CC BY
22
УДК 531.55.014
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-9-282-288
СПОСОБЫ РАСПОЛОЖЕНИЯ СПУТНИКОВ В ОКРЕСТНОСТИ ГЕОСТАЦИОНАРНОЙ ОРБИТЫ ПРИ ПОСТРОЕНИИ СИСТЕМЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ОПАСНЫХ СИТУАЦИЙ
Е.В. Котяшов, Г.Э. Хведелидзе
Наблюдение за космическим мусором ведут национальные службы контроля космического пространства различных стран с использованием, в основном, наземных радиолокационных и оптических средств. Вместе с тем, использование орбитальных средств мониторинга космической обстановки позволит существенно расширить способности этих служб. В настоящее время многими странами прорабатываются варианты размещения космических аппаратов мониторинга обстановки в окологеостационарной области. В статье представлены способы орбитального расположения спутников в окрестности геостационарной орбиты при построении системы предупреждения опасных ситуаций. Исходя из требований применения орбитальной системы предупреждения опасных ситуаций на основе способов орбитального расположения спутников на геостационарной орбите формируется баллистическое построение спутниковой системы. Облик орбитальной системы предупреждения опасных ситуаций, как правило, обосновывается исходя из требований периодичности наблюдения, ограничений количественного состава спутниковой системы и запаса характеристической скорости КА мониторинга. Моделирование показало, что наиболее предпочтительными исходя из условий получения изображений космических объектов в области геостационарной орбиты, периодичности наблюдения и широты охвата космических объектов, находящихся на орбите, являются способы расположения спутников мониторинга на дежурных орбитах и орбитах с маршрутным обслуживанием заданной области геостационарной орбиты. В статье рассмотрены два варианта построения спутниковой системы мониторинга космической обстановки, которые могут быть взяты за основу при проектировании орбитального сегмента системы предупреждения опасных ситуаций в окрестности геостационарной орбиты.
Ключевые слова: орбитальное построение, геостационарная орбита, мониторинг обстановки, спутниковая система.
Введение. В настоящее время в околоземном космическом пространстве (ОКП), сложилась ситуация, когда количество объектов космического мусора (ОКМ) продолжает неуклонно возрастать. Наиболее засоренными являются области вокруг Земли, которые чаще всего используются для работы космических аппаратов (КА) - это низкие околоземные орбиты, геостационарная орбита (ГСО) и солнечно-синхронные орбиты [1]. Основная проблема, связанная с ОКМ заключается в том, что эти объекты могут достаточно долго находиться на орбите и вызывать ситуации опасного сближения с действующими КА. И если объекты на низких высотах с течением времени постепенно снижаются и сгорают в атмосфере, то на геостационарной орбите, которая считается наиболее привлекательной и выгодной для решения множества научных, военных, народно-хозяйственных, навигационных, коммерческих и других задач, объекты могут оставаться очень долгое время [2]. Запуски спутников на геостационарную орбиту начались еще в 60-е годы 20 века, а вначале 21 века уже более 40 стран имеют собственные геостационарные спутники. Каждый год на геостационарную орбиту запускают десятки спутников, орбита к тому же со временем заполняется отработавшими спутниками. Кроме того, на геостационарной орбите иногда происходят взрывы и столкновения отработавших свой срок аппаратов и разгонных блоков.
Наблюдение за космическим мусором ведут национальные службы контроля космического пространства различных стран с использованием, в основном, наземных радиолокационных и оптических средств. Вместе с тем, в дополнение к действующим средствам контроля космического пространства при сопровождении корпорации «Роскосмос» продолжаются работы по развитию и эксплуатации первой очереди автоматизированной системы предупреждения опасных ситуаций в околоземном космическом пространстве, функционально предназначенной для применения в рамках международного сотрудничества. В этой связи стоит отметить, что использование орбитальных средств мониторинга космической обстановки позволит существенно расширить способности этой системы. В настоящее время многими странами прорабатываются варианты размещения в окологеостационарной области космических аппаратов контроля и мониторинга обстановки. Планируется, что Россия в 2027 году запустит первый спутник мониторинга космической обстановки, который войдет в состав российского сегмента системы предупреждения опасных ситуаций «Млечный путь» [3].
Способы размещения спутников мониторинга космической обстановки в окрестности геостационарной орбиты. При формировании множества возможных орбит КА мониторинга в окрестности ГСО необходимо учитывать следующие существенные ограничения [4-6]:
- КА мониторинга должны двигаться по круговым или эллиптическим орбитам в пределах заданного кольца высот:
Нгсо - 300 км < Нка < Нгсо + 300 км, где Нгсо - высота круговой геостационарной орбиты КО);
- для выполнения ограничения по минимальным затратам энергии при совершении КА межорбитальных переходов плоскости орбит КА должны находиться в плоскости ГСО.
Анализ возможностей спутников мониторинга космической обстановки в окрестности ГСО позволил выделить следующие способы их размещения.
1.Размещение спутников мониторинга на дежурной орбите. Под дежурной в данном контексте понимается орбита, расположенная в плоскости геостационарной, но выше или ниже ГСО. При разности высот 200 км за счет разности угловых скоростей орбитальных объектов, расположенных на дежурной и геостационарной орбите (примерно 2,54 градуса в сутки), облет одним спутником всех космических объектов (КО) на ГСО осуществляется за 142 суток. Среди «одноорбиталь-ных» систем обзора наилучшими являются системы спутников, движущихся по экваториальной орбите на равных расстояниях друг от друга [7]. В табл. 1 приведены значения, соответствующие периодичности наблюдения КО, расположенных на ГСО, для различного состава спутниковой системы при равномерном расположении КА мониторинга на дежурной орбите.
Таблица 1
Периодичность наблюдения КО для различного состава спутниковой системы
№ п/п Разность высот орбиты мониторинга по сравнению с ГСО, км Скорость дрейфа КА относительно КО на ГСО, град/сут Периодичность наблюдения 7пер? Сут Фазовое расстояние между КА, град Количество КА, шт
1 300 4,26 14 60 6
2 300 4,26 10,5 45 8
3 300 4,26 7 30 12
4 200 2,54 18 45 8
5 200 2,54 12 30 12
6 100 1,72 26 45 8
7 100 1,72 17,5 30 12
8 50 0,86 35 30 12
2. Размещение спутников мониторинга на геостационарной орбите. При данном способе спутники мониторинга располагается непосредственно на ГСО в окрестности точки стояния отечественного геостационарного КА и выполняют маневры по удержанию в заданной окрестности космического пространства и недопущению опасного сближения с КА[8, 9]. Основным недостатком данного способа является малое количество КО, попадающих в зону обзора КА мониторинга. Данный способ целесообразно использовать при запуске спутников охранения для наиболее ценных космических аппаратов.
3. Размещение спутников мониторинга на «антигеостационарной» орбите. Под «антигеостационарной» орбитой понимается круговая орбита ниже ГСО с наклонением 180 градусов. Таким образом, спутник мониторинга движется навстречу всем КО, расположенным на ГСО (рис. 1).
4.
Рис. 1. Схема применения КА на «антигеостационарной» орбите
283
Данный способ является наиболее предпочтительным с точки зрения периодичности обзора и оперативности сближения с КО на ГСО. Однако эффективность применения спутников, размещаемых на «антигеостационарной» орбите, вызывает определенные сомнения. В первую очередь, это связано с высокими относительными скоростями с КО, находящимися на ГСО. Таким образом, осуществление детального наблюдения КО будет крайне затруднительным, а в случае попадания КО в поле зрения, изображение с большой долей вероятности окажется смазанным и непригодным для анализа. Кроме того, высокие относительные скорости существенно ужесточают требования к точности определения вектора фазовых координат самого КА и выполнению маневров для проведения детальной съемки, эффективность спутниковой системы в этом случае может оказаться крайне низкой.
5. Размещение спутников мониторинга на эллиптических орбитах. Постоянство наблюдения геостационарных КО в этом случае обеспечивается:
- созданием орбиты, период обращения КА мониторинга по которой равен периоду обращения геостационарного КО по круговой орбите;
- заданием величин перигея и апогея эллиптической орбиты, близких к высоте геостационарной орбиты.
Две симметричные эллиптические орбиты, перигеи (апогеи) которых разнесены на угол 180 градусов, позволяют осуществлять мониторинг одних и тех же КО, расположенных на ГСО, как сверху, так и снизу (рис. 2). Недостатком данного способа является ограниченное количество КО, попадающих в зону обзора одного КА мониторинга.
6. Размещение спутников мониторинга при маршрутном обслуживании заданных областей ГСО. При данном способе КА мониторинга располагается на круговых компланарных орбитах выше (ниже) ГСО и за счет разности угловой скорости дрейфует по долготе подспутниковых точек в области заданной дуги ГСО [6]. Через заданные интервалы времени КА мониторинга производит межорбитальные перелеты с орбиты с высотой ниже ГСО на орбиту с высотой выше ГСО и обратно (рис. 3).
К недостаткам данного способа можно отнести повышенный расход запасов характеристической скорости при периодическом перестроении КА мониторинга с орбиту на орбиту.
В табл. 2 представлены расчеты затрат характеристической скорости при совершении периодических маневров по изменению высоты орбиты на 100, 200 и 300 км относительно ГСО при различных значениях дуги барражирования КА мониторинга.
Расчеты показывают, что при угловом размере дуги барражирования 60 градусов и смене высоты орбиты на 100 км выше/ниже относительно ГСО за 10 лет потребуется затрат характеристической скорости порядка 560 м/с на выполнение маневров.
Примеры построения системы мониторинга космического пространства в окрестности геостационарной орбиты. С помощью программного средства [10] было проведено моделирования функционирования спутниковой системы мониторинга космической обстановки на ГСО.В качестве
условий применения при построении спутниковой системы были выбраны следующие - количество КА в спутниковой системе должно быть не более 8, периодичность обзора КО - не более 24 суток, запас характеристической скорости КА - 2 км/с.
Были рассмотрены два варианта построения спутниковой системы исходя из решаемых задач
[11]:
для мониторинга всей области ГСО;
для мониторинга области ГСО, расположенной над территорией РФ.
Для первого варианта была выбрана система, состоящая из 8 КА, расположенных на дежурной орбите. Спутники располагаются на относительном угловом расстоянии 45 градусов на круговой орбите с высотой 200 км выше ГСО. Условная схема расположения КА мониторинга представлена на рис. 4. Периодичность наблюдения КО на ГСО в этом случае будет составлять 18,5 суток.
Для второго варианта была выбрана спутниковая система, состоящая из пяти КА - три КА с маршрутным обслуживанием в зонах расположения наибольшего количества КА отечественной группировки связи (табл. 3) и два КА на дежурной орбите (разнесены на 180 градусов) (рис. 5).
Зона барражирования КА
Рис. 3. Схема применения КА при маршрутном облете заданной области ГСО
Таблица 2.1
Затраты характеристической скорости КА при совершении периодических маневров по смене высоты на 100 км относительно ГСО
Параметр Значение
Затраты характеристической скорости на один переход, м/с 7,25
Длина дуги барражирования, град 30 60 90
Продолжительность одного круга, сут 47,13344062 93,26688125 139,4003219
Затраты характеристической скорости переход в год, м/с 112,2875803 56,74575937 37,96619641
Период обращения на ГСО, с 86301,85279
Период обращения (на 100 км ниже), с 85985,73266
Период обращения (на 100 км выше), с 86608,72834
Таблица 2.2
Затраты характеристической скорости КА при совершении периодических маневров по смене высоты на 200 км относительно ГСО
Параметр Значение
Затраты характеристической скорости на один переход, м/с 14,56
Длина дуги барражирования, град 30 60 90
Продолжительность одного круга, сут 24,42691439 47,85382878 71,28074317
Затраты характеристической скорости переход в год, м/с 435,1265916 222,1097093 149,1118011
Период обращения на ГСО, с 86301,85279
Период обращения (на 200 км ниже), с 85679,57269
Период обращения (на 200 км выше), с 86906,39303
Таблица 2.3
Затраты характеристической скорости КА при совершении периодических маневров по смене высоты на 300 км относительно ГСО
Параметр Значение
Затраты характеристической скорости на один переход, м/с 21,9
Длина дуги барражирования, град 30 60 90
Продолжительность одного круга, сут 16,69702946 32,39405892 48,09108837
Затраты характеристической скорости переход в год, м/с 957,4757019 493,5164205 332,4316529
Период обращения на ГСО, с 86301,85279
Период обращения (на 300 км ниже), с 85383,40755
Период обращения (на 300 км выше), с 87214,0052
Таблица 3
№ КА Дуга барражирования Количество контролируемых аппаратов РФ Период обращения вдоль дуги, сут Затраты х/с, м/с AНгco, км
1 30 град, в.д.- 50 град. в.д. 7 16 590 200
2 65 град, в.д.- 83 град. в.д. 6 14,2 549 200
3 90 град. в.д.- 105 град. в.д. 5 12,1 508 200
Рис. 4. Схема расположения КА в окрестности ГСО при мониторинге всех КО
Рис. 5. Схема расположения КА в окрестности ГСО при мониторинге КА РФ
Периодичность наблюдения выбранных КО в таком случае составляет не более 16 суток. Остальные КО на ГСО будут просматриваться с периодичностью 21 сутки.
Заключение. Моделирование применения космических аппаратов детального наблюдения космической обстановки показало, что наиболее предпочтительными исходя из условий получения изображений космических объектов в области ГСО, периодичности наблюдения и широты охвата КО, находящихся на орбите, являются способы расположения КА на дежурных орбитах и орбитах с маршрутным обслуживанием заданной области ГСО.
Облик орбитальной системы предупреждения опасных ситуаций обосновывается исходя из требований периодичности наблюдения, ограничений количественного состава спутниковой системы и запаса характеристической скорости КА мониторинга.
В статье были рассмотрены два варианта построения спутниковой системы мониторинга космической обстановки, которые могут быть взяты за основу при проектировании орбитального сегмента системы предупреждения опасных ситуаций в окрестности ГСО.
Список литературы
1. Космический мусор. Методы наблюдения и модели космического мусора. Под науч. ред. докт. техн. наук, проф. Г.Г. Райкунова. М.: ФИЗМАТЛИТ. 2014. Кн. 1. 248 с.
2. Урличич Ю.М. и др. Современные технологии навигации геостационарных спутников. М.: ФИЗМАТЛИТ. 2006. 346 с.
3. Россия в 2027 году запустит первый спутник системы мониторинга космического мусора. [Электронный ресурс] URL: https: //novosti-kosmonavtiki.ru/news/44459 (дата обращения: 20.03.2022).
4. Котяшов Е.В. Концептуально-структурная модель функционирования орбитальной системы космических аппаратов наблюдения и предупреждения опасных ситуаций на геостационарной орбите // Труды Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского. СПб.: ВКА имени А.Ф.Можайского. 2020. Вып. 670. С. 32-41.
5. Буданов В.Б., Краснощеков С.Н., Половников В.И. Теоретические основы построения баллистической структуры систем контроля космического пространства. Методическое пособие. СПб.: ВИКУ. 1996. 97 с.
6. Попович П.Р., Скребушевский Б.С. Баллистическое проектирование космических систем. М.: Машиностроение. 1987. 239 с.
7. Можаев Г.В. Синтез орбитальных структур спутниковых систем. Монография. М.: Машиностроение. 1989. 303 с.
8. Горбулин В.И., Груздев Н.В., Котяшов Е.В., Чернявский В.А. Удержание геостационарного спутника в заданной точке стояния с учетом дополнительных фазовых ограничений // Информатика и информатизация. Спб. ФИЦ РАН. Том 20, 2021. № 1, С. 43-67.
9. Брагинец В.Ф., Сухой Ю.Г., Виноградов В.А., Федонин С.В., Щербаков А.В. Приоритетные стратегии коллокации геостационарных спутников, находящихся в общих орбитальных позициях, для предотвращения опасных сближений // Космонавтика и ракетостроение. № 8 (93). С.98-109.
10. Программный комплекс оценивания эффективности применения космических комплексов / Е.В. Котяшов, О.Л. Куваев, В.И. Горбулин, М.Г. Кудинов, В.А. Чернявский, А.С. Шавин, К.А. Крупский // свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2017662709 от 15.11.2017.
11. Котяшов Е.В., Горбулин П.В., Куваев O.JI. Подход к построению информационно-измерительной системы мониторинга космического пространства на геостационарной орбите // Сборник трудов военно-научной конференции «Актуальные научно-технические аспекты разработки, испытаний и эксплуатации средств ракетно-космической обороны СПб., С. 167-179.
Котяшов Евгений Валериевич, канд. техн. наук, начальник отдела, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Хведелидзе Григорий Эмзарович, канд. воен. наук, начальник управления, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
METHODS OF POSITIONING SATELLITES IN THE VICINITY OF THE GEOSTATIONARY ORBIT IN THE CONSTRUCTION OF A SYSTEM FOR THE PREVENTION OF DANGEROUS SITUATIONS
E.V. Kotyashov, G.E. Hvedelidze
Space debris is monitored by the national space control services of various countries using mainly ground-based radar and optical means. At the same time, the use of orbital means of monitoring the space situation will significantly expand the capabilities of these services. Currently, many countries are working on options for placing spacecraft monitoring the situation in the near-geostationary region. The article presents the methods of the orbital location of satellites in the vicinity of the geostationary orbit in the construction of a system for the prevention of dangerous situations. Based on the requirements of the application of the orbital system for the prevention of dangerous situations, the ballistic construction of the satellite system is formed based on the methods of the orbital location of satellites in geostationary orbit. The appearance of the orbital system for the prevention of dangerous situations, as a rule, is justified based on the requirements of the frequency of observation, the limitations of the quantitative composition of the satellite system and the reserve of the characteristic speed of the monitoring spacecraft. Modeling has shown that the most preferred methods, based on the conditions for obtaining images of space objects in the geostationary orbit, the frequency of observation and the breadth of coverage of space objects in orbit, are the methods ofpositioning monitoring satellites in duty orbits and orbits with route maintenance of a given area of geostationary orbit. The article considers two options for constructing a satellite system for monitoring the space situation, which can be used as a basis for designing the orbital segment of the system for warning dangerous situations in the vicinity of the geostationary orbit.
Key words: orbital construction, geostationary orbit, situation monitoring, satellite system.
Kotyashov Evgeny Valerievich, candidate of technical sciences, head of the department, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Khvedelidze Grigory Emzarovich, candidate of military sciences, head of the department, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky
