Спутниковая система, управляемая по межспутниковой радиолинии
SATELLITE SYSTEM CONTROLLED BY INTER-SATELLITE RADIO LINK

Предлагаемое изобретение относится к области космонавтики, а именно к области управления полетом космическими аппаратами.
Общеизвестна и широко используется система подвижной персональной спутниковой связи (СППСС) «Iridium», в которой для обеспечения маршрутизации передачи информации от абонента к абоненту каждый космический аппарат связан с четырьмя соседними космическими аппаратами межспутниковыми радиолиниями, а также радиолинией «Земля - борт» с наземным комплексом управления. В свою очередь, в изобретении предлагается комплекс технических средств, который позволит с равной эффективностью обеспечить, как управление космическими аппаратами орбитальной группировкой, так и решение целевых задач решаемых орбитальной группировкой, то есть связь, дистанционное зондирование Земли и т.п.
Из уровня техники известна многоуровневая система спутниковой связи (см. RU 2575632 C2, опубл. 20.02.2016) (1), которая 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.
Недостатком аналога (1) является применение тяжелых и дорогостоящих геостационарных спутников, которые также не являются оптимальными для передачи информации, так как геостационарные линии характеризуются большими задержками, чем межспутниковые.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ управления космической системой связи (см. RU 2591006 С2, опубл. 10.07.2016) (2). Способ включает формирование межспутниковой радиолинии (МРЛ) между космическими аппаратами (КА), расположенными в одной орбитальной плоскости. По МЛР последовательно передают сигналы с одного выбранного КА, осуществляющего связь с наземным комплексом, на остальные КА. При этом одна из антенных решеток приемо-передающего модуля каждого КА направлена на смежный КА, расположенный спереди по ходу, а другая решетка - на КА, расположенный сзади по ходу его орбитального движения. Антенные решетки имеют сканирующие диаграммы направленности в плоскости орбиты системы. В каждом сеансе связи определяют и запоминают параметры ориентации приемопередающих модулей по тангажу и рысканию, при которых обеспечивается приемопередающая зона МРЛ. Эти параметры передают с выбранного КА на остальные КА.
Недостатком наиболее близкого аналога (2) является то, что он не позволяет передавать в одной радиолинии (линии передачи данных) разнородную информацию, например, трафик канала управления полетом и трафик информационных сообщений, что замедляет и усложняет управление полетом.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение и переход на новый уровень качества управления орбитальной группировкой и одновременно увеличение скорости передачи информации.
Заявленный технический результат достигается посредством создания спутниковой системы, управляемой по межспутниковой радиолинии, содержащей космические аппараты, каждый из которых связан межспутниковыми радиолиниями с четырьмя соседними космическими аппаратами и радиолинией борт-Земля с наземным комплексом управления, при этом космические аппараты системы расположены на изомаршрутных орбитальных плоскостях на одинаковой высоте орбиты, при этом каждый КА одновременно выполняет функцию ретранслятора информации управления и объекта управления, посредством передачи данных по радиолинии борт-Земля и межспутниковых радиолиний по протоколу TCP/IP, а также контроля бортовой аппаратуры космических аппаратов с использованием программно-аппаратных средств автоматизированной системы управления SCADA таким образом, что каждый космический аппарат может осуществлять передачу к любому космическому аппарату системы посредством межспутниковых радиолиний с полносвязанным графом топологии сети, обеспечивающим адаптивную маршрутиризацию в межспутниковых радиолиниях.
В частном варианте выполнения передачу информации канала управления обеспечивают фидерные и межспутниковые радиолинии с применением стека протоколов TCP/IP.
В частном варианте выполнения для сбора, обработки, передачи и отображения телеметрической информации, а так же для формирования и передачи команд управления применяется SCADA-система.
Предложенная спутниковая система, управляемая по межспутниковой радиолинии следующими схемами.
Фиг. 1 - топологическая схема организации связи при управлении полетом орбитальной группировки по межспутниковым радиолиниям в виде объемного графа.
Фиг. 2 - топологическая схема организации связи при управлении полетом орбитальной группировке по межспутниковым радиолиниям в виде плоского графа.
Фиг. 3 - сетевая архитектура сети управления полетом орбитальной группировки.
Фиг. 4 - логическая схема доступа оператора центра управления полетом к системе управления бортовой аппаратурой.
Фиг. 5 - функциональные схемы космического аппарата с, соответственно, традиционной системой управления.
Фиг.6 - функциональные схемы космического аппарата с системой управления по межспутниковым радиолиниям с применением стека протоколов передачи данных TCP/IP и контроля бортовой аппаратуры космических аппаратов с использованием программно-аппаратных средств автоматизированной системы управления SCADA.
Отдельные элементы топологической схемы на фиг. 1 обозначены следующим образом:
МСС - центр управления полетом (ЦУП);
CS 1 ÷ CS 2 - командно-измерительные системы КИС №1 ÷ КИС №3; Al ÷ А6 - низкоорбитальные космические аппараты орбитальной плоскости №1, имеющей условное обозначение А;
B1 ÷ В6 - низкоорбитальные космические аппараты орбитальной плоскости №2, имеющей условное обозначение В;
С1 ÷ С6 - низкоорбитальные космические аппараты орбитальной плоскости №1, имеющей условное обозначение С;
D1 ÷ D6 - низкоорбитальные космические аппараты орбитальной плоскости №1, имеющей условное обозначение D;
Е1 ÷ Е6 - низкоорбитальные космические аппараты орбитальной группировки №1, имеющей условное обозначение Е;
F1 ÷ F6 - низкоорбитальные космические аппараты орбитальной плоскости №1, имеющей условное обозначение F.
Отдельные элементы функциональных схем на фиг. 5, фиг. 6 обозначены следующим образом:
1 - фидерная радиолиния (ФРЛ);
2 - межспутниковая радиолиния (МРЛ);
3 - командная радиолиния (КРЛ);
4 - шлюзовая станция (ШС);
5 - бортовой радиотехнический комплекс (БРТК);
6 - бортовая командно-измерительная система (БА КИС);
7 - командно-измерительная станция (КИС);
8 - персональный компьютер (ПК);
9 - датчики;
10 - исполнительное устройство (ИУ);
11 - бортовая навигационная система (БНС);
12 - объединенная двигательная установка (ОДУ);
13 - система электропитания;
14 - система терморегулирования;
15 - система ориентации солнечных батарей;
16 - система ориентации и стабилизации;
17 - бортовая центральная вычислительная машина;
18 - бортовая телеметрическая система;
19 - маршрутизатор;
20 - модем;
21 - центр управления полетом (ЦУП).
22 - космический аппарат (КА).
Предложена спутниковая система, управляемая по межспутниковой радиолинии, в которой каждый космический аппарат связан с четырьмя соседними космическими аппаратами межспутниковыми радиолиниями, а также радиолинией «Земля - борт» с наземным комплексом управления; наземный комплекс управления и радиолинии обеспечивают передачу, по меньшей мере, двух типов данных (информацию полезной нагрузки и информацию каналу управления) по стеку протоколов передачи данных TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) и контроль бортовой аппаратуры космических аппаратов с использованием программно-аппаратных средств автоматизированной системы управления SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition). Космические аппараты системы расположены на изомаршрутных орбитальных плоскостях на одинаковой высоте орбиты, при этом каждый КА одновременно выполняет функцию ретранслятора информации канала управления и объекта управления.
Применение предложенной системы управления орбитальной группировкой позволит построить глобальную спутниковую сеть передачи данных, заданного назначения (абонентская связь, передача данных ДЗЗ и т.п.). Командно-измерительная система наземного комплекса управления, устанавливая связь с космическим аппаратом орбитальной группировки, находящимся в зоне радиовидимости благодаря связи каждого космического аппарата с четырьмя соседними космическими аппаратами, получает доступ к любому космическому аппарату орбитальной группировки в круглосуточном режиме. Доступность любого из космических аппаратов группировки, описанным выше образом, то есть по модели СППСС «Iridium», обеспечивает возможность управления с заданными целями. То есть, в отличие от классической системы управления объект управления - космический аппарат системы управления одновременно выступает и в роли ретранслятора (канала связи) для передачи команд управления от органа управления - центра управления полетом к другим объектам управления - другим космическим аппаратам группировки.
Применение стека протоколов TCP/IP открывает возможности использования всех современных отработанных в наземных сетях связи технологий передачи информации. Применив стек протоколов TCP/IP, как для построения радиолиний «Земля - борт» и межспутниковых радиолиний, так и для построения линий связи в наземном комплексе управления, позволяет передавать в одной радиолинии (линии передачи данных) разнородную информацию, например, трафик канала управления полетом (организуется первая VLAN) и трафик информационных сообщений (организуется вторая VLAN). Использование общей линии передачи космического аппарата позволит унифицировать шлюзовые станции и командно-измерительные системы наземного комплекса управления, применяя известные протоколы удаленного доступа для управления работой бортовой аппаратурой космического аппарата, например, HTTP и HTTPS для графического режима и т.п., повышается и переходит на новый уровень качество управления орбитальной группировкой. Например, применение межспутниковых радиолиний передачи информации для управления полетом космических аппаратов позволит управлять космическими аппаратами, находящимися вне зоны радиовидимости командно-измерительной системы. При этом, межспутниковые радиолинии передачи информации характеризуются значительно меньшими задержками по сравнению с передачей информации через геостационарные спутники ретрансляторы.
Для сбора телеметрической информации о состоянии бортового оборудования космического аппарата, мониторинга бортового оборудования бортовым компьютером, формирования отчетов о состоянии бортового оборудования и формирования при необходимости управляющих воздействий бортовым компьютером используют программно-аппаратные средства автоматизированной системы управления и мониторинга реального времени SCADA, то есть средств применение которых многократно отработано на множестве объектах управления самого разного назначения. То есть, SCADA используют для организации передачи телеметрической информации и отчетов о состоянии бортового оборудования на компьютер оператора центра управления полетом, отображения переданной информации в графическом виде на мониторе оператора центра управления полетом. Также, SCADA используют для передачи управляющих воздействий, сформированных в центре управления полетом автоматически компьютером или заданных в ручном режиме оператором.
Уровни иерархии управления автоматизированной системы управления SCADA: нижний уровень - это сами датчики и исполнительные устройства систем космических аппаратов; средний уровень - контроллеры систем космических аппаратов и бортовой цифровой вычислительной машины; верхний уровень - автоматизированные рабочие места оператора центра управления полетом. Уровни иерархии отображения автоматизированной системы управления SCADA: отображение всего состояния всей космической системы, включая наземную составляющую и орбитальную группировку; отображение всего состояния отдельного космического аппарата; отображение состояния отдельной системы космического аппарата.
В целом применение межспутниковых радиолиний, стека протоколов TCP/IP и автоматизированная системы управления SCADA в системе управления полетом КА и ОГ в целом позволит:
- сократить состав бортовой служебной аппаратуры, за счет исключения отдельной радиолинии канала управления и бортового радиотехнического комплекса командной радиолинии, при одновременном применении в качестве транспортной среды передачи данных - стека протоколов TCP/IP;
- сократить состав наземной инфраструктуры, за счет исключения командно-измерительной системы и применения для этих целей шлюзовой станции;
- сократить количество шлюзовых станций, так как применение межспутниковой радиолинии обеспечит передачу трафика в любую область Земного шара;
- сократить технический персонал центра управления полетом, в связи с тем, что отпадает необходимость заблаговременного составления списка команд и временной программы управления;
- повысить скорость принятия решений задач управления полетом космического аппарат, в связи с тем, что нет необходимости ожидать когда космический аппарат появится в зоне радиовидимости одной из командно-измерительных систем, можно получать информацию о состоянии со всех космических аппаратов орбитальной группировки в режиме квазиреального времени (с минимальными задержками в отличие от применения геостационарного спутника в качестве ретранслятора), аналогично уменьшается состав космической инфраструктуры;
- обеспечить высокую живучесть структуры организации связи, за счет того, что при выходе из строя какого-либо космического аппарата орбитальной группировки или какой-либо шлюзовой станции, их можно обойти по межспутниковой радиолинии применяя для построения маршрута адаптивные протоколы маршрутизации;
- обеспечить высокую надежность системы управления, за счет использования операционной системы жестко реального времени в бортовой центральной вычислительной машине космического аппарата, управляемой SCADA приложениями, отработанными для задач контроля наземных критически важных объектов;
- обеспечить высокую эргономичность системы управления, за счет графического отображения состояния орбитальной группировки и космических аппаратов, а также за счет выдачи команд управления простым нажатием клавиш.
В результате, предложена система управления орбитальной группировкой, в которой
- на борту космического аппарата не требуется наличия отдельного бортового радиотехнического комплекса командной радиолинии и телеметрической радиолиний, для передачи информации канала управления используют фидерные и межспутниковые радиолинии;
- командно-измерительная станция, совмещенная со шлюзовой станцией, обеспечивает доступ в режиме квазиреального времени к любому космическому аппарату группировки, за счет отказа от необходимости использования отдельных каналов связи для командной и телеметрической радиолиний;
- не требуется трудоемкая предварительная процедура составления списка разовых и временных команд управления, управление космическими аппаратами осуществляется нажатием кнопки в графическом интерфейсе SCADA приложения;
- становится возможным управлять большими орбитальными группировками без значительно увеличения количества командно-измерительных систем и штата обслуживающего персонала центра управления полетом и командно-измерительной системы;
- обеспечена возможность построения любых маршрутов передачи данных (создания гибкой сети передачи данных) с помощью адаптивных протоколов маршрутизации, которые обеспечиваются за счет применения стека протоколов TCP/IP, причем возможно построение:
маршрутов кратчайших для трафика реального времени,
маршрутов характеризующихся оптимальной пропускной способностью с учетом загрузки бортового ретрансляционного комплекса - для широкополосного трафика,
маршрутов в обход неисправных космических аппаратов или космических аппаратов, находящихся в зонах с высокой загрузкой трафиком или в особых зонах (например, в зонах неосвещенной части орбиты или зонах стихийных бедствий).
Таким образом, предложена спутниковая система, управляемая по межспутниковой радиолинии, оборудование которой обеспечит качественное управление космическими аппаратами с использованием широко известных и используемых технических средств.