В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Александр
Сергей 
Денис
ДенисИздавна стремление к познанию окружающего человека мира продвигало научный, технический и политический прогресс. При этом масштаб любопытства простирался от желания знать, что происходит у соседей за дверью, до стремления понять законы движения небесных тел. Соответственно, использовалось подходящее инструментальное оснащение. В первом случае – отверстие для ключа в двери у соседей, во втором – подзорная труба. В современном мире, характеризующемся процессами глобализации, наблюдение с помощью замочной скважины претерпело существенные конструктивные изменения, подарив научному сообществу телескоп “Хаббл”. Более того, задача государственного управления, сформулированная 93 года назад как необходимость учета и контроля, не перестает быть важнейшей и сегодня. Только если раньше для ее решения предлагалось использовать рабоче-крестьянскую инспекцию, то сегодня привлекают космические средства дистанционного зондирования Земли.
Рынок индустрии спутникового ДЗЗ сегодня развивается достаточно активно, а основным заказчиком и пользователем услуг является государство. Либерализация нормативно-правовой базы [1] содействует его расширению и коммерциализации.
Качество решения целевых задач, ставящихся перед космическими системами ДЗЗ, напрямую определяются их важнейшими характеристиками, такими как: линейное разрешение на местности, полоса захвата бортовой аппаратуры наблюдения, периодичность наблюдения, оперативность доставки результатов съемки, точность определения координат по получаемым снимкам, производительность [3, 4].
При этом для решения практических задач наиболее важными являются различные показатели перечисленных характеристик в зависимости от предъявляемых требований.
Совершенствование космических систем дистанционного зондирования проводится путем улучшения перечисленных параметров. Создается и внедряется бортовое оборудование, позволяющее вести съемку с высокой разрешающей способностью, и оборудование линий связи передачи информации на Землю, обладающих высокой производительностью.
Дело в том, что современные бортовые средства оптического и радионаблюдения порождают в результате работы большой объем данных, для доставки которых на Землю требуется использование высокоскоростных линий связи. В противном случае данные будут передаваться настолько долго, что будут заметно устаревать.
Для достижения высокой разрешающей способности бортового оборудования космические аппараты (КА) ДЗЗ стремятся располагать на низких орбитах, с высотой полета от 400 до 800 км [2]. При этом оказывается, что время между двумя последовательными прохождениями космическими аппаратами одного и того же географического района оказывается достаточно большим. Это время называется периодичностью наблюдения, и оно определяет “разрешающую способность” космической системы наблюдения по времени.
В то время как увеличение линейного разрешения на местности, полосы захвата, оперативности доставки информации, производительности и точности определения координат систем ДЗЗ достигается в основном за счет совершенствования бортового оборудования каждого отдельно взятого КА и совершенствования наземной инфраструктуры пунктов приема информации, периодичность наблюдения целиком определяется топологией орбитальной группировки (ОГ) системы.
Рассмотрим типовые требования к периодичности наблюдения, накладываемые прикладными задачами. Так, в работе [6] приводятся требуемые типовые значения временных интервалов обновления информации в случае, когда производится мониторинг разного рода чрезвычайных ситуаций средствами дистанционного зондирования. Так, это время может колебаться от 15 мин. в случае быстропротекающих и развивающихся стихийных бедствий (пожаров, наводнений и т.п.) до 3–6 часов при оценке последствий уже свершившихся явлений. В [7] также рассматривалась проблема мониторинга пожаров на сельскохозяйственных полях с помощью инструментальных средств аппаратуры MODIS, установленной на космических аппаратах TERRA и AQUA. Отмечается, что сельскохозяйственный пожар – явление скоротечное, длящееся в течение нескольких часов, которое может закончиться в зависимости от ветра в течение часа. При этом определяющую роль в увеличении достоверности детектирования подобных явлений играет не разрешающая способность аппаратуры, а именно количество КА в ОГ.
Известен проект для реализации концепции глобальной съемки поверхности Земли с высоким разрешением и высокой преиодичностью “1 Земля, 1 м за 1 день”– проект e-CORСE [5]. В проекте предусматривалась многоплоскостная спутниковая группировка малых КА, включающая 104 аппарата весом около 220 кг каждый, размещенных на солнечно синхронной орбите высотой 600 км. Наземная распределенная сеть станций приема включала 50 земных станций.
Практически ОГ систем оптического наблюдения конструируются с учетом статистики облачного покрытия в освещенной области поверхности Земли, которая существенным образом ограничивает достижимую периодичность наблюдения.
Практически было развернуто несколько многоспутниковых систем ДЗЗ. Так, 29 августа 2008 г. компанией RapidEye AG (Германия) были запущены 5 миникосмических аппаратов мониторинга природных ресурсов RapidEye. Орбитальная группировка системы представляет собой одну орбитальную плоскость, использующую солнечно-синхронную орбиту с периодом обращения 97,23 мин. и наклонением 97,8 град., с равномерно размещенными на ней космическими аппаратами. На рис. 1 показано, что плоскости орбит КА ориентированы относительно положения Солнца таким образом, что подспутниковые точки проходят освещенную область Земли на нисходящей части витка в районе полудня.
Для совместного решения задач в орбитальную группировку объединены французские КА Рleiades-1a, Рleiades-1b, Spot-6, Spot-7.
Орбитальная группировка этих КА содержит две плоскости с долготой восходящего узла 48,1 град. для КА Рleiades и 40,5 град. для КА Spot. КА сфазированы таким образом, что по аргументу широты КА Рleiades и Spot разнесены на 180 град., а Рleiades относительно Spot на 90 град. Орбиты КА являются круговыми солнечно-синхронными орбитами со средним периодом обращения 98,67 мин. и наклонением 98,18 град.
На рис. 2 показано движение трасс КА подспутниковых точек. Интересной особенностью данной орбитальной группировки является то, что благодаря специально выбранной величине разнесения орбитальных плоскостей по долготе восходящего узла трассы КА Рleiades накладываются на трассы КА Spot, образуя так называемую изомаршрутную структуру. Это увеличивает стабильность ОГ в целом.
На рис. 2 показано, что освещенную часть поверхности Земли КА проходят в области до полудня на нисходящей части витка. Ориентация плоскости орбиты расположена таким образом, что трасса КА проходит освещенную часть поверхности Земли в области “до полудня” дает статистический выигрыш в количестве случаев съемки в условиях отсутствия облачности.
В течение ряда лет эксплуатируется многоспутниковая система, построенная с использованием микро-КА Flock, имеющих массу 5 кг и размеры 10x10x 34 см. Последние пуски проводились в 2014 и 2016 гг. В 2014 г. была запущена группа из 11 КА этого типа, а в 2016 г. из 12 КА. Высота орбиты составляет 603 км и 503 км, тип орбиты – солнечно-синхронная с наклонением 97,9 град. и 97,5 град. соответственно. При этом достигается разрешение снимков в пределах 3–5 м. Состояние сформированной и функционирующей на текущий момент времени орбитальной группировки КА показано на рис.3.
Видно, что КА расположены в двух орбитальных плоскостях и разведены по фазовому расположению внутри плоскости достаточно равномерно, учитывая скромные возможности КА, обусловленные их массой и размерами. Относительно освещенной области поверхности Земли орбиты расположены так, что трассы подспутниковых точек смещены в область “до полудня” относительно положения Солнца. При этом потоки КА в плоскостях движутся навстречу друг другу. Разнесение орбитальных плоскостей по долготе восходящего узла составляет 208 град. То есть КА одной плоскости проходят освещенную область на восходящей части витка, а в другой плоскости на нисходящей части витка. Движение потоков КА навстречу друг другу улучшает показатель периодичности наблюдения для ОГ в целом. Таким образом, данная система ДЗЗ дает хороший пример стратегии, использованной разработчиками для оптимизации ОГ КА, направленной на получение высоких показателей периодичности наблюдения.
Рассмотрим отечественные космические аппараты ДЗЗ высоко детального разрешения (от 1 до 2,5 м) [4], к которым относятся КА “Ресурс-П”, “Канопус-В” и “Аист-2Д”. Характеристики данных КА приведены в таблице 1.
ОГ КА “Ресурс” использует солнечно-синхронные орбиты высотой около 470 км. Эти КА выводились на орбиту тремя запусками 25.06.2013 г., 26.12.2014 г., 13.03.2016 г. ракетой-носителем “Союз-2”. Причем “Ресурс-П” № 2 и “Ресурс-П” № 3 выведены в одну орбитальную плоскость. При этом трассы подспутниковых точек орбит КА “Ресурс-П” № 3 и “Ресурс-П” № 2 близки к полуденной области, а “Ресурс-П” № 1 смещена в область утра. Освещенную часть поверхности Земли КА проходят на нисходящей части витка.
Орбита КА “Аист-2Д” также солнечно-синхронная, трасса подспутниковой точки близка к полуденной области, освещенной Солнцем части поверхности Земли, которую КА проходит на восходящей части витка.
Орбита “Канопус-В” также солнечно-синхронная, и трасса подспутниковой точки проходит вблизи полуденной области. Освещенную часть поверхности КА проходит на восходящей части витка.
Из данных, приведенных в таблице 1, следует, что при сопоставимой высоте полета перечисленных в ней КА РН “Союз-2” в состоянии вывести на солнечно-синхронную орбиту высотой 510 км массу, по крайней мере, не меньше, чем масса 4 таких КА, как “Канопус” или “Аист”. В данном случае ограничивающим фактором является объем пространства под обтекателем РН для размещения нескольких легких КА. Таким образом, при групповом выводе КА на орбиту достигаемый экономический эффект будет улучшаться прямо пропорционально количеству КА, выводимому на орбиту за один пуск. Этим объясняется мировая тенденция, направленная на уменьшение массы КА и использованию малых КА (до 500 кг) [8, 9, 10].
Так, в [11] указывается, что созданный в АО “Корпорация ВНИ-ИЭМ” научно-технический задел позволяет создать ОГ из шести КА “Канопус В”, и приводится возможная конфигурация орбитальной группировки, включающей две орбитальные плоскости, содержащие три КА, образующие сонаправленный поток подспутниковых точек. Однако такая конфигурация не единственная. Можно рассмотреть топологию, предусматривающую и создание двух встречно движущихся потоков подспутниквых точек, как, например, в ОГ КА Flock. Интересно сравнить указанные две топологии ОГ с точки зрения обеспечиваемой ими периодичности наблюдения поверхности Земли.
Принимая во внимание приведенный в [11] вариант построения ОГ и отталкиваясь от доступных опубликованных в каталоге space-track.org параметров TLE для орбиты объекта c номером 38707 KA-NOPUS-V1, можно синтезировать два гипотетических варианта ОГ для проведения имитационного моделирования и последующего сравнения полученных характеристик.
Первый вариант построения ОГ будет предусматривать использование двух орбитальных плоскостей, разнесенных по долготе восходящего узла на 23,7 град., а второй на 174 град. В обоих вариантах используется фазирование орбитальных плоскостей в шахматном порядке. Результаты расчета периодичности наблюдения КА с углом обзора 90 град. приведены на рис. 6.
Моделирование выполнялось с помощью программного комплекса [12].
На рис.6 показаны две кривые, вычисленные для соответствующих вариантов построения ОГ, описывающих зависимость максимального времени между двумя последовательными появлениями космических аппаратов над точками поверхности Земли, располагающимися на различных широтах. При этом предполагалось, что анализируемые точки на поверхности Земли попадают внутрь зон обзора КА 90 град.
Из рис. 6 следует, что второй вариант построения ОГ с точки зрения периодичности обзора поверхности Земли заметно превосходит первый вариант построения ОГ. Однако окончательный выбор построения ОГ в пользу того или иного варианта должен делаться на основе дополнительного анализа, учитывающего и другие показатели, характеризующие качество работы системы в целом.
Таким образом, очевидно, что повышение периодичности наблюдения космическими системами дистанционного зондирования Земли осуществляется за счет создания именно многоспутниковых систем. При этом прослеживаются следующие тенденции:
Однако в любом случае оперативность обзора поверхности земли КА многоспутниковой системы существенно зависит от топологии построения орбитальной группировки.
Литература
Опубликовано: Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание"-2017
Посещений: 6150
Автор
| |||
Автор
| |||
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
