Формации спутников
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.
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.
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.
