автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математические модели, методы и алгоритмы анализа и синтеза возмущенных спутниковых систем глобальной связи

Введение.

Глава 1. Два численных метода решения уравнений.

1.1. Итерационный алгоритм проектирования точки на невыпуклое многообразие в линейном нормированном пространстве.

1.2. Частный случай метода последовательных приближений для решения автономных дифференциальных уравнений, содержащих малый параметр.

Выводы к главе 1.

Глава 2. Задача анализа баллистических структур спутниковых систем многоканальной связи, расположенных на прецессирующих эллиптических орбитах, и алгоритм ее решения.

2.1. Основные определения и допущения. Постановка задачи.

2.2. Индикаторы циклов и их свойства.

2.3. Алгоритмы задачи анализа.

2.4. Численные примеры.

Выводы к главе 2.

Глава 3. Задача синтеза спутниковых систем многоканальной связи, расположенных на прецессирующих эллиптических орбитах, и алгоритм ее решения.

3.1. Постановка задачи синтеза.

3.2. Липшицевость индикатора Ажанальной связи.

3.3. Алгоритм задачи синтеза.

3.4. Численные примеры.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Эволюция средних почти круговых орбит ИСЗ под влиянием нецентральности гравитационного поля Земли и лунно-солнечных возмущений.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Приближение для медленных переменных.

4.3. Приближение для быстрой переменной.

4.4. Численные примеры.

Выводы к главе 4.

Любая наука - это всегда сумма знаний, достигнутых многими людьми, прошлыми поколениями и современниками.Наука всегда должна работать в запас, впрок, и только при этом условии она будет находиться в естественных для нее условиях.

Н.И. Вавилов

Важным направлением в развитии систем телекоммуникаций является разработка спутниковых систем связи (ССС). Интерес к ним закономерен и необходим как для народного хозяйства, так для и оборонных нужд. Среди преимуществ ССС по сравнению с другими типами систем связи можно выделить следующие:

1) возможность обслуживания большого количества абонентов, расположенных практически в любой точке Земли;

2) независимость затрат при организации связи от расстояния между объектами;

3) незначительное влияние географических особенностей на устойчивость связи.

В целом любая ССС состоит из двух основных компонентов:

1) космический сегмент, состоящий из искусственных спутников Земли (ИСЗ), включающих в себя ретранслятор, приемопередающие антенны и другие устройства;

2) наземный сегмент, состоящий из абонентов (подвижных или неподвижных).

Важными параметрами, определяющими качество спутниковой связи, являются характеристики орбит космического сегмента. Общепринято по типу используемых орбит ССС делить на два класса: системы со спутниками на геостационарной орбите (GEO) (высота ~ 36 ООО км; количество спутников для GEO-группировки - 3, один спутник покрывает ~ 34% земной поверхности) и негеостационарные. Большинство существующих ССС имеют геостационарные спутниковые группировки. Это объясняется рядом очевидных преимуществ [1,2], важными из которых являются небольшое количество спутников, охватывающих значительную часть поверхности Земли, и непрерывное осуществление круглосуточной связи без перехода ее с одного спутника на другой. Однако большая задержка сигнала, вследствие большого удаления спутника от Земли и конечной скорости света, делает их применимыми, как правило, только для радио- и телевещания. Для систем радиотелефонной связи большая задержка сигнала крайне нежелательна, так как приводит к плохому качеству связи (например, наличие эхо-сигналов на обоих концах линии) и повышению стоимости пользовательских терминалов. Более того, геостационарные орбиты не охватывают полярные районы, а также неудобны ввиду некоторых технических недостатков, связанных с высокими строениями в местах плотной застройки (подробнее см. в [3]). Поэтому первоначально ССС обеспечивали в основном фиксированную спутниковую связь (связь между стационарными объектами), и лишь с запуском негеостационарных космических аппаратов и внедрением цифровых методов связи широкое развитие получила подвижная спутниковая связь, базирующаяся на низких и средних орбитах. Отметим, что современные системы подвижной спутниковой связи совместимы с традиционными наземными системами подвижной связи.

Негеостационарные ССС в свою очередь подразделяются на средневы-сотные МЕО (высота - 2000-15000 км; количество космических аппаратов - 812; зона покрытия одним спутником - 25-28%) и низкоорбитальные LEO (высота - 500-2000 км; количество космических аппаратов - 48-66; зона покрытия одним спутником - 3-7%). К преимуществам этих систем можно отнести такие [1,2]:

1) уменьшение стоимости запуска, по сравнению с геостационарными орбитами;

2) повышение надежности системы ввиду повышения количества ИСЗ;

3) возможность использования приемопередающих устройств с низкой энергетикой;

4) увеличение пропускной способности;

5) низкая задержка сигнала.

К настоящему времени реально функционируют несколько негеостационарных ССС. Вкратце опишем две из них: Iridium и GlobalStar [3-5]. Первая из них относится к числу спутниковых систем глобальной связи (ССГС), отличительной чертой которых является возможность обеспечивать абонента связью в любой точке планеты. Космический сегмент системы Iridium состоит из 66 спутников, расположенных на круговых приполярных орбитах с наклонением 86,4° и высотой 780 км., и обеспечивает 100% покрытие земной поверхности. ИСЗ размещены в 6 орбитальных плоскостях, в каждой из которых находятся по 11 спутников. Угловое расстояние между плоскостями равно 31,6°, за исключением 1 и 6 плоскостей угол между которыми составляет примерно 22°. На каждом ИСЗ установлено по 4 антенны межспутниковой связи, направленные в продольной и поперечной плоскостях, соответственно для связи с двумя смежными спутниками и двумя на соседней орбите. Подавляющее число соединений в Iridium устанавливается за счет использования межспутниковых каналов связи, применение которых дает очевидные преимущества:

1) система не нуждается в наличие шлюзовых станций в пределах видимости каждого ИСЗ;

2) возможность осуществления контроля и управления всем созвездием, используя информацию о состоянии любого спутника через промежуточные межспутниковые каналы;

3) наличие запасных межспутниковых каналов связи, позволяющих в случае какого-либо отказа построить обходной маршрут.

Система GlobalStar также предназначена для организации спутниковой связи. Космическая группировка состоит из 48 основных ИСЗ и 4 резервных, расположенных на 8 круговых орбитах - по 6 основных ИСЗ на каждой. Наклонение орбит составляет 52°, а высота - 1410км. Однако она, в отличие от ССС Iridium, не обладает независимостью от наземных телекоммуникационных сетей и не использует межспутниковые каналы связи. Последнее приводит к увеличению количества (до 200) и повышению сложности шлюзовых станций. Кроме того, ширина всей зоны обслуживания ограничена 70° северной и южной широты. Поэтому в Антарктиде, на Северном полюсе, в северных регионах России и Гренландии, в некоторых районах Северного морского пути пользование системой Globalstar невозможно (в ССГС Iridium подобной проблемы не возникает).

Сравнение двух рассмотренных систем показывает, что ССГС обладают одним важным достоинством по сравнению с другими разновидностями ССС, а именно: они могут обеспечивать глобальную связь в реальном масштабе времени, что повышает оперативность обмена информацией между абонентами самых различных категорий. В последнее время некоторые страны проводят разработку ССГС на низких и средних орбитах, среди которых хотелось бы отметить один интересный и амбициозный проект под названием Teledesic-ICO. В рамках этого проекта первоначально планировалось задействовать до 840 низкоорбитальных спутников, однако сейчас, по имеющейся информации, размещённой на официальном сайте компании Teledesic (http://www.teledesic.com), спутниковая группировка должна состоять из 288 ИСЗ, которая разделена на 12 орбит с 24 спутниками на каждой. При этом каждый ИСЗ может обмениваться данными по каналам межспутниковой связи ISL (Intersatellite Links - ISL) с восемью своими ближайшими соседями (со скоростью до 1,-2Гбит/с). Так как топология сети Teledesic должна постоянно меняться, образуя новые каналы связи и разрывая старые, то, как следствие, пакеты, на которые была разбита информация, будут следовать по разным маршрутам с разной скоростью и попадать в буфер земного терминала в произвольной последовательности. Оконечный терминал накопит пакеты в буфере, затем, используя информацию заголовков, перегруппирует их в нужном порядке и передаст конечному пользователю.

К сожалению, из большинства доступной литературы по ССГС нельзя понять ни методов проектирования таких систем, ни методов их оптимизации и, зачастую, даже баллистических параметров систем. Исключение составляют небольшие научные заметки, такие, как, например [6].

Первые открытые публикации, в которых систематически изучались методы проектирования и анализа ССГС, появились в 1993 году [7]. В них ставились задачи анализа и синтеза ССГС, расположенных на равновысоких круговых орбитах; движение ИСЗ считалось кеплеровым.

Дальнейшее развитие идей, изложенных в [7] происходило в рамках их обобщения на системы, расположенные на эллиптических орбитах и движение по-прежнему считалось невозмущенным [8]. В этих работах был развит математический аппарат моделирования ССГС и их исследования. Однако оставалось нерешенной задача создания аппарата исследований и проектирования баллистических структур ССГС, расположенных на возмущенных эллиптических орбитах. Разумеется, методами, изложенными в [7-9], можно отыскивать «нулевое приближение» баллистических параметров с тем, чтобы в дальнейшем рассматривать возмущения полученной «опорной» системы.

Возможен, однако, и другой подход: строить математическую модель с учетом эволюции орбит ИСЗ и обобщить методы, разработанные в [8,9] на исследование моделей, учитывающих возмущения. На наш взгляд, указанный подход позволит точнее определять поведение ССГС и гарантированно прогнозировать «живучесть» системы на достаточно длительные промежутки времени.

Как известно, одним из существенных возмущающих факторов является прецессия орбит, которая может достаточно быстро изменить топологию системы, рассчитанной для идеального кеплерового движения и тем самым сделать ее неработоспособной. Учет прецессии в самой модели позволит парировать возмущения, по крайней мере, на рассчитываемом временном промежутке.

В настоящей работе предлагаются математические модели, методы их исследования и алгоритмы анализа и синтеза баллистических структур спутниковых систем многоканальной связи, распложенных на прецессирующих эллиптических орбитах. Эти вопросы обсуждаются в главах 2 и 3 диссертации, а их результаты опубликованы в [10-14].

Следует отметить, что задачи исследования баллистических структур ССГС разбиваются на две большие подзадачи.

1) Обеспечение системой кратного обзора земной поверхности. Эта проблема изучается уже давно многими авторами. Перечисление работ и результатов, полученных в них, заняло бы очень много места, поэтому мы можем сослаться на библиографию к книге Г.В. Можаева [15].

2) Обеспечение межспутниковых связей по многим каналам (создание сети межспутниковой связи). Эта область исследований достаточно молода, и объем литературы по ней довольно немногочислен, а среди крупных работ здесь можно вновь отметить [6-9].

В данной диссертации рассматривается только вторая из указанных задач. Следует, однако, оговориться, что аппарат индикаторов, как показано, например в [7], может быть с успехом применен к изучению задач покрытия Земли, расположенными на невозмущенных эллиптических орбитах, а обобщение указанного математического аппарата, сделанное в этой работе, на возмущенного движения позволит решать задачу покрытия с учетом их возмущений.

Несомненно, что ССС достаточно критична к различного рода отклонениям любого ИСЗ от заданной траектории. Эти отклонения вызываются целым рядом возмущающих факторов: несферичность Земли, сопротивление атмосферы, гравитационное воздействие Луны и Солнца, давление солнечного света и т.д. Указанные факторы могут существенно изменить орбиту спутника даже в том случае, если их воздействие незначительно. Поэтому при более детальном анализе ССС на длительных промежутках времени необходимо принимать во внимание те или иные возмущения, в зависимости от рассматриваемой модели. Самыми ощутимыми являются первые три из них, и если высоту орбиты выбрать соответствующей средней орбите, то влиянием сопротивления атмосферы можно пренебречь, оставив только гравитационные возмущения. В этой работе строится теория движения ИСЗ по почти круговым средним орбитам, учитывающая совместные гравитационные возмущения от Земли, Луны и Солнца.

Необходимо заметить, что для определения возмущений ИСЗ используются две принципиально различные группы методов: численные и аналитические методы. Численные методы позволяют вычислять координаты ИСЗ с любой наперед заданной точностью и при этом не требуют построения специальной аналитической теории движения, которое зачастую сопряжено с большими трудностями. Но они (как еще в свое время отмечал Г.Н. Дубошин [16]) имеют существенные недостатки:

1) численное интегрирование дает результаты по крайне мере на не очень больших промежутках времени;

2) приближенное решение уравнений движения соответствует вполне определенным числовым значениям начальных данных и постоянных параметров.

К этому следует добавить, во-первых, резкое возрастание сложности задачи анализа ССС в целом ввиду увеличения количества спутников, и как следствие, возрастание машинного времени расчета итоговых результатов численными методами. Во-вторых, неопределенность в проектировании ССС, а именно: отсутствие удобных рабочих формул, получаемых аналитическими методами и описывающих движение ИСЗ, практически лишает нас возможности достаточно хорошо изучить поведение системы на большом интервале времени при изменении каких-либо ее начальных параметров. Между тем, аналитические методы позволяют быстро проанализировать большое число возможных вариантов среди многопараметрического семейства возможных орбит и наглядно представить себе влияние основных параметров, существенно сузив возможную область их изменения. Из всего вышеперечисленного видно, что для исследования ССС целесообразнее применять аналитические методы, в пользу которых и был сделан выбор в данной работе.

Итак, основными гравитационными возмущениями в движении ИСЗ являются возмущения, вызываемые несферичностью Земли и притяжением Луны и Солнца. На сегодняшний день они считаются достаточно хорошо изученными (см. библиографию в [17,18]). Однако важной остается проблема поиска таких оптимальных методов определения эволюции орбит, которые бы отличались простотой, эффективностью и более точным описанием реального движения. Большинство исследователей рассматривают указанные возмущения по отдельности. Прежде всего, такое ограничение вызвано большой сложностью уравнений движения, содержащих параметры, отвечающие за взаимное расположение притягивающих тел. Естественно, что для достаточно точного определения координат ИСЗ, необходимо совместно учитывать влияние сжатия Земли и притяжение Луны и Солнца. В работе Е.П. Аксенова [19] получены весьма компактные формулы, описывающие совокупные возмущения первого порядка. Однако они не учитывают параллаксы и эксцентриситеты возмущающих тел. Путем многократного осреднения по средней аномалии спутника в [20] выделяется только вековая, а в [21] только долгопериодическая части пертурбационной функции; возмущения элементов вычисляются полуаналитическими методами и численным интегрированием. В статях [22-24] отдельно выведены вековые и долгопериодические возмущения, что затрудняет их комбинированный учет. Вообще говоря, следует иметь в виду, что лунно-солнечные возмущения возрастают, а возмущения от нецентральности гравитационного поля Земли убывают с ростом высоты полета ИСЗ. Поэтому, при построении различных моделей движения спутников, нужно тщательным образом обращать внимание на их соотношение между собой. Так, например, в [25-31] построены аналитические и численно-аналитические теории движения суточных спутников Земли, в которых величины порядков возмущений от второй зональной гармоники геопотенциала и от Луны и Солнца совпадают.

Особый интерес представляет проблема изучения движения ИСЗ, расположенных на почти круговых средних орбитах, имеющих ряд очевидных преимуществ [15] (например, при баллистическом проектировании спутниковых систем, появляется возможность использовать концепцию «номинальных» движений). Статья [32] исследует движение таких спутников, но только вблизи экватора планеты, считая орбиты внешних тел круговыми. В этой, а также во всех других упомянутых работах в пертурбационной функции гравитационного поля Земли учитывались только лишь несколько первых зональных гармоник, что, разумеется, недостаточно для анализа эволюции средних орбит. Настоящее исследование призвано восполнить указанный пробел. В данной диссертации, при помощи методики, предложенной Г.В. Можаевым в [33], и опирающейся на теорию осреднения Волосова [34], получены формулы описывающие возмущения, вызываемые зональными, секториальными, тессеральными гармониками геопотенциала и влиянием Луны и Солнца, причем для медленно изменяющихся параметров орбиты найдено второе приближение, а для быстрой переменной, описывающей скорость движения ИСЗ по орбите,- первое приближение, относящееся к лунно-солнечным возмущениям, и близкое ко второму, соответствующее возмущениям от нецентральности гравитационного поля Земли.

В этой работе разработаны два метода решения уравнений, которые необходимы нам для построения аппарата исследования ССГС и используются в последующих главах. Первый метод позволяет найти проекцию заданной точки в линейном нормированном пространстве на многообразие : / (*) = 0}, Где / - гельдерова функция, в частности, этот метод позволяет решить уравнение /(*) = 0 с указанной функцией в левой части. Опубликован метод в [35].

Второй метод посвящен методу последовательных приближений решения автономного дифференциального уравнения, правая часть которого разложена по степеням малого параметра £. Показывается, что если известно решение некоторого более простого уравнения и выполняются некоторые условия, то приближенное решение исходного уравнения может быть найдено с помощью видоизмененного метода последовательных приближений с погрешностью порядка о (е) на интервале времени Af ~ 1 /е .

Следует отметить, что на наш взгляд результаты главы 1 нельзя рассматривать только как вспомогательные для дальнейшего изложения, поскольку они представляют и самостоятельный теоретический и практический интерес.

Актуальность проблемы. Современная жизнь все больше зависит от беспроводных сетей персональной мобильной связи, из которых наибольшее распространение получили системы сотовой связи. Однако возможность эффективного построения наземных сотовых систем существует далеко не везде. Так, например, для профессионалов бизнеса, путешественников, жителей, проживающих в районах с низкоразвитой или отсутствующей связью, служб спасения, морских судов, самолетов и т.д. необходима многофункциональная и удобная связь с любой точкой планеты и с единым глобальным номером. Для оборонных целей требуются системы связи, которые могли бы использоваться в случаях раннего обнаружения пусков ракет, произведения взрывов и т.п., а также для быстрой передачи информации.

Один из способов решения этой проблемы заключается в применении ССГС, обеспечивающих обмен информацией между любыми, абонентами самых различных категорий, расположенных в произвольных регионах Земли и на любых расстояниях.

Среди ССГС особого внимания заслуживают системы, использующие межспутниковые каналы связи, которые дают возможность абонентам устанавливать соединение без вмешательства наземных линий связи. Употребление межспутниковых каналов значительно уменьшает число шлюзовых станций и повышает надежность всей системы.

Развитый в настоящее время для проектирования и анализа таких систем математический аппарат, как уже отмечалось выше, используется только лишь в тех случаях, когда ИСЗ перемещаются по невозмущенным эллиптическим орбитам. Актуальным является обобщение этого математического аппарата применительно к прецессирующим орбитам.

На сегодняшний день значительная часть аналитических теорий движения ИСЗ рассматривают отдельно возмущения, вызываемые несферичностью Земли и отдельно возмущения, обусловленные притяжением Луны и Солнца. Однако если требуется достаточно высокая точность определения координат ИСЗ на длительных интервалах времени, необходимо учитывать их суммарное влияние, вследствие чего возникает потребность в построении соответствующих аналитических методов.

Общеизвестно, что задачи проектирования точки на множество, как правило, решаются для выпуклых многообразий. Актуальной как в теоретическом, так и в практическом плане остается проблема построения и последующего обоснования методов проектирования на многообразия более общего вида.

Целью диссертационной работы является создание и обоснование математических моделей, методов и алгоритмов анализа и синтеза ССГС, расположенных на прецессирующих эллиптических орбитах.

Задачи исследования. В диссертации можно выделить следующие наиболее существенные задачи:

1) разработка алгоритма проектирования заданной точки в линейном нормированном пространстве на многообразие : / (х) = 0} при гельдеровости /; доказательство его сходимости;

2) обоснование частного случая метода последовательных приближений для решения автономных дифференциальных уравнений, содержащих малый параметр;

3) постановка задачи анализа и синтеза баллистических структур спутниковых систем многоканальной связи, расположенных на прецессирующих эллиптических орбитах;

4) доказательство липшицевости индикатора цикла и индикатора к-канальной связи;

5) разработка для поставленных задач алгоритмов их решения;

6) демонстрация работы алгоритмов анализа и синтеза на численных примерах;

7) построение аналитических моделей и методов расчета движения ИСЗ по почти круговым средним орбитам, учитывающих совместные возмущения от несферичности Земли и притяжения Луны и Солнца.

Методы исследования. Решения задач базируются на методах небесной механики, классического математического и функционального анализа, осреднения Волосова, теории графов, обыкновенных дифференциальных уравнений.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней

1) совместно с научным руководителем предложен новый алгоритм нахождения решения уравнения fix) = 0 при гельдеровости функции fix);

2) предложен новый метод решения автономных дифференциальных уравнений, правая часть которых может быть разложена по степеням малого параметра;

3) разработаны новые алгоритмы решения задач анализа и синтеза баллистических структур спутниковых систем многоканальной связи на прецессирующих эллиптических орбитах;

4) получены формулы для определения возмущений в движении ИСЗ по почти круговым средним орбитам, одновременно учитывающие влияние несферичности Земли и лунно-солнечные возмущения.

Практическая ценность. Разработанные в диссертации алгоритмы анализа и синтеза спутниковых систем многоканальной связи могут применяться как для анализа уже существующих ССГС, так и для проектирования новых. Развитый математический аппарат может с успехом использоваться при решении и других прикладных задач. Например, аппарат индикаторов - в задаче кратного обзора земной поверхности; метод поиска нуля функции - в любой задаче, где требуется решить уравнение /(*) = 0 с негладкой (липшицевой, гельдеровой) левой частью; частный случай метода последовательных приближений - также в любой задаче, в которой возникает необходимость решения соответствующих дифференциальных уравнений.

Конечные формулы для возмущений элементов орбиты спутника позволяют достаточно точно определять координаты ИСЗ на большом интервале времени. Кроме того, их можно использовать для исследования свойств возмущений при различных значениях начальных параметров.

Реализация результатов работы. Полученные в диссертации результаты реализованы в совместных работах с Академией наук Республики Татарстан, а также в рамках научно-исследовательских работ, поддерживаемых Фондом НИОКР РТ:

1) Этап 2001г. «Разработка методов, алгоритмов, программных комплексов оптимизации управления и проектирования динамических систем с учетом возмущающих воздействий».

Тема: «Методы и информационные технологии оптимальных и нечетких решений».

Договор-подряд № 05-5.2-89 / 2001 (Ф).

2) Этап 2002г. «Построение и исследование математических моделей сложных динамических и статических систем».

Тема: «Модели, методы и программное обеспечение оптимального проектирования и оценивания сложных детерминированных и стохастических систем».

Договор-подряд № 05-5.2-195 / 2002 (Ф).

3) Этап 2003г. «Методы и алгоритмы исследования математических моделей сложных динамических и статических систем». Тема: «Модели, методы и программное обеспечение оптимального проектирования и оценивания сложных детерминированных и стохастических систем».

Договор-подряд № 05-5.2-195 / 2003 (Ф).

Указанные договоры входят в «Программу развития приоритетных направлений науки в Республике Татарстан» на 2001-2005 годы.

На защиту выносятся:

1) алгоритм нахождения решения уравнения fix) = 0 при гельдеровости функции f{x);

2) метод решения автономных дифференциальных уравнений, правая часть которых может быть разложена по степеням малого параметра;

3) математические модели задач анализа и синтеза баллистических структур спутниковых систем многоканальной связи на прецессирую-щих эллиптических орбитах;

4) алгоритмы решения задач анализа и синтеза;

5) формулы для определения возмущений в движении ИСЗ по почти круговым средним орбитам, одновременно учитывающие влияние несферичности Земли и лунно-солнечные возмущения;

6) результаты численных экспериментов.

Апробация результатов исследований. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 6-ая Международная конференция «Системный анализ и управление космическими комплексами» (Евпатория, 2-8 июля 2001); Международная молодежная конференция «XXX Гагаринские чтения» (Москва, 6-10 апреля 2004); принят доклад на 9-ую Международную конференцию «Системный анализ и управление» (Евпатория, 4-11 июля 2004).

Публикации по теме диссертации. Основное содержание работы отражено в 6 печатных работах [10-14, 35], в том числе в 2 научных статьях журналов Российской Академии наук.

Результаты, полученные при совместных исследованиях.

1) Формулировка алгоритма проектирования точки на многообразие {х : / (х) = 0} из гл. 1 принадлежит В.И. Заботину. Доказательство сходимости метода проектирования получено совместно В.И. Заботи-ным и автором диссертации.

2) Постановки задач анализа и синтеза ССГС на прецессирующих орбитах (гл.2, 3) принадлежат научному руководителю В.И. Заботину.

3) Алгоритмы решения задач анализа и синтеза ССГС на прецессирующих эллиптических орбитах из гл.2,3 разработаны совместно с В.И. Заботиным.

4) Остальные результаты получены автором диссертации - A.M. Дуллие-вым.

Структура работы. По своему содержанию диссертация разделена на введение, 4 главы, заключение и библиографический список, включающий 57 наименований.

Во введении обсуждается современное состояние проблем, которые исследуются в диссертации, дается обоснование выбора темы, формулируются цели и задачи исследования, показывается научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приводятся защищаемые положения, кратко излагаются полученные результаты в виде аннотаций по главам.

В главе 1 разрабатывается алгоритм нахождения ближайшего к заданной точке решения уравнения / (х) = 0, при условии, что функция / определена на выпуклом компактном множестве из линейного нормированного пространства и является гельдеровой. Рассматривается частный случай метода последовательных приближений для решения автономного дифференциального уравнения, правая часть которого содержит малый параметр е. Показывается, что если известно решение некоторого более простого уравнения и выполняются некоторые условия, то приближенное решение исходного уравнения может быть найдено с помощью видоизмененного метода последовательных приближений с погрешностью порядка о (е) на интервале времени А / ~ 1 /е.

Во второй главе изучается задача анализа баллистических структур спутниковых систем многоканальной связи. Вводятся две модели межспутниковых каналов связи в системах ИСЗ на прецессирующих эллиптических орбитах. В предположении, что системы обеспечивают непрерывный обзор Земли нужной кратности, для этих моделей строятся алгоритмы анализа баллистических структур систем на предмет обеспечения многоканальной глобальной связи и организации соответствующих межспутниковых каналов. Работа алгоритмов демонстрируется несколькими примерами.

В третьей главе обсуждается вопрос синтеза баллистических параметров спутниковых систем многоканальной глобальной связи для одной из моделей, рассмотренной в гл. 2. Вводится понятие индикатора ^-канальной межспутниковой связи и строится алгоритм синтеза. Теоретические результаты иллюстрируются конкретными расчетами.

Глава 4 посвящена исследованию совместных возмущений в движении ИСЗ, вызванных зональными, секториальными, тессеральными гармониками геопотенциала и притяжением Луны и Солнца. В силовой функции гравитационного поля Земли учитывается произвольное количество сферических гармоник, в возмущающей функции от Солнца только главный член, а в возмущающей функции от Луны, кроме главного, еще и два параллактических. Высота полета выбирается так, что возмущения от Луны и Солнца имеют второй порядок малости по отношению к полярному сжатию Земли. В результате получены компактные формулы, дающие высокую точность на больших интервалах времени.

В заключение работы приведены основные выводы по результатам диссертационного исследования, а также некоторые направления будущих исследований.

В работе использована следующая нумерация утвеждений, следствий, алгоритмов, формул и таблиц. В номере первое число соответствует главе, второе - порядковому номеру внутри главы.

Слова глубочайшей признательности автор адресует своему учителю, профессору В.И. Заботину. Также он благодарит Т.Ф. Миннибаева за помощь в проведении расчетов для гл. 4.

Выводы к главе 4

Раздел 4.1. Поставлена задача эволюции средних почти круговых орбит ИСЗ под влиянием нецентральности гравитационного поля Земли и лунно-солнечных возмущений. Введены основные предположения и обозначения. Получены уравнения движения в форме, удобной для применения метода осреднения.

Раздел 4.2. Методом осреднения получено второе приближение для щ медленных переменных.

Раздел 4.3. Методом осреднения получено первое приближение для быстрой переменной.

Раздел 4.3. С помощью итоговых рабочих формул проведено исследование движения нескольких ИСЗ. Полученное аналитическое решение по сравнению с численным интегрированием обеспечило ошибки ~ 0,00001 для медленных переменных и ~ 0,0001 для быстрой переменной на интервале ~600 витков. т

Заключение

В заключение еще раз перечислим результаты, полученные в диссертационной работе.

1) Построен алгоритм поиска ближайшего к заданной точке решения уравнения /(х) = 0 на выпуклом компакте хе А при гельдеровости функции f(x), или, что то же самое, алгоритм проектирования точки на множество {хех4:/(х) = 0}; доказаны его сходимость и серия следствий.

2) Получен видоизмененный метод последовательных приближений, используемый для решения некоторых автономных дифференциальных уравнений, содержащих в правой части малый параметр. Представляется перспективным использование этого метода в задаче исследования эволюции орбит ИСЗ.

3) Введены две модели систем ИСЗ на прецессирующих эллиптических орбитах - Модель 1 иМодель 2. Поставлена задача анализа баллистических структур спутниковых систем многоканальной связи.

4) Для каждой из введенных моделей обобщено понятие индикаторов цикла и получены их аналитические выражения как функций времени и параметров. Доказана липшицевость индикаторов цикла как функций времени и получены оптимальные достижимые оценки постоянных Липшица.

5) Построены алгоритмы анализа Модели 1 иМодели 2,с помощью которых проведено исследование нескольких систем ИСЗ. Результаты вычислений показали эффективность полученных алгоритмов. Как и следовало ожидать (ввиду конструктивных особенностей ИСЗ), при одних и тех же параметрах орбиты Модель 2 реже удовлетворяла достаточным условиям многоканальной связи, чем Модель 1.

6) Поставлена задача синтеза структур спутниковых систем ^-канальной связи, расположенных на прецессирующих эллиптических орбитах. Обобщено понятие индикатора ^-канальной связи и доказана его лип-шицевость как функции начальных параметров системы, по каждому из которых получены оптимальные оценки постоянных Липшица.

7) Построен принципиальный алгоритм синтеза Модели 1 ис его помощью изучено два примера систем ИСЗ. Эффективность работы алгоритма синтеза была подтверждена алгоритмом анализа, в котором в качестве входных данных использовались результаты численного эксперимента.

8) Поставлена задача эволюции средних почти круговых орбит ИСЗ под влиянием нецентральности гравитационного поля Земли и лунно-солнечных возмущений.

9) Методом осреднения получено второе приближение для медленных переменных и первое приближение для быстрой переменной.

10) С помощью итоговых рабочих формул, полученных в гл.4, проведено исследование движения нескольких ИСЗ. Полученное аналитическое решение по сравнению с численным интегрированием обеспечило ошибки ~ 0,00001 для медленных переменных и ~ 0,0001 для быстрой переменной на интервале ~ 600 витков.

Конечно, завершая исследование, мы далеки от мысли, что тем самым завершается изучение рассмотренных нами проблем. Поэтому сделаем некоторые дополнения и выскажем ряд соображений по поводу отдельных вопросов, поднятых нами в диссертационной работе.

Применительно к задаче проектирования точки невыпуклое многообразие : / (дс) = 0} при гельдеровости функции / (гл.1) можно было бы поставить вопрос об обобщении полученного алгоритма на класс функций, оцениваемых квазивыпуклыми функциями. Для более полного исследования частного случая метода последовательных приближений по степеням малого параметра (гл.1) немаловажно провести сравнительный анализ полученной погрешности с соответствующей ей в стандартном методе.

По-видимому, задачу синтеза из гл. 3, можно было бы решать и методами, предложенными Г.В. Можаевым в [15], в которых оптимизация проводится в определенном множестве классов кинематически симметричных либо кинематически правильных систем.

В рамках поставленной нами задачи в гл. 4 и опираясь на работу [57], обратим внимание на то, что элементы орбиты можно выбрать таким образом, чтобы величина Y0 в уравнении для быстрой переменной являлась константой. В этом случае, зная всего лишь второе приближение для медленной переменной,- а не третье, как того требует стандартная схема осреднения Волосова [34],- можно найти второе приближение для быстрой переменной. Преимуществом этого подхода следует признать еще и то, что простота решения вырожденного уравнения существенно облегчает процедуру осреднения.

Разумеется, полезно параллельно рассмотреть задачу о поведении элементов орбиты, принимая во внимание любое число гармоник в разложении возмущающей функции Луны и Солнца, а не только первые три, как это было сделано в данной работе. Для ее решения удобно воспользоваться предположе нием, что величина М,-М,0--и имеет порядок £ на интервале Дм ~ \!£.

Тогда при осреднение вдоль траектории вырожденного уравнения, не нарушая точности, среднюю аномалию возмущающего тела М» в пертурбационной функции можно заменить на М*0 н--и. Достоинством данной замены будет

V. являться возможность исследования так называемого резонансного движения ИСЗ, т.е. такого, при котором период обращения спутника соизмерим с периодом обращения возмущающего тела. Более того, исходная система приводится к такому виду, в котором правые части уравнений, имеющие порядок £2, для медленных переменных не зависят от быстрой переменной. Это в свою очередь дает право провести процедуру осреднения, опуская требование независимости средних значений типа (4.7) для всех встречающихся функций от выбора траектории невозмущенного уравнения.

Можно продолжить перечень вопросов и возможных ответов на них. А это, в сочетании с многоплановостью проблематики, обуславливает необходимость дальнейшего исследования в указанных направлениях.

1. Спутниковые системы связи и компьютерные сети. Том 28, «Технологии электронных коммутаций». Под ред. Виноградова Б.Н., Дрожжинова В.И. М., 1992.

2. Беллами Дж. Цифровая телефония. М., «Радио и связь», 1986.

3. Дятлов А. П. Системы спутниковой связи с подвижными объектами. 4.1. Таганрог. ТРТУ, 1997.

4. Кантор Л.Я., Поволоцкий И.С. Системы персональной подвижной связи через низкоорбитальные ИСЗ // Вестник связи. 1994. №11.

5. Бобровский Д.Г. Низкоорбитальные спутниковые системы связи // Сети.1992. №4.

6. Lawton J. A. Numerical method for rapidly determining satellite satellite and satellite - ground station in view periods // J. Guidance, Control and Dynamics. 1987. v.10. №1. p. 32-36.

7. Галиев Ш.И., Заботин В.И. Модели спутниковых систем глобальной связи и методы анализа и синтеза их структур // Исследования Земли из Космоса.1993. №5. С. 66-74.

8. Заботин В.И. Модели спутниковых систем глобальной связи на эллиптических орбитах // Исследования Земли из Космоса. 1994. №5. С. 70-77.

9. Заботин В.И. Достаточные условия существования спутниковых систем многоканальной глобальной связи. // Космические исследования. 2000. Т. 38. №1. С. 97-101.

10. Осецкий А.П., Дуллиев A.M. Анализ систем канальной глобальной спутниковой связи и систем покрытия Земли // Научно-техническая конференция «IX-ые всероссийские туполевские чтения студентов»: Сб. тез. Казань, 2000.-Т.2. С.13.

11. Дуллиев A.M., Заботим В.И. Анализ баллистических структур спутниковых систем многоканальной связи на прецессирующих эллиптических орбитах // Космические исследования. 2003. Т. 41. №6. С. 616-621.

12. Дуллиев A.M., Заботим В.И. Алгоритм выбора параметров спутниковых систем многоканальной связи на прецессирующих эллиптических орбитах // Известия вузов. Сер. Авиационная техника. 2004. №1. С. 13-16.

13. Дуллиев A.M. Задача выбора параметров спутниковых систем многоканальной связи на прецессирующих эллиптических орбитах // 30-ая международная конференция «Гагаринские чтения»: Сб. тез. Москва, 2004.

14. Можаев Г.В. Синтез орбитальных структур спутниковых систем (теоретико-групповой подход). М.: Машиностроение, 1989.

15. Дубошин Г.Н. О современных задачах небесной механики // Бюллетень института теоретической астрономии. 1967. Т.П. №1. С. 1-13.

16. Журавлев С.Г., Емельянов Н.В., Носков Б.Н. и др. Движение искусственных спутников Земли // Итоги науки и техники. Сер. Исследование космического пространства. 1980. Т. 15. М.: Наука, 1980.

17. Емельянов Н.В. Влияние притяжения Луны и Солнца на движение ИСЗ // Итоги науки и техники. Сер. Исследование космического пространства. 1980. Т.15. М.: Наука, 1980.

18. Аксенов Е.П. Теория движения искусственных спутников Земли. М.: Наука, 1977.

19. Costa I. V., Prado A.F.B.A. Orbital Evolution of a Satellite Perturbed by a Third Body // Advances in Space Dynamics. Institute Nacional de Pesquisas Espaciais. 2000. pp. 176-194.

20. Musen P. On the long-period lunar and solar effects on the motion of an artificial satellite. 1, 2 //J. Geophys. Res. 1961. № 6, 9. pp. 1659-1665, 2797-2805.

21. Тимогикова Е.И., Холшевников K.B. Лунно-солнечные возмущения в движении спутников планеты // Уч. записки. ЛГУ. 1974. № 373. С. 141-156.

22. Долгачев В.П. О движении далеких ИСЗ в гравитационном поле Земли и Луны // Вест. МГУ. Физ., астрон. 1968. № 1. 94-100.

23. Долгачев В.П. Долгопериодические возмущения элементов орбит искусственных спутников Земли, обусловленные притяжением Луны // Вест. МГУ. Физ., астрон. 1974. № 5. 591-596.

24. Журавлев С.Г. Аналитическая теория движения суточного спутника. Часть I, II. Промежуточная орбита // Проблемы мех. управляемого движения. Пермь. 1972. № 1. С. 68-99.

25. Тимошкова Е.И. Приближенная аналитическая теория движения стационарного ИСЗ // Уч. записки. ЛГУ. 1977. № 390. С. 77-90.

26. Takeuchi S., Matsushima К. The study of the motion of an artificial satellite under gravitational attractions of the Sun and the Moon // Techn. Rept. Nat. Aerosp. Lab. 1973. № 326. p. 1-26.

27. Кузнецов Э.Д Оценка влияния Луны, Солнца и светового давления на движение геостационарного спутника // Вестник СПбГУ. Сер. 1.1992. № 15. С. 77-84.

28. Вашковъяк М.А. О методе приближенного расчета движения стационарного искусственного спутника Земли // Космические исследования. 1972. Т. 10. №2. С. 147-157.

29. Вашковьяк М.А., JIudoe М.Л. О приближенном описании эволюции орбиты стационарного ИСЗ // Космические исследования. 1973. Т. 11. № 3. С. 347349.

30. Тимошкова ЕЖ, Поляхова Е.Н. Почти круговые спутника планеты, движущегося вблизи ее экваториальной плоскости // Вестник ЛГУ. 1977. № 7. С. 150-156.

31. Можаев Г. В. Исследование эволюции почти круговых орбит в гравитационном поле Земли с учетом произвольного числа сферических гармоник // Космические исследования. 1997. Т. 35. №1. С. 76-90.

32. Волосов В.М., Моргунов Б.И. Метод осреднения в теории нелинейных колебательных систем. М.: МГУ, 1971.

33. Заботин В.И., Дуллиев A.M. Итерационный алгоритм проектирования точки на невыпуклое многообразие в линейном нормированном пространстве // Жур. вычисл. матем. и матем. физ. 2004. Т.44. №5. С. 834-837.

34. Евтушенко Ю.Г. Численный метод поиска глобального экстремума функций (перебор на неравномерной сетке) // Жур. вычисл. матем. и матем. физ. 1971. Т.П. №6. С. 1390-1403.

35. Евтушенко Ю.Г. Методы решения экстремальных задач и их применение в системах оптимизации. М.: Наука, 1982.

36. Ганшин Г.С. Методы оптимизации и решение уравнений. М.: Наука, 1987.

37. Нефедов В.Н. Отыскание глобального максимума функции нескольких переменных на множестве, заданном ограничениями типа неравенств // Жур. Вычисл. матем. и матем. физ. 1987. Т.27. №1. С. 35-50.

38. Васильев Ф.П. Численные методы решения экстремальных задач. М.: Наука, 1988.

39. Данилин Ю.М. Оценка эффективности одного алгоритма отыскания абсолютного минимума // Жур. вычисл. матем. и матем. физ. 1971. Т.П. №4. С. 1026-1031.

40. Пиявский С. А. Один алгоритм отыскания абсолютного экстремума функции //Жур. вычисл. матем. и матем. физ. 1972. Т. 12. №4. С. 888-896.

41. Боголюбов Н.Н., Митрополъский Ю.А. Асимптотические методы в теории нелинейных колебаний. М.: Физматгиз, 1974.

42. Моисеев Н.Н. Асимптотические методы нелинейной механики. М.: Наука,1981.

43. Понтрягин JI.C. Обыкновенные дифференциальные уравнения. М.: Наука,1982.

44. Чезари JI. Асимптотическое поведение и устойчивость решений обыкновенных дифференциальных уравнений. М.: Мир, 1964.

45. Кузьмина Р. П. Метод малого параметра в регулярно возмущенной задаче Коши. М.: МГУ, 1991.

46. Кузьмина Р.И О методе последовательных приближений // Диф.ур. 1987. Т.23. №2. С.352-353.

47. Горощеня А.Б., Веснина А.А. Введение в асимптотические методы теории дифференциальных уравнений. Омск. 1975.

48. Можаев Г.В. Об описании движения искусственных спутников в гравитационном поле Земли в первом приближении // Космические исследования. 2000. Т. 38. №4. С. 423-431.

49. Можаев Г.В. Исправления к статье «Об описании движения искусственных спутников в гравитационном поле Земли в первом приближении» (2000. Т. 38. №. 4) // Космические исследования. 2002. Т. 40. №3.

50. Дубошин Г.Н. Небесная механика. Основные задачи и методы. М.: Наука, 1968.

51. Можаев Г.В., Парфенов С.В. Модели номинальных движений спутниковых систем // Полет. 2001. №9. С. 28-35.

52. Элъясберг П.Е. Введение в теорию полета искусственных спутников Земли. М.: Наука, 1965.

53. Roy A.E. Luni-solar perturbations of an Earth satellite // Astrophys. and Space Sci. 1969. №4. pp. 375-386.

54. Kaula M. W. Development of the Lunar and Solar Disturbing Functions for a Close Satellite // Astronomical Journal. 1962, Vol. 67, № 5, pp. 300-303.

55. Можаев Г. В. О движении по почти круговым орбитам в гравитационном поле Земли // Космические исследования. 1997. Т. 35. №6. С. 624-636