РАДИОКОМПЛЕКС ДЛЯ СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ, УСТАНАВЛИВАЕМЫХ НА КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ
REMOTE EARTH PROBING SYSTEMS RADIO SYSTEM MOUNTED ON SPACECRAFTS

Предлагаемое изобретение относится к космическим радиоканалам передачи цифровой информации, конкретно к высокоскоростным радиолиниям (ВРЛ) передачи с космических аппаратов дистанционного зондирования Земли (КА ДЗЗ) на Землю данных зондирования (ДЗ) и с Земли на КА управляющей информации (УИ), в основном оперативной управляющей информации (ОУИ), процессом ДЗЗ.
Системы ДЗЗ из космоса предназначены как для планового мониторинга поверхности Земли и атмосферы, так и для оперативного контроля природных и техногенных катастроф, различного вида природных явлений, выполнения оперативных заявок потребителей в интересах природопользования, поиска и использования различного вида ресурсов и т.п.
Такая система состоит из орбитальной группировки КА, оснащенных бортовой аппаратурой зондирования различного вида и назначения, включающей средства сброса на Землю ДЗ по высокоскоростным радиоканалам «КА ДЗЗ→НСП (наземная станция приема)», и наземной инфраструктуры, включающей координационно-аналитический центр (КАЦ) и сеть территориально разнесенных НСП ДЗ, их обработки до заданных потребителем уровней с последующим доведением результатов до потребителей. Функционирование системы в настоящее время происходит следующим образом. Оператор системы ДЗЗ в КАЦ формирует на основе заявок потребителей программу зондирования и сброса ДЗ на основе прогноза условий (в основном метео) зондирования и сброса ДЗ на какой-то период времени. Эта программа через центр управления полетом и наземные пункты командно-измерительной системы (КИС) передается на КА по управляющим радиоканалам КИС «Земля→КА». КИС является универсальной служебной системой, обеспечивающей проведение внешнетраекторных измерений и передачу командно-программной информации во всех режимах полета, включая неориентированный полет КА, и не входит в состав системы ДЗЗ. На борту принятая программа реализуется системами КА в технологический цикл проведения зондирования, получения и хранения ДЗ и последующей их передачи по ВРЛ на наземные станции приема. Особенность функционирования системы ДЗЗ состоит в том, что зондирование может производиться по всей поверхности Земли, а передача ДЗ на Землю - только в зоне радиовидимости НСП (использование спутников-ретрансляторов не рассматриваем), время нахождения в которой составляет от 3-х до 12-ти минут в зависимости от баллистического построения орбитальной группировки. При этом перерыв в связи с НСП ДЗ может составлять до 4-х часов, а со станциями КИС до 12 часов.
Передача ДЗ с КА может производиться в двух режимах: «Непосредственной передачи (НП)», когда зондирование производится в зоне радиовидимости НСП, или «Воспроизведения (Воспр)» из запоминающего устройства (ЗУ), куда записываются ДЗ при проведении зондирования вне зоны радиовидимости, когда КА «пролетает» зону радиовидимости НСП.
В настоящее время к системам ДЗЗ из космоса в связи с расширением возможностей КА (динамика процессов, объем ЗУ и т.п.) и совершенствованием аппаратуры зондирования (чувствительность, разрешающая способность и т.п.) повышаются требования по эффективности функционирования. Эффективность функционирования системы ДЗЗ определяется ее производительностью (количеством полученных потребителем ДЗ) и оперативностью (временем от выдачи заявки на проведение зондирования до получения результатов). Как следует из вышеизложенного, радиосредства КА играют существенную роль в повышении эффективности систем ДЗЗ.
Для радиосредств это повышение состоит:
- с точки зрения производительности, в максимизации объема ДЗ, передаваемых за сеанс связи (в первую очередь, скорости их передачи), и организации последовательности их передачи (в первую очередь, их актуальности и информационной емкости, определенной потребителем);
- с точки зрения оперативности, в сокращении времени от получения заявки от потребителя, разработки программы зондирования на основе прогнозируемых условий (метеоусловия, состояние КА, динамика изменения зондируемого явления и т.д.) до реализации самого процесса зондирования в реальных условиях и сброса ДЗ на НСП.
Ограничивающими факторами повышения эффективности в существующих системах ДЗЗ являются:
- для скорости передачи ДЗ:
1) использование одного диапазона частот при ограниченной полосе частот в различных диапазонах волн, выделенных для ДЗЗ международным регламентом электросвязи (МРЭ);
2) энергетический бюджет ВРЛ, ограниченный нормами МРЭ по плотности электромагнитного потока у поверхности Земли, допустимым энергопотреблением бортового передатчика ВРЛ на КА и размерами диаметров бортовых антенн, что связано с допустимой точностью программного их наведения на НСП;
- для избирательности:
последовательный процесс заполнения и освобождения бортового запоминающего устройства (ЗУ), исключающий выборочную передачу ДЗ;
- для оперативности:
способ передачи на КА сформированных программ зондирования только через наземные станции КИС с предварительным итерационным обменом между КАЦ (оператором системы ДЗЗ) и ЦУП для оптимизации программы. Это удлиняет интервал и, соответственно, точность учета условий зондирования, а также делает невозможным передачу управления системой ДЗЗ на КА с его НСП отдельному пользователю на выделенный период времени.
Повышения эффективности радиотехнических средств системы ДЗЗ можно достигнуть:
- путем расширения ее функциональных возможностей за счет введения в ВРЛ кроме радиоканала «КА ДЗЗ→НСП» также и «обратного» радиоканала «НСП→КА ДЗЗ» для передачи управляющей информации для бортовой аппаратуры ДЗЗ и ВРЛ с максимальным использованием в бортовой и наземной аппаратуре одних и тех же аппаратно-программных средств. Это позволит учитывать реальные условия зондирования и сеанса радиосвязи при зондировании в зоне радиовидимости НСП и увеличивать точность прогноза вне этой зоны путем сокращения периода времени между передачей на борт КА программы зондирования и ее реализацией за счет исключения взаимодействия с КИС, так как система ДЗЗ работает только на «исправном» КА. Радиоканалы КИС остаются для выхода КА из аварийных ситуаций и управления служебными системами;
- использованием для передачи ДЗ нескольких диапазонов частот, разрешенных нормами МРЭ, за счет введения многоволновых облучателей, фильтров и диплексоров в фидерном тракте при едином рефлекторе и опорно-поворотном устройстве;
- организацией избирательной передачи ДЗ из ЗУ путем его построения с возможностью каталогизации ДЗ и оперативной передачи каталога на НСП.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому радиокомплексу, обеспечивающему более эффективное функционирование космических систем ДЗЗ, является «Интегрированная информационно-управляющая радиосистема для малых космических аппаратов радиолокационного мониторинга Земли», Горячкин А.А. и др. («Информационно-измерительные и управляющие системы» №6, 2007 год).
Радиокомплекс (РК) состоит из бортовой аппаратуры (БА) и наземной аппаратуры (НА), соединенных между собой радиоканалами.
Функционирование прототипа будет понятно из структурной схемы (фиг. 1) и нижеследующего описания. На фиг. 1 цифрами обозначены в составе бортовой и наземной аппаратуры радиокомплекса:
1 - запоминающее устройство данных зондирования (ЗУ ДЗ)
2 - блок формирования кадров (БФК)
3 - передающее устройство
4 - приемо-передающее антенное устройство с приводом
5 - приемное устройство
6 - устройство управления в составе бортовой аппаратуры
7 - приемо-передающее антенное устройство
8 - аппаратура управления приводом антенны
9 - приемное устройство
10 - передающее устройство
11 - устройство демодуляции, синхронизации и декодирования
В рассмотренной БА РК вход ЗУ ДЗ (1) через информационный вход БА РК подсоединен к выходу комплекса ДЗЗ, а выход - ко входу блока формирования кадров (2), выход которого подсоединен ко входу передающего устройства (3), выход которого подсоединен ко входу приемо-передающего антенного устройства (4) с приводом. Информационный выход последнего подсоединен ко входу приемного устройства (5), выход которого соединен с управляющим выходом БА РК. Управляющий вход антенного устройства (4) с приводом соединен с выходом «наведение антенны» устройства управления (6), вход которого подсоединен к управляющему входу БА РК от системы КА. С выхода антенного устройства (4) с приводом высокочастотный сигнал по радиотракту поступает в антенное устройство (7) наземной станции, управляющий вход которого подсоединен к выходу аппаратуры управления (8) приводом антенны, а информационный вход - к выходу передающего устройства (10), вход которого соединен с управляющим входом НА РК. Выход антенного устройства (7) подсоединен ко входу приемного устройства (9). Выход приемного устройства (9) подсоединен ко входу устройства (11) демодуляции, синхронизации и декодирования, с информационного выхода которого информация через информационный выход НА РК поступает во внешний комплекс для дальнейшей обработки ДЗ.
Система функционирует следующим образом.
Разработанная на Земле оператором системы ДЗЗ программа зондирования и сброса ДЗ передается через командно-программную радиолинию КИС на борт КА и реализуется через устройство управления (6) с учетом дополнительной управляющей информации, поступающей от систем КА через управляющий вход БА РК.
В процессе зондирования ДЗ в тактовой сетке комплекса ДЗЗ КА поступают в ЗУ ДЗ (1). В процессе поступления ДЗ последовательно заполняются свободные зоны ЗУ ДЗ и хранятся до момента их последовательного считывания в одном из запланированных сеансов радиосвязи с наземной станцией. При включении бортовой аппаратуры в сеансе связи через устройство управления (6) по сигналам от КА ДЗЗ информация из ЗУ ДЗ уже в частотной сетке БА РК последовательно считывается и поступает в БФК (2), где преобразуется в последовательный информационный поток, снабженный соответствующей синхронизирующей информацией. После этого информационный поток поступает на вход передающего устройства (3), из которого промодулированные информационным потоком и усиленные в передатчике до регламентированного уровня допустимой мощности сигналы поступают на вход антенного устройства (4) с приводом и излучаются в эфир (радиотракт КА ДЗЗ → наземная станция приема).
Привод антенного устройства перед сеансом связи по данным от навигационной системы баллистического положения КА через аппаратуру управления (8) приводом антенны наводит антенное устройство (7) таким образом, чтобы диаграмма направленности антенны была ориентирована на выбранную НСП с учетом ее географических координат, а далее отслеживает направление КА ДЗЗ→НСП на все время сеанса связи по временной программе, основанной на периодически поступающих данных навигационной системы КА.
Сигнал от бортового антенного устройства (4) с приводом поступает на вход антенного устройства (7) наземной станции. Аппаратура управления (8) приводом антенны по прогнозируемым баллистическим данным КА, полученным из центра управления полетом, наводит наземную антенну на КА, далее, приняв сигнал от КА, передает его в приемное устройство (9). Приемное устройство (9) вырабатывает сигнал «Захват», по которому антенное устройство (7) переходит в режим автосопровождения на весь сеанс связи. Сигналы информационного потока с выхода приемного устройства (9) поступают в устройство демодуляции, синхронизации и декодирования (11), где после соответствующих преобразований передаются по информационному выходу во внешний комплекс обработки ДЗ. Устройство демодуляции, синхронизации и декодирования (11) является универсальным и оперативно перепрограммируемым. Оно рассчитано на прием информации от различных типов КА ДЗЗ и функционирует с различными символьными скоростями, видами модуляции, кодирования и синхронизации, используемыми в подобных системах.
При необходимости внести коррекцию в заложенную программу зондирования и сброса ДЗ имеется возможность во время связи передать по каналу «НСП→КА ДЗЗ» через наземный передатчик (10) необходимые изменения через бортовой приемник (5) и управляющий выход БА РК в системы КА, обеспечивающие реализацию программы сброса и зондирования через устройство управления (6).
К недостаткам рассмотренной информационно-управляющей системы следует отнести возможность работы только в одном частотном диапазоне, неоптимальное использование энергетического бюджета бортовой аппаратуры, которая при различной добротности наземных приемных трактов (диаметрах антенн) имеет постоянные параметры передающего радиотракта: ЭИИМ, сигнально-кодовую структуру, символьную скорость. Кроме того, скорость передачи ДЗ ограничена допустимой по МРЭ выделенной полосой частот в выбранном для передачи диапазоне волн.
Из-за принятой последовательности сброса ДЗ выявляется недостаточная оперативность доведения именно конкретных, востребованных потребителем, актуальных ДЗ. Организация сброса ДЗ предусматривает последовательную передачу их в порядке записи и не учитывает их содержания, актуальности и качества, в то время как по апостериорному анализу условий зондирования часть данных заранее может быть исключена из сброса.
Предложение по использованию радиоканала «Земля→КА» в прототипе не конкретизировано ни по частотному диапазону, ни по структуре и сигнально-кодовой конструкции управляющей информации, ни по способу оперативной коррекции программы зондирования и сброса ДЗ.
Перечисленные недостатки прототипа и приведенные выше соображения о причинах недостаточной эффективности и путях оптимизации определяют целесообразность предлагаемого изобретения, в результате использования которого возможно почти на порядок повысить скорость передачи информации (в настоящее время в РФ она составляет до 300 Мбит/сек, в зарубежных системах до 800 Мбит/сек) и существенно сократить до 2÷4-х часов длительность интервала между разработкой программы зондирования и ее реализацией.
Техническими результатами предлагаемого изобретения являются:
- повышение производительности РК (радиоканала КА ДЗЗ→НСП) путем максимизации скорости передачи ДЗ, что достигается одновременным использованием нескольких диапазонов волн, а при необходимости, и нескольких несущих частот в этих диапазонах, и, кроме того, также адаптацией сигнально-кодовой структуры информационного потока ДЗ к условиям текущего сеанса связи (метеоусловиям, добротности каждого наземного приемного тракта, в основном диаметрам антенн, и т.д.) в реальном времени;
- повышение автономности функционирования РК за счет введения в БА РК наряду с программно-временным наведением антенны режима автосопровождения, что позволит не только обеспечить автономность, но и упростить требования к системам КА, обеспечивающим точность сопровождения НСП;
- повышение оперативности получения с помощью каталога необходимых ДЗ за счет избирательной организации их выбора из ЗУ в последовательности, заданной оператором системы ДЗЗ на НСП с учетом требований потребителей с позиции их актуальности и информационной емкости;
- повышение эффективности использования средств ДЗЗ за счет сокращения интервала времени от момента разработки программ зондирования и сброса ДЗЗ (программа делается по заявкам потребителей на основании прогноза метеоусловий, динамики процесса зондирования, состояния систем КА и т.п., т.е. чем больше интервал прогнозирования, тем меньше вероятность правильного прогноза) до момента ее реализации. Это сокращение достигается использованием в составе РК на НСП радиоканала «НСП→КА ДЗЗ», по которому ОУИ, включая программу зондирования, может передаваться на КА с любого НСП в каждом сеансе связи;
- расширение представляемых оператором системы ДЗЗ возможностей по использованию КА ДЗЗ вплоть до временного разрешения управлять средствами ДЗЗ на КА отдельному потребителю в его интересах с «его» НСП;
- возможность оперативного изменения по каналу «НСП→КА ДЗЗ» отдельных характеристик аппаратуры зондирования и сигнально-кодовых структур информационного потока ДЗ в реальном масштабе времени в течение сеанса связи, т.е. адаптации к текущим условиям.
Указанные технические результаты достигаются тем, что в известный РК для систем дистанционного зондирования Земли с КА, состоящий из соединенных через радиоканал наземной аппаратуры, содержащей передающее устройство и последовательно соединенные наземное приемо-передающее антенное устройство, управляющий вход которого соединен с выходом аппаратуры управления приводом антенны, приемное устройство и устройство демодуляции, синхронизации и декодирования, при этом выход передающего устройства подсоединен к информационному входу приемо-передающего антенного устройства, и бортовой аппаратуры, содержащей устройство управления, вход которого соединен с управляющим входом БА РК, последовательно соединенные запоминающее устройство данных зондирования, блок формирования кадров, передающее устройство и бортовое приемо-передающее антенное устройство с приводом, а также приемное устройство, вход которого соединен с информационным выходом бортового приемо-передающего антенного устройства с приводом, при этом выход «наведение антенны» устройства управления соединен с управляющим входом бортового приемо-передающего антенного устройства с приводом, согласно изобретению в состав НА РК введены устройства формирования оперативной управляющей информации и перезапросов (УФОУИ и ПЗ), а также устройство восстановления структуры потока ДЗ и обнаружения ошибок (УВСП и ОО), вход которого подсоединен к выходу устройства демодуляции, синхронизации и декодирования, информационный выход - к одноименному выходу НА РК, а запросный выход - к одноименному входу УФОУИ и ПЗ, оперативно-управляющий вход которого соединен с одноименным входом НА РК, а выход - со входом передающего устройства. Передающее устройство выполнено в виде последовательно соединенных блока кодирования и модуляции, вход которого соединен со входом передающего устройства, и усилителя мощности, выход которого соединен с выходом передающего устройства.
Наземное приемо-передающее антенное устройство выполнено в виде последовательно соединенных по эфиру рефлектора с приводом, управляющий вход которого соединен с одноименным входом приемо-передающего антенного устройства, и наземного многоволнового облучателя, вход-выход которого соединен с входом-выходом фидерного тракта, информационный вход которого соединен с одноименным входом приемо-передающего антенного устройства, а выход - с выходом наземного приемо-передающего антенного устройства.
Приемное устройство выполнено многодиапазонным в виде последовательно соединенных блока малошумящих усилителей, вход которого подключен к входу приемного устройства, и блока конверторов-усилителей, выход которого подключен к выходу приемного устройства. В состав БА РК введены устройство анализа информации и формирования каталога ДЗ (УАИ и ФК), вход которого соединен с информационным входом БА РК, устройство дешифрации оперативной управляющей информации и формирования квитанций (УДШОУИ и ФК), а также устройство автосопровождения. ЗУ ДЗ выполнено в виде последовательно соединенных каталога ДЗ и блока памяти и дополнительно снабжено входом «управление каталогом ДЗ», соединенным с одноименными входом каталога ДЗ и выходом УДШОУИ и ФК, и систематизирующим входом, соединенным с одноименными входом каталога ДЗ и выходом УАИ и ФК. Выход блока памяти соединен с выходом ЗУ ДЗ, а информационный вход блока памяти - с одноименными входом ЗУ ДЗ и выходом УАИ и ФК. Блок формирования кадров дополнительно снабжен синхронизирующим входом-выходом, соединенным с одноименным входом-выходом УДШОУИ и ФК. Устройство управления выполнено с возможностью корректировки наведения антенны и снабжено корректирующим входом, соединенным с выходом устройства автосопровождения, и входом-выходом «выбор режима управления», соединенным с одноименным входом-выходом УДШОУИ и ФК.
Передающее устройство выполнено в виде последовательно соединенных перестраиваемого блока кодирования и модуляции, информационный вход которого соединен с информационным входом передающего устройства, а установочный вход - с входом «установка режимов передатчика» передающего устройства, и блока усилителей мощности, выход которого соединен с выходом передающего устройства. Передающее устройство дополнительно снабжено входом «установка режимов передатчика», соединенным с одноименным выходом УДШОУИ и ФК.
Приемо-передающее антенное устройство с приводом выполнено в виде блока высокочастотных фильтров, вход которого соединен со входом приемо-передающего антенного устройства с приводом, выход - с информационным выходом приемо-передающего антенного устройства с приводом, а вход-выход подсоединен к входу-выходу бортового многоволнового облучателя, другой вход-выход которого по эфиру соединен со входом-выходом рефлектора с приводом, вход которого соединен с управляющим входом бортового приемо-передающего антенного устройства с приводом.
Приемное устройство наряду с приемом информации выполнено обеспечивающим также автосопровождение антенны и содержащим последовательно соединенные малошумящий конвертор-усилитель (МШКУ), снабженный двумя выходами, вход которого соединен со входом приемного устройства, и бортовой блок демодуляции, синхронизации и декодирования, выход которого соединен с оперативно-управляющим выходом приемного устройства. Приемное устройство снабжено дополнительным выходом «ошибки наведения антенны», соединенным с одноименным выходом МШКУ и входом устройства автосопровождения. Оперативно-управляющий выход приемного устройства соединен с одноименным входом УДШОУИ и ФК, оперативно-управляющий выход которого соединен с управляющим выходом БА РК.
Сущность изобретения заключается в трех связанных между собой программно-технических реализациях (многодиапазонность, многофункциональность использования радиоканала «НСП→КА ДЗЗ» и избирательная передача ДЗ при воспроизведении), обеспечивающих оптимизацию основных функций радиокомплекса при максимальном использовании существующих аппаратно-программных наземных и бортовых средств и алгоритмов их функционирования. В бортовые и наземные антенны и приемо-передающие комплексы вводятся многоволновые облучатели и системы высокочастотных фильтров и диплексоров, позволяющие реализовать одновременные прием и передачу ДЗ в нескольких частотных диапазонах (при необходимости, более чем на одной частоте в каждом частотном диапазоне). Это позволит в несколько раз увеличить скорость передачи ДЗ по сравнению с существующими отечественными и зарубежными системами ДЗЗ. При этом в каждом диапазоне сигнально-кодовая структура потока ДЗ в радиоканале адаптируется к условиям текущего сеанса связи именно в этом диапазоне и может оперативно изменяться по управляющим командам, переданным по радиоканалу «НСП→КА ДЗЗ», что еще больше увеличивает скорость передачи.
Введение на борту устройства автосопровождения в приемный комплекс позволяет отказаться от программно-временного наведения бортовой антенны по сигналам от навигационных систем КА, оставив за ними только функцию предварительного наведения на цель. Это особенно важно, т.к. некоторые КА ДЗЗ не могут обеспечить точность наведения бортовых антенн при переходе в более высокие диапазоны частот (К и Ка диапазоны). При необходимости, данные для программно-временного наведения бортовой антенны могут выдаваться по этому радиоканалу с НСП в бортовое устройство управления РК. Таким образом, обеспечивается высокая автономность РК.
Этот же радиоканал «НСП→КА ДЗЗ» позволяет обеспечить в реальном времени избирательную передачу ДЗ в соответствии с их актуальностью и информационной емкостью. Выбор ДЗ производится с помощью каталога, передаваемого в начале каждого сеанса связи, который дает полную информацию о содержании памяти ЗУ ДЗ. Также канал «НСП→КА ДЗЗ» позволит оперативно изменять параметры бортового передатчика, сигнально-кодовую структуру потока ДЗ и корректировать параметры аппаратуры зондирования, если зондирование происходит в зоне радиовидимости, или программу зондирования, если оно происходит вне зоны радиовидимости. Т.е. оператор системы ДЗЗ в режиме реального времени с любой НСП может вмешиваться в процесс зондирования и сброса ДЗ и оптимизировать его. Как предельный случай, конкретный оператор системы ДЗЗ может на выделенное время использовать систему ДЗЗ КА для решения задач в интересах отдельной НСП.
Введение радиоканалов «БА→НСП» и «НСП→БА», которые взаимно синхронизированы, позволяет использовать в каждом из них решающую обратную связь с повторением, что повышает достоверность передачи ДЗ, т.к. используется не только корректирующая, но и обнаруживающая способность кода.
Изобретение будет понятно из блок-схемы, приведенной на фиг. 2, 3, и нижеследующего описания. На фиг. 2, 3 блоки 1÷11 имеют те же наименования, что и на фиг. 1.
12 - устройство анализа информации и формирования каталога ДЗ (УАИ и ФК)
13 - каталог ДЗ
14 - блок памяти
15 - устройство дешифрации оперативной управляющей информации и формирования квитанций (УДШОУИ и ФК)
16 - блок демодуляции, синхронизации и декодирования
17 - перестраиваемый блок кодирования и модуляции
18 - блок усилителей мощности
19 - малошумящий конвертор-усилитель
20 - устройство автосопровождения
21 - блок высокочастотных фильтров
22 - бортовой многоволновый облучатель
23 - бортовой рефлектор с приводом
24 - рефлектор наземной антенны с приводом
25 - наземный многоволновый облучатель
26 - фидерный тракт
27 - усилитель мощности
28 - блок кодирования и модуляции
29 - блок малошумящих усилителей
30 - конвертор-усилитель
31 - устройство восстановления структуры потока ДЗ и обнаружения ошибок (УВСП и ОО)
32 - устройство формирования оперативной управляющей информации и перезапросов (УФОУИ и ПЗ)
Наземная аппаратура радиокомплекса содержит передающее устройство (10) и последовательно соединенные наземное приемо-передающее антенное устройство (7), управляющий вход которого соединен с выходом аппаратуры (8) управления приводом антенны, приемное устройство (9) и устройство демодуляции, синхронизации и декодирования (11). Выход передающего устройства (10) подсоединен к информационному входу приемо-передающего антенного устройства (7). НА РК также содержит устройство (32) формирования оперативной управляющей информации и перезапросов (УФОУИ и ПЗ) и устройство (31) восстановления структуры потока ДЗ и обнаружения ошибок (УВСП и ОО), вход которого подсоединен к выходу устройства демодуляции, синхронизации и декодирования (11), информационный выход - к одноименному выходу НА РК, а запросный выход - к одноименному входу УФОУИ и ПЗ (32).
Оперативно-управляющий вход УФОУИ и ПЗ (32) соединен с одноименным входом НА РК, а выход - со входом передающего устройства (10). Передающее устройство (10) выполнено в виде последовательно соединенных блока кодирования и модуляции (28), вход которого соединен со входом передающего устройства (10), и усилителя мощности (27), выход которого соединен с выходом передающего устройства (10).
Наземное приемо-передающее антенное устройство (7) выполнено в виде последовательно соединенных по эфиру рефлектора (24) с приводом, управляющий вход которого соединен с одноименным входом приемо-передающего антенного устройства (7), и наземного многоволнового облучателя (25), вход-выход которого соединен с входом-выходом фидерного тракта (26), информационный вход которого соединен с одноименным входом приемо-передающего антенного устройства (7), а выход - с выходом наземного приемо-передающего антенного устройства (7).
Приемное устройство (9) выполнено многодиапазонным в виде последовательно соединенных блока (29) малошумящих усилителей, вход которого подключен к входу приемного устройства (9), и блока (30) конверторов-усилителей, выход которого подключен к выходу приемного устройства (9).
Бортовая аппаратура радиокомплекса содержит устройство управления (6), вход которого соединен с управляющим входом БА РК, последовательно соединенные ЗУ ДЗ (1), блок (2) формирования кадров, передающее устройство (3) и бортовое приемо-передающее антенное устройство (4) с приводом, а также приемное устройство (5), вход которого соединен с информационным выходом бортового приемо-передающего антенного устройства (4) с приводом. Выход «наведение антенны» устройства управления (6) соединен с управляющим входом бортового приемо-передающего антенного устройства (4) с приводом.
БА РК также содержит УАИ и ФК (12), вход которого соединен с информационным входом БА РК, устройство (15) дешифрации оперативной управляющей информации и формирования квитанций, а также устройство автосопровождения (20). ЗУ ДЗ (1) выполнено в виде последовательно соединенных каталога ДЗ (13) и блока памяти (14). Вход ЗУ ДЗ (1) «управление каталогом ДЗ» соединен с одноименными входом каталога ДЗ (13) и выходом УДШОУИ и ФК (15). Систематизирующий вход ЗУ ДЗ (1) соединен с одноименными входом каталога ДЗ (13) и выходом УАИ и ФК (12). Выход блока памяти (14) соединен с выходом ЗУ ДЗ (1), а информационный вход блока памяти (14) - с одноименными входом ЗУ ДЗ (1) и выходом УАИ и ФК (12). Синхронизирующий вход-выход блока (2) формирования кадров соединен с одноименным входом-выходом УДШОУИ и ФК (15). Корректирующий вход устройства управления (6) соединен с выходом устройства автосопровождения (20). Вход-выход устройства управления (6) «выбор режима управления» соединен с одноименным входом-выходом УДШОУИ и ФК (15).
Передающее устройство (3) выполнено в виде последовательно соединенных перестраиваемого блока кодирования и модуляции (17), информационный вход которого соединен с информационным входом передающего устройства (3), а установочный вход - с входом «установка режимов передатчика» передающего устройства (3), и блока усилителей мощности (18), выход которого соединен с выходом передающего устройства (3). Вход передающего устройства (3) «установка режимов передатчика» соединен с одноименным выходом УДШОУИ и ФК (15).
Приемо-передающее антенное устройство (4) с приводом выполнено в виде блока (21) высокочастотных фильтров, вход которого соединен со входом приемо-передающего антенного устройства (4) с приводом, выход - с информационным выходом приемо-передающего антенного устройства (4) с приводом, а вход-выход подсоединен к входу-выходу бортового многоволнового облучателя (22), другой вход-выход которого по эфиру соединен со входом-выходом рефлектора (23) с приводом, вход которого соединен с управляющим входом бортового приемо-передающего антенного устройства (4) с приводом.
Приемное устройство (5) содержит последовательно соединенные малошумящий конвертор-усилитель (19), вход которого соединен со входом приемного устройства (5), и бортовой блок демодуляции, синхронизации и декодирования (16), выход которого соединен с оперативно-управляющим выходом приемного устройства (5). Выход «ошибки наведения антенны» приемного устройства (5) соединен с одноименным выходом МШКУ (19) и входом устройства автосопровождения (20). Оперативно-управляющий выход приемного устройства (5) соединен с одноименным входом УДШОУИ и ФК (15), оперативно-управляющий выход которого соединен с управляющим выходом БА РК.
Радиокомплекс функционирует в соответствии с разработанным на Земле технологическим циклом проведения зондирования и сброса ДЗ, переданным на борт КА по каналу «НСП→КА ДЗЗ» самого радиокомплекса в предыдущих сеансах связи, или, при необходимости, по командно-программной радиолинии КИС. Этот переданный на борт технологический цикл развертывается на борту средствами КА в циклограмму работы бортовой аппаратуры РК.
На основе технологического цикла также включаются и готовятся к приему те наземные станции, на которые в этом цикле предполагается сбрасывать информацию (по предварительным данным по сигнально-кодовой структуре и частотным диапазонам потока сбрасываемых ДЗ). Наземные станции работают в режимах, когда предполагается сброс ДЗ с борта КА и (или) передача на борт КА оперативной управляющей информации. Для БА радиокомплекса имеются следующие режимы работы: «Запись», «Воспроизведение (Воспр)», «Непосредственная передача ДЗ (НП)», «Передача УИ».
Режим «Запись» используется, когда КА ДЗЗ производит зондирование вне зоны радиовидимости наземных станций ДЗЗ. В этом режиме включены ЗУ ДЗ (1) и устройство (12) анализа информации и формирования каталога ДЗ, производится анализ ДЗ, запись их в ЗУ ДЗ (1) и формирование каталога.
Режим «Воспроизведение» включается, когда КА ДЗЗ «пролетает» зоны наземных станций. В этом режиме включена вся аппаратура радиокомплекса за исключением устройства (12) анализа информации и формирования каталога ДЗ. На борту производятся считывание ДЗ из ЗУ ДЗ, формирование потока ДЗ с соответствующей сеансу связи сигнально-кодовой структурой и передача на наземные станции, где после демодуляции и декодирования потока ДЗ восстанавливаются и передаются на средства дальнейшей обработки. На Земле на основе переданных оператором системы ДЗЗ исходных данных формируется ОУИ, которая затем передается на борт КА в средства РК, где дешифрируется и преобразуется в команды и установки, которые могут исполняться в реальном масштабе времени или(и) передаваться в системы КА через управляющий выход БА РК.
Режим «Непосредственной передачи ДЗ» реализуется, когда зондирование производится в зоне радиовидимости наземных станций. В этом случае ДЗ одновременно записываются в ЗУ ДЗ (для надежности) и передаются по радиоканалу на Землю. В этом случае если скорость поступления ДЗ превышает скорость их передачи по ВРЛ, то передается только часть ДЗ, которая определяется разностью тактовых скоростей системы зондирования и РК, а также длительностью сеанса связи. Остальная часть ДЗ передается в режиме «Воспроизведение». В этом режиме включена аппаратура бортового радиокомплекса. УИ передается аналогично режиму «Воспроизведение».
Режим «Передача УИ» используется, когда на борт КА необходимо передать только управляющую информацию. В БА РК включена аппаратура аналогично режиму «Воспр».
Для понимания сути изобретения рассмотрим последовательно вышеуказанные режимы более подробно.
В режиме «Запись» от системы ДЗЗ, установленной на КА, поступают ДЗ, сформированные в структуре и тактовой сетке аппаратуры ДЗ. Каждый пакет ДЗ законченного этапа зондирования снабжается служебной информацией, в которую входят номер этапа, вид и вариант зондирования, параметры аппаратуры ДЗ на момент зондирования, время, положение КА и т.п. В устройстве (12) анализа информации и формирования каталога ДЗ этот поток ДЗ трансформируется в тактовую структуру радиоканала «КА ДЗЗ→НСП», после чего записывается в свободные ячейки памяти в сопровождении «служебной» информации, необходимой оператору системы ДЗЗ для оперативного анализа. Номера этапов с краткой сутью содержания и соответствующие им номера ячеек записываются в каталог ДЗ (13), анализ которого дает оператору системы ДЗЗ сжатую информацию о проведенном зондировании. Каталог передается по каналу «КА ДЗЗ→НСП» в начале каждого сеанса связи, а оператор системы ДЗЗ с помощью ОУИ может по радиоканалу «НСП→КА ДЗЗ» оперативно управлять каталогом и избирательно получать выбранные им данные в необходимой ему последовательности.
В режиме «Воспроизведение» БА РК включается в сеанс связи от системы управления КА, либо автономно от собственного устройства управления. До начала сеанса устанавливаются режимы работы и параметры, максимизирующие на основе прогноза скорость передачи на данном сеансе связи, но заложенные на предыдущем сеансе связи (с учетом добротности приемного тракта данной станции и ожидаемых метеоусловий - это вид кодирования и модуляции, символьная скорость, частотные диапазоны, мощности передатчиков, а также данные по начальной ориентации антенны по отношению к наземной станции).
Так как радиосистема многодиапазонная, то излучение начинается с борта по каналу «КА ДЗЗ→НСП» в наиболее низкочастотной части спектра (как правило, в Х-диапазоне), где с учетом более широкой диаграммы направленности наземной антенны проще обеспечить вхождение в связь. На этом этапе передается каталог ДЗ с неоднократным повторением и возможностью дальнейшего перезапроса. После вхождения в связь и оперативного анализа каталога начинается передача ОУИ по каналу «НСП→КА ДЗЗ». Принятый на борту сигнал ОУИ также в наиболее низкой частоте частотного спектра (как правило, тоже X-диапазона) используется приемным устройством БА (5) и специальным устройством автосопровождения (20) для автономного слежения за наземной станцией в режиме автосопровождения, что обеспечивает необходимую точность наведения бортовых антенн для передачи ДЗ на более высоких частотах (в К и Ка-диапазонах). Для этих диапазонов необходимую точность слежения могут обеспечить не все КА ДЗЗ при программно-временном наведении (~ один угловой градус). Переданная на этом этапе ОУИ подтверждает или корректирует выбранные для данного сеанса режимы работы канала «КА ДЗЗ→НСП», разрешает передачу ДЗ также и через бортовые передатчики параллельно в более высоком диапазоне частот. После этого поток ДЗ с помощью блока (2) формирования кадров и перестраиваемого блока кодирования и модуляции (17), блока усилителей мощности (18) поступает через блок (21) высокочастотных фильтров на многоволновый облучатель (22), а затем по эфиру на единый бортовой рефлектор (23) и далее через радиотракт на НСП. Распределенный для параллельной передачи информации по различным несущим частотам поток ДЗ поступает в единый наземный рефлектор и приемную антенну. Пройдя через многоволновый облучатель (25) и фидерный тракт (26) с диплексором и высокочастотными фильтрами, через малошумящие усилители (29) и усилители-конверторы (30) линейного тракта распределенный поток ДЗ попадает в устройство демодуляции, синхронизации и декодирования (11), а затем в устройство (31) восстановления структуры потока ДЗ и обнаружения ошибок. Введение канала «НСП→КА ДЗЗ» позволяет использовать свойства кода и не только корректировать, но и обнаруживать ошибки, тем самым повышая достоверность принятой информации. Если ошибки в контролируемом пакете не обнаружены, восстановленный поток ДЗ поступает через информационный выход НА РК на средства дальнейшей обработки оператором системы ДЗЗ. В случае обнаружения ошибки в устройстве (32) формирования оперативной управляющей информации и перезапросов формируется команда на перезапрос, которая пересылается по каналу «НСП→КА ДЗЗ» в БА. Команда на перезапрос пакета ДЗ, в котором обнаружены ошибки, поступает в ЗУ ДЗ (1), и пакет повторяется.
Если перезапроса нет, ячейки памяти ЗУ ДЗ (1) освобождаются для приема дальнейших ДЗ. Передача ОУИ также производится с подтверждающими квитанциями, обеспечивающими требуемую достоверность. УВСП и ОО (31) также выполняет функции приема «Квитанций» по каналу «КА ДЗЗ→НСП» на «контролируемых на достоверность» информационно-несущих «словах» (командах, уставках) ОУИ, которые в случае отсутствия квитанций также могут повторяться.
Работа обоих каналов взаимно-синхронизирована и использует режим «без ожидания» перезапросов (или «квитанций»), что позволяет не снижать скорости передачи ДЗ.
Избирательность передачи ДЗ также обеспечивается с помощью управления каталогом через УДШОУИ и ФК (15) и выход «управление каталогом ДЗ».
В режиме «Передача УИ» канал «КА ДЗЗ→НСП» работает в режиме только передачи ОУИ по радиотракту «НСП→КА ДЗЗ» и подтверждающих квитанций по радиотракту «КА ДЗЗ→НСП». Организация связи аналогична режиму «Воспр».