Выбор типа орбит космических систем оптико-электронного наблюдения

Сравниваются возможности достижения высокой производительности космическими системами, построенными на орбитах двух типов: солнечно-синхронной и орбите без постоянной солнечной ориентации (БПСО).

Показано, что наиболее предпочтительными с точки зрения достижения максимальной производительности являются орбиты БПСО.

Выполнение требований к космическим системам оптико-электронного наблюдения (КСОЭН) по целевому назначению определяются орбитальным построением, в том числе выбором типа орбит. Важным этапом при этом является выбор показателей эффективности, которые отражают значение системы, возможность выполнения поставленных задач, зависят от варианта орбитального построения и чувствительны к его изменению [1, 2].

Наиболее важным показателем эффективности КСОЭН являются:

-          производительность КА  (объём достоверной информации, получаемый за определенный промежуток времени);

-          периодичность наблюдения  (интервал времени между последовательными наблюдениями одного и того же объекта или количество наблюдений этого объекта за определенный промежуток времени);

-          оперативность доставки информации  (интервал времени от момента начала наблюдения объекта до момента передачи полученной информации на наземный пункт);

-          количество получаемой информации  (пространственное разрешение);

-          стоимость , которую в первом приближении можно связать с числом аппаратов  в орбитальной группировке.

Поскольку эти показатели эффективности зависят от параметров орбитальной структуры, то они могут быть использованы при формировании критериев оптимальности для выбора рационального варианта орбитального построения КСОЭН [3].

Исходя из требований к рассматриваемой КСОЭН, максимальные значения таких показателей эффективности, как производительность , периодичность наблюдений , и оперативность , которые в наибольшей степени зависят от орбитального построения, могут выступать в роли критериев оптимальности.

Для облегчения решения задачи и ухода от ее многокритериальной постановки следует воспользоваться наиболее важным в этом случае показателем эффективности. По нашему мнению таковыми показателями является производительность системы  с ограничениями на остальные показатели , , . Другими словами, поскольку для рассматриваемых КСОЭН основной целью функционирования является достижение максимальной производительности , за критерий предпочтения принимается

,                                                                                             (1)

где  — множество возможных вариантов;  — оптимальный (предпочтительный) вариант орбитального построения.

На остальные показатели эффективности накладываются следующие ограничения:

; ;                                                                                        (2)

Здесь , ,  — допустимые требованиями ТТЗ значения показателей.

Матрица орбитальных параметров имеет вид

где  — большая полуось  — го КА;  — эксцентриситет орбиты  — го КА; - наклонение орбиты  — го КА;  — долгота восходящего узла орбиты  — го КА в абсолютном пространстве;  — аргумент перигея орбиты  — го КА;  — географическая долгота восходящего узла  — го КА;  — число КА в орбитальной группировке.

Таким образом, задача ставится в следующей формулировке:

определить начальные значения орбитальных параметров , обеспечивающие максимальное значение производительности  при выполнении ограничений по общему составу группировки, разрешению на местности , периодичности наблюдения  и оперативности доставки информации  в течении определенного промежутка времени . Или необходимо провести сравнение альтернативных вариантов и выбрать оптимальный для достижения требуемой эффективности КСОЭН, построенных на орбитах различного типа по критерию (1) при ограничениях (2).

Рассмотрим баллистическое построение КСОЭН на базе КА, находящихся на двух типах изомаршрутных эллиптических (или круговых) орбит с периодом повторения трассы, равным одним суткам, и примерной одинаковой высотой в апогее и перигее, отличающихся лишь величиной наклонения . Высота орбиты находится в диапазоне 500…3000 км.

Наклонение определяет перемещение (процессию) узла орбиты вдоль экваторы с запада на восток при 90…180 (тип 1) и в обратном направлении и в обратном направлении, если  не превышают 90 (тип 2).

Среди орбит первого типа, выбирая высоту орбиты и ее наклонение, можно обеспечить равенство угловой скорости прецессии узла орбиты и угловой скорости перемещения Солнца. В этом случае получаем орбиту с постоянной ориентацией ее плоскости относительно Солнца [4] — солнечно-синхронную орбиту (ССО).

Орбиту с наклонением менее 90 и с переменной ориентацией ее плоскости относительно Солнца назовем по аналогии «без постоянной солнечной ориентации» (БПСО).

Принимаем, что КА, расположенные на различных типах орбит, имеют одни и те же характеристики (например, по массе, бортовым системам), оснащены оптико-электронной аппаратурой (телескопами) с одинаковыми характеристиками (по фокусному расстоянию, размеру элемента разрешения, углу поля зрения). Число КА в составе КСОЭН на каждом из типов орбит равно единице.

Для начала сравним (табл. 1) баллистическое построение отечественный и зарубежных КСОЭН [3, 5] с точки зрения типа орбит. Видим, что зарубежные системы построены в основном на солнечно-синхронных орбитах. В России же был успешный опыт наблюдения районов с орбит с наклонением 63,4…70 (БПСО).

В литературе много говорится о преимуществах ССО. Однако следует отметить, что преимущества, обычно отмечаемые для ССО, такие, как возможность наблюдения Земли в одно и то же местное время, примерно постоянные углы возвышения Солнца в точке наблюдения (табл. 2), для отдельных потребителей являются недостатками. Это объясняется тем, что для некоторых объектов наблюдения требуется различная солнечная освещенность для выявления определенных признаков этих объектов.

Кроме того, недостатками ССО являются вращение линии апсид, невозможность наблюдения недоступных районов как при начальном построения орбитальной системы, так и в дальнейшем. Это объясняется тем, что угол между плоскостью орбиты и Солнцем на протяжении всего срока функционирования КА остается практически постоянным и, следовательно, освещены лишь те районы, находящиеся по трассе полета, которые выбраны для наблюдения вначале.

Таблица 1

Сравнение баллистического построения КСОЭН по типам орбит

Название КА (страна)	Баллистическое построение: высота, км	Тип орбиты
Ресурс-ДК (Россия)	350…607	БПСО
IKONOS (США)	680	ССО
QuickBerd-2 (США)	450	–"–
OrbView-3 (США)	470	–"–
LANDSAT-7 (США)	705	–"–
AQUA (США)	705	–"–
EO-1 (США)	705	–"–
ALOS (Япония)	692	–"–
Eros–A, B, C (Израиль)	480…600	–"–
SPOT-5 (Франция)	822	–"–
FORMOSAT (Тайвань)	891	–"–
KOMPSAT-2 (Корея)	685	–"–
IRS-1C/1D/P6/P5 (Индия)	817/(373…823)/817/618	–"–
PLEIADES (Франция)	694	–"–
WorldView-1 (США)	450	–"–
WorldView-2 (США)	770	–"–
GeoEye-1 (США)	684	–"–
Аркон-1 (Россия)	1500…2800	БПСО

Напротив, орбиты БПСО дают возможность наблюдения практически всех районов, над которыми проходит трасса КА в течение срока активного существования, а местное время съемки может изменится в очень широких пределах. Как видно из таблицы 2, наиболее предпочтительными с точки зрения характеристик наблюдения районов для определенных потребителей являются орбиты БПСО.

Возвращаемся в общей постановке задачи. Для выбора предпочтительного варианта по критерию (1) с помощью имитационной модели функционирования КА был проведен расчет производительности КА . Определяющими параметрами, которые существенно влияют на результат решения задачи и являются исходными данными для построения модели и проведения вычислений, будут следующие:

-       баллистическое построение ;

-       характеристики КА ;

-       параметры целевой аппаратуры ;

-       координаты пунктов приема информации (ППИ) ;

-       характеристики СУОС  и др.,

где  — число КА в орбитальной группировке;  — матрица орбитальных параметров КС;  — масса КА;  — срок активного существования КА; Ф — ориентация оптической оси относительно местной вертикали;  — фокусное расстояние;  — угол поля зрения;  — скорость бега изображения;  — широта, долгота и высота над уровнем моря ППИ; ,  — время разгона и торможения после перенацеливания;  — время перенацеливания;  — время успокоения.

Таблица 2

Сравнение свойств двух типов орбит

Свойство орбиты	ССО		БПСО
	Наличие	Оценка	Наличие	Оценка
Возможность наблюдения земли в одно и тоже местное время	Имеется	-	Нет	+
Практически неизменная величина угла возвышения Солнца в точке съемки (изменение солнечной освещенности районов наблюдения в течение года минимальное)	Имеется	-	Нет	+
Наличие освещенных районов, расположенных по трассе полета, в течение всего года	Имеется	+	Нет	-
Вращение линии апсид (переменная величина аргумента перигея)	Имеется	-	Нет	+
Доступность наблюдения любых районов на Земле в заданном широтном поясе	Нет	-	Имеется	+

Таблица 3

Сравнение двух типов орбит по длительности работы КА и времени связи с наземными ППИ

Характеристика	ССО		БПСО
	Значение	% за сутки	Значение	% за сутки
Длительность РУ за сутки, мин: весна лето осень зима	219 247 209 113	15 17 14 7,8	345 344 335 185	24 24 23 13
Время видимости КА с двух ППИ за сутки, мин	147		163

Были проведены также оценки альтернативных вариантов возможности наблюдения поверхности Земли на протяжении всего года: по сезонам, по передаче информации на наземные пункты приема информации (ППИ), по длительности рабочих участков (РУ — интервал времени на каждом витке орбиты, где КА может проводить съемку потенциальных районов наблюдения) на витке и за сутки, по освещенности полосы обзора и др. (табл. 3).

Как видно из таблицы 3, орбиты БПСО имеют преимущества перед ССО по длительности РУ и суммарному времени видимости с ППИ, которое напрямую влияет на производительность , поскольку ограничивают возможности сброса всей накопленной информации с борта КА.

Рис. 1. Зависимость производительности КА на ССО и БПСО от времени года: 1 — весна; 2 — лето; 3 — осень; 4 — зима

Результаты расчета производительности КА  для двух типов орбит представлены в виде гистограммы на рисунке 1. Видно, что для всех времен года величина производительности на орбите БПСО выше, чем ССО. Таким образом, для КСОЭН наиболее предпочтительными с точке зрения достижения максимальной производительности являются эллиптические (круговые) БПСО.

На рисунке 2 приводится полученные на основе имитационного моделирования процесса наблюдения данные по расчету производительности , показывающие изменения ее по сезонам для КА, находящихся по двух типах орбит. Эта величина в случае ССО испытывает в течение года лишь сезонные колебания (рис. 2, а), в то время как производительность КА на орбите БПСО (рис. 2, б) четыре раза в год падает до нуля на срок  7 суток (учитывалась работа КА по Северному полушарию Земли).

Рис. 2. Изменение производительности в течение года для КА на орбите: а — ССО; б — БПСО

Таким образом, с точки зрения интегральной оценки производительности оценки КА за год наиболее предпочтительными являются ССО. Однако среднесуточная производительность КА для двух типов орбит примерно одинаковая: 165 (ССО) и 145 (БПСО) условных единиц.

Обобщенные результата расчета показателей эффективности , ,  и их оценка согласно критерию (1) при ограничениях (2) для КСОЭН, построенных на орбитах различного типа, сведены в таблице 4. Видно, что эллиптическая орбита БПСО по сравнению с ССО имеет больше положительных оценок (пять из восьми оцениваемых параметров). Следует также учесть свойства орбит из таблицы 2 (четыре положительных оценки для БПСО из пяти возможных).

Таблица 4

Сравнение КСОЭН, построенных на двух типах орбит, по производительности, периодичности и оперативности

Параметр	ССО		БПСО
	Значение	Оценка	Значение	Оценка
Максимальная длительность РУ за сутки, мин	247	-	345	+
Максимальная суточная производительность , усл.ед.	260	-	300	+
Время видимости КА с двух ППИ за сутки, мин	147	-	162	+
Время видимости КА с одного ППИ за сутки, мин	70…85	-	85…86,5	+
Среднесуточная производительность , усл.ед.	165	+	145	-
Оперативность доставки, ч	5,5	+	8	-
Периодичность, на широте 30…60 в летний период, раз/сут	1…3	-	1…5	+
Периодичность  на широте 70…80 в летний период, раз/сут	4…7	+	0…2	-

Орбита БПСО по критерию (1) имеет максимальное значение производительности , равное 300 усл.ед., при выполнении требований по ограничениям (2): периодичность  1…5 раз/сут, оперативность  не ниже 8 часов, разрешение .

Таким образом для решения целевых задач в интересах определенных потребителей с большей эффективностью целесообразно использовать при баллистическом проектировании и разработке КСОЭН эллиптические (круговые) орбиты без постоянной ориентации плоскости орбит относительно Солнца.

При окончательном выборе орбитального построения космических систем оптико-электронного наблюдения необходимо проводить анализ влияния предлагаемых типов орбит на выходные характеристики системы в зависимости от конкретно поставленной задачи для получения более высоких показателей целевой эффективности.

Литература:

1.                 Лебедев А. А. Введение в анализ и синтез систем. М.: Изд-во МАИ, 2001.

2.                 Лебедев А. А. Системный анализ. М.: Изд-во МАИ, 2004.

3.                 Лощенков В. И., Семункина В. И. Принципы системного подхода при баллистическом проектировании и создании космических систем дистанционного зондирования Земли / Сб. науч. тр. НПО им. К. Э. Циолковского. Вып. 6. М., 2005.

4.                 Нариманова Г. С., Тихонравова М. К. Основы теории полета космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1972.

5.                 Михайлов В. И., Болсуновский М. А. Спутники Д33 высокого разрешения / Сб.статей компании «Совзонд». М.: Изд. «Проспект», 2005.