НИЗКООРБИТАЛЬНЫЕ СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ

ВОПРОСЫ ВХОЖДЕНИЯ В СВЯЗЬ С НИЗКООРБИТАЛЬНЫМИ КА

Использование космических аппаратов (КА) для решения различных задач прикладного и научного характера является в настоящее время необходимым условием динамичного развития национальной экономики и научно-технического потенциала любого государства. В полной мере это относится к России.

Для реализации целевых задач любого КА необходимо обеспечить обмен информацией между бортовыми системами КА и различными наземными службами. На современном этапе доминирующую роль в этой области играют системы радиосвязи. Существует несколько способов организации информационного обмена между наземной станцией (НС) и КА. Наиболее широко применяется непосредственная радиосвязь, а также связь через спутник-ретранслятор (СР) на геостационарной орбите. Последнее время большое внимание уделяется работам по сетевой организации информационного взаимодействия НС и КА. Сетевая организация обмена подразумевает наличие группировки КА, оборудованных как системами связи с НС, так и аппаратурой межспутниковых линий связи. Здесь каждый КА может выполнять роль узла информационной сети, ретранслируя информацию в направлении адресата.

Однако схема с непосредственной радиосвязью НС и КА по-прежнему остается одной из наиболее часто используемых. Дело в том, что даже при сетевой организации информационного взаимодействия НС и КА-адресата, обязательно существует участок с непосредственной радиосвязью НС и КА-ретранслятора. Кроме того, непосредственная технология связи может оказаться единственной реализуемой схемой при возникновении ряда нештатных ситуаций и отказов аппаратуры на борту КА. Технология непосредственного информационного радиообмена НС и космических аппаратов, высота орбиты которых не превышает 2000 км, является областью рассмотрения данного доклада.

Для обеспечения малого затухания сигнала в атмосфере Земли и для предотвращения отражения сигнала от ионосферы в радиолиниях связи с КА используются радиочастоты с длинами волн от единиц сантиметров до единиц метров. Если пренебречь рефракционными эффектами в атмосфере, то можно считать, что сигналы этих диапазонов частот распространяются прямолинейно. Для низкоорбитальных КА (НКА) прямолинейность распространения сигнала приводит к сеансному характеру непосредственного информационного обмена с НС, то есть НКА находится в зоне видимости НС не постоянно, а в определенные промежутки времени, в течение которых возможно проведение сеансов связи.

При вхождении КА в зону видимости НС необходимо выполнить процедуру установления радиосвязи для обеспечения их непосредственного информационного взаимодействия. Для более общего случая двунаправленного обмена информацией необходимо выполнить синхронизацию как в прямом канале (ПК), обеспечивающем передачу информации от НС на КА, так и в обратном канале (ОК), где передача информации идет в обратном направлении. Процесс установления дуплексной радиосвязи между НС и НКА является предметом рассмотрения данного доклада.

Постановка задачи, требования к процессу ВВС

На борту КА могут присутствовать несколько комплексов аппаратуры, требующих радиообмена с наземными службами. Такие комплексы являются элементами телеметрической системы, командно-измерительной системы, целевых систем КА и ряда других систем. Базовые принципы установления радиосвязи между наземной и бортовой аппаратурой являются общими для большинства систем. Некоторые особенности для телеметрических или целевых систем могут быть связаны с однонаправленным характером передачи информации, что несколько упрощает задачу установления связи. Однако, далее будет рассматриваться более общий случай двунаправленного радиообмена.

Дальнейшее изложение подразумевает также, что система связи работает в сантиметровом диапазоне волн. Характеристики направленности антенных устройств, применяемых в вышеперечисленных системах, могут существенно отличаться в зависимости от частотного диапазона. Это особенно заметно в наземном сегменте. В силу высокой направленности антенных устройств НС, реализация задачи вхождения в связь для систем сантиметрового диапазона волн оказывается, как правило, сложнее, чем для систем УКВ диапазона, где направленность антенн невелика. Высокая направленность антенны НС требует расчета достаточно точных целеуказаний (ЦУ) по угловым координатам.

Процесс вхождения в связь (ВВС) предназначен для обеспечения установления связи между НС и КА при вхождении КА в зону видимости НС, а также для восстановления связи в случае ее нарушения в ходе сеанса связи . Для реализации процесса ВВС используются как аппаратурные, так и программные ресурсы системы. Как правило, бортовая аппаратура (БА) систем связи отрабатывает процесс ВВС по заранее определенному алгоритму работы в сеансе связи. Решение наиболее сложных вопросов ВВС возлагается при этом на НС, в особенности - на программное обеспечение (ПО) НС. В силу этого, далее при рассмотрении процесса ВВС основное внимание будет уделено архитектуре и особенностям построения соответствующих программ.

Под определением "Процесс ВВС" будет рассмотрен комплекс программ из состава ПО НС, который должен обеспечить установление (восстановление) связи в системе посредством управления аппаратурными комплексами НС. При этом предполагается, что бортовой аппаратурно-программный комплекс работает в режиме ВВС по заранее известному алгоритму. В общем случае процесс ВВС должен обеспечивать:

Условия, влияющие на процесс ВВС

На реализацию процесса ВВС влияет ряд условий. К таким условиям относятся, например, качество априорного прогнозирования траектории движения КА, характеристики сигналов, подлежащих обнаружению, а также порядок установления связи (алгоритм режима вызова), реализованный в системе.

В зависимости от качества априорного прогноза параметров движения КА может существенно изменяться алгоритм пространственного поиска в наземной станции. Практика показывает, что ошибка прогноза вдоль орбиты, как правило, существенно превышает ошибки в плоскости, перпендикулярной направлению движения КА. Следовательно, при удовлетворительном качестве прогноза может отсутствовать поиск КА по угловым координатам. Тем не менее, удовлетворительный прогноз не исключает "поиск по времени" для парирования ошибки прогноза движения КА вдоль орбиты. При этом антенна НС не выполняет сканирования по угловым координатам, а просто ожидает появления КА в упрежденной точке. Ситуация существенно изменяется, если луч диаграммы направленности антенны НС не может полностью перекрыть "трубку неопределенности" прогноза движения КА в окрестности упрежденной точки. Как правило, такая ситуация возникает в процессе вывода КА на расчетную орбиту или является следствием орбитального маневрирования КА. "Трубка неопределенности" также расширяется, если начальные условия, по которым прогнозируются орбитальные параметры КА, длительное время не обновляются. Такое качество прогнозирования орбиты КА подразумевает, что поиск по времени должен быть дополнен поиском по угловым координатам и, возможно, по дальности и скорости, то есть, в предельном случае необходим сложный пространственно-частотно-временной поиск.

Параметры сигналов в системе связи также имеют существенное значение для реализации процесса ВВС. В качестве примера можно рассмотреть влияние спектральных характеристик сигнала на алгоритм ВВС. Большинство современных систем спутниковой радиосвязи используют широкополосные шумоподобные сигналы, имеющие базу В"1. Для решения ряда технических проблем широкополосный сигнал (ШПС) может комбинироваться с узкополосным пилот-сигналом. Наличие либо отсутствие пилот-сигнала в спектре влечет за собой, соответственно, упрощение либо усложнение реализации ВВС.

Очевидно, что алгоритм режима вызова в системе связи тоже определяет построение процесса вхождения в связь. Речь идет о том, какая сторона системы, наземная или бортовая, является инициатором связи, и в какой последовательности происходит обнаружение и переход в режим автосопровождения сигналов в дуплексной системе.

Составные части процесса ВВС

Предполагается, что наземная станция системы спутниковой связи имеет в своем составе следующие основные аппаратурные комплексы: центральный информационно-управляющий комплекс, радиоприемный и радиопередающий комплексы, а также комплекс управления антенной системой. В состав каждого комплекса входит соответствующая ЭВМ: центральная ЭВМ и периферийные ЭВМ-контроллеры, управляющие работой приемника, передатчика и антенного комплекса. Управление аппаратурными комплексами и наземной станцией в целом возлагается на комплекс программного обеспечения (КПО). В состав КПО входит ряд программ, обеспечивающий решение задач ВВС.

Можно рассматривать несколько вариантов деления процесса ВВС на составные части. Деление по функциональному принципу позволяет разбить процесс ВВС на ряд функциональных модулей. Другой вариант разбиения процесса ВВС - распределение по аппаратурным комплексам, точнее - по соответствующим ЭВМ и контроллерам. Далее перечислены функциональные модули процесса ВВС, кратко раскрыто назначение этих модулей, а также дана привязка этих модулей к аппаратурным комплексам.

Базовый модуль процесса ВВС обеспечивает выполнение основных операций и координацию работы всех программных модулей ВВС. Модуль реализуется на базе центрального информационно-управляющего комплекса НС. В процессе поиска сигнала КА этот модуль обеспечивает управление режимами работы аппаратурных комплексов НС. После установления связи модуль контролирует ее качество. Качество связи определяется степенью связанности наземного и бортового сегментов системы, то есть наличием или отсутствием ряда признаков качества связи ("захватов").

Модуль расчета и выдачи ЦУ также функционирует .в центральной ЭВМ. Он обеспечивает расчет целеуказаний по всем необходимым параметрам, выдачу этих ЦУ в периферийные ЭВМ-контроллеры и прием квитанций об их отработке. Для установления связи с КА необходимо иметь информацию о его координатах в системе отсчета НС. Нужно прогнозировать угловые координаты, наклонную дальность до КА, радиальную скорость КА относительно НС. Начальные условия для прогнозирования орбиты КА наземная станция получает, как правило, в прямоугольной геоцентрической системе координат. В ходе подготовки очередного сеанса связи с КА для этой же системы координат готовится массив ЦУ. Однако, в качестве реальных ЦУ для периферийных контроллеров выдаются данные в местной сферической системе координат НС. Пересчет ЦУ из одной системы координат в другую также является задачей модуля расчета и выдачи ЦУ. Кроме того, при плохом качестве прогноза орбиты этот модуль выполняет поиск по тем координатам, для которых это необходимо.

Модуль обнаружения сигнала БА выполняет поиск сигнала в частотно-временной области и его обнаружение. После того, как сигнал обнаружен, модуль обнаружения сигнала БА переводит системы слежения за несущей частотой и за задержкой сигнала в режим автоматического сопровождения (АС). Данный модуль процесса ВВС функционирует в ЭВМ-контроллере радиоприемного устройства НС. По информации о переходе систем слежения за несущей частотой и за задержкой сигнала в режим АС базовый модуль ВВС принимает решение о переводе антенной системы в режим АС.

После того, как сигнал БА обнаружен, с выхода приемника начинает поступать информация передаваемая по обратному каналу. Далее необходимо выполнить логическое согласование информационного обмена БА и НС. Эту операцию выполняет модуль логического согласования, который может быть реализован либо в центральной ЭВМ НС, либо в отдельном устройстве НС, выделенном для этих целей. В случае дуплексного информационного обмена этап логического согласования системы подразумевает, что радиоприемная аппаратура бортового комплекса должна обнаружить сигнал НС и начать выделение информации ПК. После того, как завершается согласование системы связи на всех протокольных уровнях вплоть до прикладного, модуль логического согласования заканчивает работу и передает управление базовому модулю ВВС, который выполняет в фоновом режиме контроль связанности НС и БА.

Особенности процесса ВВС при работе с низколетящими КА

Специфика процессов вхождения в связь с НКА состоит, главным образом, в большой динамичности этих процессов. КА, находящиеся на низких орбитах, появляются в зоне видимости определенной НС на сравнительно короткое время. В течение этого ограниченного времени необходимо выполнить задачи, запланированные для НС на данном витке полета КА. Скорость изменения физических параметров сигнала КА, слежение за которыми обеспечивает возможность поддержания связи, весьма велика.

Скорости изменения угловых координат и радиальной скорости КА имеют максимальное значение в районе "параметра", то есть точки, где расстояние между КА и НС становится минимальным, а угол места направления на КА - максимальным. "Параметр" называют также точкой кульминации сеанса связи. Следствием больших угловых скоростей является малое время нахождения КА в луче ДН антенны НС, а следовательно снижается вероятность обнаружения сигнала КА и перехода в режим АС за время пересечения космическим аппаратом луча НС. На практике это приводит к тому, что планирование сеансов связи с НКА предпочтительно выполнять таким образом, чтобы процесс ВВС выполнил свою работу еще до того, как КА окажется в районе "параметра".

Однако, нельзя исключать из рассмотрения ситуации, когда процесс ВВС необходимо выполнить в жестких условиях, то есть при больших углах места (более 45 градусов). Как правило, такие ситуации возникают при срывах сопровождения КА системами автосопровождения наземной станции. Существует большое количество причин таких рассинхронизаций от чисто радиотехнических, например, снижения усиления антенны БА вследствие нештатного вращения КА, до организационных: ошибки оператора НС или пролета самолета через луч ДН антенны НС.

Следовательно, необходимы пути парирования негативных последствий нарушений связи в районе точки кульминации. Одним из наиболее простых путей снижения вероятности срыва задач сеанса связи из-за нарушений в радиоканалах является следующий: создается дополнительный модуль процесса ВВС, который выполняет экстраполяцию значений сопровождаемых параметров сигнала БА при его кратковременном пропадании. Обеспечивая экстраполяцию динамики следящих систем КА, данный модуль позволяет существенно повысить вероятность восстановления связи при ее нарушениях вблизи точки кульминации.

Еще один путь решения проблем ВВС для НКА состоит в изменении параметров сигнала с целью сокращения времени его поиска. Хорошие результаты дает добавление узкополосного пилот-сигнала в спектр основного сигнала, поскольку обнаружение узкополосного сигнала не требует последовательного поиска по задержке огибающей ШПС.

Заключение

Одним из основных методов взаимодействия КА и наземных систем остается в настоящее время технология непосредственного обмена информацией между НС и КА, которая является также необходимым элементом перспективных сетевых технологий спутниковой связи. В силу высокой динамики процессов при работе с НКА надежность процедуры ВВС имеет большое значение для реализации задач радиообмена. Высокая вероятность успешного выполнения процесса ВВС с НКА должна обеспечиваться путем оптимизации параметров системы связи под высокодинамичные требования работы, совершенствования и дополнения алгоритмов процесса ВВС.

предыдущая страница | начало | следующая страница | глоссарий