ДИНАМИКА И УПРАВЛЕНИЕ ПЕРСПЕКТИВНЫМИ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫМИ ОРБИТАЛЬНЫМИ СИСТЕМАМИ
Разработка и внедрение распределенных систем типа Formation Flying (формаций) на базе миниатюрных спутников стала одной из наиболее интенсивно развиваемых идей прошедшего десятилетия для исследования космоса. Она станет новацией начавшегося десятилетия по мере массового перехода от идей к их реализации. Это требует создания фундаментального задела и накопления знаний, разработки сценариев миссий, математических моделей, алгоритмов, методов их исследования и верификации, включая лабораторные испытания. Формация состоит из нескольких аппаратов, движущихся по близким орбитам и обычно на относительно близком расстоянии друг от друга, которые решают совместную задачу, требующую информационной коор- динации и поддержания их относительно движения. Это требует наличия головного спутника, «дири- жирующего» всем ансамблем, состоящим из подчиненных ему остальных спутников в формации. Но с точки зрения динамики и управления формацией такое разделение не столь важно − гравитационное поле и остальные возмущающие факторы действуют на спутники, невзирая на их ранги и отношения подчиненности. Для анализа динамики спутника требуются специальные модели относительного движения спутников, учитывающие близость их расположения. Рассматриваются модели относительно движения спутников, начиная с простейших и допускающих простые интерпретации − уравнения Хилла − Клохесси − Уилтшира − наиболее простые уравнения, описы- вающие в линейном приближении движение в центральном ньютоновом поле одного спутника отно- сительно другого, в свою очередь движущегося по круговой орбите. Если движение происходит вне атмосферы, то есть на достаточно высоких орбитах, то основным возмущающим фактором является сжатие Земли, которое приводит к вековым эффектам и расхождению спутников, первоначально движущихся в непосредственной близости друга от друга. Для приближенного описания относительного движения спутников при наличии сжатия с учетом гармоники J2 можно использовать уравнения Швайгнарта − Седвика. Приводятся результаты исследования эволюционного движения спутников. При создании формации необходимо уметь решать две основные задачи − развертывание формации на орбите и ее поддержание на всем времени активного существования. Первая задача связана с построением схемы оптимального маневрирования, во многом определяемой схемой вывода спутников на орбиту (сколько используется носителей, в какое время, в какие точки орбиты и т.д.). Задача поддержания формации, естест- венно базирующаяся на активном управлении спутниками, тесно примыкает к интересной с точки зрения небесной механики задаче эволюции формаций. При этом задача поддержания упрощается, если не строить формацию вопреки законам небесной механики. Описаны их типовые конфигурации, выделены наиболее существенные факторы, влияющие на эволюцию системы. Рассматриваются способы поддержания фор- мации, включая простые алгоритмы управления движением спутников, подходы к их верификации, в том числе и лабораторные. Приведены примеры реализованных и проектируемых формаций, описаны их цели и задачи, особенности динамики.