ДВУХРЕЖИМНЫЙ СПОСОБ НАБЛЮДЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ ПРИ ФУНКЦИОНИРОВАНИИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ

Полный текст

Введение. Проводимые в процессе развития ракетно-космической техники исследования направлены не только на изучение и освоение дальнего космического пространства, но и на улучшение наземной инфраструктуры за счет использования космических аппаратов различного назначения в околоземном космическом пространстве. Широко используются спутники связи, метеорологические КА, аппараты, решающие вопросы геодезии, и т. д. Но все же одной из наиболее важных областей практического применения космических аппаратов остается дистанционное зондирование Земли [1]. КА ДЗЗ применяют для решения различных социально-экономических задач. Существенным недостатком современных орбитальных группировок данного класса является низкая оперативность получения информации с заданного района земной поверхности [2]. Уменьшение периодичности обзора в ближайшей перспективе предполагается за счет существенного наращивания количества КА ДЗЗ в составе орбитальных группировок. Однако такой подход требует значительных экономических затрат. В связи с этим возникает необходимость разработки новых способов повышения оперативности получения информации с заданного района поверхности Земли при ограниченных экономических затратах [3]. Для решения данной задачи, в первую очередь, необходимо произвести анализ принципов орбитального функционирования космических аппаратов [4-6]. Суть двухрежимного способа наблюдения. В результате проведенных исследований установлено, что КА ДЗЗ решают два типа задач: плановые задачи глобальной съемки земной поверхности и оперативные задачи съемки отдельных регионов [7]. В связи с этим был предложен двухрежимный способ наблюдения земной поверхности [3]. Данный способ предусматривает использование в процессе функционирования КА ДЗЗ двух режимов наблюдения земной поверхности: режима глобального наблюдения и режима регионального наблюдения. Под режимом глобального наблюдения (РГН) понимается плановая периодическая съемка всей или значительной части поверхности Земли. Данный режим используется существующими КА ДЗЗ. Под режимом регионального наблюдения (РРН) понимается оперативная съемка заданного района на поверхности Земли с малой периодичностью. Данный режим целесообразно использовать при возникновении чрезвычайных ситуаций или при решении социально-экономических задач в регионах со слаборазвитой наземной инфраструктурой. Переход из одного режима наблюдения в другой предлагается осуществлять за счет изменения периода обращения КА вокруг Земли путем изменения большей полуоси рабочей орбиты с помощью маршевой двигательной установки КА [8; 9]. Основным режимом наблюдения является режим глобального наблюдения. Данный режим реализуется за счет нахождения КА ДЗЗ на кратной геосинхронной орбите с периодом обращения, обеспечивающим ежесуточное смещение трассы полета на величину ширины полосы обзора КА ДЗЗ. При возникновении необходимости наблюдения заданного района земной поверхности с низкой периодичностью аппарат переводят в режим регионального наблюдения. Для этого осуществляется переход с кратной геосинхронной орбиты на близкую компланарную суточно-синхронную орбиту, обеспечивающую ежесуточное повторение трассы [7]. Такой подход позволяет снизить периодичность получения оперативной информации при ограниченном количестве КА в составе орбитальной группировки и одновременно сохранить возможность глобального обзора земной поверхности, необходимую для решения плановых задач. Методика определения основных параметров орбит. Для исследования предложенного двухрежимного способа наблюдения земной поверхности были установлены параметры рабочих орбит, обеспечивающие реализацию указанных режимов наблюдения, и проведено оценивание снижения периодичности обзора. В процессе проведения исследований рассматривались следующие параметры землеобзора, представленные на рис. 1: - γоб - угол обзора КА; - ψоб - геоцентрический угол обзора КА; - B - ширина полосы обзора; - σ - минимальный угол возвышения КА над горизонтом. Данные параметры землеобзора связаны между собой следующими соотношениями: (1) (2) (3) где RЗ - радиус Земли; Н - высота орбиты КА. При использовании данных соотношений значение минимального угла возвышения КА над местным горизонтом, определяемое типом используемой бортовой аппаратуры дистанционного зондирования, принималось в качестве исходной величины, а высота орбиты КА являлась искомым параметром. Функционирование КА ДЗЗ в РРН предполагает максимально оперативное получение информации о заданном районе. Наиболее частое прохождение трассы аппарата через заданный район может быть обеспечено за счет использования суточно-синхронных орбит. Суточно-синхронными называются орбиты, для которых цикличность трассы КА составляет сутки. Для таких орбит количество витков, совершаемых КА в течение звездных суток, должно быть целым числом [7]. Данный параметр называют также кратностью орбиты. Кратность орбиты определяется соотношением (4) где TЗ - звездные сутки; TР - период обращения КА по орбите регионального наблюдения. Используя формулу для определения периода обращения КА, можно получить следующее выражение для высоты орбиты регионального наблюдения: (5) где KЗ - гравитационный параметр Земли. Проведенный анализ трасс полета показал, что при использовании околополярных орбит, в том числе солнечно-синхронных, можно обеспечить обзор любого района, лежащего в заданном диапазоне широт на поверхности Земли, дважды в сутки. Для этого необходимо определить положение оптимальной рабочей точки на орбите регионального наблюдения. При этом наблюдение заданного региона осуществляется на восходящих и нисходящих витках орбиты. Таким образом, для околополярных орбит выражение для периодичности обзора в РРН можно представить следующим образом: (6) где N - количество КА в орбитальной группировке. В табл. 1 приведены основные параметры орбит регионального наблюдения и значения периодичностей обзора заданного района земной поверхности при использовании одного КА в составе орбитальной группировки в диапазоне высот 200-1850 км. Параметры землеобзора Риc. 1. Параметры землеобзора КА Таблица 1 Основные параметры круговых орбит регионального наблюдения Число витков орбиты в сутки 12 13 14 15 16 Период обращения , с 7180 6628 6155 5744 5386 Межвитковое расстояние , град 30 27,7 25,7 24 22,5 Высота орбиты , км 1673 1255 887,7 561,4 269,4 Периодичность обзора , сут 1 1 1 1 1 С учетом достигнутого уровня развития целевых систем дистанционного зондирования Земли, аэродинамического сопротивления атмосферы и полученных значений периодичности обзора, для РРН наиболее предпочтительными являются орбиты высотой 561,4 и 887,7 км. Функционирование КА ДЗЗ в РГН предполагает периодическое зондирование всей или значительной части поверхности Земли. Для глобального обзора земной поверхности КА должен находиться на орбите, обеспечивающей суточное смещение трассы КА в восточном или западном направлении на ширину полосы обзора. Суточное смещение трассы КА имеет место в случае, когда отношение звездных суток к периоду обращения по орбите не является целым числом: (7) Для обеспечения примыкания полос обзора величина суточного смещения трассы КА должна быть равной геоцентрическому углу обзора КА. при использовании смещения трассы КА в западном направлении имеем (8) где ψоб.Г - геоцентрический угол обзора с орбиты глобального наблюдения. суточное смещение трассы связано с межвитковым смещением трассы соотношением (9) где {nГ} - дробная часть значения nГ. Зависимость межвиткового смещения трассы и числа витков орбиты за сутки описывается соотношением (10) Запишем очевидное равенство: (11) где [nГ] - целая часть значения nГ. используя выражения (7)-(11), получаем формулу для определения требуемого значения nГ: (12) Для обеспечения суточного смещения трассы КА по долготе в восточном направлении должно выполняться условие (13) Аналогично получаем формулу для определения требуемого значения при смещении трассы в восточном направлении: (14) Используя выражение для периода обращения по орбите (15) из решения трансцендентных уравнений (12) и (14) получаем значения высот орбит глобального наблюдения HГ для заданных целых чисел [nГ]. периодичность обзора в РГН можно определить по формуле: (16) В табл. 2 и 3 приведены параметры орбит глобального наблюдения для западного и восточного смещения трассы КА в диапазоне высот 200-1850 км, полученные при помощи выведенных соотношений. При проведении расчетов значение минимального угла возвышения КА над горизонтом принималось равным σ = 65º. Значения периодичностей обзора приведены для случая использования в составе орбитальной группировки одного КА. Таблица 2 Основные параметры круговых орбит глобального наблюдения для западного смещения трассы Межвитковый сдвиг , град 31 28,4 26,22 24,3 22,64 Число витков орбиты в сутки 11,62 12,67 13,73 14,81 15,9 Высота орбиты км 1847 1387 982 621,7 298,7 Периодичность обзора , cут 2,6 3,0 3,7 5,2 9,5 Таблица 3 Основные параметры круговых орбит глобального наблюдения для восточного смещения трассы Межвитковый сдвиг , град 29,15 27,07 25,3 23 22,4 Число витков орбиты в сутки 12,35 13,3 14,24 15,7 16,09 Высота орбиты км 1522 1142 807,6 510,8 245,2 Периодичность обзора , cут 2,9 3,4 4,3 6,0 11,3 Из представленных таблиц видно, что РГН обеспечивает глобальность обзора, но имеет низкую оперативность получения информации, а РРН обеспечивает высокую оперативность получения информации с заданного района на поверхности Земли, но не обеспечивает обзор всей земной поверхности. В связи с этим целесообразно использовать сочетание данных режимов в процессе функционирования КА ДЗЗ. Исследование временных и энергетических затрат на изменение режима наблюдения. В связи с тем, что более жесткие требования к оперативности предъявляются при переходе из РГН в РРН, во время проведения исследований рассматривался именно этот случай. Возможные способы изменения режима наблюдения можно разделить на два вида [10]: - изменение режима наблюдения без использования орбиты фазирования; - изменение режима наблюдения с использования орбиты фазирования. На рис. 2 изображен способ изменения режима наблюдения без использования орбиты фазирования. Суть данного способа заключается в том, что при поступлении команды на переход из РГН в РРН космический аппарат остается на ОГН (участок КА0-КА1) до наступления такого взаимного положения между КА и рабочей точкой (РТ) на ОРН, когда гомановский переход с ОГН на ОРН (участок КА1-КА2, РТ2) обеспечит попадание КА в требуемую рабочую точку на ОРН. Математически данный способ можно описать следующей системой уравнений: (17) (18) (19) (20) где φКА - угловое перемещение КА за время изменения режима наблюдения; φРТ - угловое перемещение рабочей точки на ОРН за время изменения режима наблюдения; φСМ - угол между КА и рабочей точкой в начальный момент времени; ωГ - угловая скорость вращения КА по ОГН; ωР - угловая скорость вращения рабочей точки по ОРН; tФ - время фазирования (ожидание начала маневра) на ОГН; tП - время выполнение маневра (гомановского перелета). Подставляя соотношения (18)-(20) в (17), получаем выражение для определения времени фазирования на ОГН: (21) Время изменения режима наблюдения (ИРН) представляет собой сумму: (22) Суммарное импульсное приращение скорости на изменение режима наблюдения без использования орбиты фазирования представляет собой сумму импульсных приращений скоростей на активных участках: (23) M:\Направление 202\Отделение 222\Сектор 521\Цируль\Аспирантура\Мои статьи\Вторая\Рисунки\Фазир. без ОФ.jpg Рис. 2. Изменение режима наблюдения без использования орбиты фазирования Выражения для импульсных приращений скоростей на активных участках можно представить следующим образом [4]: (24) (25) На рис. 3 изображен способ изменения режима наблюдения с использованием орбиты фазирования. При использовании данного способа в момент поступления команды на переход из РГН в РРН космический аппарат совершает перелет по гомановской схеме с ОГН на орбиту фазирования (участок КА0-КА1). На орбите фазирования КА находится (участок КА1-КА2) до наступления такого взаимного положения между КА и рабочей точкой на ОРН, когда гомановский переход с ОГН на ОРН (участок КА2-КА3, РТ3) обеспечит попадание КА в требуемую рабочую точку. Математически данный способ можно описать следующей системой уравнений: (26) (27) (28) (29) (30) где tП1 - время перелета с ОГН на орбиту фазирования; tП2 - время перелета с орбиты фазирования на ОРН; rФ - радиус орбиты фазирования. Подставляя соотношения (27)-(30) в (26), получаем выражение для времени фазирования на орбите фазирования: (31) Время изменения режима наблюдения при использовании орбиты фазирования представляет собой сумму: (32) Двухимпульсный компланарный перелет между круговыми орбитами осуществляется по полуэллипсу Гомана. Перелет требует изменения скорости в перигее и апогее этого полуэллипса. В случае использования орбиты фазирования таких перелета будет два [11]. Суммарное импульсное приращение скорости на изменение режима наблюдения при использовании орбиты фазирования представляет собой сумму: (33) M:\Направление 202\Отделение 222\Сектор 521\Цируль\Аспирантура\Мои статьи\Вторая\Рисунки\Фазир. с исп. ОФ.jpg Рис. 3. Изменение режима наблюдения с использованием орбиты фазирования Выражения для импульсных приращений скоростей на активных участках можно представить следующим образом: (34) (35) (36) (37) С учетом достигнутого уровня развития целевой аппаратуры ДЗЗ, предпочтительным является использование орбиты глобального наблюдения высотой 621,7 км и орбиты регионального наблюдения высотой 561,4 км. В связи с этим расчеты проводились для случая использования данных орбит [12]. На рис. 4 представлена зависимость времени изменения режима наблюдения от угла между КА и рабочей точкой в начальный момент времени при изменении режима наблюдения без использования орбиты фазирования. Из представленной зависимости видно, что при использовании первого способа время изменения режима наблюдения существенно зависит от начального углового смещения между КА и РТ на ОРН. Это обусловлено близостью высот ОГН и ОРН. На рис. 5 представлена зависимость времени изменения режима наблюдения от разности высот между орбитой фазирования и ОГН. Из представленной зависимости видно, что использование орбиты фазирования позволяет существенно снизить время изменения режима наблюдения. на рис. 6 представлена зависимость времени изменения режима наблюдения от суммарного импульсного приращения скорости для случая использования орбиты фазирования. Данная зависимость показывает, что для существенного снижения времени изменения режима наблюдения требуются относительно небольшие энергетические затраты. Tирн - фисм Рис. 4. зависимость tИРН от φСМ Tирн - Hф Рис. 5. зависимость tИРН от ΔHФ-Г Тирн - Vсум Рис. 6. зависимость tИРН от ΔVΣ Методика расчета трасс КА ДЗЗ для описанных режимов наблюдения. Данная методика позволяет произвести сравнительный анализ периодичности наблюдения заданного района земной поверхности КА ДЗЗ, функционирующего в режимах глобального и регионального наблюдения [13]. Математически данную методику можно описать уравнениями. (38) (39) (40) где φ - широта подспутниковой точки; λ - долгота подспутниковой точки; λ0 - начальная долгота подспутниковой точки; Δλ - изменение долготы подспутниковой точки; i - наклонение орбиты; u - аргумент широты; ωЗ - угловая скорость вращения Земли; ωКА - угловая скорость вращения КА. Представленная методика расчета трасс КА ДЗЗ является частью математической модели, описывающей двухрежимный способ наблюдения земной поверхности. На следующем этапе исследования будет описана взаимосвязь рабочей точки, принадлежащей орбите регионального наблюдения, и географических координат заданного района земной поверхности, что позволит усовершенствовать методику определения временных и энергетических затрат на изменение режима наблюдения. В результате, математическая модель, описывающая двухрежимный способ наблюдения земной поверхности, позволит сформировать требования к перспективным двигателям и энергетическим установкам КА ДЗЗ, что даст возможность увеличить эффективность их использования. С помощью разработанной методики были определены трассы КА ДЗЗ, функционирующего в различных режимах наблюдения. На рис. 7 представлена трасса КА ДЗЗ, функционирующего в режиме глобального наблюдения, движущегося по круговой околополярной кратной геосинхронной орбите высотой 510,8 км и наклонением 83,6 град. Для рассмотренного случая цикл замыкания трассы составляет более 5 суток, в течение которых заданный район земной поверхности попадёт в полосу обзора КА ДЗЗ в лучшем случае два раза: на одном восходящем и на одном нисходящем витках. Таким образом, периодичность обзора заданного района земной поверхности составит минимум 2,5 суток. На рис. 7 представлена трасса КА ДЗЗ с суточным смещением трассы в восточном направлении. На рис. 8 представлена трасса КА ДЗЗ, функционирующего в режиме регионального наблюдения. В этом режиме используется околополярная круговая суточно-синхронная орбита высотой 561,4 км и наклонением 83,6 град, обеспечивающая отсутствие ежесуточного сдвига трассы. Трасса аппарата, движущегося по такой орбите, повторяется приблизительно через сутки, точнее через период вращения Земли вокруг своей оси относительно восходящего узла орбиты. В результате периодичность обзора заданного района снижается в 3-6 раз по сравнению с периодичностью обзора заданного района аппаратом, функционирующим в режиме глобального наблюдения. При помощи фазирования в процессе перехода представляется возможным наблюдение интересующих объектов заданного района преимущественно в надир, что обеспечивает высокое качество получаемой информации. Рис. 7. Трасса КА ДЗЗ, функционирующего в режиме глобального наблюдения Рис. 8. Трасса аппарата, функционирующего в режиме регионального наблюдения Из сравнения приведенных трасс также видно, что в режиме регионального наблюдения не обеспечивается глобальность обзора земной поверхности. В связи с этим после наблюдения заданного района в течение требуемого времени необходимо перевести КА ДЗЗ на исходную кратную геосинхронную орбиту, обеспечивающую реализацию режима глобального наблюдения. Также хотелось бы отметить, что при использовании в составе орбитальной группировки более одного КА ДЗЗ, способного осуществлять переходы между режимами наблюдения, представляется возможным уменьшить периодичность обзора заданного района земной поверхности до нескольких часов, что на данный момент является недостижимым для орбитальных группировок, в составе которых функционирует менее десяти КА ДЗЗ. Анализ возможности применения. средняя разность высот между соседними орбитами глобального и регионального наблюдения составляет 70 км [3]. Величина суммарного импульсного приращения скорости для изменения режима наблюдения составляет величину порядка 40-70 м/c. Данные величины свидетельствуют об относительно невысоких энергетических затратах на использование предложенного двухрежимного способа наблюдения. В свою очередь, экономические затраты на создание группировки, функционирующей с применением предложенного двухрежимного способа наблюдения, значительно меньше, чем экономические затраты, связанные с вариантом увеличения количественного состава существующих орбитальных группировок. Реализация данного способа целесообразна, прежде всего, для малых и средних КА (масса КА не превышает 3 т), для которых увеличение маневренных возможностей не ограничено жесткими требованиями к их массовым характеристикам, обусловленным возможностями средств выведения [14]. В процессе исследования были рассмотрены характеристики космических аппаратов наблюдения, представленных в [15]. Краткий перечень рассмотренных аппаратов приведен в табл. 4. Таблица 4 Краткий перечень рассмотренных КА ДЗЗ Название КА Масса КА, кг Масса специального комплекса, кг Масса топлива, кг Суммарный запас характеристической скорости, м/c RapidEye 154 43 12 202 TanDEM-X 1341,3 400 120 234,3 TerraSAR-X 1293,5 394 78 155,5 Sentinel-2 1180 230 130 291,8 Eros-B 290 40 60 579,5 Серия КА Ofeq-1 225 36 15 172,4 Ofeq-10 400 45 70 480,9 TECSAR 300 100 40 357,75 Cartosat-2 680 120 69 267,5 «Канопус-В» 400 110 10 213,7 THEOS 720 120 80 294,5 Kompsat-1 470 100 73 421,9 Масса специального комплекса КА ДЗЗ малого и среднего класса составляет от 36 до 500 кг. Масса платформ, способных обеспечить нормальное функционирование подобных специальных комплексов, варьируется от 100 до 2000 кг. Анализ данных, представленных в табл. 4, позволяет судить о возможности применения двухрежимного способа наблюдения земной поверхности при функционировании существующих и перспективных КА ДЗЗ малого и среднего классов. Среднее значение запаса характеристической скорости рассмотренных существующих КА ДЗЗ составляет 310 м/c. Данная величина обусловлена необходимостью проводить штатные коррекции орбиты с применением ДУ для поддержания ориентированного положения. При функционировании КА ДЗЗ с применением двухрежимного способа наблюдения целесообразно иметь возможность совершать переход в РРН с возвращением в РГН хотя бы один раз в 6 месяцев в течение всего срока активного существования. Таким образом, необходимое увеличение запаса характеристической скорости составляет величину порядка 300-400 м/c. Для существующих малых и средних КА ДЗЗ увеличение запаса топлива, обеспечивающее необходимое увеличение запаса характеристической скорости, приведет к увеличению массы КА на 15-20 % и к незначительным конструктивным доработкам. Также хотелось бы отметить, что применение двухрежимного способа наблюдения позволит значительно увеличить как эффективность использования двигательных установок КА ДЗЗ, так и эффективность орбитальных группировок дистанционного зондирования Земли. Заключение. В результате проведённых исследований можно сделать следующие выводы: 1. Использование двухрежимного способа наблюдения земной поверхности позволяет обеспечить сочетание глобальности наблюдения земной поверхности с высокой оперативностью получения информации о заданных районах земной поверхности в определенные временные интервалы. 2. В режиме регионального наблюдения достигается снижение периодичности обзора требуемого района с 3-6 суток до 1 суток при использовании в составе орбитальной группировки одного КА ДЗЗ. 3. Сравнение двухрежимного способа наблюдения земной поверхности с известными способами повышения оперативности получения информации с заданных регионов показывает, что использование двухрежимного способа позволяет существенно снизить периодичность обзора при относительно небольших экономических затратах. 4. Математическая модель двухрежимного способа наблюдения земной поверхности является математической основой для формирования требований к перспективным двигателям и энергетическим установкам КА ДЗЗ.

Об авторах

Д. Г. Цируль

Конструкторское бюро «Арсенал» имени М. В. Фрунзе

Email: derek53@ya.ru
Российская Федерация, 195009, г. Санкт-Петербург, ул. Комсомола, 1-3

В. И. Ермолаев

Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова

Российская Федерация, 190005, г. Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, 1

Список литературы

Дополнительные файлы