АППАРАТУРА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ СБОРА И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Полезная модель относится к области техники космической связи и может быть использовано для передачи информации (цифрового сообщения) метеорологического, экологического и природоресурсного назначения, кода принадлежности объекта, а так же точных координат с неподвижных и движущихся наземных объектов через низкоорбитальные или геостационарные КА системы сбора и передачи данных (далее ССПД).
Предлагаемая аппаратура передачи данных (далее АПД) обеспечит синхронизованное во времени, непрерывное и долговременное (до 10-15 лет) передачу цифровых сообщений (телеграмм) объемом от 1 до 669 байт с наземных стационарных объектов в центр системы сбора данных. АПД обеспечит формирование с высокой точностью момента передачи и периода повторения сообщения за счет синхронизации времени ПЭВМ управления, входящей в состав АПД, по сигналу навигационного приемника GPS или ГЛОНАС или GPS/ГЛОНАСС тем самым обеспечит высокую производительность (количество одновременно обслуживаемых АПД) системы сбора и передачи данных как низкоорбитальной, так и геостационарной. АПД обеспечивает выбор литер несущей частоты и скорости передачи сообщения, что существенно повышает надежность передачи информации в условиях воздействия наземных помех в радиолинии АПД-КА (далее космический аппарат).
Из патента RU 68139 от 10 ноября 2007 г. известен аварийный радиобуй космической системы поиска и спасания КОСПАС-САРСАТ, имеющий в своем составе навигационный приемник и предназначенный для передачи в сообщении точных координат от навигационного приемника. Аварийный радиомаяк известной конструкции включает устройство включения, передающую антенну, радиомодуль, в состав которого входит устройство включения, программно-временное устройство, передатчик сигнала цифрового сообщения, блок автономного питания и приемник глобальной навигационной спутниковой системы с приемной навигационной антенной. В качестве приемника глобальной навигационной спутниковой системы используется, либо навигационный приемник глобальной навигационной системы GPS, либо навигационный приемник глобальной навигационной системы ГЛОНАСС, либо совмещенный приемник глобальной навигационной системы ГЛО-HACC/GPS.
Известный из патента RU 68139 радиобуй имеет автономный источник батарейного питания однократного действия, что сильно удорожает стоимость эксплуатации, так как требует периодической замены элементов питания из-за старения. Недостатком радиобуя является то, что сообщение радиобуя не имеет точной привязки момента излучения по сигналу навигационного приемника GPS или ГЛОНАСС/GPS, причем формат сообщения может быть изменен частично не чаще 1 раз в 15 мин. Как правило, время работы радиобуя на излучение не превышает 24 ч, что достаточно для проведения спасения терпящих бедствие, но не достаточно для долговременного сбора метеоинформации или определения трассы перемещения подвижного объекта, например морского судна.
Наиболее близким к изобретению является радиобуй космической системы поиска и спасания известный из патента RU 61436 от 25.10.2006 г., предназначенный для непрерывного и долговременного формирования импульсного радиосигнала (посылок) необходимого для автономного определения параметров орбиты низкоорбитальных ИСЗ на станциях приема и обработки информации системы КОСПАС-САРСАТ, а так же для контроля работоспособности бортовых радиокомплексов ИСЗ системы КОСПАС-САРСАТ. Радиобуй (орбитографический радиобуй) включает передающую антенну с линейной или правой круговой поляризацией, моноблок, внешний источник электропитания и рубидиевый стандарт частоты. Моноблок включает внутренний опорный генератор, блок управления и коммутации, передающее устройство, источник вторичного питания и программно-временное устройство. Блок управления и коммутации и программно-временное устройство подключены к передающему устройству. Блок управления и коммутации осуществляет переключение сигналов на передающее устройство либо от внутреннего опорного генератора либо от внешнего опорного генератора, которым является рубидиевый стандарт, частоты. Электропитание моноблока осуществляется, либо от сети ~220 В/50 Гц и внутреннего источника вторичного питания, либо от внешнего источника электропитания, переключение электропитания производиться блоком управления и коммутации автоматически при пропадании сети ~220 В/50 Гц от внешнего источника электропитания. Программно временное устройство осуществляет формирование цифрового сообщения радиобуя и периода повторения посылок. Радиобуй имеет повышенную стабильность несущей частоты, фиксированный период повторения посылок равный 30 с и работает непрерывно 24 ч часа в сутки, 365 дней в году и установлен в точно известном месте.
-7
-11
-9
-10
Недостатком известного из патента RU 61436 радиобуя является неизменное во времени содержание посылок (цифрового сообщения), которое не может быть изменено. Наличие в составе радиобуя рубидиевого стандарта частоты сильно удорожает стоимость радиомаяка, причем современные термостатированные опорные генераторы при стоимости в 5-10 меньше чем рубидиевый стандарт частоты имеют долговременную стабильность не хуже 5×10 за 10 лет, кратковременную стабильность частоты (вариацию Аллана) не более 3×10 за 1 с, линейном дрейфе частоты не более ±2×10 за 1 мин и среднеквадратическое отклонение от линейного дрейфа менее 3×10.
Техническим результатом предложенного устройства является разработка универсальной АПД, обеспечивающей непрерывное круглосуточную передачу телеграмм в системе передачи данных через низкоорбитальные КА «Метеор-М», «Стерх» и геостационарные КА «Электро-Л», «Луч-5А» и «Меteosat». АПД обеспечит формирование сигнала с требуемой стабильностью несущей частоты, уровня сигнала, значения фазовой модуляции в течение длительного срока эксплуатации для осуществления передачи на Землю собранной информации через спутниковый канал связи и определения координат АПД. Работа АПД в низкоорбитальной и геостационарной системе сбора и передачи данных обеспечивается блоком передатчика, который под управлением ПЭВМ, формирует литеру несущей частоты, скорость передачи информации, длительность участка излучения чистой несущей и цифровое сообщение. Применение двух типов антенн в составе АПД - малонаправленной для работы в низкоорбитальной системе ССПД (далее НО ССПД) и направленной для работы в геостационарной системе ССПД (далее ГС ССПД) обеспечивает универсальность использования АПД с разными КА.
Заявленная полезная модель устранит недостатки известного технического решения и позволит передавать со стационарных АПД информацию в НО и ГС ССПД, а за счет выбора литеры несущей частоты, изменения скорости передачи сообщения существенно повысить надежность передачи информации в условиях воздействия помех от наземных источников в радиолинии АПД-КА в диапазоне 401-403 МГц. Управление от ПЭВМ обеспечит гибкость в формировании структуры передаваемого сообщения в части применения различных видов помехозащищенного кодирования для повышения достоверности передачи информации. Использование навигационного приемника GPS или ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS обеспечит синхронизацию системного времени ПЭВМ с московским зимнем временем и тем самым позволит сформировать момент начала излучения цифрового сообщения каждой АПД, установленной в любой точке Земли с высокой точностью в течение всего времени работы. Синхронизация времени момента излучения каждой АПД обеспечит количество одновременно обслуживаемых АПД в НО ССПД от 1500 до 8000 шт. в зависимости от длительности передаваемого цифрового сообщения («короткого» или «длинного») при равномерном размещении АПД по Земному шару. В ГС ССПД синхронизация времени момента излучения позволит обеспечить количество одновременно обслуживаемых АПД до 160 тыс.шт.при условии передачи цифрового сообщения в выделенные синоптические сроки (каждые три часа, например в 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21 ч), равномерном размещении АПД по поверхности Земли и использовании всех 1333-х литер частот в диапазоне 401-403 МГц.
Технический результат, ожидаемый от использования предлагаемого технического решения, достигается тем, что предложена АПД, содержащая передатчик и две передающие антенны малонаправленную и направленную. Дополнительно АПД содержит ПЭВМ, источник бесперебойного питания и навигационный приемник с приемной антенной. При этом навигационный приемник, является приемником навигационных систем GPS или ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS или любым иным приемником, сочетающим в себе известные навигационные системы. Навигационный приемник конструктивно может быть выполнен в корпусе совместно с приемной антенной либо отдельно от приемной антенны и подключен к внешней приемной антенне кабелем от 3-х до 50-ти метров. Навигационный приемник подключается к СОМ порту ПЭВМ либо к входу USB. Причем электропитание навигационного приемника может осуществляться либо от внешнего дополнительного источника электропитания, работающего от источника бесперебойного питания либо от ПЭВМ по шине USB. Электропитание всех элементов АПД обеспечивается от сети переменного тока -220 В/50 Гц через источник бесперебойного питания.
Передающая малонаправленная и направленная антенна АПМ являются внешними антеннами по отношению к передатчику, выход которого соединен с входом антенны направленной или входом антенны малонаправленной соответственно через высокочастотный кабель с низкими потерями (0,1-0,05 Вт на 1 м в диапазоне 400 МГц) длиной 10-15 м.
Программное обеспечение (далее ПО), входящее в состав ПЭВМ обеспечивает управлением передатчиком, а именно формирует цифровые сообщения которые содержат: участок чистой несущей, тактовой и кадровой синхронизации, типа АПД, номера АПД и информацию о данных закодированную в коде КОИ-7. ПО ПЭВМ обеспечивает кодирование номера АПД и поля данных помехозащищенным кодом, расчет зон видимости НО КА по начальным условиям НО КА, полученным из сети ИНТЕРНЕТ в форме NORAD для передачи цифрового сообщения на НО КА только во время нахождения НО КА ССПД в зоне видимости АПД. ПО работает в операционной системе Windows XP, Windows Vista или Windows 7.
Интерфейс для ввода информации оператором имеет многооконную структуру с возможностью сохранения набранных сообщений в течение не менее полугода на жестком диске ПЭВМ. Оператор может произвольно сформировать следующие параметры передачи цифровых сообщений, а именно: длину сообщения, номер АПД-402, периода повторения цифровых сообщений, литеру несущей частоты (всего 35-ть литер в диапазоне от 401,00 МГц до 403,00 МГц) передачи сообщения, скорости передачи сообщения (100, 400 и 1200 бод), кодирования полей номера (адреса) и информации кодом КОИ 7.
ПО ПЭВМ обеспечивает синхронизацию времени ПЭВМ с использованием навигационного приемника при запуске ПО или один раз в сутки в любое установленное пользователем время. Время передачи данных в передатчик АПД синхронизировано с московским зимним временем (или к всемирному координатному времени UTC, Гринвическому времени) с точностью лучше ±0,1 с, а момент передачи цифрового сообщения в передатчик АПД синхронизован с системным временем ПЭВМ с точностью лучше ±10 мс.
Суть предложенного решения заключается в том, АПД под управлением оператора излучает цифровые сообщения, которые с высокой точностью привязаны к московском зимнему времени (или к всемирному координатному времени UTC, Гринвическому времени), которые будучи принятые и обработанные на КА НО ССПД или ретранслированные через КА ГС ССПД далее будут обработаны в региональных центрах приема и обработки данных и по наземным линиям или иным линиям связи переданы в центр системы, где совместно с изображениями поверхности Земли обеспечат более точный прогноз погоды. Возможность формировать цифровое сообщение на любой литере несущей частоты позволить гарантированно передать информацию по радиоканалу АПД-КА-РЦПОД в условиях наличия большого количества наземных помеховых сигналов в диапазоне частот 401-403 МГц.
Заявленное техническое решение поясняется чертежами.
Фиг.1 - Блок схема, поясняющая принцип передачи информации от АПД в НО и ГС ССПД;
Фиг.2 - Блок-схема АПД;
Фиг.3 - Блок-схема передатчика АПД.
Фиг.4 - Формирование фазы при бифазной модуляции несущей частоты.
Фиг.5 - Структура сообщения в НО ССПД.
Фиг.6 (а,б) - Структура сообщения в ГС ССПД.
Спутниковые системы сбора и передачи данных (см. фиг.1) включают низкоорбитальные космические аппараты космические аппараты («Метеор-3М», «Стерх» и другие, где m - целое число ≥1), геостационарные космические аппараты («Электро-Л», «MSG» и другие, где р - целое число ≥1), аппаратуру передачи данных (АПД, где n - целое число ≥1), региональные центры приема и обработки данных (РКЦПОД, где k - целое число ≥3) в настоящее время размещенные в гг. Долгопрудный, Новосибирск и Хабаровск и центр системы ССПД размещенный в г.Москве в ГУ «НИЦ «Планета»».
Аппаратура передачи данных включает следующие элементы: антенну направленную 1, для передачи сигнала на ГС КА ССПД, которая может быть выполнена в разборном варианте, антенну малонаправленную 2, для передачи сигнала на НО КА ССПД, навигационный приемник GPS или ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS (НАП 3) который конструктивно может быть выполнен в едином корпусе совместно с приемной антенной либо отдельно от приемной антенны и подключен к внешней приемной антенне коаксиальным кабелем, ПЭВМ 4, передатчик 5, монитор 6, клавиатуру 7, мышь 8 и источник бесперебойного питания 9. В состав ПЭВМ входит программное обеспечение, осуществляющее управление работой НАП 3 и передатчика 5 по СОМ порту или USB, в этом случае между ПЭВМ 4 и НАП 3 и ПЭВМ 4 и передатчиком 5 используется кабель конвертер USB - RS232.
Источник бесперебойного питания 9 обеспечивает фильтрацию входного напряжения сети 220 В/50 Гц и электропитание элементов аппаратуры передачи данных. При кратковременных пропаданиях напряжения (до 1 ч) источник бесперебойного питания 9 осуществляет электропитание элементов АПД переменным напряжением сети 220 В/50 Гц от входящих в его состав аккумуляторов с использованием преобразователя с синусоидальным выходом. При долговременном (более 1 ч) отсутствии электропитания с помощью общеупотребительного программного обеспечения входящего в состав операционной системы Windows XP или Vista 7 источник бесперебойного питания автоматически выключает ПЭВМ 4, передатчик 5 и НАП 3.
Передатчик 5 включает следующие элементы: опорный генератор 10, фазовый модулятор 11, синтезатор 12, в состав которого входят два делителя частоты ДЧ1 13 и ДЧ2 15 и фазовый компаратор 14, фильтр низкой частоты 16, генератор управляемый напряжением 17, предварительный усилитель мощности 18, усилитель мощности 19, микроконтроллер 20.
o
o
-7
-7
Передатчик 5 обеспечивает формирование рабочих частот (fc) в диапазоне 401-403 МГц (всего 35 литер) из высокостабильного сигнала опорного генератора 10 с требуемым уровнем выходной мощности (5±1 Вт), длительности излучения (от 1 до 60 с) и периодом повторения от 1 до 180 с. В качестве опорного генератора 10 может использоваться термостатированный высокоточный опорный генератор ГК-80ТС 1 (производства ОАО «Морион») с номинальным значением частоты f=10,1507 МГц. Частота опорного генератора f может регулироваться в пределах не менее ±7,5×10 (±7,6 Гц). Опорный генератор 10 обладает малым временем установления частоты с момента подачи питания, а именно за 30 с номинал устанавливается в переделах ±1×10 (±1 Гц).
Передатчик 5 формирует бифазную модуляцию несущей частоты. Формирование фазы несущей частоты осуществляет фазовый модулятор 11. Принцип формирования поясняется фиг.5. На фиг.5а) и 5б) показан вид модулирующих сигналов +Р и -Р, поступающих с микроконтролера 20 на фазовый модулятор 11. Фазовый модулятор 11 масштабирует и суммирует эти сигналы. Результирующий сигнал ±Pms, поступает с фазового модулятора 11 (показан на фиг.5в) под действием сигнала ±Pms меняет по тому же закону фазу частоты fo опорного генератора 10. Точно также, но с большим размахом происходит изменение фазы несущей частоты fc передатчика.
При этом соотношение размахов фаз частот fc и fo рассчитывается по формуле:
где:
фс - размах фазы несущей частоты fc ПРД;
фо - размах фазы частоты fo опорного генератора.
o
Например, если fc=401,969 МГц, f=10,1507 МГц то фс/фо=39,6001261.
+
-
Размах фазы фс частоты fc в заданных пределах от фc=+(1,1±0,1) до фс=-(1,1±0,1) радиан в пике по отношению к фазе немодулированной несущей обеспечивается соответствующей настройкой фазового модулятора.
Синтезатор 12 передатчика 5, работает по принципу цифрового управления петлей фазовой синхронизации. Он включает в себя два делителя частоты ДЧ1 13 и ДЧ2 15 и фазовый компаратор 14. Коэффициенты деления R делителя частоты ДЧ1 13 и N делителя частоты ДЧ2 15 устанавливаются микроконтроллером 21 по сигналам, поступающим от ПЭВМ 4. На вход делителя ДЧ1 13 поступает с выхода опорного генератора 10 через фазовый модулятор 11 сигнал с частотой fo. Этот сигнал, поделенный на коэффициент R, поступает с выхода делителя ДЧ1 13 на один из входов фазового компаратора 14. На второй вход фазового компаратора 14 поступает сигнал с выхода делителя ДЧ2 15. Вход этого делителя подключен к выходу генератора управляемого напряжением 17. Последовательно соединенные фазовый компаратор 14, фильтр низкой частоты 16, генератор управляемый напряжением 17 и ДЧ2 15 образуют петлю обратной связи кольца фазовой автоподстройки частоты. Частота работы фазового компаратора 14 определяется частотой опорного генератора 10, поделенной на коэффициент деления R делителя ДЧ1 13, и составляет:
o
Например, если f=10,1507 МГц, а R=10, то Fpc=1,1507 МГц.
Чтобы осуществлялась фазовая синхронизация частоты fc генератора управляемого напряжением 17, коэффициент деления делителя ДЧ2 15 должен быть равен:
Например, если необходимо сформировать литеру несущей частоты 401,968 МГц, а Fpc=1,1507 МГц, то N=396.
В этом случае частота работы генератора управляемого напряжением 20 составит:
o
Например, если f=10,1507 МГц, N=396, R=10, то fc=401,967720 МГц.
Таким образом, точность формирования литеры несущей частоты 401,968 МГц составит Δf=280 Гц (Δf=fc-401,968 МГц)
Так как частота fo опорного генератора 10 сигнала постоянна, то при постоянных значениях коэффициентов R и N частота Fpc работы фазового компаратора 14 также постоянна. Соответственно, постоянны напряжение на выходе фильтра низкой частоты 16 и, как следствие, частота fc работы генератора управляемого напряжением 17. При изменении значения коэффициента деления R делителя ДЧ1 13 меняется и частота Fpc работы фазового компаратора 14, что вызывает на выходе фильтра низкой частоты 16 изменение напряжения, управляющее работой генератора управляемого напряжением 17, и, соответственно частоты fc (независимо от значения коэффициентам в пределах рабочего диапазона частот генератора управляемого напряжением 17). Коэффициенты деления R и N являются целыми числами, их соотношения - дробными числами. Задавая те или иные значения коэффициентов R и N, можно устанавливать ряд частот генератора управляемого напряжением 17 и, соответственно, литер передатчика в диапазоне 401-403 МГц (всего 35).
Микроконтроллер 20 выполнен с возможностью зпоминания данных на сколько пар коэффициентов деления R и N, сколько литер несущих частот может обеспечить передатчик, сохраняя работоспособность и высокое качество выходного сигнала. При этом качественные характеристики несущих частот передатчика, определяемые в основном его опорным генератором 10 и кольцом фазовой автоподстройкой частоты, будут иметь следующие значения:
- не хуже ±500 Гц точность начальной установки несущих частот;
- не хуже ±200 Гц за 10 лет работы долговременная нестабильность частоты;
-9
- не более ±1·10 в минуту дрейф частоты за 15-минутный интервал времени работы передатчика при постоянной температуре;
-9
- не более 3·10 остаточная девиация частоты;
-9
- не более 1·10 за 100 мс передачи сигнала кратковременная нестабильность частоты;
-7
- не более ±1·10 точность установления частоты через 30 с после включения;
- уровни побочных излучений относительно уровня излучения немодулированной несущей (частоты при измерении прибором с разрешающей способностью полосы пропускания 300 Гц) - не превышают минус 75 дБ при отстройки от несущей частоты на ±40 кГц и более при любом значении скорости передачи сообщения (100, 400 и 1200 бит/с).
Для формирования выходного сигнала с требуемой выходной мощностью сигнал fc поступает с генератора управляемым напряжением 17 на предварительный усилитель мощности 18, усиливается и затем поступает на усилитель мощности 19. Выходная мощность сигнала на выходе усилителя мощности 19 составляет 5±1 Вт на нагрузке 50 Ом при КСВН не более 1,3:1.
АПД работает следующим образом.
В момент размещения АПД на объекте производиться установка двух антенн: малонаправленной антенны для передачи сигнала на НО КА ССПД и направленной антенны АПД для передачи сигнала на ГС КА ССПД. Подключается высокочастотный кабель к передатчику и к антенне, которая будет использоваться в дальнейшем.
ПЭВМ, передатчик и навигационный приемник устанавливаются в помещении и подключаются к сети переменного тока через источник бесперебойного питания. Антенна навигационного приемника устанавливается рядом с окном (на расстоянии до 50 см от окна). ПЭВМ подключается к сети ИНТЕРНЕТ (если есть такая возможность). Включается источник бесперебойного питания, далее ПЭВМ и навигационный приемник. Далее при подаче питания от источника бесперебойного питания и переводе тумблера «ВКЛ» на передатчике в положение включено устанавливается режим «Ожидание». В этом режиме вся схема передатчика находится под напряжением, микроконтроллер готов к приему и исполнению команд от внешней ПЭВМ.
При включении ПЭВМ его программное обеспечение синхронизирует системное время ПЭВМ по сигналу навигационного приемника, а так же определяет координаты места установки АПД. При подключении к сети ИНТЕРНЕТ ПО ПЭВМ получает эфемериды низкоорбитальных КА и рассчитывает зоны видимости для точки работы АПД на 3-5 суток для передачи сообщения в момент нахождения КА над АПД.
Оператор ПЭВМ, запуская программу формирования цифровых сообщений выбирает формат сообщения для НО или ГС ССПД, устанавливает период передачи сообщения, набирает передаваемое сообщение и выдает команду на излучение ее в эфир. Сообщение излучается в том режиме, который установил оператор в программе ПЭВМ. Структура сообщения (телеграммы) в НО ССПД приведена на фиг.5, в ГС ССПД на фиг.6 (а, б). Объем полезной информации в одной телеграмме АПД в НО ССПД составляет 28 байт (букв)/229 байт (букв) в «коротком»/«длинном» сообщении, соответственно. В ГС ССПД объем полезной информации в одной телеграмме АПД составляет от 1 до 649 байт (букв) в сообщении, синхронизированном по времени передачи или от 1 до 28 байт («букв») в «штормовом» сообщении, которое оператор может передать в любой момент времени.
Для передачи нового сообщения, оператор останавливает передачу сообщения, далее набирает новое сообщение, устанавливает режим передачи сообщения и выдает команду на излучение сообщения в эфир. Все передаваемые сообщения сохраняются в памяти ПЭВМ в течение полугода и более.
Таким образом, аппаратура передачи данных для спутниковых систем сбора и передачи данных обеспечит непрерывную и долговременную передачу цифровых сообщений (телеграмм) объемом от 1 до 669 байт с наземных стационарных объектов в центр системы сбора данных глобально по всему земному шару. АПД обеспечивает формирование сообщений с высокой достоверностью передачи информации, высокой точностью привязки момента передачи сообщения и на многих литерах несущей частоты в полосе 401-403 МГц тем самым обеспечивая большое количество одновременно обслуживаемых АПД в системе сбора и передачи данных как низкоорбитальной, так и геостационарной в условиях воздействия помех в радиолинии АПД-КА.