Анализ стратегий управления движением при коллокации геостационарных спутников в окрестности точки стояния +95 градусов

Язык труда и переводы:
УДК:
629.78
Дата публикации:
06 января 2022, 04:02
Категория:
Секция 05. Прикладная небесная механика и управление движением
Авторы
Иванов Сергей Геннадьевич
АО НТПП "Комплексное развитие технологий»
Баранов Андрей Анатольевич
Институт прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН
Чернов Никита Владимирович
АО «Астрономический научный центр»
Аннотация:
Рассмотрены особенности коллокации геостационарных космических аппаратов, находящихся в окрестности точки 95° восточной долготы. Поводом для выполнения работы стал факт опасного сближения в 2014 г. российского аппарата «Луч-5В» со спутниками NSS-6 (Нидерланды) и SES-8 (Люксембург). В результате моделирования были рассчитаны траектории этих объектов на полугодовом интервале. Их анализ показал принципиальные различия в стратегии поддержания орбитальной позиции исследуемых спутников. На основании результатов измерений можно сделать вывод о том, что в условиях складывавшейся опасной оперативной обстановки операторы не имели возможности согласовать между собой принципы управления относительным движением. С целью обеспечения безопасного использования совместной рабочей области вблизи точки стояния была предложена схема расчета маневров уклонения.
Ключевые слова:
космический аппарат, маневрирование, коллокация, опасные сближения, геостационарная орбита, численный прогноз
Основной текст труда

В настоящее время распределение функционирующих космических аппаратов (КА) вдоль геостационарной орбиты (ГСО) является неравномерным [1], что означает близкое, т. е. в пределах доли градуса, расположение точек стояния по отношению друг к другу. Эта ситуация осложняется разными стратегиями поддержания орбитальной позиции и тенденцией к появлению спутниковых групп. В результате рабочие области разных КА могут пересекаться или совпадать. Таким образом, выявление факта опасных сближений объектов и разработка схем уклонения от столкновений являются актуальными задачами, особенно с учетом ограниченного ресурса ГСО [2].

КА «Луч-5В», удерживаемый в диапазоне долготы 95 ± 0,2º, совершал суточно-периодические колебания, напоминавшие петлю. Орбита аппарата имела достаточно высокое для ГСО наклонение. В «наивысшей» точке он отдалялся от плоскости экватора на расстояние около 3000 км. Управление аппаратом происходило по предельной фазовой траектории путем варьирования значения большой полуоси орбиты [3]. Периодичность исполнения маневров хорошо соответствовала классической для ГСО схеме поддержания, параметры которой могут быть оценены аналитически. На фоне суточных колебаний КА относительно точки стояния был заметен общий периодический тренд. Идентификация маневров коррекции основывалась на скачкообразном изменении эксцентриситета орбиты одновременно с изменением ее большой полуоси. Однако эти маневры не изменяли характер общего эволюционного движения, поэтому был сделан вывод о том, что вектор эксцентриситета, как и остальные элементы орбиты, не являлся параметром управления. Следовательно, КА «Луч-5В» управлялся по предельной фазовой кривой [4], в процессе управления которой корректируют скорость дрейфа КА вдоль ГСО в сторону номинальной точки стояния. Для такой стратегии управления существуют методики расчёта величин импульсов скорости и времени их исполнения [5].

Рабочие области КА SES-8 и NSS-6 полностью совпадали, аппараты удерживались в диапазоне 95 ± 0,04º, наклонение их орбит было близким к нулю. В качестве главного параметра управления выступал вектор эксцентриситета орбиты. Это заметно при отображении совместного движения этих КА в координатах (ex, ey). У данного метода есть множество вариаций, имеющих общее принципиальное сходство: корректируя эволюционное изменение векторов эксцентриситета можно обеспечить гарантированное минимальное расстояние между объектами [6]. Метод позволяет эффективно обеспечивать безопасное относительное движение в ограниченной области пространства, однако требует постоянной координации действий операторов КА.

По итогам анализа существующих схем безопасной коллокации были разработаны критерии выбора стратегии поддержания для выведения нового космического аппарата на ГСО:

  • наличие особенностей состояния орбитальной группировки в номинальной точке стояния;
  • наличие понятных схем поддержания «смежных» аппаратов и информации о параметрах их орбит, что позволит точнее прогнозировать движение и планировать управление КА, не создавая опасных сближений;
  • наличие координации между центрами управления различными спутниками вблизи одной точки стояния.

При полном отсутствии информации о схемах поддержания орбиты «смежных» спутников наиболее безопасной представляется стратегия своевременного прогнозирования опасных сближений и уклонения от них. Поэтому для космического аппарата, имеющего общую рабочую область с другими независимо управляемыми спутниками, была предложена схема расчета маневров уклонения. В ее основе лежит разведение объектов вдоль орбиты за счет исполнения трансверсального импульса скорости за несколько витков до предполагаемого момента столкновения. Альтернативой является маневр, исполняемый за полвитка или за полтора витка до момента столкновения и обеспечивающий уклонение по высоте. Во втором варианте могут применяться и радиальные импульсы скорости, которые вследствие своей малости не изменяют период орбиты, однако менее эффективны с энергетической точки зрения [7].

Литература
  1. Каталог космических объектов Celestrack. URL: https://celestrak.com/ (дата обращения 24.11.2021).
  2. Степанов А., Акимов А., Гриценко А., Чазов В. Особенности построения и эксплуатации орбитальных группировок систем спутниковой связи // Спутниковая связь и вещание. 2016. URL: http://lib.tssonline.ru/articles2/sputnik/osobennosti-postroeniya-i-ekspluatatsii-orbitalnyh-gruppirovok-sistem-sputnikovoy-svyazi (дата обращения 24.11.2021)
  3. Бордовицына Т.В., Авдюшев В.А., Теория движения искусственных спутников Земли. Аналитические и численные методы. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2007. 178 c.
  4. Чернявский Г. М., Бартенев В. А., Малышев В. А. Управление орбитой стационарного спутника. М.: Машиностроение, 1984. 144 с.
  5. Chao-Chun "George" Chao. Applied orbit perturbation and maintenance. Aerospace Press, 2005. 264 с.
  6. Hengnoan Li. Geostationary Satellites Collocation. National Defense Industry Press, Beijing and Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2014.
  7. Мельников Е.К. Строительство Международной космической станции. Королёв: ЦНИИмаш, 2009. 161 с.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.