автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Метод проектирования региональной системы дистанционного зондирования Земли на базе малых искусственных спутников с оптико-электронной целевой аппаратурой

1.1 Тенденции развития систем дистанционного зондирования Земли

1.2 Специфика требований к информации дистанционного зондирования Земли

1.2.1 Сельское хозяйство

1.2.2 Климатология, контроль глобальных атмосферных изменений

1.2.3 Поиск полезных ископаемых и энергоносителей

1.2.4 Землепользование

1.2.5 Наблюдение прибрежных зон и океанов

1.2.6 Лесное хозяйство

1.2.7 Контроль водных ресурсов

1.2.8 Мониторинг чрезвычайных ситуаций

1.2.9 Задачи, актуальные для региональной системы ДЗЗ

1.3 Методы и аппаратные средства систем ДЗЗ

1.3.1 Фотоаппаратура

1.3.2 Телевизионное сканирующее устройство

1.3.3 Кадровая телевизионная система 1.4 Структура проектной задачи

1.4.1 Состав космической системы ДЗЗ

1.4.2 Декомпозиция проектной задачи на уровнях орбитального комплекса и КА ДЗЗ

1.4.3 Типы проектных задач решаемых с использованием математических моделей

Глава 2. ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА ДЗЗ

2.1 Обобщенные параметры оптико-электронной системы и виды съемки

2.1.1 Состав и основные проектные параметры оптико-электронных систем

2.1.2 Оптические системы для спутниковых систем зондирования

2.1.3 Типы приборов с зарядовой связью (ПЗС) фотоприемника

2.1.4 Разрешающая способность и линейное разрешение ОЭС

2.1.5 Классификация изображений и метод их реализации Определение потребного числа приемных элементов (пикселей) для обеспечения заданной полосы захвата Методика определения массы и энергопотребления оптико-электронной системы (ОЭС) спутников ДЗЗ

2.3.1 Массовая модель оптической части ОЭС

2.3.2 Массо-энергетическая модель электронной части ОЭС Численный анализ на основе разработанной методики

Глава 3. БАЛЛИСТИЧЕСКОЕ ПОСТРОЕНИЕ ОРБИТАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ

3.1 Задачи проектно-баллистического анализа систем

3.2 Кинематические параметры орбит ДЗЗ

3.2.1 Трасса спутника

3.2.2 Зона обзора на поверхности

3.2.3 Полоса обзора

3.2.4 Солнечно-синхронная орбита

3.2.5 Условие кратности

3.2.6 Определение времени баллистического сушествования ИСЗ

3.3 Определение высоты (периода) круговой орбиты для непрерывного обзора с кратностью Кс суток заданного региона земной поверхности единичным аппаратом

3.4 Определение полосы обзора регионального спутника ДЗЗ

3.5 Анализ космической группировки системы ДЗЗ глобального покрытия поверхности

3.6 Построение космической группировки ИСЗ дистанционного зондирования Земли

3.6.1 Определение величины характеристической скорости космического блока и его энерго-массовых характеристик при разведении спутников в плоскости орбиты за заданный интервал времени

3.6.2 Определение величины характеристической скорости для поддержания орбиты спутника для заданного интервала времени использование активных средств поддержания группировки низкоорбитальных ИСЗ)

3.6.3 Затраты характеристической скорости на поддержание орбитальной группировки

3.6.4 Разброс параметров рабочей орбиты

Глава 4. АЛГОРИТМ ПРОЕКТНОЙ ЗАДАЧИ

4.1 Задача информационного баланса

4.2 Орбитальное построение системы

4.3 Определение обобщенных параметров оптико-электронного модуля системы ДЗЗ

4.4 Статистическая модель оценки массовых характеристик ЛА

Глава 5. ПРИКЛАДНЫЕ ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

РЕГИОНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО зондирования

5.1 Постановка прикладной задачи и варианты ее решения

5.2. Космическая система регионального ДЗЗ

5.3. Сравнительный анализ массовых характеристик космической системы ДЗЗ "ИРИС"

История российских космических систем дистанционного зондирования началась 25 июня 1966 года запуском "Космос - 122" (американский метеорологический ИСЗ "Тирос - 1" запущен в 1960 году).

Первоначально эти системы имели метеорологическую направленность и разрешение в десятки километров. Почти за сорок лет совершенствования их функции многократно умножились.

В "Проекте государственной космической программы Российской Федерации" 1992 года представлено все многообразие систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ):/44/

• мониторинг окружающей среды и природопользование;

• поиск, изучение и контроль природных ресурсов;

• исследование динамики природных и техногенных процессов;

• целевое картографирование (строительство, формирование природоресурсных кадастров в широком диапазоне масштабов 1+10000 - 1+10000000);

• метеорология и климатология;

• изучение стихийных явлений и чрезвычайных ситуаций.

При этом пространственное разрешение повысилось на несколько порядков (до единиц и долей метра), а информационные потоки до сотен Мбит/с. От экспериментальных систем ДЗЗ перешли в разряд коммерческих.

Тенденция миниатюризации коснулась и систем ДЗЗ. В программах 2000 - 2015 гг. более 25% ИСЗ будут легче 200 кг, более 50% - легче 500 кг./21/

Диссертационная работа посвящена анализу современного уровня и тенденций развития систем дистанционного зондирования Земли и разработке логики и математического аппарата выбора проектных параметров космического сектора систем, построенных на использовании малых спутников.

Актуальность разработки связана с внедрением систем ДЗЗ, ориентированных на конкретный достаточно узкий круг задач и локальные регионы применения.

Рассматривается локальная (региональная) система ДЗЗ на базе малых спутников и ограниченного количества наземных станций управления и обработки целевой информации.

Региональная система позволяет использовать ограниченные ресурсы:

• один или несколько однотипных аппаратов ограниченной массы и мощности;

• низкую или средневысотную орбиту, позволяющую применять простую оптику при удовлетворительном пространственном разрешении;

• невысокую радио-информативность и ограниченную "бортовую память ";

• относительно грубую ориентацию (возможно, наблюдение в надир).

Вместе с тем такая система допускает работу в интерактивном режиме, когда оператор в реальном времени (или используя разномасштабную "бортовую память") в потоке информации выделяет области детального наблюдения или частотный диапазон в соответствии с целевым назначением информации./31/

Научная новизна заключается в создании алгоритма итерационной процедуры проектирования, позволяющего решать в едином плане проектно-баллистические задачи орбитального построения системы и выбора компоновочных и конструктивных параметров систем бортового комплекса.

Учитываются перекрестные связи при определении характеристик полосы обзора и параметров оптической системы, информационные связи воспринимающей и транслирующей систем с привязкой к возможностям наземной станции.

Обработанная статистика позволяет по обобщающим характеристикам целевого информационного модуля достроить бортовой комплекс, оценив его энерго-массовые характеристики. Практическая значимость представлена:

• сформулированными требованиями к современной системе ДЗЗ локального целевого применения на базе малых спутников;

• разработкой законченного цикла программ, представляющего в едином контексте конструктивную статистику, баллистический анализ и методику построения информационного тракта (оптическую — ПЗС — передающую системы);

• созданием комплекса методик орбитального построения -выведения одним носителем, формирования и поддержания орбитальной структуры — с выходом на характеристики исполнительной двигательной установки;

• созданием методики оценки точности (разброса) выбираемых параметров с определением необходимых гарантированных масс этапа первичного проектирования системы.

Содержание работы

Диссертационная работа включает пять глав. В первой «Основные направления развития систем дистанционного зондирования Земли. Принципы проектирования» представлены тенденции развития систем ДЗЗ, роль систем на базе малых спутников. Целевое назначение связывается с аппаратными средствами приема, обработки и трансляции информации на Землю. Представлена структура проектной задачи, формулируются критерии разработки на уровне орбитальной системы и единичного спутника.

Во второй главе представлены закономерности формирования оптико-электронной системы. Параметры оптико-электронного тракта, их массовые и энергетические характеристики рассматриваются на базе конструктивных моделей. Обслуживающие системы выстраиваются с использованием статистики.

Третья глава посвящена баллистическому построению системы, орбитальному построению серии ИСЗ и их взаимодействию с наземным информационно-управляющим комплексом. Анализируется связь между орбитальными характеристиками, шириной полосы обзора, количеством ИСЗ и кратностью покрытия региона обслуживания. Рассматриваются задачи формирования группировки и поддержания орбитального построения с оценкой суммарной характеристической скорости и выходом на массовые характеристики.

Глава четвертая - центральное звено проектного анализа, где в едином алгоритме целевые задачи совмещаются с конструктивными и баллистическими, устанавливается последовательность исследования и итерационные процедуры последовательного уточнения решения.

Пятая глава - прикладная. На базе разработанного метода формируются две системы регионального обзора дистанционного зондирования. Рассматривается единичный аппарат и орбитальная структура серии ИСЗ. Подтверждаются точностные характеристики методики и ее прикладные возможности.

В Выводах:

• перечисляются методические принципы проектирования системы ДЗЗ на базе малых ИСЗ;

• дается оценка точности методики;

• иллюстрируются прикладные возможности разработанной теории.

Публикации по теме диссертации /31,32,33/ представляют центральные звенья работы:

• концепцию и тенденции развития рассматриваемого класса систем ДЗЗ;

• принципы орбитального построения;

• взаимосвязи целевой и обслуживающих систем бортового комплекса;

• конструктивные требования к компоновке, динамике движения ИСЗ относительно центра масс.

Выводы

1. Разработан метод выбора проектных параметров региональной системы космического зондирования Земли на базе малых спутников, ориентированной на:

- эффективное природопользование (сельское, лесное, водное хозяйство, поиски полезных ископаемых);

- масштабное строительство (коммуникаций, экологически напряженных объектов, интенсивно развивающихся городов);

- анализ чрезвычайных ситуаций (землетрясений, паводков, засух, масштабных пожаров).

Умеренные потоки целевой информации позволяют строить локальные системы на базе средне - и низкоорбитальных малых спутников и унифицированных наземных станций обслуживания, а космические группировки выводить одним носителем или попутно. Все это в комплексе позволяет говорить о новом классе наиболее дешевых систем земного зондирования.

2. Разработан алгоритм и методическое обеспечение решения единой многоуровневой задачи построения системы в целом (орбитального, наземного, транспортного комплекса), единичного спутника в орбитальном построении и набора бортовых систем - целевого и служебного.

Представлены способы анализа технико-экономической статистики по прототипам изделия с учетом случайных факторов.

В едином контексте рассмотрены проблемы баллистического построения, формирования целевого оптико-электронного и информационного модулей, обслуживающих систем ориентации, энергообеспечения, терморегулирования и конструкции.

3. В прикладной части диссертации по разработанной методике спроектирована (на уровне технического предложения) локальная система дистанционного зондирования Земли, решающая поставленные задачи (многозональной съемки среднего пространственного разрешения(10.20 м) с заданной кратностью) применительно к среднеазиатскому региону. Система позволяет информационно обслуживать среднеширотные регионы с обновлением информации через 2.3 суток.

В диссертации показано, что по трудозатратам и оперативности наблюдения системы на базе серии малых ИСЗ имеют преимущества по сравнению с классическими тяжелыми спутниками и их обслуживающей периферией.

1. B.C. АВДУЕВСКИЙ, Г.Р. УСПЕНСКИЙ.

2. Народно-хозяйственные и научные космические комплексы. М. Машиностроение. 1985.

3. Ю.Ф. АВДЕЕВ, А.И. БЕЛЯКОВ, A.B. БРЫКОВ и др. Полёт космических аппаратов. М. Машиностроение, 1990.3. Р.Ф. АППАЗОВ, О.Г. СЫТИН.

4. Методы проектирования траекторий носителей и спутников Земли. М. Машиностроение, 1987.

5. B.C. АВДУЕВСКИЙ, Г.Р. УСПЕНСКИЙ. Космическая индустрия. М. Машиностроение, 1990.

6. ГЛ. АНШАКОВ, A.B. СОЛОГУБ.

7. Космические аппараты систем зондирования поверхности Земли. М. Машиностроение, 1993.

8. A.A. АЛЕКСЕЕВ, А.И. БАЙКОВ и др.

9. Инженерный справочник по космической технике. Воениздат, 1977.

10. К.Б. АЛЕКСЕЕВ, Г.Г. БЕБЕНИН.

11. Управление космическими летательными аппаратами. М. Машиностроение, 1974.

12. C.B. АВРАМЕНКО, A.C. БУРЫЙ.

13. Пути совершенствования управления системами космических аппаратов наблюдения. XXII научные чтения по космонавтике Москва, ИИЕТ РАН, 1998.9. К.Н. БАРИКОВ.

14. Динамика и принципы построения орбитальных систем. М. Машин.1975.10. А.И. БЕЛЯКОВ.

15. Графо аналитический метод исследования движения КА. М. Машиностроение, 1973.

16. Г.Г. БЕБЕНИН, Б .С. СКРЕБУШЕВСКИЙ.

17. Системы управления полётом КА. М. Машиностроение 1978.

18. И.Н. БРОНШТЕЙН, К.А. СЕМЕНДЯЕВ. Справочник по математике. М. Наука, 1986г, 590с.13. Е.С. ВЕНТЦЕЛЬ.

19. Теория вероятностей. М. Наука, 1969 г, 576с.

20. В.Е. ГЕРШЕНЗОН, C.B. ГАРБУК.

21. Космические системы ДЗЗ. М. Издательство А и Б 1997 г.

22. В.Н. ГУЩИН, Б. ПАНКРАТОВ, А.Д. РОДИОНОВ. Основы устройства и конструирования космических аппаратов. М. Машиностроение, 1992.16. А.М. ЖАКОВ.

23. Как управляют спутниками. ЛЕНИЗДАТ 1986 г.17. Д.И. КОЗЛОВ.

24. Проектирование космических систем наблюдения. М. Машиностроение.

25. Д.И. КОЗЛОВ, Г.П. АНШАКОВ и др.

26. Конструирование автоматических космических аппаратов. М. Машиностроение, 1996 г.

27. Д.И. КОЗЛОВ, Г.П. АНШАКОВ и др.

28. Управление космическими аппаратами зондирования Земли. М. Машиностроение, 1998 г.20. Д.И. КОЗЛОВ.

29. Автоматические космические аппараты для оптико-фотографического наблюдения Земной поверхности. М. Машиностроение, 1996 г.21. В.М. КУЛЬКОВ.

30. Роль малых спутников в развитии новых космических технологий. XX научные чтения по космонавтике Москва 1996 (стр. 34).22 А. КУЗИН.

31. Средства выведения КА легкого класса. Журнал Аэрокосмический курьер, январь-февраль 1999, (стр. 10-13).

32. A.A. ЛЕБЕДЕВ, О.П. НЕСТЕРЕНКО

33. Космические системы наблюдения. М. Машиностроение, 1991 г.

34. Г.С. ЛАНДСБЕРГ. "ОПТИКА". М. Наука, 1976 г.25. A.A. ЛЕБЕДЕВА.

35. Основы синтеза систем летательных аппаратов. М. Издательство МАИ, 1996 г.

36. В.А. ЛАМЗИН, Г.В. МАЛЫШЕВ, И.Д. МАГЛИНОВ, М.Н. ХАЙЛОВ Экспериментальный МКА наблюдения с элементами интерактивного управления.

37. XXI научные чтения по космонавтике, Москва, 28-31 января, 1997г.

38. В .А. ЛАМЗИН, В.П. МАКАРОВ, М.Н. ХАЙЛОВ. Развитие средств дистанционного зондирования Земли.

39. XXII научные чтения по космонавтике. Москва, ИИЕТ РАН, 1998.

40. В .А. ЛАМЗИН, И.Д. МАГЛИНОВ, Г.В. МАЛЫШЕВ. Космический аппарат наблюдения на новых технологиях. XX научные чтения по космонавтике, Москва 1996 (стр. 38).

41. Г.В. МАЛЫШЕВ, Х.С. БЛЕЙХ, В.И. ЗЕРНОВ.

42. Проектирование автоматических космических аппаратов. М. Машиностроение, 1982 г.30. H.H. МАРКИН.

43. Управление малоразмерным космическим аппаратом с использованием систем спутниковой навигации. XXII научные чтения по космонавтике Москва, ИИЕТ РАН, 1998 г.

44. В.П. МАКАРОВ, М.Н. ХАЙЛОВ.

45. Критерии выбора проектных параметров систем дистанционного зондирования Земли. XXII научные чтения по космонавтике Москва, ИИЕТ РАН, 1998 г.

46. Г.В. МАЛЫШЕВ, В.А. ЛАМЗИН, М. МИРШАМС, М.Н. ХАЙЛОВ. Система дистанционного зондирования Земли на базе малых ИСЗ. Тридцать вторые чтения К.Э. Циолковского, Калуга, 1997 г.33. М. МИРШАМС.

47. Метод проектирования региональной системы дистанционного зондирования Земли на базе малогабаритных КА. XXIII научные чтения по космонавтике, Москва, 1999г.34. М. МИРШАМС.

48. Выбор проектных параметров и анализа эффективности малых низкоорбитальных спутников дистанционного зондирования Земли.

49. ХХХШнаучные чтения К.Э. Циолковского, Калуга, 15-18 сентября 1998 г.35. В.И. ПОЛОВ.

50. Системы ориентации и стабилизации космических аппаратов. М. Машиностроение. 1986 г.

51. П.Р. ПОПОВИЧ, Б.С. СКРЕБУШЕВСКИЙ.

52. Баллистическое проектирование космических систем. М. Машиностроение, 1987 г.37. А. РОУЗ.

53. Зрение человека и электронное зрение. М. Мир, 1977 г.

54. В.П. САВЕННЫХ, В.А.СОЛОМАТИН.

55. Оптико-электронные системы дистанционного зондирования Земли. М. Недра, 1995 г.39. М.К. ТИХОНРАВОВА.

56. Основы теории и элементы проектирования искусственных спутников Земли. М. Машиностроение, 1974 г.40. Г.Р. УСПЕНСКИЙ.

57. Системное проектирование народнохозяйственных и научных космических комплексов. М. Машиностроение. 1991г.

58. WILEY J-LARSON, JAMES R.WERTZ. Space mission analysis and design, 1992.42. ANTHONY R. GURUS.

59. Space Satellite hand book, third edition, 1994.

60. K.Y. KONDRATYEV, T. TANAKA. Advanced Earth observing satellite -1 l(ADEOS-II): New perspectives of global environmental monitoring Исследование Земли из космоса .1997 № 1 . с 105-121.

61. Ю. КОПТЕВ, В. УТКИН, Н. АНФИМОВ.

62. Основные направления развития малой космической техники. 1-я международная конференция-выставка " Малые спутники новые технологии, достижения проблемы и перспективы международного сотрудничества в новом тысячелетии"

63. Г. Королев, Москва 16-20 ноября 1998 г.

64. Г. МАЛЫШЕВ, А. СВОТИН, НИИ ПМЭ МАИ И ДР.

65. Концепция низкоорбитального КА дистанционного зондирования Земли. 1-я международная конференция-выставка " Малые спутники новые технологии, достижения проблемы и перспективы международного сотрудничества в новом тысячелетии"

66. Г. Королев, Москва 16-20 ноября 1998 г.

67. М.С. КОНСТАНТИНОВ, Е.Ф. КАМЕНКОВ, Б.П. ПЕРЕЛЫГИН, В.К. БЕЗВЕРБЫЙ.

68. Механика космического полета. М. Машиностроение, 1989 г.