Стохастическая модель оценки периодичности наблюдения многоспутниковой орбитальной группировки

Авторы

Занин К. А.^*, Дмитриев В. И.^**

Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина, ул. Ленинградская, 24, Химки, Московская область, 141400, Россия

*e-mail: ZaninKA@laspace.ru
**e-mail: DmitrievVI@laspace.ru

Аннотация

В статье рассматривается стохастическая численно-аналитическая методика оценки средней периодичности наблюдения многоспутниковой орбитальной группировки. Отмечается, что орбитальное построение современных группировок наблюдения отличается от традиционного. Для улучшения периодичности наблюдения заданных районов космические аппараты располагаются на наклонных, а не солнечно-синхронных орбитах как ранее. Известные аналитические методы оценки параметров орбитальных группировок основаны на аналитических оценках повторяемости трассы при условии изомаршрутности. Для группировок на разнотипных орбитах обычно применяется численное статистическое моделирование. Одним из направлений, позволяющих получить аналитические оценки, является разработка стохастических методик. Численность современных орбитальных группировок наблюдения достигает десятков и сотен космических аппаратов, что позволяет применять для их моделирования методы теории вероятности. Аналитические оценки по сравнению с численными позволяют установить качественную взаимосвязь между параметрами орбитального построения, количеством аппаратов и периодичностью наблюдения. Разработанная методика основана на аналитических зависимостях частоты попадания в полосу захвата и плотности вероятности распределения космических аппаратов от широты, долготы и наклонения орбиты. Получена оценка плотности распределения вероятности наблюдения в зависимости от наклонения, высоты орбиты, полосы захвата и количества космических аппаратов. Показано, что применение орбит с различным наклонением позволяет улучшить периодичность наблюдения в заданном широтном поясе. Методика позволяет найти наилучшее распределение орбитальных плоскостей по наклонениям и количеству космических аппаратов для организации наблюдения с высокой периодичностью в заданном регионе. Приводится пример оценки периодичности наблюдения для группировки типа World View Legion. Показана сходимость оценок с результатами численного статистического моделирования.

Ключевые слова:

стохастическая модель; космическая система оптико-электронного наблюдения; многоспутниковая орбитальная группировка; плотность вероятности; количество космических аппаратов; орбитальное построение; наклонение плоскости орбиты; показатели эффективности; периодичность наблюдения; широтный пояс

Список источников

1. Walker, J.G., Satellite Constellations, Journal of the British Interplanetary Society, Vol. 37, 1984, pp. 559-571.
2. Можаев Г.В., Синтез орбитальных структур спутниковых систем, Москва: Машиностроение, 1989, 304 с.
3. Можаев Г.В., Возможности кинематически правильных спутниковых систем с группами симметрии первого типа в задачe непрерывного однократного обзора Земли, Космические исследования, 2005, т. 43, № 3, с. 215–223.
4. Разумный Ю.Н., Route theory for optimal design of satellite constellations to minimize revisit time in low earth orbits, International Astronautical Federation, 2005.
5. Разумный Ю.Н. Козлов П.Г., Мошнин А.А., Разумный В.Ю. Способ наблюдения поверхности планеты из космоса и космическая спутниковая система для осуществления этого способа//Патент RU2535375C1, опубликовано: 10.12.2014 Бюл. № 34.
6. Саульский В.К. Рациональные орбиты для многополосного обзора Земли из космоса// Вопросы электромеханики.  Т. 145. 2015.
7. Свиридов А.С.  Принцип выбора высоты орбиты группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли на изомаршрутных солнечно-синхронных орбитах// Вестник МАИ, Т.17, №6, 2010.
8. Чернов А.А., Чернявский Г.М. Орбиты спутников дистанционного зондирования Земли. М.: Радио и связь, 2004, 200 с. 
9. Design of Mega-Constellations for Global Uniform Coverage with Inter-Satellite Links. URL: https://www.mdpi.com/journal/aerospace.
10. Optimization of Reconfigurable Satellite Constellations Using Simulated Annealing and Genetic Algorithm. URL: https://www.mdpi.com/journal/sensors.
11. Малышев В.В. Системное проектирование и управление космическими комплексами. // Системный анализ и управление космическими комплексами. 4-я Международная конференция, Евпатория, 1999: Сборник трудов. – М.: МАИ, 1999. - с.3.
12. Малышев В.В., Карп К.А., Дарнопых В.В. Алгоритм формирования оптимальных съемочных планов системы космических аппаратов. // Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации. VII Международный научно-технический семинар, Алушта, 1998: Труды. – М.: МАИ, 1998. - с.85-86.
13. Малышев В.В., Дарнопых В.В. Об общем методическом подходе к планированию целевых операций в низкоорбитальных космических системах связи и наблюдения. // Системный анализ и управление космическими комплексами. 4-я Международная конференция, Евпатория, 1999: Сборник трудов. – М.: МАИ, 1999. - с.23-24.
14. Elevation Angle Characterization for LEO Satellites: First and Second Order Statistics. URL: https://www.mdpi.com/journal/applsci.
15. Stochastic Analysis of Satellite Broadband by Mega-Constellations with Inclined LEOs. URL: https://arxiv.org/abs/2010.00871v1. 
16. S. Biktimirov, F. Alnaqbi, Remote sensing satellite constellation design based on repeat ground track orbits properties// Analytical Methods of Celestial Mechanics 2024, pp. 18–23, 2024.
17. Xin Luo, Maocai Wang, Guangming Dai, Xiaoyu Chen A Novel Technique to Compute the Revisit Time of Satellites and Its Application in Remote Sensing Satellite Optimization Design// International Journal of Aerospace Engineering Volume 2017, Article ID 6469439, pp.1-9.
18. X. Luo, M. Wang, G. Dai, and Z. Song, Constellation design for earth observation based on the characteristics of the satellite ground track,” Advances in Space Research, vol. 59, pp. 1740–1750, 2017.
19. Занин К.А., Клименко Н.Н. Применение космических аппаратов двойного назначения для решения военных задач. Часть 1. Космические аппараты оптико-электронного наблюдения нового поколения компаний Planet и Blacksky // Вестник НПО Лавочкина, №4/62, 2023, с.20-28.
20. Занин К.А., Клименко Н.Н. Применение космических аппаратов двойного назначения для решения военных задач. Часть 2. Космические аппараты оптико-электронного наблюдения нового поколения компаний MAXAR //Вестник НПО Лавочкина, №4/62, 2023, С.3-16.

Скачать статью