О формировании распределенной апертуры с использованием малых космических аппаратов

Язык труда и переводы:
УДК:
629.78
Дата публикации:
21 января 2022, 23:44
Категория:
Секция 02. Летательные аппараты. Проектирование и конструкция
Авторы
Кислицкий Михаил Иванович
БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова
Аннотация:
Рассмотрено создание на орбитах формаций из множества малых космических аппаратов, с целью получения эффекта распределенной апертуры для решения широкого спектра задач в космосе. Эта формация должна иметь определенную форму и размеры и быть устойчивой. Представлено два основных возможных варианта создания формации на основе баллистически связанных групп малых космических аппаратов, в которых конфигурация формации остается постоянной или изменяется по известному закону. Сделан вывод, что они пригодны для реализации распределенной апертуры.
Ключевые слова:
малый космический аппарат, формация, распределенная апертура, баллистически связанная группа
Основной текст труда

 

Требования к космическим средствам (КСр) постоянно повышаются. Для КСр дистанционного зондирования Земли в целях повышения чувствительности и разрешающей способности требуется создавать все более крупногабаритные телескопы. Для КСр связи также требуются все более крупногабаритные антенны. Известно, что крупногабаритные телескопы и антенны возможно заменить на конфигурации из множества приемников (приемопередатчиков), если при этом суммировать и определенным образом обрабатывать полученные ими сигналы. В результате формируется так называемая распределенная апертура. Это дает возможность значительно снизить массу и стоимость устройства в целом по сравнению с вариантом создания одной большой антенны или телескопа, обладающих аналогичными выходными параметрами. Данная технология широко применяется в наземных устройствах, в частности, радиотелескопах. Целесообразно применить технологию распределенной апертуры (РА) в космосе, где особенно важна минимизация массы и стоимости технических средств.

Постановщики целевых задач считают данное направление перспективным, однако в настоящее время не готовы четко сформулировать конкретные требования к необходимой для РА конфигурации. Тем не менее, известно, что для решения любого типа задач, требующих РА, необходимо сформировать на орбите плоскую поверхность («решетку») из приемников — малых космических аппаратов (МКА). Нормаль к этой плоскости в случае решения задач, связанных с земной поверхностью, должна быть направлена в местный надир. Если же решаются задачи наблюдения источников электромагнитного излучения, находящихся в космическом пространстве, то нормаль направляется в зенит. Для решения целевых задач нужно, чтобы данная формация была стабильной или хотя бы изменялась в приемлемых пределах по хорошо известному закону. В научно-технической литературе иногда предлагается решать задачу создания РА путем использования множества неуправляемых МКА (стохастический рой). Это делает формацию нестабильной и труднопредсказуемой. Но самое главное то, что для этого потребовалось бы очень большое (возможно неприемлемо большое) количество МКА в орбитальной группировке, поскольку нужно будет обеспечить, чтобы в каждый момент времени поблизости друг от друга находилось требуемое количество МКА, которые при этом движутся случайным образом.

Более перспективным представляется вариант, при котором МКА имеют на борту средства управления параметрами орбиты. В этом случае открывается возможность поддержания определенного взаимного положения МКА. Множество МКА, обладающее этим свойством, будем называть баллистически связанной группой (БСГ). В научно-технической литературе есть ряд работ, рассматривающих управление формациями МКА, например, [1–3]. По нашему мнению, для формирования РА целесообразны два основных варианта построения БСГ.

Вариант 1 — «многоугольник». В качестве минимально возможной БСГ рассматривается группа из семи МКА, способных управлять параметрами своей орбиты. Из них один — центральный (ЦМКА). Остальные разнесены относительно него, образуя шестиугольник, в центре которого находится ЦМКА. Поскольку МКА движутся по геоцентрическим орбитам (для простоты примем их круговыми), постоянное расстояние между МКА можно обеспечить лишь вдоль орбиты (ЦМКА-МКА1, ЦМКА-МКА2). Итак, продольную базу измерений можно обеспечить постоянной. Для решения большинства целевых задач необходимо иметь базу измерений также и в поперечном направлении (перпендикулярно плоскости орбиты). Плоскость орбиты любого КА проходит через центр Земли. Поэтому обеспечить постоянным расстояние между МКА в направлении, перпендикулярном плоскости орбиты, невозможно. Чтобы обеспечить поперечную базу измерений предлагается развести одну пару МКА (МКА3 и МКА4) по наклонению вправо и влево от плоскости орбиты на равные углы, а вторую пару (МКА5 и МКА6) аналогично развести по долготе восходящего узла. Тогда расстояние между МКА3 и МКА4 будет равно нулю на экваторе и достигать максимума на широте, равной наклонению орбиты. Расстояние между МКА5 и МКА6, наоборот, будет равно нулю на широте, равной наклонению орбиты и достигать максимума на экваторе. Общая поперечная база измерений, обеспечиваемая данной группой МКА, будет переменной. Она будет пульсировать, изменяясь по линейному закону в пределах 50–100% от максимального значения, с двойной орбитальной частотой. Такая конфигурация может представлять практический интерес для решения задач синтезирования апертуры.

Данная конфигурация является минимально возможной.  Можно увеличить число МКА и разнести по орбите точки их разведения. При этом углы разведения тоже могут быть разными. Тогда количество МКА в группе увеличивается и может быть получен более гладкий закон изменения поперечной базы с увеличением ее минимального значения.  Это будет выглядеть как вложенные друг в друга многоугольники вокруг центрального МКА.

Вариант 2 — проекционная круговая орбита («хоровод»). В этом варианте также имеется ЦМКА, вокруг которого строится БСГ. Остальные МКА выводятся на круговые орбиты, относительно близкие к орбите ЦМКА, причем параметры орбит МКА подбираются такими, что в проекции на поверхность Земли, они как бы вращаются вокруг ЦМКА по круговым орбитам. Такое построение БСГ рассмотрено в [4] применительно к паре МКА. Предлагается обобщить решение, представленное в [4], на случай многих МКА. Минимальный состав такого БСГ — один ЦМКА в центре, а вокруг него вращаются по проекционной орбите не менее четырех МКА. Наращивание структуры РА производится путем увеличения количества концентрических проекционных орбит («хоровод») с размещенными на них МКА.

Таким образом, в обоих вариантах формируется РА, образуемая элементарными приемниками (приемопередатчиками) — МКА. Они движутся известным образом относительно ЦМКА, а в варианте 2 — также и на постоянном расстоянии от ЦМКА. Это облегчает обработку данных и формирование синтезированной апертуры. Представляется, что оба варианта обеспечивают решение задачи.

Грант
Исследование поддержано грантом Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
Литература
  1. Godard, Kumar K.D. Fault Tolerant Reconfigurable Satellite Formations Using Adaptive Variable Structure Techniques // Journal of Guidance, Control and Dynamics. 2010. Vol. 33, no. 3. Pp. 969–984. DOI: 10.2514/1.38580
  2. Prasenjit S., Srinivas R.V., Kyle T.A. Fault Tolerant Reconfigurable Satellite Formations Using Adaptive Variable Structure Techniques // The Journal of the Astronautical Sciences. 2004. Vol. 52, no. 1 and 2. Pp. 149–168.
  3. Sesha S.V., Srinivas R.V., Kyle T.A. Formation Flying: Accommodating Nonlinearity and Eccentricity Perturbations // Journal of Guidance, Control and Dynamics. 2003. Vol. 26, no. 2. Pp. 214–223. DOI: 10.2514/2.5054
  4. Eyer J. A dynamics and control algorithm for low Earth orbit precision formation flying satellites. Graduate Department of Aerospace Science and Engineering. University of Toronto, 2009. 215 p.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.