способ орбитального построения навигационной спутниковой системы

Формула изобретения

Способ орбитального построения навигационной спутниковой системы, заключающийся в выведении на круговые или иные орбиты N искусственных спутников Земли, работающих в n плоскостях (где n - целое число больше 2) по m_i i=1/... n спутников (где n - целое число) в каждой плоскости, отличающийся тем, что искусственные спутники Земли располагают на орбитах базовой плоскости и плоскостях, расположенных симметрично-попарно относительно базовой плоскости, при этом указанные плоскости орбит искусственных спутников Земли располагают неравномерно вдоль экватора Земли относительно базовой плоскости через углы, априори не равные 360°/n, а искусственные спутники Земли на орбитах в плоскостях располагают неравномерно симметрично-попарно относительно базового искусственного спутника Земли.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при создании спутниковых систем позиционирования объектов на земной поверхности.

Известен способ наблюдения земной поверхности из космоса, включающий выведение искусственных спутников на кратные геосинхронные орбиты с наклонением

где m, n соответственно числа драконических периодов обращения каждого из спутников и эффективных периодов вращения Земли в одном периоде повторяемости трассы спутника, получение на борту изображений наземных объектов в полосах обзора, пропорциональных по ширине (180°/m).

Известный способ обеспечивает беспропускной обзор поверхности Земли с пониженным потребным числом искусственных спутников при заданной ширине полосы обзора.

Недостатком известного способа является относительно большая потребная ширина полосы обзора, которая может быть уменьшена при сохранении прочих преимуществ способа лишь специальным расположением спутников на орбитах (Авторское свидетельство СССР N297930, кл. В64G 1/10, 1988.).

Известен также способ наблюдения земной поверхности из космоса, включающий выведение искусственных спутников на кратные геосинхронные орбиты с наклонением

где m, n соответственно числа драконических периодов обращения каждого из спутников и эффективных периодов вращения Земли в одном периоде повторяемости трассы спутника, получение на борту изображений наземных объектов в полосах обзора, пропорциональных по ширине (180°/m), отличающийся тем, что, с целью уменьшения пропорционально общему числу N искусственных спутников потребной для каждого из них полосы обзора при обеспечении беспропускного режима наблюдения поверхности Земли, спутники выводят на орбиты, характеризующиеся одновременным прохождением экватора Земли всеми спутниками на расстояниях друг от друга, равных

180°/(mN) при N 2К, 360°/(mN) при N2K+1,

где К натуральное число (см. RU 2058917, кл. В64G 1/10, 1996).

Известны также системы расположения спутников на орбитах для позиционирования наземных объектов (US 6727850, G01S 5/14, 27.04.2004, СА 2439014, B60R 11/02, 11.03.2004, WO 200431909, G06F, 15.04.2004, TW 539865, G01S 1/00, 2003).

Наиболее близким по технической сути к предложенному способу является способ построения орбитальной системы Галилео (общеевропейская система), при котором осуществляют запуск искусственных спутников Земли в трех орбитальных плоскостях по 10 спутников в каждой плоскости - из них 9 спутников являются активными и 1 является резервным. Активные спутники размещают через 40 градусов по орбите, в то время как резервный спутник может находиться где угодно на данной орбите. При этом орбитальные плоскости располагаются равномерно вдоль экватора (через 120 градусов). (Разумный Ю.Н. Синтез орбитальных структур спутниковых систем периодического обзора, М., Изд. МГТУ, 2000, 104 с.).

Недостатками указанных выше технических решений является необходимость иметь на орбитах значительное число искусственных спутников Земли (ИСЗ).

Технический результат предложенного изобретения заключается в уменьшении числа искусственных спутников Земли без ухудшения параметров системы позиционирования наземных объектов.

Для этого предлагается способ орбитального построения навигационной спутниковой системы, заключающийся в выведении на круговые или иные орбиты N искусственных спутников Земли, работающих в n плоскостях (где n - целое число больше 2) по m_i i=1, ... n спутников (где n - целое число) в каждой плоскости, отличающийся тем, что искусственные спутники Земли располагают на орбитах базовой плоскости и плоскостях, расположенных симметрично-попарно относительно базовой плоскости, при этом указанные плоскости орбит искусственных спутников Земли располагают относительно базовой плоскости через углы, априори не равные 360°/n, а искусственные спутники Земли на орбитах в плоскостях располагают неравномерно симметрично-попарно относительно базового искусственного спутника Земли.

Поясним особенности способа построения глобальной навигационной системы.

Современные системы в основном строятся по правилу (способу) кинематически правильных систем, когда в начальный момент времени ИСЗ располагаются в вершинах некоторой симметричной кристаллической решетки - системы ГЛОНАСС, Галилео. Теоретически при увеличении числа ИСЗ характеристики такой системы должны улучшаться, однако имеют место примеры, когда при увеличении числа ИСЗ, 0,0 С 11 до 12, с 14 до 15 и с 20 до 21 характеристики системы ухудшаются. Таким образом, оптимизация орбитального построения, производимая на ограниченном множестве в пределах выбранного класса структур, не приводит к оптимизации построения систем.

Заявленный способ построения навигационной системы основан на идеях дифференциального исчисления и математического программирования, заключающихся в последовательном определении таких приращений начального положения одного или нескольких ИСЗ системы, чтобы в конечном итоге обеспечить лучшие показатели качества функционирования системы.

Из теории известно, что для обеспечения баллистической устойчивости орбиты всех ИСЗ системы должны быть равной высоты и одинакового наклонения. В противном случае вследствие влияния нецентральности гравитационного поля Земли плоскости орбит будут прецессировать вдоль экватора с разными скоростями. Это приведет к тому, что относительное угловое положение плоскостей орбит будет постоянно изменяться и система не сможет выполнить целевую задачу.

Согласно предложенному способу предлагается выводить ИСЗ на орбиты, расположенные в плоскостях, отстоящих от базовой плоскости на углы, не равные 360°/n, и расположенные симметрично (например, при трех плоскостях две плоскости отстоят от базовой плоскости на одинаковые углы, не равные 120°, в отличие от системы Галилео, где ИСЗ располагаются в плоскостях, отстоящих одна от другой на 120°, т.е. плоскости распределены равномерно). Заявленный способ предполагает не равномерное вдоль экватора Земли расположение плоскостей орбит, а попарно симметричное. Для выполнения целевой задачи по позиционированию наземных объектов при неравномерном расположении плоскостей орбит расположение ИСЗ в пределах каждой плоскости орбит также должно быть неравномерным. Согласно заявленному способу предлагается располагать ИСЗ попарно-симметрично относительно базового ИСЗ. Для уточнения используемых терминов "базовая плоскость" и "базовый спутник" необходимо сделать терминологическое разъяснение.

Базовая плоскость - произвольно расположенная плоскость орбиты ИСЗ, относительно которой располагаются другие плоскости орбит попарно-симметрично. Если количество плоскостей орбит n является четным, то базовая плоскость является виртуальной, т.е. плоскостью, не содержащей ни одного спутника и служащей центром симметрии для остальных пар плоскостей орбит.

Базовый спутник - один из спутников на орбите, относительно которого остальные спутники системы ИСЗ в начальный момент времени располагается попарно-симметрично. Базовый спутник может быть виртуальным, т.е. представлять собой некоторую точку плоскости орбиты, которая движется по орбите аналогично всем ИСЗ системы и относительно которой остальные спутники в начальный момент времени расположены попарно-симметрично. Базовый спутник обязательно является виртуальным, если центральная плоскость является виртуальной, т.е. если количество плоскостей орбит четное. Кроме того, базовый спутник может быть виртуальным, если число спутников в плоскости четное.

На фиг.1 отображено расположение соответственно ИСЗ на орбитах в трех плоскостях. Метод оптимизации орбитального построения глобальных спутниковых систем (математический аппарат) приведен в журнале "Полет" №12, 2001, с.20-26.

В таблице приведены сравнительные данные системы Галилео и системы по заявленному способу.

Таблица
Наименование	Штатный вариант	Новый вариант
Количество спутников	30	28
Количество пусков ракет-носителей	6	5
Количество плоскостей орбит	3	3
Количество спутников в плоскости орбит	10+10+10	10+10+8
Количество резервных спутников в плоскости	1+1+1	1+1+1
Затраты на создание системы	100%	93,33%
Относительные точностные характеристики	100%	96-97%
Относительные показатели надежности системы	100%	109,5%

Как показывают результаты исследований, система по заявленному способу требует меньших финансовых затрат, более надежна и обеспечивает заданный уровень качества (т.е. превосходит известную систему по показателю цена - качество).