Система управления полетом космического аппарата с применением в качестве ретрансляторов низкоорбитальных спутников, связанных между собой межспутниковыми линиями связи
SPACECRAFT FLIGHT CONTROL SYSTEM USING LOW-ORBIT SATELLITES INTERCONNECTED BY INTER-SATELLITE LINKS AS TRANSPONDERS

Предлагаемое изобретение относится к области космонавтики, а именно к области управления полетом космических аппаратов (КА).
Известен способ управления полетом КА центром управления полетом (ЦУП), который может принимать от КА (объекта управления) телеметрическую информацию (ТМИ) и передавать на него командно-программную информацию (КПИ), только на тех участках орбиты, на которых трасса полета КА (объекта управления) проходит в зоне радиовидимости (ЗРВ) одного их командно-измерительных пунктов (КИП).
Недостатком указанного способа является необходимость распределения громадного количества КИП по поверхности земного шара для обеспечения непрерывной связи ЦУП с КА.
Из уровня техники известен способ космической связи (RU2549832C2, опубл. 27.07.2015) [1], в соответствии с которым ведомые спутники оборудуются аппаратурой радионавигации, системой навигации и управления движением; межспутниковую связь дополняют служебными двусторонними каналами связи; ведущие спутники располагают в зонах видимости адресных наземных пунктов связи, недоступных для ведомых спутников, управление ведомыми спутниками и контроль над их техническим состоянием производят посредством ведущего спутника, находящегося постоянно в зонах видимости хотя бы одного наземного командно-измерительного пункта и наземного пункта связи – антиподов адресным наземным пунктам связи.
Недостатком указанного способа являются большие задержки передачи информации.
Из уровня техники также известна многоуровневая система спутниковой связи (см.RU2575632C2, опубл.20.02.2016) [2], которая является наиболее близким аналогом заявленной системы и представляет собой группировку из трех спутников-ретрансляторов, равномерно разнесенных относительно друг друга по геостационарной орбите и орбитальной группировки космических аппаратов наблюдения и связи, состоящей из низковысотной группировки космических аппаратов наблюдения и средневысотной группировки космических аппаратов связи, наземный сегмент состоит из наземных комплексов приема-передачи целевой информации и управления низковысотной группировкой космических аппаратов наблюдения и средневысотной группировкой космических аппаратов связи, а также из наземных комплексов приема-передачи целевой информации и управления орбитальной группировкой спутников-ретрансляторов на геостационарных орбитах.
Недостатками аналога [2] являются:
1) большие задержки в каналах спутниковой связи, снижающие оперативность получения телеметрической информации (ТМИ) от объекта управления и доведения управляющей информации до объекта управления, обусловленные тем, что высота орбиты спутников-ретрансляторов (СР) на геостационарных орбитах (ГСО) составляет около 36 000 км;
2) низкая отказоустойчивость (живучесть) системы связи, обусловленная тем, что при выходе из строя одного СР на ГСО будет потеряна связь с группой космических аппаратов, находящихся в его зоне радиовидимости;
3) необходимость постоянного наведения остронаправленных антенных систем геостационарных спутников-ретрансляторов на космический аппарат, являющийся объектом управления, возникающей вследствие большой протяженности межспутниковой радиолинии (МРЛ).
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение оперативности управления полетом низкоорбитальных КА путем уменьшения задержек передачи управляющей информации в канале спутниковой связи, повышение отказоустойчивости системы управления полетом КА, находящихся на низких орбитах, упрощение алгоритмов установления и обеспечения связи в межспутниковых радиолиниях (МРЛ) между СР и КА объектом управления вследствие отсутствия необходимости наведения остронаправленных антенн.
Заявляемый технический результат достигается посредством создания системы управления полетом космического аппарата, представляющей собой спутниковую цифровую транспортную сеть передачи информации управления от центра управления полетом до космического аппарата-объекта управления в прямом и обратном каналах связи, через низкоорбитальные космические аппараты-ретрансляторы, каждый из которых связан межспутниковыми радиолиниями с соседними космическими аппаратами и с радиолинией «борт-Земля», при этом каждый низкоорбитальный спутник-ретранслятор снабжен двумя малонаправленными приемо-передающими антеннами, расположенных по осям минус Y и +Y, представляющими собой открытые концы волноводов или спиральные антенны, или систему спиральных антенн, которые обеспечивают обмен информацией с КА объектом управления, при этом каждый космический аппарат-объект управления снабжен двумя или четырьмя малонаправленными приемо-передающими антеннами, расположенными по осям минус Y и +Y и представляющими собой открытые концы волноводов или спиральные  антенны, или систему спиральных антенн.
Заявляемое изобретение проиллюстрировано следующими фигурами:
Фиг. 1 – Схема организации связи и управления с применение одного низкоорбитального спутника-ретранслятора (НСР).
Фиг. 2 – Схема организации связи и управления с применение двух НСР.
На фиг. 1, 2, позиции обозначают следующее:
1 – центр управления полетом (ЦУП);
2 – шлюзовая станция (ШС);
3 – низкоорбитальный спутник-ретранслятор (НСР);
4 – космический аппарат-объект управления (КА);
5 – маршрутизатор;
6 – бортовой радиотехнический комплекс (БРТК) фидерной радиолинии;
7 – БРТК межспутниковой радиолинии НСР-НСР;
8 – БРТК межспутниковой радиолинии НСР-КА;
9 – БРТК межспутниковой радиолинии;
10 – бортовой комплекс управления (БКУ);
11 – фидерная радиолиния (ФРЛ);
12 – межспутниковая радиолиния (МРЛ);
13 – резервная ФРЛ.
Заявляемая система управления полетом космических аппаратов с применением в качестве ретрансляторов низкоорбитальных спутников-ретрансляторов (системы низкоорбитальных спутников), содержит космические аппараты, каждый из которых связан межспутниковыми радиолиниями с соседними космическими аппаратами и с радиолинией «борт-Земля», каждый низкоорбитальный спутник снабжен двумя малонаправленными приемо-передающими антеннами, расположенными по осям минус Y и +Y, представляющими собой открытые концы волноводов или спиральные антенны, или систему спиральных антенн, которые обеспечивают обмен информацией с КА объектом управления.
Для связи с НСР космический аппарат-объект управления должен быть также оснащен двумя или четырьмя малонаправленными приемо-передающими антеннами, расположенными по осям минус Y и +Y, представляющими собой открытые концы волновода или спиральные антенны, или систему спиральных антенн.
Для передачи управляющей информации полетом КА по МРЛ Регламентом радиосвязи распределена полоса частот в S-диапазоне (прямой канал связи 2025–2110 МГц и обратный канал связи 2200–2290 МГц).
Работа НСР с КА, являющимися объектами управления, осуществляется в режиме многостанционного доступа, аналогично работе НСР с абонентскими терминалами (АТ) наземных пользователей и осуществляется в радиолинии НСР – КА (в прямом канале) по технологии частотно-кодового разделения каналов (MF-CDMA). Каждому КА предоставляется две фиксированные частоты в S-диапазоне и две кодовые комбинации расширения спектра для обеспечения работы на прием и передачу. При пролете КА-объекта управления относительно НСР постоянно осуществляются процедуры эстафетной передачи («хэндовера») между разными НСР, обеспечивающими постоянную связь КА с ЦУПом посредством ретрансляции информации через НСР. Критерием выбора космическим аппаратом-объектом управления низкоорбитального спутника-ретранслятора является максимальное значение соотношения сигнал-шум пилот-сигнала, получаемого от НСР, на входе приемного тракта КА-объекта управления. Для установления связи КА-объекта управления с НСР осуществляются процедуры аутентификации, регистрации и установления VPN-туннелей для защиты информации.
Таким образом, система спутниковой связи (ССС) на НСР представляет собой спутниковую цифровую транспортную сеть передачи данных, предназначенную для ретрансляции информации управления от ЦУПа до КА-объекта управления в прямом и обратном каналах связи. Применение ССС на НСР позволит с одной шлюзовой станции, установившей связь с НСР, иметь доступ одновременно ко всем КА-объектам управления различных низкоорбитальных группировок, что обеспечит высокую надежность и оперативность системы управления.