Перспективы использования опыта разработки и эксплуатации системы связи со станцией «Мир» и кораблем «Буран» для Российского сегмента Международной космической станции

ВИШНЕКОВ В.Е.

КРАВЕЦ В.Г.

KRAVETS Vadim Georgievich — Doctor of Science (Engineering), Professor, Chief Specialist at RSC Energia

Опыт эксплуатации орбитальных станций (ОС) «Салют» показал недостаточную эффективность использования для целей управления и связи только наземных станций комплекса управления (НКУ) из-за малой длительности сеансов связи и невозможности обеспечения радиосвязи при нахождении ОС вне поля зрения НКУ. Коэффициент глобальности связи Кгс, как отношение возможного времени связи с ОС к общему времени полета, при использовании только наземных станций слежения не превышал 0,15. Это в ряде случаев не позволяло вовремя обнаружить и ликвидировать нештатные и даже аварийные ситуации.

При проектировании долговременной ОС «Мир» и орбитального корабля (ОК) «Буран» для существенного расширения возможности связи было признано необходимым создать спутниковую систему связи, контроля и управления (ССКУ) на основе спутников-ретрансляторов (СР), пунктов ретрансляции (ПР) и соответствующей бортовой радиоаппаратуры. Такая система была создана и успешно использовалась при управлении полетом во время эксплуатации ОС «Мир» и при первом полете ОК «Буран».

Спутник-ретранслятор «Альтаир»

Станция «Мир» создавалась как многоцелевая научная лаборатория с многократной сменой экипажа и передачей на Землю значительных потоков информации и, естественно, требовалось радикально изменить используемое при эксплуатации ОС «Салют» информационное взаимодействие долговре- менных ОС с центром управления и получения информации.

Решением данной проблемы явилось использование для связи с ОС спутников-ретрансляторов, находящихся на геостационарной орбите (ГСО) и обеспечивающих зону с К_гс не ниже 0,4 уже при одном СР. Одним из первых специализированных СР, позволяющих обеспечивать ретрансляцию узкополосной управляющей и голосовой информации, широкополосной телевизионной, научной и телеметрической информации, стал СР «Альтаир», выведенный на ГСО в начале 1986 г. [1]. В проектной разработке СР «Альтаир» участвовали РКК «Энергия» и Российский научноисследовательский институт космического приборостроения (РНИИ КП). Планировалось вывести на ГСО три СР «Альтаир» и создать два наземных ПР: первый — на НИП-14 (г. Щелково Московской области), а второй — на Камчатке. Практически на ГСО были выведены два СР «Альтаир» с точками стояния 95 ° в.д. и 16 ° з.д., а пункт ретрансляции был создан только на НИП-14. При двух СР в составе ССКУ достигался К_гс >  0,75.

СР «Альтаир» обеспечивал работу в сантиметровом Кu -диапазоне с системой «Антарес» ОС «Мир» и в дециметровом D -диапазоне с системой дециметрового диапазона (СДД) ОК «Буран». Частотный Кu -диапазон соответствует международному Регламенту радиосвязи, а D -диапазон — не соответствует, но был выбран из-за преемственности с ранее разработанными системами типа «Квант» СДД, работающими с наземными станциями управления полетом.

Комплекс «Антарес»

При выборе диапазона частот для ОК «Мир» рассматривался вариант построения бортовой системы ретрансляции с остронаправленной антенной (ОНА) как в дециметровом D -диапазоне, так и сантиметровом Кu -диапазоне. В конечном счете с учетом габаритных характеристик был принят вариант построения специализированного комплекса «Антарес» в сантиметровом Кu -диапазоне [2].

Комплекс «Антарес» сантиметрового диапазона был разработан РНИИ КП по техническому заданию НПО «Энергия».

Приемо-передающее антенно-фидерное устройство (АФУ) сантиметрового диапазона в составе бортового радиотехнического комплекса (БРТК) ОС «Мир» было разработано РКК «Энергия». В состав АФУ входили:

• •    приемо-передающая ОНА точного радиопеленга;

• •    антенна грубого радиопеленга;

• •    малонаправленная антенна радиомаяка.

Антенны были объединены в специальный антенно-приборный блок (АПБ) (рис. 1). Наведение антенны на СР осуществлялось двухстепенным шаговым приводом с погрешностью наведения 20 ‘ .

Рис. 1. Остронаправленная антенна бортового радиотехнического комплекса орбитальной станции «Мир» комплекса «Антарес»

Комплекс «Антарес» должен был работать в двух основных режимах:

• •    в режиме радиопеленгации при наведении ОНА на СР;

• •    в режиме приемо-передачи информации после окончания процесса наведения ОНА на СР и включения сеанса связи.

Для обеспечения режима радиопеленгации в комплексе «Антарес» предусматривались два отдельных канала:

• •    канал грубого пеленга;

• •    канал точного пеленга.

В режиме приемо-передачи информации комплекс должен был осуществлять прием следующих видов информации:

• •    командно-программной информации (КПИ);

• •    телефонного сигнала (ТЛФ);

• •    телевизионного сигнала черно-белого изображения (ТВ);

• •    совмещенных видов информации КПИ + ТЛФ; ТВ + ТЛФ;

и передачу следующих видов информации:

• •    телевизионного сигнала черно-белого и цветного изображения в структуре полного динамического диапазона совместно с телефонным сигналом или черно-белого телевизионного сигнала без ТЛФ (ТВ+СД);

• •    телеметрического сигнала, совмещенного с ТВ, ТЛФ, квитированием КПИ или сигналом «Сверка времени»;

• •    научного телеметрического сигнала 6 МБод;

• •    монохроматического сигнала в режиме «Несущая»;

• •    телевизионного сигнала цветного изображения в структуре SECAM совместно с телефонным сигналом через блок сопряжения источников видеосигналов и звукового сопровождения.

В результате проработки возможностей взаимного наведения ОНА и СР, компоновки и обеспечения теплового режима аппаратуры сантиметрового диапазона, были приняты определенные принципы построения радиоканала.

С учетом необходимости обеспечения требуемых энергетических характеристик, определяемых в первую очередь полосой передаваемого сигнала (т. е. в основном телевизионного видеосигнала с полосой частот до 6 МГц), антенная система выполнена с использованием ОНА с шириной диаграммы направленности 60 ‘ . Наведение такой антенны на СР при точности программного наведения ОС системой управления движением (СУД) 4 ° не представляется возможным. Поэтому было принято решение реализовать наведение антенны на СР с использованием двухступенчатого пеленгатора.

Первая ступень — канал грубого пеленга, использующий параболическую антенну с диаметром 0,27 м, коэффициентом усиления 28,5 дБ и обеспечивающую захват сигнала в зоне 4 ° , т. е. точность программного наведения от СУД, и приведение в зону 40 ' .

Вторая ступень — канал точного пеленга, использующий параболическую антенну с диаметром 1,2 м, коэффициентом усиления 41,5 дБ и обеспечивающую захват сигнала в зоне 40 ' и приведение антенны на линию визирования ОНА–СР с погрешностью 25 ' .

Для обеспечения наведения ОНА на СР пеленгатор комплекса «Антарес» выдает в СУД информацию, соответствующую отклонению оси ОНА от линии визирования ОК «Мир» – СР «Альтаир» по двум углам.

Общее потребление бортовой аппаратуры системы «Антарес» по цепям питания составляет 800 Вт.

При выборе частотного диапазона аппаратуры ретрансляции СР–ПР были разработаны бортовая (для СР) и наземная (для ПР) аппаратуры Ku -диапазона:

• •    для линии ПР–СР в диапазоне 15 ГГц;

• •    для линии СР–ПР в диапазоне 13 ГГц.

Схема связи ОС «Мир» с Центром управления полетами (ЦУП) (г. Королев Московской области) на орбитальном участке полета через ССКУ с СР «Альтаир» приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема связи орбитального корабля «Мир» с ЦУП на орбитальном участке полета через спутниковую систему связи, контроля и управления

Заключительные проверки системы «Антарес» на космодроме

Основной задачей после отработки комплекса «Антарес» и АФУ в безэховой камере и контрольно-испытательной станции (КИС) РКК «Энергия» была организация наземной проверки сквозного тракта передачи информации со станции «Мир» через СР в ЦУП [3]. С этой целью на техническом комплексе (ТК) космодрома Байконур была проведена отработка наведения ОНА на СР «Альтаир», находящийся на ГСО в точке стояния 95° в.д., и информационного канала связи с ЦУП. Для проведения отработки по проверке канала связи на ТК был изготовлен специальный железнодорожный вагон, в который загружался базовый блок ОС, при этом ОНА раскрывалась в штатное положение с механизмом обезве-шивания и была закрыта радиопроницаемым материалом. Были специально изготовлены и проложены наземные электрические связи для обеспечения работ при вывозе вагона из монтажно-испытательного корпуса (МИК) на площадку № 2 космодрома в зону радиовидимости СР «Альтаир». В вагоне было смонтировано оборудование комплекса проверочной аппаратуры (КПА) «Антарес». После вывоза вагона из МИК антенна выставлялась с помощью приводов по целеуказаниям на линию визирования ОНА–СР. В сеансах связи на вывозе определялись точностные и энергетические характеристики системы «Антарес» и ОНА. В работе участвовали ЦУП-М (г. Королев) и ПР (г. Щелково).

На базовом блоке ОК была задействована аппаратура «Квант-В», через которую осуществлялось управление системами ОС. Команды выдавались с КПА по открытому каналу через антенны, установленные на МИК.

По результатам полигонного эксперимента были сделаны следующие выводы:

• •    энергетические характеристики системы «Антарес» и ОНА соответствуют требованиям техзадания (ТЗ) и имеют запас 4-5 дБ;

• •    точностные характеристики системы «Антарес» и ОНА достаточно высокие и соответствуют требованиям ТЗ;

• •    оценка качества принятой информации соответствует требованиям инструкций по эксплуатации системы.

Особо отметим, что такие комплексные наземные испытания делались впервые. Этот опыт был в последующем использован на ОК «Буран» для проверки его системы связи.

Основные результаты создания и эксплуатации спутниковой связи для управления полетом орбитальной станции «Мир»

Эксплуатация комплекса ССКУ для управления полетом ОС «Мир» на базе использования двух СР «Альтаир» и одного ПР (на НИП-14) позволила довести время радиоконтакта с ОС до 75% полетного времени (Кгс = 0,75).

За время эксплуатации комплекс спутниковой связи «Антарес» полностью обеспечил выполнение программы полета ОС «Мир». Благодаря разработанному комплексу «Антарес» получены следующие основные достижения:

• •    при выборе частотного диапазона разработана аппаратура ретрансляции в соответствии с международными требованиями в Кu -диапазоне рабочих длин волн прямой и обратной радиолиний (прямой канал — 13 ГГц, обратный канал — 15 ГГц);

• •    обеспечена дуплексная передача телевизионного сигнала, что позволило организовать двухсторонние рабочие видеоконференции и видеовстречи экипажа с семьями (из ЦУП);

• •    обеспечена передача широкополосной научной информации со скоростью до 6 МБод;

• •    комплекс является многофункциональным, т. е. может одновременно передавать и принимать несколько видов информации;

• •    разработано двухступенчатое пеленгационное устройство грубого ( ≥ 40 ′ ) и точного ( ≥ 25 ′ ) наведения для вхождения в связь с СР с точностью наведения относительно линии визирования ≥ 25 ′ (для передачи высококачественного цветного ТВ-сигнала);

• •    комплекс содержал собственные радиоканалы управления системами ОС «Мир» по разовым командам, имея непосредственную связь с системой управления бортовым комплексом и бортовым цифровым вычислительным комплексом ОС независимо от аппаратуры «Квант-В» в составе БРТК, работающей непосредственно с наземными станциями;

• •    было обеспечено функционирование бортовых приборов комплекса, включая расположенные в ОНА, в течение 15–летнего существования станции «Мир» (при расчетной надежности 3 года) за счет многоразового использования приборов, которые доставлялись на Землю, ремонтировались и снова возвращались на станцию с помощью российских грузовых и транспортных кораблей, а позднее — и кораблей «Шаттл».

Обеспечение связи при полете орбитального корабля «Буран»

При создании и первом пуске ОК «Буран» 15.11.1988 г. по его БРТК и по НКУ были реализованы два новаторских технических решения, а именно [3]:

• •    в составе БРТК ОК «Буран», наряду с традиционными автономными средствами передачи на Землю телеметрической (ТМИ), голосовой и ТВ-информации, была создана и успешно прошла летные испытания аппаратура обмена информацией с Землей в едином цифровом потоке (ЕЦП). При этом в режиме ЕЦП должен был обеспечиваться обмен с ЦУП всеми видами полетной информации: КПИ, ТМИ, радиоконтроля орбиты (РКО), ТЛФ и ТВ;

• •    в составе НКУ «Буран», наряду с традиционной наземной аппаратурой, размещенной на стационарных и плавучих станциях слежения (СС), для связи с ОК вне зоны видимости этих средств использовалась спутниковая система контроля и управления в составе СР «Альтаир» на ГСО, обеспечивающих обмен информацией с ОК в режиме ЕЦП, и пунктов ретрансляции, связанных с

ЦУП широкополосными каналами связи. При этом использовался опыт работы с СР, полученный по ОС «Мир».

Для обмена полетной информацией в режиме ЕЦП уже при первом беспилотном полете ОК на борт устанавливался объединенный приемо-передатчик и две группы антенн: всенаправленная (ВНА) и малонаправленные (АФАР). При этом обмен ЕЦП (в составе КПИ, ТМИ и РКО) осуществлялся как через ВНА и станции слежения, так и через АФАР и СР «Альтаир». Передача ТВ-сигнала с ОК при первом пуске осуществлялась только через автономные передатчики (ПРД) и ВНА в зоне видимости СС. В дальнейшем для передачи телесигнала через СР в режиме ЕЦП на ОК планировалась установка остронаправленной антенны.

Прием полетной информации в режиме ЕЦП осуществлялся на шести наземных станциях слежения (Евпатория, Москва, Байконур, Улан-Удэ, Уссурийск и Петропавловск-Камчатский) и на корабле слежения «Космонавт Георгий Добровольский», находящемся в Тихом океане, в районе включения двигательной установки ОК при торможении для схода с орбиты. Эти же наземные станции слежения и еще три корабля слежения («Мар- шал Неделин» в Тихом океане, а также «Космонавт Владислав Волков» и «Космонавт Павел Беляев» — в Атлантическом) принимали ТМИ с традиционных автономных телеметрических передатчиков. Связь ЦУП со всеми этими наземными и плавучими станциями слежения осуществлялась через систему связи и передачи данных (ССПД) НКУ с привлечением связных СР «Горизонт», «Радуга», «Молния» и наземных каналов связи.

При первом полете ОК из состава ССКУ был задействован один СР «Альтаир» в точке стояния на ГСО 16 ° з.д. и один ПР в подмосковном Щелкове. Это позволило увеличить коэффициент глобальности связи с ОК до К_гс ≈ 0,4 (с К_гс ≈ 0,15 при использовании связи только через СС), что существенно расширяло возможности контроля и управления полетом ОК «Буран». При этом канал обмена КПИ и прием ТМИ через СР был основным на участке выведения, на орбитальном участке полета вне зон видимости СС и на участке спуска с орбиты после выхода из плазмы. В дальнейшем планировался ввод в ССКУ еще двух СР «Альтаир» и второго ПР. Схема обмена информацией при первом пуске ОК «Буран» с ЦУП в режиме ЕЦП через СР «Альтаир» и через СС приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема обмена информацией в первом полете ОК «Буран» с ЦУП в режиме единого цифрового потока через спутник-ретранслятор «Альтаир» и станции слежения наземного комплекса управления

О возможности использования в программе МКС научно-технического задела и опыта эксплуатации спутниковой системы связи со станцией «Мир» и кораблем «Буран»

Использование СР «Альтаир» для обеспечения высококачественной связи с ОС «Мир» прекратилось в сентябре 1998 г., когда отказал последний СР «Альтаир» из состава российской ССКУ того периода.

С этого времени, на протяжении более 10 лет, опыт реализованных прогрессивных решений в БРТК и НКУ программ ОС «Мир» и ОК «Буран» в нашей стране не получал практического развития.

В БРТК Российского сегмента (РС) МКС, а также в транспортных и грузовых кораблях «Союз-Т» (затем «Союз-ТМ», «Союз-ТМА») и «Прогресс» («Прогресс-М»), запущенных к МКС в период до 2012 г., обмен полетной информацией в структуре ЕЦП не предусматривался, и такой аппаратуры на РС МКС и корабли не устанавливалось.

При этом следует отметить, что в американской космической технике уже более 30 лет обмен информацией КА–ЦУП осуществляется в режиме ЕЦП, а в составе их ССКУ — имеющейся в распоряжении NASA системе TDRSS ( Tracking and Data Relay Satellite System ) — функционирует на ГСО не менее шести СР, сгруппированных в трех районах на экваторе, что при двух достаточно разнесенных ПР (США и о. Гуам) обеспечивает К_гс = 1, т. е. связь с КА в любое время полета. Управление полетом через TDRSS является основным для Американского сегмента МКС и, по согласованию с американским ЦУП-Х, достаточно широко используется при управлении полетом РС МКС для контроля и управления полетом в длительных операциях вне зон связи через российские СС (сближение с транспортными кораблями, выходы в открытый космос, продолжительные эксперименты).

Возврат к «забытым» технологиям спутниковой системы контроля и управления полетом возобновился в российской космической технике только на рубеже 2008-2009 гг. В настоящее время завершается воссоздание российской ССКУ — многофункциональной космической системы ретрансляции (МКСР) на базе вновь разработанных СР «Луч» и ПР с наземной аппаратурой «Клен-Р».

При создании ССКУ на базе новых СР «Луч» учитывается опыт работы спутниковой системы связи на ОС «Мир», который показал, что:

• •    в дальнейших разработках комплексов спутниковой связи, учитывая приоритетный

характер ССКУ по сравнению с системами связи через НКУ, необходимо внедрять цифровые методы передачи информации с целью использования в Ku -диапазоне обмена высокоскоростными видами информации. По этим радиолиниям может передаваться информация объемом до 64 Мбит/с и более;

• •    разработка новых комплексов спутниковой связи должна проводиться с учетом международных требований по структуре сигналов с целью обеспечения возможности организовывать сеансы связи через любые спутники-ретрансляторы: американские и европейские ( TDRSS и др.).

Основным научно-техническим вкладом при создании комплекса спутниковой связи РС МКС явилась разработка и внедрение широкополосной системы «Лира» (аналог комплекса «Антарес»), которая изготовлена, конструктивно оформлена и испытана в составе служебного модуля (СМ) МКС. При этом введена следующая модернизация:

• •    конструкция АПБ ОНА осуществлена с учетом выполнения ремонтно-восстановительных работ входных приемных устройств точного пеленга;

• •    с помощью модема СА324 (вместо приемника и блока сопряжения источников видеосигналов и звукового сопровождения) обеспечена передача всех видов ТВ-сигналов ( SECAM , PAL и др.).

По состоянию на середину 2013 г. выведены на ГСО два СР «Луч» (с точками стояния 16 ° з.д. и 167 ° в.д.), и введены в строй два ПР (в г. Королев и Железногорск). В 2014 г. запланировано введение в состав МКСР третьего СР (в точке стояния 95 ° в.д.), а в 2015 г. — третьего ПР (в г. Углегорск). После образования полной конфигурации МКСР (т. е. воссоздания российской ССКУ) в составе трех СР и трех ПР, в этой комплектации ССКУ, при условии установки на КА-абоненты соответствующей аппаратуры ретрансляции, коэффициент глобальности связи с российскими КА может быть поднят до значения К_гс = 0,8-0,9.

Произошел сдвиг и в создании современных БРТК по обмену полетной информацией в режиме ЕЦП. Уже в 2011 г. был разработан и проверен в КИС РКК «Энергия», а затем доставлен на борт МКС экспериментальный комплект аппаратуры единой командно-телеметрической системы (ЕКТС), обеспечивающей обмен полетной информацией (КПИ, ТМИ, РКО, ТЛФ и малокадровое ТВ) между РС МКС и ЦУП как через СС, так и через ССКУ.

В составе НКУ для взаимодействия с ЕКТС вводятся станции «Клен», на первом этапе на четырех новых наземных СС (г. Калининград, Медвежьи Озера, Байконур, г. Железногорск).

В конце 2012 – начале 2013 гг. начались проверки экспериментальной аппаратуры ЕКТС на борту РС МКС при взаимодействии с двумя станциями «Клен» (экспериментальной в Москве и на СС в г. Железногорск). В 2014 г. планируется экспериментальная проверка связи РС МКС с СР ССКУ через ЕКТС с АФАР.

При условии положительных результатов этих проверок на борту РС МКС в 2015 г. запланирована полная замена существующих комплектов БРТК «Регул» на ЕКТС с АФАР, а затем ввод в состав БРТК широкополосной аппаратуры типа «Поток», значительно повышающей информативность канала связи через СР и обеспечивающей передачу в ЦУП через ОНА и СР в том числе и телевизионной информации. ЕКТС и «Поток» взаимодействуют с СС и СР в современных международных диапазонах радиоволн — S и Ku соответственно

(на ОК «Буран» использовалась аппаратура ЕЦП D -диапазона). Использование этих диапазонов радиоволн позволяет, при эквивалентной информативности каналов обмена информацией, улучшить габаритно-массовые характеристики и снизить энергопотребление бортовой аппаратуры как на КА-абоненте, так и на СР.

В состав БРТК транспортных кораблей «Прогресс-МС» и «Союз-МС», помимо традиционных автономных средств обмена ТЛФ, ТМИ и ТВ через СС, также будет входить аппаратура ЕКТС с ВНА и АФАР для обмена информацией с ЦУП в ЕЦП как через СС, так и через ССКУ. Плановые сроки запуска этих кораблей к МКС — IV кв. 2015 г. и I кв. 2016 г. соответственно.

Схема связи РС МКС, транспортных модернизированных грузовых и пилотируемых кораблей «Прогресс-МС» и «Союз-МС» с ЦУП в режиме ЕЦП через СР «Луч» ССКУ и СС НКУ приведена на рис. 4.

Рис. 4. Схема обмена информацией РС МКС, кораблей «Прогресс-МС» и «Союз-МС» с ЦУП в режиме единого цифрового потока через спутник-ретранслятор «Луч» ССКУ и СС НКУ

Заключение

Таким образом, по РС МКС и пилотируемым и грузовым кораблям к этой станции к началу 2016 г. планируется вернуться к проверенной при эксплуатации на ОС «Мир» и в полете ОК «Буран» прогрессивной технологии управления полетом: обмен информацией между КА и ЦУП в едином цифровом потоке с использованием спутниковой системы контроля и управления. На перспективном транспортном корабле (ПТК), разрабатываемом РКК «Энергия», в качестве БРТК планируется установка единой цифровой системы обмена информацией с ЦУП — как через СС, так и через ССКУ, причем обмен информацией через ССКУ при полетах ПТК по околоземным орбитам будет основным каналом.