В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Александр
Леонид
Вадим
СвятославВ настоящее время снова возвращается интерес к низкоорбитальным системам связи. Вероятно, самой известной такой системой, стабильно функционирующей в течение многих лет, является система персональной спутниковой связи Iridium. По сообщениям информационных источников, в самое ближайшее время будет начато развертывание новой орбитальной группировки (ОГ) системы. Только в текущем году запланировано вывести на орбиту 20 космических аппаратов (КА) нового поколения, а всего должно быть выведено на орбиту 72 КА [1].
Таким образом, представляется своевременным провести ретроспективный анализ космического сегмента системы, с тем чтобы подвести некоторые итоги непосредственно перед началом развертывания средств нового поколения системы.
Анализ текущего состояния системы персональной спутниковой связи Iridium интересен тем, что история ее развития насчитывает не один десяток лет. Рассматривая прошедшие этапы, можно увидеть фактически привлеченные для создания системы ресурсы [2]. Задумана она была в конце 1980-х гг., компания Iridium Inc была основана в 1991 г. Развертывание космического сегмента было начато в 1997 г. и завершено в 1999 г. В 2002 г. было завершено восполнение ОГ с учетом создания необходимого резерва.
Таким образом, проектирование заняло около 10 лет, а развертывание – от двух до трех лет. За этот срок были решены вопросы, связанные с техническим, радиочастотным, разрешительным и организационным обеспечением эксплуатации системы практически во всех странах. Однако аспект обеспечения экономического функционирования системы оказался более трудным и болезненным, чем технический [3, 4, 5]. Оставим анализ в области экономики и менеджмента специалистам в этих областях. Поскольку КА Iridium находятся на орбите от 14 до 18 лет и превысили гарантированный срок активного существования, представляется более интересным провести технический анализ современного состояния системы.
При проведении анализа использовались актуальные начальные условия для расчета движения, задающие положение КА в ОГ, а также доступные архивные данные. Аналогичный анализ выполнялся в 2000 г. в работе [6] с целью анализа устойчивости ОГ Iridium к отказу КА. Таким образом, выполнив аналогичный анализ, можно провести сравнение результатов и определить изменения, произошедшие за 16 лет.
Номинально спутниковая система связи Iridium предусматривает использование 66 рабочих КА с высотой полета около 780 км и КА, находящихся на орбитах резерва. ОГ состоит из 6 орбитальных плоскостей по 11 КА. Угловой разнос орбитальных плоскостей по долготе восходящего узла равен 31,6 град., соответственно, между первой и последней плоскостью угол составит 22,1 град. Наклонение орбит 86,4 град., период обращения 103,3 минуты. В плоскости все 11 КА расставлены по аргументу широты равномерно с интервалом 31,6 град. КА в соседних плоскостях сфазированы так, что в районе экватора образуется шахматный порядок, и фазовый угол (по аргументу широты) чередуется 0–15,8 град. через плоскость. Зона обслуживания глобальная. В источниках приводится размер диаметра зоны радиовидимости 4700 км, что соответствует углу места 7 град.
Всего было произведено 23 запуска ракет-носителей (РН) различных типов: "Протон", "Дельта 2", "Великий поход" и "Рокот". КА выводились группами по 7, 5 и 2 КА в зависимости от типа РН. Всего было выведено на орбиту 97 КА.
Из них 28 КА не используется. В том числе 7 КА прекратили свое существование, а 21 КА продолжают полет, но находятся в неисправном состоянии.
Анализ исправности КА предполагал совместный учет ряда факторов. Наряду с отклонением периода обращения КА от номинального признаком неисправности КА может являться отсутствие в течение длительного времени коррекций положения на орбите. Однако оба признака могут быть свойственны КА, совершающим длительный орбитальный маневр. Поэтому предположение об исправности КА делалось с учетом дополнительной информации, полученной из доступных источников, включая массивы оптических наблюдений объектов.
В табл. 1 приведен перечень активных и находящихся в резерве КА.
На рис. 1 показано мгновенное положение зон радиовидимости КА по углу места 10 град. на 3 марта 2016 г. 14:24:05.029. Цветом выделена принадлежность КА орбитальным плоскостям. Из рис. 1 видно, что активные и резервные КА находятся в правильных рабочих позициях и ОГ является полнофункциональной.
На рис. 2 показано распределение космических аппаратов по градациям состояния на текущий момент времени, которое характеризуется как неисправное, исправное и превысившее срок службы 18 лет, со сроком службы от 16 до 18 лет и сроком службы от 13 до 16 лет.
На рис. 3 показано расположение подспутниковых точек и зон видимости неисправных КА.
Следует обратить внимание на то, что в результаты, полученные в [6], после анализа поведения КА на протяжении 16 лет можно внести корректировки.
Поскольку свойством круговой орбиты с наклонением 86,4 град. КА Iridium является стабильность положения долготы восходящего узла, в [6] предполагалось, что маневр перевода КА из плоскости в плоскость использоваться не будет. На тот момент времени это подтверждалось тем, что КА Iridium за один старт выводились непосредственно в целевую орбитальную плоскость.
В результате изучения истории начальных условий КА за период 16 лет было найдено, что КА Iridium 45 был переведен из 2-й в 3-ю орбитальную плоскость. 09 февраля 2014 г. был увеличен на 0,63 град. угол наклонения орбиты КА. При этом долгота восходящего узла стала изменяться медленнее. Прошло 14 месяцев, и 12 июня 2015 г. КА оказался в соседней плоскости. После этого значение угла наклонения вернули к прежней величине. Суммарный импульс на прямое и обратное изменение угла наклонения орбиты составил 190 м/с.
Диаграммы изменения большой полуоси в км, угла наклонения в град. и скорости изменения долготы восходящего узла в град./сутки на указанном интервале времени показаны на рис. 4.
Идея маневра основана на пропорциональности скорости изменения долготы восходящего узла и косинуса угла наклонения. Для небольших изменений угла наклонения разность скоростей изменения долготы восходящего узла будет приблизительно пропорциональна величине изменения. В табл. 2 даны в град. разности долготы восходящего узла для различных углов наклонения по сравнению со значением для угла наклонения 86,4 град. Разности вычислены на интервале одни сутки, один месяц и один год.
Пять КА Iridium, выведенные на орбиту 11 февраля 2002 г., и два КА, выведенные 20 июня 2002 г., также за несколько лет были разведены по разным плоскостям с помощью маневра, связанного с изменением угла наклонения объектов. Все КА этих пусков были выведены на предварительную орбиту с наклонением i = 86,57 град. Высота предварительной орбиты для КА Iridium составляет 679 км. Общий импульс, необходимый для размещения каждого из спутников на рабочей орбите, равен 55 м/c. В оценки затрат на выполнение орбитальных маневров эта величина включена.
Результаты анализа изменений параметров орбит на основе архива данных TLE и оценки затрат характеристической скорости представлены в табл. 3.
Столкновение КА Iridium 33 с одним из спутников серии "Космос" произошло 11 февраля 2009 г. Результатом этого неординарного события стало образование роя объектов, являющихся космическим мусором, и принятие ряда мер организационного и экономического характера.
Материалы ресурсов [7] и [8] содержат данные, позволяющие проследить эволюцию параметров движения образовавшихся объектов, получить оценки физических характеристик некоторых из них и сделать выводы о вероятности близких пр охожден ий фрагментов разрушения и действующих КА.
Через полгода после события значения больших полуосей орбит большинства объектов находились в интервале ±70 км относительно номинального значения 7155 км. Большие полуоси 20 объектов превышали величину 7250 км. Эти же объекты имели значения эксцентриситетов орбиты, превышающих величину 0,02. При столкновении такие параметры орбиты могли получить фрагменты разрушения, имеющие небольшую массу. В этом случае отношение средней площади поверхности к массе объекта резко возрастает, и каждый из таких фрагментов подвержен возмущающему действию не только верхней атмосферы Земли, но и давления солнечного излучения. Так и произошло: в течение трех лет все 20 фрагментов потеряли высоту и вошли в плотные слои атмосферы. Если отношение площади к массе для КА Iridium составляет 0,005 м2/кг, то оценки этого физического параметра для ряда фрагментов оказались более 1,5 м2/кг.
Через 7 лет (см. рис. 5) среднее значение большой полуоси фрагментов оказалось равным 7100 км. Уменьшение среднего значения на 55 км указывает на то, что отношение площади к массе для большинства фрагментов разрушения превышает величину 0,05 м2/кг. Несколько объектов с большими полуосями более 7200 км и эксцентриситетами орбит более 0,02 были открыты и включены в каталог после 2011 г.
На рис. 5 и 6 представлены диаграммы распределения элементов орбит роя осколков обоих объектов по состоянию на март 2016 г.
Удар произошел не в плоскости движения КА Iridium 33, поэтому углы наклонения фрагментов приобрели различные значения. За 7 прошедших лет интервал значений орбитальных параметров мало изменился, но разница в углах наклонения привела к постепенному расхождению долгот восходящих узлов фрагментов.
Общий вывод исследований заключается в том, что вероятность сближения активных КА ОГ Iridium с осколками из собственного облака космического мусора Iridium 33 мала по причине уменьшения в среднем высоты полета фрагментов.
К сожалению, облако осколков, образовавшееся в результате разрушения второго участника инцидента – КА "Космос 2251" – представляет опасность для работы ОГ Iridium (см. рис. 5 и 6). Число сопровождаемых фрагментов разрушения КА "Космос 2251" гораздо больше. Значение средней высоты полета фрагментов даже через 7 лет совпадает с рабочей высотой полета КА Iridium. По значению долготы восходящего узла облако осколков распределено почти равномерно от 0 до 360 град.
Такой неутешительный вывод подкрепляют события 2014 г., суть которых содержится в ресурсе [9]. В июне произошло столкновение КА Iridium 47 с неизвестным объектом космического мусора, приведшее к появлению десяти новых фрагментов. В ноябре того же 2014 г. рядом с КА Iridium 91 были обнаружены мелкие осколки, два из которых до сих пор входят в каталог [7].
В результате рассматриваемого инцидента за несколько лет только 10% образовавшихся фрагментов вошли в плотные слои атмосферы. При решении вопроса очищения космического пространства от отработавших изделий использование метода "направленных столкновений" не даст положительного результата.
В настоящее время количество неработающих КА ОГ Iridium составляет примерно 29% от общего числа выведенных на орбиту изделий. Количество исправных КА со сроком службы более 18 лет составляет 46,4% от общего числа КА, выведенных на орбиту, со сроком службы от 16 до 18 лет – 17,5%, со сроком службы от 13 до 16 лет – 7,2%.
КА наряду с маневрами, обеспечивающими фазовую стабильность ОГ, выполняют маневры по смене орбитальной плоскости. Такие маневры по длительности занимают время от 4,5 до 12 лет.
Облако осколков, образовавшееся в результате столкновения КА Iridium 33 и "Космос 2251", заполняет большую область пространства. В основном потенциальную опасность для работы ОГ Iridium представляют осколки КА "Космос 2251".
Литература
Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #2, 2016
Посещений: 4442
Статьи по теме
Автор
| |||
Автор
| |||
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
