Формации спутников
13.06.2012 Тема: Формация спутников
Два аппарата, зондирующие один элемент поверхности Земли под разными углами (astrium.eads.net)
Появление малых спутников привело к возникновению нового взгляда на способы формирования конфигураций космических систем, схемы выполнения экспериментов, способы решения новых фундаментальных и прикладных задач в космосе. В частности, стало возможным формирование группы спутников, движущихся по орбите на небольшом удалении друг от друга и решающих единую задачу. Принципиальной особенностью группового полета является автономная навигация отдельного аппарата в составе группы и управление их взаимным относительным положением в группе. Это могут быть статические и меняющиеся во времени конфигурации. Способность к определению взаимного положения аппаратов и управлению взаимным положением порождает возможность перестроения конфигурации системы, маневрирования, сближения и даже стыковки спутников. Достоинствами группового полета (формации – от Formation Flying) является способность одновременного проведения наблюдений, измерений, других экспериментов в различных точках пространства при заданном и контролируемом взаимном положении спутников, на которых установлена необходимая для решения таких задач полезная нагрузка. Другое преимущество, которое обеспечивает формация над отдельным спутником, заключается в том, что выход из строя одного или даже части группы спутников не приводит к потере работоспособности всего ансамбля.
Для обеспечения групповых полетов спутников дополнительно к требованиям по информационному обеспечению, предъявляемым для одиночных миссий, налагаются требования по информационному обеспечению управлением относительным движением аппаратов в группе. Эти требования налагаются на все три основные виды информационного обеспечения: баллистико-навигационное, командно-программное и информационно-телеметрическое. Рассмотрим различные принципы построения группировок из малых спутников с точки зрения информационного обеспечения, а также рассмотрим примеры различных целей управления движением формаций и их возможных конфигураций.
Как уже было сказано выше, важным свойством формации, недоступным одиночному спутнику, является возможность одновременного измерения характеристик среды в различных, но близких точках пространства. Это свойство важно для метеорологии, задач изучения атмосферы, магнитосферы Земли и т.д. Однако для того, чтобы обработать полученные одновременные измерения и, скажем, составить пространственную карту, необходимо знать взаимное расстояние между спутниками и постоянно поддерживать его. Таким образом, возникает задача управления пространственным взаимным положением отдельных спутников формации.
Формация на столе: макеты аппаратов на воздушной подвеске (mit.edu)
Примером использования формации для изучения гравитационного поля Земли является выведенная на орбиту в марте 2002 года формация GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment). Формация состоит из двух спутников, масса каждого около 430 кг, находящихся на одной околополярной орбите высотой 485 км и наклонением 89○. В середине миссии спутники, двигающиеся по схеме «лидер-ведомый», сблизились, поменялись местами, и снова разошлись на прежнее расстояние. С помощью полученных данных ученые планируют показать, что изменение гравитационного поля Земли эффективно отображает изменения в климате планеты.
Также возможность одновременного выполнения измерений из разных точек пространства позволяет проводить астрономические наблюдения или наблюдения объектов на поверхности Земли с высоким разрешением, используя систему спутников, как телескопную систему с разнесенной апертурой. Базой интерферометра в данном случае будет относительное расстояние между спутниками. Опять возникает задача измерения и поддержания относительного расстояния между спутниками. Для обработки получаемых снимков также необходимо знать и их взаимную ориентацию, а в общем случае, когда нужно повернуть камеру для съёмки определённой точки, нужно уметь управлять взаимной ориентацией спутников.
Примером системы для составления топографической карты поверхности Земли с большой точностью служит формация TanDEM-X, разработанная DLR. TanDEM-X состоит из двух спутников, образующих большой интерферометр, способный проводить картографирование Земли с точностью до двух метров. Запуск миссии состоялся в 2010 году.
Идея космического телескпа с распределенной апертурой на основе формации (jpl.nasa.gov)
Как уже было сказано выше, по сравнению с одиночными миссиями в формации появляется необходимость обеспечения заданного взаимного положения аппаратов и это не может быть решено в рамках подходов, реализуемых для одиночных миссий, в которых управление осуществляется либо в автономном режиме, либо по командам с Земли. Приходится решать задачу навигационного обеспечения относительного движения в формации по автономным измерениям относительной скорости и/или относительного расстояния между спутниками. Причем, в группе спутников обычно отдельно выделяется головной аппарат, который, выполняя управляющие функции, подает команды остальным членам группы. Так в формациях реализуется принцип распределённой информационной системы. Примером миссии, где была использована такая схема управления, можно рассматривать формацию ST5 (Space Technology – 5), состоящую из трех автономных спутников. Формация была разработана для тестирования технологий в интересах будущей миссии NASA Magnetospheric Constellation Mission.
Понятно, что различные миссии требуют различные типы формаций в зависимости от поставленных задач. Например, для случая, когда необходимо иметь много снимков одной области на поверхности Земли, подходит формация «same ground-track». В этом случае одна и та же область поверхности Земли наблюдается сначала одним спутником, затем через определённое время другим с одной и той же точки орбиты над поверхностью Земли. Это важно, например, в случае необходимости обнаружения движущегося объекта. Круговая формация подходит для создания большой распределённой антенны. Для задач стереографической съёмки, когда важно иметь несколько одновременных снимков одного и того же объекта с разных точек подходит формация «Лидер – Ведомый». В этом случае спутники движутся друг за другом по одной и той же орбите, но с разными эпохами. Однако возможна и такая формация, при которой расстояние между спутниками остаются неизменными. В качестве примера приведём конфигурацию миссии LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Орбиты каждого спутника выбираются так, чтобы минимизировать изменение расстояний между аппаратами при движении вокруг Солнца.
Космос-журнал благодарит автора статьи Д.С. Иванова и ИПМ им. М.В. Келдыша РАН за предоставленный материал.
Космос-Журнал
