В статье приведен обзор состоявшихся и планируемых кластерных запусков ИСЗ на околоземные орбиты. Рассмотрено влияние усложнившейся космической обстановки на функционирование РЛС дальнего обнаружения, перечислены возможные меры для повышения качества обслуживания элементов кластерных запусков. Подробно рассмотрен вопрос автоматической юстировки РЛС для повышения качества их функционирования.
Ключевые слова: ИСЗ, кластерные запуски, Starlink, РЛС ДО, юстировка РЛС.
С каждым годом возрастает количество запусков РН с космическими аппаратами различного назначения, в том числе и с большим числом малых КА в одном запуске, что является одним из факторов изменения космической обстановки и усложнения работы радиолокационных станций дальнего обнаружения (РЛС ДО). В настоящий момент перед разработчиками РЛС ДО стоит задача усовершенствования алгоритмов РЛС и адаптации к новым условиям работы, среди которых предстоящие кластерные запуски ИСЗ и общее повышение потока ИСЗ на околоземных орбитах.
Состояние околоземных орбит ИСЗ
Согласно каталогу NORAD в настоящее время в околоземном космическом пространстве находится более 20 000 искусственных спутников земли (космических объектов) различного назначения [1]. На графике (рис. 1) показана динамика изменения их количества за последние десятилетия.
Рис. 1. Количество КО на орбите, динамика
Благодаря развитию глобальных спутниковых систем и повышению доступности малых ИСЗ для космических исследований за последние 15 лет количество КО на орбите увеличилось более чем в два раза. И, судя по анонсированным запускам, данная тенденция в ближайшие годы будет только нарастать.
Кластерные запуски
В 2014 году впервые в мире был произведен массовый запуск ИСЗ. Отечественная ракета-носитель одновременно доставила на орбиту 38 КО различного назначения. С тех пор подобные кластерные запуски стали проводиться регулярно (Таблица 1) [2]. Наибольшее на текущий момент количество КО (104 объекта) было выведено на орбиту Индией с космодрома Шрихарикота в феврале 2017 года.
Таблица 1
Хронология кластерных запусков КО
|
Дата |
Количество КО |
Страна |
|
19.06.2014 |
38 |
Россия |
|
14.04.2015 |
17 |
США |
|
19.08.2015 |
19 |
Япония |
|
19.09.2015 |
15 |
Китай |
|
08.10.2015 |
15 |
США |
|
06.11.2015 |
22 |
США |
|
23.03.2016 |
31 |
США |
|
22.06.2016 |
21 |
Индия |
|
09.12.2016 |
13 |
Япония |
|
15.02.2017 |
104 |
Индия |
|
18.04.2017 |
40 |
США |
|
23.06.2017 |
31 |
Индия |
|
14.07.2017 |
72 |
Россия |
|
12.11.2017 |
17 |
США |
|
12.01.2018 |
31 |
Индия |
|
21.05.2018 |
16 |
США |
|
29.11.2018 |
31 |
Индия |
|
03.12.2018 |
63 |
США |
|
27.12.2018 |
32 |
Россия |
|
01.04.2019 |
30 |
Индия |
|
17.04.2019 |
28 |
США |
|
24.05.2019 |
60 |
США |
|
25.06.2019 |
24 |
США |
|
05.07.2019 |
33 |
Россия |
|
11.11.2019 |
60 |
США |
|
07.01.2020 |
60 |
США |
|
29.01.2020 |
60 |
США |
|
06.02.2020 |
34 |
Россия |
|
17.02.2020 |
60 |
США |
|
18.03.2020 |
60 |
США |
|
21.03.2020 |
34 |
Россия |
|
22.04.2020 |
60 |
США |
|
04.06.2020 |
60 |
США |
|
13.06.2020 |
60 |
США |
Starlink
В мае 2019 года компания SpaceX начала реализовывать планы по выводу на орбиту глобальной спутниковой системы Starlink, предназначенной для обеспечения высокоскоростного доступа в Интернет в любой точке Земного шара. К настоящему моменту в рамках проекта было осуществлено 16 кластерных запусков КА (от 57 до 60 КО в каждом запуске).
На рис. 2 изображены примерные размеры одного аппарата спутниковой системы StarLink.
Рис. 2. Аппарат Starlink
В планах компании SpaceX осуществить вывод на орбиту в общей сложности 12 000 КА к 2027 году (см. Таблицу 2) [3]. Таким образом, лишь за счет группировки Starlink к 2030 году количество спутников на околоземной орбите увеличится более чем в 1.5 раза.
Таблица 2
Запланированные кластерные запуски в рамках проекта Starlink
|
Фаза |
Высоты орбит (км) |
Количество спутников |
Наклонение (Градусы) |
Срок выведения 50 % спутников |
Срок выведения 100 % спутников |
|
1 |
550 |
1584 |
53 |
до марта 2024 года |
до марта 2027 года |
|
1110 |
1600 |
53.8 |
|||
|
1130 |
400 |
74 |
|||
|
1275 |
375 |
81 |
|||
|
1325 |
450 |
70 |
|||
|
2 |
335,9 |
2493 |
42 |
до ноября 2024 года |
до ноября 2027 года |
|
340,8 |
2478 |
48 |
|||
|
345,6 |
2547 |
53 |
После отработки ракеты Starship (ориентировочно с 2022–23 гг) компания SpaceX планирует осуществлять одновременный запуск до 360 КА. На рисунке 3 ниже можно увидеть, как будет происходит доставка 360 КА группировки Starlink на орбиту.
Рис. 3. Одновременный запуск 360 КА Starlink
Существует ряд особенностей КА группировки Starlink, а именно:
— маневрирование КО с использованием двигателей малой тяги. Это затрудняет устойчивое сопровождение этих КА РЛС и, следовательно, каталогизацию и построение прогноза параметров траекторий;
— срок существования КА Starlink на орбите составляет всего около 3–5 лет;
— массовый сход с орбиты по баллистической траектории. Интенсивность схода КА Starlink равна интенсивности запуска, т. е. в среднем до нескольких КА за сутки, что на порядок и более превысит существующую сейчас интенсивность схода сгорающих КА.
Помимо SpaceX разработкой собственного спутникового интернета занимается британский консорциум OneWeb.
Компания OneWeb планирует разместить на орбите высотой 1200 км 648 телекоммуникационных спутников, которые будут обеспечивать интернет-покрытием большую часть поверхности Земли. В 2017 году компания подала в Федеральную комиссию по связи США заявку на размещение на низкой околоземной орбите дополнительных 1972 спутников.
Далее в статье будут рассмотрены проблемные вопросы функционирования радиолокационных станций дальнего обнаружения (РЛС ДО) при работе по кластерным запускам и возможные пути их решения на примере работы РЛС ДО Системы предупреждения о ракетном нападении (СПРН) РФ.
Влияние кластерных запусков на функционирование РЛС ДО
РЛС (ДО), входящие в состав (СПРН), осуществляют непрерывный поиск и обнаружение КО и баллистических ракет в зоне обзора. После обнаружения целей осуществляется их сопровождение и определение параметров траектории. Также одной из основных задач РЛС ДО является классификация в зоне ответственности целей типа БР (баллистическая ракета). К современным РЛС ДО предъявляются высокие требования по достоверности классификации. Кластерные запуски в целом и запуски КА группировки Starlink в частности, усложняют условия функционирование РЛС ДО СПРН, так как повышают вероятность ошибочной классификации целей типом БР (ложная тревога, ложная цель типа БР). При сопровождении РЛС ДО близкорасположенных малоразмерных КО в составе сложной космической цели (СКЦ) возрастает вероятность формирования недостоверно классифицированных целей из-за перепутывания текущих замеров координат и соответственно опорных точек траекторий малоразмерных КО.
Обнаружение и определение параметров траекторий в РЛС ДО происходит в несколько этапов:
1) получение первых отметок траектории в специальной барьерной зоне обзора РЛС;
2) назначение заявок на зондирование области пространства (выборочное зондирование), куда переместится наблюдаемый КО. Заявки назначаются исходя из предположения баллистического характера траектории (1) и набора гипотез скоростей для каждого из возможных типов цели;
3) при получении отметки из области выборочного зондирования, она группируется с соответствующими «барьерными» отметками и происходит завязка новой траектории;
4) далее процедура выборочного зондирования и получения новых отметок траектории повторяется до тех пор, пока цель не выйдет из зоны действия РЛС.
При сопровождении кластерных запусков заявка по траектории может быть подтверждена отметкой от другой траектории. Это может происходить из-за близкого пространственного положения целей и их малого размера. В этом случае может происходить ошибка определения скоростей цели и ее последующая классификация типом «баллистическая ракета».
На рис. 4 приведены результаты моделирования прохождения СКЦ через зону действия одной из РЛС ДО СПРН. По оси абсцисс отложено время моделирования, по оси ординат — координаты моделируемых целей по дальности. На рисунке видно, что при моделировании происходила завязка ложных «поперечных» траекторий, пересекающих общий поток КО.
Рис. 4. Результаты моделирования, прохождение СКЦ через зону действия РЛС
Одной из важных задач, стоящих перед системой контроля космического пространства в условиях кластерных запусков, является быстрая завязка орбит КА с тем, чтобы минимизировать вероятность формирования ложной информации о несуществующих орбитах или траекториях БР. Поскольку РЛС ДО являются основным источником траекторной информации ИСЗ при кластерных запусках, то к точностным характеристикам этих РЛС предъявляются повышенные требования.
Для повышения качества работы РЛС ДО по кластерным запускам в будущем разработчиками РЛС были предложены следующие меры:
— расширение полосы зондирующего сигнала РЛС;
— использование составных зондирующих сигналов в том числе ЛЧМ и ФКМ сигналов;
— применение методов автоматической юстировки РЛС.
Далее остановимся подробнее на последней.
Метод автоматической юстировки РЛС ДО для повышения качества работы по СКЦ
Понятие юстировки РЛС
Юстировка РЛС, в т. ч. оценивание точностных характеристик, напрямую связана с анализом ошибок радиолокационных измерений. Зачастую под юстировкой РЛС понимается только оценка статистических свойств и выявление закономерностей в ошибках измерений. Также нередко в понятие юстировки вкладывается смысл компенсации систематической составляющей ошибок путем внесения юстировочных коэффициентов в программное обеспечение РЛС.
В данной статье рассматривается подход к проведению юстировки РЛС, основной идеей которого является выявление и устранение ошибок в модели формирования единичных измерений РЛС. Такой подход позволит без потери физического смысла измерений, на раннем этапе обработки радиолокационной информации выявить и устранить систематические ошибки, опираясь на физическую модель формирования измерений РЛС (модель измерений). Данный метод напрямую не зависит от типа РЛС и связан с общей структурой обработки радиолокационной информации.
Модель измерений РЛС
Модель измерений рассматриваемой РЛС описывает преобразование параметров траекторий КО в параметры измерений РЛС с реализуемой точностью. Параметры траекторий КО представляются в виде шестимерного вектора состояния, привязанного к моменту измерения. Процесс преобразования вектора состояния КО в реальные измерения включает в себя несколько этапов.
На первом этапе вектор состояния КО описывает «истинное» значение параметров КО. На втором этапе осуществляется переход от «истинного» положения цели к «видимому» положению. Это преобразование основано на применении поправок, учитывающих влияние среды распространения на зондирующий сигнал и влияние собственных шумов и внешних помех. Поправки по углу места и дальности учитывают искривление радиолуча от прямого пути и дополнительную задержку сигнала во времени. На третьем этапе происходит переход от «видимого» вектора состояния к реальным измерениям РЛС.
Источники данных для юстировки
Ошибка измерения может быть определена как разность между измеренным значением и «эталонным» значением измеряемой величины. В нашем случае в качестве эталона могут выступать высокоточные параметры орбит КА, преобразованные с помощью модели измерений в «эталонные» измерения. Точность определения параметров орбит КА должна быть на порядок выше требований, предъявляемых к точности оцениваемых измерений. Вышеуказанному требованию удовлетворяют специализированные КА, которые имеют на борту аппаратуру, позволяющую проводить высокоточные траекторные измерения независимыми радиотехническими и оптическими (лазерными) системами. В настоящее время организована международная лазерно-дальномерная сеть — the International Laser Range Service (ILRS) [4], которая проводит регулярные измерения по ряду КА и проводит апостериорную оценку их орбитальных параметров.
Обработка невязок измерений
Пусть модель измерений РЛС описывается некоторой функцией Fmeas. Тогда невязки реальных и эталонных измерений могут быть записаны как:
res(Y) = Y obs — F meas (X)
где res(Y) — невязка между реальным и эталонным измерением;
Y obs — вектор реальных измерений РЛС;
X — эталонное значение вектора состояния цели;
F meas — функция, описывающая модель измерений РЛС.
Целью юстировки РЛС является нахождение параметров модели измерения, обеспечивающих условие равенства нулю математического ожидания невязок измерений, и соответствия дисперсии измерений теоретической оценке. Известно, что дисперсия единичного измерения при оптимальном оценивании зависит от отношения сигнал/шум. Оптимальная оценка измерения достигается путем использования дискриминаторов, в рассматриваемом случае — по частоте и углам.
Для оценки статистических свойств невязок измерений при нулевом математическом ожидании необходимо перейти к нормированным значениям невязок измерений, для того чтобы исключить зависимость их зависимость от дисперсии:
res norm (Y) –> res(Y) / σ
гдеσ — дисперсия измерения.
Если наши предположения о математическом ожидании и дисперсии невязок верны, тогда математическое ожидание нормированных невязок измерений должно быть нулевым, а дисперсия должна быть равна единице:
E(res norm (Y)) = 0
var [res norm (Y)/σ] = 1
В процессе юстировки РЛС также необходимо:
1. Определить отличие реального закона распределения ошибок измерений от нормального закона, особенно вне области вероятных квантилей:
P [res(Y) > Kσ]
гдеК — численный коэффициент.
вероятность того, что невязка превышает заданную величину дисперсии.
2. Оценить корреляцию измерений по времени, т. к. эти параметры влияют на методы оценки параметров траектории по единичным замерам.
cov [res(Y)]
Такая постановка юстировки РЛС характерна для задачи определения параметров траектории по единичным замерам. При решении этой задачи, как правило, используется метод наименьших квадратов и его модификации, которые минимизируют сумму квадратов невязок измерений [5]. Таким образом, задача юстировки является дуальной к задаче оценки параметров траектории. В процессе юстировки необходимо подобрать параметры модели измерений так, чтобы:
— математическое ожидание невязок измерений было нулевым;
— дисперсия соответствовала теоретическому значению;
— распределение было близко к нормальному распределению;
— корреляция невязок измерений во времени была бы низкой.
В таком случае модель измерения, используемая в алгоритме оценки параметров траектории, основанном на методе наименьших квадратов, будет оптимальной и несмещенной.
Автоюстировка
В процессе эксплуатации РЛС ДО могут возникнуть нештатные ситуации, требующие оперативной проверки текущих точностных характеристик станции. Одной из подобных ситуаций является прохождение СКЦ через зону действия РЛС в первые дни после осуществления кластерного запуска. В этой и других ситуациях необходима (помимо проведения функционального контроля) оперативная проверка текущих условий функционирования с оценкой текущих характеристик станции, в том числе точностных.
В этой связи на РЛС ДО целесообразно вести частный каталог, на который можно было бы возложить решение указанных задач. Данный частный каталог (ЧК) должен содержать в своем составе выборку целей, позволяющих решать задачи калибровки и юстировки рассматриваемой РЛС ДО. При наличии ЧК стандартная задача юстировки и калибровки РЛС ДО осуществляется обычным образом. По окончанию сопровождения проводок из ЧК информация по результатам самих проводок и по результатам сравнения результатов измерения с эталонами из ЧК поступает на вышестоящий командный пункт, где в дальнейшем по поступившей информации принимается решение о достоверности выдаваемой РЛС ДО информации и соответствии точностных характеристик станции требуемым, а также делается вывод о состоянии частного каталога. Указанный ЧК периодически уточняется по мере изменения состава целей реального космического фона.
Литература:
1. celestrak.com, URL: https://celestrak.com/satcat/boxscore.php (дата обращения: 01.12.2020).
2. spaceflightnow.com, URL:https://spaceflightnow.com/launch-schedule/ (дата обращения: 01.12.2020)
3. spacenews.com, URL: https://spacenews.com/tag/starlink/ (дата обращения: 01.12.2020).
4. Pearlman, M.R., Degnan, J.J., and Bosworth, J.M., «The International Laser Ranging Service», Advances in Space Research, Vol. 30, No. 2, pp. 135–143, July 2002.
5. Агаджанов П. А. и др. (ред.). Космические траекторные измерения. Радиотехнические методы измерений и математическая обработка данных. М. Сов. Радио, 1969.
