая из большого количество однотипных, взаимозаменяемых КА, работа с которыми выполняется по единой технологии.
Для эффективного решения задачи развертывания и функционирования ОГ МКА необходимо создать научно-методический аппарат баллистического обоснования ее структуры на основе МКА, функционирующих на низких орбитах и обеспечивающих непрерывный обзор арктических районов Земли.
Под непрерывным обзором широтного пояса Земли [4] понимается такой вид наблюдения, когда любая точка заданного широтного пояса в любой момент времени попадает в зону обзора хотя бы одного из КА ОГ. В общем случае для построения ОГ непрерывного обзора используют принцип «систем-цепочек», когда КА группируются в т плоскостях по п штук в каждой (рис. 3).
Развертывание, поддержание и восполнение функционально устойчивой на длительных интервалах времени ОГ является сложной технической задачей, включающей в себя комплекс связанных в той или иной мере мероприятий: выбор устойчивой орбитальной структуры, вариантов управления орбитами
МКА в процессе функционирования КС (КК), оптимального варианта развертывания, поддержания и восполнения ОГ [5].
Наиболее важной составляющей частью решения указанной задачи является синтез баллистической структуры ОГ. Учитывая это обстоятельство, процесс проектирования баллистического построения любой ОГ КА в общем случае будет содержать несколько этапов, к основным из которых можно отнести следующие:
- анализ основных задач, стоящих перед ОГ КА;
- приближенный выбор структуры ОГ;
- синтез уточненной баллистической структуры ОГ;
Рис. 3. ОГ КА, построенная по принципу «систем-цепочек»
В качестве основного показателя результативности функционирования ОГ МКА в данной работе примем непрерывный обзор арктического широтного пояса Земли. Необходимо отметить, что другие показатели результативности функционирования указанной ОГ МКА (например, оперативность передачи информации, ее объем) зависят от широты, на которой находится потребитель, следовательно, для расчета конкретных значений указанных показателей требуется знать геоцентрическую широту его нахождения.
Математическая постановка задачи разработки методики и алгоритма баллистического обоснования структуры ОГ МКА дистанционного зондирования Земли в приполярных широтах
Необходимо решить задачу баллистического обоснования структуры ОГ МКА, которая может осуществлять непрерывное наблюдение определенного района Земли, ограниченного верхней и нижней геоцентрическими широтами (¥н, ¥в) при минимальном количестве МКА в КС (КК). Для решения этой задачи требуется определить минимально необходимое количество МКА, высоты и наклонения их орбит, исходя из условия обеспечения непрерывного наблюдения указанного района.
Дано: 1=90° - используются полярные орбиты; Н - высота орбит МКА; ¥тп - нижняя широта
кр
обслуживаемого диапазона; ¥тос=90° - верхняя широта обслуживаемого диапазона; (рз - геометрический (геоцентрический) угол зоны обзора, который описывается следующим выражением:
г
ср3 = arcsin | rsin у \ - у.
Найти:
N = mi n N (m , n),
m —
2
где N=mn; m - количество плоскостей орбит; n - количество МКА в каждой плоскости.
При проектировании ОГ МКА необходимо учитывать то обстоятельство, что задача синтеза баллистической структуры носит целочисленный характер, и изменение требований по уровню результативности функционирования, обслуживаемому району, характеристикам типового МКА как в меньшую, так и большую сторону может повлечь за собой существенное изменение баллистической структуры ОГ.
Особенностью функционирования КА на полярных орбитах является то, что с увеличением геоцентрической широты ¥ ширина полосы обслуживания по долготе А увеличивается
АЛГ > А Л,экв (рис. 4).
Методика баллистического обоснования структуры ОГ МКА дистанционного зондирования Земли в приполярных широтах
Данная методика состоит из следующих этапов:
Первый этап. Определение ширины полосы обзора на нижней широте по заданному значению наклонения (/-90°) геометрического (геоцентрического) угла обзора:
АЛw
Tm
= arcsin
^ sin^3 ^ cosw .
г m.t
Рис. 4. Изменение ширины полосы обслуживания по долготе с увеличением геоцентрической
широты
Второй этап. Определение минимального количества плоскостей орбит ОГ МКА:
* +1
2^
Третий этап. Определение минимального количества МКА в каждой плоскости ОГ:
л
Рз
+1
Четвертый этап. Определение максимального количества плоскостей орбит ОГ МКА:
m.
п
л
целое,
mm
л
л
• - дробное,
где b. = arccos
^ cos рз ^
V c0s amax у
л
a =
max
Пятый этап. Последовательный перебор количества плоскостей орбит ОГ МКА:
w ' =
л л
если „ „ - целое ,
(m)
л
+1,
л
(m)
- дробное
где a ' = arccos
cos рз cos b
U(m) л . „
b ' =-; N = m • n
2m
Шестой этап. Определение для каждого значения количества плоскостей орбит ширины полосы обзора, углового расстояния между МКА в плоскости, наименьшего количества МКА в плоскости, общего количества МКА в системе.
Седьмой этап. Определение наиболее предпочтительной баллистической структуры ОГ непрерывного обзора широтного диапазона арктических районов Земли на основе анализа общего числа МКА в КС (КК) для каждого варианта количества плоскостей орбит.
Пт1п =
n
a
Для определения вариантов баллистической структуры ОГ МКА непрерывного обслуживания приполярных районов Земли (утах = 900) с использованием указанных выражений разработан алгоритм, представленный в следующем разделе.
Алгоритм баллистического обоснования структуры ОГ МКА дистанционного зондирования Земли в приполярных широтах (ушах = 900). С целью практического применения рассматриваемой методики разработан алгоритм определения вариантов баллистической структуры ОГ КА непрерывного обслуживания приполярных районов Земли (утах = 900). Схема алгоритма представлена на рис. 5.
^__Начете__
3 Erz 1ЕЖОДЕШХ
дэнкьгх
0[р=Л 01$ иньс niSICibi OOiCpl на К14ЖНЕИ 'ipcn ш ;аггнк?му ¿нач-нию намтж=н|и
(г=90:)
i=9Q*\
Н^ — высота орбит МКА:
¡Ряеи—нижняя широта обслуживаемого диапазона;
— верхняя ошрота обслуживаемого диапазона: ££>, - геометрический (геоцентрический) утоп зоны обзора
М, = 2
cos Vj-i* ,
Ощмцепенне минимального кшинэетЕа плоскостей ербнт ОГ МКА
2АЛ.
Спр =Д ЭП 5-HIir МНННМЖ ЪНОГО KCTI НЧЭСТЕ1
МЕСА в каждой плоскости ОГ
Опр=Д ЭП 5НИ5
ьгжошалыж-го колкчетЕа -плоскостей ербнт ОГ МКА
ПослгдоБ агэльный п=р=5ср колнчгсгБа плоскостей ербнт ОГ МКА
Последов ггельнын пэрэбор количества плоскостей ербнт ОГ
-1
к к
гели т-—целой.
— 1. кли
- — дрсонсе.
b =arccoE
(COS <р3
™3ат™
=
Ж 71 -. еезш—¡-^--ЦЕиге,
+ 1, если / г -дробЕог.
V
= arccos; ct>s<f;, : = —; N=mn V cos b } 2m'
Опр5Д5Л5ВИЭ оптимальной баллистической структуры ОГ МКА для каждого е ар«ант а колнчгстЕа плоскостей ербнт.
С
Рис. 5. Схема алгоритма определения вариантов баллистической структуры ОГ МКА непрерывного
обслуживания приполярных районов Земли
Варианты баллистической структуры ОГ МКА непрерывного обслуживания приполярных районов Земли (ушах = 900).
В данной работе алгоритм определения наиболее предпочтительных вариантов баллистической структуры ОГ МКА непрерывного обслуживания приполярных районов Земли реализован с помощью программного комплекса МА^АВ.
Результаты определения наиболее предпочтительных вариантов баллистической структуры ОГ МКА (при минимальном количестве КА в ОГ) непрерывного обслуживания приполярных районов Земли (хУтах = 900) для различных существующих и перспективных отечественных и зарубежных КС (КК) МКА представлен в таблице.
Варианты баллистической структуры ОГ МКА непрерывного обслуживания приполярных _районов Земли_
№ п/п (^тп) N п т
0 При Н = 780 км и / = 90 (ОГ МКА типа «Иридиум»)
1 о 60 24 12 2
2 о 65 20 10 2
3 о 70 16 8 2
4 о 75 11 11 1
0 При Н= 1000 км и / = 90 (ОГ МКА типа «Курс»)
1 о 60 18 9 2
2 о 65 16 8 2
3 о 70 14 7 2
0 При Н = 1414 км и / = 90 (ОГ МКА типа «Орбкомм»)
1 о 60 14 7 2
2 о 65 12 6 2
3 о 70 9 9 1
0 При Н= 1450 км и / = 90 (ОГ МКА типа «Гонец»)
1 о 60 14 7 2
2 о 65 12 6 2
3 о 70 8 8 1
Анализ результатов баллистического обоснования ОГ МКА непрерывного обслуживания приполярных районов Земли, полученных на основе разработанной методики и представленных в таблице, показывает, что наиболее предпочтительные варианты указанных баллистических структур будут содержать не более двух орбитальных плоскостей КА в указанной ОГ.
Анализируя особенности баллистических структур ОГ МКА непрерывного обслуживания приполярных районов Земли, которые будут содержать не более двух плоскостей, можно сделать вывод, что при их развертывании в случае группового запуска МКА достаточно двух РН [6, 7].
При дальнейшем анализе таких структур необходимо рассматривать возможности группового запуска уже на этапе проектирования баллистического построения ОГ. Как видно из таблицы, значимыми и важными также могут стать компланарные ОГ МКА при наклонении орбит свыше 70°.
Заключение. Проведенные в работе исследования по разработке методики баллистического обоснования структуры ОГ МКА дистанционного зондирования Земли в приполярных широтах позволили:
- продемонстрировать преимущества МКА перед КА массой свыше одной тонны;
- разработать методику и алгоритм баллистического обоснования структуры ОГ МКА дистанционного зондирования Земли в приполярных широтах, позволяющую определить оптимальные варианты баллистической структуры ОГ МКА непрерывного обслуживания Арктического региона;
- показать, что при развертывании ОГ МКА непрерывного обслуживания приполярных районов Земли, которые будут содержать не более двух плоскостей в случае группового запуска МКА, достаточно двух РН;
- сделать акцент на возможности применения компланарных ОГ МКА при наклонении орбит свыше 70°.
Данная методика может быть использована при разработке моделей и методов баллистического обоснования структуры ОГ КА непрерывного наблюдения различных широтных поясов Земли, а также при проведении оценки эффективности применения различных КС и КК по предназначению.
Список литературы
1. Малые космические аппараты для больших оборонных задач // Журнал «Воздушно-космическая оборона». [Электронный журнал] URL: http://www.vko.ru (дата обращения: 21.03.2023).
2. ГОСТ Р 53802-2010. Системы и комплексы космические. Термины и определения: национальный стандарт Российской Федерации: дата введения 2011-07-01 // Федеральное агентство по техническому регулированию. Изд. официальное. М.: Стандартинформ, 2011. 71 с.
3. Гришанцева Л.А., Бубненков В.И., Егорова Н.А., Емельянов А.А., Селин В.А. О технологии комплексного применения группировки малых космических аппаратов // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т 13. № 6. С. 43-50.
4. Клюшников В.Ю. Построение кластеров малых космических аппаратов // Изв. вузов. Приборостроение. 2016. Т. 59, № 6. С. 423—428.
5. Медведев А.А. Инновационные подходы при создании ракетно-космической техники. Монография. 2-е изд. М.: Издательство «Доброе слово и Ко», 2020. 400 с.
6. Разработка систем космических аппаратов / под ред. П. Фортескью, Дж. Старка, Г. Суинер-да. М.: Альпина паблишер, 2015. 764 с.
7. Мосин Д.А., Баландин В.Н., Кириченко Д.В. Анализ возможности применения вероятностной системы космических аппаратов мониторинга земной поверхности // Труды Всероссийской НПК «Современные проблемы улучшения тактико-технических характеристик ракетно-космической техники, ее создания, испытаний и эксплуатации». СПб.: ВКА имени А.Ф. Можайского, 2014. Т.2. С. 38-43.
Мосин Дмитрий Александрович, д-р воен. наук, доцент, начальник кафедры, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Стельмах Станислав Феликсович, канд. воен. наук, старший научный сотрудник лаборатории, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Слатов Валерий Леонидович, старший научный сотрудник лаборатории, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Антропова Александра Владимировна, научный сотрудник лаборатории, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
THE BALLISTIC SUBSTANTIATION METHOD OF THE ORBITAL GROUPING STRUCTURE OF SMALL SPACECRAFT FOR REMOTE SENSING OF THE EARTH IN THE CIRCUMPOLAR LATITUDES
D.A. Mosin, S.F. Stelmakh, V. L. Slatov, A. V. Antropova
The article presents a ballistic substantiation method of the orbital grouping structure of small Earth remote sensing spacecraft in the circumpolar latitudes, built on the principle of "chain systems", which allows calculating the ballistic structures of orbital groupings of continuous maintenance in the Arctic latitudinal belt for solving various tasks.
Key words: small spacecraft, chain system, ballistic structure, continuous maintenance, the arctic region.
Mosin Dmitry Alexandrovich, doctor of military sciences, docent, head of the department, vka@mil.ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Stelmakh Stanislav Feliksovich, candidate of military sciences, senior researcher, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Slatov Valery Leonidovich, senior researcher, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Antropova Alexandra Vladimirovna, research assistant, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky
