РКС 2020 4

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2020, т. 7, вып. 4 Содержание Космические навигационные системы и приборы. Радиолокация и радионавигация 3 Уточнение согласующих коэффициентов математической модели движения КА с использованием понятия «обобщенная наблюдаемость» Тюлин А. Е., Круглов А. В., Бетанов В. В. Радиотехника и космическая связь 14 22 Построение единого наземного комплекса управления многоспутниковой группировки КА ДЗЗ 38 Жодзишский А. И., Жидкова С. К., Нагорных Д. Н. 51 56 Синхронное сложение сигналов антенн со сдвигом импульсов дискретизации в идеализированном режиме сопровождения космического аппарата по целеуказаниям Ватутин С. И. Предложения по созданию спутниковой системы сбора и передачи данных на базе отечественных космических аппаратов Дорофеев Ю. Б., Тулисов Д. А. Адаптация радиолинии КИС по скорости передачи информации в условиях помех Круглов А. В., Хомов О. И. Особенности построения приемо-передающего антенно-волноводного устройства K-, Ka-диапазонов систем связи Бойчук С. И., Демченко В. И., Коровкин А. Е., Шипулин А. В., Полтавец Ю. И. Системный анализ, управление космическими аппаратами, 63 обработка информации и системы телеметрии 74 83 Развитие аппаратуры ДЗЗ серии МСУ-МР в части повышения точности радиометрических измерений 90 и расширения ее функциональных возможностей Бадаев К. В., Гектин Ю. М., Гулин Ю. Ю., Зайцев А. А., Максин В. Н., Пузаков Н. П., Сахаров В. Н., Серебряков Д. С., Смелянский М. Б., Фролов А. Г. Об уровнях вибрационных воздействий при испытаниях бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов Левченко А. С. Обеспечение гарантии доставки информации в бортовой сети космического аппарата на основе интерфейса SpaceWire Кошелев А. Ю., Дианова А. М., Петухов Д. О. Тенденции развития видеотелеметрических систем для измерения температуры термонагруженных областей средств выведения Климов Д. И., Мамедов Т. Т., Губайдуллин И. Р. Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, 97 микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах Принцип формирования металлодиэлектрических микроразмерных метаструктур Аджибеков А. А., Жуков А. А., Алексеев О. А.

ROCKET-SPACE DEVICE ENGINEERING AND INFORMATION SYSTEMS 2020, Vol. 7, Iss. 4 Contents 3 Space Navigation Systems and Devices. Radiolocation and Radio Navigation 14 22 Refinement of the Matching Coefficients of the Mathematical Model of Spacecraft Motion Using the Concept 38 of “Generalized Observability” 51 56 Tyulin A. E., Kruglov A. V., Betanov V. V. 63 Radio Engineering and Space Communication 74 83 Construction of a Unified Ground-based Control Complex for a Multi-satellite ERS Constellation 90 Zhodzishskiy A. I., Zhidkova S. K., Nagornykh D. N. 97 Synchronous Addition of Antenna Signals with a Shift of Sampling Pulses in Idealized Mode of Spacecraft Tracking by Target Designations Vatutin S. I. Proposals for the Creation of a Satellite System for Data Collection and Transmission Based on Domestic Spacecraft Dorofeev Yu. B., Tulisov D. A. Adaptation of the CMS Radio Link According to the Information Rate in the Presence of Interference Kruglov A. V., Khomov O. I. Construction Features of the Transceiver Antenna-Waveguide Device of K/Ka-Band Communication Systems Boychuk S. I., Demchenko V. I., Korovkin A. E., Shipulin A. V., Poltavets Yu. I. Systems Analysis, Spacecraft Control, Data Processing, and Telemetry Systems Evolution of ERS Equipment of the MSU-MR Series as Related to Increasing the Accuracy of Radiometric Measurements and Expanding Performance Capabilities Badayev K. V., Gektin Yu. M., Gulin Yu. Yu., Zaytsev A. A., Maksin V. N., Puzakov N. P., Sakharov V. N., Serebryakov D. S., Smelyanskiy M. B., Frolov A. G. Levels of Vibration Impact during Testing of Spacecraft Avionics Equipment Levchenko A. S. Guarantee of Information Delivery in the Spacecraft Onboard Network Based on the SpaceWire Interface Koshelev A. Yu., Dianova A. M., Petukhov D. O. Trends in the Development of Video Telemetry Systems for Measuring the Temperature of Thermally Loaded Areas of Launch Vehicles Klimov D. I., Mamedov T. T., Gubaidullin I. R. Solid-State Electronics, Radio Electronic Components, Micro- and Nanoelectronics, Quantum Effect Devices The Principle of Formation of Metal-dielectric Micro-sized Metastructures Adzhibekov A. A., Zhukov A. A., Alekseev O. A.

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2020, том 7, выпуск 4, c. 3–13 КОСМИЧЕСКИЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ПРИБОРЫ. РАДИОЛОКАЦИЯ И РАДИОНАВИГАЦИЯ УДК 621.3 DOI 10.30894/issn2409-0239.2020.7.4.3.13 Уточнение согласующих коэффициентов математической модели движения КА с использованием понятия «обобщенная наблюдаемость» А. Е. Тюлин, д. э. н., к. т. н.,[email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация А. В. Круглов, д. т. н., профессор, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация В. В. Бетанов, д. т. н., профессор, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. Целью работы является совершенствование научно-методического обеспечения задач идентификации при уточне- нии параметров движения космических аппаратов. В статье исследуется системный подход к обеспечению уточнения балли- стического коэффициента в математической модели движения космического аппарата. Для нештатных ситуаций использован подход, учитывающий рассмотрение объекта-системы «задача — инструмент решения», позволяющей учесть погрешности всех элементов инструмента навигации. Вводимое структурное свойство «обобщенная наблюдаемость» позволяет решать задачу уточнения Sб в традиционных и нетрадиционных условиях в практике оперативного навигационно-баллистического обеспече- ния полета космических аппаратов. Ключевые слова: космический аппарат, математическая модель движения, баллистический коэффициент, обобщенная наблю- даемость, навигационно-баллистическое обеспечение Refinement of the Matching Coefficients of the Mathematical Model of Spacecraft Motion Using the Concept of “Generalized Observability” А. E. Tyulin, Dr. Sci. (Econ.), Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation A. V. Kruglov, Dr. Sci. (Engineering), Prof., [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation V. V. Betanov, Dr. Sci. (Engineering), Prof., [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. The aim of this paper is to improve the scientific and methodological support of identification tasks when specifying the parameters of spacecraft motion. The article examines a systematic approach to ensuring the specification of the ballistic coefficient in the mathematical model of the spacecraft motion. For emergency situations, an approach was used that takes into account the object–system “task–solution tool”, which allows taking into account the errors of all elements of the navigation tool. The introduced structural property “generalized observability” makes it possible to solve the problem of Sb refinement in traditional and non-traditional conditions in the practice of operational navigation and ballistic support of spacecraft flight. Keywords: spacecraft, mathematical model of motion, ballistic coefficient, generalized observability, navigation and ballistic support

4 А. Е. ТЮЛИН, А. В. КРУГЛОВ, В. В. БЕТАНОВ Введение Sм — моделируемый баллистический (согла- сующий) коэффициент. Повышение точности прогнозирования движе- ния космических аппаратов (КА) требует согласо- Это соотношение справедливо только для низ- вания математической модели движения и, в част- ности, моделей атмосферы или светового давления, коорбитальных объектов, скорость которых опреде- с опытными данными. Для решения этой задачи ча- сто используют баллистический коэффициент (Sδ) лена относительно атмосферы, а неучтенные возму- или коэффициент(ы) светового давления, которые щения обусловлены главным образом недостаточно в этом случае выступают в роли коэффициентов согласования [1, 5]. точным моделированием плотности атмосферы. Далее вопросы уточнения согласующих коэф- В большинстве случаев моделируемое ускоре- фициентов (СК), используемых в математических моделях движения (ММД) космических аппара- ние торможения включает в себя часть неучтен- тов, будем проводить на примере уточнения бал- листического коэффициента. При этом некоторые ных моделью движения КА ускорений от других «неточности» знания других параметров ММД КА в процессе уточнения Sδ по измерительным дан- сил. На высотах более 400–500 км, где возмущения ным (идентификации ММД КА) будут «перете- от атмосферного торможения могут быть сравнимы кать» в уточняемый баллистический коэффициент. с другими неучтенными в математической моде- Аналогичная ситуация обстоит, например, при уточнении коэффициента светового давления от- ли движения (ММД) возмущающими факторами, носительно «незнания» параметров модели ат- способы уточнения Sδ, основанные на условии (1), мосферы. При этом неточности математическо- часто оказываются несправедливыми. го описания атмосферы «перетекают» в уточня- емый коэффициент светового давления, который Выбор способа и интервала уточнения Sδ зави- на этом этапе служит согласующим коэффициен- сит от многих факторов и прежде всего от средней том ММД КА. Подобная ситуация складывает- ся и относительно других уточняемых параметров, высоты полета, геогелиофизических параметров, а именно параметров отработки включения коррек- тирующей двигательной установки, учета различ- точности определения орбиты. Вопрос уменьшения ного рода возмущающих сил и др. влияния ошибок определения орбиты КА связан Методики уточнения баллистического коэффициента, с необходимостью увеличения интервала уточне- используемые на практике ния Sδ. Увеличение интервала уточнения в свою очередь приводит к нивелированию новых данных Условием равенства реального и моделируемого ускорения при уточнении баллистического коэффи- об атмосфере, что увеличивает ошибки прогнози- циента является выражение рования движения объектов. Кроме того, величи- ρSδ = ρмSм, (1) на интервала уточнения Sδ для каждого типа КА связана с принятой схемой баллистического обес- где ρ — реальная плотность атмосферы, Sδ — баллистический коэффициент, печения. ρм — моделируемая плотность, Таким образом, способ и интервал уточне- ния Sδ для различных типов космических аппара- тов может меняться в широких пределах. Обычно выбираются интервалы: несколько витков (3–8 ч), 1 сутки, 1 неделя, 4–5 недель. Интервал величиной несколько витков исполь- зуется при введении баллистического коэффициен- та в число уточняемых параметров задачи опреде- ления вектора состояния объектов. Суточный интервал уточнения Sδ обычно ис- пользуется при баллистическом обеспечении КА с высотами полета 200–400 км. Недельные и месячные интервалы уточне- ния Sδ применяются для объектов с минимальной высотой полета 500–800 км. На высотах более 400–500 км, в зависимости от геогелиофизических условий и принятой моде- ли движения, наряду с баллистическим коэффици- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

УТОЧНЕНИЕ СОГЛАСУЮЩИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ КА 5 ентом, целесообразно уточнять и другие коэффици- Типовые и специальные методы уточнения енты согласования (например, коэффициенты, учи- баллистического коэффициента в практике опера- тывающие световое давление). тивного навигационно-баллистического обеспече- ния (ОНБО) приведены в табл. 1. Рассмотрим наиболее распространенные спо- собы уточнения Sδ [1, 3–5]. Т а б л и ц а 1. Типовые методы уточнения баллистического коэффициента Типовые № и специальные Формальное описание Примечание методы (способы) Способ показал хорошие результа- уточнения Sδ ты при прогнозировании движения КА на околокруговых с высотами Выбор Sδ как сред- Sб = 1 · κ Sбi полета 200–300 км 1 него из наблюдав- k i=1 шихся значений Способ уточнения Sδ Sδj = Sδj−1 TN − TN+n Уточненное значение Sδ пропор- 2 по ошибке прогнози- TN − TNnp+n ционально отношению реального рования изменения и прогнозируемого изменений пе- периода обращения риода обращения Способ уточнения Sδ Sδj = Sδj −1 tN + TN n − tN+n Sδ уточняется по ошибке прогно- по ошибке прогнози- tN + TN n − tNnp+n зирования времени «выхода» на эк- 3 рования времени вы- ваториальную плоскость хода на экваториаль- ную плоскость Способ уточнения Sδ ΔSδ = − 4 a Σδti(ti − t0)2 t0 — время уточняемых начальных 4 по временным ошиб- 3 a Σ(ti − t0)4 условий движения, кам сеансов измере- a — большая полуось орбиты, a — скорость изменения большой ний полуоси под влиянием атмосферы при Sδ = 1, N — число сеансов наблюдений Sδj = Sδj−1× × Δa(a2n − ananNp+n + a2Nn+pn) ) , Δanp(aN2 − aN aN+n + a2N+n Sδj = Sδj−1× Δe(2aN eN + aN enNp+n + aNnp+neN + 2aNnp+nlNnp+n) × Δenp(2aN eN + aN eN+n + aN+neN + 2aN+nlNnp+n ) , Способ уточнения Sδ где Δa = aN − aN+n, Формулы (как и все приведенные по ошибке прогнози- выше способы) дают апостериор- 5 рования большой по- Δanp = aN − anNp+n, ную оценку значения баллистиче- луоси Δe = eN − eN+n, ского коэффициента Δenp = eN − enNp+n, aN , eN , aN+n, eN+n — значения большой полу- оси и эксцентриситета в начале и конце интер- вала уточнения, anNp+n, eNnp+n — прогнозируемые на конец ин- тервала уточнения значения большой полуоси и эксцентриситета РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

6 А. Е. ТЮЛИН, А. В. КРУГЛОВ, В. В. БЕТАНОВ Т а б л и ц а 1. Продолжение Типовые № и специальные Формальное описание Примечание методы (способы) уточнения Sδ Способ уточнения Sδ Δti ≈ ∂ ti ΔS , Для более точного нахождения путем статистической ∂ S обработки результа- значения ΔS решение задачи ОВС ∂ti Δti2 − Δti1 ∂ti 6 тов решения задачи ∂S ≈ ΔS , и вычисление ∂S можно повто- определения вектора состояния на 3–6 по- Δti ∂ti рить несколько (k) раз до тех следовательных вит- dS ΔS = пор, пока не выполнится условие ках ∂ti 2 ΔSkΔSk−1 ε ∂S Способ уточнения Sδ Sδ = S1 + ΔS, Способ применим для КА с пери- 7 на интервале 4–5 не- S1 — некоторое приближенное значение геем до 600–800 км при спокойной геогелиофизической обстановке дель баллистического коэффициента, ΔS = Δti ∂ti dS ∂ti 2 ∂S (см. способ 6) Решение задачи определения вектора состояния методом наименьших квадратов сводится обыч- но к минимизации функционала вида Φ(q, S) = = [h − h(q, Sδ)]T P [h − h(q, Sδ)]. Здесь приняты обозначения: h — вектор результатов измерений, h(q, Sδ) — вектор расчетных значений измеряе- мых параметров, q — расчетное значение вектора начальных При прогнозировании движения на 8 Способ уточнения Sδ условий, интервале 12–14 витков способ путем минимизации P — диагональная весовая матрица. уточнения Sδ показывает лучшие функционала Или результаты F (S) = [h − h(q∗, S)]T P [h − h(q∗, S)], где q∗ — оценка вектора начальных условий. Изменение функционала аппроксимируется по- линомом второй степени. Исходя из этого для поиска минимума достаточно вычислить три значения функционала F0(Sδ0), F1(Sδ1), F2(Sδ2) при условиях S1 = S0 + δS, S2 = S0 − δS, Sδ∗ = S0 + δS(F2 − F1) 2(F2 + F1 − 2F0) Математическая модель движения, построенная Способ уточнения Sδ по схеме усреднения, позволяет для ошибки a — значение производной от прогнозирования движения вдоль орбиты запи- большой полуоси в правых частях 9 по вековому измене- сать выражение системы усредненных ДУ, нию большой полу- Δt — интервал прогнозирования оси орбиты δt = − 3 a Δt2δSδ . движения 4 aSδ Отсюда определяется поправка к баллистиче- скому коэффициенту РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

УТОЧНЕНИЕ СОГЛАСУЮЩИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ КА 7 Типовые Т а б л и ц а 1. Окончание Формальное описание № и специальные Примечание методы (способы) βi — коэффициенты пропорцио- уточнения Sδ нальности (i = 1, . . . , n), ΔSδi — относительное измене- Уточнение баллисти- ΔSδi = βi|δtэi|. k1 ние Sδ ческого коэффициен- ΔNi2 та для заданной ма- Первый сомножитель равен . 10 тематической модели движения (чем точ- ΔSδi,0 = k1,0 δ tэ Sδi,0 нее ММД, тем выше ΔN i2 Sδi эффективность при- менения способа) Рассматриваемые способы определения бал- Дело осложняется, если в ММД использу- листического коэффициента в ММД КА с тео- ются неточные (или даже грубые) характеристики ретической точки зрения относятся к различным (параметры). Например, неточное знание баллисти- методам (часто методикам) решения задач пара- ческого коэффициента или коэффициента светово- метрической идентификации, одним из важных го давления в модели движения КА при достаточно подходов которой является использование вектора точном задании входных уточняемых параметров состояния сложных динамических систем. В част- (движения) делает эту ММД непродуктивной. Ее ности, в оцениваемый вектор состояния КА по можно будет использовать лишь для оценки харак- измерениям текущих навигационных параметров теристик некоторого класса КА с гипотетическими (ИТНП) может вноситься уточняемый идентифи- исходными данными. цируемый параметр (например, Sδ) и по имею- щемуся объему выборки измерений одновременно Приведенные в табл. 1 способы и методы уточ- уточняются и параметры начальных условий дви- нения баллистического коэффициента не использу- жения КА, и необходимый коэффициент. Подоб- ют принцип дополнительного расширения вектора ный подход имеет существенный недостаток при состояния для одновременного уточнения иденти- малой фиксированной выборке с различными по- фицируемого параметра Sδ и вектора состояния КА грешностями измерений (в том числе и аномаль- (например, начальных условий движения), а при- ными), так как точность оценивания каждого из меняются, как правило, способы повторяющегося определяемых параметров ухудшается с расшире- (итерационного) режима последовательного уточ- нием вектора состояния. Кроме того, потенциаль- нения Sδ с дальнейшим его использованием для ные погрешности определения вносимых в век- улучшения точности вектора состояния КА и по- тор состояния элементов могут оказаться чрез- следующего решения целевых задач с наибольшим мерно большими для дальнейшего использования эффектом. в ММД КА. Описанная последовательная вычислительная Описание ММД КА должно использовать процедура может «не сойтись» к истинному структуру и параметры, значения которых получе- (или приемлемому значению) при уточнении бал- ны значительно точнее, чем данные, которые рас- листического коэффициента для различных типов считываются в процессе применения математиче- орбит КА с индивидуальными требованиями к точ- ской модели. Например, коэффициенты модели гра- ности расчета НУ движения и различными исполь- витационного поля Земли должны быть определе- зуемыми ММД. ны заранее с высокой степенью точности для реше- ния различных задач прогнозирования параметров Возникает принципиальная проблема — как движения исследуемых объектов. в конкретном случае поступать: рассчиты- вать Sδ (или другие параметры идентифика- ции) путем расширения вектора состояния КА РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

8 А. Е. ТЮЛИН, А. В. КРУГЛОВ, В. В. БЕТАНОВ с одновременным уточнением НУ движения (или – объем и погрешности измерений текущих другого расширенного вектора состояния) или ис- навигационных параметров (ИТНП); пользовать описанную итерационную процедуру с применением, например, представленных в таб- – интервалы уточнения согласующегося пара- лице способов. Кроме того, дополнительно возни- метра — баллистического коэффициента (несколько кает вопрос: а какой из описанных вариантов ре- витков, суточный, недельный, месячный); шения задачи целесообразно использовать? – математические методы обработки ИТНП Практика оперативного навигационно-балли- при определении (уточнении) Sδ с присущими каж- стического обеспечения полетов КА показывает, дому методу погрешностями расчетов в принятых что в одних случаях первый из рассматриваемых моделях; подходов идентификации достаточно эффективен и надежен при неудовлетворительном применении – требуемые точности расчетов, зависящие второго, и наоборот, в других случаях оказывается, прежде всего от заданных точностей расчета на- только второй подход приводит к достижению цели чальных условий движения КА, и некоторые дру- расчетов. гие характеристики. Использование обобщенных Каждый из представленных факторов включа- структурных свойств ет целый спектр возможных вариантов применения измерительных задач при уточнении в практике НБО моделей, методов, условий, дан- баллистического коэффициента ных, требований. Конкретно ключевые факторы, отмеченные выше, трансформируются в сотни ва- Одним из вариантов решения задачи мо- риантов и элементов инструментария программно- жет служить подход с применением структурных математического обеспечения автоматизированной свойств измерительных задач, а именно с исполь- системы НБО, которые надо проанализировать, зованием оригинальных понятий обобщенной на- провести расчеты и обосновать применение в усло- блюдаемости и (или) обобщенной идентификации виях оперативного навигационно-баллистического рассматриваемой системы навигационно-баллисти- обеспечения управления КА. ческого обеспечения управления КА на этапе лет- ных испытаний и эксплуатации. Часть подобного анализа и расчетов произво- дится заблаговременно (априорно), а часть непо- Перед общей постановкой задачи, позволя- средственно при проведении работ НБО в опера- ющей выработать рекомендации по определению тивном режиме. (уточнению) Sδ в каждом конкретном случае, от- метим ряд факторов, влияющих на величи- Перечень особенностей решения задачи пока- ны и значения баллистического коэффициента. зывает, что она должна решаться в стохастической К таким факторам можно отнести: (вероятностной) постановке и(или) с использовани- ем нечетких сведений о множествах с заданием – используемые математические модели функций принадлежности. Богатый опыт практиче- движения КА, состав и точность описания ских решений подсказывает необходимость приме- возмущающих факторов, описываемых ММД КА; нения интеллектуальной (естественной и(или) ис- кусственной) составляющей при расчетах в рамках – характер изменения (оскуляции) орбиты автоматизированного комплекса программ (АКП) (эксцентриситета, большой полуоси и др.) и высо- НБО. ты полета КА; Далее для решения задачи обобщенной иден- – площадь миделевого сечения и динамику тификации баллистического коэффициента можно ее изменения (конструктивные параметры и техно- воспользоваться несколькими приемами (указан- логии эксплуатации); ными выше): выявление возможности его опреде- ления путем расширения вектора оцениваемого со- – состояние солнечной активности и ее ва- стояния КА либо осуществление выбора способа риации в конкретный период; оценивания Sδ, например одним из приведенных методов, который также необходимо обосновать по- рой в оперативном режиме. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

УТОЧНЕНИЕ СОГЛАСУЮЩИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ КА 9 Исследования показывают, что для реализа- На рис. 2 использованы следующие обозначе- ции первого подхода целесообразно воспользовать- ния: ся введенной в [6] так называемой информационной производной, с «физической» точки зрения опериру- ∨∨ ющей изменением информации до и после опорного отображения, второй подход связан с применением Sпр, Sкл — два ультрамножества одного объек- сингулярных ультраоператоров (УО), выполняющих та — баллистического коэффициента S; и интеллектуальную «работу». ∨ Подробнее рассмотрим сингулярный УО (клас- сификатор-распознаватель), называемый классифи- E — ультраотображение (ультраоператор) над катором общего вида, который может на основе ин- опорным оператором (в данном случае — сингуляр- теллектуального подхода «подсказать» в автомати- ным); зированном режиме, какой из способов уточнения баллистического коэффициента целесообразно ис- ∨ пользовать в конкретном случае. Проделанные та- ким образом расчеты обеспечат надежное решение r1 : Sпр → S — оператор проектирования, ко- задачи в целом. торый ставит в соответствие сведению точку. Ана- логично определяется и оператор r2. Коммутативная диаграмма для сингулярного Для компактной записи ультраоператора с при- ∨ менением признаков «задача — инструмент реше- ния» (объекта-системы) и классов (формул расчета УО E общего вида показана на рис. 1. баллистического коэффициента) будем использо- вать следующие обозначения в оснащениях: – множество признаков инструментария объек- та–системы (табл. 2), оказывающих принципиаль- ное влияние на точность расчетов, — а, б, в, г, д, е, ж, и; Т а б л и ц а 2. Элементы оснащения множества S с при- менением признаков «задача — инструмент решения» (объекта-системы) Lпр Решетки признаков (объекта-системы) Шкалы Рис. 1. Диаграмма классификатора общего вида а Алгоритмы математической модели дви- α1 Среди сингулярных УО (классификаторов–рас- жения КА (системы дифференциальных α1• познавателей) выделяют трансляторы, а также клас- сификаторы обобщающие, уточняющие и общего уравнений — СДУ ММД КА) вида [6]. Исходя из логики решаемой задачи в рас- сматриваемой технологической операции НБО целе- б Характеристики изменения (оскуляции) α2 сообразно применить, как было отмечено, класси- орбиты и высоты полета КА α2• фикатор–распознаватель, представленный в необ- α3 ходимых обозначениях на рис. 2. в Площадь миделевого сечения и динами- α3• ка ее изменения α4 Рис. 2. Диаграмма сингулярного УО (классификатора- α4• распознавателя) задачи уточнения Sδ г Состояние солнечной активности α5 α5• д Объем и погрешности измерений α6 α6• е Интервалы уточнения согласующегося параметра — баллистического коэффици- α7 ента α7• α8 ж Математические методы обработки ИТНП α8• и Требуемые точности расчетов (НУ и Sδ) РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

10 А. Е. ТЮЛИН, А. В. КРУГЛОВ, В. В. БЕТАНОВ – множество классов (способов) оценивания Sδ или нет. Аналогичные решетки имеют и призна- (табл. 3) — 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10. ки L2, . . . , L8 как остальные элементы инструмента расчета. Запишем два оснащения опорного множества S [6–9]. Первое оснащение вводится признаками Второе ультраоснащение заполняется класса- ми (возможными способами расчетов Sδ). Выше ∨ использованы хорошо зарекомендовавшие себя на практике НБО известные и оригинальные десять Sпр = P × Lпр × S. способов расчета. К предлагаемым методикам мо- гут быть, конечно, добавлены также другие допол- Здесь P — элементарная бинарная (0, 1) ре- нительные алгоритмы вычислений Sδ: шетка достоверностей УО. ∨ Причем признаки задаются шкалой, показыва- ющей, какие элементы инструмента подходят для Sкл = P × Lкл × S, Lкл ⊃ ШАкТл, конкретного использования при расчетах Sδ: индекс «АТ» означает «атомарный» [2], то есть кон- Lпр ⊃ Ш, кретный способ расчета Sδ. Lпр ⊃ Ш = {α1, α1•; α2, α2•; . . . , α8, α8•}, Lпр = L1 ∗ L2 ∗ . . . ∗ L8. В нашем случае В правой части последнего выражения призна- Lкл ⊃ ШАкТл = {1; 2; . . . ; 10}. ки L1 имеют решетку с параметрами α1, α1•, прини- мающими значения «да»–«нет», то есть определяю- Прежде чем перейти непосредственно к форми- щими, пригоден данный элемент инструмента к вы- рованию ядра-таблицы классификатора-распозна- полнению расчетов по требуемому уточнению Sδ вателя, необходимо обратить внимание на введен- ные в [1, 2] канонические УО, для которых вы- Т а б л и ц а 3. Элементы оснащения множества Sс при- полняется условие гомоморфизма решеток свойств. менением классов (формул расчета баллистического ко- При этом можно задавать отражение свойств не эффициента) Lкл ∨ Решетки классов на всей решетке Sпр, а только на ограничен- ном базисе. По существу указанный ограничен- 1 Выбор Sδ как среднего из наблюдавшихся значений ный базис описан выше. Например, алгоритмы математической модели движения КА распадают- 2 Способ уточнения Sδ по ошибке прогнозирования ся на десятки–сотни вариантов, связанных с воз- изменения периода обращения можностями использования численных, аналити- ческих, численно-аналитических ММД КА, с ис- 3 Способ уточнения Sδ по ошибке прогнозирования пользованием различного рода переменных (декар- времени выхода на экваториальную плоскость товых или кеплеровых координат, неособенных пе- ременных и др.), с учетом применения в пра- 4 Способ уточнения Sδ по временным ошибкам се- вых частях систем дифференциальных уравнений ансов измерений (СДУ) разнообразного спектра возмущающих сил в той или иной форме (однопараметрических или 5 Способ уточнения Sδ по ошибке прогнозирования пространственных в различных системах коор- большой полуоси динат), использованием различных эпох отсчета и др. Алгоритмическое описание моделей одних 6 Способ уточнения Sδ путем статистической обра- и тех же возмущающих сил может сильно раз- ботки результатов решения задачи определения век- личаться между собой так же, как, например, ме- тора состояния на 3–6 последовательных витках тоды численного интегрирования в унифицирован- ных численных ММД КА могут быть различны со 7 Способ уточнения Sδ на интервале 4–5 недель своими специфическими погрешностями расчетов. Указанные замечания можно продолжить. 8 Способ уточнения Sδпутем минимизации функцио- нала 9 Способ уточнения Sδ по вековому изменению боль- шой полуоси орбиты Уточнение баллистического коэффициента для за- данной математической модели движения РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

УТОЧНЕНИЕ СОГЛАСУЮЩИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ КА 11 Т а б л и ц а 4. Пример построения типового сокращенного варианта ядра-таблицы сингулярного ультраоператора для КА ДЗЗ Элементы УО Содержание элементов Примечание А 1→1 α1 → 2 3 4 5 8 9 10 Анализ элемента объекта-системы НБО для решения задачи уточнения Sδ: α1• → 1 6 7 варианты алгоритмов ММД КА ••• В Анализ элемента объекта-системы НБО для решения задачи α7 → 5 6 7 α7• → 1 2 3 4 8 9 10 уточнения Sδ: методы обработки ИТНП 1,2,3 ••• Е S→S Морфологическая схема измерительных задач Таким образом, при использовании канони- [1, 2] не только дает классификацию измеритель- ческих ультраоператоров не только сокращаются ных задач, но и изучает математические модели размерности массивов для хранения в ПЭВМ, процессов измерений с рассмотрением: но и уменьшаются исследования объемов «взаимо- действия» с вариантами способов определений со- – систематических (сингулярных) соста- гласующих параметров. вляющих hсист(t), обусловленных неполнотой учета в уравнениях измерений некоторых важных факто- На основе сделанных замечаний можно сфор- ров, что приводит к плавному, монотонному харак- мировать ядро-таблицу классификатора-распозна- теру этой ошибки; вателя. В табл. 4 показан пример построения ти- пового сокращенного варианта ядра-таблицы син- – случайных (регулярных) составляющих гулярного ультраоператора для исследования по- hсл(t), вызванных неучетом второстепенных факто- лета КА. ров (например, флуктуации параметров атмосферы, тепловых шумов и вибрации в измерительной аппа- Экспликация к табл. 4: ратуре и т. д.), которые обычно представляются слу- чайными процессами и величинами; Строка А означает переход истинных сведений в истинные достоверности УО. – аномальных (грубых) ошибок hан(t), по- являющихся вследствие сбоев в работе аппарату- Строка В означает отображение различных ре- ры или неправильных действий оператора. Обыч- шеток свойств. но она моделируется отдельными редкими выбро- сами. В практике летных испытаний (ЛИ) содер- Строка Е означает переход одного объекта жание аномальных ошибок может составлять от 7 в другой (в рассматриваемом случае тождествен- до 20 %. ный оператор — баллистический коэффициент). Особую роль играют способы комбинации ∨ ошибок измерений (аддитивный, мультипликатив- ный, комбинированный). Классификатор-распознаватель E дает реко- мендации оператору-баллистику (или автоматизи- Подобные замечания связаны и с другими эле- рованной системе управления процессами НБО) по ментами решеток признаков. Все они должны быть выбору нескольких (или даже только одного кон- тщательно проанализированы и исследованы, как кретного способа) вариантов уточнения баллисти- правило, до оперативных работ на этапе проектиро- ческого коэффициента. вания рассматриваемой интеллектуальной системы НБО. При этом может показаться, что данная ядро- таблица имеет смысл таблицы простого соответ- ствия: имеется объект-система, включающая в том числе элементы инструмента возможных решений РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

12 А. Е. ТЮЛИН, А. В. КРУГЛОВ, В. В. БЕТАНОВ и различные способы нахождения согласующих могут составить 150–200 м. Поэтому рассматривае- параметров. Однако найденный классификатор- мая формула для уточнения баллистического коэф- распознаватель имеет более широкую функцию фициента достаточно хорошо «работает» даже при и является интеллектуальным средством соответ- условиях учета в ММД КА только возмущений от ствия и поиска требуемых решений. сжатия Земли и статической модели атмосферы при НБО рассматриваемого первого вида КА с высотами Детализированное описание классификатора- полета 150–200 км, так как существенное влияние распознавателя приводит к анализу огромного ко- на величину в расчете Sδ используемого дракониче- личества вариантов, которые принципиально позво- ского периода играет сопротивление атмосферы. ляют решить поставленную задачу, однако не смо- гут обеспечить, например, заданные точности или Для второго вида рассматриваемого КА неучет выполнение других условий и требований. При по- (или недостаточный учет в ММД КА влияния гар- иске наилучшего способа решения может в пол- монических составляющих в модели ГПЗ) приво- ной мере «сработать» свойство эмерджентности си- дит к неопределенности за сутки полета в опре- стемы, когда простой учет дополнительного фак- делении большой полуоси в сотни метров, что по тора, например, в спектре описания возмущений сравнению с влиянием сопротивления атмосферы в ММД КА, принципиально позволит существен- в 5 м делает рассматриваемую формулу в подходе 2 но улучшить выходной результат. Задача силь- для уточнения Sδ совершенно не соответствую- но усложняется при рассмотрении объекта-системы щей действительности. Это яркий пример того фак- расширенного состава, когда в это понятие вклю- та, что оценка величины полученного баллистиче- чаются «внешние» факторы, такие, как требования ского коэффициента как согласующего параметра оперативности расчетов или изменения в процессе будет соответствовать рассматриваемым условиям работ, связанные с конечными точностями опреде- задачи, но совершенно не применима, например ления вычисляемых параметров. Подобная ситуа- к прогнозированию процесса движения КА, кото- ция возникает при определении среди объема по- рое рассчитывается по другим значениям, входя- ступивших ИТНП аномальных сеансов измерений. щим в прогноз движения КА формулам. Заключение Выход для определения оценки баллистиче- ского коэффициента по рассматриваемой ошиб- В качестве практического примера отметим ке прогнозирования изменения периода обраще- важный случай, демонстрирующий отмеченные вы- ния для второго вида КА следующий. В ММД ше обстоятельства. Важным способом определе- КА должны учитываться соответствующие зональ- ния баллистического коэффициента для низкоор- ные и тессеральные гармонические составляющие битальных КА служит способ уточнения Sδ по в модели поля Земли (например, до порядка 8.8). ошибке прогнозирования изменения периода обра- При этом формула для расчета Sδ становится нера- щения (табл. 1, метод 2). Обычно для КА ДЗЗ ботоспособной. Для устранения этого факта целе- с высотами полета на круговых орбитах около сообразно осуществить вычитание из оценки вели- 200–250 км изменение большой полуоси орбиты за чины драконического периода его возмущения за счет сопротивления атмосферы может составить счет изменений большой полуоси гармоническими 800–1500 м за сутки (около 17 витков полета), составляющими поля Земли. а для КА с высотами 1000–1100 км — около 5 м также за счет сопротивления атмосферы за сут- Данные выводы осуществлены с исполь- ки полета. Другой факт: в первом случае за счет зованием детальных описаний классификаторов- неучета тессеральных и зональных (кроме сжатия распознавателей для множества вариантов матема- Земли, гармоника 2.0) гармонических составляю- тических моделей движения КА. щих в модели гравитационного поля Земли (ГПЗ) неточности описания большой полуоси, влияющие Список литературы на неточность описания драконического периода, 1. Тюлин А. Е., Бетанов В. В., Кобзарь А. А. Навига- ционно-баллистическое обеспечение полета ракетно- космических средств. В 2-х кн. Кн. 1: Методы, модели РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

УТОЧНЕНИЕ СОГЛАСУЮЩИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ КА 13 и алгоритмы оценивания параметров движения. М.: 5. Лысенко Л.Н., Бетанов В. В., Звягин Ф. В. Теорети- Радиотехника, 2018. 480 с. ческие основы баллистико-навигационного обеспече- ния космических полетов / Под ред. Л. Н. Лысенко. 2. Тюлин А. Е., Бетанов В. В., Яшин В. Г. Орбиталь- М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. 518 с. ные сегменты космических систем пространственно- временного обеспечения. Ч. 1. Орбитальное движе- 6. Чечкин А. В. Математическая информатика. М.: ние, маневры и методы определения параметров ор- Наука, 1991. 416 с. бит космических аппаратов / Под ред. А. Е. Тюлина. М.: Инновационное машиностроение, 2020. 336 с. 7. Макаренко Д. М., Потюпкин А. Ю. Системный анализ космических аппаратов. Учеб. пособ. М.: 3. Тюлин А.Е., Бетанов В. В., Кобзарь А. А. Навига- МО РФ, 2007. 331 с. ционно-баллистическое обеспечение полета ракетно- космических средств. В 2-х кн. Кн. 2: Системный 8. Потюпкин А. Ю., Чечкин А. В. Интеллектуализа- анализ НБОМ.: Радиотехника, 2018. 486 с. ция сложных технических систем. М.: ВА РВСН им. Петра Великого, 2013. 208 с. 4. Тюлин А. Е., Бетанов В. В. Летные испытания кос- мических объектов: определение и анализ движения 9. Соболева Т. С., Чечкин А. В. Дискретная математика по экспериментальным данным (Научная серия «Рос- (Университетский учебник. Серия «Прикладная ма- сийские космические системы») / Под ред. А. Е. Тю- тематика и информатика») / Под ред. А. В. Чечкина. лина. М.: Радиотехника, 2016. 332 с. М.: Академия, 2006. 254 с. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2020, том 7, выпуск 4, c. 14–21 РАДИОТЕХНИКА И КОСМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ УДК 629.783 DOI 10.30894/issn2409-0239.2020.7.4.14.21 Построение единого наземного комплекса управления многоспутниковой группировки КА ДЗЗ А. И. Жодзишский, д. т. н., профессор, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация С. К. Жидкова, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Д. Н. Нагорных, к. ф.-м. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. Дальнейшее развитие российских наземных комплексов управления (НКУ) КА ДЗЗ с учетом возрастания числа космических аппаратов требует новых подходов при решении задач повышения оперативности и глобальности управления этими КА. В работе рассматривается возможность создания Единого НКУ КА ДЗЗ (ЕНКУ ДЗЗ), включающего существующие НКУ КА ДЗЗ и обеспечивающего управление перспективными вновь создаваемыми КА ДЗЗ. В составе ЕНКУ ДЗЗ должен быть создан единый центр управления, обеспечивающий моделирование, планирование, анализ и управление перспективной и существующей группировками КА и наземными средствами. Используя зарубежный опыт управления многоспутниковыми группировками и реализуя собственные наработки при со- здании специального программного обеспечения ЦУП, для новых группировок КА предлагается максимально автоматизи- ровать выполнение задач типового штатного цикла управления, автоматизировать периодические операции по техническому обслуживанию КА и локализацию нештатных ситуаций. Для отечественной ОГ ДЗЗ с целью автоматизации процессов управления предлагается также создание цифровой мате- матической модели орбитальной группировки и наземных средств. Модель, учитывающая и описывающая пространственно- временное положение КА ОГ, расположение средств НКУ, НКПОР, спутников-ретрансляторов, их техническое состояние, состав и работоспособность, должна лечь в основу выполнения сквозного планирования основных операций управления и це- левого применения многоспутниковой ОГ. Ключевые слова: дистанционное зондирование Земли, наземный комплекс управления, многоспутниковые орбитальные груп- пировки, навигационно-баллистическое обеспечение КА, пространственно-временное положение КА

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2020, том 7, выпуск 4, c. 14–21 РАДИОТЕХНИКА И КОСМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ Construction of a Unified Ground-based Control Complex for a Multi-satellite ERS Constellation A. I. Zhodzishskiy, Dr. Sci. (Engineering), Prof., [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation S. K. Zhidkova, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation D. N. Nagornykh, Cand. Sci. (Phys.-Math.), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. Taking into account the increasing number of spacecraft the further development of the Russian ground-based control systems (GCS) for Earth remote sensing spacecraft requires new approaches to solving the problems of increasing the efficiency and global control of these spacecraft. The paper considers the possibility of creating a unified ERS GCS (ERS UGCS), including the existing ERS GCS and providing control capabilities for promising, newly created ERS SC. As part of the ERS UGCS, a single control center should be created that provides modeling, planning, analysis and control of future and existing spacecraft constellations and ground-based facilities. Using international experience in managing multi-satellite constellations and implementing our own experience in creating special software for the control centers, for new spacecraft constellations, it is proposed to automate the tasks of a typical regular control cycle, automate periodic maintenance operations of the spacecraft and localize emergency situations. With the aim of automating control processes, the creation of a digital mathematical model of the orbital constellation and ground-based facilities is also proposed for Russian remote sensing constellations. A model that takes into account and describes the spatio-temporal position of the spacecraft constellations, the location of the GCS, ground based data receiving processing and distribution complexes, multifunctional relay stations (MFRS), their technical condition, composition and performance should form the basis for the implementation of end-to-end planning of the main control operations and the targeted use of multi-satellite constellations. Keywords: Earth remote sensing, ground-based control complex, multi-satellite orbital constellations, navigation and ballistic support of the spacecraft, space-time position of the spacecraft

16 А. И. ЖОДЗИШСКИЙ, С. К. ЖИДКОВА, Д. Н. НАГОРНЫХ Наземный комплекс управления (НКУ) авто- НКУ решает следующие основные задачи [4]: матическими космическими аппаратами (КА) — – подготовка средств НКУ к запуску КА это совокупность технических средств и сооруже- и к управлению КА в полете; ний, предназначенных для управления функциони- – управление КА в течение всего срока актив- рованием КА с момента их выведения на орби- ного существования, в том числе в случае возник- ту [1]. НКУ создается для одного или несколь- новения нештатных ситуаций; ких однотипных КА и состоит из центра управ- – автоматизированное долгосрочное и опера- ления полетом (ЦУП), наземных станций (НС) ко- тивное планирование операций управления КА мандно-измерительных систем (КИС), обеспечива- и работы средств НКУ; ющих взаимодействие с КА, системы связи и пе- – автоматизированная подготовка исходных редачи данных (ССПД), объединяющей элементы данных и технологической информации для ре- НКУ. шения задач командно-программного обеспечения, навигационно-баллистического обеспечения полета Большая часть отечественных НКУ КА граж- КА, контроля состояния и функционирования КА; данского назначения строится на базе средств на- – автоматизированная подготовка и проведе- земного автоматизированного комплекса управле- ние сеансов связи с КА; ния КА научного и социально-экономического на- – автоматизированный контроль выполнения значения и измерений (НАКУ КА НСЭН). Особен- КА программы полета по принятой ТМИ как при ностью указанных НКУ является использование штатном функционировании, так и при отказах средств коллективного доступа из состава НАКУ бортовой аппаратуры и возникновении нештатных КА НСЭН [2]: ситуаций (НШС); – автоматизированный сбор, обработка и ана- – мультисервисной системы связи и передачи лиз информации всех видов, формирование опе- данных (МССПД); ративного отображения и документирования ре- зультатов обработки с целью контроля выполнения – центра ситуационного анализа, координации технологического цикла управления КА, состояния и планирования (ЦСАКП), обеспечивающего рас- бортовой аппаратуры КА и средств НКУ, учета ре- пределение ресурса НС КИС между КА; сурсов, а также накопления, систематизации и хра- нения текущей информации о состоянии КА; – центра координации, эксплуатации и разви- – измерение текущих навигационных пара- тия (ЦКЭР), отвечающего за техническую готов- метров (ИТНП) КА с помощью НС КИС, определе- ность средств НАКУ; ние и прогнозирование движения КА по результа- там ИТНП и/или данных аппаратуры спутниковой – НС КИС. навигации КА с точностями, необходимыми для ра- Обычно ЦУП при создании новых НКУ КА — боты НКУ и наземного комплекса приема, обработ- единственное вновь создаваемое изделие, разра- ки и распространения информации ДЗЗ (НКПОР); батываемое под конкретный космический аппарат – автоматизированный обмен баллистической, или тип космических аппаратов. командно-программной, контрольной и оперативно- Задачи управления КА, выполняемые с по- технической информацией внутри НКУ и с внеш- мощью средств НКУ, решаются путем проведе- ними абонентами. ния сеансов связи с каждым КА в соответ- Европейские и американские НКУ КА ДЗЗ ствии с долгосрочными и суточными планами отличаются от российских использованием назем- управления. Планы составляются на основе раз- ных средств управления, расположенных по все- работанных технологических циклов управления му миру и принадлежащих различным странам (ТЦУ) КА и планов целевого использования ап- и операторам, как правило, совмещенным с прие- паратуры КА. В сеансах связи на КА переда- мом информации ДЗЗ. Возможность привлечения ются управляющие воздействия, а НКУ прини- средств различных операторов достигается унифи- мает подтверждающие квитанции в составе диаг- ностической информации и телеметрическую ин- формацию (ТМИ), содержащую данные о состоя- нии обеспечивающих систем и целевой аппаратуры КА [3]. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

ПОСТРОЕНИЕ ЕДИНОГО НАЗЕМНОГО КОМПЛЕКСА УПРАВЛЕНИЯ 17 кацией протоколов всех уровней взаимодействия. 2) командно-программного обеспечения (КПО), Распределение средств по всему миру обеспечи- включая: вает глобальность управления и оперативность до- ведения снимков до потребителей. Наиболее вос- – выполнение типового цикла управления КА; требованными являются наземные станции, нахо- дящиеся в высоких северных и южных широтах, – обеспечение автоматической закладки рабочих такие как SvalSat, TSS, TrollSat. Станция SvalSat, программ (РП) через КИС на КА; расположенная на Шпицбергене (оператор KSAT), предоставляет наземные услуги большему коли- – обеспечение закладки РП по межспутниковой честву спутников, чем любой другой наземный радиолинии; объект в мире. Норвежский оператор KSAT распо- лагает крупнейшей сетью наземных средств, состо- – обеспечение НКПОР необходимой информа- ящей из более чем 140 антенн, расположенных на цией для планирования целевых работ; 21 площадке по всему миру. Наземный комплекс PlanetLab, используемый для управления группи- – дистанционные контроль и управление НС ровками Dove, SkySat и RapidEye, расположен на КИС из ЦУП; 12 площадках и имеет 36 антенн [5, 6]. 3) информационно-телеметрического обеспече- Необходимо отметить широкое использование, ния (ИТО), включая интегральную оценку состоя- особенно в США, спутников-ретрансляторов для ния КА. управления и оперативного получения снимков с КА ДЗЗ. Задачи по управлению ОГ в целом включают: 1) баллистическое моделирование всей ОГ КА Дальнейшее развитие российских НКУ КА ДЗЗ; ДЗЗ с учетом возрастания числа космических ап- 2) поддержание баллистического построения паратов требует новых подходов при решении задач ОГ и разработку стратегии ввода в группировку повышения оперативности и глобальности управ- новых КА ДЗЗ; ления этими КА. Для решения указанных задач 3) определение готовности КА ОГ и наземных целесообразно рассмотреть возможность создания средств к выполнению заявок потребителей. Единого НКУ КА ДЗЗ (ЕНКУ ДЗЗ), включаю- Увеличение количества КА в орбитальной груп- щего существующие НКУ КА ДЗЗ и обеспечиваю- пировке приведет к увеличению и качественному из- щего управление перспективными вновь создавае- менению наземной инфраструктуры, используемой мыми КА ДЗЗ. В ЕНКУ ДЗЗ должен быть создан для управления КА и приема с них данных ДЗЗ. единый центр управления, обеспечивающий мо- Для расширения суммарных зон радиовидимости делирование, планирование, анализ и управление наземных средств целесообразно создание новых перспективной и существующими группировками площадок, размещенных преимущественно в высо- КА ДЗЗ и наземными средствами. Существующие ких северных и южных широтах: на Шпицбергене, НКУ войдут в ЕНКУ как самостоятельные самодо- в Антарктиде, на территории РФ — в Мурманске, статочные комплексы управления КА, но обеспечи- Дудинке, Анадыре и других северных пунктах, об- вающие реализацию планов единого центра. ладающих инфраструктурой для создания пунктов управления КА и приема с них данных ДЗЗ. Задачи ЦУП ЕНКУ ДЗЗ можно разделить на Размещение наземных станций КИС в высоких задачи по управлению отдельными КА и задачи по широтах даст наибольшее количество рабочих вит- обеспечению функционирования орбитальной груп- ков для КА на низких солнечно-синхронных при- пировки КА ДЗЗ в целом. полярных орбитах. С учетом НС КИС в Антаркти- де возможны два сеанса управления КА на одном В части управления отдельными КА ЦУП витке с интервалом в 40 минут. ЕНКУ ДЗЗ решают традиционные задачи: Использование спутников-ретрансляторов (СР) для оперативной закладки рабочих программ 1) навигационно-баллистического обеспечения на КА ДЗЗ и для приема с них ограниченного (НБО); набора телеметрических параметров, включая кви- танции на закладку РП, позволит обеспечить гло- бальность и оперативность управления. Для вновь РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

18 А. И. ЖОДЗИШСКИЙ, С. К. ЖИДКОВА, Д. Н. НАГОРНЫХ Рисунок. Ряд УНС КИС на базе общего АПК-Б (база) и набора ВЧ-оборудования создаваемых КА ДЗЗ должна предусматривать- Ряды УНС КИС, включая ОЗС, предлага- ся возможность управления по межспутниковой ется создавать из унифицированных приборов радиолинии, через спутники-ретрансляторы типа со стандартными интерфейсами взаимодействия «Луч». При этом передача снимков по-прежнему с КА, ЦУП и НКПОР. Стандартные протоколы будет производиться на наземные пункты при про- всех уровней взаимодействия позволят существен- лете над ними КА ДЗЗ. но ускорить создание наземных средств НАКУ КА НСЭН. УНС КИС будут иметь программно-опре- Нормативными документами [7] предусмо- деляемые структуры сигналов, многодиапазонные трены мероприятия по защите телеметрической антенные системы (АС) или наборы АС с матрич- и командно-программной информации, циркулирую- ными переключателями, универсальное программ- щей в космических радиолиниях. Наиболее эффек- ное обеспечение. Унификация станций упростит тивным является абонентское закрытие указанной их последующую модернизацию, текущий ремонт информации в местах ее возникновения и исполь- и сократит количество обслуживающего персонала, зования, т. е. на КА и в ЦУП. В документе [8] со- обеспечит быстрое и надежное подключение новых держатся рекомендации по протоколу безопасности абонентов. связи при передаче космических данных в трактах КА–ЦУП. Унифицированные НС КИС разрабатываются как в стационарном, так и в перебазируемом (кон- ЕНКУ ДЗЗ будет обеспечивать управление тейнерном) исполнении. Контейнерное исполнение КА с использованием как существующих назем- резко снижает затраты на капитальное строитель- ных станций («Клен», «Клен-Р»), так и перспектив- ство, позволяет устанавливать УНС КИС на кораб- ных унифицированных наземных станций (УНС) лях и в местах временной эксплуатации. КИС. При работе с КА ДЗЗ эффективным является применение объединенных земных станций (ОЗС), На рисунке представлены рекомендованные совмещающих управление КА и прием с них ин- к реализации варианты из ряда УНС КИС. Трех- формации ДЗЗ. диапазонный (S-, C-, X-) вариант УНС КИС РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

ПОСТРОЕНИЕ ЕДИНОГО НАЗЕМНОГО КОМПЛЕКСА УПРАВЛЕНИЯ 19 по существу является универсальной НС КИС. – интеграция в планы рабочих программ це- Универсальная НС КИС принципиально отлича- левой аппаратуры; ется от унифицированных КИС, широко приме- няемых в США и Европе. Командно-измеритель- – формирование сеанса управления и реализа- ные системы состоят из бортовой аппаратуры и на- ция его посредством УНС КИС; земных станций КИС. В унифицированных КИС БА и НС используют единые структуры сигналов – получение в процессе сеанса управления и протоколы, определенные, например, стандартами (или по завершению его) телеметрической инфор- CCSDS [9], в то время как универсальная НС КИС мации, квитанционной информации, ИТНП, ре- может работать с любой БА КИС, оперативно про- зультатов сверки времени, информации функцио- граммным способом изменяя структуру сигнала. нального контроля НС КИС и других отчетных данных; Все наземные станции имеют одинаковый аппаратно-программный комплекс (АПК-Б (база)) – анализ технического состояния бортовых и отличаются только высокочастотной частью. В со- систем и целевой аппаратуры КА по полученной став АПК-Б входят: модуль цифровой обработки телеметрии. сигналов (МЦОС), навигационная аппаратура по- требителя ГЛОНАСС, ПЭВМ, эталонный генера- В настоящее время стандартные операции тор, коммутатор и ряд вспомогательных устройств. ТЦУ автоматизированы, но не выполняются авто- Создание и серийное производство УНС КИС матически и содержат достаточно большое количе- должно стать магистральным направлением модер- ство ручных действий оператора даже при выпол- низации средств НАКУ в данном сегменте. нении штатных, повторяющихся задач. Автомати- зация процесса идет в основном за счет создания Основной тенденцией развития ЦУП КА ДЗЗ и хранения в базе данных типовых операций (ТО), является автоматизация управления КА и сокра- объединяющих управляющие воздействия. Типо- щение рабочих смен за счет создания «автоматиче- вые операции подразделяются на штатные (ТО на- ского оператора», автоматического анализа ТМИ, чала сеанса, ТО проведения ИТНП и т. д.) и типо- автоматического планирования ТЦУ и сеансов вые операции локализации НШС. Указанные ТО связи, а также автоматической реакции на типовые включаются в долгосрочные и оперативные пла- НШС, приведенные в документации на КА. ны или реализуются непосредственно в процессе сеанса управления. Традиционные подходы к процессу управления КА сформировались в 60-х годах ХХ века и реа- В некоторых ЦУП автоматизировано создание лизованы в подавляющем большинстве центров типового сеанса и автоматическое выполнение се- управления полетами российскими автоматически- анса управления на основе обратной связи по кви- ми КА. Причем эти подходы идентичны у основных танционной информации. При таком подходе к ор- разработчиков специального программного обеспе- ганизации управления рост количества КА в груп- чения ЦУП. пировке неизбежно приведет к достижению пре- дельных возможностей по обеспечению управления Решение задач управления представляет со- и целевого использования группировки КА. Уве- бой последовательность действий оператора, на- личение количества персонала и автоматизирован- правленных на реализацию типового цикла управ- ных рабочих мест не будет эффективным решением ления каждого отдельного КА. При этом последо- проблемы. вательно решаются задачи: Используя зарубежный опыт управления мно- – расчет навигационных параметров КА на ос- госпутниковыми группировками и реализуя соб- нове данных бортовой аппаратуры спутниковой на- ственные наработки при создании специального вигации и/или ИТНП наземных средств; программного обеспечения ЦУП, для новых груп- пировок КА необходимо максимально автоматизи- – формирование заявок на задействование ровать выполнение задач типового штатного цик- средств коллективного пользования; ла управления (операций НБО, ИТО, КПО), ав- томатизировать периодические операции по техни- – долгосрочное и оперативное планирование ческому обслуживанию КА и локализацию НШС, работы КА; РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

20 А. И. ЖОДЗИШСКИЙ, С. К. ЖИДКОВА, Д. Н. НАГОРНЫХ приведенных в документации. Другими словами, задачи (работоспособность обеспечивающих си- необходимо создание автоматических сценариев стем и целевой аппаратуры, свободные интервалы управления КА на основе сценариев, приведенных для съемки с учетом ограничений), актуальное со- в эксплуатационной документации. стояние наземного комплекса управления с опре- делением возможности закладки РП (координаты Эти сценарии позволят автоматизировать ТЦУ УНС КИС с учетом зон радиовидимости КА, со- и автоматически реагировать на НШС, выявленные стояние аппаратуры НС КИС с обобщенным при- в процессе автоматического анализа ТМИ. При этом знаком готовности к сеансу закладки, динамиче- необходимо предъявлять повышенные требования ски обновляемые свободные временные интервалы) к работам по максимально возможной автономиза- и актуальное состояние НКПОР с возможностью ции КА с переносом на борт большего числа как пе- приема целевой информации (ЦИ). риодических операций, так и операций по автомати- ческой локализации отработанных НШС. Модель, учитывающая и описывающая про- странственно-временное положение КА ОГ, распо- Для локализации неотработанных НШС или ложение СР и средств НКУ, НКПОР, их техниче- неописанных в документации целесообразно со- ское состояние, состав и работоспособность, должна здать «пейджинговую» систему (СМС, e-mail) опо- лечь в основу выполнения сквозного планирования вещения разработчиков КА, руководителей полета, основных операций управления и целевого приме- разработчиков ЦУП и НС КИС. Реализация дан- нения многоспутниковой ОГ. ного пути приведет к автоматизации управления КА и минимизации количества операторов. Кроме Подобная модель должна состоять из объеди- этого, такая система позволит свести к минимуму ненных через входные и выходные параметры ма- участие секторов главного конструктора в управле- тематических моделей: нии КА как на этапе проведения летных испытаний (ЛИ), так и на этапе штатной эксплуатации. – орбитальной группировки; – наземного комплекса управления; Следует заметить, что переход к автоматиче- – наземного комплекса приема, обработки скому управлению КА (создание «автоматического и распространения информации; оператора») не может произойти единовременно. – многофункциональной космической системы Процесс автоматизации требует достаточных уси- ретрансляции. лий разработчиков при создании КА. На этапе ЛИ Заявка потребителя, подаваемая на вход мо- и эксплуатации к разработчикам КА и СПО ЦУП дели, должна автоматически пройти стадию выбора к совершенствованию автоматических процессов оптимальных параметров реализации: присоединяются операторы КА, которые предла- – КА, который произведет съемку; гают к автоматизации периодические, повторяю- – НС КИС (УНС КИС или ОСЗ), которая осу- щиеся процессы, выявленные на стадии управле- ществит закладку РП; ния КА. Для отладки и реализации новых авто- – станцию приема ЦИ (ОЗС), которая полу- матических сценариев управления КА необходимы чит результаты съемки. аппаратно-программные и(или) программные моде- При этом все последующие операции по пла- ли КА, на которых проверяется правильность авто- нированию работы КА вплоть до закладки КПИ, матических сценариев перед внедрением их в про- РП на КА непосредственно с НС или через СР, цесс управления и СПО ЦУП. выполняются в ЦУП в автоматическом режиме. Для постепенного перехода всей группировки Для отечественной ОГ ДЗЗ к вышеперечис- КА ДЗЗ к реализации заявок потребителя с по- ленным путям автоматизации процессов управле- мощью цифровой модели предлагается включить ния предлагается также создание цифровой мате- в нее уже функционирующие НКУ КА ДЗЗ. Целе- матической модели орбитальной группировки и на- сообразно на фоне существующего типового цикла земных средств. Математическая модель долж- управления КА в действующих ЦУП выделить на содержать полную актуальную баллистическую отдельно автоматическое прохождение оператив- информацию о каждом КА на любой момент ной заявки на съемку. Заявка, имеющая статус времени, готовность КА к выполнению целевой РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

ПОСТРОЕНИЕ ЕДИНОГО НАЗЕМНОГО КОМПЛЕКСА УПРАВЛЕНИЯ 21 «срочная», поступает в цифровую модель орбиталь- Список литературы ной группировки. По итогам работы цифровой мо- дели определяются КА для закладки РП и средства 1. ГОСТ Р 53802-2010 Системы и комплексы космиче- закладки (НС КИС или СР «Луч»). Поступившая ские. Термины и определения. заявка в виде РП передается в соответствующий ЦУП или в единый ЦУП ДЗЗ и закладывается на 2. Левошко А. В., Осьминин В. Н., Киселев К. В., Тре- КА в автоматическом режиме «над» текущими про- губ В. А. Перспективы развития наземного комплекса цессами управления (выполнения ТЦУ). управления космическими аппаратами дистанцион- ного зондирования Земли // Вопросы электромеха- ники. Труды ВНИИЭМ, 2018, т. 164, № 3. С. 19–25. Выводы 3. Леонов М. С., Круглов А. В. Наземный комплекс управления КА «Канопус-В» // Вопросы электроме- ханики. Труды ВНИИЭМ, 2015, т. 49, № 6. С. 24–29. Основными путями построения Единого НКУ 4. Соколов Н. Л., Козлов В. Г., Соколов В. И., Литви- многоспутниковой группировки КА ДЗЗ являются: ненко А. О. Способ обеспечения управления полета- ми космических аппаратов // Патент на изобретение – использование унифицированного ряда НС RU 2438941 C1, номер заявки: 2010128227/11. Дата КИС, в том числе ОЗС; регистрации: 08.07.2010, дата публикации: 10.01.2012. – размещение УНС КИС в высоких широтах; 5. https://www.ksat.no/services/ground-station-services (Дата обращения 10.11.2020.) – использование СР для оперативной заклад- ки на КА рабочих программ и приема вектора со- 6. https://storage.googleapis.com/planet-day-in-the- стояния КА; life/dist/index.html – реализация функции «автоматического опе- 7. Федеральный закон от 26 июля 2017 г. № 187-ФЗ ратора»; «О безопасности критической информационной ин- фраструктуры Российской Федерации в части требо- – использование ЕЦУП для управления пер- вания по категорированию». спективными КА ДЗЗ и постепенная интеграция в него существующих КА ДЗЗ; 8. CCSDS. Report Concerning Space Data System Stan- dards. Space Data Link Security Protokol — Sum- – переход на единую информационно-управ- mary of Concept And Rationale. Informational Report ляющую систему ЦУП КА, построенную на базе CCSDS 350.5-G-1. Green Book, June 2018. стандартов; 9. CCSDS. Draft Recommendation for Space Data Sys- – применение абонентского закрытия инфор- tem Standards. Unified Space Data Link Protocol. Draft мации для использования различных путей досту- Recommended Standard. CCSDS 732.1-R-3. Red Book, па к КА (через СР, непосредственно через УНС August 2017. КИС). РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2020, том 7, выпуск 4, c. 22–37 РАДИОТЕХНИКА И КОСМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ УДК 621.396.677 DOI 10.30894/issn2409-0239.2020.7.4.22.37 Синхронное сложение сигналов антенн со сдвигом импульсов дискретизации в идеализированном режиме сопровождения космического аппарата по целеуказаниям С. И. Ватутин, к. т. н., с. н. с., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. Для объединения нескольких сравнительно малых апертурных антенн в единую цифровую антенную решетку (цифровое антенное поле) с суммарной площадью приема телеметрического сигнала от космического аппарата ранее был предложен способ синхронного сложения сигналов отдельных антенн. При этом антенны разнесены на достаточно большое расстояние, чтобы они не затеняли друг друга. В основе метода лежит идея компенсации взаимных задержек принимаемого сигнала между антеннами путем соответствующего сдвига импульсов дискретизации сигналов разных антенн. В настоящей статье продемонстрирована работоспособность метода в идеализированном режиме сопровождения КА по целеуказаниям на орбитах глобальных навигационных систем. Показано, что на современном уровне развития импульсной тех- ники метод синхронного сложения сигналов антенн со сдвигом импульсов дискретизации потенциально способен обеспечить прием телеметрической информации от КА дальнего космоса на скоростях примерно в 6 раз больших, чем с использованием классического метода РСДБ. Ключевые слова: антенная решетка, синхронное сложение сигналов, промежуточная частота, разность хода лучей, задержка распространения, целеуказания, отношение сигнал/шум, битовая вероятность ошибки Synchronous Addition of Antenna Signals with a Shift of Sampling Pulses in Idealized Mode of Spacecraft Tracking by Target Designations S. I. Vatutin, Cand. Sci. (Engineering), Senior Researcher, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. The method of synchronous addition of signals of separate antennas was proposed previously for the aggregation of relatively small-scale aperture antennas into a single digital antenna array (digital antenna field) with a combined area for receiving telemetry signals from spacecraft. In this case, the antennas are mutually spaced by a big enough distance in order to not shade one another. The method is based on the idea of compensating the mutual delays between the antennas of the received signal by a corresponding shift of the sampling pulses of the signals of different antennas. This article demonstrates the method’s workability in idealized mode of spacecraft tracking by target designations on orbits of global navigation systems. It is shown that with the up-to-date level of impulse technology development the method of synchronous addition of antenna signals with a shift of sampling pulses is potentially capable of ensuring the reception of telemetry information from deep-space spacecraft at rates approximately 6 times higher than those of the classic Delta-DOR method. Keywords: antenna array, synchronous addition of signals, intermediate frequency, path difference, propagation delay, target desig- nations, signal-to-noise ratio, bit-error probability

СИНХРОННОЕ СЛОЖЕНИЕ СИГНАЛОВ АНТЕНН СО СДВИГОМ ИМПУЛЬСОВ ДИСКРЕТИЗАЦИИ 23 Введение Отсюда для BPSK при Δϕм = π получаем условие когерентности ΔTд · Δf 0,05; для QPSK Антенны являются основным фактором сдер- при Δϕм = π/2 получаем ΔTд · Δf 0,025; живания миниатюризации радиотехнических си- для 8PSK при Δϕм = π/4 получаем условие ко- стем и комплексов. Все в приемнике поддается герентности складываемых сигналов ΔTд · Δf миниатюризации, кроме антенны, поскольку энер- гетический потенциал радиолинии в значительной 0,0125. Для радиосигналов с фазовой манипуля- степени определяется ее размерами. Однако все- общая цифровизация и в этой области предлагает цией более высоких порядков условие когерентно- привлекательные технические решения уменьше- ния размеров используемых антенн путем перехода сти будет более жестким, чем (1). В любом случае от антенн большого размера к цифровым антенным решеткам (ЦАР) и цифровым антенным полям. условие когерентности радиосигналов накладывает Так, в радиоастрономии наметился переход от ги- гантских антенн диаметром 60–70 м и больших ан- гораздо более жесткие ограничения на допустимый тенн диаметром 32–34 м к цифровым антенным по- лям из антенн диаметром порядка 12 м с синхрон- период дискретизации радиосигнала, чем теорема ным сложением сигналов отдельных антенн во вре- менной области [1]. Поскольку в радиоастрономии Котельникова (Найквиста) для радиосигнала, со- не требуется особой оперативности обработки сиг- налов, то в радиоинтерферометрах со сверхдлинной гласно которой должно выполняться условие: базой (РСДБ) для синхронного сложения радио- сигналов широкое применение нашли неспешные ΔTд · Δf 1. (4) методы корреляционной обработки [1, 2]. При этом должно выполняться условие когерентности склады- Поэтому в радиосистемах, связанных с пере- ваемых радиосигналов, определяемое выражением: дачей информации в спутниковой связи [3], в ра- диолокации [4–6], в сотовой связи [7, 8], в нави- гации [9, 10] наибольшее распространение получи- ли ЦАР с традиционным сложением информацион- ных сигналов в спектральной области, когда эле- ментарные антенны решетки располагаются доста- точно близко друг к другу, так что для времени распространения по решетке Δtр и полосы полез- ного сигнала Δf соблюдается условие узкополос- ности системы, то есть ΔTс · Δf 1, (1) Δtр · Δf 1. (5) где ΔTс — остаточный сдвиг по времени между ра- Однако в системах управления космическими диосигналами, Δf — полоса частот принимаемого аппаратами (КА) при построении антенного поля по условию отсутствия затенения друг друга в пре- радиосигнала. В системах РСДБ остаточный сдвиг делах семиградусной зоны радиовидимости антен- ны должны быть разнесены минимум на 8 диамет- ΔTс равен ΔTд — периоду дискретизации. Обычно ров антенны, то есть на десятки метров. Напри- считается, что «много меньше единицы» — это ве- мер, антенны диаметром 5 м должны быть разнесе- ны на 40 м. Поэтому при передаче телеметрической личина порядка 0,01. Однако для разных видов мо- информации (ТМИ) со скоростью 0,5 Мбит/с гар- моники по краям спектра, отстоящие примерно на дуляции эта величина может варьироваться в ши- Δf = 1 МГц, дадут недопустимо большой набег фаз Δϕ = 2π · Δf · Δt = 2π · Δf · (ΔL/c) = 2π ×· роких пределах как в большую, так и в меньшую × 106 · 40/(3 · 108) = 0,27π. сторону. Так, для сигналов с фазовой манипуля- Таким образом, в цифровых полях слежения за КА сложить сигналы антенн ЦАР в спектраль- цией достаточно, чтобы остаточный сдвиг по фа- ной области не представляется возможным. Оста- ется попытка сложить сигналы во временной обла- зе Δϕо не превышал 0,1 от величины манипуляции сти, опираясь на большой опыт в работе с систе- фазы Δϕм: Δϕо 0,1 · Δϕм. (2) При периоде дискретизации ΔTд наибольший остаточный фазовый сдвиг в спектре сигнала будет составлять Δϕо = 2π · ΔTд · Δf. (3) РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

24 С. И. ВАТУТИН мами РСДБ. Но в этих системах платой за воз- Рис. 1. Простейшая конфигурация антенного поля для можность когерентно складывать сигналы далеко иллюстрации метода синхронного сложения сигналов разнесенных антенн является существенное сни- жение ΔTд · Δf , то есть информативности систе- антенн мы, что крайне нежелательно для систем передачи ТМИ с космических аппаратов. К счастью, здесь маемого антеннами. Антенна А0 является опорной, антенны не разнесены так далеко, как в системах РСДБ, что позволяет синхронизировать гетероди- на антенну А1 фронт волны радиосигнала падает ны высокочастотных каскадов приема радиосигна- лов различных антенн цифрового антенного поля раньше, а на антенну А2 позже, чем на антенну А0. и сдвигать сетки импульсов дискретизации сиг- налов разных антенн так, чтобы взятие отсчетов Для синхронного сложения сигналов антенн происходило для одного и того же принимаемо- очередной k-й импульс дискретизации генератора го радиосигнала от разных антенн в одном и том для информационного сигнала антенны № i, сфор- же фронте. Для этого период дискретизации ра- мированный в момент времени tГk, задерживают на диосигнала ΔTд, для которого выполняется усло- время вие (4), необходимо разбить на достаточно малые интервалы сдвига импульсов дискретизации ΔTс, Δtzik = Δtсi0k + Δtфi − Δtф0 + Δtп. (6) такие, чтобы для них выполнялось условие коге- рентности (1) для соответствующего вида модуля- Здесь Δtсi0k — время сдвига момента при- ции. После этого импульсы дискретизации сигна- хода фронта волны принимаемого сигнала на ан- лов различных антенн необходимо сдвинуть на со- тенне № i относительно опорной антенны № 0. Оно ответствующее количество интервалов сдвига ΔTс может быть отрицательным, если сигнал прихо- так, чтобы отсчеты реализаций одного и того же дит на антенну № i раньше, чем на антенну № 0, принимаемого различными антеннами сигнала бра- и положительным, если сигнал приходит на ан- лись на одном и том же фронте с точностью тенну № i позже, чем на антенну № 0, и изменя- до ΔTс. Идея метода изложена в работе [11], где ется в течение времени зоны радиовидимости КА. предложено устройство синхронного сложения сиг- налов со сдвигом импульсов дискретизации. По- Остальные слагаемые времени задержки являются дробно предложенное устройство фазирования ан- константами. Так, Δtфi — время распространения тенн описано в патенте [12]. фронта волны сигнала в фидере от фазового центра антенны № i до УСС. Чтобы гарантировать взятие Сущность метода синхронного отсчета нужного фронта после его прихода на УСС сложения радиосигналов антенн цифрового антенного поля со со всех антенн поля, введена дополнительная за- сдвигом импульсов дискретизации держка импульса дискретизации на время подстав- На рис. 1 представлена простейшая конфи- ки Δtп, которое выбирается так, чтобы момент вре- гурация антенного поля из трех антенн А0, А1, мени k-го импульса дискретизации на всех антен- А2, соединенных фидерами Ф0, Ф1, Ф2 с устрой- нах наступил позже k-го импульса дискретизации ством синхронного сложения (УСС) сигналов ан- генератора, то есть из условия Δtzik > 0. Это усло- тенн, в состав которого входит генератор импуль- сов дискретизации сигналов антенн. На рис. 2 представлена временная диаграмма взятия отсче- тов для одного и того же фронта сигнала, прини- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

СИНХРОННОЕ СЛОЖЕНИЕ СИГНАЛОВ АНТЕНН СО СДВИГОМ ИМПУЛЬСОВ ДИСКРЕТИЗАЦИИ 25 Рис. 2. Временная диаграмма взятия отсчета на одном и том же фронте сигнала, принимаемого антеннами А0, А1, А2 вие выполняется всегда, если время подставки Δtп ром DА = 3 м в виде правильного шестиугольника, выбирается из условия вписанного из условия незатенения по семиградус- ной зоне радиовидимости в круг радиусом 8 · DА = Δtп > Δtф max − Δtф min + Δtр max + ΔtАЦП, (7) = 24 м с опорной антенной в центре, как показано на рис. 3. Координаты семи антенн с номерами от 0 где Δtф max и Δtф min — максимальное и минималь- ное время распространения фронта волны сигна- до 6 и длины соответствующих фидеров представ- ла в фидерах антенной решетки соответственно, Δtр max — максимально возможное время рас- лены в таблице. пространения фронта волны сигнала в свободном пространстве по поперечнику антенной решетки, Рис. 3. Рассматриваемая конфигурация антенного поля ΔtАЦП — время формирования отсчета на АЦП. По мере движения КА в зоне радиовидимости Задержки в фидерах рассчитываются в модели происходит изменение величины Δtсi0k сдвига мо- по очевидной формуле мента прихода фронта волны принимаемого сигна- ла на антенне № i относительно опорной антен- Δtфi = Lфi · ε1/2/C, (8) ны № 0, который необходимо отслеживать. где C — скорость света в свободном пространстве, В работе [13] показано, что при работе с КА ε = 2,2 — диэлектрическая проницаемость поли- на опорной орбите высотой 200 км интервал обнов- этилена, взятого в качестве диэлектрика фидерного ления задержек dTоз = 0,1 с обеспечивает прак- кабеля. Остаточная ошибка юстировки задержки тически идеальное синхронное сложение сигналов в фидере, влияющая на точность сложения сигна- с антенн цифрового антенного поля. Однако эти оценки были проведены без учета динамики систе- мы сопровождения КА. Настоящая работа посвящена проверке прин- ципиальной возможности синхронного сложения сигналов антенн в режиме сопровождения КА по целеуказаниям. В качестве примера рассмотрено антенное поле из параболических антенн диамет- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

26 С. И. ВАТУТИН Т а б л и ц а. Координаты и длины фидеров антенн рассматриваемого антенного поля № антенны X Y Z Длина фидера 00 0 0 60 1 8 · DA = 24 0 0 84 2 8 · DA · cos(1 · 60◦) = 12 8 · DA · sin(1 · 60◦) = 20,78 0 92,78 3 8 · DA · cos(2 · 60◦) = −12 8 · DA · sin(2 · 60◦) = 20,78 0 68,78 4 8 · DA · cos(3 · 60◦) = −24 8 · DA · sin(3 · 60◦) = 0 0 36 5 8 · DA · cos(4 · 60◦) = −12 8 · DA · sin(4 · 60◦) = −20,78 0 68,78 6 8 · DA · cos(5 · 60◦) = 12 8 · DA · sin(5 · 60◦) = −20,78 0 92,78 лов антенн, в модели автосопровождения рассчи- + [sin(ωкаt) · sin i]2+ тывается по формуле R 2 1/2 + ΔTюi = ΔTю max(rand(1, 1) − 0,5), (9) + sin(ωкаt) · cos i − R H , (10) где rand(1, 1) — функция генератора случайных Ψ(t) = arcsin cos(ωкаt) . (11) чисел MATLAB равномерным распределением на [cos(ωкаt)]2 + [sin(ωкаt) · sin i]2 интервале (0, 1), ΔTю max — максимальный разброс в юстировке времени распространения в фидере. Расстояние до КА: В процессе моделирования установлено, что раз- Rка(t) = (R + H) cos(ωкаt) 2+ брос ΔTю max не должен превышать величины, со- измеримой с допустимым интервалом сдвига им- + (R + H) · sin(ωкаt) · sin i 2+ пульсов дискретизации ΔTс. 2 1/2 + (R + H) · sin(ωкаt) · cos i − R , Модель углового движения антенн здесь ωКА — угловая скорость КА в плоскости ор- биты, Динамика изменения направления на КА определяется конструкцией опорно-поворотного ωКА = R g = v1ка R R H , (12) устройства антенны и параметрами орбиты КА. R+H R+H R+H + Для азимутально-угломестных опорно-поворотных устройств наиболее динамичными являются около- где R = 6371 км — средний радиус Земли, g = зенитные участки низких орбит КА. Для оценки = 9,8 — ускорение свободного падения на поверх- динамических характеристик сопровождения до- ности Земли, v1КА = 7,93 км/с — первая косми- статочно использовать простейшую модель круго- ческая скорость, H — высота орбиты КА, i — вого движения КА на разных высотах без учета угол между плоскостью орбиты КА и направлением углового движения Земли, описанную в [13]. Со- в зенит наблюдателя, α — угол в плоскости орби- гласно этой модели зависимости угла места Φ(t), ты между направлением на восходящий узел и те- азимута Ψ(t) и расстояния до КА RКА(t) от време- кущим направлением на КА в момент времени t. ни с момента прохождения КА восходящего узла Угол α0 начала ЗРВ определяется выражением определяются выражениями: α0 = arcsin (R + R cos i. (13) Φ(t) = H) = arcsin sin(ωкаt) · cos i − R R H [cos(ωкаt)]2+ Время начала tнз, окончания tкз зоны радио- + видимости и время на параметре tп в наивысшей РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

















СИНХРОННОЕ СЛОЖЕНИЕ СИГНАЛОВ АНТЕНН СО СДВИГОМ ИМПУЛЬСОВ ДИСКРЕТИЗАЦИИ 35 Рис. 7. Пропорциональное снижение тактовой частоты сдвига Fс и промежуточной частоты Fпч до допустимого предела, когда порядок дискре- ΔTс · Δf = dк 1 и Δf /Fпч = dу 1. Тогда (Δf /Fпч)/(ΔTс · Δf ) = Fс/Fпч = dу/dк = const, тизации mд, определяемый (39), остается больше что и требовалось доказать. Проведенное модели- единицы, а частота дискретизации Fд, определяе- рование показало, что тактовая частота сдвига Fс мая (38), остается меньше промежуточной часто- должна быть больше промежуточной частоты Fпч примерно в 2000/70 ≈ 30 раз. Во столько же раз ты Fпч, существенно снижается разброс парамет- ров и графики отношения сигнал/шум и вероят- требование когерентности строже требования узко- ности ошибки в бите ложатся ближе к теоретиче- полосности. скому пределу. Анализ графиков на рис. 7 показывает, что Целесообразность пропорциональности такто- чрезмерное повышение промежуточной частоты вой частоты сдвига Fс и промежуточной часто- при сохранении интервала обновления задержек ты Fпч вытекает из требований когерентности (6) складываемых сигналов антенн ΔTс · Δf 1 и уз- ведет к возрастанию разброса характеристик на кополосности радиосигнала Δf /Fпч 1. Пусть наиболее динамичном участке ЗРВ. Это объясня- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

36 С. И. ВАТУТИН ется тем, что за период обновления в задержках но изменить угловую скорость движения антенны накапливается некоторая ошибка tош, которая при- в силу инерции невозможно, поэтому в узловых точ- водит к ошибке фазы соответствующего сигнала ках можно добиться точного совпадения либо углов, 2 · π · Fпч · tош. При малых ошибках фазы sin(x) = либо угловых скоростей движения антенны с дви- = x, то есть амплитудная ошибка будет прямо про- жением КА. Поэтому в дальнейшем предполагает- порциональна Fпч. Поэтому при сложении сигналов ся продолжить исследования предлагаемого метода антенн со сдвигом импульсов дискретизации це- с учетом инерционности антенн. лесообразно выбирать промежуточную частоту как Список литературы можно ниже, впрочем, так же, как и при использо- 1. Урличич Ю. М., Гусев Л. И., Леонов М. С. и др. Ра- диотехнические комплексы для управления дальни- вании методов РСДБ. ми космическими аппаратами и для научных ис- следований / Под редакцией Е. П. Молотова. М.: Поскольку тактовая частота сдвига Fс для ФИЗМАТЛИТ, 2007. 232 с. предлагаемого метода сложения сигналов антенн эквивалентна частоте дискретизации сигналов Fд 2. Молотов И. Е. Радиоинтерферометрия со свехболь- в методе РСДБ, то предельное быстродействие со- шими базами (РСДБ) — история, состояние и аппа- ратура // Сайт инициативных астрономических про- временных АЦП на уровне 1500 МГц [19] накла- ектов ПулКОН и LFVN. http://lfvn.astronomer.ru/ report/0000007/p000007.htm (Дата обращения дывает ограничения по применению методов РСДБ 16.07.2020.) на промежуточных частотах до Fд/30 = 1500/30 = = 50 МГц. Исходя из того, что порядок дискре- 3. Слюсар В. И. Цифровые антенные решетки в мо- тизации не может быть меньше mд = 2, в соот- бильной спутниковой связи // Первая миля, 2008, ветствии с (39) для метода РСДБ получаем оцен- № 4. С. 10–15. ку допустимой верхней частоты спектра сигнала 4. Волощук И. В., Королев Н. А., Никитин Н. М. и др. Fв = Fпч/(2mд + 1) = 50/5 = 10 МГц и до- Развитие радиолокационных средств боевых кораб- стижимой скорости передачи информации порядка лей на основе технологии цифровых антенных ре- Fв/m = 10/1,25 = 8 Мбит/с. Исследуемый же шеток // Збiрник наукових праць Севастопольсь- метод сложения радиосигналов со сдвигом импуль- кого вiйськово-морського ордена Червоно¨ı Зiрки iнституту iм. П. С. Нахiмова. Севастополь: СВМI сов дискретизации реализуется на счетчиках им- iм. П. С. Нахiмова, 2007, вип. 2 (12). 260 с. пульсов, состоящих из триггеров, максимально до- 5. Skolnik M. I. Radar Handbook. Third Ed. The McGraw-Hill Book Companies, 2008. 1351 p. стижимая тактовая частота которых в настоящее 6. Слюсар В. Цифровые антенные решетки — будущее время составляет порядка 10 000 МГц [20]. Это со- радиолокации // Электроника: наука, технология, бизнес, 2001, № 3. С. 42–46. ответствует максимальной промежуточной частоте 10 000/30 ≈ 300 МГц, достаточно просто реализуе- 7. Слюсар В. SMART-антенны пошли в серию // мой частоте дискретизации Fд = 4Fпч/(2mд + 1) = Электроника: наука, технология, бизнес, 2004, № 2. = 300 · 4/5 = 240 МГц, допустимой верхней часто- С. 62–65. те спектра сигнала Fв = Fпч/(2mд + 1) = 300/5 = = 60 МГц и достижимой скорости передачи инфор- 8. The Path to 4G Mobile // Communications Week In- мации порядка Fв/mлс = 60/1,25 = 48 Мбит/с. ternational, 5 March 2001, Issue 260. Таким образом, исследованный метод сложения 9. Слюсар В.Цифровые антенные решетки решения задач GPS // Электроника: наука, технология, биз- радиосигналов антенн антенного поля со сдвигом нес, 2009, № 1. С. 74–78. импульсов дискретизации потенциально в состоя- 10. Backen S., Akos D. M. Research Report “GNSS An- tenna Arrays. Hardware requirements for algorithm нии обеспечить в шесть раз большую скорость пе- implementation // Lulea University of Technology. редачи телеметрической информации с космических аппаратов дальнего космоса по сравнению с клас- сическим методом РСДБ. Следует, однако, принять во внимание, что данное исследование проведено на идеализированной модели процесса сопровождения космического аппарата антенным полем по целеука- заниям. Идеализация состоит в том, что мгновен- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

СИНХРОННОЕ СЛОЖЕНИЕ СИГНАЛОВ АНТЕНН СО СДВИГОМ ИМПУЛЬСОВ ДИСКРЕТИЗАЦИИ 37 Department of Computer Science and Electrical En- 14. Фролов О. П. Антенны для земных станций спутни- gineering, April 4, 2006. http:// epubl.ltu.se/1402- ковой связи. М.: Радио и связь, 2000. 376 с. 1528/2006/13/LTU-FR-0613-SE.pdf 15. Романюк Ю. А. Основы цифровой обработки сиг- 11. Ватутин С. И., Зайцев О. В. Применение мно- налов. В 3-х ч. Ч. 1. Свойства и преобразования гоканальных цифровых приемных устройств для дискретных сигналов: Учебное пособие. М.: МФТИ, создания антенных полей НАКУКА // Ракет- 2005. 332 с. но-космическое приборостроение и информацион- ные технологии. VI Всероссийская научно-техни- 16. Лайонс Р. Цифровая обработка сигналов. Пер. ческая конференция «Актуальные проблемы ракет- с англ. 2-е изд. М.: ООО «Бином-Пресс», 2006. но-космического приборостроения и информацион- 656 с. ных технологий» 5–7 июня 2013 г: Сб. трудов. М.: ОАО «Российские космические системы», 2014. 17. Серкин Ф. Б., Важенин Н. А., Вейцель В. В. Срав- С. 103–120. нительный анализ алгоритмов оценки отношения сигнал-шум на основе квадратурных компонент 12. Патент № 2594385 Российской Федерации. Способ принимаемого сигнала // Электронный журнал обработки широкополосных сигналов и устройство «Труды МАИ», 2015, вып. 83. http://www.mai.ru/ фазирования антенн приема широкополосных сигна- upload/iblock/c80/serkin_vazhenin_veitsel_rus.pdf лов, преимущественно для антенн неэквидистант- (Дата обращения 16.07.2020). ной решетки: № 2015119423: заявл. 05.25.2015: опубл. 08.20.2016 / С. И. Ватутин, О. В. Зайцев; па- 18. Котельников В. А. Теория потенциальной помехо- тентообладатель ОАО «Российская корпорация ра- устойчивости. М.–Л.: ГЭИ, 1956. 152 с. кетно-космического приборостроения и информаци- онных систем» (ОАО «Российские космические си- 19. Штраперин Г. Л. Быстродействующие аналого- стемы»). цифровые преобразователи фирмы National Semi- conductor // Компоненты и технологии, 2005, № 6. 13. Ватутин С. И. Оценка допустимого интервала вре- С. 106–109. мени обновления задержек распространения сигна- ла между антеннами цифровых антенных полей // 20. NBSG53A 2.5V/3.3V SiGe Selectable Differential Ракетно-космическое приборостроение и информа- Clock and Data D Flip-Flop / Clock Divider with ционные системы, 2018, т. 5, вып. 4. С. 46–55. Reset and OLS. Текст: электронный // Semicon- ductor Components Industries, LLC, 2008. Septem- ber, 2008 — Rev. 13. Publication Order Number: NBSG53A/D. ON Semiconductor. http://onsemi.com РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2020, том 7, выпуск 4, c. 38–50 РАДИОТЕХНИКА И КОСМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ УДК 629.78 DOI 10.30894/issn2409-0239.2020.7.4.38.50 Предложения по созданию спутниковой системы сбора и передачи данных на базе отечественных космических аппаратов Ю. Б. Дорофеев, к. т. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Д. А. Тулисов, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. Показана необходимость слежения за местоположением и состоянием как стационарных, так подвижных объек- тов. Решение такой задачи возможно путем создания отечественной спутниковой системы сбора и передачи данных, обеспечи- вающей автоматизированный сбор информации о состоянии и координатах от различных объектов, обслуживаемых в рамках данной системы вне зависимости от их местоположения на земном шаре. Обоснован выбор оптимального варианта построения спутниковой системы сбора и передачи данных. Представлены данные об имеющемся научно-техническом заделе АО «Рос- сийские космические системы» по созданию спутниковой системы сбора и передачи данных. Показаны основные функции и принципы создания и задачи, решаемые системой сбора, обработки и передачи данных, приведены основные проектно-тех- нические решения, состав, особенности функционирования и основные характеристики такой системы и ее составных частей. Предложен порядок создания и развертывания такой системы. Ключевые слова: бортовой радиотехнический комплекс, система сбора и передачи данных, платформа сбора данных, ретранс- ляция информации, гидрометеорологические данные, зона видимости, станция приема и обработки информации Proposals for the Creation of a Satellite System for Data Collection and Transmission Based on Domestic Spacecraft Yu. B. Dorofeev, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation D. A. Tulisov, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. The paper shows the necessity for tracking the location and condition of both stationary and moving objects. The solution of this problem is possible by creating a domestic satellite system for data collection and transmission that provides automated collection of information on the state and coordinates of various objects serviced within this system regardless of their location on the globe. The choice of the optimal option for building a satellite data collection and transmission system is justified. The article presents the data on the existing scientific and technical groundwork of Joint Stock Company “Russian Space Systems” for creating a satellite data collection and transmission system. The main functions and principles of creation and tasks solved by the system for data collection, procession, and transmission are shown. The main design and technical solutions, composition, features of operation, and the main characteristics of such a system and its components are given. The procedure of creation and deployment of such a system is proposed. Keywords: onboard radio complex, data collection and transmission system, data collection platform, information relay, hydrome- teorological data, visibility range, information receiving and processing station

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО СОЗДАНИЮ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ СБОРА И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ 39 Актуальность создания Обоснование выбора оптимального спутниковой системы варианта построения спутниковой сбора и передачи данных системы сбора и передачи данных Необходимость непрерывного контроля за ме- Структура спутниковой системы определяет- стонахождением и состоянием различных как по- ся видом орбиты (эллиптические, GEO — геоста- движных, так и стационарных объектов в настоя- ционарные, MEO — среднеорбитальные, LEO — щее время является важнейшей задачей. низкоорбитальные) и конкретным значением ее вы- соты, общим числом космических аппаратов (КА) Для решения подобного рода задачи целесо- в группировке и их взаимным расположением, образно обеспечить создание устойчивой и безо- количеством орбитальных плоскостей и угловым пасной информационно-телекоммуникационной ин- расстоянием между ними, наклонением орбиты фраструктуры передачи, обработки и хранения не- к плоскости экватора и др. обходимых объемов данных, доступной для всех ее потенциальных потребителей. При этом должна В настоящее время в мире насчитывается до- быть решена задача обеспечения информационной статочно большое количество отечественных [3–5] безопасности на основе отечественных разработок и зарубежных [6, 7] спутниковых систем (регио- при передаче, обработке и хранении данных. нальных и глобальных), основанных на использо- вании низких, средних, геостационарных и эллип- В этой связи стоит задача внедрения новых тических орбит, таких как: надежных технических средств, которые позво- лили бы осуществлять автоматизированный сбор – геостационарные системы «Радуга-1М», диспетчерской информации как со стационарных, «Ямал», «Экспресс», «Луч», Inmarsat, MobileSat так и с подвижных объектов, а также передачу (Австралия), AMCS (США), MSAT (Канада), информации на объекты. Технически эта задача AceS, Thuraya; может быть выполнена с использованием спутни- ковых средств [1]. В настоящее время, однако, – системы на эллиптических орбитах — КА ни одна из отечественных спутниковых систем не серии «Молния», Ellipsat; используется для решения такой задачи. – среднеорбитальные системы New ICO, Создание такой космической системы позво- Odyssey; лит обеспечить автоматизированный сбор инфор- мации о состоянии и координатах от различных – низкоорбитальные системы — «Парус», «Го- объектов, обслуживаемых в рамках данной систе- нец», Globalstar, Iridium, Orbkomm, Argos. мы вне зависимости от их местоположения на зем- ном шаре, то есть в глобальном режиме. При этом Геостационарные системы (ГС) характеризу- средства системы будут автоматически вычислять ются зоной радиовидимости, обеспечивающей од- географические координаты местоположения объ- ним КА контроль и наблюдение за объектами на ектов и направлять их в соответствующие дис- большой территории. петчерские пункты пользователей [2]. Информация может быть также запрошена из диспетчерского Большое количество спутниковых систем, ба- пункта при наличии возможности передачи на объ- зирующихся на использовании геостационарных ект необходимой информации. космических аппаратов, связано с очевидными их достоинствами: Спутниковая система сбора и передачи дан- ных (ССПД) не только позволит решать задачи – возможностью практически полного (90 %) контроля и управления, но и обеспечит повыше- покрытия земной поверхности с использованием ние вероятности сохранения требуемого состояния всего лишь 3–5 спутников для глобальных систем и безопасности контролируемых объектов. и зонального покрытия с использованием 1–2 спут- ников для региональных; – отработанной технологией изготовления, вы- вода, ориентации и удержания КА на геостацио- нарной орбите; РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

40 Ю. Б. ДОРОФЕЕВ, Д. А. ТУЛИСОВ – возможностью использования в составе ре- ретрансляторов, обеспечивающих необходимую на- трансляторов относительно простых антенн несле- дежность связи в пределах всей земной поверх- дящего типа; ности. Избыточность взаимосвязанных спутников в космическом сегменте обусловливает также вы- – относительной простотой построения систе- сокую живучесть низкоорбитальных систем за счет мы оперативного управления группировкой КА создания обходных и резервных каналов связи. и текущего контроля их состояния; Целесообразность применения НО спутнико- – возможностью использования минимального вых систем в настоящее время обусловлена: числа дорогостоящих земных станций (вплоть до одной на каждую подспутниковую зону) в соста- – ограничениями при создании ГС систем по ве наземного сегмента спутниковой системы связи точкам стояния и параметрам каналов ретрансля- (СПСС), которые обеспечивают сопряжение або- ции, связанными с перегруженностью геостацио- нентских терминалов (АТ) различных типов с на- нарной орбиты большим количеством КА; земными сетями связи; – возможностью использования эффекта До- – неподвижностью зон покрытия земной по- плера для позиционирования контролируемых верхности, формируемых лучами спутниковых ан- объектов; тенн, что обеспечивает меньшую вероятность по- требности перехода АТ из одной зоны в другую – возможностью работы абонента на всена- в процессе переговоров и, как следствие, для ав- правленных антеннах, связанной с практическим томатизации этого процесса не требуется больших использованием низких частот на линии КА– затрат системных ресурсов (каналов сигнализации Земля; и управления). – высокой надежностью системы, определяе- В связи с прохождением орбиты над эквато- мой уровнем резервирования, при котором отказ ром и небольшим углом места наземных станций одного КА приводит только к снижению оператив- геостационарные КА не обеспечивают связью по- ности; лярные районы Земли. – независимостью эффективности функциони- Для обеспечения связью приполярных и по- рования линии связи от рельефа и других характе- лярных районов могут использоваться КА на эл- ристик местности, на которой находятся контроли- липтических орбитах. руемые объекты; Низкоорбитальные (НО) искусственные спут- – сравнительно невысокой стоимостью обес- ники Земли (ИСЗ) находятся на небольшой высо- печения персональной связью. те и обеспечивают на входе приемных устройств оконечных станций такой уровень сигнала, кото- Таким образом, проведенный анализ свиде- рый позволяет принимать информацию на нена- тельствует о том, что выбор оптимального вари- правленную антенну в движении, а не только на анта построения спутниковой системы сбора и пе- остановках. В свою очередь, передатчики термина- редачи данных на базе отечественных космиче- лов с ненаправленными антеннами обеспечивают ских аппаратов должен осуществляться на основе на борту низкоорбитальных ИСЗ достаточный для следующего ряда критериев и условий [8]: стои- ретрансляции сигнал. Таким образом, в системах мость, соответствие поставленным задачам и тре- на базе низкоорбитальных ИСЗ обеспечивается на- буемым характеристикам, возможность создания дежная работа маломощных мобильных и перенос- и развертывания в условиях финансовых и ад- ных станций с ненаправленными антеннами. министративно-политических ограничений. Реали- зация такого подхода возможна при условии исполь- Космический сегмент низкоорбитальных си- зования имеющегося задела по созданию и приме- стем обычно состоит из десятков КА, равномер- нению отечественных спутниковых систем и вхо- но распределенных над всей поверхностью Земли дящих в их состав средств, а также характеристик таким образом, что в пределах прямой видимо- и достоинств разных космических сегментов созда- сти любой оконечной станции находятся не менее ваемой системы при их совместной эксплуатации. 1–2, а в полярных районах — и 3–4 космических В этой связи основными свойствами такой си- стемы следует определить наличие космической РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО СОЗДАНИЮ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ СБОРА И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ 41 группировки уже созданных или создаваемых КА, от СПОИ, и передачу в международный коор- которая способна образовать двухъярусный косми- динационно-вычислительный центр (г. Москва) ческий сегмент с реализованной возможностью ис- и пользователям; пользования режима межспутниковой ретрансля- ции [9], обеспечивающего глобальность и опера- – радиомаяки «Маран», излучающие радиосиг- тивность доставки информации, а также оснаще- нал по линии абонентский терминал — косми- ния КА бортовым радиотехническим комплексом, ческий аппарат (АТ–КА) на частоте 406 МГц. который может работать с одним типом аппара- туры потребителя. Кроме того, важной характери- В период подготовки в 2008 г. к запуску малого стикой для обеспечения эффективности создавае- космического аппарата «Стерх» в рамках ОКР «На- мой системы при ее глобальном применении яв- дежда-М» во ФГУП «РНИИ КП» создан стенд для ляется возможность использования эффекта Доп- отработки программно-математического обеспече- лера для независимого определения местоположе- ния (ПМО) опытного образца центра приема и об- ния объектов. работки информации подсистемы «Курс-М» [11]. Опыт, научно-технический задел Однако существующая в настоящее время на- АО «Российские космические земная инфраструктура системы «Надежда» утра- системы» по созданию спутниковой тила возможность работы в режиме «Курс» в ре- системы сбора и передачи данных зультате действия ряда факторов, таких как: «Курс» – длительное отсутствие на орбите КА с бор- Система «Курс» [10], которая потенциально товым радиотехническим комплексом (БРТК), ра- была способна решать задачи, стоящие перед си- ботающим в режиме «Курс»; стемой сбора и передачи данных, была разработа- на в 1985–1990 гг. в РНИИ КП. С целью оцен- – отсутствие оператора системы, способного ки точности и оперативности измерения координат обеспечить эксплуатацию, необходимую модерниза- объектов с использованием системы «Курс» в те- цию системы и предоставление услуг мониторинга; чение 1996–2002 гг. ФГУП «РНИИ КП» был про- веден ряд демонстрационных экспериментов и ис- – отсутствие станций приема и обработки пытаний, которые подтвердили эффективность ее информации (СПОИ), обеспечивающих работу использования для контроля за местоположением с БРТК «Курс» на частоте 1700 МГц, а также подвижных объектов и грузов, а также техниче- аппаратуры потребителя, работающей на частоте ских решений по созданию отдельных элементов 402 МГц (в 2003 г. по согласованию с Росгидро- наземной инфраструктуры системы «Курс». метом для системы «Курс» была установлена ча- стота 402 МГц по радиолинии АТ–КА и частота На основании положительных результатов лет- 1700 МГц по радиолинии КА–СПОИ). ных испытаний (ЛИ) системы «Надежда» по ре- комендации Госкомиссии решением Роскосмоса Тот факт, что в настоящее время на орбите в 1997 г. система «Курс» [2] была принята в опыт- находятся отечественные гидрометеорологические ную эксплуатацию в следующем составе: НО и ГС ИСЗ, а, кроме того, планируются в пер- спективе запуски высокоэллиптических КА, позво- – КА («Космос-2135»); ляет использовать возможности установленной на – станция приема и обработки информации этих КА бортовой аппаратуры приема, обработки (СПОИ), обеспечивающая работу в режиме «Курс» и ретрансляции сигналов от платформ сбора дан- (Теплый Стан) на частоте 1643 МГц по радиолинии ных ПСД-402, обеспечивающей передачу данных КА–СПОИ; мониторинга подвижных и стационарных объектов. – региональный центр (РЦ) в Теплом Стане, обеспечивающий прием данных, полученных Таким образом, находящиеся на орбите и пла- нируемые к запуску отечественные гидрометео- рологические КА фактически сформируют двухъ- ярусный космический сегмент системы, имеющей возможность в глобальном масштабе обеспечивать мониторинг подвижных и стационарных объектов посредством передачи и обработки данных о их со- стоянии и местоположении. В такой ССПД обеспе- РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

42 Ю. Б. ДОРОФЕЕВ, Д. А. ТУЛИСОВ чивается ретрансляция данных от наземных плат- информации в чрезвычайных ситуациях (землетря- форм через НО КА на частоте 465 МГц на геоста- сения, наводнения, экологические и промышленные ционарные КА и далее на наземные СПОИ. катастрофы). Для реализации потенциальных возможностей Оценка ориентации зон взаимной радиовиди- ССПД необходимо создание наземной инфраструк- мости [9] КА ГС «Электро-Л» и КА НО «Мете- туры и единого управляющего органа системы. ор-МП» (рис. 1) свидетельствует о возможности использования режима межспутниковой ретранс- Основные функции и принципы ляции для повышения оперативности доставки создания и задачи системы сбора, информации от платформ сбора данных в созда- обработки и передачи данных ваемой системе ССПД. Создаваемая система ССПД должна обеспечи- При этом аппаратное построение модернизи- вать выполнение следующих функций [11]: рованного бортового радиотехнического комплекса ССПД НО КА [9] должно обеспечить выполнение – автоматизированный сбор данных о состоя- следующих функций: нии и местоположении стационарных и подвиж- ных сухопутных и морских объектов, в том числе – прием, обработка, хранение и передача объектов, перевозящих опасные и ценные грузы; в транспортный информационный кадр, формиру- емый в бортовой информационная системе (БИС), – сбор метеорологической, океанографической данных от наземных платформ сбора данных для и другой информации в интересах различных от- дальнейшей передачи их в главные метеорологиче- раслей народного хозяйства, а также гидрометео- ские центры; рологического обеспечения судов; – ретрансляция данных от наземных плат- – сбор экологической и природоресурсной ин- форм сбора данных, расположенных в полярных формации; зонах Земли, через НО КА с переносом частоты с 402 МГц на 465 МГц и далее через геостацио- – передача пользователям полученной инфор- нарные КА на наземные СПОИ. мации о состоянии и местоположении контролиру- емых объектов, в том числе передача оперативной Для создания такой ССПД на базе отече- ственных низкоорбитальных и геостационарных КА Рис. 1. Зоны видимости КА «Электро-Л» и КА «Метеор-МП» РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО СОЗДАНИЮ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ СБОРА И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ 43 должна быть решена задача формирования и развер- – региональных станций приема и обработки тывания инфраструктуры предоставления информа- информации низкоорбитального СПОИ НО и гео- ционных услуг о состоянии и местоположении по- стационарного СПОИ ГС космического сегмента движных и стационарных объектов, опасных и цен- ССПД, размещаемых на территории РФ; ных грузов абонентам, расположенным в любой точке земного шара, а также обеспечения организа- – региональных пользовательских центров ционных и нормативно-правовых условий для ново- (РЦ) системы, в случае необходимости совмеща- го отечественного сегмента потребительских услуг. емых со СПОИ; Для реализации возможностей отечественной – каналов связи между СПОИ, ЦПОИ, РЦ орбитальной группировки, на КА которой установ- и потребителями. лена бортовая аппаратура приема, обработки и ре- трансляции сигналов от платформ сбора данных на В состав ЦПОИ, размещаемом в АО «Рос- частоте 402 МГц, необходимо обеспечить создание сийские космические системы», должны входить новых элементов наземной инфраструктуры спут- СПОИ НО и СПОИ ГС. никовой системы сбора, обработки и передачи дан- ных на базе отечественных КА, а также решить Наземные средства потребителей, обеспечива- ряд организационно-технических и финансово-эко- ющие требуемый вид услуг передачи данных в раз- номических проблем. личных условиях эксплуатации и доступ к ресур- сам системы, включают: Основные проектно-технические решения – аппаратуру потребителя, работающую в пер- сональном режиме; Состав системы – подсистемы связи, глобальные сети связи Ин- ССПД обеспечивает определение местополо- тернет, входящие в состав ССПД функционально. жения подвижных объектов, а также сбор и пере- дачу ограниченного объема данных (500–5000 бит) Особенности функционирования ССПД от стационарных и подвижных объектов через ИСЗ в наземный центр приема и обработки информации ССПД функционирует следующим образом: и состоит из трех основных составных частей: – передатчики абонентских терминалов (АТ) периодически (1 раз в минуту) в автоматическом – космический сегмент, режиме посылают сообщения, которые принима- – наземный сегмент, ются спутниками с БРТК, работающим на частоте – наземные средства потребителей. 402 МГц; Космический сегмент включает бортовые ра- – в БРТК эти сообщения преобразуются в со- диотехнические комплексы, установленные на оте- ответствии с циклограммой работы, а затем пере- чественных ИСЗ, выводимых на низкую орбиту даются на наземные станции приема и обработки (КА «Метеор-МП») и геостационарную орбиту информации; (КА «Электро-Л»). – наземные станции осуществляют выделение В качестве базового космического аппарата цифрового потока, передаваемого из ЗУ БРТК, в системе применяется низкоорбитальный гидро- определение местоположения АТ, формирование метеорологический космический аппарат «Мете- и передачу массива информации обмена с ЦПОИ ор-МП» нового поколения. (БРТК геостационарного космического сегмента Наземный сегмент ССПД состоит из: ССПД осуществляет ретрансляцию принятых на – центра приема и обработки информации частоте 465 МГц от АТ сообщений); (ЦПОИ), создание которого возможно в АО «Рос- – от наземных станций принятая информация сийские космические системы»; о местоположении и состоянии контролируемых объектов передается в ЦПОИ, где осуществляется ее прием, обработка и предоставление пользовате- лям, а также хранение в базах данных для после- дующего анализа. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

44 Ю. Б. ДОРОФЕЕВ, Д. А. ТУЛИСОВ Т а б л и ц а. Характеристики ССПД ССПД-НО ССПД-ГС Технические характеристики «Метеор-МП» «Электро-Л» Параметры орбиты 650/98 36 000 высота, км/наклонение, ◦ – 76 точка стояния, в.д. Расположение СПОИ Москва, Новосибирск, Мурманск, Москва Южно-Сахалинск, Петропавловск-Камчатский, Красноярск Производительность 150 радиомаяков в зоне видимости, 300 радиомаяков в зоне видимости системы 2000 за виток (при трех каналах в ПРМ–ПРЦ) (одновременно работающих) Время ожидания, мин 130/60 при 2 НО ИСЗ 1 максимальное 80/40 при 4 НО ИСЗ среднее Объем сообщения 500–2000 500–5000 за один сеанс связи, бит Полученные системой данные могут быть пред- – для ССПД на базе ГС КА — 300 радиомая- ставлены в виде отображения местоположения на ков в зоне видимости (одновременно работающих). электронной карте, ведения табличного учета со- стояния, статистики поведения контролируемых Время задержки сеанса связи: максималь- объектов (пройденный путь, маршрут и т. п.). ное/среднее — 130/60 мин (при 2 ИСЗ), 80/40 мин (при 4 НО ИСЗ). Подсистемы анализа и визуализации получен- ной информации в ЦПОИ обеспечивают выдачу Количество сеансов связи с одного АТ в сутки сигналов и справочной информации в случае ка- (для 1 НО ИСЗ): ких-либо происшествий, а также работу системы > 15 для > 80◦ Ш; > 7 для > 50◦ Ш; > 4 для > 20◦. поддержки принятия решения. Вероятность приема данных и определения коор- Основные характеристики ССПД, динат за один сеанс связи при yгле места >7◦ — 0,98. характеристика предоставляемых системой телематических услуг Точность определения координат АТ, установ- ленным на подвижный объект, при использова- Основные характеристики ССПД [11] для нии навигационной аппаратуры ГЛОНАСС/GPS — двух–четырех НО ИСЗ и одного ГС ИСЗ приве- не хуже 0,1 км. дены в таблице. Номинал несущей частоты АТ — 402 МГц. Количество обслуживаемых объектов приемо- Номинал несущей частоты БРТК ИСЗ–СПОИ — передающей аппаратурой одного КА НО [9]: 1696,4 МГц. – за виток — 2000; Система обеспечивает передачу данных от або- – в зоне видимости, одновременно работаю- нентских терминалов в формате коротких пакетов, щих — 150; полученных в результате сбора сообщений о место- положении и датчиковой информации с объемом, за- даваемым техническим заданием на системы поль- зователей, в течение времени нахождения в зоне ви- димости. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО СОЗДАНИЮ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ СБОРА И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ 45 Скорость передачи информации по линии мерения для передачи на СПОИ в зоне видимости ИСЗ–СПОИ — 9600 бит/с. СПОИ–ИСЗ; Объем сообщения за один сеанс связи 500– – формирование в цифровой форме модулиру- 2000 бит. ющего сигнала, содержащего принятые от АТ сооб- щения, значение доплеровской частоты и времени В ССПД обеспечивается защита от несанк- измерения; ционированного доступа к спутниковым каналам путем использования специализированных средств – передача на СПОИ в непрерывном режиме аутентификации абонента. принимаемых в реальном времени и ранее запом- ненных в ОЗУ данных с АТ. Система предоставляет следующие телемати- ческие услуги пользователям: Бортовые антенны НО КО ориентированы на центр Земли с точностью ±8◦ в зоне геометриче- – определение местоположения подвижных ской видимости заданного потенциала АТ — ИСЗ объектов; и ИСЗ–СПОИ. – автоматизированный сбор данных с датчиков БРТК, устанавливаемый на гидрометеорологи- контроля состояния любых объектов, в том числе ческий ГС КА, обеспечивает работу в режиме ре- необслуживаемых, сбор данных о местоположении трансляции информации, полученной от АТ. объектов; Применяемые в ССПД бортовые радиотехни- – передача аварийных сообщений. ческие комплексы имеют следующие особенности. Наземные средства системы обеспечивают вза- имодействие с сетью общего пользования: телефон- Аппаратура БРТК, устанавливаемая на НО КА ной (ТЛФ) и телеграфной (ТЛГ), сетью Интернет и работающая одновременно в режиме КОСПАС и другими наземными сетями. и ССПД, обеспечивает (в режиме ССПД) при- ем данных от АТ (в диапазоне от 401,91 до Характеристика составных частей ССПД. 401,99 МГц), их предварительную обработку и за- Бортовой радиотехнический комплекс поминание для передачи в БИС и последующей пе- (БРТК) редачи информации в цифровом виде на наземную СПОИ в общем потоке данных с КА. Бортовые радиотехнические комплексы пред- ставляют собой комплект специальной приемо-пе- Кроме того, модернизированная аппаратура дол- редающей аппаратуры, размещенной на ИСЗ и вза- жна обеспечивать кодирование, формирование и по- имодействующей с аппаратурой абонентских тер- следующую ретрансляцию информации на частоте миналов, находящихся на объектах пользователей, 465 МГц на бортовой комплекс (6-й канал) ГС КА. и наземными станциями. Скорость передачи информации АТ (402 МГц) Бортовой радиотехнический комплекс системы на СПОИ 9600 бит/с. Аппаратура БРТК обеспе- ССПД, устанавливаемый на гидрометеорологиче- чивает прием посылок 150 АТ (402 МГц), рабо- ский НО КА, обеспечивает взаимодействие с аппа- тающих одновременно и равномерно распределен- ратурой потребителя и наземными станциями при- ных в зоне радиовидимости КА. Объем ОЗУ аппа- ема и обработки информации и при этом выполняет ратуры БРТК составляет не менее 10 Мбит, что следующие функции: достаточно для запоминания 20 000 посылок АТ (402 МГц). – прием, детектирование и выделение цифро- вого сообщения из сигнала, передаваемого от або- 6-й канал 2-го ствола БРТК ГС КА обеспечи- нентских терминалов (АТ); вает переретрансляцию данных от платформ сбора данных со скоростью 1,0–1,2 Кбит/с, поступающих – измерение доплеровского смещения частоты от БРТК НО КА. Сигнал частотой 465 МГц по- сигнала от АТ с привязкой начала измерения к бор- ступает на вход малошумящего усилителя (МШУ). товому времени; После усиления сигнал поступает в канал ретранс- ляции данных ПСД, где производится гетеродини- – запоминание данных о принятом сообще- рование сигнала в полосе 465 МГц. Сигнал моду- нии, значении доплеровской частоты и времени из- лируется, фильтруется, преобразуется на несущую РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

46 Ю. Б. ДОРОФЕЕВ, Д. А. ТУЛИСОВ частоту 1696,4 МГц, поступает на вход усилителя СПОИ должна включать основное и вспомога- мощности (УМ) и затем на антенну для передачи тельное оборудование. на СПОИ ГС. Основное оборудование: 7-й канал 2-го ствола БРТК ГС КА обеспечи- – антенная система; вает работу с АТ (402 МГц) и передачу информа- – приемное устройство; ции на СПОИ (1697 МГц). БРТК обеспечивает ре- – устройство сопряжения с ПЭВМ; трансляцию информации от АТ в объеме до 300 ка- – вычислительный комплекс на базе ПЭВМ налов частотного разделения со скоростью передачи с программно-математическим обеспечением; до 300 бит/с и объемом передаваемой информации – система приема сигналов точного времени; не более 5200 бит от каждого АТ без запомина- – устройство сопряжения с каналом связи. ния и обработки в ОЗУ. Возможно применение АТ Вспомогательное оборудование: со скоростью 400, 1200 бит/с. – имитатор бортового радиокомплекса; – контрольный радиомаяк; Станция приема и обработки информации – комплект измерительных приборов; – комплект запасных частей. 1. Станции приема и обработки информации В аппаратуре СПОИ предусмотрена автомати- для обеспечения работы с БРТК НО КА (СПОИ ческая проверка функционирования всего комплек- НО) являются одним из основных элементов на- са средств и отдельных устройств. земного сегмента системы и предназначены для ре- Комплекс аппаратуры СПОИ функционирует шения следующих задач: следующим образом. По рассчитанным или полу- ченным из БЦ эфемеридным данным ПЭВМ рас- – слежение по программе за ИСЗ; считывает зоны видимости для каждого ИСЗ и пе- – обнаружение, демодуляция и детектирова- ред каждым сеансом связи формирует программу ние принятого сигнала; наведения антенны, которая обеспечивает слеже- – выделение цифрового потока, передаваемого ние антенной системы за перемещением ИСЗ. из запоминающего устройства БРТК, содержащего Принятый антенной сигнал с ИСЗ поступает информацию посылок, доплеровское значение ча- на приемное устройство, где осуществляется обна- стоты и время обнаружения сигналов от абонент- ружение, выделение и предварительная обработка ских терминалов БРТК; сигналов. – определение координат объектов, оборудо- Предварительно обработанные цифровые сиг- ванных АТ; налы поступают на окончательную обработку – хранение данных в ПЭВМ; в ПЭВМ, обеспечивающей декодирование посту- – автономное определение траекторных дан- пающей информации, ее запоминание с целью по- ных ИСЗ по опорным радиомаякам или по изме- вторной обработки, определение координат контро- рениям доплеровского смещения частоты в радио- лируемых объектов, формирование потоков выход- линии ИСЗ–СПОИ (эфемеридные данные рассчи- ной информации и выдачу их на устройство сопря- тываются на ПЭВМ или поступают из баллистиче- жения с каналом связи, обеспечивающим передачу ского центра (БЦ) системы); информации в ЦПОИ. – передача принятых за сеанс данных 2. Станции приема и обработки информации ГС в ЦПОИ системы и потребителям. (СПОИ ГС) предназначены для решения следую- СПОИ производит обработку всего объема ин- щих задач: формации, полученной в течение сеанса, и обеспе- – непрерывный круглосуточный прием сиг- чивает ее сортировку. После окончания сортировки нала, несущего информацию от АТ, ретранслиро- СПОИ определяет положение радиобуя при нали- ванного БРТК ГС КА на частоте 1697 МГц в по- чии не менее 4 верных посылок. При получении лосе 80 МГц; недостаточного числа посылок обеспечивается пе- – обнаружение, выделение и выдача в линию редача данных от АТ без определения координат. связи для передачи в АПК ЦПОИ сообщений от АТ; РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО СОЗДАНИЮ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ СБОРА И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ 47 – измерение частоты сигналов от АТ для их щему потребителю сообщений, поступивших от его идентификации; объектов; – одновременный прием сигналов не менее – одновременную работу со всеми КА, находя- 20 АТ, находящихся в зоне радиовидимости ГС КА. щимися в зоне радиовидимости совмещенной с РЦ СПОИ НО; Состав средств, входящих в СПОИ ГС, анало- гичен составу СПОИ НО. – определение возможности обслуживания от- дельных групп терминалов, организацию сеансов Центры приема и обработки связи по групповому обслуживанию терминалов; информации – взаимодействие с техническими средствами 1. Центр приема и обработки информации си- других систем, в том числе для уменьшения вре- стемы обеспечивает решение следующих задач: мени доставки информации; – хранение базы данных; – взаимодействие абонентов системы ССПД – анализ состояния и работоспособности си- с другими наземными сетями через информацион- стемы ССПД в целом; ные шлюзы; – прием из центра управления ИСЗ траектор- ных данных; – ведение базы данных по пользователям, за- – координация работы всех СПОИ, входящих крепленным за РЦ с учетом их текущего место- в состав системы; положения, режима обслуживания и заявленного – сбор информации со всех СПОИ, функциони- трафика. рующих в составе системы, ее анализ и обработка; – формирование выходных сообщений, сорти- В соответствии с решаемыми задачами в со- ровка и передача соответствующему потребителю став РЦ входят: сообщений, поступивших от его объектов; – оперативное решение вопросов реконфигу- – аппаратно-программный комплекс; рации системы в случае нарушения функциониро- – специализированное программное обеспече- вания любого элемента системы; ние; – регистрация абонентов, обеспечение ввода – устройство сопряжения с каналами связи; их в систему и ведение базы данных по наземным – каналы связи (ТЛФ, ТЛГ, Интернет входят средствам системы; функционально); – автоматический учет (биллинг) пользова- – СПОИ НО (в случае необходимости). тельского трафика. В соответствии с решаемыми задачами в со- Абонентские терминалы став ЦПОИ входят: – аппаратно-программный комплекс; Абонентские терминалы предназначены для – СПОИ НО и СПОИ ГС; передачи информации о состоянии и местоположе- – специализированное программное обеспече- нии контролируемых объектов через БРТК ССПД. ние; – устройство сопряжения с каналами связи; В ССПД используются различного вида або- – каналы связи (ТЛФ, ТЛГ, Интернет) входят нентские терминалы, устанавливаемые на подвиж- функционально. ных или стационарных объектах и излучающие мо- 2. Региональный пользовательский центр, при дулированный радиосигнал, служащий для опре- необходимости совмещенный со СПОИ, должен деления координат и несущий необходимую для обеспечивать: пользователя информацию о состоянии объекта. – организацию приема и сбор информации Для определения местоположения с высокой точ- в регионе, ее сортировку, передачу соответствую- ностью на АТ устанавливается навигационное обо- рудование ГЛОНАСС/GPS. Для обеспечения запросов потребителей услуг ССПД должны быть разработаны следующие типы АТ [11]: – автономный терминал + приемник ГЛОНАСС/ GPS (для высокоточного определения координат объекта) — АТ-1; РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020

48 Ю. Б. ДОРОФЕЕВ, Д. А. ТУЛИСОВ – автономный терминал + необслуживаемый Предложения по расположению контроллер сбора данных (для определения параме- элементов наземного сегмента тров состояния стационарных объектов, с возмож- системы ССПД на территории РФ ностью определения местоположения с точностью не хуже 3 км) — АТ-2; Центр приема, обработки и передачи информа- ции целесообразно расположить в Москве на базе – автономный терминал + необслуживаемый АО «Российские космические системы». В состав контроллер + приемник ГЛОНАСС/GPS (для высо- ЦПОИ входит по одной СПОИ НО и СПОИ ГС. коточного определения координат и параметров со- стояния объекта) — АТ-3. Для реализации возможностей создаваемой ССПД необходимо развернуть сеть региональ- Особенностью ССПД является возможность ных СПОИ на территории Российской Федерации создания универсальных мобильных абонентских в Южно-Сахалинске, Новосибирске и Мурманске терминалов для работы как через низкоорбиталь- (по одной СПОИ НО в каждом из городов), что ные, так и через геостационарные спутники. определяется характеристиками зон радиовидимо- сти [10, 11] СПОИ НО, изображенных на рис. 2. Комплектация терминалов, программное обес- Зона радиовидимости при работе с ГС КА пред- печение и конструктивное оформление разрабаты- ставлена на рис. 3. ваются с использованием базовой модификации по ЧТЗ, согласованным с Заказчиком (пользова- телем) системы. Рис. 2. Зоны радиовидимости для низкоорбитальных КА (угол > 10◦) Рис. 3. Зона радиовидимости при работе с ГС КА РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 7 вып. 4 2020