Задачи и пути их решения в процессе создания командно-измерительных систем космических аппаратов

Панько С. П., Рябушкин С. А., Сухотин В. В.,

Шатров В. А., 2015

сыщение бортовых и наземных средств информационными технологиями и коммуникационными возможностями привели к осознанию необходимости стандартизации способов обмена информацией между КА и наземными системами. Затраты на разработку и эксплуатацию космических миссий непрерывно и значительно увеличиваются, поэтому необходимы адекватные меры, уменьшающие финансовое бремя по оплате услуг космической сферы, которое в полной мере ложится

Задачи и пути их решения в процессе создания командно-измерительных систем космических аппаратов

Рис. 1. Обобщенная структурная схема БА КИС

на конечных пользователей. Многие страны разработали и успешно используют собственные стандарты спутниковых технологий для координации деятельности промышленности и эксплуатирующих организаций. Поскольку спутниковые технологии являются общим достижением человечества, то возникла необходимость международного сотрудничества участников национальных космических программ. Это вылилось в создание в 1982 г. Международного консультативного комитета по системам космических данных (The Consultative Committee for Space Data Systems, CCSDS), генеральной целью которого является координация деятельности в этой сфере [1]. В CCSDS в настоящее время входят 11 национальных космических агентств, 28 стран-наблюдателей и более 140 промышленных партнеров. CCSDS является интернациональным форумом для развития стандартов систем связи, передачи данных и космических полетов. Однако актуальна задача разработки национального стандарта РФ, опирающегося на российский опыт и теоретико-прикладные наработки отечественных исследователей в этой области.

Командно-измерительная система космического аппарата (КИС КА) играет важнейшую роль в успешности осуществления миссии, возложенной на КА [2; 3]. Это относится, прежде всего, к осуществлению управления системами и приборами КА на всех этапах жизненного цикла – от проектирования, производства и предполетных испытаний, вывода на орбиту и всего срока активного существования вплоть до планового прекращения функционирования. Управление режимами работы и функциями КА осуществляется путем передачи из наземного комплекса управ- ления (НКУ) по радиоканалу команд и полетных заданий. По ответному (телеметрическому) радиоканалу передаются квитанции об исполнении команд, отчеты о режимах работы, выполняемых функциях и телеметрические сведения о текущих параметрах бортовых узлов и систем. Бортовая аппаратура (БА) КИС поддерживает измерение параметров орбиты – текущих навигационных параметров КА, а именно дальности и скорости движения КА. Дальность КА измеряется на основе оценки задержки времени прохождения тестового сигнала по трассе НКУ – КА – НКУ за вычетом задержки в бортовой аппаратуре. Скорость движения КА, как и дальность КА, измеряется в НКУ на основе обработки сигналов, поступающих от КА.

Обобщенная структурная схема БА КИС приведена на рис. 1.

Функционально БА КИС состоит из двух информационных каналов: канала передачи командной информации на КА с НКУ и канала телеметрии – канала передачи телеметрической информации с КА в НКУ.

Командный канал работает следующим образом. На вход приемника Пр поступает сигнал с приемной антенны ПрА, сигнал де-модулируется и декодируется. В маршрутизаторе производится распределение команд по назначению и организуется массив команднопрограммной информации КПИ в бортовой цифровой вычислительный комплекс БЦВК.

Канал передачи телеметрических данных с КА на НКУ работает следующим образом. Узел сбора телеметрической информации ТМИ обеспечивает сбор сведений от телеметрических датчиков, узлов и систем КА и КИС. Формирователь ТМ кадра обеспечивает упаковку ТМИ в телеметрический

■_■ ИССЛЕДОВАНИЯ

Havko-

ЖГРАДА

Рис. 2. Обобщенная структурная схема подсистемы ИТНП

кадр, который затем кодируется и модулирует несущую частоту. Кодирование телеметрии требуется для обеспечения надежности передачи данных. Модулированный сигнал излучается в пространство с помощью передающей антенны ПерА после преобразования и усиления в передатчике Пер. Дальномерный тоновый сигнал, принятый ПРМ, переизлуча-ется ПРД на поднесущей частоте.

Для измерения дальности и скорости движения КА относительно НКУ предусмотрен канал передачи информации для измерения параметров орбиты КПИПО между узлами приемника Пр и передатчика Пер. Наиболее распространены методы измерения текущих навигационных параметров (ИТНП) с ретрансляцией дальномерного сигнала на борту КА, что обеспечивается непосредственной связью между Пр и Пер. Обобщенная структурная схема подсистемы ИТНП приведена на рис. 2.

Для определения радиальной дальности и радиальной скорости КА используются запросные измерения. Синхронизированный с наземным высокостабильным опорным генератором ОГ (шкалой времени) сигнал, формируемый генератором сигналов ГС, передается с помощью передающего устройства Пер2 и передающей антенны А3 НКУ. Этот сигнал принимается бортовой аппаратурой КИС. Принятый приемником КА Пр1 тестовый дальномерный сигнал подвергается когерентному преобразованию частоты в блоке КПЧ и через бортовой передатчик Пер1 и антенну А2 переизлучается на земную станцию (НКУ). Ответный сигнал, задержанный на двойное время распространения по трассе НКУ – КА и обратно, принимается антенной А4 НКУ. Измерение дальности осуществляется на основе вычисления задержки в блоке ИЗ между принятым с КА дальномерным сигналом и его копии, сформированной в блоке ГКС - генератор копии сигнала. Доплеровское смещение частоты измеряется в блоке ИЧД - измеритель частоты Доплера FD. Движение КА за время измерения приводит к смещению по частоте дальномерного сигнала. Для исключения этой погрешности частота ГКС искусственно подвергается смещению на измеренное значение FD. В результате этого результат измерения в блоке ИЗ не содержит погрешности, вызванной движением КА. При этом необходим учет задержки, вносимой бортовым транспондером.

Задержка принятого дальномерного сигнала относительно переданного сигнала равна удвоенному времени распространения сигнала. В качестве формирователя опорного используется генератор копии сигнала ГКС. На наземный Пер2 поступают радиокоманды РК, а с выхода Пр2 - телеметрическая информация и ретранслированный дальномерный сигнал.

Радиальная скорость КА определяется путем измерения смещения частоты сигнала на двухпутевом участке НКУ – КА и обратно по обобщенной структурной схеме, приведенной на рис. 3. Генератор сигнала ГС, входящий в состав аппаратуры НКУ на земной станции, формирует сигнал несущей частоты FT, который с помощью передатчика Пер2 и передающей антенны А3 передается в сторону КА, находящегося на расстоянии R . В блоках k производится когерентное преобразование частоты. Частота F_r сигнала, принятого на КА, смещена относительно частоты FT переданного сигнала со стороны НКУ, отличается на доплеровское смещение. Аналогично на трассе КА – НКУ происходит доплеровское смещение частоты передаваемого сигнала F_t .

Задачи и пути их решения в процессе создания командно-измерительных систем космических аппаратов

Рис. 3. Обобщенная структурная схема измерения радиальной скорости КА

Вычисление скорости КА производится в блоке обработки БО.

Радиолинии НКУ - КА и КА - НКУ являются неотъемлемой частью систем передачи программно-командной и телеметрической информации. Поэтому важными являются вопросы достоверности и скорости передачи информации по этим линиям. Взаимодействие центра управления полетом с КЦА должно происходить с исключением несанкционированного доступа в радиоканал, поскольку деструктивное вмешательство в работу КА может привести к тяжелым последствиям, вплоть до потери КА. Стандарты ESA [1] и CCSDS [2] рекомендуют использовать традиционный метод аутентификации, основанный на проверке прав пользователя на доступ к БА КИС с использованием идентификаторов. Принимаемые БА КИС идентификационные признаки сопоставляются на борту с хранящимися в бортовой памяти КА. Этот метод обладает известным недостатком, который заключается в степени защиты. Следует подчеркнуть, что направление защиты командного канала непрерывно совершенствуется и получают распространение другие подходы к решению этой задачи [4].

Представляют теоретический и прикладной интерес следующие аспекты повышения эффективности БА КИС:

• -    технические методы несанкционированного доступа в канал телеметрии с целью преднамеренного искажения телеметрической информации и методы борьбы с возможным умышленным искажением телеметрической информации;

• -    оценка эффективности размещения на КА аппаратуры GPS/ГЛОНАСС;

• -    разработка системы автоматического проектирования БА КИС по заданным техническим требованиям при использовании регулярно актуализируемых баз данных о выпускаемых отечественной и зарубежной промышленностью блоках и узлах с целью оптимизации технических и стоимостных показателей изделия;

• -    разработка компьютерной имитационной модели БА КИС с целью отработки новых технических решений. Практическое применение имитационной модели сократит трудовые затраты разработчиков, поскольку позволит уменьшить объем экспериментальных исследований;

• -    разработка автоматизированных рабочих мест по измерению и документированию параметров узлов и блоков в процессе сборочно-регулировочных процедур на этапе промышленного выпуска изделия.