Прикладные аспекты оптимизации орбитальных структур спутниковых систем за счет уточнения параметров орбитального движения

Аннотация

Рассмотрены вопросы оптимизации баллистической структуры спутниковой системы дистанционного зондирования Земли. Подходы к баллистическому проектированию спутниковой системы, ранее разработанные специалистами различных научных школ, были ориентированы на поддержание структурной устойчивости системы за счет развертывания группировок с одинаковой геометрией и с одинаковыми наклонениями, что обеспечивало одинаковые вековые уходы элементов всех орбит. Вместе с тем существует целый комплекс задач, при котором необходимо сформировать спутниковую систему на орбитах разных высот. Для решения задачи обеспечения требуемого уровня устойчивости нового кластера орбитальных структур предлагается подход, включающий эвристическое формирование множества целевых разновысотных орбит; определение некоторой базовой околокруговой орбиты; направленный перебор возможных итерационных вариантов квазисинхронных орбит; согласование состава вектора характеристик условий движения и окончательный расчет приемлемого варианта, который гарантирует заданную точность цикла замыкания трассы.

Апробация предлагаемого подхода проведена на примере определения параметров орбит, обеспечивающих равенство эффективных суток в заданном диапазоне высот. Приводится методика выбора степени учета различных физических факторов космической среды, которая позволяет достигнуть одинаковых отклонений прогнозной траектории от эталонной. Характеристики математической модели движения квазисинхронной орбиты, используемые при прогнозировании, рассчитываются из условия обеспечения устойчивости на заданном временном интервале. Для получения соответствующих оценок используются поправки к параметрам орбиты, приведенные из гринвичской системы координат.

Описывается детальный алгоритм, позволяющий однозначно определить характеристики устойчивой структуры, при реализации которого осуществляется переход от решения нормальной системы уравнений к решению двух треугольных систем.

Анализ предметной области показал, что предложенный подход является новым, а решаемая научная задача относится к классу обратных задач космической кибернетики.

Abstract

The paper deals with issues related to optimizing the ballistic structure of a satellite system for remote sensing of the Earth. Approaches to the ballistic design of the satellite system, previously developed by specialists from various scientific schools, were focused on maintaining the structural stability of the system by deploying groupings with the same geometry and with the same inclinations, which ensured the same age-old departures of elements from all the orbits. At the same time, there is a whole range of tasks that require the formation of a satellite system in different orbits. To achieve the required level of stability of a new cluster of orbital structures we provide an approach, including: heuristic formation of many target different height orbits; identifying some basic near-circular orbit; selection of possible variants of iterative quasi-synchronous orbits; coordination of the composition of the vector of characteristics of traffic conditions and final calculation of an acceptable option that provides the specified accuracy of the route closure cycle.

Testing of the proposed approach is carried out on the example of determining the parameters of orbits that ensures equality of effective days in a given range of heights. The method of selecting the degree of consideration of various physical factors of the space environment, which ensures the achievement of identical deviations of the forecast trajectory from the reference one, is presented. The characteristics of the mathematical model of quasi-synchronous orbit motion used in forecasting are calculated from the condition of stability at a given time interval. To get the appropriate estimates, we use corrections to the orbit parameters given from the Greenwich coordinate system.

A detailed algorithm is described that provides the possibility of unambiguously determining the characteristics of a stable structure, in the implementation of which the transition from the solution of a normal system of equations to the solution of two triangular systems is performed.

The analysis of the subject area has shown that the proposed approach is new, and the solved scientific problem belongs to the class of inverse problems of space cybernetics.