Система глобального телеметрического контроля изделий ракетно-космической техники на основе бортовых фазированных антенных решеток или многолучевых коммутируемых антенных систем

УДК 621.396.946

И. В. Брагин, М. В. Моисеев, И. В. Истяков

ОАО "Особое конструкторское бюро Московского энергетического института"

А. Е. Шаханов НПО им. С. А. Лавочкина

В. Ф. Михайлов

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

Система глобального телеметрического контроля изделий ракетно-космической техники на основе бортовых фазированных антенных решеток или многолучевых коммутируемых антенных систем

Предложены два способа, обеспечивающие в космических системах внешнетраек-торные измерения, телеметрический контроль и работу командной радиолинии за пределами радиовидимости космического аппарата с наземных измерительных пунктов. Один способ заключается в использовании мобильных малогабаритных информационно-измерительных комплексов; второй - в использовании геостационарных спутников-ретрансляторов. Рассмотрены структурные схемы и антенные системы, реализующие предложенные способы.

Телеметрический контроль, ракетно-космические изделия, бортовые фазированные антенные решетки, коммутируемые антенны

В последнее время на нескольких отечественных космических аппаратах (КА) произошли нештатные ситуации. В такие моменты телеметрическая информация (ТМИ) с аварийного КА имеет огромное значение, поскольку позволяет в короткие сроки разобраться в причинах нештатной ситуации и принять меры по ее ликвидации. Однако в силу ряда причин в настоящее время существенная часть траектории полета при проведении пусков и эксплуатации изделий ракетно-космической техники (РКТ) проходит вне зоны видимости стационарных наземных измерительных пунктов (НИП). Отмеченные обстоятельства делают чрезвычайно актуальными исследования путей реализации в космических системах (КС) внешнетраекторных измерений (ВТИ), телеметрического контроля и работы командной радиолинии (КРЛ) за пределами зон радиовидимости отечественных НИП.

Указанный подход может быть реализован двумя способами.

При первом способе в качестве измерительных пунктов за пределами отечественных НИП различного базирования используются мобильные малогабаритные информационно-измерительные комплексы (ИИК) нового поколения, перевозимые практически в любой район земного шара. При этом уменьшение энергетического потенциала радиолинии КА-ИИК, вызванное использованием на ИИК недорогих малоэффективных наземных антен-60 © Брагин И. В., Моисеев М. В., Истяков И. В., Шаханов А. Е., Алексеев А. Т., Михайлов В. Ф., 2013

ных систем (АС) с малой апертурой, предлагается компенсировать за счет использования направленных управляемых бортовых АС типа фазированных антенных решеток (ФАР) или многолучевых коммутируемых АС. Указанные антенны обладают существенно большим усилением по сравнению с малонаправленными антеннами, которые в большинстве случаев используются для передачи ТМИ. Антенны наводятся на ИИК программным способом, по сигналам КРЛ или по пилот-сигналу, подаваемым с Земли, либо по командам, вырабатываемым бортовым комплексом управления (БКУ) после определения местоположения КА и его ориентации в пространстве при априорном знании координат ИИК в каждый момент времени полета. Полученная с КА информация передается в Центр управления полетом (ЦУП) по наземным линиям связи.

При втором способе передача и прием служебной информации с сопровождаемого объекта осуществляются через геостационарные спутники-ретрансляторы (СР). Для наведения АС на необходимый спутник используются данные о пространственном положении КА и о его ориентации, поступающие из БУК КА, и данные измерений наземных станций.

Совместное применение обоих способов с использованием новых разработок наземной и бортовой аппаратуры позволит обеспечить создание адаптивных и экономичных информационно-измерительных систем, обеспечивающих необходимые измерения параметров движения изделиями РКТ различного назначения и управление ими. Работы по системам глобального телеметрического контроля ведутся в ОАО "Российские космические системы" и ОАО "ОКБ МЭИ".

Тракт приема и передачи телеметрической и командной информации. Для испытаний и эксплуатации изделий РКТ, существенная часть траектории полета которых проходит вне зоны видимости стационарных НИП, возможны следующие варианты построения структурных схем обмена информацией в системе:

• КА—»СР—ЩУП—»СР—»КА, где в качестве СР могут использоваться существующие геостационарные спутники типа "Горизонт", "Экспресс" или специально запускаемые КА для приема/передачи измерительной и командной информации;

• КА^НИИК^НЛС^ЦУП^СР^КА или КА^НИИК^СР^ЦУП^СР^КА, где НИИК - наземный ИИК; НЛС - наземная линия связи.

Указанные схемы предусматривают как совместное, так и автономное использование ИИК (на трассе КА—>СР) или мобильного малогабаритного ИИК (на трассе КА—>НИИК).

Первая схема надежно обеспечивает испытания и эксплуатацию изделий РКТ при полностью развернутой орбитальной группировке СР и предусматривает обмен информацией в реальном масштабе времени. При отработке этой схемы на первом этапе целесообразно остановиться на аренде одного-двух стволов СР типа "Горизонт", "Экспресс", "Ямал" и т. п. Работа без специальных ИСЗ для обеспечения приема/передачи измерительной и командной информации существенно удешевит отработку и эксплуатацию ИИК в целом.

Вторая структура, использующая мобильные малогабаритные ИИК, позволяет организовать испытания по временным схемам (например, при блокировании космического сегмента) и разносить во времени этапы сбора, хранения и сброса информации. За не-

61

Рис. 1

большое время до пуска изделия ИИК могут быть размещены по трассе его полета и обеспечить непрерывный прием телеметрии с КА. Ориентация на использование НЛС для работы в реальном времени допустима при обеспечении требуемой скорости передачи по ним информации. Если требуемую скорость передачи информации по НЛС обеспечить не удается, для связи НИИК с ЦУП необходимо использовать СР, т. е. линию НИИК^-СР^-ЦУП. Один из вариантов структурной схемы обмена информацией в глобальной телеметрической системе показан на рис. 1. Связь между КА и СР и между СР и ЦУП ведется по двух-частотным каналам, в которых частоты / выделены для передачи командной информации, а частоты / - для передачи телеметрической информации.

Бортовой информационно-измерительный комплекс. Структурная схема бортового информационно-измерительного комплекса (БИИК) в зависимости от решаемых задач (орбитальный полет либо отработка изделий РКТ) может видоизменяться [1]. Предложенная структурная схема представлена на рис. 2.

БИИК включает в себя антенно-фидерную систему (АФС) в виде нескольких (от двух до четырех) фазированных антенных решеток или многолучевых антенн и антенну для приема сигналов навигационных систем ГЛОНАСС и ОРБ. Количество антенн в составе АФС зависит от угловых рабочих диапазонов каждой из этих антенн и выбирается с учетом возможности передачи информации с КА в любом направлении при любой ориентации.

Поскольку антенны в составе АФС обеспечивают полный обзор пространства, в зависимости от программы испытаний передача информации может быть выполнена либо на СР, либо на НИИП.

Рис. 2

Как показано в схеме на рис. 2, АС, осуществляющей связь с СР или с НИИК, в определенный момент времени может выбираться согласно программе полета или программным наведением с учетом текущей ориентации КА и его положения относительно приемника (СР или НИИП). Ориентацию КА фиксируют командно-измерительные приборы БКУ; текущее положение КА относительно НИИП определяется с помощью системы автономной навигации САН или по результатам траекторных измерений с наземных станций. По этой информации БКУ выдает команды на подключение передатчика ПРД к антенне, наилучшим образом обращенной к заданному СР.

Коммутационная система управляется программным устройством ПУ. Система управления лучом СУЛ предназначена для направления и последующего перемещения луча ФАР по командам ПУ, а также для управления лучом при поиске и автосопровождении, обеспечиваемыми БКУ. В процессе поиска используется приемник пилот-сигнала, принимающий сигнал маяка СР, в качестве которого могут использоваться и подаваемые на борт в полосе частот Л команды.

БКУ формирует и выдает на передатчик информационный кадр, в котором содержится:

• траекторная информация, вырабатываемая приемовычислителем ГЛОНАСС по сигналам спутников навигационной системы;

• ТМИ, поступающая с аппаратуры телеметрической системы;

• квитанции об исполнении команд.

Информационный кадр необязательно должен формироваться в БКУ, это зависит от набора функций служебных систем и идеологии построения БИИК.

а б

Рис. 3

Наземный сегмент системы глобального телеметрического контроля. В зависимости от радиочастотного диапазона и высоты полета изделий РКТ в систему глобального телеметрического контроля могут входить наземные комплексы различных типов.

При больших расстояниях между передатчиком и приемником радиолинии могут быть использованы станции на базе антенн ТНА-1500 (рис. 3, а) и ТНА-57 (рис. 3, б). Станции на базе антенн ТНА-1500 используются для телеметрического контроля КА, находящихся в дальнем космосе. Указанные станции рассчитаны на работы в 5-, С- и Х-диапазонах волн.

Станции на базе антенн ТНА-57 применяются для телеметрического контроля КА, находящихся в околоземном космическом пространстве. К примеру станция "Спектр-Х" с антенной ТНА-57 на пункте "Медвежьи озера", применяется для приема телеметрической и научной информации с КА "Спектр-Р", находящегося на высокоэллиптической орбите с максимальной высотой 340 000 км. Существует большое количество иных стационарных наземных станций, которые могут быть задействованы в системе глобального телеметрического контроля.

Остановимся подробнее на мобильных станциях, которые могут обеспечить прием ТМИ с изделий РКТ за пределами зон радиовидимости отечественных стационарных станций. Одной из таких станций является малогабаритная станция приема ТМИ МПРС, которая может входить в состав ИИК. Антенна этой станции разработана коллективом ОКБ МЭИ.

Внешний вид станции МПРС приведен на рис. 4. Основные технические характеристики системы:

• диаметр зеркала 3 м;

• эффективная поверхность 3 м2; 64

Рис. 4

• диапазоны частот MI, МП, MIII, Д1, ДП,

AIV;

• диапазон вращения антенны: по азимуту ± 270°, по углу места 0... 180°;

• скорости передачи информации в зависимости от типа БА 2 кбит/с.. .3.14 Мбит/с;

• общая масса 250 кг;

• максимальная масса составной части 55 кг.

В транспортном состоянии штатный комплект станции содержит 12 составных частей и может перевозиться группой обслуживающего персонала различными видами транспорта. Время развертывания данной системы составляет не более 8 ч. При необходимости после соответствующих доработок аппаратуры станция может работать и в других частотных диапазонах.

Бортовые антенны, системы глобального телеметрического контроля. В большинстве случаев на КА для передачи ТМИ используются малонаправленные антенны. Диаграммы направленности (ДН) таких антенн перекрывают полусферу, поэтому двух антенн достаточно для передачи ТМИ при любой ориентации КА. Из-за слабой направленности коэффициент усиления таких антенн составляет не более - 3 дБ в рабочей полусфере. При этом КУ бортовой антенны принять информацию на малогабаритную станцию можно только при использовании в радиокомплексе передатчиков высокой мощности, что, в свою очередь, требует увеличения мощности других служебных систем КА.

Увеличить энергетический потенциал радиолинии "борт-Земля" до уровня, который необходим для принятия информации на станции МПРС, можно поднятием коэффициента усиления бортовых антенн. С этой целью на КА предлагается использовать антенны на основе ФАР или многолучевые коммутируемые антенны. Рассмотрим подробнее преимущества и недостатки таких антенн.

Типичная структурная схема передающей плоской или цилиндрической ФАР с программным управлением ориентацией луча в пространстве приведена на рис. 5, где ДОС - диаграммообразующая схема; БУЛ -блок управления лучом ФАР; БК - блок контроля; СП - спецпроцессор; ЗУ - запоминающее устройство; СЕВ - сигналы единого времени; КБ - корректирующий блок.

A A2

^N

КБ ДОС

ч 1 ft

СП ЗУ ПРД БУЛ

Программа -

I

Навигационные углы

А

БК

ПУ

СЕВ

Рис. 5

В зависимости от диапазона изменения углов связи с наземными мобильными станциями или орбитальным СР на летательном аппарате устанавливается одна или несколько панелей ФАР, обеспечивающих связь во всем диапазоне углов связи. В этом случае в состав схемы управления вводится коммутатор, подключающий передатчик к той панели ФАР, которая в данный момент времени обеспечивает максимальный коэффициент усиления.

Временная зависимость углов связи, соответствующая траектории полета КА и его ориентации относительно приемного пункта, вводится в ПУ. Эта информация перерабатывается в БУЛ в управляющие сигналы, подаваемые на фазовращатели или коммутаторы ДОС. В процессе полета в исполнительных устройствах ДОС могут возникать частичные отказы элементов, приводящие к искажению формы ДН и к смещению направления максимума относительно точки приема. С помощью БК проводится диагностика элементов в реальном времени, и по этим данным СП вырабатывает корректирующие сигналы, подаваемые через ПУ в блок управления лучом.

Одновременно через ПУ в БУЛ вводятся текущие значения навигационных углов.

Если ЛА совершает неориентированный полет, например в результате аномального пуска или выхода из строя системы ориентации, обеспечение бесперебойной передачи информации может быть осуществлено с помощью ФАР, луч (лучи) которой наводится по пилот-сигналу, излучаемому пунктом приема информации.

Структурная схема ФАР, луч которой в передающем режиме наводится по пилот-сигналу, излучаемому на смещенной частоте относительно несущей частоты передатчика КА, показана на рис. 6, где Д - диплексер; ДОС ПРМ - ДОС приемного канала; ДОС ПРД -ДОС передающего канала; ПРМ - дежурный приемник; ПРД - передатчик; БУК - блок угловых координат; БУЛ ПРМ, БУЛ ПРД - блок управления лучом приемного и передающего каналов соответственно; БК ПРМ, БК ПРД - блок контроля элементов приемного и передающего каналов соответственно. Частотный разнос необходим для обеспечения развязки приемного и передающего каналов при их работе на одну ФАР.

Если сдвиг несущих частот приемного и передающего каналов не превышает 10 %, то одновременную работу каналов обеспечивают одни и те же широкополосные антенные элементы, в противном случае полотно ФАР может быть выполнено из разных перемежающихся антенных элементов.

БК ПРМ

А

Д

А2

Д

ДОС ПРМ

Е~~3

БУЛ ПРМ

ПРМ

ИГЛ

Д БК ПРД =

!

ДОС ПРД

\ II

ПРД БУЛ ПРД

СП

I

БУК

ВТИ. ТМИ

Рис. 6

Информация об угловом направлении прихода пилот-сигнала, формируемая в приемном узкополосном тракте, обрабатывается спецпроцессором и через БУЛ передается на управляемые устройства ДОС (фазовращатели) передающего канала.

ФАР (рис. 7, а), разработанная в ОКБ МЭИ для применения на КА, рассчитана на функционирование в Х-диапазоне частот и состоит из щелевых излучающих модулей (рис. 7, б).

а б

Рис. 7

Техническая реализация бортовых ФАР в существенной степени зависит от конструктивных возможностей конкретных изделий РКТ и допустимых массогабаритных ограничений. Если компоновка КА не позволяет разместить на нем несколько ФАР, целесообразно рассмотреть возможность размещения на КА антенн, работающих на основе коммутации излучателей. Перенацеливание луча в антеннах такого типа осуществляется переключением разнонаправленных излучателей без применения фазирования в каналах. Отсутствие фазирования существенно упрощает данные системы в сравнении с ФАР, а средняя ширина ДН излучателей таких антенн позволяет поддерживать потенциал радиолинии на приемлемом уровне. В настоящее время работы по этим антеннам для применения на борту КА ведутся в НПО им. С. А. Лавочкина. На рис. 8, а представлен массо-габаритый макет коммутируемой антенны, состоящий из семи унифицированных излучателей. Антенна рассчитана на передачу информации в Х-диапазоне частот и обеспечивает перекрытие полусферы с коэффициентом усиления не менее 6 дБ. Достаточно высокий уровень коэффициента усиления в сравнении с малонаправленными антеннами достигается шириной ДН одиночного излучателя, которая по уровню коэффициента усиления 6 дБ составляет 70°. С использованием двух таких антенн на КА можно осуществить передачу информации при любой ориентации аппарата. Во время сеанса связи функционирует излучатель антенны, ДН которого в данный момент времени наилучшим образом совпадает с направлением вектора "КА - наземная станция".

При необходимости коэффициент усиления более 6 дБ в качестве бортовой антенны можно рассмотреть коммутируемую антенну в форме полуусеченного икосаэдра (см. рис. 8, б) состоящую из 16 излучателей [2]. Существенное увеличение количества излучателей в системе позволяет достичь более высокого коэффициента усиления (около 10 дБ), так как ДН одиночного излучателя в этом случае уже, чем у излучателей рассмотренной ранее антенны.

На рис. 9 показана структурная схема антенной системы КА при наличии в ней двух коммутируемых антенн, состоящих из семи излучателей. ТМИ поступает с систем КА в ЗУ, далее - в ПРД, откуда преобразованный сигнал направляется в коммутационную систему (КС). БКУ, учитывая положение КА относительно наземной станции и его текущую

МИ 8 МИ 9 МИ 10 МИ 11 МИ 12 МИ 13 МИ 14

ТМИ

МИ 1 МИ 2 МИ 3 МИ 4 МИ 5 МИ 6 МИ 7

ЗУ

БКУ

1 1

ПРД БУКС

1 1

Коммутирующая

система

Рис. 8

Рис. 9

б

а

Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2013. Вып. 1======================================

ориентацию, определяет, через какую антенну и какой излучатель осуществлять передачу информации. После этого БКУ формирует цифровую команду, соответствующую конкретному излучателю, и направляет ее в блок управления коммутационной системой БУКС, который преобразовывает ее в релейную и направляет на КС.

В качестве излучающих элементов таких антенн могут быть использованы излучатели различных типов, однако наиболее подходящими, по-видимому, являются микропо-лосковые излучатели (МИ). Излучатели данного типа удобно располагать на поверхностях сложной формы [3], они имеют невысокие массогабаритные характеристики и способны излучать сигнал с различной поляризацией, зависящей от схемы запитки.

Энергетический расчет радиолинии "КА-МПРС" показывает, что при передаче информации на частоте 8.45 ГГц, использовании на КА коммутируемых антенн с коэффициентом усиления 6 дБ, энергетическом запасе около 3 дБ, применении модуляции QPSK, мощности бортового передатчика 10 Вт, потерях в коммутационно-фидерном тракте 2.5 дБ и коэффициенте эллиптичности 0.65 передачу информации можно осуществлять со скоростью 0.5 Мбит/с на дальностях до 30 000 км. Максимальная дальность во время сеанса связи соответствует нахождению КА на границе зоны радиовидимости наземной станции (тогда, например, при минимальном угле места наземной станции 10° и дальности передачи 30 000 км КА может находиться на орбите высотой около 5000 км).

В большинстве случаев для передачи ТМИ нужна скорость, меньшая чем 0.5 Мбит/с. Например при тех же параметрах бортовой антенны, мощности передатчика и скорости передачи информации в 20 Кбит/с, можно обеспечить связь на дальностях до 150 000 км, что соответствует орбите высотой около 26 000 км.

Таким образом, создание глобальной телеметрической системы без аренды иностранных наземных станций возможно при повышении коэффициента усиления бортовых антенн КА, используемых для передачи ТМИ. Применение для этих целей в составе КА ФАР и коммутируемых антенн имеет свои преимущества и недостатки. ФАР в сравнении с коммутируемыми антеннами имеют высокие массогабаритные характеристики, более высокий коэффициент усиления (что увеличивает максимальную дальность связи), однако способны осуществлять перенацеливание луча в меньшем диапазоне углов, что потребует установки на борту КА большего количества антенн. В то же время ФАР могут обладать большей широкополосностью, что позволяет осуществлять их наведение по пилот-сигналу, тем самым повысив автономность КА. С учетом изложенного тип бортовой антенны должен выбираться после тщательного анализа характеристик космической системы. Стоит также отметить, что применение ФАР и коммутируемых антенн в служебной радиолинии позволяет продублировать целевую радиолинию КА, поскольку при высоком потенциале по служебной радиолинии тоже возможна передача цифровой информации.

Список литературы

1. Михайлов В. Ф., Мошкин В. Н., Брагин И. В. Космические системы связи: учеб. пособие / ГУАП СПб., 2006. 174 с.

======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2013. Вып. 1

2. Власов А. В., Шаханов А. Е. Антенная система на основе коммутации излучателей для ЛА и КА // Новые материалы и технологии в РКТ: мат-лы конф., Звездный городок, 22-24 июня 2011. М:. Радиотехника, 2012. 225-230 с.

3 Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств / под ред. В. И. Вольтмана. М.: Радио и связь, 1982. 328 с.

I. V.Bragin, M. V. Moiseev, I. V. Istyakov

JSC "Special design office of the Moscow power engineering institute" A. E. Shakhanov

S. A. Lavochkin Association (Moscow) A. T. Alekseev

SDB "Yuzhny" (Dnepropetrovsk, Ukraine) V. F. Mikhailov

St. Petersburg state university of aerospace instrumentation

Two ways ofproviding for space systems external trajectory measurements, telemetry and operation of the command radio link outside of the line-of-sight of the spacecraft from the ground measuring stations are offered. On one method the mobile small-sized information-measuring complexes is using and on second ones - the geostationary satellite repeaters. The structural scheme and antenna systems that implement the proposed methods is given.

Telemetry, rocket-space products, on-board phased antenna arrays, switch-controlled antenna

Статья поступила в редакцию 13 февраля 2013 г.

УДК 621.391.25

В. Н. Бондаренко, В. Ф. Гарифуллин, Т. В. Краснов

Институт инженерной физики и радиоэлектроники Сибирского федерального университета

Р. Г. Галеев

ФГУП «НПП "Радиосвязь"» (г. Красноярск) | Поиск шумоподобного сигнала при наличии помехи-отражения

Предложен алгоритм поиска по времени запаздывания шумоподобного сигнала при наличии помехи-отражения. Проведен анализ помехоустойчивости рассмотренного алгоритма, приведены результаты статистического моделирования. Предложенный алгоритм обеспечивает кодовую синхронизацию корреляционного приемника в условиях, когда помеха-отражение может превышать полезный сигнал на 30 дБ.

Шумоподобный сигнал, флуктуационная помеха, помеха-отражение, поиск сигнала, помехоустойчивость, вероятность ошибки

В наземных системах дальней навигации принятый сигнал может содержать наряду с полезным (поверхностным) сигналом мешающие (пространственные) сигналы, образующиеся в результате отражения пространственной волны от ионосферы. В реальных условиях приема в первую очередь приходится учитывать однократно отраженные пространственные сигналы, которые могут превышать полезный сигнал на 30 дБ [1]. В связи с этим при поиске сигналов требуется дополнительная операция допоиска, суть которой сводится к обнаружению поверхностного сигнала и синхронизации с ним опорного сигнала корреляционного приемника.

© Бондаренко В. Н., Гарифуллин В. Ф., Краснов Т. В., Галеев Р. Г., 2013

69