РКС 2019 2

ПРОХОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ЭЛЛИПТИЧЕСКОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ 49 Рис. 6. Коэффициент ослабления электромагнитной волны эллиптической поляризации диэлектрической пласти- ной толщиной 5 мм, λ = 188 мм, R1 = 1 Рис. 7. Коэффициент эллиптичности электромагнитной волны эллиптической поляризации, прошедшей через диэлектрическую пластину толщиной 5 мм, λ = 188 мм, R1 = 1 Рис. 8. Фаза прошедшей через диэлектрическую пластину толщиной 5 мм электромагнитной волны эллиптической поляризации, λ = 188 мм, R1 = 1 Диэлектрическая пластина Антенна состоит из основания диаметром в ближнем поле антенны 120 мм, подложки из материала с диэлектриче- ской проницаемостью 9,6, высотой 6 мм, диамет- Влияние обтекателя, расположенного в ближ- ром 42 мм, излучателя диаметром 30 мм, обтекате- нем поле антенны, на ее характеристики изучалось ля толщиной 5 мм, расположенного на высоте 3 мм на электродинамической модели, представленной на над излучателем (боковые стенки обтекателя не по- рис. 9. казаны). Возбуждение излучателя одноточечное. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

50 О. А. КУРДЮМОВ, В. Е. САГАЧ Рис. 9. Электродинамическая модель: микрополосковая Проведено сравнение расчета с эксперимен- антенна диапазона частот L1 том, которое показало правильность расчетов. Расчеты диаграмм направленности этой моде- Экспериментально исследовано влияние обте- ли проведены методом декомпозиции с последую- кателей, расположенных в ближней зоне, на харак- щим использованием метода моментов. теристики микрополосковой антенны L-диапазона. Показано, что такие обтекатели практически При изменении ε обтекателя изменялись раз- не влияют на диаграммные свойства антенны. меры излучателя так, чтобы резонанс наблюдался вблизи частоты 1,6 ГГц. Полученные результаты Список литературы приведены в таблице. 1. Обтекатели антенн: Пер. с англ. / Под ред. Т а б л и ц а. Результаты расчета микрополосковой антен- А. И. Шпунтова. М.: Советское радио, 1950. 264 с. ны с обтекателями из материалов с различными ε 2. Каплун В. А. Обтекатели антенн СВЧ. М.: Советское ε обте- Коэффи- Коэффици- Изменение радио, 1974. 240 с. кателя циент ент эллип- фазы при тичности изменении 3. Нгуайя М. Л. Расчетные методы контроля слоистых усиления, угла θ, ◦ материалов и изделий на основе исследования ко- дБ при от −90◦ до 90◦ эффициентов отражения и прохождения электромаг- θ = ±90◦ нитных волн: 05.11.13. Дис.. . . канд. технич. наук. Без обте- 6,7 8,3 Казань: КГЭУ, 2011. 122 с. кателя 5 2,1 6,6 5,7 4. Минокин М. Н. Дифракция плоской электромагнит- 4,5 6,5 4,4 ной волны на полом диэлектрическом конусе // Жур- 5,5 6,3 5,9 нал радиоэлектроники: Электронный журнал. 2000. 7,5 6,2 4,5 № 6. http://jre.cplire.ru/jre/jun00/index.html (Дата об- 5,8 ращения 25.05.2019). 5 10,6 5. Кабалин С. В. Исследование характера зависимости 6,4 коэффициента прохождения электромагнитной энер- гии через радиопрозрачную крышку от частоты ра- Как видно из материалов таблицы, обтекатель, диосигнала и типа поляризации // Антенны. 2013. расположенный в ближнем поле антенны, практи- № 1. С. 41–45. чески не влияет на ее характеристики. 6. Антонец Л. В., Котов Л. Н., Шавров В. Г., Щег- Выводы лов В. И. Расчет коэффициента отражения и по- глощения при наклонном падении электромагнитных волн на пластины // Радиотехника и электроника, 2008, т. 53, № 4. С. 389–402. Получены формулы для расчета ослабления 7. Кугушев А. М., Голубева Н. С. Основы радиоэлек- и фазы электромагнитных волн линейной и эллип- троники. М.: Энергия, 1969. 880 с. тической поляризаций, прошедших через диэлек- трическую пластину. Для эллиптической поляри- 8. Горелов В. В. Способ уменьшения частотной зависи- зации исследовано также изменение коэффициента мости ослабления при прохождении электромагнит- эллиптичности при прохождении пластины. ной волны через диэлектрическую оболочку одновре- менно для параллельной и перпендикулярной поля- Представлены результаты расчета для часто- ризаций и устройство для его реализации (вектор- ты 1,6 ГГц, пластины толщиной 5 мм и нескольких ный антенный обтекатель). Патент РФ № 2334315 значений диэлектрической проницаемости. от 20.09.2008. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2019, том 6, выпуск 2, c. 51–58 РАДИОТЕХНИКА И КОСМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ УДК 629.76/.78.001.14 DOI 10.30894/issn2409-0239.2019.6.2.51.58 Радиочастотное обеспечение и международно-правовая защита частотных присвоений для малых космических аппаратов А. А. Таланов, к. т. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация С. А. Федотов, к. т. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. В статье рассматриваются вопросы, связанные с выделением, присвоением радиочастот, порядком проведения международно-правовой защиты, которые должны выполняться головным разработчиком малых космических аппаратов (МКА) при проведении научно-исследовательских работ, разработке и производстве элементов космических систем и комплексов. Проведен анализ радиочастотных диапазонов работы служебных и целевых радиолиний известных отечественных МКА. Приведены данные о полосах радиочастот командно-телеметрических систем (КТС) и радиолинии целевой информации (РЛЦИ) малых космических аппаратов, разработанных российскими компаниями. Отмечено, что используемые в настоящее время для работы МКА полосы радиочастот накладывают достаточно жесткие ограничения для построения космического сегмента и/или кластера на их базе, что неизбежно негативно скажется на возмож- ностях их расширенного использования. Предложены альтернативные полосы радиочастот и варианты построения радиолинии с учетом выполнения требований Таблицы распределения полос частот между радиослужбами РФ и Регламента радиосвязи. Ключевые слова: малые космические аппараты, космическая платформа, частотный диапазон, Регламент радиосвязи Radio Frequency Provision and International Legal Protection of Frequency Assignments for Small Satellites A. A. Talanov, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation S. A. Fedotov, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. The article deals with the issues related to the allocation and assignment of radio frequencies, the procedure of their inter- national legal protection, which should be performed by the head developer of a small satellite (SSL) during research, development and production of elements of space systems and complexes. The analysis of radio frequency ranges of service and target radio lines of well-known Russian SSL is carried out. The data on the radio frequency bands of command and telemetric systems (CTS) and the target information radio line (TIRL) of small satellites developed by Russian companies are presented. It is noted that the radio frequency bands currently used for the SSL operation impose rather strict restrictions on the con- struction of a space segment and/or cluster on their basis, which will inevitably have a negative impact on the possibilities of their extended use. Proposed are alternative frequency bands and radio link designs to meet the requirements of the Table of Distribution of Frequency Bands between radio services of the Russian Federation and the Radio Regulations. Keywords: small satellite, space platform, frequency range, Radio Regulations

52 А. А. ТАЛАНОВ, С. А. ФЕДОТОВ Введение мических комплексов и/или систем представляет- ся заявителем (головным исполнителем) не позднее Количество запускаемых малых космических этапа завершения эскизного или эскизно-техниче- аппаратов (МКА) [1] мини-, микро- и нано- (Cube- ского проектирования [7]. Sat) класса [2–5] в настоящее время достигает нескольких десятков в год, и спрос на них посто- Присвоение (назначение) радиочастоты или янно растет. В связи с этим при создании МКА радиочастотного канала для радиоэлектронных актуальными становятся вопросы радиочастотного обеспечения функционирования радиоэлектронных средств гражданского назначения осуществляется средств (РЭС) и их электромагнитной совмести- федеральным органом исполнительной власти в об- мости, которые в силу их сложности и объемно- ласти связи на основании заявлений с учетом сти не всегда своевременно и в полном объеме результатов проводимой радиочастотной службой решаются разработчиками. Рассмотрим норматив- экспертизы возможности использования заявлен- но-правовую базу выделения и присвоения радиоча- ных радиоэлектронных средств и их электромаг- стот, а также радиочастотные диапазоны, использу- нитной совместимости с действующими и плани- емые сегодня для работы служебных и целевых ра- руемыми для использования радиоэлектронными диолиний МКА. средствами (экспертиза электромагнитной совме- стимости). Рассмотрение материалов и принятие Нормативно-правовая база решений ГКРЧ о присвоении (назначении) радио- частотных присвоений частот или радиочастотных каналов в пределах вы- деленных полос радиочастот производится в со- Все вопросы, связанные с выделением и присво- ответствии с утвержденным Порядком проведения ением радиочастот, регламентируются Федеральным экспертизы [8]. законом «О связи» [6] и рядом других правовых документов. Закон определяет разрешительный по- Решение ГКРЧ о присвоении (назначении) ра- рядок доступа к радиочастотному спектру. Право диочастот не всегда положительное [9,10], а иногда на использование радиочастотного спектра предо- содержит существенные ограничения. ставляется посредством официального выделения полос радиочастот и присвоения (назначения) ра- В качестве примера: заявителям было отка- диочастот или радиочастотных каналов. Использо- зано в выделении полосы радиочастот 1610,115– вание радиочастотного спектра без соответствую- 1621,185 МГц, 2483,773–2494,845 МГц (космос– щего разрешения не допускается. космос) для использования спутникового модема «Глобалстар-АСП», предназначенного для установ- Радиочастотная заявка на выделение полос ра- ки на МКА «Аист-2Д», в 2015 г. [9] и полосы ра- диочастот должна быть подготовлена и представле- диочастот 432–433 МГц для РЭС космического ком- на при планировании применения, разработке, про- плекса 197КС МКА «Аист-2» в 2016 г. [10] на ос- изводстве, модернизации, проведении научно-ис- новании отрицательных заключений о возможности следовательских, опытно-конструкторских и экспе- выделения полос радиочастот, представленных чле- риментальных работ на срок свыше 6 месяцев [7]. нами государственной комиссии по радиочастотам. Выделение полос радиочастот производит- В то же время ГКРЧ разрешила использова- ся Государственной комиссией по радиочастотам ние полосы радиочастот 8025–8393 МГц (космос– (ГКРЧ) в соответствии с порядком рассмотрения Земля) земной станцией системы контроля и упра- материалов и принятия решений о выделении полос вления ЦПОИ «Самара» (полоса радиочастот сов- радиочастот, переоформления решений и внесения местного пользования РЭС любого назначения) в них изменений [7]. при условии непредъявления претензий на возмож- ные непреднамеренные помехи от РЭС правитель- Необходимо отметить, что заявка на выделе- ственного и специального назначения и разработ- ние полос радиочастот для разработки РЭС кос- ки и согласования с Минобороны России организа- ционно-технических мероприятий по обеспечению электромагнитной совместимости с РЭС военного назначения [10, 12]. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

РАДИОЧАСТОТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И МЕЖДУНАРОДНО-ПРАВОВАЯ ЗАЩИТА 53 В соответствии со статьей 23 Федерального спутников на геостационарной орбите либо соот- закона «О связи» и постановлением Правитель- ветствующих характеристик спутников на других ства Российской Федерации от 21 декабря 2011 г. орбитах, определен во введенных постановлением № 1049-34 ГКРЧ разработана Таблица распределе- Правительства РФ от 14 ноября 2014 г. № 1194 ния полос радиочастот между радиослужбами Рос- следующих правилах [14]: сийской Федерации [13]. Таблица является основ- ным документом, регламентирующим распределе- – «Правилах проведения в Российской Фе- ние и условия использования полос радиочастот дерации работ по международно-правовой защите в Российской Федерации гражданами Российской присвоения (назначения) радиочастот или радио- Федерации и российскими юридическими лицами, частотных каналов»; которые заказывают, разрабатывают или ввозят на территорию Российской Федерации радиоэлектрон- – «Правилах использования на территории ные средства, а также осуществляют планирование Российской Федерации спутниковых сетей связи, использования и эксплуатацию радиоэлектронных находящихся под юрисдикцией иностранных госу- средств. дарств». Порядок использования частот любительской Таким образом, в Российской Федерации нор- спутниковой службы (ЛСС) 144–146 МГц и 435– мативно закреплены и строго регламентируются 438 МГц в Российской Федерации определен Реше- вопросы, связанные с выделением и присвоени- нием ГКРЧ «О выделении полос радиочастот для ем радиочастот, порядком их международно-пра- радиоэлектронных средств любительской и люби- вовой защиты, которые должны выполняться го- тельской спутниковой служб» от 15 июля 2010 г. ловным исполнителем при проведении научно-ис- № 10-07-01 с учетом изменений, утвержденных Ре- следовательских работ, разработке и производстве шением ГКРЧ от 16 апреля 2018 г. № 18-45-02, элементов космических систем и комплексов МКА. в соответствии с которым не требуется оформле- ние отдельных Решений ГКРЧ и разрешений на Характеристики служебных использование частот при условии выполнения тех- и целевых радиолиний МКА нических и эксплуатационных ограничений (огра- ничение энергетики радиолиний, классов излуче- Для анализа радиочастотных диапазонов ра- ний и полос радиочастот и др.). боты служебных и целевых радиолиний МКА рас- смотрим в качестве основного параметра использу- Международно-правовая защита частотных емые в них радиочастоты в направлениях космос– Земля и Земля–космос. присвоений для радиоэлектронных средств осу- ществляется в целях обеспечения национальных В таблице приведены полосы радиочастот ко- интересов Российской Федерации при междуна- мандно-телеметрической системы (КТС), а также родном регулировании использования радиочастот- радиолинии обмена целевой информацией (РЛЦИ) ного спектра, международного признания частот- малых космических аппаратов, предназначенных ных присвоений для радиоэлектронных средств, для решения следующих задач: а также в целях создания благоприятных условий для развития и использования радиоэлектронных – оперативного оптико-электронного наблюде- средств, различных радиослужб в Российской Фе- ния акваторий, водных участков земной поверх- дерации [14]. ности, чрезвычайных ситуаций различного харак- тера, а также для оперативного контроля состоя- Порядок проведения в Российской Федерации ния инженерных объектов: «Аист-2Д» [9, 10, 15], работ по международно-правовой защите присвое- «Канопус-В» [16, 17]; ния (назначения) радиочастот или радиочастотных каналов, в том числе работ, связанных с заявлени- – проведения научных экспериментов: «Универ- ем, координацией и регистрацией в Международ- ситетский-Татьяна-2» [18], «Юбилейный-2» [19, 20], ном союзе электросвязи таких радиочастот или ра- «Чибис-М (АИ)» [10, 21, 22], «Бауманец-2» [10], диочастотных каналов и соответствующих позиций SamSat-218 [10, 23]. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

54 А. А. ТАЛАНОВ, С. А. ФЕДОТОВ Т а б л и ц а. Основные характеристики радиолиний МКА [34] Организация МКА Платформа РЛЦИ (космос– КТС (Дата запуска) Земля), (космос–Земля)/ «Аист-2» МГц (Земля–космос), МГц АО «РКЦ «Аист-2Д» [15] “Прогресс”» (28.04.2016) 8025–8393 435,3065–435,3235 [10, 12] 435,3556–435,3735/ АО «Корпорация «Канопус-В» «Канопус-В» “ВНИИЭМ”» (22.07.2012) [17] 8066,3–8189,7 145,831–145,849 8258,3–8381,7 145,861–145,879 АО «Корпорация «Университетский- УМП-70 “ВНИИЭМ”» Татьяна-2» [18] [16] [9, 10] (17.09.2009) АО «ИСС» «Юбилейный» 1,7 ГГц 2205,44–2224,06/ «Юбилейный-2» [19, 20] [18, 31, 32] 2031,52–2048,23 (28.07.2012) 2,4 ГГц [16] ИКИ РАН «Чибис-М» «Чибис-М» [19, 20, 33] (30.10.2011) [21] 435,3–435,6/ 2,27 ГГц 145,8–146,0 ИКИ РАН «Чибис-АИ» «Чибис-М» [21] [18, 31, 32] (проект) [21] 2269,5–2270,5 435,3–435,6/ МГТУ «Бауманец-2» — 8395–8400 145,8–146,0 им. Н. Э. Баумана (28.11.2017) CubeSat (3U) [10, 22] [19, 20, 33] СГАУ SamSat-218 8195–8255 435,3–435,6/ (28.04.2016) 94 980–95 020 145,8–146,0 [10] [21] — 435,2065–435,2235 435,3065–435,3235/ 145,804–145,816 145,849–145,861 [10, 22] 435,395–435,435/ 145,815–145,835 и 145,845–145,865 [10] 145,85–145,89/ 435,59–435,61 [10, 23] МКА для задач связи, ретрансляции, радио- т. к. в этом же диапазоне также находятся люби- технического наблюдения для обнаружения, опо- тельская и воздушная подвижная связь [13, 26]. знавания, определения местоположения и курса движения морских, речных и воздушных судов по В диапазоне частот 435–438 МГц также на- излучению их РЭС в данной таблице не рассмат- ходятся любительская, радиолокационная службы ривались. и спутниковая служба исследования Земли (ССИЗ) (активная) [13, 26]. В соответствии с приведенными данными ча- стотный диапазон работы КТС находится в преде- Полоса радиочастот 435–438 МГц может ис- лах первичного распределения ЛСС 435–438 МГц пользоваться станциями ЛСС на вторичной осно- и 144–146 МГц [13,24–26]. Отметим, что диапазон ве при условии исключения помех другим служ- частот 144–146 МГц достаточно сильно загружен, бам [13, 24, 25]. Эта полоса радиочастот исполь- зуется РЭС военного и специального назначения, РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

РАДИОЧАСТОТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И МЕЖДУНАРОДНО-ПРАВОВАЯ ЗАЩИТА 55 которые могут накладывать ограничения по режи- Кроме того, частота 2,4 ГГц (Земля–космос) му использования и создавать неприемлемые поме- на вторичной основе [13,24,25] может быть исполь- хи для работы других радиолиний в этих полосах зована только для космической связи при условии частот, таким образом, защита от помех при ис- разработки и согласования с Минобороны России пользовании этого диапазона не может быть гаран- организационно-технических мероприятий по обес- тирована. печению электромагнитной совместимости с РЭС специального и военного назначения. Приведенные Отметим, что радиолиния МКА SamSat-218 условия использования частоты 2,4 ГГц налага- разработки СГАУ не совместима по направлению ют серьезные ограничения на возможность полу- передачи с остальными приведенными радиоли- чения разрешения и применения данной частоты ниями. при построении космических систем и комплек- сов МКА. В качестве альтернативы может быть рассмот- рено использование специально отведенных для Выводы и предложения СКЭ полос радиочастот 267–273 МГц (космос– Земля) [13, 24, 25]. Вопросы радиочастотного обеспечения функ- ционирования космического комплекса (системы) Таким образом, в полосе радиочастот 145– на базе МКА нормативно достаточно жестко регла- 146 МГц и 435–438 МГц источники помех со вре- ментированы, но разработчиками выполняются не менем будут увеличиваться и, как следствие, элек- в полной мере. Используемые в настоящее время тромагнитная обстановка в зоне работы наземных полосы радиочастот накладывают достаточно жест- средств управления и приема информации с МКА кие ограничения для построения космического сег- будет только ухудшаться. Необходимо проработать мента и/или кластера на базе МКА, что неизбеж- вариант перехода в другой диапазон частот. но негативно скажется при их расширенном при- менении. Прогнозируемое дальнейшее увеличение Как вариант, полосы радиочастот 258–261 МГц количества запускаемых МКА приведет к усложне- (Земля–космос) могут быть использованы для по- нию функционирования командно-телеметрических строения КТС, при этом потребители не должны со- систем в направлениях (космос–Земля) и (Земля– здавать вредных помех системам подвижной спут- космос), а также загрузке радиолинии целевой ин- никовой службы [13, 24, 25]. формации (РЛЦИ) в направлении (космос–Земля). Полосы частот, используемые РЛЦИ, назначе- К сожалению, следует отметить, что в насто- ны в соответствии с требованиями Таблицы распре- ящее время в вопросах использования частотного деления полос радиочастот Российской Федерации радиодиапазона между радиослужбами гражданско- (приведены в таблице) и изменений не требуют. го и военного назначения практически отсутствуют необходимая координация и взаимодействие. Следует отметить как неудачный выбор АО «Информационные спутниковые системы» частоты В сложившихся условиях представляется 2,4 ГГц для своего МКА [19, 20], т. к. полоса ра- предпочтительным следующее использование име- диочастот 2300–2450 МГц [13, 24, 25] является по- ющихся полос радиочастот: лосой радиочастот преимущественного пользова- ния (ПР) РЭС, предназначенных для нужд госу- – 258–261 МГц (Земля–космос) могут приме- дарственного управления, в том числе президент- няться для построения командно-телеметрической ской связи, правительственной связи, нужд обо- системы МКА, при этом потребители не должны со- роны страны, безопасности государства и обеспече- здавать вредных помех системам подвижной и по- ния правопорядка, а также для фиксированной, по- движной спутниковой служб, работающим в этой движной, любительской, радиолокационной служб. полосе частот, или требовать защиты от них, или Также частоты 2300–2400 МГц и 2500–2690 МГц ограничивать использование и развитие таких си- или участки этих полос определены для исполь- стем [13, 24, 25]; зования администрациями, желающими внедрить Международную подвижную электросвязь (IMT) в соответствии с Резолюцией 223 (пересм. ВКР-15) [13, 26]. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

56 А. А. ТАЛАНОВ, С. А. ФЕДОТОВ – 267–273 МГц (космос–Земля) выделена для Рекомендуемый вариант построения радио- службы космической эксплуатации с учетом, что электронных средств и обеспечение электромаг- эта полоса радиочастот преимущественного поль- нитной совместимости этих РЭС для космических зования РЭС, предназначенных для нужд госу- систем (комплексов) на базе МКА — это совме- дарственного управления, в том числе президент- щенная система управления, приема телеметрии ской связи, правительственной связи, нужд обо- и информации с бортовых полезных нагрузок, ра- роны страны, безопасности государства и обеспе- ботающая в полосе радиочастот, выделенных для чения правопорядка [13, 24, 25] с ограничениями решения той или иной целевой задачи в соответ- 5.254, 5.257 [26] и 95, 125, 127 [13]; ствии с таблицей распределения полос радиочастот между радиослужбами Российской Федерации. – 2025–2110 МГц, используемые службой кос- мических исследований (Земля–космос, космос– Для решения целевых задач оперативного оп- космос), службой космической эксплуатации тико-электронного наблюдения акваторий, водных (Земля–космос, космос–космос), спутниковой слу- участков земной поверхности, чрезвычайных ситу- жбы исследования Земли (Земля–космос, космос– аций различного характера, а также для оператив- космос) с ограничениями 5.392 [26] и 193, 200, ного контроля состояния инженерных объектов це- 211, 219, 221, 222, 223, 224, 225 [13]; лесообразно использовать диапазоны радиочастот [13, 26]: 2025–2110 МГц (космос–космос, Земля– – 2200–2290 МГц, используемые службой космос), 7190–7250 МГц (Земля–космос), 8025– космических исследований (космос–космос, кос- 8400 МГц (космос–Земля), 25,5–27,0 ГГц (космос– мос–Земля), службой космической эксплуата- Земля), 37,5–38,0 ГГц (космос–Земля на вторич- ции (космос–космос, космос–Земля), спутниковой ной основе), 40,0–40,5 ГГц (Земля–космос), 65,0– службой исследования Земли (космос–космос, кос- 66,0 ГГц. мос–Земля) [13]; Для проведения научных экспериментов це- – 8025–8400 МГц для спутниковой службы лесообразно использовать диапазоны радиочастот исследования земли (космос–Земля), метеорологи- [13, 26]: 2025–2100 МГц (космос–космос, Земля– ческой спутниковой (Земля–космос) и фиксирован- космос), 7145–7190 МГц (дальний космос, Зе- ной спутниковой (Земля–космос) с учетом огра- мля–космос), 7190–7235 МГц (ближний космос, ничения 5.462А Таблицы распределения радиоча- Земля–космос), 8400–8450 МГц (дальний космос, стот [13]. космос–Земля), 8450–8500 МГц (космос–Земля), 22,55–23,15 (Земля–космос), 31,8–32,3 ГГц (даль- В то же время необходимо рассмотреть вари- ний космос, космос–Земля), 34,2–34,7 ГГц (даль- анты ухода из полосы радиочастот 8400–8500 МГц ний космос, Земля–космос), 37,0–38,0 ГГц (кос- службы космических исследований (космос–Зе- мос–Земля), 40,0–40,5 ГГц (Земля–космос), 65,0– мля), предназначенной для нужд государственно- 66,0 ГГц, 94,0–94,1 ГГц. го управления, в том числе президентской связи, правительственной связи, нужд обороны страны, Список литературы безопасности государства и обеспечения правопо- рядка [13]. 1. ГОСТ 53802-2010 «Системы и комплексы косми- ческие. Термины и определения». М.: Стандартин- Реализация управления и приема информа- форм, 2011. 27 с. ции с КА систем спутниковой связи, относящихся к фиксированной спутниковой и подвижной спут- 2. ГОСТ Р 56526-2015 «Требования надежности и без- никовой службам (СПСС «Турайя» [27], СПСС опасности космических систем, комплексов и ав- «Иридиум» [27], многофункциональная система томатических космических аппаратов единичного персональной спутниковой связи «Гонец-Д1М» (мелкосерийного) изготовления с длительными сро- [28, 30], перспективная низкоорбитальная систе- ками активного существования». М.: Стандартин- ма спутниковой связи «Гонец-ВЕБ» [29, 30]), бу- форм, 2015. 50 с. дет крайне затруднена нерешенностью вопросов ча- стотных присвоений и потребует внесения измене- ний в соответствующие нормативные документы. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

РАДИОЧАСТОТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И МЕЖДУНАРОДНО-ПРАВОВАЯ ЗАЩИТА 57 3. Small Spacecraft Technology State of the Art. Mission частотных каналов и порядке использования на тер- Design Division Staff Ames Research Center, Mof- ритории Российской Федерации спутниковых сетей fett Field, California, 2014, 200 p. (NASA/TP–2014– связи, находящихся под юрисдикцией иностранных 216648/REV1). государств, а также о внесении изменений в неко- торые акты Правительства Российской Федерации» 4. Small Spacecraft Technology State of the Art. Mis- c изменениями и дополнениями от 15 августа 2017 г. sion Design Division Ames Research Center, Mof- fett Field, California, 2015, 168 p. (NASA/TP–2015– 15. Кирилин А. Н., Ахметов Р. Н., Шахматов Е. В., 216648/REV1). Ткаченко С. И. и др. Опытно-технологический ма- лый космический аппарат «Аист-2Д». Самара: Изд- 5. Characteristics, definitions and spectrum require- во СамНЦ РАН, 2017. 324 с.: ил. ments of nanosatellites and picosatellites, as well as systems composed of such satellites, Electronic Pub- 16. Решение ГКРЧ от 28 апреля 2008 г. № 08-24-05- lication Geneva, ITU, 2014, 15 p. (Report ITU-R 009. https://digital.gov.ru/ru/documents/4035/#tag5 SA.2312-0 (09/2014)). (Дата обращения 14.05.2019). 6. Федеральный закон Российской Федерации от 7 ию- 17. Макриденко Л. А., Волков С. Н., Горбунов А. В., ля 2003 г. № 126-ФЗ «О связи» с изменениями и до- Жустрина О. С., Ильина И. Ю. (ОАО «Корпорация полнениями от. 4 августа 2018 г. “ВНИИЭМ”») История создания малых космических https://base.garant.ru/186117/ (Дата обращения аппаратов «КАНОПУС-В» № 1 и белорусского КА. 14.05.2019). 72 с. https://www.roscosmos.ru/media/files/docs/3/ kanopus.pdf (Дата обращения 17.10.2018). 7. Решение ГКРЧ от 20 декабря 2011 г. № 11-13-01 «Порядок рассмотрения материалов и принятия ре- 18. Волков C. Н., Макриденко Л. А., Ходненко В. П. шений о выделении полос радиочастот, переоформ- Малые космические аппараты НПП ВНИИЭМ. ления решений и внесения в них изменений». От концепции до воплощения в «металле» // Во- просы электромеханики, 2011, т. 121, № 2. С. 3–8. 8. Решение ГКРЧ от 20 декабря 2011 г. № 11-13-02 «Порядок проведения экспертизы возможности ис- 19. Зимин И. И., Валов М. В., Яковлев А. В., Галоч- пользования заявленных радиоэлектронных средств кин С. А. Малый космический аппарат «Михаил и их электромагнитной совместимости с действую- Решетнев». Результаты работы [Электронный ре- щими и планируемыми для использования радио- сурс] // Труды МАИ, 2013, № 65. 10 c. электронными средствами, рассмотрения материа- http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID= лов и принятия решений о присвоении (назначении) 35908 (Дата обращения 17.10.2018). радиочастот или радиочастотных каналов в преде- лах выделенных полос радиочастот». 20. Зимин И. И. и др. Малый космический аппарат «Михаил Решетнев». Результаты работы // Авиа- 9. Решение ГКРЧ от 16 октября 2015 г. № 15-35-09-4. ция и космонавтика-2012: 11-я Междунар. конф. http://www.grfc.ru/grfc/norm_doc/detail/?ID=40711 (13–15 нояб. 2012, г. Москва). СПб.: Мастерская (Дата обращения 14.05.2019). печати, 2012. С. 97. 10. Решение ГКРЧ от 29 февраля 2016 г. № 16-36-11-4. 21. Зеленый Л. М. и др. Академический микроспут- http://www.grfc.ru/grfc/norm_doc/detail/?ID=41867 ник ЧИБИС-М // Космические исследования, 2014, (Дата обращения 14.05.2019). т. 52, № 2. С. 93–105. 11. ОСТ-134-1020-2008 «Системы и комплексы косми- 22. Приложение № 6 к решению ГКРЧ от 29 февраля ческие. Термины и определения». М.: ЦКБС ФГУП 2016 г. № 16-36-11-4. http://www.grfc.ru/upload/ «ЦНИИ машиностроения», 2008. 56 с. medialibrary/102/prilozhenie-6-k-resheniyu-gkrch-_- 16_36_11_4.pdf (Дата обращения 14.05.2019). 12. Приложение № 12 к решению ГКРЧ от 29 февраля 2016 г. № 16-36-11-4. http://www.grfc.ru/upload/ 23. Приложение № 6 к решению ГКРЧ от 4 июля medialibrary/75f/prilozhenie-12-k-resheniyu-gkrch-_- 2017 г. № 17-42-08-2. http://www.grfc.ru/upload/ 16_36_11_4.pdf (Дата обращения 14.05.2019). medialibrary/e97/prilozhenie-_6-k-resheniyu-gkrch- _17_42_08_2.pdf (Дата обращения 14.05.2019). 13. Таблица распределения полос радиочастот меж- ду радиослужбами Российской Федерации, поста- 24. Приложение № 2 к решению ГКРЧ от 15 июля новление Правительства Российской Федерации 2010 г. № 10-07-01. http://www.grfc.ru/grfc/norm_ от 21 декабря 2011 г. № 1049-34, выписка, 98 с. doc/detail/?ID=511 (Дата обращения 20.01.2019). 14. Постановление Правительства РФ от 14 ноября 25. Приложение к решению ГКРЧ от 16 октября 2015 г. 2014 г. № 1194 «О международно-правовой защи- № 15-35-02. http://www.grfc.ru/upload/medialibrary/ те присвоения (назначения) радиочастот или радио- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

58 А. А. ТАЛАНОВ, С. А. ФЕДОТОВ b8a/prilozhenie-k-resheniyu-gkrch-ot-16.10.2015-_- мический аппарат «Университетский-Татьяна-2» // 15_35_02.pdf (Дата обращения 14.05.2019). Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ, 2017, т. 160. С. 45–54. 26. Регламент радиосвязи. Статьи. Издание 2016 года, ITU. 442 с. http://search.itu.int/history/ 32. Tatiana-2/Universitetsky-2 HistoryDigitalCollectionDocLibrary/1.43.48.ru.601.pdf https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite- (Дата обращения 14.05.2019). missions/t/tatiana-2 (Дата обращения 17.01.2019). 27. Решение ГКРЧ от 2 октября 2012 г. № 12-15-05-7. 33. Yubileiny-2 / MiR (Mikhail Reshetnev) Microsatel- http://www.grfc.ru/grfc/norm_doc/detail/?ID=607 lite https://directory.eoportal.org/web/eoportal/ (Дата обращения 20.01.2019). satellite-missions/v-w-x-y-z/yubileiny-2 (Дата обра- щения 17.01.2019). 28. Решение ГКРЧ от 29 февраля 2016 г. № 16-36-11-4. http://www.grfc.ru/grfc/norm_doc/detail/?ID=41867 34. Таланов А. А., Федотов С. А., Степанов А. М. (Дата обращения 20.01.2019). Предложения по разработке унифицированных кос- мических платформ малых космических аппаратов // 29. Решение ГКРЧ от 24 мая 2013 г. № 13-18-06-5. Ракетно-космическое приборостроение и информа- http://www.grfc.ru/grfc/norm_doc/resheniya-gkrch/ ционные технологии, 2018. Сб. трудов IX Всероссий- ?PAGEN_1=6 (Дата обращения 20.01.2019). ской научно-технической конференции «Актуаль- ные проблемы ракетно-космического приборостро- 30. Решение ГКРЧ от 7 ноября 2016 г. № 16-39-05-2. ения и информационных технологий» (5–7 июня http://www.grfc.ru/grfc/norm_doc/detail/?ID=44061 2018 г.) / Под ред. д. т. н., проф. А. А. Романова. (Дата обращения 20.01.2019). М.: АО «Российские космические системы», 2018. С. 470–482. 31. Макриденко Л. А., Волков С. Н., Горбунов А. В., Кожевников В. А., Ходненко В. П. Малый кос- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2019, том 6, выпуск 2, c. 59–67 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ УДК 004.9: 629.78 DOI 10.30894/issn2409-0239.2019.6.2.59.67 Концепция построения технологической модели решения слабоструктурированных задач на основе теории множеств В. В. Бетанов, д. т. н., проф., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация В. К. Ларин, к. т. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. В данной статье рассматривается один из подходов решения слабоструктурированных задач с использованием аппарата теории множеств. Приводится определение задачи как системы неоднородных элементов, структурный анализ ко- торой позволяет выявить некорректные элементы. Дальнейшее решение представлено в виде двух этапов. На первом этапе разрабатывается структурная схема решения задачи с максимальной детализацией последнего уровня иерархии, на втором этапе производится описание структурных блоков в символах теории множеств. В качестве примера рассмотрена задача об- работки траекторных измерений. Выявлены некорректные блоки задачи и приводится технология общего решения с учетом представления этих блоков в символах теории множеств. Ключевые слова: системный подход, структуризация, система, множества, модель Concept of Constructing a Technological Model for Solving Semi-structured Problems on the Basis of Set Theory V. V. Betanov, Dr. Sci. (Engineering), Prof., [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation V. K. Larin, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. This article discusses one of the approaches to solving semi-structured problems using the apparatus of set theory. The problem is defined as a system of inhomogeneous elements, the structural analysis of which allows identifying incorrect elements. The further solution is presented in two stages. At the first stage, a block diagram of the solution of the problem is developed with the last level of the hierarchy detailed to the maximum. At the second stage, the description of the structural blocks is given in symbols of set theory. As an example, the problem of processing trajectory measurements is considered. The incorrect blocks of the problem are pinpointed and the technology of the general solution is given taking into account the representation of these blocks in symbols of set theory. Keywords: systems approach, structuring, system, sets, model

60 В. В. БЕТАНОВ, В. К. ЛАРИН Введение 3. Вербальное описание. Приемлемо для пер- вого и второго вариантов структурированности Одной из проблем, относящихся к области си- задачи, указанных выше, но он представляет толь- стемного анализа, является поиск решения слабо- ко качественную картину решения без возможно- структурированных задач [1, 2]. Решение этой про- сти формальной корректировки этого процесса. блемы осложняется отсутствием границ, устанав- ливающих принадлежность задач к слабострук- Во втором и третьем видах представления за- турированному виду, а также четких критериев дач отдельные элементы могут иметь неформаль- для определения степени структуризации. Пред- ный характер, что затрудняет составление про- полагая, что слабоструктурированные задачи рас- грамм на современных языках программирования, полагаются в диапазоне от структурированных а соответственно, автоматизирование процесса ре- до неструктурированных задач, можно допустить, шения. что результат решения варьируется от количествен- ного до качественного, а в некоторых случаях мо- Суть заключается в использовании логиче- жет быть не найден. ских условий для определения истинности (или ложности) множества элементов блока по соот- Практически решение задачи сводится к выяв- ветствию одного из принадлежащих ему парамет- лению некорректных элементов программно-алго- ров заданному значению. Это позволяет устанав- ритмической оболочки, мониторингу функциониро- ливать взаимосвязи между блоками решения зада- вания и в случаях сбоя переводу решения на дру- чи, представленной в структурной или вербальной гую цепочку алгоритма. формах. В настоящей статье описан один из возмож- Решение задачи делится на два этапа. На пер- ных подходов к решению задачи, заключающийся вом этапе разрабатывается структурная схема ре- в структурном анализе алгоритма и дальнейшем шения задачи с максимальной детализацией по- представлении некорректных элементов решения следнего уровня иерархии, на втором этапе произ- в виде процедур теории множеств. водится описание структурных блоков в символах теории множеств. Под термином «задача» (или «проблема») бу- дем понимать систему, состоящую из элементов, На основании достаточного числа работ, посвя- обеспечивающих получение ответа на поставлен- щенных исследованиям структурированности задач ный вопрос. и методам их решения [2–6], задачи делятся по сте- пени структуризации на: структурированные (СЗ), Предварительные замечания слабоструктурированные (ССЗ) и неструктуриро- ванные (НСЗ). Существуют три вида представления решения задачи: алгоритм, структурная схема и вербальное В качестве признака деления в данном слу- описание. чае используется количественная и/или качествен- ная определенность элементов проблемы. Другим 1. Алгоритм. Применяется для случая формали- признаком деления проблемных ситуаций на струк- зованных задач, имеющих математическое решение. турированные, слабоструктурированные и неструк- турированные является признак степени известно- 2. Структурная схема. Применяется для отоб- сти алгоритма их решения [2]. ражения технологии решения задач в виде иерархи- ческой последовательности взаимосвязанных функ- С учетом сказанного можно дать следующую циональных блоков. характеристику каждому виду задачи. Анализ структурной схемы позволяет отме- СЗ — характеризуются существованием алго- тить блоки, которые могут привести к некоррект- ритма решения, построенного на математических ному решению, однако при этом невозможно опре- зависимостях, и количественного результата. делить конкретную функцию или параметр, явля- ющиеся источником указанной ситуации. ССЗ — для них известны преимущественно качественные зависимости между элементами за- дачи, причем информация о части элементов может отсутствовать. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ 61 НСЗ — характеризуются отсутствием матема- Элементы задачи тического алгоритма решения, части условий и ис- ходных данных. Функциональные части задачи: 1) методическая часть — постановка, алгоритм; Дополнительно в приведенные виды, опре- 2) программная часть — операционная систе- деляемые степенью структурированности задачи, ма (ОС), язык программирования, коды програм- целесообразно включить квазиструктурированный мы, библиотека стандартных подпрограмм (БСП); вид (КСЗ), характеризуемый наличием качествен- 3) расчет — процедура вычисления (процессор: ных и количественных составляющих элементов вид, частота), оперативная память. с вероятностью сбоев последних в процессе реше- Информационная часть: ния, но возможностью отыскания количественного 1) БД, архивы, обмен информацией; или качественного решения. Место этого вида за- 2) интерфейс — входные, выходные данные, дач между СЗ и ССЗ. контроль промежуточных расчетов. Этапы решения задачи: Графически такое распределение задач по сте- 1) разработка структуры, методики и алгорит- пени структуризации представлено на рис. 1. ма решения; 2) разработка программы и проведение расче- Рис. 1. Распределение задач по степени структуризации тов. Пути решения задачи: В качестве базисного варианта (номинала), от- 1) формальное решение (разработка алгоритма носительно которого проводились исследования, и программы); принята структурированная задача. 2) неформальное решение (поиск альтернатив- ного решения); Степень структуризации задачи определялась 3) слабоструктурированное решение (при ве- соотношением корректных и некорректных свойств, роятности сбоя) с разветвлением на «качественное» присущих составляющим ее блокам. или «количественное» решение в зависимости от соотношения формализованных и неформализован- В зависимости от функциональной нагрузки ных элементов задачи, а также от реальных усло- элементов, составляющих решение, можно приве- вий решения. сти три формы представления задачи: Форматы описания данных: 1) количественный; • программно-алгоритмическую (ПА); 2) качественный; • информационно-вычислительную (ИВ); 3) множественный (множества и операции • аппаратно-технологическую (АТ). с ними). Описание модели решения задачи: Каждая форма представления задачи имеет 1) математический алгоритм; следующие составляющие элементы: 2) структурная схема; 3) описание технологической последовательно- • программно-аналитическая: постановка + алго- сти этапов решения; ритм + программа; 4) технологическая модель, представленная описанием структурных блоков задачи и их связей • информационно-вычислительная: ПА + база символикой множеств. данных (БД) и архивы; В качестве примера в статье рассмотрено реше- ние задачи обработки траекторных измерений бал- • аппаратно-технологическая: ИВ + компьютер + листико-навигационного обеспечения (БНО) приме- + информационный канал для загрузки измере- нительно к программно-алгоритмической форме. ний в БД. Независимо от принадлежности к какой-либо форме, задача имеет один и тот же набор элемен- тов, приведенных ниже. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

62 В. В. БЕТАНОВ, В. К. ЛАРИН Большинство задач типа обработки измерений • методы интерполяции и экстраполяции; относится к структурированным задачам, однако при наличии некорректных элементов в ее струк- • численные методы решения дифференциаль- туре вид задачи может измениться. ных уравнений. К специфическим особенностям таких задач На основе указанного выше распределения за- относятся: дач по степени структурированности и структур- ной схемы (рис. 2) в табл. 1 приведены данные – большой объем измерительной информации, по корректности (+) и некорректности (−) блоков, сохраняемой в исходных данных (ИД); распределенных по задачам разной степени струк- турированности, и составляющим ее частям. – наличие в алгоритме ограничений на коли- чество и качество измерений; В табл. 2 приведены классификационные дан- ные по распределению типов решения задачи в за- – основной метод обработки измерений — ста- висимости от вида ее структурированности, где тистический (метод наименьших квадратов, МНК; фильтр Калмана); Т а б л и ц а 1. Распределение задач по степени структу- рированности элементов – использование в алгоритме математической модели для каждого типа измерений (дальность, Части задачи Обозначения Виды задач по струк- фаза, частота Доплера и т. д.); блоков турированности частей – использование следующих математических задачи СЗ КСЗ ССЗ НСЗ функций: расчет частных производных, составле- ние и решение системы линейных уравнений, фор- Постановка п1 + + − − мулы расчетных значений измеряемых параметров. п2 + + + − Ниже приводятся результаты анализа задачи на предмет определения корректности блоков ре- шения. п3 + + − − Структура задачи п4 + + + − Вначале представим структурную схему зада- Алгоритм а1 + + − − чи в форме ПА (рис. 2). а2 + + − − а3-1 + − − − Служебная часть включает: • обработку и формирование исходных данных; а3-2 + − − − • обращение к БД; Программа пр1 + + + + • обращение к архивам; пр2 + + + + • обращение к БСП; пр3 + + + + • организацию циклов; пр4 + − − − • условный и безусловный переходы между ча- Т а б л и ц а 2. Зависимость типа решения от вида задачи стями программы; • формирование выходных данных. Тип Решение Функциональная часть включает: Вид задачи Количественное Качественное 0 • математическую модель рассматриваемого фи- СЗ + −− зического процесса; КСЗ + +− ССЗ − ++ • итерационные методы расчетов; НСЗ − −+ • контроль соответствия математических фор- мул описываемому физическому процессу; РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ 63 Рис. 2. Структурная схема задачи в форме ПА «+» — корректность решения задачи соответству- уточнить некорректные блоки в основных элемен- ющего типа; «−» — некорректность решения за- тах задачи. дачи (отсутствие либо несоответствие условиям нормального функционирования решения); количе- Полученная информация дает возможность ственное решение — результат в числовом форма- предварительно выбрать соответствующий способ те; качественное решение — результат в вербаль- решения с учетом возможной некорректности от- ном виде; 0 — отсутствие вариантов продолжения дельных частей задачи. решения: полученный результат не соответствует целевому назначению по физическому смыслу. Структурная схема задачи Данные табл. 1 и 2 позволяют установить Ниже приведена структурная схема функ- степень структурированности задачи, определить ее циональных блоков задачи обработка измерений, место в ряду предлагаемой классификации, а также РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

64 В. В. БЕТАНОВ, В. К. ЛАРИН Рис. 3. Схема функциональных блоков задачи обработки измерений: д/у — дифференциальное уравнение, л/у — линейное уравнение, с/к — система координат на которой отмечены блоки (желтый цвет) с веро- п = иск ∪ исх; исх = п1 ∪ п2 ∪ п3; ятностью некорректного решения (рис. 3). а = а1 ∪ а2 ∪ а3 ∪ а4 ∪ а5 ∪ а6; Для перехода от структурного отображения элементов задачи и их связей к формализованно- p = р1 ∪ р2 ∪ р3. му виду предлагается использовать аппарат теории множеств. Представим условия для выделенных струк- В данном случае каждый блок (представляю- турных блоков в виде следующих соотношений. щий собой систему) можно идентифицировать как множество неоднородных элементов. Связи между Исходные данные: элементами задачи (рис. 3) можно отобразить в ви- де соответствующих отношений между параметра- п1 = {ϕ, γ}; ми множеств [7]. п1 = { k ϕi | γi 7◦}, ограничение измерений Верхний уровень структурных блоков: 1 N }, ограничение по числу з = п ∪ ∪ р; для γi < 7◦; k п1 = { 1 ϕi | k измерений в сеансе. Формулы: а1 = { m fi : f j}, установление правильности 1 формул. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ 65 Матрицы: a4 = {Мп | Мп = 0}, условие использования матриц в алгоритме; a5 = {Мр | Мр = 0}, где Мп — матрицы перехода систем координат; Мр — матрицы решения систем линейных уравнений. Состав искомых данных: р1 = {Q, n}; Q — форма (вид) представления данных (на- пример, параметры орбиты — оскулирующие эле- менты); n — число данных (например, кинематический вектор состояния — 6 значений); Q = {Qi : Qj}, условие выбора вида результа- та, соответствующего заданному; Qi = { s Qs | s = n}, условие соответствия 1 числа данных. Точность искомых данных: р3 = {σ, v}, СКО и число значащих цифр по- сле запятой; р3 = {σi : σn}, условие проверки результата на точность по СКО; р3 = {vi : vn}, условие проверки результата по числу цифр после запятой; р = {р : р3}, условие выбора результата по вы- полнению условия р3. Первый этап решения задачи В качестве примера реализации предлагаемо- Рис. 4. Структурная схема решения задачи уточнения го метода рассмотрим задачу уточнения начальных начальных условий условий движения космического аппарата (КА) по траекторным измерениям. Решение задачи разде- Архив ИД — файловый архив исходных дан- лим на два этапа: на первом этапе решение будет ных. Основное содержание: глобальные константы представлено в виде структурной схемы (рис. 4), параметров модели гравитационного поля Земли, на втором этапе — в виде алгоритма на языке тео- параметры вращения Земли и т. д. рии множеств. Архив ТХ — файловый архив технических ха- Дадим пояснения к рис. 4. рактеристик КА. Основное содержание — номер КА, Архив ТИЗ — файловый архив траекторных тип КА, временная задержка ретрансляции сигнала, измерений. Основной формат ТИЗ — Rinex-файлы. номинальные значения несущих частот навигацион- Архив НУ — файловый архив начальных усло- ных радиосигналов бортовых генераторов. вий КА, полученных на предыдущем сеансе БНО. Основной вид — дата, время и параметры кинема- тического вектора состояния в гринвичской систе- ме координат (ГСК). РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

66 В. В. БЕТАНОВ, В. К. ЛАРИН КЗ — краевая задача — общепринятое назва- Проверяется значение условного параметра. ние задачи уточнения НУ. Ниже составляющие КЗ блоки относятся к основным этапам обработки из- Если q = { p qi | qi = 1}, то действие пе- мерений с помощью МНК. i=1 Результат — уточненные значения составляю- реходит в блок «Предварительная обработка ТИЗ щих вектора кинематического состояния КА в ГСК на момент начала измерений. (ПО ТИЗ)». Если q = { p qi | qi = 0}, то происходит i=1 останов решения. ПО ТИЗ = {ф1 ∪ ф2}, Второй этап решения задачи где ф1 = {у1, 2}; у1 = { k ϕi, | γi 7◦}, ограничение измере- 1 ний по γi < 7◦; Каждый блок вышеприведенной структурной схемы представляет собой множество с неоднород- у2 = Δt = {(ti − ti−1) : δt}, условие разрядки ными членами. Поэтому переход от структуры к ви- ду решения в символах теории множеств является сеансов измерений; первым приближением к окончательной форме алго- ритма для дальнейшей разработки программы. Дан- ti, ti−1 — времена начала двух соседних сеан- ный пример позволяет говорить о принципиаль- сов измерений, δt — заданный временной интервал; ной возможности такого подхода к решению сла- боструктурированных задач. ф2 = {у3, у4}; у3 = { r Di | Di = Dз}, ограничение по i=1 длине базисных линий Di (Dз — заданная длина); k у4 = { 1 ϕi | k N }, ограничение по числу a = {АТИЗ ∪ АНУ ∪ АИД ∪ АТХ}; измерений в сеансе N . kl Рассмотрим блок уточнения параметров орби- АТИЗ = αi; АНУ = βi; ты (КЗ): i=1 i=1 КЗ = {кз1 ∪ кз2 ∪ кз3 ∪ кз4}. mn Общий вид условного уравнения rизм − rрас = АИД = ϕi; АТХ = δi. = Δr, число уравнений равно числу измерений s: i=1 i=1 n Проверяются условия корректности данных, кз1 = { Δri | n = s}. находящихся в архивах. i=1 Введем условный параметр q. При выполнении Система нормальных уравнений может быть представлена в следующем виде: условий корректности данных архивов q принимает значение 1, в противном случае — 0. АТИЗ = {αi, γi}. a11p1 + a12p2 + . . . + a1kpn = A11 .................................... АТИЗ = { k ϕi | γi 7◦}, ограничение изме- ak1p1 + ak2p2 + . . . + akkpn = Akk. 1 рений для γi < 7◦, где ϕi — измерения. Число уравнений системы должно быть равно k числу уточняемых параметров: АТИЗ = { 1 ϕi | k N }, ограничение по чис- лу измерений в сеансе N . АНУ = { l βi, σi | σi σn}, ограничение по 1 величине СКО. кз2 = {n : k}. АИД = { m ϕi, vi | vi = vn}, ограничение дан- 1 ных по числу значащих цифр после запятой. Общий вид решения системы нормальных уравнений: АТХ = { n δi | δi = δni}, соответствие ТХ i=1 [p] = B × [A], B = H−1 × C — произведение обратной матрицы частных производных от изме- номинальным значениям. ренных значений по искомым параметрам на кор- реляционную матрицу вектора измерений; После проверки каждого архива, в зависимости от исхода процедуры, условному параметру q при- сваивалось соответствующее значение (0 или 1). РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ 67 кз3 = [p] = { 1k[H] ∈ [p] | [H] = 0}, матрица H 4. Использование основных понятий теории не должна быть равной 0, в противном случае бу- множеств при разработке алгоритмов задачи поз- дем иметь деление на 0. воляет формализовать структурное или вербальное описание некорректности отдельных ее элементов, Результат решения КЗ есть вектор состояния, что дает возможность сформировать формальное уточненный за счет поправок, полученных путем решение этой задачи. решения системы нормальных уравнений. r = r0 + p, Список литературы где r — уточненный вектор состояния КА; 1. Бетанов В. В., Ларин В. К. Использование системно- r0 — начальное значение вектора состояния КА; го подхода к решению проблемных вопросов функ- p — вектор поправок как результат реше- ционирования автоматизированного комплекса про- грамм баллистико-навигационного обеспечения по- ния КЗ. летов КА ГНСС // Ракетно-космическое приборо- кз4 = {r : rзад}, соответствие полученного ре- строение и информационные системы, 2016, т. 3, вып. 1. С. 3–10. шения заданному виду (формат, точность). Представленная двухэтапная технологическая 2. Бетанов В. В., Ларин В. К. Концепция построения экспертно-диагностического комплекса для анали- модель решения слабоструктурированных задач за информационных систем // Ракетно-космическое не может претендовать на полноценный алгоритм, приборостроение и информационные системы, 2018, но в значительной мере облегчает поиск решения т. 5, вып. 2. С. 65–72. вследствие формализованного преодоления ситуа- ций, возникающих в результате некорректности от- дельных элементов в блоках задачи. Заключение 3. Бетанов В. В., Ларин В. К. Концепция гибридной технологии баллистико-навигационного обеспечения На основании материалов, приведенных в дан- наземно-космической связи в ГАС РФ «Правосу- ной статье, можно сделать следующие выводы. дие» // Правовая информатика, 2018, № 2. С. 39–46. 1. Разработана концепция построения техноло- 4. Тарасенко Ф. П. Прикладной системный анализ: гической модели решения слабоструктурированных Учебник. Томск: Изд-во Томского университета, задач, основанная на теории множеств. 2004. 186 с. 2. Технологическая модель реализуется после- 5. Бетанов В. В., Ларин В. К., Позяева З. А. Про- довательным выполнением следующих этапов: тотип экспертной диагностической системы поис- ка и коррекции скачков в безразностных фазовых – разработка структурной схемы решения за- измерениях // Ракетно-космическое приборострое- дачи; ние и информационные системы, 2014, т. 1, вып. 3. С. 73–81. – выделение некорректных блоков; – представление условий некорректности в сим- 6. Ларин В. К. Построение прототипа экспертно-диаг- волах теории множеств. ностической системы анализа траекторной измери- 3. Формирование полного алгоритма решения тельной информации КА // Ракетно-космическое слабоструктурированной задачи возможно путем приборостроение и информационные системы, 2017, включения в разделы математического алгоритма т. 4, вып. 1. С. 53–60. условий некорректности отдельных ее блоков в символах теории множеств. 7. Кузнецов О. П. Дискретная математика для инжене- ров. СПб.: Лань, 2009. 400 с. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2019, том 6, выпуск 2, c. 68–79 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ УДК 004.93 DOI 10.30894/issn2409-0239.2019.6.2.68.79 Алгоритм анализа спектральных характеристик снежного и облачного покрова по данным МСУ-МР/«Метеор-М» № 2 К. И. Зубкова, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Л. А. Гришанцева, к. ф-м. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Т. Г. Куревлева, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация А. А. Скрипчук, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация А. А. Морозов, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. Одной из составляющих информационного обеспечения процессов целевого применения орбитальной группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли является оперативное получение актуальной метеорологической информации, в частности в виде карт снежного покрова и карт облачности. В настоящее время комплекс планирования в до- полнение к средствам, обеспечивающим расчет метеопрогноза, оснащен информационной базой данных, включающей снимки МСУ-МР/«Метеор-М» № 2 [1] в виде композитов изображений в трех коротковолновых каналах (без какой-либо темати- ческой обработки). Если этих данных недостаточно для принятия решения, то оператор дополнительно анализирует данные зарубежных спутников, не включенные в комплекс планирования. Для оптимизации работы необходимо автоматизировать процессы метеообеспечения. В настоящей работе предложен алгоритм формирования маски снежного покрова и маски облач- ности, по данным отечественной аппаратуры МСУ-МР/«Метеор-М» № 2, основанный на анализе спектральных характеристик различных видов подстилающей поверхности — земли, облаков и снега. В алгоритме использованы значения коэффициентов спектральной яркости в канале 1 МСУ-МР (зеленый, 0,63 мкм) и в канале 3 МСУ-МР (SWIR-1, 1,7 мкм). Предлагаемый алго- ритм отличается от зарубежных аналогов: вместо константных порогов в алгоритме применяются пороговые значения, которые зависят от значений яркостей в каналах 1 и 3. Алгоритм верифицирован на 459 маршрутах съемки. Тестирование подтвердило, что предлагаемый алгоритм является универсальным: пороги не зависят ни от географического положения, ни от времени года. Учитывая непрерывность съемки, выполняемой аппаратурой МСУ-МР, настоящий алгоритм может обеспечивать создание об- новляемых с периодичностью 2–3 дня карт снежного покрова и облачности в автоматическом режиме, что позволит снабжать комплекс планирования актуальной информацией. В ближайшее время планируется создание программного модуля, реализующего данный алгоритм, и отработка возмож- ности его практического использования на средствах моделирующего стенда, созданного в рамках НИР «Оператор ДЗЗ». Ключевые слова: дистанционное зондирование, снежный покров, облачность, МСУ-МР, «Метеор-М»

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2019, том 6, выпуск 2, c. 68–79 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ Algorithm to Analyze Spectral Characteristics of Snow and Cloud Cover Based on MSU-MR/Meteor-M No. 2 Data K. I. Zubkova, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation L. A. Grishantseva, Cand. Sci. (Phys.-Math.), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation T. G. Kurevleva, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation A. A. Skripchuk, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation A. A. Morozov, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. An operational acquisition of up-to-date weather data, particularly in the form of snow cover maps and cloud maps, is one of the components providing the information support for target use of the orbital remote sensing spacecraft constellation. The planning complex, in addition to the weather forecast calculation facilities, is equipped now with the information database containing the MSU-MR/Meteor-M No. 2 images (Gorbunov et al. 2015) as composite images in three shortwave channels (with no theme-based processing). In case the data is insufficient for making decisions, then an operator analyses also the data from foreign satellites not included in the planning complex. The performance optimization requires the planning complex to be supplemented with the cloud cover mask and cloud mask. The paper proposes the algorithm of generating the snow cover mask and cloud mask using the domestic MSU-MR/Meteor-M No. 2 data. The algorithm is based on the spectral characteristics analysis of different types of underlying surface: ground, clouds, and snow. The algorithm uses the spectral radiance factor values in the channel 1 of MSU-MR (green, 0.63 µm) and in the channel 3 of MSU-MR (SWIR, 1.7 µm). The proposed algorithm differs from its foreign counterparts: it employs the threshold values depending on the radiances in the channels 1 and 3 rather than the constant thresholds. The algorithm was verified across 459 imagery strips. The testing confirmed the versatility of the proposed algorithm: the thresholds do not depend either on geographical location or on seasons. Considering the continuity of imagery from MSU-MR, this algorithm is capable of producing the snow cover and cloud maps automatically with the 2–3 day updating. This will enable the planning complex to be provided with up-to-date snow cover data. In the nearest future, the creation of the program module realizing this algorithm and adjustment of the possibility of its practical application by means of the simulation stand created within the R&D “Earth remote sensing operator” is planned. Keywords: remote sensing, snow cover, cloud cover, MSU-MR, Meteor-M

70 К. И. ЗУБКОВА, Л. А. ГРИШАНЦЕВА, Т. Г. КУРЕВЛЕВА, А. А. СКРИПЧУК, А. А. МОРОЗОВ Введение ражений в месте планируемой съемки. Однако на обработку одного маршрута уходит много времени Одним из приоритетных направлений модер- (до нескольких минут), что значительно замедля- низации наземно-космической инфраструктуры ди- ет процесс работы, особенно в условиях большого станционного зондирования Земли (ДЗЗ) в рам- числа заявок, и увеличивает трудоемкость. ках реализации мероприятий Федеральной косми- ческой программы России на 2016–2025 годы опре- Конечной целью работы с данными МСУ-МР делена автоматизация технологий целевого приме- является автоматизированное формирование регу- нения орбитальной группировки (ОГ) космических лярно обновляемой маски снежного и облачного аппаратов (КА) ДЗЗ. покровов, встроенной непосредственно в комплекс планирования. На данном этапе работы сформиро- В процесс «целевого применения» входят та- ван и верифицирован алгоритм формирования та- кие этапы работы с данными ДЗЗ, как формиро- кой маски по данным МСУ-МР/«Метеор-М» № 2. вание заказа на спутниковую съемку, планирова- ние съемки, прием спутниковой информации, ее Основа распознавания снега и облачности на первичная, стандартная и тематическая обработки, фоне других типов подстилающей поверхности — а также выдача конечного продукта потребителю. спектральные свойства этих объектов. Для снега Планирование спутниковой съемки относится к ре- и облаков характерны высокие значения коэффи- сурсоемким аспектам целевого применения. циента спектральной яркости (КСЯ) в видимом и ближнем ИК-диапазонах [4–7], существенное Одной из важных составляющих комплексно- уменьшение КСЯ в коротковолновом ИК-диапазоне го планирования спутниковой съемки является ме- (SWIR-Short-Wave Infra-Red) и низкие значения теорологическое обеспечение. Основное назначе- радиационной температуры в дальнем ИК-диапа- ние метеопрогноза — помощь в принятии решения зоне (LWIR — Long-Wave Infra-Red). У МСУ-МР о целесообразности планирования съемки в задан- в видимом диапазоне работает канал 1 (зеле- ном месте в заданное время, а также определение ный 0,6 мкм), в ближнем ИК-диапазоне — ка- входных параметров в экспонометрический расчет. нал 2 (0,8 мкм), в диапазоне SWIR-1 — канал 3 В частности, наличие или отсутствие снежного по- (1,7 мкм), в диапазоне SWIR-2 — канал 4 (3,8 мкм) крова существенно влияют на оценку требуемо- и в дальнем ИК-диапазоне два канала: 5 (11 мкм) го времени накопления сигнала на планируемом и 6 (12 мкм). маршруте съемки. Снег и облака достоверно отделяются от дру- Операторы службы планирования используют гих объектов по контрасту яркостей в видимом RGB-композиты спутниковых изображений в ви- и ближнем ИК-диапазонах. Тем не менее зада- де глобальных покрытий, формируемых в те- ча отделения этих объектов друг от друга не мо- чение коротких интервалов времени — от од- жет быть решена без привлечения данных в кана- ного до двух–трех дней. В настоящее время лах SWIR-диапазона. В каналах видимого и ближ- в комплекс планирования включено отображение него ИК-диапазонов КСЯ снега и облаков очень глобального покрытия, формируемого по данным близки, но в каналах SWIR-диапазона существу- съемки МСУ-МР/«Метеор-М» № 2 [1] в днев- ет контраст значений КСЯ между этими объекта- ное время. Поверх RGB-изображений МСУ-МР ми [4, 5]. Именно это свойство используется для накладываются контуры планируемых маршру- расчета индекса снега NDSI (Normalized Difference тов. К дополнительным продуктам, используемым Snow Index): NDSI = (Green − SWIR-1)/(Green + для оценки наличия снежного покрова в ме- + SWIR-1) [8]. Однако следует иметь в виду, что сте съемки, относятся: маска снежного покрова использование порогового значения NDSI не га- по данным AVHRR/MetOp-A,B [2] и ежеднев- рантирует безошибочного отделения снега от об- ные RGB-композиты изображений MODIS в кана- лаков. Высокие значения NDSI могут соответ- лах 1–4–3 [3]. Решение о наличии или отсутствии ствовать не только заснеженным участкам суши, снежного покрова и/или облачности оператор при- но и высоким, так называемым ледяным обла- нимает после визуального анализа глобальных изоб- кам. Окончательное решение о типе подстилающей РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

АЛГОРИТМ АНАЛИЗА СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СНЕЖНОГО И ОБЛАЧНОГО ПОКРОВА 71 поверхности принимается после сопоставления зна- выполнена с использованием большого количества чений радиационной температуры в канале 11 мкм наземных данных. Однако сами авторы позицио- с модельными среднеклиматическими значениями: нируют свой алгоритм как региональный, пороги если разность температур существенно отлична определены и корректно работают только для од- от 0 К, то объект считается снежным облаком. ного региона и одного времени года. В работе [6] представлен пороговый алгоритм Алгоритм построения маски снега по данным выделения снега по данным AVHRR. Блок-схема MODIS/Terra, Aqua также является константно- алгоритма приведена на рис. 1. пороговым [7, 10]. В алгоритме применяются кон- стантные пороговые значения NDSI, КСЯ в ка- нале 2 (ближний ИК) и КСЯ в канале 4 (зеле- ный). Пиксели, в которых NDSI превышает значе- ние 0,4, с высокой вероятностью относятся к клас- су снега. Если при этом КСЯ в канале 2 (ближний ИК-диапазон) превышает 11 %, а КСЯ в канале 4 (зеленый) превышает 10 %, то пиксель определяет- ся как снег с вероятностью 100 %. Кроме того, для территорий, покрытых ле- сом, дополнительно используется пороговое значе- ние вегетационного индекса NDVI (Normalized Dif- ference Vegetation Index). Это связано с тем, что для лесных территорий значения NDSI занижены по сравнению с поверхностью без растительности. На рис. 2 приведена скаттерограмма [5] рас- пределения значений КСЯ в каналах 0,6 мкм и 1,6 мкм AVHRR/NOAA-17 [11], полученная для сцены съемки над Альпами. В сцене присутствуют снег (snow), облака (cloudy) и открытая поверхность Рис. 1. Алгоритм выделения снежного покрова по дан- ным AVHRR [6] В алгоритме применяются следующие кон- Рис. 2. Скаттерограмма распределения значений КСЯ стантные пороговые значения: радиационная тем- в каналах 1 и 3a AVHRR/NOAA-17 для различных пература в канале 4 T 4, разность радиационных типов подстилающей поверхности, по данным съемки температур в каналах 4 и 5 T 45, NDVI [9], раз- ность радиационных температур в каналах 3 и 4 над Альпами [5] T 34, альбедо (КСЯ) в канале 1 A1. Значения по- рогов определены эмпирически, только для одного региона (Восточной Канады) и для времени года — ранняя весна. Можно отметить высокую достоверность ре- зультатов — вероятность правильного обнаружения снега составляет 97 %. Верификация маски снега РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

72 К. И. ЗУБКОВА, Л. А. ГРИШАНЦЕВА, Т. Г. КУРЕВЛЕВА, А. А. СКРИПЧУК, А. А. МОРОЗОВ Т а б л и ц а 1. Основные характеристики МСУ-МР/«Метеор-М» № 2 и AVHRR МСУ-МР AVHRR Количество спектральных каналов 6 5 (одновременно работающих) Спектральные диапазоны канал 1 0,50–0,70 мкм канал 1 0,58–0,68 мкм канал 2 0,70–1,10 мкм канал 2 0,725–1,10 мкм канал 3 1,60–1,80 мкм канал 3a 1,58–1,64 мкм канал 4 3,50–4,10 мкм канал 3b 3,55–3,93 мкм канал 5 10,50–11,50 мкм канал 4 10,30–11,30 мкм канал 6 11,50–12,50 мкм канал 5 11,50–12,50 мкм Полоса обзора, км 2800 2900 Пространственное разрешение, км 1,0 1,1 (clear). P — вероятность правильного распознавания Кроме того, следует отметить, что констант- типа поверхности. ные пороги приводят к появлению ошибок и пер- вого, и второго рода, т. е. к пропускам и к ложным На границах, разделяющих кластеры трех ука- тревогам. Как правило, ошибки появляются на гра- занных выше типов поверхности, в скаттерограмме нице объектов разного типа и на тех участках по- присутствуют смешанные ячейки. верхности, которые характеризуются значительным разбросом значений КСЯ и радиационных темпера- В качестве примера такой ситуации представ- тур, например, вкрапления снега и льда в открытой лена ячейка, на которую указывает стрелка желто- почве. Наличие ошибок характерно для любого ал- го цвета: из шести точек в ячейке три соответству- горитма построения масок снега и облачности, од- ют облачности, две — открытой поверхности и од- нако использование в алгоритме константных по- на — снежному покрову. Участки изображения, со- рогов усугубляет ситуацию. ответствующие пикселям, попавшим в эту смешан- ную ячейку, можно охарактеризовать как безоблач- Представленный в настоящей работе алгоритм ные только с вероятностью 50 %. Следует также построения масок снежного и облачного покровов, отметить, что характер расположения в скаттеро- не зависящий от времени года и территории, пред- грамме кластеров, соответствующих трем типам назначен прежде всего для обеспечения экспоно- поверхности — облака, снег, открытая поверхность, метрических расчетов, выполняемых на комплексе свидетельствует о том, что любые значения кон- планирования спутниковых съемок. Карты снежно- стантных порогов КСЯ в каналах 0,6 мкм и 1,6 мкм го покрова и карты облачности формируются по неизбежно приведут к появлению и ложных тревог, данным МСУ-МР/«Метеор-М» № 2, которые еже- и пропусков в масках снега или облачного покрова. дневно принимаются и обрабатываются Операто- ром российских космических систем ДЗЗ. В настоящее время практически во всех алго- ритмах формирования маски снежного покрова при- Основные характеристики МСУ-МР/«Мете- меняются константные пороговые значения КСЯ, ор-М» № 2 представлены в табл. 1. В этой же табли- NDSI и радиационных температур. Применение це приведены основные характеристики AVHRR — описанных выше константно-пороговых алгоритмов зарубежного аналога МСУ-МР. в глобальном масштабе, в том числе на территории России, затруднено по следующим причинам: Исходными данными для алгоритма выделения облачного и снежного покровов послужили дан- • пороги непостоянны и должны изменяться ные дневной съемки МСУ-МР/«Метеор-М» № 2 в зависимости от времени года; территорий Канады, России и Европы, полученные с 2015 по 2018 гг. Всего в работе было использовано • в большинстве алгоритмов пороги применимы 459 фрагментов маршрутов съемки. Распределение только к определенной территории, использо- маршрутов по сезонам года представлено в табл. 2. вание их на другой территории приводит к за- метному снижению достоверности. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

АЛГОРИТМ АНАЛИЗА СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СНЕЖНОГО И ОБЛАЧНОГО ПОКРОВА 73 Рис. 3. Схема покрытия данными МСУ-МР/«Метеор-М» № 2 территорий Восточной Сибири, Дальнего Востока России (слева) и Канады (справа) Т а б л и ц а 2. Распределение маршрутов по сезонам го- определены и отмечены контурами участки, за- да и по регионам ведомо принадлежащие к каждому из трех ти- пов поверхности. Общая площадь выборки по об- Количество маршрутов ластям, относящимся к облакам, составила более 10 млн км2, площадь выборки участков со снеж- Сезон Европа Сибирь ным покровом — более 1 млн км2, площадь выбор- года Канада и европейская и Дальний Всего ки участков «земли» — более 500 тыс. км2. часть России Восток На рис. 4 приведен пример, иллюстрирующий результат этой работы: участки, закрытые облач- Зима 27 28 9 64 ностью, выделены контурами красного цвета, без- облачные заснеженные участки — контурами си- Весна 43 32 29 104 него цвета, открытые участки поверхности — «зе- мля» без снега и облаков — контурами зеленого Лето 39 24 143 206 цвета. Осень 30 46 9 85 Данные измерений МСУ-МР на выделенных участках были использованы для анализа раздели- Всего 139 130 190 459 мости трех типов поверхности. Покрытие съемкой территории России на Даль- Учитывая то, что наиболее информативным нем Востоке и в Восточной Сибири, а также покры- признаком для распознавания снега является тие съемкой территории Канады представлены на NDSI, сначала построены гистограммы распреде- рис. 3 в виде обзорных изображений, нанесенных ления значений NDSI на выделенных участках. на карту. На рис. 5 линиями зеленых оттенков представле- ны гистограммы NDSI «земли», линиями красного На этапе предварительной обработки выполня- и сиреневого цветов — гистограммы NDSI облаков, лась абсолютная калибровка данных МСУ-МР — линиями синего и голубого цвета — гистограммы нормализованные цифровые отсчеты пересчитаны NDSI снега. Гистограммы на рис. 5 построены по в физические величины: в значения КСЯ в трех данным съемки, выполненной в течение пяти дней коротковолновых каналах и в значения радиацион- в мае 2016 г. над территорией Канады. ных температур в трех длинноволновых каналах. Согласно взаимному положению гистограмм На первом этапе работы были отобраны на рис. 5, пороговое значение NDSI = 0,4 (эту 17 маршрутов съемки, на которых присутствова- же величину индекса NDSI используют и авто- ли все три вида поверхности: снег, облака, «земля» ры [7] при выделении снежного покрова по дан- (в данном контексте под «землей» подразумеваются ным MODIS) позволяет надежно отделить участки, лес, песок и земля). Общая площадь всех тесто- вых маршрутов в выборке — более 130 млн км2. На каждом из 17 тестовых маршрутов визуально РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

74 К. И. ЗУБКОВА, Л. А. ГРИШАНЦЕВА, Т. Г. КУРЕВЛЕВА, А. А. СКРИПЧУК, А. А. МОРОЗОВ Рис. 4. Выделение участков, относящихся к трем типам поверхности на изображениях, полученных в период с осени 2016 г. до весны 2017 г. Рис. 5. Гистограммы распределения для маршрутов над территорией Канады содержащие снег, от участков, содержащих обла- Скаттерограмма на рис. 6 позволяет сделать ка и «землю». Однако никакое пороговое значение вывод о том, что в пространстве двух признаков — NDSI не обеспечивает надежного разделения обла- NDSI–NDVI есть возможность надежно отделить ков и «земли». друг от друга участки, соответствующие снегу и участки, соответствующие «земле». Для этого Следующий этап анализа состоял в построе- достаточно определить переменный порог, который нии скаттерограмм в пространстве двух признаков: можно представить в виде функции y = x. График NDSI и NDVI. На рис. 6 представлена скаттеро- этой функции надежно отсекает снег от «земли», грамма распределения значений NDSI–NDVI для но делит практически пополам кластер значений, того же самого набора данных, что и на рис. 5, соответствующих облакам. Таким образом, в про- полученных над территорией Канады. странстве двух признаков — NDSI–NDVI даже пе- ременный порог вида y = x не позволяет полностью Плотность распределения пар значений NDSI– решить задачу — надежно разделить снег, облач- NDVI представлена в цветовой палитре «радуга» ность, открытую поверхность. (rainbow): красный цвет соответствует самой вы- сокой частоте появления пар значений, желтый Тем не менее более детальное исследование цвет — более низкой частоте, синий и черный спектральных свойств объектов «земля», облака, цвет — самой низкой частоте появления. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

АЛГОРИТМ АНАЛИЗА СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СНЕЖНОГО И ОБЛАЧНОГО ПОКРОВА 75 Рис. 6. Скаттерограмма распределения значений в про- Рис. 7. Скаттерограмма распределения коэффициентов странстве признаков NDSI–NDVI для выделенных спектральной яркости (КСЯ) в каналах 1 и 3 МСУ-МР/ участков, соответствующих трем видам поверхности: облачность, снег, «земля» для пяти маршрутов съемки «Метеор-М» № 2 над территорией Канады снег с использованием всех каналов МСУ-МР в канале 0,63 мкм представлена в цветовой палит- позволило определить возможность их разделения ре «радуга» (rainbow, среда ENVI). в пространстве двух признаков, а именно: КСЯ, % (альбедо) в канале 3 (SWIR-1, 1,7 мкм) и КСЯ, % Переменные пороговые значения показаны в канале 1 (зеленый, 0,63 мкм). На рис. 7 пред- в виде функций вида y = f (x), где x представ- ставлена скаттерограмма распределения указан- ляет собой значения КСЯ, % в канале 1 МСУ-МР ных значений КСЯ для выделенных ранее участ- (0,6 мкм), а y представляет собой значения КСЯ, % ков «земли», облачности, снега. Однако разделе- в канале 3 МСУ-МР (1,7 мкм). Графики функций ние обязательно должно выполняться с использо- представлены на рис. 7 утолщенными линиями чер- ванием переменных порогов, константные пороги ного цвета. Выражения для функций вида y = f (x) не решат задачу. Заметим, что идея о возможно- также приведены на рис. 7. Две функции из трех сти разделения классов таким способом возника- удалось представить в виде линейных функций ви- ет и при анализе скаттерограммы, представленной да y = a · x + b, третий переменный порог представ- на рис. 2 [5]. лен в виде степенной функции вида y = a · (x + b) . Необходимо отметить, что некоторые значения Оценка параметров a, b и c переменных по- КСЯ, % в канале 1 (0,63 мкм), соответствующие роговых функций выполнялась с помощью опера- ярким объектам, превышают 100 %. Это обуслов- ции выравнивания по минимуму среднеквадрати- лено неточностью калибровки каналов аппарату- ческой погрешности для набора точек, представля- ры МСУ-МР/«Метеор-М» № 2, отмеченной в [12]. ющего собой совокупность частных пороговых зна- Этим же объясняется наличие значений NDSI, пре- чений, разделяющих три вида поверхности. Част- вышающих 1, на рис. 6. Однако следует иметь в ви- ные пороговые значения определялись следующим ду, что неточность абсолютной калибровки не вли- образом. Все пространство скаттерограммы бы- яет ни на алгоритм, ни на результат — маску об- ло разделено по оси x на участки шириной 5 % лачности и маску снежного покрова. в области низких значений КСЯ и 10 % в обла- сти высоких значений КСЯ. Для каждого среза Здесь, как и на рис. 6, плотность распределе- скаттерограммы шириной 5 % или 10 % выполня- ния пар значений КСЯ в канале 1,7 мкм — КСЯ лось построение частных одномерных гистограмм. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

76 К. И. ЗУБКОВА, Л. А. ГРИШАНЦЕВА, Т. Г. КУРЕВЛЕВА, А. А. СКРИПЧУК, А. А. МОРОЗОВ Рис. 8. Срез гистограммы по каналу 1 (0,63 мкм) в пределах значений альбедо от 65 % до 70 % В качестве примера на рис. 8 представлены част- Рис. 9. Спектральные образы объектов, относящихся ные гистограммы (земля, снег, облака) для среза к облачности и к снегу: разность радиационных темпера- скаттерограммы на участке значений КСЯ в канале тур в каналах 4 и 5 у облачных объектов превышает 3K 0,63 мкм от 65 % до 70 %. ванный по данным 17 съемок различных терри- Середины участков, на которые был разделен торий, протестирован на данных съемки Восточ- весь диапазон возможных значений КСЯ в кана- ной Сибири, Дальнего Востока, европейской тер- ле 0,6 мкм по оси x скаттерограммы, представлен- ритории России, а также на маршрутах съемки ной на рис. 7, соответствуют координатам x то- Канады. чек, вошедших в набор частных пороговых значе- ний. Координаты y точек в наборе пороговых зна- Тестирование подтвердило работоспособность чений были определены как значения КСЯ в кана- алгоритма. Самыми важными положительными ре- ле 1,7 мкм, для которых имеет место пересечение зультатами являются: 1) независимость перемен- частных гистограмм. Например, согласно рис. 8, ных порогов от времени года и 2) независимость для участка значений КСЯ в канале 0,63 мкм от региона, в котором выполнена съемка. от 65 % до 70 % частное пороговое значение, раз- деляющее снег и облака, имеет следующие коорди- наты: x = 67,5 %, y = 22,8 %. В процессе отработки алгоритма были обнару- жены типы подстилающих поверхностей, для кото- рых необходимо применение дополнительных усло- вий. К таким объектам относится, например, «зем- ля» с маломощным снежным покровом, что встре- чается, в частности, в конце осени. На такой поверхности снег ошибочно определяется относя- щимся к классу облака. Дополнительное условие, позволяющее исправить ошибку, состоит в ана- лизе значений разности радиационных температур в четвертом и пятом каналах МСУ-МР: к облакам уверенно относятся объекты с разностью, превы- шающей 3К (рис. 9). Алгоритм с переменными порогами и с допол- нительной проверкой для ранней зимы, сформиро- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

АЛГОРИТМ АНАЛИЗА СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СНЕЖНОГО И ОБЛАЧНОГО ПОКРОВА 77 Рис. 10. Дальний Восток, 18 мая 2016 г., маска снежного покрова Рис. 11. Европейская часть территории России, 27 февраля 2017 г., маска облачности В качестве примера на рис. 10–11 представле- Отметим, что выбранные пороговые значения ны результаты работы алгоритма для двух марш- зависят от конкретной абсолютной калибровки ап- рутов съемки МСУ-МР: на рис. 10 — Дальний паратуры. Для сохранения корректности резуль- Восток весной 2016 г., маска снежного покрова, тата со временем или в случае запуска ново- на рис. 11 — европейская часть территории России го КА необходимо либо пересчитывать коэффици- зимой 2017 г., маска облачности. енты пороговых функций, либо проводить работы РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

78 К. И. ЗУБКОВА, Л. А. ГРИШАНЦЕВА, Т. Г. КУРЕВЛЕВА, А. А. СКРИПЧУК, А. А. МОРОЗОВ по обеспечению постоянства абсолютной радиомет- Учитывая непрерывный характер съемки рической калибровки МСУ-МР. Последнее, впро- МСУ-МР, разработанный алгоритм может обес- чем, справедливо для любого продукта обработки печивать обновляемые с периодичностью 2–3 дня данных ДЗЗ. карты снежного покрова и облачности в автомати- ческом режиме. Следует также отметить, что разработанный алгоритм построения масок снега и облаков не В дальнейшем планируется внедрение предло- обеспечивает пиксельной точности, соответствую- женного алгоритма в части формирования маски щей разрешению изображений МСУ-МР — 1000 м. снега непосредственно в технологический комплекс Связано это не со свойством предлагаемого алго- планирования съемки; кроме того, маска облачно- ритма, а с общей проблемой классификации типов сти может использоваться в автоматизации про- поверхности: в переходных зонах — на границе, цесса поиска безоблачных маршрутов в архивах разделяющей на изображении объекты разного ти- данных ДЗЗ в соответствии с заявками потреби- па, вероятность правильного обнаружения объек- телей. тов одного типа уменьшается. Это обусловлено од- новременным присутствием в пикселях этой зоны Список литературы сигналов, поступающих от объектов обоих типов. Однако необходимо иметь в виду, что маска снега 1. Горбунов А. В., Ильина И. Ю., Саульский В. К. и облаков, построенная с помощью предлагаемого Состояние и перспективы развития космических алгоритма, предназначена для использования в со- комплексов «Канопус-В» и «Метеор-М» // Ракет- ставе информационной базы комплекса планирова- но-космическое приборостроение и информацион- ния, в которой данные представлены в глобальном ные системы, 2015, т. 2, вып. 4. С. 14–19. масштабе (разрешение хуже 1 км). Следователь- но, предлагаемый алгоритм обеспечивает форми- 2. Larry L. Stowe, Herbert Jacobowitz, George Ohring, рование маски снега и облаков, вполне пригодное Kenneth R. Knapp, and Nicholas R. Nalli. The Ad- для задач планирования (и обработки) спутнико- vanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) вой съемки. Вероятность обнаружения площадных Pathfinder Atmosphere (PATMOS) Climate Dataset: объектов близится к 95–100 %. Initial Analyses and Evaluations // Journal of Cli- mate, June 2002, vol. 15, No 11. P. 1243–1260. Выводы 3. Портал дистанционного зондирования https://worldview.earthdata.nasa.gov/ (Дата обраще- ния 23.09.2018). Предложен алгоритм, предназначенный для 4. Romanov P., Gutman G., Csisar I. Automated moni- формирования масок снежного покрова и облачно- toring of snow cover over North America with multi- сти по данным МСУ-МР/«Метеор-М», использу- spectral satellite data // J. Appl. Meteorol., 2000, емых в составе комплекса планирования целевого vol. 39. P. 1866–1880. применения российской орбитальной группировки КА ДЗЗ и обработки полученных данных. В алго- 5. Musial J. P., Hu¨sler F. Probabilistic approach to cloud ритме применяются значения коэффициента спек- and snow detection on Advanced Very High Resolu- тральной яркости в каналах 1 (зеленый, 0,63 мкм) tion Radiometer (AVHRR) imagery // Atmos. Meas. и 3 (SWIR-1, 1,6 мкм) МСУ-МР. Существенным Tech., 2014, vol. 7. P. 799–822. отличием алгоритма от аналогов является отступ- ление от практики использования константных по- 6. Karem Chokmani, Monique Bernier and Alain Royer. рогов. Анализ, проведенный на обширной тестовой A Merging Algorithm for Regional Snow Map- выборке исходных данных, показал, что перемен- ping over Eastern Canada from AVHRR and SSM/I ные пороги, определенные в настоящем исследова- Data // Remote Sens., 2013, vol. 5. P. 5463–5487. нии, не зависят от времени года и географического положения территории съемки. 7. Dorothy K. Hall, Jonathan S. Barton. Algorithm The- oretical Basis Document (ATBD) for the MODIS Snow and Sea Ice-Mapping Algorithms. http://modis- snow-ice.gsfc.nasa.gov (Дата обращения 04.04.2018). РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

АЛГОРИТМ АНАЛИЗА СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СНЕЖНОГО И ОБЛАЧНОГО ПОКРОВА 79 8. Boschetti M., Nutini F., Manfron G., Brivio P. A., Nel- 10. Xiong X., Barnes W. An overview of MODIS ra- son A. Comparative Analysis of Normalised Difference diometric calibration and characterization // Atmo- Spectral Indices Derived from MODIS for Detecting spheric Environment, 2003, vol. 37, Iss. 17. P. 2403– Surface Water in Flooded Rice Cropping Systems // 2412. PLoS ONE, 2014, vol. 9, Iss. 2. P. 4. 11. Ignatov A., Sapper J., Cox S., Laszlo I., Nalli N. R. https://www.researchgate.net/publication/260447511_ and Kidwell K. B. Operational Aerosol Observations Comparative_Analysis_of_Normalised_Difference_ (AEROBS) from AVHRR/3 On Board NOAA-KLM Spectral_Indices_Derived_from_MODIS_for_Detecting_ Satellites // Journal of atmosphere and Oceanic Tech- Surface_Water_in_Flooded_Rice_Cropping_Systems nology, 2004, vol. 21, No. 1. P. 3–26. (Дата обращения 05.06.2019). 12. Филей А. А., Рублев А. Н., Киселева Ю. В. Оценка 9. Gandhia G. M., Parthibanb S., Thummaluc N., стабильности радиометрической калибровки корот- Christyd A. NDVI: Vegetation Change Detection Us- коволновых каналов многоканального спутниково- ing Remote Sensing and Gis — A Case Study of Vel- го устройства КА «Метеор-М» № 2 // Современ- lore District // Procedia Computer Science, 2015, ные проблемы дистанционного зондирования Земли vol. 57. P. 1199–1210. из космоса, 2018, т. 15, № 4. C. 71–77. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2019, том 6, выпуск 2, c. 80–89 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ УДК 621.314.5 DOI 10.30894/issn2409-0239.2019.6.2.80.89 Пути повышения эффективности системы управления полетом космического аппарата И. Н. Пантелеймонов, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. Статья посвящена проблеме повышения эффективности системы управления полетом космических аппаратов. Рассмотрены различные варианты организации систем управления полетом космических аппаратов. Сетевые решения пере- дачи информации управления в едином потоке с целевой информацией с применением стека протоколов TCP/IP позволят автоматизировать процесс получения и передачи информации, а также приведут к уменьшению количества бортового радио- технического оборудования. Применение SCADA-системы послужит для повышения эргономичности. Объединение спутников- ретрансляторов в единую сеть передачи данных межспутниковыми линий связи позволит принимать информацию от косми- ческого аппарата, даже когда он находится в западном полушарии без размещения там командно-измерительных и шлюзовых станций. Решение использовать в качестве спутников-ретрансляторов низкоорбитальную орбитальную группировку приведет к уменьшению задержек в передачи информации и уменьшению энергетического бюджета радиолинии, связывающей косми- ческий аппарат со спутником-ретранслятором. Ключевые слова: связь, космический аппарат, орбитальная группировка, система управления полетом, радиолиния, командно- измерительная станция, бортовая аппаратура, антенная система Ways to Improve the Efficiency of the Spacecraft Flight Control System I. N. Panteleymonov, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. The article is devoted to the problem of increasing the efficiency of the spacecraft flight control system. Various options for the organization of the spacecraft flight control systems are considered. Network solutions for the transmission of control information in a single stream with target information using the TCP/IP Protocol stack will automate the process of receiving and transmitting information as well as lead to the reduction in the number of onboard radio equipment. The use of the SCADA-system will serve to improve ergonomics. Combining relay satellites into a single network of inter-satellite communication lines will enable receiving information from the spacecraft even when it is in the Western Hemisphere without placing there command and measurement and gateway stations. The decision to employ a low-orbit constellation as relay satellites would reduce delays in the transmission of information and reduce the energy budget of the radio link between the spacecraft and relay satellite. Keywords: communication, spacecraft, orbital constellation, flight control system, radio link, command and measurement station, onboard equipment, antenna system

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕТОМ КА 81 Введение а также для повышения надежности антенных си- стем (АС), обусловленной отсутствием механиче- Одно из основных требований к системе упра- ских частей, предлагается использование в каче- стве антенных систем ГСР двух активных фазиро- вления — оперативность, определяемая временем, ванных антенных решеток (АФАР): приемной и пе- редающей, каждая из которых состоит из трех– затраченным на получение информации о состоя- четырех расположенных под углом модулей, фор- мирующих одновременно множество следящих ост- нии (телеметрии) объекта управления τс (временем ронаправленных лучей. реагирования системы), временем принятия реше- При наличии межспутниковой линии связи ния τр и временем доведения управляющих воздей- (МЛС) между ГСР можно обеспечить круглосу- ствий до объекта управления τд: точную линию связи одной командно-измеритель- ной (КИС) или шлюзовой станции (ШС) сразу со τу = τс + τр + τд. (1) всеми КА, находящимися на разных участках тра- ектории. Следующим не менее важным требовани- Применение связанных между собой межспут- ем к системе управления является надежность, никовым радиолиниями ГСР в качестве ретрансля- торов позволит: определяемая гарантированностью своевременного 1) одновременно принимать информацию от и достоверного приема телеметрической информа- всех КА в любой точке траектории полета, что при- ведет к повышению оперативности управления; ции (ТМИ) qc от объекта управления, качеством принятия решения qр, и гарантированностью свое- 2) уменьшить количество КИС и тем самым временного и достоверного доведения управляю- уменьшить стоимость системы управления. щих воздействий до объекта управления qд: Данное направление развития систем управле- ния полетом КА современно и перспективно, од- qу = qc + qр + qд. (2) нако ему присущ такой недостаток, как большие задержки передачи информации, обусловленные Надежность системы управления qу также за- большими высотами орбит ГСР (около 36 000 км) висит от гибкости системы связи и обработки ин- и, как следствие, большими расстояниями между формации. орбитальными точками. Следовательно, основная задача построения Обобщенная схема организации связи с КА системы управления — снижение времени реаги- через ГСР отображена на рис. 1. Примечание: рования τу и повышение надежности qу. КА ГЛОНАСС служат для передачи на борт дру- гих КА баллистической навигационной информа- Необходимо отметить, что для коммерческих ции и сигналов синхронизации. систем важным фактором повышения рентабель- ности является снижение затрат на систему упра- Использование спутниковой вления. системы связи на низкоорбитальных спутниках-ретрансляторах Использование геостационарных для повышения эффективности спутников для повышения системы управления полетом КА эффективности системы управления полетом КА Орбитальная группировка (ОГ) спутниковой системы связи (CCC) на низкоорбитальных спут- Традиционный путь повышения эффективности никах-ретрансляторах (НСР) представляет собой системы управления полетом космических аппара- тов (КА) — организация двухъярусной схемы управ- ления и связи с применением трех–четырех геоста- ционарных спутников-ретрансляторов (ГСР) [1–4]. Для увеличения количества одновременно установленных каналов связи с КА, для умень- шения времени перехода с одного КА на другой, РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

82 И. Н. ПАНТЕЛЕЙМОНОВ Рис. 1. Обобщенная схема организации связи с КА через ГСР определенное количество КА, размещенных в не- ляет собой спутниковый маршрутизатор, имеющий скольких орбитальных плоскостях (ОП). Соседние следующие порты ввода–вывода информации: КА одной ОГ предлагается связать МЛС, таким образом, что каждый КА будет иметь связь с че- – 1 порт в глобальной сети–для связи с КИС-ра- тырьмя соседними КА, находящимися как в од- диолиния (РЛ) Земля–борт в S-диапазоне; ной ОП, так и в соседних ОП [5]. Такая архитек- тура сети применяется в сети подвижной персо- – 1 порт в глобальной сети–для связи с ШС-ра- нальной спутниковой связи (СППСС) Iridium [6], диолиния (РЛ) Земля–борт в V -диапазоне или а также предлагалась в научно-исследовательской в оптическом диапазоне; работе [7] и патентах по созданию телекоммуника- ционной низкоорбитальной системы на базе мало- – 4 порта в глобальной сети–для ретрансляции размерных космических аппаратов [7, 8]. информации соседним КА по МЛС; Применение стека протоколов TCP/IP позволит – 1 порт в локальной сети–для передачи ин- передавать информацию управления в едином по- формации управления на собственную бортовую токе с целевой информацией на унифицированную аппаратуру (БА) КА. ШС, выполняющую одновременно и функции КИС. Полносвязанная архитектура сети спутнико- Тем самым ОГ образует полносвязанную спут- вой связи, представляющая собой КА, связанные никовую сеть передачи данных с применением сте- межспутниковыми линиями связи, обладает следу- ка протоколов TCP/|IP, где каждый КА представ- ющими преимуществами [5, 8, 9]: 1) позволяет создать гибкую сеть, в которой с помощью адаптивных протоколов маршрутизации можно строить любые маршруты передачи данных: РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕТОМ КА 83 – кратчайшие для трафика, особо критичного КА по отношению к КА представляет со- к задержкам; бой абонента сети подвижной спутниковой свя- зи (СПСС). В отличие от абонентского терминала – с оптимальной пропускной способностью СПСС, каждому КА на постоянной основе назна- с учетом загрузки бортового ретрансляционного чается основная и резервная частоты, а также ос- комплекса (БРК) — для широкополосного трафика; новная и резервная кодовые конструкции, необхо- димые для кодового доступа в МРЛ НСР–КА. КА – в обход неисправных КА или КА, находя- постоянно принимает в служебном канале пилот- щихся в особых зонах (например, в зонах неосве- сигналы от различных НСР на все малонаправлен- щенной части орбиты, зонах стихийных бедствий ные антенны. Решающее устройство КА выбира- или зонах боевых действий); ет антенну, принимающую сигнал с максимальной амплитудой. Выбираются пилот-сигналы, значение 2) обладает высокой живучестью и адаптив- соотношения сигнал/шум которых превышает до- ностью; пустимый порог, а затем по доплеровскому сдвигу частоты определяется НСР, который приближается 3) позволяет с одной командно-измерительной к КА, а не удаляется от него [11]. Определив оп- станции иметь доступ в режиме реального времени тимальный НСР для регистрации, КА отправляет к любому КА группировки. запрос на регистрацию. После получения запроса на регистрацию осуществляет передачу данных че- Технология применения ССС на низкоорби- рез НСР. При ухудшении значения соотношения тальных спутниках-ретрансляторах для управле- сигнал/шум в пилот-сигнале выбирает по этим же ния полетом КА впервые была применена и отрабо- критериям другой НСР и отправляет запрос на тана при управлении полетом наноспутника ТНС-0 регистрацию. После получения запроса на реги- № 1, разработанного и созданного в АО «Россий- страцию осуществляет передачу данных через вы- ские космические системы» [10], использующего бранный НСР, предварительно окончив сеанс связи в качестве ретрансляторов КА ОГ Globalstar. В на- с предыдущим НСР. стоящий момент осуществляется программа полета КА ТНС-0 № 2. Работа ретрансляторов ССС на НСР с кос- мическими аппаратами, являющимися объектами В отличие от существующей ССС на НСР управления, осуществляется в режиме многостан- Globalstar спутники-ретрансляторы предлагаемой ционного доступа и выполняется в радиолинии ССС дополнительно оснащаются четырьмя или ше- (РЛ) НСР–КА (в прямом канале) по технологии стью комплектами приемных и передающих ма- MCPC (много станций на одной несущей) и в ра- лонаправленных АС, расположенных по двум или диолинии КА–НСР (в обратном канале) — по тех- трем осям, например: 1-й вариант: −Y и +Y , −Z нологии SCPC (одна станция на одной несущей). и +Z; 2-й вариант: −Y и +Y , −Z и +Z, −X и +X. Для межспутниковой связи Регламентом радиосвя- Каждому КА предоставляются две фиксирован- зи распределена полоса частот в S-диапазоне: пря- ные частоты в Ka-диапазоне и две кодовые ком- мой канал связи 2025–2110 МГц и обратный канал бинации расширения спектра для работы на прием связи 2200–2290 МГц. В данном диапазоне частот и передачу. При пролете КА относительно НСР осу- наиболее оптимальным является применение в ка- ществляются процедуры эстафетной передачи (хэ- честве малонаправленных антенн рупорной, спи- довера) между лучами одного НСР и между НСР. ральной АС или системы спиральных АС, имеющих Для установления связи с НСР осуществляются коэффициент усиления 6–8 дБ. процедуры аутентификации, регистрации и установ- ления VPN-туннелей для защиты информации. Соединенные посредством межспутниковых ли- ний связи КА ОГ представляют собой глобаль- Все КА прослушивают РЛ НСР–КА, чита- ную спутниковую сеть передачи данных. ШС или ют заголовки IP-пакетов и если определяют свой КИС, установившие связь с одним из КА ОГ, IP-адрес, то направляют адресованные им IP-пакеты находящимся в ее зоне радиовидимости (ЗРВ), в обработку. НCP принимает и прослушивает все имеет доступ к любому КА ОГ. Переходя с одного КА на другой, можно обеспечить круглосуточную связь с любыми КА, применяя одну или несколь- ко ШС. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

84 И. Н. ПАНТЕЛЕЙМОНОВ Рис. 2. Архитектура сети управления полетом КА с при- и обратно. Применение ССС на НСР позволит с од- менением ССС на НСР ной ШС иметь доступ одновременно ко всем КА различных ОГ, что обеспечит высокую надежность обратные частотные каналы связи и затем ретранс- и оперативность системы управления. лирует IP-пакеты по МРЛ и ФРЛ (при наличии ШС) в ЦУП. Для связи в МЛС между НСР ССС наи- более целесообразно применять радиодиапазон V , Архитектура сети управления полетом КА а в перспективе перейти на передачу данных в оп- с применением ССС на НСР изображена на рис. 2. тическом диапазоне радиоволн. Функциональная схема НСР ССС изображена Применение V -диапазона позволит [5, 9]: на рис. 3 [2]. – уменьшить габариты антенно-фидерных уст- ройств (АФУ) и волноводного тракта СВЧ-оборудо- Схема организации связи и управления с при- вания; менением одного НСР изображена на рис. 4. – уменьшить энергетические затраты на элек- тропитание систем наведения АФУ и СВЧ-обору- Схема организации связи и управления с при- дования; менением двух НСР изображена на рис. 5. – увеличить полосу пропускания и скорость передачи информации (от 1 ГГбит/с и более). Отмеченные преимущества повышают опера- Таким образом, для связи в межспутниковой тивность управления полетом τу и надежность си- радиолинии в V -диапазоне наиболее целесообраз- стемы управления qу. но применять четыре остронаправленные зеркаль- ные АС небольшого диаметра (до 0,3–0,6 м) [7,11], Таким образом, ССС на НСР представляет со- расположенные по осям симметрии КА X и Z. бой спутниковую цифровую транспортную сеть пе- Применение оптического диапазона в МЛС редачи данных, предназначенную для ретрансляции между НСР ССС позволит [5, 6]: информации канала управления от центра управ- – уменьшить в перспективе в 2–4 раза раз- ления полетом (ЦУП) через ШС и НСР на КА меры и энергопотребление бортового оборудования межспутниковой линии связи (МЛС); – значительно увеличить полосу пропускания и скорость передачи информации (до 10 ГГбит/с). Оптические системы связи в МЛС на пер- вом этапе эксплуатации системы можно использо- вать параллельно с системами связи, работающими в радиодиапазонах V-диапазона. Оптические приемные и передающие АС также должны быть расположены по осям X и Z КА. Для связи в РЛ Земля–борт (фидерная ли- ния связи, ФЛС) наиболее целесообразно применять диапазоны C, , Ku или Ka, а в перспективе мож- но будет дублировать радиоканал передачей данных в оптическом диапазоне радиоволн [5, 9]. Так как каждый КА имеет значительную зону радиопокры- тия (ЗРП), редко бывает, чтобы везде в ЗРП были плохие погодные условия, влияющие на светопро- ницаемость атмосферы, следовательно, потоки дан- ных в оптическом диапазоне будут передаваться на КИС, расположенные в хороших условиях свето- проницаемости атмосферы. И даже если окажется, РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕТОМ КА 85 Рис. 3. Функциональная схема НСР ССС РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

86 И. Н. ПАНТЕЛЕЙМОНОВ Рис. 4. Схема организации связи и управления с применением одного НСР: ФРЛ — фидерная радиолиния; МРЛ — межспутниковая радиолиния; КРЛ — командная радиолиния; ШС — шлюзовая станция; БРТК — борто- вой радиотехнический комплекс; БКУ — бортовой комплекс управления что во всей ЗРП связь в оптическом диапазоне Основным режимом управления полетом яв- невозможна, то можно связываться с КИС НКУ, ляется удаленный доступ к центральной управля- расположенными в других ЗРП, используя МЛС. ющей машине (ЦУМ) БА КА посредством уста- новления VPN-туннелей между локальной вычис- Таким образом, для связи в РЛ Земля–борт лительной сетью (ЛВС) ЦУП и ЛВС КА через про- на борту КА наиболее целесообразно применять водные и межспутниковые каналы связи [1, 2, 5, 9]. 1–2 остронаправленные зеркальные АС небольшо- Таким образом, специалисты ЦУП со своих ком- го диаметра (до 0,6–1 м) или приемную и передаю- пьютеров имеют удаленный доступ на серверы (кон- щую АФАР [5, 9]. Зеркальные АС, АФАР, а также тролеры) управления систем КА и могут оператив- оптические приемные и передающие АС должны но управлять системами БА КА, используя специ- быть расположены по оси −Y КА и должны быть альное программное обеспечение. Удобный оконный ориентированы на Землю. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕТОМ КА 87 Рис. 5. Схема организации связи и управления с применением двух НСР интерфейс с отображением в виде рисунков, графи- скорости передачи информации в каналах связи ков и таблиц упростит систему управления, улуч- Земля–борт и по МЛС можно обеспечить управ- шит ее наглядность, эргономичность и управляе- ление большим количество КА низкоорбитальных мость, уменьшит время принятия решений [5, 9]. ОГ через один или несколько КИС. Так как максимальная скорость передачи ин- Логическая схема организации доступа опера- формации в канале управления полетом не пре- тора ЦУП к бортовой аппаратуре КА изображена вышает 64–128 кбит/с, то при реально возможной на рис. 6 [1, 2, 5, 9]. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

88 И. Н. ПАНТЕЛЕЙМОНОВ Рис. 6. Логическая схема организации доступа оператора ЦУП к бортовой аппаратуре КА Основная проблема управления полетом с при- 1) имеет меньшее расстояние от КИС и ШС до менением ССС на НСР, связанных по МЛС, — точ- КА и, как следствие, уменьшаются задержки пере- ность поддержания ориентации КА в полете и точ- дачи информации и тем самым повышается опера- ность наведения остронаправленных антенных си- тивность управления; стем (АС). При выходе из строя одного и несколь- ких КА ОГ их можно обойти за счет применения 2) кроме того, по этой же причине уменьша- протоколов динамической маршрутизации [5, 9], но ются энергетический бюджет в радиолинии борт– при этом возникает проблема доступа к потеряв- борт, что позволяет использовать на НСР и КА ма- шему ориентацию КА. Для этих целей на борту лонаправленные АС. Таким образом, открывается предусматривается наличие двух–четырех–шести перспектива ретрансляции команд управления на малонаправленных АС, обеспечивающих низкоско- большое количество КА, без сопровождения каж- ростной канал аварийной связи с КИС НКУ. дого из них остронаправленными АС; В нештатных ситуациях, например при поте- 3) имеет высокую избыточность и, как след- ре КА ориентации, а также на этапе выведения ствие, высокую надежность, так как выход из строя и штатного спуска с орбиты, КИС НКУ может осу- некоторого количества НСР, которые можно обой- ществлять связь с КА на малонаправленные АС КА ти по МЛС, никак не повлияет на своевременную по МЛС или по РЛ Земля–борт. доставку информации канала управления. Применение ССС на низкоорбитальных спутни- Заключение ках-ретрансляторах, связанных между собой МЛС, обладает всеми преимуществами способов, изло- Комплексное использование всех вышеуказан- женных в разделе «Использование геостационарных ных путей решения задачи повышения эффектив- спутников для повышения эффективности системы ности системы управления полетом КА дает следу- управления полетом КА», но, в отличие от ССС, на ющие преимущества: ГСР обладает следующими преимуществами: РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕТОМ КА 89 – гибкость и оперативность управления; и телекоммуникационные технологии», 7–13 сен- – высокую надежность работы системы управ- тября 2014 г.: материалы конференции. Севасто- ления; поль: Вебер, 2014. В 2 т. Т. 1. С. 6–9. – высокую степень эргономичности и совре- менный подход к решению задачи управления. 4. Булгаков Н. Н., Алыбин В. Г., Кривошеин А. А. Применение стандартных для компьютерных Особенности построения двухконтурной бортовой сетей протоколов передачи информации (TCP/IP) аппаратуры командно-измерительной системы для позволит применить стандартное сетевое оборудо- управления космическим аппаратом на этапе его вание (в специальном исполнении) и типовое про- вывода на ГСО // Ракетно-космическое приборо- граммное обеспечение как для построения БА КА, строение и информационные системы, 2014, т. 1, так и для построения НКУ, что значительно упро- вып. 2. С. 74–80. стит систему управления, схему построения и сто- имость производства. 5. Пантелеймонов И. Н. Перспективная методика Отмеченные в настоящей статье алгоритмы управления полетом космических аппаратов одной управления полетом и архитектурные решения по- орбитальной группировки с применением межспут- строения НКУ и БКУ позволяют создать универ- никовых радиолиний // Ракетно-космическое при- сальную и надежную, динамичную и эффективную боростроение и информационные системы, 2018, систему связи и управления полетом любых КА. т. 5, вып. 2. С. 73–83. Список литературы 6. Камнев В., Черкасов В., Чечин Г. Спутниковые се- ти связи. М: Альпина Паблишер, 2004. 536 с. 7. Пантелеймонов И. Н. Спутниковая система, управ- ляемая по межспутниковой радиолинии. Решение о выдаче патента на изобретение от 25.04.2019 на заявку № 2018125659/11(040586) от 12.07.2018. 1. Пантелеймонов И. Н. Перспективные алгоритмы 8. Урличич Ю. М., Гришмановский В. А., Селива- управления полетом космического аппарата // Ра- нов А. С., Степанов А. А. Космическая система кетно-космическое приборостроение и информаци- глобальной служебной спутниковой связи. Патент онные системы, 2014, т. 1, вып. 4. С. 57–68. на полезную модель № 47600 от 24.03.2005 г. 2. Пантелеймонов И. Н., Корниенко В. И. Архитек- 9. Пантелеймонов И. Н. Концепция создания систе- турные решения построения бортовой аппаратуры мы персональной спутниковой связи на низкоорби- космического аппарата и перспективная методика тальных спутниках-ретрансляторах для широкопо- управления полетом космического аппарата с при- лосного доступа к сетям передачи данных // Сб. тр. менением сетевых технологий // Ракетно-космиче- XXI Межведомственной научно-практической кон- ское приборостроение и информационные техноло- ференции «Научно-практические аспекты совер- гии: Сб. тр. VII Всероссийской научно-технической шенствования управления космическими аппарата- конференции «Актуальные проблемы ракетно-кос- ми и информационного обеспечения запусков кос- мического приборостроения и информационных тех- мических аппаратов» (26–27 октября 2017 г.). Крас- нологий» (2–4 июня 2015 г.) / Под ред. д. т. н., нознаменск: ГИКЦ МО РФ, 2017. С. 206–223. проф. А. А. Романова. М.: АО «РКС», 2015. 10. Селиванов А. С. Разработка и летные испытания 3. Булгаков Н. Н., Алыбин В. Г., Кривошеин А. А. первого российского наноспутника ТНС-0 № 1 // Особенности построения бортовой аппаратуры ко- Ракетно-космическое приборостроение и информа- мандно-измерительной системы космического аппа- ционные системы, 2015, т. 1, вып. 2. С. 74–90. рата для управления им как в зоне его радиовиди- мости с наземной станции, так и вне ее // 24-я Ме- 11. Пантелеймонов И. Н. Спутниковая система, управ- ждународная Крымская конференция «СВЧ-техника ляемая по межспутниковой радиолинии. Патент на изобретение № 2690966 от 07.06.2019. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2019, том 6, выпуск 2, c. 90–97 ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА, РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ, МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА, ПРИБОРЫ НА КВАНТОВЫХ ЭФФЕКТАХ УДК 621.382 DOI 10.30894/issn2409-0239.2019.6.2.90.97 Расчетно-экспериментальная оценка срока активного существования микроэлектронных устройств космического назначения В. П. Безмен, к. т. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация А. А. Жуков, д. т. н., доцент, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация С. М. Ильин, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация А. А. Степанов, к. х. н., [email protected] АО «Композит», г. Королев, Московская область, Российская Федерация А. И. Вялов, [email protected] АО «Композит», г. Королев, Московская область, Российская Федерация Аннотация. В статье представлена расчетно-экспериментальная оценка срока активного существования (САС) микроэлектрон- ных устройств (МЭУ) космического назначения. Одним из конструктивных элементов, определяющим САС МЭУ, является адгезив, с помощью которого производится крепление МЭУ на основание корпуса. В расчетах сделано допущение, что дегра- дация адгезива при повышенной температуре описывается уравнением Аррениуса. Изготовлены три партии макетных образцов МЭУ с тестовыми структурами, в которых монтаж кристалла тестовой структуры осуществлялся с помощью адгезивов мар- ки ОТПК-П и ВК-26М в качестве образца сравнения. Проведение ускоренных испытаний тестовых структур показало, что применение адгезивов марки ОТПК для монтажа МЭУ может обеспечить САС 15 лет. Ключевые слова: адгезив, деградация, микроэлектронное устройство, срок активного существования, температура Calculated Experimental Evaluation of the Active Life of Microelectronic Devices for Space Purposes V. P. Bezmen, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation A. A. Zhukov, Dr. Sci. (Engineering), associate professor, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation S. M. Ilyin, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation A. A. Stepanov, Cand. Sci. (Chemistry), [email protected] Joint Stock Company “Kompozit”, Korolyov, Russian Federation A. I. Vyalov, [email protected] Joint Stock Company “Kompozit”, Korolyov, Russian Federation Abstract. The article presents a calculation-experimental estimate of the active lifetime (ALT) of microelectronic devices (MED) for space purposes. One of the structural elements that determines the ALT of the MED is an adhesive, which is used to mount the MED on the base of the main body. In the calculations, it is assumed that the degradation of the adhesive at elevated temperature is described by the Arrhenius equation. Three batches of prototypes of the MED with test structures were made, in which the mounting of the crys- tal of the test structure was carried out using the OTPK-P and VK-26M adhesives as a reference sample. Accelerated testing of test structures showed that the use of OTPK brand adhesives for mounting MEA could provide ALT of 15 years. Keywords: adhesive, degradation, microelectronic device, lifetime, temperature

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СРОКА 91 Введение одни и те же деградационные процессы, приводя- щие к отказу прибора. Скорость протекания дегра- Известно, что космический аппарат — это дационных процессов и отказов полупроводниковых сложная техническая система, которая, находясь приборов, в том числе и МЭУ, при повышенной тем- в космосе, должна выполнять возложенные на нее пературе подчиняется уравнению Аррениуса [5, 6], функции в условиях с дестабилизирующими фак- что позволяет линейно экстраполировать результа- торами космического пространства: глубоким ваку- ты испытаний с области повышенных температур умом, большим перепадом температур, радиацией, на нормальные условия эксплуатации МЭУ. потоками заряженных частиц и т. д. [1, 2]. Поэто- му бортовая аппаратура (БА) космического аппа- Для функционирования МЭУ адгезив должен рата (КА) должна иметь наработку на отказ не ме- обладать удельным объемным электрическим со- нее 130 тыс. ч (15 лет) и сохраняемость не ме- противлением не хуже 1014 Ом · см и прочностью нее 25 лет [3]. Одним из возможных путей оценки сцепления при отрыве не менее 2,0 МПа в интерва- срока активного существования аппаратуры явля- ле рабочих температур [7]. Деградационные процес- ется проведение ускоренных испытаний приборов, сы в адгезионном соединении МЭУ протекают как составляющих ее, и, в частности, микроэлектрон- при его функционировании, так и без подачи напря- ных устройств (МЭУ). В этой связи расчетно-экс- жения, и проявляются в потере либо адгезионных, периментальная оценка срока активного существо- либо изоляционных свойств, либо их обоих. Как вания микроэлектронных устройств космического правило, проявление потери адгезионных свойств назначения является крайне актуальной задачей. в полимерных покрытиях обусловлено разрывом химических связей в органическом материале и ад- Цель работы — разработка оценки срока гезионных связей с подложкой и кристаллом при- активного существования микроэлектронных ус- бора [8]. Появление токов утечек через клеевой тройств, входящих в состав БА КА. шов — это результат разрыва связей в полимерной матрице материала с образованием нескомпенсиро- Для достижения поставленной цели необхо- ванных валентностей. димо решить следующие задачи: Для монтажа кристалла МЭУ на основание ме- – выбрать элемент конструкции МЭУ, который таллокерамического корпуса используется фенолка- определяет срок его активного существования. Со- учуковый однокомпонентный адгезив ВК-26М. Он гласно [4], в ряде случаев этим элементом являет- полностью смачивает склеиваемые поверхности ся конструкционный материал — адгезив (клей), ис- кристалла МЭУ и керамического основания кор- пользуемый в МЭУ для крепления кристалла к ос- пуса, обеспечивая формирование соединений с ми- нованию либо металлокерамического корпуса, либо нимальной толщиной клеевого шва. Малая толщи- подложки. В процессе эксплуатации МЭУ из объе- на клеевого шва позволяет избежать разрушения ма адгезива могут выделяться химически активные клеевых соединений из-за внутренних напряжений соединения (например, вода, галогены и др.), приво- в клеевом шве, обусловленных разными коэффици- дящие к выходу его из строя, из-за коррозии алю- ентами линейного теплового расширения (КЛТР) миниевой металлизации. Кроме того, как любой по- склеиваемых материалов и адгезива. По данным лимерный материал адгезив подвержен неконтроли- авторов [9], после его отверждения при темпера- руемому естественному старению; туре 523 К в течение не менее 3 ч, он практически не выделяет продуктов, способных к конденсации, – выбрать метод испытания, с помощью кото- обеспечивая минимальное содержание паров воды рого возможно получение данных по срокам актив- (до 0,5 % об. ч.) в подкорпусном пространстве при- ного существования МЭУ. бора с адгезионным соединением. Как правило, ускорение продолжительных ис- Известно, что не все элементы МЭУ вы- пытаний достигается за счет увеличения темпе- держивают воздействие температуры 503–523 К ратуры по сравнению с ее значением при нор- при отверждении адгезива. Появились данные мальной эксплуатации. При этом принимается до- об однокомпонентном, теплопроводном, с низким пущение, что как при повышенной температу- ре, так и при нормальных условиях ускоряются РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

92 В. П. БЕЗМЕН, А. А. ЖУКОВ, С. М. ИЛЬИН, А. А. СТЕПАНОВ, А. И. ВЯЛОВ газовыделением эпоксидном адгезиве марки После монтажа кристалла производилась гермети- ОТПК-П, разработанном в АО «Композит», зация корпуса по существующей технологии. обладающем высокими электроизоляционными ха- рактеристиками и имеющем режимы отверждения: Расчет продолжительности ускоренных испы- 1 ч при 393 К и 2 ч при 423 К [10]. таний тестовых структур для подтверждения срока активного существования 15 лет проводился по ме- Для проведения ускоренных испытаний была тодике, представленной в [11]. Значения средней разработана тестовая структура, представляющая энергии активации процесса отказов взяты из таб- из себя кристалл из кремния КДБ-7,5 100 раз- лицы [11]. мером 5,1 × 5,1 мм, покрытый термическим окис- лом толщиной 0,5–0,6 мкм, на котором сформи- Величину энергии активации процесса отказов рованы полоски из алюминия различной шири- выбрали исходя из геометрических размеров затво- ны: 8, 16 и 24 мкм. Толщина металлизации 1 мкм. ра транзистора КМОП ИС, установленных в кор- Размер контактных площадок у полосок 120 × пус Н14.42-1В. Размер затвора транзистора КМОП × 100 мкм. К ним методом ультразвуковой свар- ИС более 1 мкм. Поэтому в расчетах использова- ки (УЗС) приваривались выводы из алюминиевой лись данные для строки КМОП 1. проволоки диаметром 30 мкм. На рис. 1 представ- лен вид кремниевой пластины диаметром 76 мм Согласно [12] клеевые соединения, выполнен- с тестовыми структурами. Общее количество те- ные адгезивом ВК-26М, выдерживают температуру стовых структур на пластине составило 88 штук. 523 К в течение 500 ч, а температуру 573 К — в те- чение 100 ч. Адгезивы марки ОТПК-П должны об- ладать температурной стабильностью не хуже ад- гезива ВК-26М. Поэтому температура ускоренных испытаний была принята равной 473 К. Расчет режимов ускоренных кратковремен- ных (УКИБ) и длительных (УДИБ) испытаний на безотказность тестовых структур при температуре 473 К был проведен c использованием следующих данных: – величина рассеиваемой мощности Pрас = = 1,5 Вт; – тепловое сопротивление кристалл–корпус Rпер–корп = 20 ◦C/Вт; – температура испытаний (окружающей сре- ды) Tокр = 100 ◦C. Значение температуры кристалла Tпер при ис- пытаниях тестовых структур при температуре Tокр определено, согласно [11], по формуле: Рис. 1. Внешний вид кремниевой пластины с тестовыми TперКИБ = TперДИБ = Tокр + Rпер–корп × Pрас, (1) структурами где Rпер–корп — тепловое сопротивление кристалл – Для испытаний было изготовлено двенадцать корпус, ◦C/Вт; образцов, которые представляют собой кристаллы тестовой структуры, монтаж которых на керамиче- Pрас — мощность рассеяния в форсированном ское основание корпуса Н14.42-1В осуществлялся режиме, Вт; с помощью ВК-26М и двух модифицированных ад- гезивов марки ОТПК-П. В пяти образцах исполь- Tокр — температура окружающей среды в фор- зовался адгезив ОТПК-5-С, в четырех — адгезив сированном режиме, К. ОТПК-ЭД-3. Три образца, в которых использовался адгезив ВК-26М, являлись образцами сравнения. Подставив численные значения в формулу (1), получили значение температуры кристалла в нор- мальном режиме: TКИБ = TДИБ = 100 ◦C+1,5 Вт×20 ◦C/Вт = 130 ◦C. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СРОКА 93 Значение температуры кристалла Tпер при В соответствии с [11] значение коэффициентов ускоренных (форсированных) испытаниях тесто- ускорения при испытаниях УКИБ и УДИБ опреде- вых структур при Tокр.ф = 473 К было определено лено по формуле: по формуле: KУКИБ = KУДИБ = TперУКИБ = TперУДИБ = Tокр.ф + Rпер–корп × Pрас, (2) = exp Ea × Tпер 1 273 − 1 273 , (3) где: Rпер–корп — тепловое сопротивление кристалл – k + Tпер.ф + корпус, ◦C/Вт; где Ea — энергия активации механизмов отказов, эВ; Pрас — мощность рассеяния в форсированном k — постоянная Больцмана, 8,6 · 10−5, эВ/К; режиме, Вт; Tпер — температура кристалла (перехода) Tокр.ф — температура окружающей среды в нормальном режиме, ◦C; в форсированном режиме, ◦C. Tпер.ф — температура кристалла (перехода) Подставив численные значения в формулу (2), в форсированном режиме, ◦C. получили значение температуры кристалла при ускоренных испытаниях: Так как Tпер и Tпер.ф лежат в разных диапа- зонах температуры (для которых в таблице ука- TперУКИБ = TперУДИБ = = 200 ◦C + 1,5 Вт × 20 ◦C/Вт = 230 ◦C. заны разные значения энергии активации), общий Величина энергии активации процесса отказа коэффициент ускорения равен произведению коэф- выбрана согласно данным таблицы для КМОП фициентов ускорения, рассчитанных для каждого 1,0 мкм. диапазона температуры по формуле (3). Подставив численные значения для указанных выше температурных диапазонов, получили чис- ленные значения коэффициентов ускорения K1, K2 и K3, соответственно равные 2,489, 10,227 и 3,525. Т а б л и ц а. Значения энергии активации процесса отказов для групп интегральных микросхем при различных температурах кристалла [11] Значение обобщенной энергии активации при разных температурах кристалла (перехода), эВ Группа интегральных микросхем Ea1 Ea2 Ea3 Ea4 25–70 ◦C 71–150 ◦C 151–200 ◦C 201–250 ◦C Биполярные цифровые ТТЛ, ЭСЛ 0,3 0,4 0,5 0,6 Биполярные цифровые ТТЛ-Ш на p-МОП-структурах 0,3 0,5 0,6 0,7 Биполярные цифровые n-МОП-структуры, ПЗС 0,35 0,55 0,65 0,75 Биполярные цифровые И2Л 0,4 0,6 0,7 0,8 КМОП 1,0 мкм 0,45 0,65 0,8 0,9 КМОП 1,0–0,5 мкм 0,55 0,75 – – КМОП 0,5–0,09 мкм 0,6 0,8 – – Аналоговые 0,45 0,65 0,8 0,9 В таблице: ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика; ЭСЛ — эмиттерно-связанная логика; ТТЛ-Ш — тран- зисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки; ПЗС — приборы с зарядовой связью; И2Л — интегрально-ин- жекционная логика; n- и p-МОП-структура металл–окисел–полупроводник с каналом n- и p-типа; КМОП-структура на кремнии металл–окисел–полупроводник. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

94 В. П. БЕЗМЕН, А. А. ЖУКОВ, С. М. ИЛЬИН, А. А. СТЕПАНОВ, А. И. ВЯЛОВ Тогда согласно [11] общий коэффициент уско- выполняли 4-зондовым методом с помощью цифро- рения равен: вого миллиомметра GOM-802. Kу = K1 × K2 × K3, (4) Выдержка тестовых структур при температу- ре 473 К проводилась в вертикальной камере теп- Kу = 2,489 × 10,227 × 3,525 = 89,729. ла PV-212. Через каждые 100 ч тестовые структуры вынимали из камеры, охлаждали до комнатной тем- Продолжительность ускоренных кратковре- пературы в течение 30–40 мин. После чего проводи- менных испытаний на безотказность была опреде- лось измерение сопротивления элементов тестовых лена по формуле структур 4-зондовым методом. Первый замер был проведен после выдержки в камере в течение 48 ч. tУКИБ = tИ , (5) KУ Результаты изменения сопротивлений элемен- тов тестовой структуры представлены на графиках, где tИ = 1000 ч — продолжительность длительных построенных в полулогарифмическом масштабе, где испытаний на безотказность (ДИБ); ось X — время термообработки τ , ч, в логариф- мическом масштабе; ось Y — Rотн. i, относительное KУКИБ — коэффициент ускорения при изменение значения сопротивления i-го элемента, УКИБ [11]. %, вычисленное по формуле: Подставив значения продолжительности ДИБ Rотн. i = Ri − R0i × 100 %, (7) R0i и коэффициента ускорения при УКИБ в форму- лу (5), получили tУКИБ = tИ = 1000 = 11,15 ч. где i — номер элемента тестовой структуры, изме- KУ 89,729 няется от 1 до 9; Продолжительность ускоренных длительных R0i — значение сопротивления i-го элемента перед началом испытаний. испытаний на безотказность определили по фор- На рис. 2–4 представлены результаты испы- муле tДИБ − tИ , тания тестовых структур при температуре 473 К KУ в течение 1788 ч. На рис. 2 и 3 представле- tУДИБ = (6) ны результаты изменения сопротивления элементов тестовых структур, монтаж кристаллов которых где tДИБ = 131 400 ч — продолжительность дли- осуществлялся адгезивами ОТПК-ЭД-3 (структу- тельных испытаний на безотказность; ра № 1) и ОТПК-5-С (структура № 6). tИ — продолжительность ДИБ; Аналогичные зависимости были получены у се- KУДИБ — коэффициент ускорения при УДИБ. ми оставшихся образцов с адгезивами ОТПК-П. Как видно из представленных графиков, на началь- Подставив численные значения в формулу (6), ном этапе испытания (до 248 ч) наблюдается сни- жение сопротивления резистивных элементов те- получили стовых структур от 5 до 8 %, затем при даль- нейшем продолжении испытания наблюдается мо- tУДИБ = tДИБ − tИ = нотонный рост сопротивления элементов от 10 KУ до 40 % (вплоть до длительности испытания 748 ч), далее следует такое же уменьшение сопротивления = 131 400 − 1000 = 130 400 = 1453,27 ч. (до продолжительности испытания 1088 ч) от 15 89,729 89,729 до 45 %. При продолжении испытаний вплоть до 1788 ч наблюдалось постепенное уменьшение со- Тогда общее время проведения ускоренных ис- противление элементов тестовых структур. пытаний, согласно [11], равно: Такие же зависимости были получены на об- tУИ = tУКИБ + tУДИБ = разцах сравнения, у которых монтаж кристаллов = 11,15 + 1453,27 = 1464,42 ≈ 1465 ч. Перед началом испытаний при повышенной температуре у всех элементов тестовых структур было измерено их сопротивление R0i. Измерения РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СРОКА 95 Рис. 2. Относительное изменение сопротивления элементов тестовой структуры № 1 с адгезивом ОТПК-ЭД-3 при ускоренных испытаниях при температуре 473 К: № 1, № 2 — изменения Rотн резистивных элементов с шириной дорожки 8 мкм; № 3–№ 7 — изменения Rотн резистивных элементов с шириной дорожки 16 мкм; № 8, № 9 — изме- нения Rотн резистивных элементов с шириной дорожки 24 мкм Рис. 3. Относительное изменение сопротивления элементов тестовой структуры № 6 с адгезивом ОТПК-5-С при ускоренных испытаниях при температуре 473 К: № 1, № 2 — изменения Rотн резистивных элементов с шириной дорожки 8 мкм; № 3–№ 7 — изменения Rотн резистивных элементов с шириной дорожки 16 мкм; № 8, № 9 — изме- нения Rотн резистивных элементов с шириной дорожки 24 мкм тестовых структур проводился с помощью адгези- лось уменьшение сопротивления резистивных эле- ва ВК-26М. Данные по ускоренным испытаниям ментов на 10–15 % по сравнению с первоначаль- тестовой структуры № 2, в которой использовался ным, и выхода из строя ни одного элемента в те- адгезив ВК-26М, представлены на рис. 4. стовых структурах не наблюдалось. Таким обра- зом, тестовые структуры как с адгезивом марки В результате проведения ускоренных испыта- ОТПК-П, так и с адгезивом ВК-26М, выдержали ний у всех элементов тестовых структур наблюда- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

96 В. П. БЕЗМЕН, А. А. ЖУКОВ, С. М. ИЛЬИН, А. А. СТЕПАНОВ, А. И. ВЯЛОВ Рис. 4. Относительное изменение сопротивления элементов тестовой структуры № 2 с адгезивом ВК-26М при уско- ренных испытаниях при температуре 473 К: № 1, № 2 — изменения Rотн резистивных элементов с шириной дорожки 8 мкм; № 3–№ 7 — изменения Rотн резистивных элементов с шириной дорожки 16 мкм; № 8, № 9 — измене- ния Rотн резистивных элементов с шириной дорожки 24 мкм ускоренные испытания при 473 К в течение 1465 ч, растрескивание окисной пленки [13]. Кроме отжи- что должно соответствовать, согласно приведен- га дефектов в пленке алюминия в процессе испыта- ным выше расчетам, САС 15 лет. ния, будет происходить рост ее кристаллов, причем рост происходит за счет уменьшения доли мелких Уменьшение сопротивления резистивных эле- кристаллов. Изменение размеров кристаллов долж- ментов тестовых структур в процессе проведе- но привести к уменьшению сопротивления пленки ния испытания на начальном этапе обусловлено алюминия, что и наблюдается при длительности отжигом дефектов пленки алюминия, получен- испытания свыше 1000 ч. На участке испытаний ной при ионно-плазменном напылении. Кроме то- от 700 до 1000 ч, по всей видимости, заканчива- го, известно, что полученные пленки являются по ется переход аморфной фазы в кристаллическую, своей структуре поликристаллическими, при этом все большую роль начинает играть процесс роста, зерна кристаллов покрыты естественным окис- в результате чего наблюдается монотонное умень- лом с аморфной структурой [13]. Толщина окис- шение сопротивления резистивных элементов те- ла около 6 нм, и он представляет из себя фазу стовых структур. γ-Al2O3 [13]. В ходе испытания (при нагреве) про- исходит фазовый переход — переход аморфной фа- Таким образом, в результате проведения уско- зы γ-Al2O3 в кристаллическую в виде α-Al2O3. При ренных испытаний тестовых структур с кристал- переходе аморфной модификации в кристалличе- лами, посадка которых проводилась на адгезивы скую на поверхности частиц окиси алюминия исче- ОТПК-ЭД-3 и ОТПК-5-С, установлено: зают химически активные центры, которыми могут быть участки с дефектами структуры или слабыми – применение указанных адгезивов для при- химическими связями Al–O. Это явление наблю- клейки микроэлектронных устройств может обес- далось нами при длительности испытания более печить САС 15 лет. Однако полученные расчетно- 248 ч — рост сопротивления резистивных элемен- экспериментальные данные требуют дополнитель- тов тестовых структур по мере перехода аморфной ной проверки и подтверждения в части испытаний фазы в кристаллическую. Как известно, переход на механическую прочность клеевых соединений; аморфной фазы в кристаллическую будет сопро- вождаться изменением объема за счет более плот- – изменение тестируемого параметра — со- ной упаковки атомов, при этом будет происходить противления резистивного элемента из алюмини- евой пленки в процессе испытания не превышает 10–15 %. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СРОКА 97 Список литературы 7. Готра З. Ю. Технология микроэлектронных ус- тройств: Справочник. М.: Радио и связь, 1991. 528 с. 1. Модель космоса: Науч.-инф. изд.: В 2 т. / Под ред. М. И. Панасюка, Л. С. Новикова. Т. 1. Физические 8. Воронин И. В., Кондрашов Э. К. Долговечность ад- условия в космическом пространстве. М.: КДУ, гезионных связей полимерных покрытий // Лако- 2007. 872 с. красочные материалы и их применение, 1991, № 1. С. 25–26. 2. Модель космоса: Науч.-инф. изд.: В 2 т. / Под ред. 9. Лукина Н. Ф., Петрова А. П. Свойства и примене- М. И. Панасюка, Л. С. Новикова. Т. 2. Воздействие ние клеев в приборной технике // Клеи. Герметики. космической среды на материалы и оборудование Технологии, 2005, № 11. С. 11–16. космических аппаратов. М.: КДУ, 2007. 1145 с. 10. Гладких С., Степанов А., Антипина С. Тепло- 3. Севастьянов Н. Н., Андреев А. И. Основы управ- проводящие электроизоляционные клеи для сборки ления надежностью космических аппаратов с дли- изделий микроэлектроники // Печатный монтаж, тельными сроками эксплуатации. Томск: ИД ТГУ, 2017, № 3. С. 183–187. 2015. С. 266. 11. ГОСТ Р 57394–2017 «Методы ускоренных испыта- 4. Харламов М. С., Жуков А. А., Дидык П. И., Без- ний на безотказность». мен В. П. Деградационные процессы в МЭМС-уст- ройствах космического назначения // Ракетно-кос- 12. Калисевич В. П., Антипова Т. И., Петрова А. П. мическое приборостроение и информационные си- Опыт применения клеев при изготовлении магни- стемы, 2018, т. 5, вып. 3. С. 87–96. топроводов // Клеи. Герметики. Технологии, 2005, № 7. С. 30–32. 5. Строгонов А. В. Оценка долговечности БИС по 13. Зенин В. В., Спиридонов Б. А., Землянский А. И., результатам ускоренных испытаний // Технологии Бокарев Д. И. Коррозионная стойкость алюминие- электронной промышленности, 2007, № 3. С. 10–16. вой металлизации кристаллов корпусов полупровод- никовых изделий // Вестник Воронежского государ- 6. Колпаков А. О термоциклах и термоциклирова- ственного технического университета, 2015, т. 11, нии // Силовая электроника, 2006, № 2. С. 6–11. № 6. С. 34–37. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 2 2019

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2019, том 6, выпуск 2, c. 98–101 ИСТОРИЧЕСКИЕ ОЧЕРКИ УДК 621.391 DOI 10.30894/issn2409-0239.2019.6.2.98.101 От одного бита до гигабита (Краткий очерк истории развития пропускной способности цифровых радиолиний АО «Российские космические системы» и их внедрения) В. В. Березкин, к.т.н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация А. Н. Ершов, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация С. В. Петров, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация А. В. Петров, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. В статье показана эволюция средств передачи информации в радиолиниях АО «Российские космические системы» за более чем полувековой период развития, начиная с объектов дальнего космоса и до наших дней. Основное внимание уделено освоенным методам увеличения пропускной способности радиолиний начиная с примитивных на сегодняшний взгляд методов кодирования и модуляции и заканчивая современными, спроектированными на базе высо- коскоростных сигнально-кодовых конструкций с видами модуляции высокого порядка и современных методов кодирования (TPC и LDPC) с высокими кодовыми скоростями, удовлетворяющими требованиям современных международных стандартов. Отмечается, что диапазон освоенных скоростей передачи (от 1 бит/с до более чем 1 Гбит/с) определялся развивающимися задачами отрасли вообще и прикладной науки в частности. Ключевые слова: радиолиния, канал связи, дальний космос, дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ), модуляция высокого порядка, манчестерское кодирование, когерентные методы передачи информации, сигнальное созвездие, частотно-энергетиче- ские ресурсы From One Bit to Gigabit (A short sketch of development history of digital radio links capacity of Joint Stock Company “Russian Space Systems” and their implementation) V. V. Berezkin, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation A. N. Ershov, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation S. V. Petrov, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation A. V. Petrov, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. The article shows the evolution of information transfer facilities in the radio links of Joint Stock Company “Russian Space Systems” during more than a half a century beginning from the deep space objects and until present days. The main attention is given to the mastered methods of the increase in radio links capacity starting from primitive, based on the today’s view, coding and modulation methods and finishing with modern ones designed according to the high-speed signal- code constructions with the high-order modulation types and modern coding methods (TPC and LDPC) with high code rates meeting the requirements of modern international standards. It is noted that the range of the mastered data transmission rate (from 1 bits/s to more than 1 Gbit/s) is determined by the ad- vancing tasks of the field in general and applied science in particular. Keywords: radio link, communication channel, deep space, Earth remote sensing (ERS), high order modulation, Manchester code, coherent methods of information transfer, constellation diagram, frequency-power resources