Способ приведения на заданную орбитальную позицию и перевода на новую орбитальную позицию геостационарного космического аппарата

Изобретение относится к управлению, преимущественно информационными спутниковыми системами. Способ, обеспечивающий приведение геостационарного космического аппарата (ГКА) в точку стояния и его перевод в новую орбитальную позицию, включает измерение текущих навигационных параметров ГКА, расчет параметров коррекции орбиты и работу двигателей системы коррекции. При этом на этапе дрейфа к заданной долготе решаются вопросы коллокации выбором ее оптимальной схемы и реализации в режиме удаления ГКА от находящихся в области удержания (ОУ) сторонних ГКА. Этим исключается возможность опасного сближения ГКА со сторонними ГКА по окончании этапа его приведения (перевода) в требуемую орбитальную позицию и до начала штатного функционирования ГКА в ОУ. Технический результат состоит в создании и консервации в рамках маневров приведения (перевода) ГКА условий коллокации при удержании ГКА в рабочей ОУ по долготе и широте.

 

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано для приведения геостационарного космического аппарата (КА) на заданную орбитальную позицию (точку стояния) и перевода КА на новую орбитальную позицию. Решение таких технических задач является работой, отвечающей техническим требованиям к КА.

Технической проблемой при эксплуатации КА на геостационарной орбите (ГСО) является обеспечение нахождения этого КА состоянии коллокации со смежными (сторонними) КА (СКА) сразу после приведения или перевода КА в рабочую область удержания (ОУ) центра масс КА по долготе и широте. Под ГСО будем понимать околостационарную орбиту, с эксцентриситетом не более 0,0005.

Известен способ приведения геосинхронного КА к рабочей долготе двигателями малой тяги (RU 2731831 C1, МПК B64G1/24, B64G1/10). «Суть изобретения в том, что приведение выполняют через выбираемые и достигаемые с ошибками измерений орбиты и исполнения коррекций (знания тяги двигателей) промежуточные расчетные долготу и период, после которых окончание приведения обеспечено с достаточно малыми отклонениями от целевой рабочей долготы и от номинального периода».

Из уровня техники ([1] «Космический мусор», кн. 2. «Предупреждение образования космического мусора», под редакцией Г.Г. Райкунова, М.: ФИЗМАТЛИТ, 2014 г., стр. 50-52) известен набор операций по осуществлению приведения (перевода), взятый за прототип:

1. Измерение текущих навигационных параметров (ИТНП) и определение параметров орбиты КА.

2. Расчет коррекций, которым уточняют план приведения (перевода).

3. Проведение коррекций периода обращения для придания КА заданной скорости движения по долготе. 

4. ИТНП для уточнения достигнутой скорости долготного пассивного перемещения.

5. Уточнение плана торможения КА на заданной долготе.

6. Коррекции периода обращения с целью торможения в окрестности заданной долготы.

7. ИТНП и определение параметров орбиты КА.

8. Уточнение тяги двигателей системы коррекции.

9. Последнее включение двигателя для точной постановки КА.

Естественным пересказом и добавлением к вышеприведенному является следующий набор операций по приведению (переводу), включающий сопутствующие коррекции по минимизации наклонения и эксцентриситета орбиты:

1. ИТНП и определение параметров орбиты КА. 

2. Уточнение ускорений от работы двигателей системы коррекции.

3. Расчет (уточнение) плана:

- приведения (перевода) по гринвичской долготе с учетом коррекций разгона и торможения и сопутствующих коррекций по устранению ошибок выведения по наклонению и эксцентриситету, если нет этапа довыведения КА на ГСО и в требуемое положение;

- довыведения по эксцентриситету и приведения по наклонению, гринвичской долготе и периоду обращения, если имеется этап довыведения КА на ГСО и в требуемое положение.

4. Расчет целеуказаний для антенн с учетом коррекций и выдача их на наземные пункты.

5. Реализация плана коррекций включением двигателей системы коррекции.

Далее пункты 1 – 5 повторяются, пока довыведение и ошибки выведения не будут сведены к минимуму. Если имеется довыведение, то приведение – заключительный этап довыведения.

6. ИТНП (п. 1)

7. Уточнение ускорений от работы двигателей системы коррекции (п. 2).

8. Расчет последнего включения двигателя системы коррекции.

9. Расчет целеуказаний для антенн с учетом коррекций и выдача их на наземные пункты (п. 4).

15. Последнее включение двигателя для точной постановки КА в ОУ по долготе и широте.

16. ИТНП.

 На этапе довыведения возможно рассчитываются и выдаются данные для системы ориентации и стабилизации, определяющие положение солнечных панелей в связанной с КА системе координат.

Пункты 2 – 6 повторяются до завершения процесса приведения (перевода).

Процесс приведения (перевода) считается завершенным при эксцентриситете не более 0,0003, периоде обращения (86164 ± 5) с, наклонении не более 0,05⁰ и средней на витке гринвичской долготе, близкой в рамках ОУ к гринвичской долготе стояния. Это означает, что вопросы приведения (перевода) КА на заданную орбитальную позицию и коллокации в рабочей ОУ в настоящее время решаются последовательно: сначала приведение (перевод), затем коллокация.

Во всех возможных аналогах и в прототипе под долготой и эксцентриситетом подразумевается соответственно среднее значение гринвичской долготы подспутниковой точки и эксцентриситета на витке.

Недостатками способа-аналога являются:

1. Невысокая точность.

«Ошибки приведения:

а) ΔТ = 12 с, ΔL = 0,05⁰ при тяге F = 0,2 H;

б) ΔТ = 8,2 с, ΔL = 0,08⁰ при тяге F = 0,1 H.

Такие ошибки достаточно малы и позволяют перейти к удержанию КА на целевой рабочей долготе L₀». Может и так. Только в настоящее время ОУ по долготе чаще составляет ±0,05⁰ относительно целевой рабочей долготы (позиции), независимо от того, геосинхронный или геостационарный КА на орбите приведения, поскольку прямо в ОУ по долготе наклонение орбиты КА никакого существенного значения не имеет.

2. Способ-аналог, как и любые другие аналоги (в этом может убедиться каждый), не ориентирован вообще на подготовку к коллокации: ни в процессе приведения (перевода), ни на каком другом подэтапе функционирования КА. К тому же, и все способы коллокации описывают процедуры начала коллокации и ее поддержания в ОУ, но обладают одним существенным недостатком: они не отвечают за безопасность начала коллокации с участием данного КА. А завершаемость таких процедур требует времени от нескольких суток, когда можно сразу приступать к коррекциям орбиты по обеспечению выбранного варианта (автономной) коллокации, до нескольких недель и более, когда необходимо согласование стратегии удержания (и коллокации) с центрами управления СКА. В настоящее время вопросы коллокации актуальны и обязательны к реализации. При разработке КА на ГСО необходимо включать в технические задания вопросы коллокации космических аппаратов.

Недостатком прототипа является предыдущий п. 2 из недостатков способа-аналога.

Технической проблемой изобретения является создание способа приведения и перевода геостационарного КА, гарантирующего коллокацию с СКА сразу после постановки КА в заданную ОУ. Указанная техническая проблема решается за счет того, что способ приведения и перевода геостационарного КА, включающий измерение текущих навигационных параметров, расчет параметров коррекции орбиты и работу двигателей системы коррекции, отличается тем, что: перед приведением (если имеется довыведение, то приведение – заключительный этап довыведения) и перед переводом или во время приведения (перевода), достаточное для осуществления данного способа, выявляют и идентифицируют сторонние КА (СКА) на заданной орбитальной позиции с требуемой областью удержания (ОУ) по долготе и широте; определяют стратегию маневрирования СКА внутри своих ОУ; выбирают из способов коллокации (согласованные схемы; автономные режимы) способ, подходящий наилучшим образом к обстановке в общей для всех КА ОУ; только во время приведения (перевода) на участках между главными коррекциями скорости дрейфа по долготе, проводят совмещенные согласующие коррекции по всему спектру контролируемых параметров (период обращения, долгота, вектор наклонения, вектор эксцентриситета орбиты) так, чтобы при заходе в рабочую ОУ по долготе и широте КА уже являлся участником коллокации на заданной орбитальной позиции.

Идея предлагаемого изобретения состоит в исключении возможности опасного сближения КА с СКА в промежутке между окончанием этапа приведения (перевода) и началом штатного функционирования КА в рабочей ОУ.

Изобретение направлено на технический результат – создание и консервацию в рамках приведения (перевода) условий коллокации при удержании КА в рабочей ОУ по долготе и широте.

Технический результат достигается за счет того, что коридор полета КА над (под) ГСО в процессе приведения (перевода) составляет не более ±315 км. Это обеспечивает скорость долготного дрейфа 4⁰/сут, что удовлетворяет всем требованиям к управлению КА в обеспечение баллистических задач приведения (перевода). И орбита захоронения геостационарных КА оказывается выше. Отклонение по радиусу в 315 км при удаленной подготовке к коллокации в узкой рабочей ОУ по широте и долготе не искажает исходные данные по реальной коллокации. В самом деле, вопросы коллокации – это вопросы разнесения векторов наклонения, эксцентриситета орбиты КА, а также КА по долготе, касающиеся всех участников «стояния» в ОУ, или, по крайней мере, одного из них. При приближении КА к заданной орбитальной позиции надо решить один из двух вопросов:

1.  Вопрос координации работ с другими центрами управления по совместной коллокации.

2. Вопрос автономной коллокации (самоколлокации).

Так или иначе, следует организовать приведение (перевод) векторов наклонения и эксцентриситета в должное состояние. Заниматься этим центру управления приводимого (переводимого) КА следует заранее, «на подлете». При такой постановке задачи не меняем достигнутых на приведении (переводе) значений параметров коллокации вплоть до прихода в рабочую ОУ по долготе и в начале этапа удержания КА на заданной орбитальной позиции.

Вектор эксцентриситета представляет собой {e_x, e_y}, где

(1)

, (2)

где Ω, ω – соответственно долгота восходящего узла и аргумент перигея орбиты.

Вектор наклонения представляет собой {i_x, i_y}, где

(3)

(4)

Полные дифференциалы функций:

; (5)

; (6)

(7)

(8)

Заменяя знаки дифференциала приращениями (Δ), а приращения представляя известными уравнениями влияний малого импульса скорости на элементы эллиптической орбиты ([2] В.А. Одинцов, В.М. Анучин, Маневрирование в космосе, М.: Воениздат, 1974 г., стр. 52), будем иметь:

(9)

(10)

(11)

(12)

где индекс «₁» относится к случаю, когда подготовку к коллокации проводят до постановки КА в ОУ по долготе и широте;

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

; (22)

ΔV_τ, ΔV_b – соответственно приращения тангенциальной и боковой скорости, м/с;

U – аргумент широты КА.

В уравнениях (9) – (12) содержимое в скобках – значения постоянные, представляющие положение орбиты в пространстве, ее форму, однажды выданные импульсы скорости по боку (dV_b) и вдоль орбиты (ΔV_τ) и положение активных участков орбиты. Единственной переменной становится орбитальная скорость (текущая большая полуось орбиты). Тогда уравнения (9) – (12) в относительной форме будут следующими:

, (23)

где индекс «₂» относится к случаю, если подготовку к коллокации проводить после постановки КА в ОУ по долготе и широте. Соотношение (23) представляет погрешность консервации исполненных операций по подготовке к коллокации в ОУ. Максимальное отклонение радиуса КА от радиуса номинальной ГСО составляет 315 км (может быть и больше, тогда платой за это будет являться риск столкновений с отработавшими КА), тогда отношение V₁/V₂ составит 1,0037, если ГСО выше, и 0,9963, если ГСО ниже начальной орбиты дрейфа КА к заданной орбитальной позиции. Это говорит о том, что предлагаемый способ приведения и перевода геостационарного КА обладает высоким качеством реализации на околостационарных орбитах.

Реализация предлагаемого способа предполагает выполнение следующей последовательности операций:

1. ИТНП и определение параметров орбиты КА. 

2. Уточнение ускорений от работы двигателей системы коррекции.

3. Расчет (уточнение) начального плана:

- приведения (перевода) по гринвичской долготе с учетом коррекций разгона и торможения и сопутствующих коррекций по устранению ошибок выведения по наклонению и эксцентриситету, если нет этапа довыведения КА на ГСО и в требуемое положение;

- довыведения (минимизации) по эксцентриситету и приведения (минимизации) по наклонению, гринвичской долготе и периоду обращения, если имеется этап довыведения КА на ГСО и в требуемое положение.

4. Расчет целеуказаний для антенн с учетом коррекций и выдача их на наземные пункты.

5. Реализация плана коррекций включением двигателей системы коррекции.

Далее пункты 1 – 5 повторяются, пока довыведение и ошибки выведения не будут сведены к минимуму. Если имеется довыведение, то приведение – заключительный этап довыведения.

6. ИТНП (п. 1).

7. Уточнение ускорений от работы двигателей системы коррекции (п. 2).

8. Расчет (уточнение) плана на завершающем подэтапе приведения (перевода) по гринвичской долготе с учетом коррекций разгона и торможения и коррекций коллокации по наклонению и эксцентриситету.

9. Расчет целеуказаний для антенн с учетом коррекций и выдача их на наземные пункты (п. 4).

10. Реализация плана коррекций включением двигателей системы коррекции (п.5).

Далее пункты 6 – 10 повторяются, пока не подойдет к концу приведение (перевод) по долготе.

11. ИТНП (п.п. 1, 6).

12. Уточнение ускорений от работы двигателей системы коррекции (п.п. 2, 7).

13. Расчет последних включений двигателей системы коррекции.

Последние два включения надо провести равными импульсами на диаметрально противоположных участках орбиты. Это позволит закончить процесс приведения (перевода) без изменения достигнутого расчетного значения вектора эксцентриситета, удовлетворяющего задаче коллокации в рабочей ОУ по долготе и широте.

14. Расчет целеуказаний для антенн с учетом коррекций и выдача их на наземные пункты (п.п. 4, 9).

15. Последние включения двигателей системы коррекции для точной постановки КА в рабочую ОУ по долготе и широте.

16. ИТНП.

Способ приведения на заданную орбитальную позицию и перевода на новую орбитальную позицию геостационарного космического аппарата (КА), включающий измерение текущих навигационных параметров, расчет параметров коррекции орбиты и работу двигателей системы коррекции, отличающийся тем, что перед указанным приведением КА или, в случае довыведения КА, перед заключительным этапом этого довыведения, а также перед указанным переводом, либо, при достаточном располагаемом времени, в процессе указанных перевода или приведения, выявляют и идентифицируют сторонние КА (СКА) на заданной орбитальной позиции с требуемой областью удержания (ОУ) по долготе и широте, определяют стратегию маневрирования СКА внутри своих ОУ, выбирают из способов коллокации: согласованных схем и автономных режимов, способ, наиболее подходящий к ситуации в общей для всех КА ОУ, только во время указанных приведения или перевода на участках между главными коррекциями скорости дрейфа по долготе проводят совмещенные согласующие коррекции по всему спектру контролируемых параметров: периоду обращения, долготе, вектору наклонения, вектору эксцентриситета орбиты - так, чтобы при заходе в рабочую ОУ по долготе и широте КА уже являлся участником коллокации на заданной орбитальной позиции.