RU2684253C1 - Способ обнаружения и контроля космического мусора вблизи геостационарной орбиты - Google Patents

Способ обнаружения и контроля космического мусора вблизи геостационарной орбиты Download PDF

Info

Publication number
RU2684253C1
RU2684253C1 RU2018104992A RU2018104992A RU2684253C1 RU 2684253 C1 RU2684253 C1 RU 2684253C1 RU 2018104992 A RU2018104992 A RU 2018104992A RU 2018104992 A RU2018104992 A RU 2018104992A RU 2684253 C1 RU2684253 C1 RU 2684253C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical system
spacecraft
orbit
space debris
gso
Prior art date
Application number
RU2018104992A
Other languages
English (en)
Inventor
Владимир Алексеевич Емельянов
Константин Сергеевич Ёлкин
Валерий Владимирович Маслов
Юрий Константинович Меркушев
Игорь Вячеславович Усовик
Юлия Сергеевна Бодрова
Роман Петрович Рамалданов
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС"
Priority to RU2018104992A priority Critical patent/RU2684253C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2684253C1 publication Critical patent/RU2684253C1/ru

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64GCOSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/66Arrangements or adaptations of apparatus or instruments, not otherwise provided for

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Navigation (AREA)
  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Abstract

Изобретение относится к методам и средствам мониторинга и определения орбит объектов космического мусора с борта космического аппарата (КА). КА размещают на орбите ниже геостационарной (ГСО), снабжают обычными служебными системами, а также аппаратурой связи с наземным пунктом. Оптическую систему КА размещают на поворотной платформе и направляют в область ГСО. Полосу обзора вдоль ГСО формируют разворотом поля зрения оптической системы вокруг вектора орбитальной скорости КА в несколько дискретных положений. В каждом из них получают неподвижное на фоне звёзд изображение некоторой области вблизи ГСО, разворачивая оптическую систему вокруг бинормали орбиты КА с угловой скоростью, равной и противоположной орбитальной. Разворот в следующее дискретное положение осуществляют со средней угловой скоростью, зависящей от времени перенацеливания и вертикальной ширины мгновенного поля зрения оптической системы. Техническим результатом является сокращение количества КА наблюдения до одного и облегчение селекции объектов космического мусора. 1 табл., 2 ил.

Description

Изобретение предназначено для использования в космической технике и может быть использовано при создании систем обзора бортовыми средствами космического аппарата пространства вблизи ГСО для мониторинга и определения параметров орбит объектов космического мусора.
Изобретение позволяет уменьшить количество космических аппаратов до одного для периодического обзора объектов космического мусора (ОКМ) вблизи геостационарной орбиты и обеспечить возможность остановки изображения звезд на фотоприемнике во время съема информации для упрощения регистрации оптической системой трека обнаруженного объекта космического мусора.
Известны технические решения, позволяющие наблюдать и регистрировать объекты космического мусора, которые можно рассматривать как аналоги предлагаемого изобретения.
Известно «Устройство регистрации параметров микрометеороидов и космического мусора», (патент РФ 2456639, МПК G01T 1/34), содержащее мишень в виде четырех панелей солнечных батарей, соединенных между собой пленочной структурой металл-диэлектрик-металл и приемника ионов в виде шара, соединенного с блоком измерения. При соударении микрометеороида или объекта космического мусора с мишенями в месте контакта образуется плазма, ионы которой попадают на приемник ионов. Недостатком данного технического решения является невозможность определения скорости, направления и вычисления параметров орбит объектов космического мусора вблизи геостационарной орбиты, соударение с которыми не произошло.
Известно «Устройство и метод обнаружения космического мусора с помощью оптической системы, установленной на космическом аппарате» (патент Японии 2000-025700, МПК B64G 1/68). Наблюдение и обнаружение обломков космического мусора на орбите осуществляют устройством обработки изображения, а параметры орбит объектов космического мусора вычисляют по следам их движения на дисплее. Недостатком данного устройства и метода обнаружения космического мусора является необходимость обработки большого объема информации для селекции следа космического мусора на фоне следов перемещения изображения звезд за счет движения КА по орбите при ограниченном времени наблюдения ОКМ на дисплее.
Известен спутник SBSS (Space Based Space Surveillance) с оптико-электронной камерой на борту, запущенный США в 2013 году и предназначенный для слежения за космическими объектами, другими спутниками и обломками («космическим мусором»). Высота орбиты спутника 625-640 км, период обращения 97,42 мин. Со своей рабочей орбиты КА может наблюдать объекты от низких орбитах до геостационарной орбиты с возможностью сканирования всего пояса за сутки. Космический аппарат SBSS, оснащенный оптическим телескопом с апертурой 30 см и детектором изображений размером 2,4 мегапикселя, входит в систему контроля космического пространства (СККП) США и за последние несколько лет существенно расширил возможности этой системы в части наблюдения космических объектов с размерами менее 10 см. Недостатком данного спутника является недостаточное быстродействие, обусловленное трудностью селекции объектов космического мусора на низких орбитах и геостационарной орбите, поскольку в поле зрения оптико-электронной камеры регистрируется весь космический мусор в широком диапазоне высот и за короткое время наблюдения практически невозможно определить, составляет ли угрозу объект космического мусора для объектов на геостационарной орбите.
Известен «Метод наблюдения космического мусора» (патент Японии 2011 - 218834, МПК B64G 1/68) с помощью подсветки лазерным лучам области пространства, наблюдаемой ПЗС-камерой, установленной на КА. Недостатком данного метода является то, что наблюдаются только подсвеченные лазерным лучом объекты космического мусора и что снижает вероятность выявления рисков столкновения частиц объекта космического мусора с космическими аппаратами на геостационарной орбите.
Прототипом, наиболее близким, по сути, техническим решением к заявляемому изобретению является «Система наблюдения за космическими объектами» (патент на полезную модель RU 82678 U, МПК B64G 1/10), так как данная система наблюдения имеет аналогичное предназначение и некоторые аналогичные основные возможности по множеству параметров, что и заявленное. Данная система, являющаяся прототипом, содержит, по меньшей мере, один наземный пункт приема информации, по меньшей мере, четыре космических аппарата наблюдения, равномерно размещенных на круговой солнечно-синхронной орбите обратного наклонения и снабженных системой угловой стабилизации и ориентации, системой электроснабжения, системой терморегулирования, аппаратурой передачи и приема данных, выполненной с возможностью осуществления связи с наземным пунктом приема информации и, по меньшей мере, с двумя соседними космическими аппаратами наблюдения, по меньшей мере, двумя оптико-электронными приборами, выполненными с возможностью обнаружения космических объектов и определения их угловых приборных координат, и процессором обработки данных, подключенным к выходам оптико-электронных приборов и к входу аппаратуры передачи и приема данных, а также аппаратуру определения положения центра масс космического аппарата наблюдения, а космические аппараты наблюдения размещены на орбите с радиусом, имеющим значение не менее RATM/cos(π/N), где RATM - максимальный радиус Земли с плотными слоями ее атмосферы; N - количество космических аппаратов наблюдения; и на каждом космическом аппарате наблюдения один оптико-электронный прибор установлен с возможностью наблюдения соседнего космического аппарата наблюдения, расположенного в направлении орбитального движения данного космического аппарата наблюдения, а второй оптико-электронный прибор установлен с возможностью наблюдения соседнего космического аппарата наблюдения, расположенного в направлении, противоположном направлению орбитального движения данного космического аппарата наблюдения. Система снабжена космическими аппаратами ретрансляции, размещенными на геостационарной орбите с возможностью создания каналов радиосвязи с каждым космическим аппаратом наблюдения и с наземным пунктом приема информации.
Недостатком данной системы является необходимость наличия восьми оптических систем наблюдения по две на каждом космическом аппарате, равномерно размещенных на круговой солнечно-синхронной орбите, в полях зрения которых регистрируются все объекты космического мусора, находящиеся как на низких, так и на высоких орбитах. При этом наблюдение движения объектов космического мусора в полях зрения оптических систем осуществляется на фоне перемещающихся звезд за счет движения космических аппаратов по орбите, что требует разработки сложных алгоритмов селекции движущихся объектов космического мусора и перемещающихся звезд и, соответственно, обработки большого количества информации в ограниченное время, что затрудняет селекцию объектов космического мусора.
Задачей настоящего технического решения является сокращение количества космических аппаратов до одного и обеспечение возможности остановки изображения звезд на фотоприемнике во время съема информации для облегчения выделения оптической системой трека обнаруженного объекта космического мусора.
Космический мусора вблизи геостационарной орбите сосредоточен, в основном, вблизи небесного экватора, что и определяет отличительные признаки предлагаемого изобретения.
Для контроля геосинхронных объектов космического мусора с большим наклонением их орбит (порядка ~ 25°) предусматривается перенацеливание мгновенного поля зрения оптической системы, направленного вдоль радиус-вектора космического аппарата путем вращение вокруг вектора его орбитальной скорости
Figure 00000001
Указанное перенацеливание образует широкую полосу обзора вдоль геостационарной орбиты. Чем ближе круговая орбита космического аппарата к геостационарной орбите, тем меньше размер контролируемого объекта космического мусора, однако тем меньше обеспечиваемое наклонение imax геосинхронного объекта космического мусора, который захватывается сформированной полосой обзора.
Соотношение между наклонением imax углом и разностью высот геостационарной орбиты и высоты орбиты космического аппарата (НГСО - НКА) при равенстве угла обзора βобз = ±60 угл. град., имеет вид
Figure 00000002
Высота геостационарной орбиты, измеренная от центра Земли RГСО=42164 км, а измеренная от поверхности Земли, при ее радиусе 6371 км НГСО=35793 км. Расположение космического аппарата наблюдения на орбитах с высотой НКА, ниже высоты геостационарной орбиты на величину hКА обеспечивает время между сеансами наблюдения ТСН для наклонений орбит объектов космического мусора
Figure 00000003
в соответствии с таблицей 1.
Figure 00000004
Если проницающая сила оптической системы mT не менее 18 звездной величины, то размеры обнаруживаемого объекта космического мусору составляют величину 4,5÷22,0 см в данном диапазоне высот.
Для расширения полосы обзора оптической системы вдоль геостационарной орбиты, обеспечивают перенацеливание мгновенного поля зрения этой системы в несколько дискретных положений путем ее вращения вокруг вектора орбитальной скорости КА. В каждом дискретном положении производят съем изображения на фотоприемнике некоторой области вблизи ГСО.
Для реализации режима остановки звезд в поле зрения оптической системы в моменты съема информации в каждом дискретном положении поля зрения, оптическую систему помещают на поворотную платформу и вращают платформу в моменты съема информации tc вокруг оси, перпендикулярной плоскости орбиты КА с угловой скоростью
Figure 00000005
, равной угловой орбитальной скорости КА, в направлении противоположном угловому вращению КА.
По окончанию процесса считывания информации с фотоприемника оптической системы, поле зрения оптической системы перенацеливают в следующее дискретное положение со средней угловой скоростью, зависящей от времени перенацеливания и вертикальной ширины углового мгновенного поля зрения
Figure 00000006
где 2βв - вертикальная ширина углового мгновенного поля зрения оптической системы.
Для высокоточного определения параметров орбиты геосинхронного объекта космического мусора необходим большой мерный интервал позиционных измерений, производимых оптической системой с регистраций треков точечных изображений в точках, захваченных мгновенным полем зрения на витках обращения объекта космического мусора вблизи нисходящих и восходящих узлов их орбит. Указанное справедливо при малом наклонении орбиты объекта космического мусора i. Если i велико, треки будут регистрироваться в точках, принадлежащих полосе обзора. Однако, необходимо чтобы на соседних витках обращения объекта космического мусора вблизи узлов его орбиты, радиус-вектор космического аппарата, который ориентируется на середину полосы обзора, был направлен на восходящий или нисходящий узел орбиты объекта космического мусора. Если это условие выполняется, изменение аргумента широты геосинхронного объекта космического мусора, регистрируемое на соседних полувитках, составляет большую величину равную ~ 180°. В этом случае достигаться большой мерный интервал позиционных измерений.
Первоначально это условие представляется через соотношение между допустимыми периодами обращения космического аппарата наблюдения (ТКА) и геосинхронного объекта космического мусора (ТГСО):
ТКА((k+1)+0,5)=ТГСО(k+0,5),
где: ТГСО=1 сут, k - натуральный ряд чисел от 0 до 4. Увеличение параметра к на одну 1 соответствует увеличению времени между сеансами наблюдения ТСН на 1 сутки. Затем это условие представляется через соотношение между допустимыми высотами НГСО и НКА. Полагая k=0 можно получить, что допустимые значения ТКАГСО/3, т.е. 0,333 сут и определить допустимое значение НКА=13899 км, соответствующее ТСН=0,5 и ТКА=0,333 сут.
На фиг. 1 обозначены: КА - космический аппарат; НКА - высота орбиты космического аппарата; hКА - расстояние от орбиты космического аппарата до геостационарной орбиты; βобз - угол обзора геостационарной орбиты; 2βВ и 2βг - вертикальная и горизонтальная ширины поля зрения оптической системы; 1 - геостационарная орбита; n - количество положений перенацеливаемого мгновенного поля зрения в направлении, перпендикулярном вектору орбитальной скорости космического аппарата и плоскости геостационарной орбиты, RЗ - радиус Земли.
На фиг. 2 обозначены: ГСО - геостационарная орбита; КА - космический аппарат с бортовой оптической системой наблюдения;
Figure 00000007
- диапазон отклонений поля зрения оптической системы; hКА - расстояние орбиты космического аппарата до геостационарной орбиты; imax - максимальный угол наклонения орбиты объекта космического мусора; βобз - угол обзора геостационарной орбиты;
Основные показатели эффективности предлагаемого способа обнаружения и контроля космического мусора вблизи геостационарной орбиты с наклонением imax=25°:
- возрастает проницающая сила оптической системы с увеличением времени пребывания объекта космического мусора в пикселе фотоприемника, что позволяет обнаруживать объекты космического мусора с меньшим блеском;
- с увеличением дальности наблюдения пропорционально увеличивается размер обнаруживаемого объекта космического мусора;
- величина дуги ΔU пробега изображения объекта космического мусора через полосу обзора уменьшается с увеличением угловой скорости обращения космического аппарата вокруг центра Земли. Общий мерный интервал ΔUобщ, накопленный за время наблюдения объекта космического мусора в районах его восходящего и нисходящего узлов, составляет ~ 180°;
- с уменьшением расстояния hКА между геостационарной орбитой и орбитой космического аппарата уменьшается размер обнаруживаемого объекта космического мусора до 7 см, но ухудшается (возрастает) время Тсн между сеансами наблюдения объектов космического мусора;
- реализуемая проницающая сила оптической системы mT, оцениваемая с учетом величины моделируемой угловой скорости объекта космического мусора, составляет ~ 18 зв. в.
- вероятные погрешности определения параметров движения геосинхронных круговых орбит составляют: по координатам ΔХ, ΔY, ΔZ ~ 100 м; по скоростям
Figure 00000008
по углу наклонения Δi ~ 3 угл. с.

Claims (1)

  1. Способ обнаружения и контроля космического мусора вблизи геостационарной орбиты, при котором космический аппарат наблюдения размещают на околоземной орбите, снабжают системой угловой стабилизации и ориентации, системой электропитания, системой терморегулирования, аппаратурой передачи и приема данных, выполненной с возможностью осуществления связи с наземным пунктом приема информации, отличающийся тем, что космический аппарат размещают на орбите ниже геостационарной, а бортовую оптическую систему размещают на поворотной платформе и направляют в область геостационарной орбиты, при этом полосу обзора оптической системы вдоль геостационарной орбиты обеспечивают перенацеливанием мгновенного поля зрения этой системы в несколько дискретных положений путем ее вращения вокруг вектора орбитальной скорости космического аппарата, а в каждом дискретном положении производят съем изображения на фотоприемнике некоторой области вблизи геостационарной орбиты, при этом оптическую систему разворачивают вокруг оси, перпендикулярной плоскости орбиты космического аппарата, с угловой скоростью, равной угловой орбитальной скорости космического аппарата, в противоположном направлении, осуществляя таким образом остановку изображения звезд на фотоприемнике, а перенацеливание оптической системы в следующее дискретное положение осуществляют со средней угловой скоростью
    Figure 00000009
    зависящей от времени перенацеливания tп и вертикальной ширины 2βв углового мгновенного поля зрения оптической системы.
RU2018104992A 2018-02-09 2018-02-09 Способ обнаружения и контроля космического мусора вблизи геостационарной орбиты RU2684253C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018104992A RU2684253C1 (ru) 2018-02-09 2018-02-09 Способ обнаружения и контроля космического мусора вблизи геостационарной орбиты

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018104992A RU2684253C1 (ru) 2018-02-09 2018-02-09 Способ обнаружения и контроля космического мусора вблизи геостационарной орбиты

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2684253C1 true RU2684253C1 (ru) 2019-04-04

Family

ID=66089887

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018104992A RU2684253C1 (ru) 2018-02-09 2018-02-09 Способ обнаружения и контроля космического мусора вблизи геостационарной орбиты

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2684253C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111339676A (zh) * 2020-03-10 2020-06-26 中国科学院国家空间科学中心 一种近地空间环境综合数据分析***
RU2775095C1 (ru) * 2021-08-17 2022-06-28 Акционерное общество "Корпорация космических систем специального назначения "Комета" (АО "Корпорация "Комета") Способ обзора геостационарной области для обнаружения и наблюдения космического мусора с космического аппарата

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU82678U1 (ru) * 2008-09-09 2009-05-10 Автономная некоммерческая организация "Научно-технический центр имени Л.Т. Тучкова" Система наблюдения за космическими объектами
US9121704B2 (en) * 2010-07-12 2015-09-01 Astrium, Sas Optical surveillance system for a space survey system for monitoring near-earth space having a matrix of telescopes coupled to image sensors
RU2570009C1 (ru) * 2014-08-06 2015-12-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) Способ предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве и на земле и автоматизированная система для его осуществления
RU2573015C2 (ru) * 2014-04-16 2016-01-20 Акционерное общество "Военно-промышленная корпорация "Научно-производственное объединение машиностроения" (АО "ВПК "НПО машиностроения") Многомодульный космический аппарат для очистки геостационарной орбиты и способ очистки геостационарной орбиты

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU82678U1 (ru) * 2008-09-09 2009-05-10 Автономная некоммерческая организация "Научно-технический центр имени Л.Т. Тучкова" Система наблюдения за космическими объектами
US9121704B2 (en) * 2010-07-12 2015-09-01 Astrium, Sas Optical surveillance system for a space survey system for monitoring near-earth space having a matrix of telescopes coupled to image sensors
RU2573015C2 (ru) * 2014-04-16 2016-01-20 Акционерное общество "Военно-промышленная корпорация "Научно-производственное объединение машиностроения" (АО "ВПК "НПО машиностроения") Многомодульный космический аппарат для очистки геостационарной орбиты и способ очистки геостационарной орбиты
RU2570009C1 (ru) * 2014-08-06 2015-12-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) Способ предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве и на земле и автоматизированная система для его осуществления

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Клименко Н.Н., Назаров А.Е. Перспективная космическая система для наблюдения геостационарной орбиты. Вестник НПО им. С.А. ЛАВОЧКИНА. Космонавтика и ракетостроение. 2015, 4 (30), с.16-20. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111339676A (zh) * 2020-03-10 2020-06-26 中国科学院国家空间科学中心 一种近地空间环境综合数据分析***
RU2775095C1 (ru) * 2021-08-17 2022-06-28 Акционерное общество "Корпорация космических систем специального назначения "Комета" (АО "Корпорация "Комета") Способ обзора геостационарной области для обнаружения и наблюдения космического мусора с космического аппарата
RU2813696C1 (ru) * 2023-10-03 2024-02-15 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Института астрономии Российской академии наук Способ обнаружения объектов космического мусора и наведения на них космического аппарата с использованием лазерного сканирования пространства

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8511614B2 (en) Satellite system providing optimal space situational awareness
US9284074B2 (en) Method, satellite, and a system or an arrangement with at least one satellite for detecting natural or artificial objects, and the use thereof in the execution of said method
Meguro et al. GPS multipath mitigation for urban area using omnidirectional infrared camera
US7349804B2 (en) Daytime stellar imager
US7447591B2 (en) Daytime stellar imager for attitude determination
US20080081556A1 (en) System and method for observing a satellite using a satellite in retrograde orbit
US20110085698A1 (en) Measuring Turbulence and Winds Aloft using Solar and Lunar Observable Features
Yunpeng et al. Review on strategies of space-based optical space situational awareness
CN106197377A (zh) 一种无人机对地目标监视及二维三维联动的显示***
US9068884B1 (en) Turbulence and winds aloft detection system and method
US7110601B2 (en) Method for detecting linear image in planar picture
RU2684253C1 (ru) Способ обнаружения и контроля космического мусора вблизи геостационарной орбиты
US20180017394A1 (en) Planetary Surveillance System
Liebe et al. Three-axis sun sensor for attitude determination
RU82678U1 (ru) Система наблюдения за космическими объектами
US5604595A (en) Long stand-off range differential absorption tomographic atmospheric trace substances sensor systems utilizing bistatic configurations of airborne and satellite laser source and detetor reflector platforms
Scott et al. An approach to ground based space surveillance of geostationary on-orbit servicing operations
Bahcivan et al. Radiometric sensitivity and resolution of synthetic tracking imaging for orbital debris monitoring
Wagner et al. Passive optical space surveillance system for initial LEO object detection
Morreale et al. Australian space situational awareness capability demonstrations
RU2542836C2 (ru) Способ определения вектора состояния пассивного космического объекта
CN115184973B (zh) 基于惯性测量与激光测距的星载超远距离目标测速和定位***及其方法
RU2813696C1 (ru) Способ обнаружения объектов космического мусора и наведения на них космического аппарата с использованием лазерного сканирования пространства
Shugarov et al. Space system for detecting hazardous celestial bodies approaching earth from the daytime sky (SODA)
Thorsteinson et al. Imaging of Self Conjuncting Objects Ahead of the Time of Closest Approach with NEOSSat