СПОСОБ КОМПОНОВКИ ПРИЕМНОЙ СИСТЕМЫ ГЕОСТАЦИОНАРНОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ДЛЯ СВЯЗИ С НИЗКООРБИТАЛЬНЫМИ ОБЪЕКТАМИ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
METHOD FOR CONFIGURATION OF RECEIVING SYSTEM OF GEOSTATIONARY SPACECRAFT TO COMMUNICATE WITH LOW-ORBIT OBJECTS OF ROCKET AND SPACE EQUIPMENT

Изобретение относится к области конструирования бортовых ретрансляционных комплексов (БРК) геостационарных космических аппаратов (ГКА), предназначенных для ретрансляции информации между низкоорбитальными объектами ракетно-космической техники (РКТ) и центрами управления и приема сообщений.
Как показывает мировой и отечественный опыт, при информационном обмене с объектами РКТ (ракетами-носителями, разгонными блоками, космическими аппаратами различного назначения) одной из главных задач ГКА является ретрансляция низкоскоростной телеметрической информации от объектов РКТ с ненаправленными антеннами и высокоскоростной информации от космических аппаратов дистанционного зондирования Земли. Для решения этой задачи БРК ГКА должен обладать по возможности большим значением параметра качества на прием G/T. Увеличение коэффициента усиления приемной антенны G достигается установкой на ГКА перенацеливаемых антенн большого диаметра, как это имеет место на зарубежных ГКА семейства TDRS и российских ГКА серии «Луч-5» [1].
Немаловажную роль в повышении параметра G/T играет и снижение шумовой температуры Т приемной системы ГКА, состоящей из антенны, фидерного тракта и приемного устройства, в качестве которого выступает малошумящий усилитель (МШУ).
Как известно, полная эквивалентная шумовая температура приемной системы, пересчитанная ко входу МШУ, может быть описана следующим выражением [2, с. 172]:
A
o
МШУ
ф
где T - эквивалентная шумовая температура антенны; T - абсолютная температура окружающей среды; Т - эквивалентная шумовая температура МШУ, обусловленная его внутренними шумами, которые тем выше, чем больше температура нагрева МШУ; η - коэффициент передачи фидерного тракта.
Коэффициент передачи фидерного тракта тем выше, чем меньше его длина. Поэтому МШУ как на земных станциях [2, с. 353], так и на ГКА-ретрансляторах [3, с. 94] стараются устанавливать как можно ближе к приемным антеннам.
Одним из примеров реализации данного принципа компоновки приемной системы спутника являются приемные системы спутников подвижной связи типа Thuraya с многолучевыми антеннами большого диаметра и облучающими решетками, построенными по типу активных фазированных антенных решеток, в которых каждый излучатель «привязан» к своему МШУ [4, с. 382-385].
Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип заявляемого способа компоновки приемной системы, является способ, предложенный для реализации в космическом аппарате по патенту РФ на промышленный образец RU №83549. В соответствии с этим способом каждую крупногабаритную параболическую антенну устанавливают на штанге в раскрытом положении, часть блоков ретранслятора размещают в приборном отсеке, а часть, в том числе приемный блок ретранслятора и входящий в его состав МШУ - на штанге в непосредственной близости от установленной на ней антенны.
В частности, по описанному выше способу построен геостационарный ГКА «Луч-5А», крупногабаритные антенны которого предназначены для информационного обмена с низкоорбитальными объектами РКТ [1].
o
ф
А
МШУ
Недостатком вышеуказанных способов компоновки МШУ является то, что при реализации их на ГКА в силу функционирования последних в условиях переменной освещенности Солнцем аппаратуры, расположенной на внешних элементах ГКА, в том числе и на антенных штангах, в соответствии с формулой (1) вследствие характерной для условий космического пространства большой разницы температур окружающей среды T на освещенных и теневых участках конструкции ПСА наблюдается существенное изменение шумовой температуры приемной системы ПСА, а значит и параметра G/T. Так, например, при изменении температуры окружающей среды от минус 100°С (173 К) до плюс 100°С (373 К) и при η=0,63 (что соответствует потерям в фидерном тракте, равным 2 дБ) изменение шумовой температуры приемной системы составит 73 К. Таким образом, при Т=290 К и Т=100 К снижение параметра G/T за счет вышеуказанного увеличения температуры окружающей среды фидерного тракта может составить около 0,8 дБ.
Другим недостатком является сложность обеспечения необходимого для посадочного места МШУ, устанавливаемого на антенной штанге, рабочего температурного режима, который должен поддерживаться в пределах примерно от минус 30°С до плюс 10°С. Важность его поддержания для МШУ можно проиллюстрировать следующим примером. У МШУ фирмы LNR Communications Inc. различных моделей исполнения и разных частотных диапазонов при изменении температуры окружающей среды от плюс 23°С до плюс 50°С приращение шумовой температуры составляет от 3 до 20 К. Т.е. повышение рабочей температуры МШУ приводит к дополнительному снижению параметра G/T.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение параметра G/T приемной системы ретранслятора, получаемое за счет улучшения температурных условий эксплуатации элементов приемной системы - МШУ и фидерных трактов, устанавливаемых на антенных штангах.
Поставленная цель достигается компоновкой приемной системы ПСА таким образом, что устанавливают на антенной штанге два комплекта входящих в состав ретранслятора МШУ, работающих в одинаковых диапазонах частот, размещают указанные комплекты МШУ на установочных плитах, которые располагают на северной и южной сторонах антенной штанги, плоскости установочных плит ориентируют параллельно плоскости геостационарной орбиты, размеры установочных плит выбирают не менее размеров посадочных мест под указанными комплектами МШУ и обеспечивают теплоизоляцию боковой поверхности корпусов МШУ.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1÷4, где:
- на фиг. 1 показано взаимное расположение Земли и Солнца в дни летнего и зимнего солнцестояния, а также в дни весеннего и осеннего равноденствия;
- на фиг. 2 приведен общий вид ГКА серии «Луч-5», предназначенного для связи с объектами РКТ;
- на фиг. 3 показана освещенность солнечными лучами блоков МШУ ГКА, расположенных на антенных штангах в дни солнцестояний и равноденствий;
- на фиг. 4 представлена упрощенная схема размещения блоков МШУ на антенной штанге в соответствии с предлагаемым изобретением.
На фиг. 1÷4 введены следующие обозначения:
1 - геостационарная орбита (ГСО);
2 - плоскость экватора и ГСО;
3 - ось вращения Земли;
4 - плоскость орбиты Земли;
5 - Земля;
6 - орбита Земли;
7 - Солнце;
8 - точка летнего солнцестояния;
9 - точка зимнего солнцестояния;
10 - точка весеннего равноденствия;
11 - точка осеннего равноденствия;
12 - внешние блоки ретранслятора;
13 - рефлектор крупногабаритной параболической антенны;
14 - антенная штанга;
15 - приборный отсек;
16 - блок МШУ на северной стороне антенной штанги;
17 - блок МШУ на южной стороне антенной штанги;
18 - солнечные лучи;
19 - установочная плита.
ГСО 1, используемая подавляющим большинством спутниковых систем связи, вещания и ретрансляции данных, лежит в плоскости земного экватора 2, т.е. в плоскости, перпендикулярной оси вращения Земли 3. В свою очередь, ось вращения Земли 3 имеет наклон к плоскости орбиты Земли 4 примерно на 66,5°. При движении Земли 5 по орбите 6 вокруг Солнца 7 ось вращения Земли 3 сохраняет свое положение, вследствие чего на Земле 5 наблюдаются дни летнего и зимнего солнцестояния при нахождении Земли 5 соответственно в точках летнего 8 и зимнего 9 солнцестояния, а также дни весеннего и осеннего равноденствия при нахождении Земли 5 соответственно в точках весеннего 10 и осеннего 11 равноденствия [2, с. 36-37] (фиг. 1).
В этом случае блоки МШУ и фидерные тракты, входящие в состав внешних блоков ретранслятора 12 и размещенные позади рефлектора крупногабаритной параболической антенны 13, например, на северной стороне антенной штанги 14 ГКА с фиксированным положением в пространстве (фиг. 2), при движении Земли 5 по орбите 6 вокруг Солнца 7, а вместе с ней и ГКА по ГСО 1 в период между точками весеннего 10 и осеннего 11 равноденствия будут подвержены прямому воздействию солнечных лучей. В то же время при движении Земли 5 и ГКА в период между точками осеннего 11 и весеннего 10 равноденствия эти же блоки МШУ и фидерные тракты будут затенены элементами конструкции антенной штанги 14.
Для блоков МШУ и фидерных трактов, размещенных на южной стороне антенной штанги 14, ситуация будет прямо противоположной.
Необходимо отметить, что для приборов ретранслятора, размещаемых в приборном отсеке 15 ГКА, заданный температурный режим поддерживается регулированием параметров теплообмена приборов ретранслятора с радиатором и радиатора с окружающим космическим пространством. Для приборов на антенных штангах 14 параметры теплообмена не регулируются, а заданный диапазон температур поддерживается за счет выбора на этапе проектирования оптических характеристик терморегулирующих покрытий, способов теплопередачи и типа теплоизоляции. И если благодаря активной системе терморегулирования спутника температурный режим приборов в приборном отсеке 15 легко поддерживается при любой ориентации ГКА, то обеспечение температурного режима приборов на антенных штангах 14 с помощью пассивной системы терморегулирования вызывает существенные проблемы - отвод тепла в период пребывания приборов и трактов на освещенной Солнцем стороне штанг 14 и подогрев в период пребывания на теневой стороне.
Как было отмечено выше, для фидерных трактов и МШУ наиболее благоприятным с точки зрения минимизации шумовой температуры приемной системы является режим работы при пониженной температуре, а это означает размещение МШУ и фидерного тракта связи с антенной на теневой стороне штанги 14. Для достижения требуемого температурного режима МШУ и фидерных трактов в основу предлагаемого способа положена установка двух комплектов МШУ, расположенных на противоположных сторонах антенной штанги 14, с подключением в данный момент к антенне того комплекта, который находится на теневой стороне штанги 14. При этом требуемый температурный режим поддерживается с помощью электрообогревателей и экранно-вакуумной теплоизоляции.
Исходя из условий освещенности при различных положениях ГКА на ГСО 1, указанные комплекты МШУ целесообразно разместить на северной и южной сторонах антенной штанги 14 и производить их переключение в момент изменения освещенности плоскости ГСО 2, которое наблюдается при переходе Земли 5 через точки весеннего 10 и осеннего 11 равноденствия.
Это наглядно иллюстрируется фиг. 3, на которой показаны три основных варианта освещенности солнечными лучами 18 рефлектора крупногабаритной параболической антенны 13 вместе с размещенными на штанге 14 блоками МШУ: блоками МШУ 16 на северной стороне антенной штанги 14 и блоками МШУ 17 на южной стороне штанги 14.
Первый вариант (верхний чертеж на фиг. 3) соответствует нахождению Земли 5 в точке летнего солнцестояния 8, когда в любой точке ГСО 1 (условно показаны только три положения на ГСО, представленной в виде ее плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа) преимущественному тепловому воздействию солнечных лучей 18 подвергается блок МШУ 16, находящийся на северной стороне антенной штанги 14. В то же время блок МШУ 17 на южной стороне штанги 14 (заштриховано) в основном находится в тени штанги. Следует отметить, что даже при крайнем левом положении ГКА на ГСО 1 блок МШУ 16 освещается солнечными лучами через рефлектор 13, который для большинства крупногабаритных параболических антенн имеет сетчатую конструкцию.
Второй вариант (средний чертеж на фиг. 3) соответствует периоду весеннего или осеннего равноденствия, когда блоки МШУ 16 и 17 в одинаковой степени освещены солнечными лучами 18, при этом ГКА в крайнем левом положении на ГСО 1 находится в тени Земли 5.
Наконец, третий вариант (нижний чертеж на фиг. 3) соответствует нахождению Земли 5 в точке зимнего солнцестояния 9, когда в любой точке ГСО 1 преимущественному тепловому воздействию солнечных лучей 18 подвергается уже блок МШУ 17, находящийся на южной стороне антенной штанги 14. В то же время блок МШУ 16 на северной стороне штанги 14 (заштриховано) в основном находятся в ее тени.
Таким образом, для улучшения температурных условий эксплуатации элементов приемной системы (МШУ и фидерных трактов), устанавливаемых на антенной штанге и, в конечном счете, повышения параметра G/T приемной системы ретранслятора необходимо:
- реализовать входное устройство приемной системы ретранслятора, работающее в определенном частотном диапазоне, в виде двух комплектов МШУ - «северного» и «южного», каждый из которых работает при нахождении в тени штанги;
- обеспечить размещение установочных плит, на которых монтируются указанные комплекты МШУ, на северной и южной сторонах антенной штанги в плоскости, параллельной плоскости ГСО. Размеры установочных плит должны быть не менее размеров посадочных мест под комплектами МШУ;
- обеспечить теплоизоляцию боковой поверхности корпусов МШУ, которая в той или иной степени подвержена воздействию солнечного излучения даже у комплектов МШУ, находящихся в тени штанги. При этом открытая верхняя поверхность корпуса работающего комплекта МШУ служит в качестве радиатора, осуществляющего сброс избыточного тепла в окружающее пространство.
Поддержание требуемого пространственного положения установочных плит, а вместе с ними и антенной штанги - вполне реализуемая задача для спутника с трехосной системой ориентации.
Размещение комплектов МШУ показано на фиг. 4. На антенной штанге 14, к которой крепится рефлектор крупногабаритной параболической антенны 13, смонтированы также установочные плиты 19, к которым крепятся «северный» 16 и «южный» 17 комплекты МШУ.
Теплоизоляция боковых поверхностей корпусов МШУ (на фиг. 4 не показана) осуществляется с помощью широко используемой на космических аппаратах экранно-вакуумной теплоизоляции, представляющей собой конструкцию из нескольких слоев металлизированной алюминием пленки, разделенных между собой рифлением ее поверхности или установкой сетчатых прокладок [3, с. 354].
Использование предлагаемого способа обеспечивает повышение параметра G/T приемной системы ретранслятора, получаемое за счет улучшения температурных условий эксплуатации элементов приемной системы (МШУ и фидерных трактов), устанавливаемых на антенной штанге.
По результатам проведенного авторами анализа известной патентной и научно-технической литературы не обнаружена совокупность признаков, эквивалентных (или совпадающих) с признаками данного предлагаемого изобретения, поэтому заявители склонны считать техническое решение отвечающим критерию «новизна».
Предложенное авторами техническое решение в настоящее время реализовано в функционирующих ГКА для информационного обмена с объектами РКТ.
Литература
1. А.В. Кузовников, В.А. Мухин, Ю.Г. Выгонский, В.В. Головков, С.М. Роскин. Многофункциональная космическая система ретрансляции «Луч» - новая российская система для оперативного информационного обмена с низкоорбитальными космическими аппаратами // Наукоемкие технологии, №9, т. 15, 2014, с. 20-23.
2. Спутниковая связь и вещание: Справочник. - 3-е изд., перераб. и доп. / В.А. Бартенев, Г.В. Болотов, В.Л. Быков и др.; Под. ред. Л.Я. Кантора. - М.: Радио и связь, 1997. - 528 с.
3. Чеботарев В.Е., Косенко В.Е. Основы проектирования космических аппаратов информационного обеспечения: учеб. пособие / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. - Красноярск, 2011. - 488 с.
4. Волков Л.Н., Немировский М.С., Шинаков Ю.С. Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики: Учеб. пособие. - М.: Эко-Трендз, 2005. - 392 с.