Наземная станция командно-измерительной системы управления геостационарными космическими аппаратами
GROUND STATION OF GEOSTATIONARY SPACECRAFT CONTROL AND MEASUREMENT SYSTEM CONTROL SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к области космонавтики, а именно к средствам наблюдения и слежения за полетом космических кораблей -наземным комплексам управления, более конкретно к наземным станциям командно-измерительных систем.
В качестве примера наземной станции командно-измерительной системы можно указать наземную станцию командно-измерительной системы «Каштан» (Урличич Ю.М. и др. «Современные технологии навигации геостационарных спутников», Москва, Физматлит, 2006, стр. 213-214). Наземная станция командно-измерительной системы управления геостационарными космическими аппаратами, представляет собой аппаратно-программный комплекс управления полетом космического аппарата, связанный посредством системы передачи данных с аппаратно-программным комплексом управления полетом космического аппарата, представляющим собой систему «человек -машина», - центром управления полетом. Совершенствование наземных станций командно-измерительных систем обусловлено решением актуальных научно-технических задач, среди которых можно выделить взаимосвязанные друг с другом задачи обеспечения надежности функционирования наземной станции командно-измерительной системы и обеспечения информационной безопасности при эксплуатации наземной станции командно-измерительной системы.
Например, в патенте на изобретение RU 2 653 935, АО «Российские космические системы», опубликован в 2018 г., предложен наземный комплекс управления, в котором для обеспечения информационной безопасности (в первую очередь) и повышения надежности управления первый центр управления полетом связан через второй центр управления полетом и систему передачи данных с наземной станцией командно-измерительной системы. Решение задачи повышения надежности функционирования наземной станции командно-измерительной системы предложено в патенте на изобретение RU 2 604 053, АО «Российские космические системы», опубликован в 2016 г., ближайший аналог изобретения, где предложен наземный комплекс управления геостационарными космическими аппаратами, в котором наземная станция командно-измерительной системы управления геостационарными космическими аппаратами, представляет собой аппаратно-программный комплекс управления полетом космического аппарата, с компьютерами, объединенными в кластер, и резервированной высокочастотной аппаратурой, связанный посредством системы передачи данных с аппаратно-программным комплексом управления полетом космического аппарата, представляющим собой систему «человек - машина», - центром управления полетом. Предложенное в RU 2 604 053 резервирование оборудования наземной станции не позволяет в полной мере решить важную для работы с геостационарными космическими аппаратами задачу обеспечения надежной круглосуточной работы наземной станции командно-измерительной системы с сохранением данных при нештатных ситуациях с минимизацией воздействия человеческого фактора на работу наземного комплекса управления. Очевидно, что решение данной технической задачи взаимосвязано с решением задачи обеспечения информационной безопасности наземного комплекса управления.
В свою очередь, предложена наземная станция командно-измерительной системы управления геостационарными космическими аппаратами, представляющая собой аппаратно-программный комплекс управления космическим аппаратом, с компьютерами, объединенными в кластер, и резервированной высокочастотной аппаратурой, связанный посредством системы передачи данных с аппаратно-программным комплексом управления полетом космического аппарата, представляющим собой систему «человек - машина», - центром управления полетом. В отличие от ближайшего аналога наземная станция командно-измерительной системы находится под управлением аппаратно-программных средств центра управления полетом без непосредственного участия человека и включает высокочастотный тракт передачи данных и высокочастотный тракт приема данных с горячим резервированием каждого активного элемента в указанных высокочастотных трактах. В указанном кластере компьютеров наземной станции, являющемся частью высокочастотного тракта передачи данных и высокочастотного тракта приема данных, каждый компьютер оснащен системой цифровой обработки сигнала на базе платы PCI Express для автоматического контроля передачи данных между космическим аппаратом и наземным комплексом управления и предусматривает функциональное разделение программного обеспечения управления и администрирования.
Осуществление предложенного изобретения может быть поясняется
фиг. 1 - схема наземной станции командно-измерительной системы;
фиг. 2 - схема взаимодействия программного обеспечения, обеспечивающего работу наземной станции командно-измерительной системы.
В состав наземного комплекса управления входит центр управления полетом (ЦУП, 1) и наземная станция командно-измерительной системы (НС КИС, 2), представляющие собой аппаратно-программные комплексы, обеспечивающие функции управления полетом и обмена данными с космическим аппаратом, соответственно. Центр управления полетом 1 представляет собой систему «человек - машина», под которой понимается система, сочетающая деятельность человека и функционирование объекта техники, основанных на взаимодействии в соответствии с получаемой информацией с объектом управления и машиной посредством органов управления. В свою очередь наземная станция командно-измерительной системы 2 функционирует без привлечения штатных операторов, находящихся на станции, то есть обеспечивает обмен информации с космическим аппаратом, находясь под удаленным управлением центра управления полетом 1. На оборудовании центра управления полетом 1 находится программа удаленного управления наземной станцией командно-измерительной системы 2 и программа информационного обмена для подключения программного обеспечения управления и программного обеспечения обработки телеметрии. Центр управления полетом 1 и наземная станция командно-измерительной системы 2 связаны между собой посредством защищенной системы передачи данных (ЗСПД, 3) с применением межсетевых экранов (МЭ).
В наземной станции командно-измерительной системы 2 можно выделить высокочастотный тракт передачи данных и высокочастотный тракт приема данных, оконечным пунктом которых является кластер аппаратно-программных средств, и отнести оборудование станции к тому или иному тракту. Для того, чтобы обеспечить круглосуточное надежное функционирование наземного комплекса управления предложено дублировать компьютерные и все активные высокочастотные элементы (устройства) наземной станции командно-измерительной системы 2, то есть обеспечить горячее резервирование всех активных устройств высокочастотного тракта приема данных и высокочастотного тракта передачи данных, выполняющих функции, заданные для данных устройств. То есть, в наземной станции командно-измерительной системы 2 объединены в программный кластер два комплекта аппаратно-программных средств - компьютеров 4, 4', один из которых обеспечивает горячее резервирование другого. Обеспечивается горячее резервирование преобразователя частоты вниз (конвертор вниз 1:1 на схеме) и малошумящего усилителя (LNA) для высокочастотного тракта приема данных, а также преобразователя частоты вверх (конвертор вверх 1:1 на схеме) и усилителя мощности (HPA) для высокочастотного тракта передачи данных. В зависимости от функционального назначения высокочастотных трактов горячее резервирование обеспечивают при помощи сумматоров, делителей, переключателей. Возможность горячего резервирования (автопереключения) обеспечит бесперебойную (24 ч / 7 дней в неделю) работу наземной станции командно-измерительной системы, в том числе работу станции при аварии, что особенно важно для обеспечения хранения журналов работы системы (в случае аварии одного из компьютеров история работы наземного комплекса управления сохраняется). Каналы управления активных элементов высокочастотных трактов зарезервированы с использованием преобразователей портов RS232/RS485 в Ethernet, то есть через порты RS232/RS485 обеспечивается передача управляющих команд с компьютеров на прочие активные элементы высокочастотных трактов. Комплекты высокочастотных устройств переключаются независимо, обеспечивается инкрементальная синхронизация протоколов и телеметрии обоих комплектов аппаратно-программных средств, блочная синхронизация данных телеметрии на обоих комплектах. Оборудование наземной станции командно-измерительной системы 2 размещается в контейнере.
Компьютеры (ПЭВМ, 4, 4') стоечного исполнения, образующие единый кластер и резервирующие друг друга, оснащены программируемой системой цифровой обработки сигнала, обеспечивающей автоматический контроль передачи данных между космическим аппаратом и наземным комплексом управления (система модернизированной цифровой обработки сигнала, МЦОС). Система цифровой обработки сигнала позволяет автоматически определять тип приемного сигнала - широкополосный или узкополосный, тип телеметрического сигнала, а также проводить радиоконтроль орбиты с заданной точностью, принимать телеметрию во время проведения радиоконтроля орбиты. Система цифровой обработки сигнала выполнена на базе платы PCI Express, установленной на компьютере, на которой расположены ПЛИС, цифро-аналоговый преобразователь, аналого-цифровой преобразователь. На ПЛИС реализованы алгоритмы, соответствующие алгоритмам и протоколам командно-измерительных систем семейства «Тамань-База». Выходы модернизированной системы цифровой обработки сигнала связаны с облучателем антенны через преобразователь частоты вверх (конвертор вверх 1:1) и усилитель мощности (HPA), обеспечивающий суммирование мощности без разрыва фазы, а вход - подключен к облучателю антенны через малошумящий усилитель (LNA) и преобразователь частоты вниз (конвертор вниз 1:1), то есть сформированы высокочастотные тракты передачи и приема данных, соответственно. Для проведения юстировки при проведении радио контроля орбиты и проверки работоспособности высокочастотного тракта используют конвертер контрольного сигнала (ККС).
Также, в компьютерах 4, 4' каждого комплекта аппаратно-программных средств для большей надежности функционирования наземной станции командно-измерительной системы предложено функционально разделить программное обеспечение для управления и для администрирования, то есть выделить в компьютерах 4, 4' отдельно программный сервис управления и отдельно программный сервис удаленного администрирования, в каждом из которых реализован алгоритм кластера. Сервис управления наземной станции командно-измерительной системы 2 отвечает за мониторинг и управление ее всеми устройствами, выдачу воздействий на космический аппарат и прием телеметрии и взаимодействует с системой цифровой обработки сигнала через программу драйвер. Для шифрования и дешифрования данных поступающих и принимаемых с космического аппарата используется аппаратура закрытия информации (АЗИ), подключенная к обоим компьютерам (для подключения аппаратуры закрытия информации выделены отдельные PCI платы - ЯУ643), с которой через соответствующую программу драйвер взаимодействует сервис управления.
Таким образом, предложена архитектура аппаратно-программных средств наземного комплекса управления, характеризующегося большей надежностью при эксплуатации.