Концептуальные сценарии развития наземной космической инфраструктуры приёма целевой информации перспективной орбитальной группировки дистанционного зондирования Земли

Решение практической задачи оценки вклада пунктов приёма информации (ППИ) в приём целевой информации является приоритетной задачей для определения облика перспективных средств наземного комплекса приёма в условиях роста перспективной орбитальной группировки (ОГ), состоящей из высокопроизводительных и разнотипных космических аппаратов (КА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).

Актуальность полноты приёма целевой информации во многом определяется растущими объёмами данных с российских и зарубежных КА ДЗЗ [1]. Усложнение целевой аппаратуры эквивалентно увеличению требований к пропускной способности высокоскоростных радиолиний, следовательно, и к наземному сегменту космической системы (КС) ДЗЗ по приёму целевой информации.

Цель исследования — оценка выполнения (полноты) приёма целевой информации с перспективной ОГ ДЗЗ в условиях максимальной производительности для определения необходимого состава территориально распределённых ППИ с приёмными комплексами (ПК) оптимальной конфигурации для достижения и поддержания целевых показателей функционирования КС ДЗЗ. В процессе моделирования выявлены закономерности, которые определяют стратегию развития наземной космической инфраструктуры ДЗЗ. Концептуальный подход к моделированию обусловлен сложностью системы и необходимостью предварительной разработки концепции исследования, т. е. комплекса ключевых положений, которые определяют общую направленность и преемственность исследования в системном проектировании КС ДЗЗ. Для решения проблем моделирования сложных и больших систем применяется метод, основанный на использовании концептуальных моделей предметной области. Концептуальный подход позволяет осуществить переход от предметной формализованной модели к следующим этапам моделирования — формально-математическому и материально-функциональному моделированию. Расчёты проводились на аппаратнопрограммных средствах моделирующего стенда Оператора космических средств ДЗЗ (НЦ ОМЗ АО «Российские космические системы»).

Тенденции развития средств и технологий передачи целевой информации ДЗЗ

В настоящее время и в перспективе намечается увеличение размерности ОГ КА ДЗЗ, состоящей из малых КА [2]. Общемировой тенденцией является рост информационной составляющей данных ДЗЗ вследствие увеличения количества элементов в светочувствительных матрицах линейного и полнокадрового типа в оптико-электронной аппаратуре КА ДЗЗ, что приводит к увеличению информационного тракта в единицу времени от целевой аппаратуры в подсистему высокоскоростной радиолинии (ВРЛ). Следовательно, накопление данных ДЗЗ происходит как по совокупному объёму, так и по скорости в единицу времени. Изыскиваются возможности использования оптической линии связи [3], несмотря на ряд технологических проблем [4], и организации межспутниковой связи кластеров малоразмерных КА [5].

В части управления — повышение эффективности функционирования целевой аппаратуры путём минимизации объёма технологических и служебных операций, а также времени простоя по техническим и организационным причинам. Определяющим вкладом в эффективность функционирования КС ДЗЗ является уровень автономности КА ДЗЗ, который зависит от того, какие функции управления КА способна решать целевая и бортовая аппаратура самостоятельно на некотором отрезке времени, а какие — нет. Самый низкий уровень автономности — командный, который в настоящее время в части управления целевой и бортовой аппаратур редко используется и характеризуется низким уровнем отдачи. Следующим уровнем является временной принцип управления [6], когда рассчитывается временной график функционирования целевой аппаратуры, и формируется массив для его записи на бортовое запоминающее устройство. Высшим уровнем автономности КА считается координатный метод управления [6]. На борт выдаются только исходные данные для программы работы целевой и бортовой аппаратуры, а КА сопоставляет свое текущее положение с заданным и включает в работу алгоритмы необходимого набора операций. Применительно к российским КА ДЗЗ можно говорить о координатновременном принципе управления, при этом часть функций управления реализуется на уровне наземного сегмента, а часть — на борту КА. Данный принцип управления включает в себя технологический цикл управления (ТЦУ), описывающий формальные правила взаимодействия наземного комплекса управления и бортового комплекса управления КА на типовом интервале времени. В качестве одной из составляющих ТЦУ можно выделить закладку на борт рабочей программы, определяющей циклограмму работы целевой аппаратуры и сеансов сброса целевой информации на ППИ.

Известно, что между наземным и космическим сегментами существует разделение каналов (трактов) управления и передачи данных КА [7]. В данной статье рассмотрен один из них — передача целевой информации по ВРЛ по мере прохождения КА зоны радиовидимости (ЗРВ) ППИ.

В настоящее время отмечается неуклонный рост пропускной способности тракта передачи по ВРЛ в российской КС ДЗЗ путём внедрения последних разработок в области кодирования радиоканала и модуляции сигналов. Активно внедряется вид модуляции, который обеспечивает скорость тракта более 1 Гбит/с в X -диапазоне [8, 9]. Также обсуждается возможность реализации передачи целевой информации с динамически изменяемыми сигнально-кодовыми конструкциями [10], т. е. реализация динамического изменения скорости передачи в зависимости от угла места приёмного комплекса и, соответственно, от дальности ВРЛ.

Учитывая прорывные технологии и принципы управления КА ДЗЗ, к территориально распределённой сети ППИ предъявляются повышенные требования. Проблемные вопросы и основные принципы развития перспективной наземной инфраструктуры ДЗЗ сформулированы в работе [11]. Несмотря на внедрение современных технологий и методов оптимального распределения информационных потоков, ключевой проблемой системного проектирования сети ППИ является её неоднородность, т. е. часть её пунктов даёт крайне низкий вклад в принятый объём целевой информации. Развёртывание перспективной ОГ КА ДЗЗ требует соответствующего системного подхода к формированию конфигурации сети ППИ, обеспечивающей полноту приёма целевой информации.

Применение концептуального подхода в моделировании обусловлено тем, что ввиду географической распределённости сети ППИ в совокупности с ОГ КА ДЗЗ большой размерности и структурной неоднородности нецелесообразно проводить моделирование на временном отрезке, сопоставимом с временными отрезками типовых циклов ТЦУ и рабочих программ КА. Структурная неоднородность ОГ КА ДЗЗ означает наложение различных орбитальных циклов каждого КА ДЗЗ. Следовательно, из-за значительного количества элементов космического и наземного сегментов КС ДЗЗ неоднородной структуры необходимо ввести концептуальное моделирование, учитывающее ключевые параметры, для получения предварительной (промежуточной) информации для последующего анализа, т. е. уточнение исходных данных для детализованного моделирования (приближенного к условиям функционирования элементов КС ДЗЗ) уровня разработки циклограмм и опорного плана съёмки.

Преобладающая часть КА ДЗЗ выводится на низкие орбиты для достижения требуемого пространственного разрешения целевой аппаратуры. Для обеспечения приемлемых условий съёмки, т. е. съёмки любого участка подстилающей поверхности Земли приблизительно в одно и то же местное солнечное время, эти КА выводятся на солнечно-синхронные орбиты. Следовательно, лучшие условия для приёма целевой информации имеются у ППИ, располагающихся в высоких широтах Земли. С другой стороны, информационный тракт между космическим и наземным сегментами является узким местом по ограниченному числу сеансов с короткими временными интервалами.

Размещение ППИ в высоких широтах Земли предполагает следующие технические и организационные трудности из-за географически удалённых территорий. Основная проблема заключается в том, что эти территории, как малонаселённые и со слабой социальноэкономической активностью, в основном не обеспечены возможностями наземной связи и передачи в большом объёме по волоконно-оптической линии связи (ВОЛС). Альтернативой наземной связи является спутниковая связь через КА ретрансляции (многофункциональная космическая система ретрансляции (МКСР) «Луч») [12], но их возможности ограничены как по информационным показателям и пропускной способности, так и по суммарному среднесуточному объёму передачи данных. Предполагалось использовать МКСР «Луч» и для оперативной ретрансляции целевой информации с ППИ, не имеющего наземных линий связи с Оператором космических средств ДЗЗ, и как дублирующую линию связи. Для ППИ «Прогресс» в Антарктиде канал передачи через МКСР «Луч» является основным [13].

К организационным трудностям можно отнести сложность и высокую стоимость транспортировки в заполярные районы крупногабаритных приёмных комплексов, дальнейшего их развёртывания, обслуживания и поддержания в работоспособном состоянии. На Крайнем Севере и в регионах Дальнего Востока России до наиболее крупных населённых пунктов проложены ВОЛС, входящие в крупнейшие магистральные сети ПАО «Ростелеком» [14], АО «Компания ТрансТелеКом» и других операторов связи. Наземные линии связи, помимо г. Мурманска, проложены до наиболее удалённых населённых пунктов: Архангельска, Нарьян-Мара, Салехарда, Воркуты, Норильска, Магадана и Петропавловска-Камчатского. По информации Минкомсвязи России (в настоящее время — Минцифры России) [15], прокладка ВОЛС до Анадыря завершится в конце 2022 года. Для размещения пунктов приёма информации с космических аппаратов дистанционного зондирования Земли за пределами России наиболее перспективным местом является арх. Шпицберген. Значительную, по арктическим меркам, хозяйственную деятельность на арх. Шпицберген, помимо Норвегии, согласно особому статусу архипелага (Шпицбергенский трактат, 1920 г.), осуществляет только Россия. На острове Западный Шпицберген Россия имеет населённый пункт — пос. Баренцбург, а также законсервированные пос. Пирамида и пос. Гру-мант. К Шпицбергену из Норвегии в 2004 г. проложена и введена в строй единственная линия связи [16] с потенциальной пропускной способностью 2 500 Гбит/с.

С учётом факторов, обуславливающих возможность дополнительного размещения ППИ в высоких широтах, помимо Мурманска рассматривается небольшой перечень почти равноудалённых и разнесённых по территории России дислокаций в высоких широтах, где имеется минимально необходимая инфраструктура: города Дудинка и Анадырь. Также рассматривается размещение пунктов приёма информации на арх. Шпицберген в районе пос. Баренцбург на базе станции Росгидромета.

Распределённая сеть пунктов приёма информации наземной космической инфраструктуры ДЗЗ

Возможность приёма данных с КА на средства ППИ определяется следующими факторами:

• •    техническими характеристиками ПК (диапазон частот, диаметр отражающей поверхности антенны и др.);

• •    наличием доступного временного ресурса по приёму данных;

• •    наличием средств на эксплуатацию и модернизацию ПК.

В настоящее время ряд ППИ из состава Единой территориально-распределённой информационной системы (ЕТРИС) ДЗЗ выполняет приём данных не со всех КА — к примеру, на ППИ в г. Мурманск не принимается информация с КА типа «Канопус-В».

По критерию энергетического бюджета радиолиний для различных типов КА (запас энергетического потенциала радиолинии) ПК можно условно разделить на два типа. К первому типу (ПК-1) отнесены антенны ∅ 3…6 м (приём с КА типа «Ресурс-П», «Обзор-Р», «Кондор-ФКА»); ко второму (ПК-2) — ∅ 7…12 м (КА типа «Метеор-М», «Канопус-В» и перспективные высокопроизводительные КА) [17–19].

Постановка проблемных вопросов распределённой сети ППИ

Объектом исследования являются космический и наземный сегменты КС ДЗЗ. К предмету исследования относится целевое применение космического и наземного сегментов КС ДЗЗ в части поиска оптимальных структур (или концепций). Для сложной и большой технической системы необходимо провести декомпозицию и стратификацию КС ДЗЗ как материального объекта, которая заключается в следующем. За топологическую структуру КС в части наземного сегмента принят ряд ППИ из состава ЕТРИС ДЗЗ, за технологическую структуру — техническая возможность ПК в составе ППИ по приёму целевой информации с соответствующих КА ДЗЗ. В части космического сегмента за топологическую структуру КС можно принять баллистическую структуру ОГ КА ДЗЗ, в соответствии с предметом исследования за технологическую структуру — систему информационного тракта между космическим и наземными сегментами. При этом концептуальный подход должен отражать свойства и закономерности, одновременно принадлежащие всему множеству отдельных («простых») моделей, которые агрегируются в сложные модели.

В качестве показателя эффективности тракта приёма ППИ принят относительный среднесуточный объём принимаемой информации, определяемый как отношение среднесуточного объёма принимаемой ППИ информации к среднесуточному потенциальному объёму космической информации ОГ КА ДЗЗ, рассчитываемому по предельным техническим характеристикам целевых аппаратур КА и максимальной продолжительности их работы на каждом витке. Задача является краевой, т. е. оценивается устойчивость функционирования системы на граничных условиях, определяемых одной или несколькими предельными характеристиками системы.

Расчёт общего объёма космической информации, принятой ППИ, проводится на активном интервале моделирования (60 сут), превышающем кратность орбит КА моделируемых КС ДЗЗ.

Введём показатели, системно характеризующие возможности распределённой сети ППИ: потенциал сети ППИ и вклад отдельно взятого ППИ .

Потенциал сети ППИ — количественная характеристика (в процентах) возможности приёма всего объёма потоков целевой информации с ОГ КА ДЗЗ за отчётный (моделируемый) период.

Вклад отдельно взятого ППИ — количественная характеристика (в процентах) объёма принятой целевой информации отдельно взятым ППИ от общего объёма принятой информации за отчётный (моделируемый) период.

Показатель, по которому система не удовлетворяет поставленной задаче достижения целевых показателей функционирования КС ДЗЗ: потенциал распределённой сети ППИ по приёму целевой информации ОГ КА за условно отчётный период ниже, чем объём информации, производимой ОГ КА.

Зависимость потенциала распределённой сети ППИ от параметров системы: этот показатель зависит от конфигурации ППИ в географической составляющей (территориальное распределение ППИ по критерию максимизации покрытия ЗРВ с минимальной степенью перекрытия между этими зонами) с учётом особенности баллистического построения рабочих орбит КА ДЗЗ. Вторая составляющая — техническая оснащённость ППИ (количество ПК) и возможность приёма информации с конкретных КА определённого типа.

Разработка предложения по решению проблемных вопросов: корректировка конфигурации ППИ в географической составляющей (размещение ППИ в заполярной зоне России), техническое оснащение ПК, предусматривающих приём целевой информации высокопроизводительных КА ДЗЗ.

При моделировании сделано допущение — задействование канала связи «КА–ППИ» как основного и преобладающего канала передачи целевой информации, т. е. канал связи «КА–ППИ–ре-транслятор–ППИ» в настоящее время имеет ограниченный вклад в информационный тракт между космическим и наземным сегментами. Передача целевой информации по схеме «КА–ретран-слятор–ППИ» требует оснащения КА абонентской аппаратурой ретрансляции [7], что планируется для перспективных КА ДЗЗ. Технология межспутниковой связи по схеме «КА–КА–ППИ» находится на уровне технологической готовности, который предусматривает разработку и экспериментальную отработку этой технологии в космических условиях [5], возможность её практического применения требует дополнительных исследований.

Таким образом, сформулированы задачи:

• •    предусмотреть возможность размещения ППИ в высоких широтах Земли и оценить полноту приёма целевой информации, а также вклад каждого ППИ в приём целевой информации;

• •    определить условия возникновения точки бифуркации, при которой текущий вариант концептуальной стратегии развития наземной космической инфраструктуры ДЗЗ (а именно — увеличение количества территориально разнесённых ППИ на территории России) может исчерпать свой ресурс

и в последующем развитии не обеспечивать рост эффективности приёма целевой информации при увеличении численности ОГ КА ДЗЗ;

• •    показать, какими путями может быть реализована смена концептуальной стратегии развития наземной космической инфраструктуры приёма целевой информации перспективной ОГ КА ДЗЗ.

Оценка вклада наземной космической инфраструктуры ДЗЗ в приём целевой информации до 2030 года

Оценка вклада ППИ в приём целевой информации проведена с использованием аппаратно-программных средств моделирующего стенда Оператора космических средств ДЗЗ на основе математического моделирования сеансов входа/выхода КА в зоны радиовидимости ППИ. Рассмотрены ОГ в составе 10 (вариант 1); 15 (вариант 2) и 20 КА (вариант 3) с потенциальными объёмами потоков целевой информации до 30, 70 и 120 Тбит/сут, соответственно.

В принятой конфигурации ППИ в составе ЕТРИС ДЗЗ приём с КА типа «Канопус-В», «Ресурс-П» и высокопроизводительных перспективных КА выполняется не в полном объёме по той причине, что все ПК, которые могут принимать целевую информацию с части КА (ПК 2-го типа с диаметром антенны 7…12 м), размещены в средних широтах.

Предложения по оптимизации конфигурации наземной космической инфраструктуры ДЗЗ по приёму целевой информации

Результаты концептуального моделирования показали необходимость поисковых исследований по оптимизации конфигурации ППИ в составе ЕТРИС ДЗЗ в целях обеспечения выполнения (полноты) приёма целевой информации с перспективной ОГ, состоящей из высокопроизводительных КА ДЗЗ. Учитывая технические и организационные трудности размещения ПК 2-го типа с диаметром антенны 7…12 м в ППИ из-за удалённости территорий, рассматривается небольшой перечень почти равноудалённых и разнесённых по территории России дислокаций в высоких широтах, где имеется минимально необходимая инфраструктура: г. Дудинка и г. Анадырь. В западной части выделены два варианта размещения ПК 2-го типа (в Мурманске или на арх. Шпицберген в районе пос. Баренцбург). Из-за наличия частичного перекрытия областей ЗРВ наиболее предпочтительным вариантом является размещение ПК 2-го типа на арх. Шпицберген.

Включение в состав любого из рассматриваемых заполярных ППИ одного ПК 2-го типа приведёт к увеличению объёма принятой информации ОГ из 20 КА по сравнению с вариантом состава ППИ в среднеширотных региональных зонах примерно в полтора раза (рис. 1).

В обеспечение приёма информации от всех КА ОГ ДЗЗ на 2030 год в полном объёме предлагается дооснастить заполярные ППИ тремя ПК 2-го типа, например, по одному ПК на арх. Шпицберген, г. Дудинка и г. Анадырь.

Оценим вклад каждого ППИ в приём целевой информации для третьего варианта конфигурации ППИ (рис. 1), состоящей из ПК 2-го типа — результаты приведены на круговой диаграмме (рис. 2). Данный анализ нужен для понимания картины эффективности работы отдельно взятого ППИ.

Проведённые расчёты показали, что ощутимую долю в эффективности приёма целевой информации вносят ППИ на архипелаге Шпицберген, в городах Дудинка, Анадырь и Хабаровск в части ПК 2-го типа.

Рис. 1. Потенциал распределённой сети пунктов приёма информации по приёму целевой информации после оптимизации с дополнительными приёмными комплексами 2-го типа: ^е — КА типа «Канопус-В»; ^е — КА типа «Ресурс-П»; ^е — перспективные КА

Рис. 2. Вклад каждого пункта приёма информации в приём целевой информации приёмными комплексами 2-го типа

Выводы

По результатам моделирования можно сделать выводы об основных направлениях стратегического развития и перевооружения (как в географическом плане, так и в техническом) наземной космической инфраструктуры приёма в зависимости от информационных возможностей ОГ КА ДЗЗ. Стратегическое развитие и перевооружение наземной космической инфраструктуры заключается в наращивании, конфигурации и реконфигурации элементов наземного сегмента КС ДЗЗ в целях достижения необходимых показателей эффективности.

В обеспечение эффективности работы ОГ небольшой размерности рекомендуется распределить ППИ и, соответственно, ПК территориальным образом по критерию максимизации покрытий ЗРВ территории Земли с меньшей степенью их перекрытий, с предпочтительностью размещения ППИ в заполярных широтах России.

При этом для ОГ большой размерности (более 40–50 КА) целесообразен последующий переход к сосредоточению усилий в наращивании численности ПК в каждом существующем ППИ. В связи с этим имеется точка бифуркации, в которой дальнейшее увеличение числа географически разнесённых ППИ становится менее эффективным решением развития наземной инфраструктуры ДЗЗ, т. е. наступает фаза «насыщения». Оценка количественной характеристики точки бифуркации требует дополнительных исследований.

Следовательно, решение предлагается реализовать в смене сценария развития путём увеличения числа ПК в уже существующих ППИ. Второй сценарий, состоящий в увеличении пропускной способности ВРЛ, позволит оптимизировать капитальные вложения в модернизацию существующих ПК и связанную с ними инфраструктуру.