Актуальность задачи метеорологического наблюдения из космоса северных районов следует из промышленного освоения новых территорий. Космические аппараты (КА) позволяют быстро оценивать обстановку на Севере, но для этого надо иметь соответствующую группировку [1]. В настоящее время такая группировка создаётся и предполагает размещение четырёх спутников «Арктика-М» на орбитах типа «Молния» [2]. Цель работы заключается в построении улучшенных вариантов группировок КА для наблюдения Севера. В 1986 году завершилось применение спутников связи типа «Молния», но интерес к высокоэллиптическим орбитам сохранился [3,4]. В орбитальной группировке «Арктика» предусмотрено 10 КА на трёх типах орбит. Два спутника «Арктика-М» выведены на орбиты типа «Молния». Объектом изучения в этой работе являются именно эти спутники, находящиеся на орбитах с апогеем над поверхностью Земли около 40000 км, перигеем около 1000 км и наклонениями 63 градуса [4]. Особенность орбиты заключается не только в известной петле на трассе, но и в наклонении. При наклонении 63 градуса перигей не смещается [5,6]. Второе вековое возмущение связано с изменением долготы восходящего узла орбиты КА. Полярные орбиты не прецессируют [5]. Это свойство можно применить в новой группировке КА. Гидрометеорологическая аппаратура спутников «Арктика-М» позволяет получать снимки Земли в Северном полушарии с разрешением 1000 м в видимом диапазоне наблюдения и 4000 м в инфракрасном. Такие снимки можно посмотреть почти в реальном масштабе времени, фотографии обновляются каждые сутки [4].
При таком способе ДЗЗ появляется большой недостаток в виде уменьшения разрешающей способности аппаратуры. Чем дальше объектив расположен от Земли, тем мельче изображение, но больше поле зрения поверхности планеты. Значит, надо увеличить оптическое изображение объектов, приблизить КА к Земле. Для этого надо уменьшить высоту орбиты над поверхностью Земли. Например, если высоту рабочей области орбиты уменьшить с 40000 км до 10000 км, то есть в 4 раза, то размер изображения на фотографии тоже увеличится в 4 раза по закону геометрического подобия. Предлагается дополнительный КА, который условно назовём «Ардктика-Д». Задача заключается в совместном изучении трасс предлагаемого дополнительного КА «Арктика-Д» и уже работающих а орбите спутников «Арктика-М1» и «Арктика-М2».
Предлагаемая группировка из трёх спутников работает следующим образом. Пусть в начальный момент времени работает первый КА «Арктика-М1» на правой петле апогейной области на ракурсе «Иркутск». Второй КА «Арктика-М2» пассивен, находится в перигейной области. Долгота восходящего узла дополнительного спутника «Арктика-Д» выбрана так, чтобы пики траектории-пилы совпадали с рабочими петлями трассы «Молния». Так как орбита дополнительного спутника «Арктика-Д» круговая, то движение КА по ней будет равномерным. Один зубец траектории-пилы трассы соответствует шести часам одного оборота по орбите. Значит, в полосе северных широт 45-90 градусов дополнительный КА «Арктика-Д» будет находиться 45 минут на восхождении к Северному полюсу и 45 минут на нисхождении от Северного полюса обратно к граничной рабочей географической параллели 45 градусов. Получается, что совместно с КА «Арктика-М1», работающем 6 часов на ракурсе «Иркутск», будет 1,5 часа работать дополнительный КА «Арктика-Д». Причём дополнительный спутник «Арктика-Д» обладает двумя преимуществами по сравнению с КА «Арктика-М1». Во-первых, высота орбиты в 4 раза ниже, поэтому оптическое разрешение в 4 раза больше, можно даже поставить цель визуального наблюдения кораблей на Северном морском пути. Во-вторых, КА «Арктика-М1» поднимается до максимальной географической широты 63 градуса. Дополнительный спутник «Арктика-Д» поднимается до Северного полюса, с которого ДЗЗ более благоприятно. Два одновременных визуальных наблюдения позволяют выполнить стереосъёмку поверхности. Через 1,5 часа совместной работы дополнительный КА «Арктика-Д» уходит на пассивный падающий участок трассы. Пассивный – это условно, потому что спутник может продолжать работать автономно, уже не в составе системы «Арктика». Более того, он может работать автономно и в ракурсе «Экватор», и в ракурсе «Антарктика», и в других ракурсах. У созданного и работающего спутника «Арктика-М1» остаётся ещё 1,5 часа автономной работы, как и до подхода к нему дополнительного спутника «Арктика-Д». Следующий виток орбиты, то есть 3 часа, для дополнительного спутника «Арктика-Д» является автономным, он в одиночестве зондирует и Северный полюс, и Южный полюс, и два раза Экватор и т.д.
Третий виток, то есть через 6 часов от начала отсчёта, Земля поворачивается на 900, второй существующий спутник «Арктика-М2» начинает работать аналогично первому.
Четвёртый виток дополнительно спутника «Арктика-Д» выполняется автономно, не в составе группировки «Арктика-М».
С пятого витка циклограмма работы повторяется. Пятый виток аналогичен первому, шестой – второму, и так далее. Цель достигнута.
С помощью одних формул трудно понять взаимное расположение спутников на трёх орбитах. Намного проще изготовить наглядную демонстрационную модель, как это было сделано при изучении орбит типа «Тундра» [7]. Новая модель, как и предыдущая, подготовлена к патентованию в качестве учебного пособия.
Вывод. Предложенный дополнительный спутник позволит в четыре раза увеличить оптическое разрешение фотографий, хорошо впишется в уже созданную систему, но дополнительно сможет решать другие задачи ДЗЗ над всей поверхностью Земли.