Tối ưu cấu trúc quỹ đạo hệ thống vệ tinh giám sát liên tục khoảng không gian vũ trụ gần trái đất

Bài viết đề xuất một cách tiếp cận mới: Giám sát liên tục khoảng không gian vũ trụ dạng lớp cầu đồng tâm với Trái đất dựa trên việc xây dựng hệ thống vệ tinh hai tầng quỹ đạo có hướng giám sát ngược nhau, trong đó, mỗi tầng vệ tinh là một hệ thống con độc lập theo mô hình Delta của J.G. Walker (Walker constellation).

Nghiên cứu khoa học công nghệ TỐI ƯU CẤU TRÚC QUỸ ĐẠO HỆ THỐNG VỆ TINH GIÁM SÁT LIÊN TỤC KHOẢNG KHÔNG GIAN VŨ TRỤ GẦN TRÁI ĐẤT Nguyễn Nam Quý* Tóm tắt: Bài báo đề xuất cách tiếp cận mới: giám sát liên tục khoảng không gian vũ trụ dạng lớp cầu đồng tâm với Trái đất dựa việc xây dựng hệ thống vệ tinh hai tầng quỹ đạo có hướng giám sát ngược nhau, đó, tầng vệ tinh hệ thống độc lập theo mơ hình Delta J.G Walker (Walker constellation) Mơ hình hóa phân tích tốn tối ưu cấu trúc quỹ đạo hệ thống vệ tinh hai tầng theo tiêu chí tổng vận tốc đặc trưng hệ thống nhỏ thành toán dạng truyền thống dễ giải (tối ưu cấu trúc quỹ đạo hệ thống vệ tinh tầng theo tiêu chí tổng số vệ tinh hệ thống nhỏ nhất) Bài báo trình bày cụ thể phương pháp giải tốn Dựa kết tính tốn thành lập catalog phương án cấu trúc quỹ đạo tối ưu hệ thống vệ tinh hai tầng đưa phân tích, đánh giá, so sánh kết đạt với cấu trúc hệ thống vệ tinh tầng truyền thống Từ khóa: Thuật phóng tàu vũ trụ; Hệ thống vệ tinh; Cấu trúc quỹ đạo; Hệ thống Delta-Walker MỞ ĐẦU Tháng 10 năm 1957 vệ tinh Sputnik-1 tên lửa đẩy R7 phóng lên quỹ đạo thấp Trái đất, đánh dấu kỷ nguyên chinh phục vũ trụ lồi người Từ đến nay, có hàng ngàn vệ tinh nhân tạo phóng lên tầng quỹ đạo khác Trái đất, phục vụ đắc lực cho phát triển khoa học kỹ thuật kinh tế xã hội Tuy nhiên, với phát triển lớn mạnh ngành khoa học vũ trụ, xuất hàng loạt vấn đề cấp thiết liên quan tới việc giám sát hoạt động phương tiện không gian, vệ tinh nhân tạo, tàu vũ trụ, đặc biệt việc giám sát rác thải vũ trụ trôi khoảng không gian rộng lớn v.v Tất nhiệm vụ này, cách trừu tượng hóa, hiểu vấn đề tốn học tối ưu hóa cấu trúc quỹ đạo hệ thống vệ tinh (HTVT) giám sát liên tục khoảng khơng gian vũ trụ cho trước có dạng lớp cầu đồng tâm với Trái đất [1, 5, 8, 11, 12] Tối ưu cấu trúc HTVT bắt đầu nghiên cứu vào năm 60 kỷ XX giải tốn giám sát liên tục tồn bề mặt Trái đất Mơ hình Vargo L.G Gobetz F.W đề xuất tối ưu cấu trúc quỹ đạo hệ thống vệ tinh dạng gọi mơ hình chuỗi vệ tinh [2, 6] Mơ hình thuận tiện cho việc tính tốn tối ưu hệ thống yêu cầu tổng số vệ tinh hệ thống lại lớn, điều hồn tồn khơng có lợi mặt kinh tế kỹ thuật Vào năm 70, nghiên cứu độc lập nhà khoa học người Nga Можаев Г.В nhà khoa học người Mỹ Walker J.G đánh giá có tính đột phá tạo bước phát triển cho lĩnh vực tối ưu hóa cấu trúc quỹ đạo HTVT giám sát liên tục toàn bề mặt Trái đất Walker đặt tên mơ hình cấu trúc quỹ đạo ơng “hệ thống Delta”[7], cịn Можаев gọi “hệ thống động học đối xứng” [10] Mơ hình tảng cho nghiên cứu nhà khoa học sau ứng dụng thực tế xây dựng HTVT định vị toàn cầu GPS Glonass Phát triển nghiên cứu Можаев Walker, Бырков Б.П công bố công trình nghiên cứu ơng, thành lập catalog “đặc tính α” hệ thống Delta với tổng số vệ tinh hệ thống nhỏ 24 với “độ bội” giám sát từ 1÷5 lần [9] Trong catalog này, Бырков đưa cấu trúc tối ưu cho HTVT (cấu trúc có đặc tính α nhỏ nhất) mà cịn tính tốn đặc tính α cho tất trường hợp có cấu trúc hệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 69, 10 - 2020 21 Tên lửa & Thiết bị bay thống Delta Vào năm 2000, với trợ giúp đắc lực máy tính điện tử, nghiên cứu tốn tối ưu cấu trúc quỹ đạo HTVT tầng thấp xây dựng sở hệ thống Delta, Lang T.J công bố loạt nghiên cứu ông, mở rộng catalog đặc tính α hệ thống Delta với tổng số vệ tinh hệ thống lên tới 100 [3, 4] Tuy nhiên, catalog chưa liệt kê đầy đủ trường hợp riêng độ xác tính tốn cịn chưa cao Tất nghiên cứu nhà khoa học kể dừng lại việc tối ưu hóa cấu trúc quỹ đạo HTVT giám sát liên tục, toàn bề mặt Trái đất mà giám sát khoảng không gian vũ trụ, nơi diễn nhiều hoạt động truyền dẫn thông tin vệ tinh đặc biệt giám sát chuyển động rác vũ trụ Từ thực tế đó, địi hỏi phải có nghiên cứu lý thuyết mới, giải toán tối ưu cấu trúc quỹ đạo HTVT có khả giám sát liên tục khoảng không gian vũ trụ dạng lớp cầu đồng tâm với Trái đất Liên quan vấn đề này, gần có công bố Разумный Ю.Н., Самусенко О.Е Nguyễn Nam Quý, đề xuất phương án cấu trúc HTVT nhiều tầng, mà tầng vệ tinh xây dựng dựa mơ hình Delta Walker [1, 5, 8, 11, 12] Bài báo đề cập tới cách tiếp cận mới: giám sát liên tục khoảng không gian vũ trụ dạng lớp cầu đồng tâm với Trái đất dựa việc xây dựng HTVT hai tầng quỹ đạo có hướng giám sát ngược nhau, đó, tầng vệ tinh hệ thống độc lập theo mơ hình Delta J.G Walker (Walker constellation) Mơ hình hóa phân tách tốn tối ưu cấu trúc quỹ đạo HTVT hai tầng theo tiêu chí tổng vận tốc đặc trưng hệ thống nhỏ thành toán dạng truyền thống dễ giải (tối ưu cấu trúc quỹ đạo HTVT tầng theo tiêu chí tổng số vệ tinh hệ thống nhỏ nhất) Bài báo trình bày cụ thể phương pháp giải tốn Dựa kết tính toán, thành lập catalog phương án cấu trúc quỹ đạo tối ưu HTVT hai tầng đồng thời đưa phân tích, đánh giá so sánh kết đạt với cấu trúc HTVT tầng truyền thống sở so sánh tổng vận tốc đặc trưng hệ thống CẤU TRÚC QUỸ ĐẠO HAI TẦNG HỆ THỐNG VỆ TINH GIÁM SÁT LIÊN TỤC KHOẢNG KHÔNG GIAN VŨ TRỤ GẦN TRÁI ĐẤT 2.1 Phát biểu toán tối ưu cấu trúc quỹ đạo hệ thống vệ tinh hai tầng quan sát liên tục khoảng không gian vũ trụ gần Trái đất 2.1.1 Một vài khái niệm tiêu chí tối ưu tốn Vùng giám sát vệ tinh khoảng không gian giới hạn mặt nón, mà đỉnh nón vị trí vệ tinh nửa góc đỉnh  nón góc mở thiết bị phát tín hiệu truyền dẫn (ăng-ten) lắp đặt vệ tinh Cự ly định vị D khoảng cách từ vệ tinh tới điểm định vị xét Về lý thuyết D   , thực tế tồn giá trị tới hạn D max mà D  Dmax phụ thuộc vào chất lượng tín hiệu truyền dẫn cơng suất phát ăng-ten Giả sử có mặt cầu khơng gian đồng tâm với Trái đất khu vực giám sát vệ tinh mặt cầu giao mặt cầu vùng giám sát hình nón (hình 1) Khu vực giám sát chỏm cầu hình vành khăn, giới hạn báo này, ta xét vùng giám sát vệ tinh mặt cầu mặt chỏm cầu Độ bội giám sát L HTVT số mà với điểm thuộc khu vực giám sát, thời điểm ln giám sát L vệ tinh hệ thống Đặc trưng  L HTVT góc địa tâm khu vực quan sát nhỏ vệ tinh (hình 1) cho HTVT đảm bảo giám sát liên tục toàn phần mặt cầu L lần 22 Nguyễn Nam Quý, “Tối ưu cấu trúc quỹ đạo … không gian vũ trụ gần Trái đất.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Các tham số giám sát vệ tinh Khoảng không gian vũ trụ dạng lớp cầu đồng tâm với Trái đất hiểu khoảng không gian giới hạn hai mặt cầu đồng tâm với Trái đất có độ cao tương ứng H1 H so với bề mặt Trái đất (hình 2) Hình Hệ thống vệ tinh hai tầng quỹ đạo Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 69, 10 - 2020 23 Tên lửa & Thiết bị bay Để giám sát liên tục tồn khoảng khơng gian vũ trụ dạng lớp cầu đồng tâm với Trái đất  H1 , H  ta sử dụng HTVT hai tầng quỹ đạo, tầng quỹ đạo hệ thống độc lập theo mơ hình Delta Các vệ tinh thuộc quỹ đạo tầng cao có độ cao H up , góc nghiêng quỹ đạo iup , ăng-ten hướng xuống phía tâm Trái đất với đặc tính ( up , Dupmax ) , vệ tinh thuộc quỹ đạo tầng thấp – H low , ilow ăng-ten hướng max lên phía xa dần tâm Trái đất với đặc tính low , Dlow (hình 2), cho:  H low  H1  H  H up   low  up    max max max  Dlow  Dup  D (1) Mơ hình Delta Walker [7] cho ba tham số T , P, F , đó, T tổng số vệ tinh, P số mặt phẳng quỹ đạo (P ước số T), F  0, ,( P  1) hệ số dịch chuyển pha chuyển động vệ tinh mặt phẳng liền kề, đó, trạng thái pha vệ tinh thứ j tính theo công thức: 2π  j  1  (k  1)   P  j  j , u j  :  u  u  2π  F (k  1)  P(l  1)  j  T  (2) đó, j , u j tương ứng kinh độ điểm nút lên quỹ đạo đối số vĩ độ vệ tinh thứ j ( j  1, , T ); k  1, , P số mặt phẳng quỹ đạo; l  1, , T số vệ tinh P mặt phẳng quỹ đạo Nếu mô hình Delta có N vệ tinh trạng thái pha hệ thống tập hợp trạng thái pha tất N vệ tinh:    ( N )  1 , ,N  (3) Lúc đó, cấu trúc quỹ đạo tầng thấp gồm Nlow vệ tinh tầng cao gồm N up vệ tinh đặc trưng đại lượng: slow  low  Nlow  , H low , ilow   sup  up  Nup  , H up , iup  (4) Đối với hệ thống vệ tinh tầng, tiêu chí sử dụng để tối ưu hóa cấu trúc quỹ đạo tổng số vệ tinh hệ thống nhỏ nhất, với hệ thống vệ tinh đa tầng (hệ thống xây dựng từ hệ thống có độ cao quỹ đạo khác nhau) cần phải có tiêu chí khác để lựa chọn cấu trúc quỹ đạo tốt Ví dụ, hệ thống có vệ tinh khơng phải tốt số lượng vệ tinh lớn nhiều tầng quỹ đạo cao hơn, thế, địi hỏi chí phí lớn để phóng bố trí vị trí vệ tinh quỹ đạo Theo [5, 8, 11, 12], để tối ưu cấu trúc quỹ đạo HTVT đa tầng sử dụng tiêu chí tổng vận tốc đặc trưng hệ thống nhỏ (vận tốc đặc trưng hệ thống đại lượng tượng trưng, đặc trưng cho lượng hệ thống, vận tốc cần cung cấp cho tên lửa đẩy thời điểm phóng, để đưa vệ tinh (một lần đẩy đưa lúc nhiều vệ tinh lên quỹ đạo hệ thống) lên quỹ đạo tròn (với độ cao quỹ đạo góc nghiêng mặt phẳng quỹ đạo 24 Nguyễn Nam Quý, “Tối ưu cấu trúc quỹ đạo … không gian vũ trụ gần Trái đất.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ định trước) bố trí vị trí vệ tinh quỹ đạo đó) Đối với HTVT hai tầng quỹ đạo, tổng vận tốc đặc trưng VII hệ thống tổng vận tốc đặc trưng tầng quỹ đạo thấp Vlow tầng quỹ đạo cao Vup tính theo cơng thức sau [5]:    R  2H   e low  VII  Vlow  Vup  N low    R cos i   e low   Re  Re  H low        R  2H   e up  Nup      Re cos iup   Re  Re  H up     (5) đó, Re  6371km bán kính Trái đất;   7, 29  105 s-1 vận tốc góc Trái đất;   398 600km3 /s2 tham số hấp dẫn 2.1.2 Phát biểu tốn Cho biết giới hạn khoảng khơng gian vũ trụ hình lớp cầu đồng tâm với Trái đất [ H1 , H ] cần giám sát, đặc trưng khả giám sát vệ tinh (  , Dmax ) độ bội giám sát L xác định cấu trúc quỹ đạo tối ưu SIIopt HTVT hai tầng quỹ đạo theo mơ hình Delta ( K  ) SII  slow , sup  để hệ thống đảm bảo giám sát liên tục toàn phần với tổng vận tốc đặc trưng nhỏ Bài tốn phát biểu dạng biểu thức toán học sau: Cho biết: H1 , H ,L,  , Dmax , K Cần tìm: SIIopt  arg VII  SII  | H1 , H ,L,  , D max , K   SII  (6) 2.2 Phân tách toán tối ưu cấu trúc quỹ đạo hệ thống vệ tinh hai tầng giám sát liên tục khoảng không gian vũ trụ dạng lớp cầu đồng tâm với Trái đất phương pháp giải 2.2.1 Phân tách toán Ta tạm thời phân tách khoảng không gian [H1 ,H ] thành lớp tiếp giáp mặt cầu có độ cao H  thỏa mãn điều kiện H1  H   H Các vệ tinh tầng cao (độ cao quỹ đạo H up ) giám sát lớp cầu [H1 ,H  ] ngược lại vệ tinh tầng thấp (độ cao quỹ đạo H low ) giám sát lớp cầu [H  ,H ] (hình 1) Khi đó, H  trở thành tham số toán tối ưu Với giá trị không đổi H  toán tối ưu cấu trúc HTVT hai tầng tách thành hai toán độc lập: Bài tốn 1: Tìm cấu trúc tối ưu quỹ đạo HTVT tầng cao đảm bảo giám sát liên tục tồn lớp cầu Bài tốn 2: Tìm cấu trúc tối ưu quỹ đạo HTVT tầng thấp đảm bảo giám sát liên tục tồn lớp cầu Cả hai tốn có chung dạng, là, tìm cấu trúc tối ưu HTVT tầng biết trước khoảng không gian dạng lớp cầu mà cần giám sát liên tục tồn phần Để giải tốn dạng này, cần giải toán nhỏ sau: Bài toán nhỏ 1: Giữa không gian vũ trụ dạng lớp cầu đồng tâm với Trái đất, xác định Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 69, 10 - 2020 25 Tên lửa & Thiết bị bay vị trí mặt cầu tới hạn, tức mặt cầu mà khu vực giám sát hệ thống nhỏ Bài toán nhỏ 2: Xác định cấu trúc tối ưu HTVT tầng đảm bảo hệ thống giám sát liên tục toàn phần L lần mặt cầu tới hạn với tiêu chí tổng số vệ tinh hệ thống nhỏ 2.2.2 Phương pháp giải Trên sở phân tách thành toán nhỏ liệu catalog đặc trưng alpha mơ hình Delta, toán tối ưu cấu trúc quỹ đạo HTVT hai tầng giám sát liên tục toàn L lần khoảng không gian vũ trụ dạng lớp cầu đồng tâm với Trái đất giải theo trình tự sau Phân tách khoảng không gian vũ trụ dạng lớp cầu đồng tâm với Trái đất thành mặt cầu có độ cao H  ( H1  H   H ) Với giá trị H  tiến hành bước sau: opt 1.1 Xác định giá trị tối ưu độ cao quỹ đạo tầng thấp H low  H   tương ứng giá max trị tới hạn góc địa tâm khu vực quan sát low  H   vệ tinh tầng thấp Các đại lượng nghiệm hệ phương trình sau:    R  H 2   R  H opt 2  ( D max )  e low max   arccos  e  opt  low   R  H R  H     e e low     opt   Re  H low  sin    max   low    arcsin    Re  H     (7) 1.2 Xác định giá trị tối ưu độ cao quỹ đạo tầng cao H upopt  H   tương ứng giá trị tới hạn góc địa tâm khu vực quan sát upmax  H   vệ tinh tầng cao Các đại lượng nghiệm hệ phương trình sau:   R  H 2   R  H opt 2  ( D max )2  e up  max  arccos   e  up opt    R  H R  H  e   e up     (8)  opt   Re  H up  sin      upmax  arcsin    Re  H     1.3 Tìm catalog đặc trưng alpha lớp cấu trúc Delta cấu trúc quỹ đạo tối opt ưu HTVT tầng thấp slow  H   tầng cao supopt  H   theo tiêu chí tổng số vệ tinh nhỏ có đặc trưng alpha  L khơng lớn giá trị tới hạn góc địa tâm khu vực quan sát tương ứng: opt slow (H  )  opt sup (H  )  arg   opt slow H low ( H  ) K  arg   opt sup H up ( H  ) K  opt opt max  Nlow  H low ( H  )   L  H low ( H  )    low  H     Nup  H upopt ( H  )   L  H upopt ( H  )    upmax  H      (9) 1.4 Tính tổng vận tốc đặc trưng tầng Vlow  H   , Vup  H   tổng vận tốc đặc trưng hệ thống VII  H    Vlow  H    Vup  H   26 Nguyễn Nam Quý, “Tối ưu cấu trúc quỹ đạo … không gian vũ trụ gần Trái đất.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Xác định chiều cao tối ưu mặt cầu tiếp giáp H opt  arg VII  H   tương H  [ H1 , H ] opt ứng với giá trị phương án cấu trúc quỹ đạo tối ưu tầng thấp slow  H opt  opt tầng cao sup  H opt      opt opt H opt ; sup H opt Thành lập cấu trúc quỹ đạo tối ưu HTVT hai tầng S IIopt  slow  max Trên hình thể dạng đặc trưng hàm low  H   , upmax  H   VII  H   L Ở đây, giá trị đánh dấu  giá trị đặc trưng alpha giám sát L lần nhỏ xác định dựa vào catalog đặc trưng alpha cấu trúc quỹ đạo mơ hình Delta max Hình Dạng đặc trưng hàm low  H   , upmax  H   VII  H   THÀNH LẬP CATALOG CẤU TRÚC QUỸ ĐẠO TỐI ƯU CỦA HỆ THỐNG VỆ TINH HAI TẦNG GIÁM SÁT LIÊN TỤC KHOẢNG KHÔNG GIAN VŨ TRỤ DẠNG LỚP CẦU ĐỒNG TÂM VỚI TRÁI ĐẤT Với khoảng không gian vũ trụ dạng lớp cầu giới hạn hai mặt cầu có độ cao H1 , H đặc trưng giám sát vệ tinh (  , D max ), độ bội giám sát L lần, ta tìm cấu trúc quỹ đạo tối ưu tầng cho dạng tham số cấu trúc lớp Delta T , P, F , độ cao quỹ đạo H góc nghiêng quỹ đạo i Để thuận tiện cho nghiên cứu thiết kế sơ thuật phóng HTVT, ta thành lập catalog điện tử phương án tối ưu HTVT hai tầng quỹ đạo với điều kiện ban đầu khác H1 , H ,  , Dmax ,L Sơ đồ cấu trúc catalog thể hình Cụ thể hơn, bảng thể trang catalog tính cho trường hợp L  ,   350 , H1  15000  24000km , H  28000  38000km , dòng cuối bảng giá trị D max Mỗi ô bảng phương án cấu trúc quỹ đạo tối ưu HTVT: - Phương án 1: gồm dòng 1, phương án tối ưu HTVT tầng cao truyền thống (quỹ đạo vệ tinh cao lớp không gian cần giám sát, ăng-ten hướng xuống dưới) Trong đó, dịng giá trị tổng vận tốc đặc trưng hệ thống, dòng tham số cấu trúc quỹ đạo theo thứ tự T | P | F | H (km) | i(0 ) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 69, 10 - 2020 27 Tên lửa & Thiết bị bay Bảng Cấu trúc quỹ đạo tối ưu HTVT hai tầng L =1 β=350 28 Nguyễn Nam Quý, “Tối ưu cấu trúc quỹ đạo … không gian vũ trụ gần Trái đất.” Nghiên cứu khoa học công nghệ - Phương án 2: gồm dòng 3, phương án tối ưu HTVT tầng thấp truyền thống (quỹ đạo vệ tinh thấp hơp lớp không gian cần giám sát, ăng-ten hướng lên trên) Trong đó, dịng giá trị tổng vận tốc đặc trưng hệ thống, dòng tham số cấu trúc quỹ đạo theo thứ tự T | P | F | H (km) | i(0 ) - Phương án 3: gồm dòng 5, 6, phương án tối ưu HTVT hai tầng Trong đó, dịng giá trị tổng vận tốc đặc trưng hệ thống, dòng tham số cấu trúc quỹ đạo tầng cao theo thứ tự Tup | Pup | Fup | Hup (km) | iup (0 ) , dòng tham số cấu trúc quỹ đạo tầng thấp theo thứ tự Tlow | Plow | Flow | Hlow (km) | ilow (0 ) CATALOG cấu trúc quỹ đạo tối ưu hệ thống vệ tinh hai tầng giám sát liên tục tồn L lần khoảng khơng gian vũ trụ dạng lớp cầu đồng tâm với trái đất Phần 12 β=550 Phần 11 β=500 Phần 10 β=450 Tập L=4 Phần β=500 Phần β=450 Phần β=400 Tập L=3 Phần β=450 Phần β=350 Phần β=400 Phần β=350 Phần β=300 № trang H1, km Phần β=400 Tập L=2 Tập L=1 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 Hình Sơ đồ catalog phương án tối ưu cấu trúc quỹ đạo hệ thống vệ tinh hai tầng Catalog cho phép so sánh (theo tiêu chí tổng vận tốc đặc trưng hệ nhỏ nhất) cấu trúc quỹ đạo HTVT giám sát liên tục tồn phần khoảng khơng gian vũ trụ dạng lớp cầu đồng tâm với Trái đất phương án hệ thống có tầng theo cách tiếp cận truyền thống hệ thống hai tầng quỹ đạo theo đề xuất báo Điều thể bảng 1, với ô có màu xanh hệ thống tầng tốt hơn, có màu trắng hệ thống tầng thấp tốt cịn có màu vàng hệ thống tầng cao tốt Phù hợp với giá trị ban đầu tham số đầu vào mà ta có lựa chọn cấu trúc quỹ đạo cho hệ thống cách hợp lý dạng tầng hay hai tầng quỹ đạo Từ bảng thấy, phương án cấu trúc hệ thống hai tầng quỹ đạo tốt tầng lớp khơng gian vũ trụ cần giám sát có bề dày lớn, giới hạn H1 nhỏ cự ly giám sát không xa Phương án tầng cao tốt khoảng khơng gian cần giám sát có bề dày mỏng, cự ly giám sát vệ tinh lớn, H1 lớn H lại nhỏ KẾT LUẬN Dựa mơ hình cấu trúc Delta Walker, báo đưa phương pháp xây dựng cấu trúc quỹ đạo tối ưu HTVT hai tầng giám sát liên tục tồn khoảng khơng gian Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 69, 10 - 2020 29 Tên lửa & Thiết bị bay vũ trụ dạng lớp cầu đồng tâm với Trái đất theo tiêu chí tổng vận tốc đặc trưng hệ thống nhỏ Tùy thuộc vào điều kiện ban đầu kích thước lớp khơng gian vũ trụ cần giám sát đặc trưng thiết bị giám sát lắp đặt vệ tinh mà cấu trúc hai tầng quỹ đạo thể tốt hay cấu trúc tầng truyền thống Nghiên cứu đề xuất cách tiếp cận mới, mang tính lý thuyết, việc giải tốn giám sát khoảng khơng gian vũ trụ dạng lớp cầu đồng tâm với Trái đất, toán bước đầu cần giải q trình thiết kế sơ thuật phóng HTVT, đặc biệt với HTVT mini (nanosatellite) yêu cầu tổng số vệ tinh hệ thống lớn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Daniele Mortari, Yury N Razoumny, Oleg E Samusenko, Viktoria D Novikova, Nguyen Nam Quy, “The Algorithm for Solving the Task of Choosing the Optimal Two-Tier Satellite Constellation for Continuous Coverage of the Spherical Layer of Near-Earth Space”, Published by UNIVELT, Inc., USA, Advances in the Astronautical Sciences, 2020, vol.170, pp.463-473 [2] Gobetz F.W., “Satellite networks for global coverage”, Advances in astronautical sciences, Vol 9(1963), pp 134-156 [3] Lang T.J., “Optimal low earth orbit constellations for continuous global coverage”, AAS/AIAA Astrodynamics Specialist Conference, Victoria, BC, Aug 16-19 1993, No 597, 17 p [4] Lang T.J., “Walker Constellations to Minimize Revisit Time in Low Earth Orbit”, 13th AAS/AIAA Space Flight Mechanics Meeting, Ponce, Puerto Rico, 9–13 February, 2003, paper AAS 03-178 [5] Razoumny Yu.N., “Fundamentals of the Route Theory for Satellite Constellation Design for Earth Discontinuous Coverage Part 3: Low-Cost Earth Observation with Minimal Satellite Swath”, Acta Astronautica, 2016, vol 129, pp 447–458 [6] Vargo L.G., “Orbital patterns of satellite systems”, The Journal of the Astronautical Sciences, Vol 7, № 4(1960), pp.78-86 [7] Walker J.G., “Satellite Constellations”, Journal of the British Interplanetary Society, Vol 24(1984), pp 369–384 [8] Yury N Razoumny, Oleg Samusenko, Nguyen Nam Quy, “Satellite Constellation Design for Near Earth Space Coverage Basing on Two-Tier Satellite Structures”, Advances in the Astronautical Sciences, 2017, Vol 161, pp 1142-1149 [9] БырковБ.П., “Каталогcистемынепрерывногомногократногообзорасферы”, т.1-т.5, Москва, 1977 [10] МожаевГ.В., “Задачаонепрерывном обзоре Земли и кинематически правильные спутниковые системы”,I Космические исследования, 1972, т 10, вып 6, с 833–840 [11] Разумный Ю.Н., Самусенко О.Е., Нгуен Нам Куи, “Анализ оптимальных вариантов двухъярусных спутниковых систем непрерывного обзора сферического слоя околоземного космического пространства”, Вестник Московского авиационного института, 2018, Т.25, № 3, с.171-181 [12] Разумный Ю.Н., Самусенко О.Е., Нгуен Нам Куи, “О задаче оптимизации орбитальной структуры многоярусных спутниковых систем непрерывного обзора околоземного пространства”, Известия высших учебных заведений Машиностроение, 2018, №4(697), c 61-72 30 Nguyễn Nam Quý, “Tối ưu cấu trúc quỹ đạo … không gian vũ trụ gần Trái đất.” Nghiên cứu khoa học công nghệ ABSTRACT OPTIMIZATION OF ORBITAL STRUCTURE OF SATELLITE CONSTELLATIONS TO PROVIDE CONTINUOUS COVERAGE OF NEAR-EARTH SPACE SPHERICAL LAYER In the paper, a completely new approach: continuous monitoring of near-Earth space spherical layer based on the construction of two-tiers orbiting satellite constellation with opposite viewing directions, in which each the satellite tier is an independent subsystem that follows the "Delta-system" model of WalkerJ.G (Walker constellation) is proposed Modeling and analyzing the problem of optimizing the structure of two-tiers satellite constellations in orbit according to the criterion of the total system characteristic velocity is the smallest into the more traditional problems which are easier to solve - optimizing the system structure onetier satellite constellation according to the criteria that the total number of satellites in the system is the smallest In this article, methods of solving these problems are also presented Based on the results of the calculation and establishment of the catalog of the optimal orbital structure plans of the two-tier satellite constellation, the analysis, evaluation and comparing the achieved results with the satellite constellation structure traditional one-tier are made Keywords: Spacecraft ballistics; Satellite constellation; Orbital structure; Walker constellation Nhận ngày 21 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 18 tháng năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 15 tháng 10 năm 2020 Địa chỉ: Học viện Kỹ thuật quân * Email: sky_moscow@mail.ru Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 69, 10 - 2020 31 ... toán tối ưu cấu trúc quỹ đạo hệ thống vệ tinh hai tầng quan sát liên tục khoảng không gian vũ trụ gần Trái đất 2.1.1 Một vài khái niệm tiêu chí tối ưu tốn Vùng giám sát vệ tinh khoảng không gian. .. kết đạt với cấu trúc HTVT tầng truyền thống sở so sánh tổng vận tốc đặc trưng hệ thống CẤU TRÚC QUỸ ĐẠO HAI TẦNG HỆ THỐNG VỆ TINH GIÁM SÁT LIÊN TỤC KHOẢNG KHÔNG GIAN VŨ TRỤ GẦN TRÁI ĐẤT 2.1 Phát... Đối với hệ thống vệ tinh tầng, tiêu chí sử dụng để tối ưu hóa cấu trúc quỹ đạo tổng số vệ tinh hệ thống nhỏ nhất, với hệ thống vệ tinh đa tầng (hệ thống xây dựng từ hệ thống có độ cao quỹ đạo khác