Способ создания глобальной информационной среды в околоземном пространстве и многофункциональная космическая информационная система "Парадигма" на базе сети низкоорбитальных космических аппаратов для его осуществления
METHOD OF CREATING GLOBAL INFORMATION ENVIRONMENT IN NEAR-EARTH SPACE AND PARADIGMA, MULTIFUNCTIONAL SPACE INFORMATION SYSTEM BASED ON NETWORK OF LOW-ORBIT SPACECRAFT FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к многоцелевым космическим системам, основанным на многоспутниковых сетях низкоорбитальных космических аппаратов (КА) и предназначенным для решения задач глобальной связи и мониторинга.
Целью изобретения является повышение оперативности глобальной непрерывной передачи информации между наземными и космическими корреспондентами (субъектами передачи и приема информации) (вплоть до реального масштаба времени), а также обеспечение непрерывного информационного мониторинга поверхности Земли, гравитационного поля Земли, а также околоземного пространства с помощью сети низкоорбитальных КА. Космическими корреспондентами могут являться как люди, так и автоматические устройства. Технический результат состоит в существенном повышении оперативности системы, более высокой устойчивости системы (жизнеспособности), повышения технико-экономических показателей системы.
Известны аналоги предлагаемого способа и реализующие его устройства.
В одном из известных аналогов по патенту RU №2302695, 2005 г. предлагаемого способа передача информации осуществляется посредством трех группировок КА, одна из которых расположена на геостационарной орбите, другая на низкой орбите, третья на средневысотной орбите. Каждый из КА, расположенных на низковысотной орбите, имеет возможность связи, как минимум, с одним из КА, расположенных на средневысотной орбите, а каждый из КА, расположенных на данной орбите, с одним из КА, находящихся на геостационарной орбите.
Однако этот способ передачи информации (включая организацию системы связи) ориентирован только на передачу информации и за счет сложной архитектуры системы связи имеет существенно низкое быстродействие и этим способом невозможно обеспечит связь между высокоширотными регионами из-за их недоступности.
Недостатками аналога являются низкая оперативность передачи информации глобально удаленным потребителям, а также невозможность информационного мониторинга поверхности Земли и окружающего космического пространства.
Прототипом предлагаемого изобретения является способ передачи информации в сети низкоорбитальной космической спутниковой связи в нескольких орбитальных плоскостях (RU 2434332 от 26.02.2010 г.), при котором сигналы сообщения передаются абоненту и ретранслируются последовательно между космическими аппаратами, до входа конкретного аппарата в зону радиовидимости обслуживаемого абонента.
Принцип работы прототипа поясняется фигурой 1.
1
2
А-1
А-2
А-3
А-1
А-2
А-3
А-5
А-3
В-1
В-1
В-2
В-1
В-3
2
Суть способа-прототипа заключается в следующем. Наземный абонент A из своей базы данных определяет координаты принимающего абонента А и передает информацию (включая координаты принимающего абонента) на ближайший к нему КА. Далее эта информация (см. фиг. 1) ретранслируется через КА на ближайший к нему КА, находящийся в этой же орбитальной плоскости. Важно отметить, что последовательность аппаратов КА, КА, КА, …КА и др. находится в одной орбитальной плоскости и поэтому соседние аппараты характеризуются взаимной видимостью. Одновременно в общей полярной зоне радиовидимости 3 (см. фиг. 1) кроме КА находится КА, относящийся к другой орбитальной плоскости. Зона 3, в которой пересекаются все плоскости орбит системы, расположена в полярной области и является наиболее вероятной областью пересечения всех плоскостей полярных орбит системы, а поэтому - наиболее вероятной областью радиовидимости КА, находящихся в разных орбитальных плоскостях. Далее от КА через цепочку аппаратов КА, КА, КА информация поступает к абоненту А.
В целом, передаваемая информация в виде сигналов от передающих абонентов распространяется от одной орбитальной плоскости к другой по цепочке КА-ретрансляторов, расположенных в нескольких орбитальных плоскостях, и поступает к абонентам.
Недостатками способа, реализованного в прототипе, являются следующие:
- ограниченная оперативность глобальной передачи информации, поскольку передача информации между орбитальными плоскостями возможна лишь в ограниченной полярной зоне и существующая вероятность потери сообщения из-за отсутствия КА нужной плоскости;
- невозможность проведения глобального радиотехнического мониторинга подстилающей поверхности, воздушного пространства и околоземного пространства Земли с борта каждого КА многоспутниковой системы с передачей результатов мониторинга потребителю в реальном масштабе времени;
- невозможность проведения локального высокоразрешающего радиолокационного и оптического мониторинга подстилающей поверхности Земли с передачей результатов мониторинга потребителю в реальном масштабе времени;
- невозможность глобального мониторинга параметров ионосферы Земли в интересах уточнения ее модели;
- невозможность глобального мониторинга гравитационного поля Земли в интересах уточнения модели гравитационного потенциала.
Предлагаемый способ основан на глобальной передаче информации между околоземными корреспондентами через кластер КА передачи информации «Космосеть» с помощью межспутниковых радиотехнических и лазерных каналов связи с одновременным радиотехническим мониторингом поверхности Земли, воздушного пространства, ионосферы и окружающего космического пространства, радиолокационным и оптическим мониторингом подстилающей поверхности Земли, а также мониторингом гравитационного поля Земли с помощью бортовой измерительной аппаратуры соответствующих кластеров КА, входящих в систему.
Сущность предлагаемого способа состоит в следующем:
В сеансе передачи информации в аппаратуре наземного корреспондента формируют пакет передаваемой информации и передают его по радиоканалу «Земля-борт» на ближайший КА кластера передачи информации системы. В пакете информации указывают геоцентрические координаты аппаратуры потребителя. Затем с помощью бортового вычислителя КА-ретранслятора на основе заданных координат потребителя определяют межспутниковый маршрут передачи информации и по выбранным межспутниковым радиотехническим и лазерным каналам связи (как в одной орбитальной плоскости, так и между орбитальными плоскостями) передают информацию наземному потребителю с заданными координатами.
Одновременно на борту кластера КА оптического мониторинга с помощью бортовой оптической системы наблюдения формируют многоспектральное оптическое изображение участка подстилающей поверхности Земли. С помощью кластера КА радиомониторинга принимают сигналы наземных, воздушных и космических радиоисточников и по параметрам принимаемых сигналов определяют их координаты. С помощью бортового радиолокационного бистатического кластера КА формируют радиолокационную многоракурсную информацию о состоянии целей на поверхности Земли в режиме бистатической радиолокации. С помощью бортовой аппаратуры взаимной межспутниковой связи миллиметрового диапазона измеряют параметры относительного движения всех пар соседних КА по линии «спутник-спутник» и по результатам измерений уточняют параметры модели гравитационного поля Земли. С помощью многочастотных навигационных приемников КА космического кластера КА глобального радиомониторинга ионосферы «ИОНОСФЕРА» определяют полную электронную концентрацию вдоль радиолинии навигационного сигнала и уточняют параметры модели ионосферы. С помощью бортовой аппаратуры атмосферных спутников воздушного кластера системы формируют радиолокационную бистатическую информацию, видовую оптическую информацию и информацию радиомониторинга о подстилающей информации и приземных радиоисточниках. Информация мониторинга от всех кластеров КА мониторинга, а также от атмосферных спутников мониторинга передают на Землю по каналам «Борт-Земля», а также по межспутниковым радиоканалам кластера КА передачи информации потребителям с заданными геоцентрическими координатами.
В состав многофункциональной космической информационной системы (МКИС) «ПАРАДИГМА» включены следующие основные элементы (Фиг. 2):
- космический эшелон информационных кластеров КА;
- воздушный эшелон информационных атмосферных спутников (АС) и БПЛА;
- эшелон абонентской аппаратуры связи наземных потребителей;
- Центр приема и анализа информации мониторинга;
- наземный Центр управления системой.
1. Космический эшелон многофункциональной космической информационной системы (МКИС) «Парадигма», включает в себя следующие информационные кластеры КА (Фиг. 2):
- космический кластер КА передачи информации потребителям «КОСМОСЕТЬ» по каналам «спутник-спутник», «Земля-борт» и «Борт-Земля»;
- космический кластер КА «РАДИОЛОКАТОР» бистатического радиолокационного мониторинга, связанный по радиоканалу с космическим кластером КА передачи информации;
- космический кластер КА радиомониторинга «РАДИО» подстилающей поверхности, воздушного и космического пространства Земли, связанный по радиоканалу с космическим кластером КА передачи информации;
- космический кластер оптического мониторинга подстилающей поверхности и атмосферы «ОПТИКА», связанный по радиоканалу с космическим кластером КА передачи информации;
- космический кластер КА глобального радиомониторинга ионосферы «ИОНОСФЕРА», основанный на использовании многочастотных приемников глобальных спутниковых навигационных систем и связанный по радиоканалу с космическим кластером КА передачи информации;
- космический кластер КА уточнения параметров гравитационного поля Земли «ГРАВИКА», основанный на измерении относительного движения соседних спутников и связанный по радиоканалу с космическим кластером КА передачи информации.
2. Воздушный эшелон «ДРОН» включает в себя информационную аппаратуру кластеров высокоразрешающего атмосферного радиотехнического, радиолокационного и оптического мониторинга подстилающей поверхности и воздушного пространства Земли, размещаемую на борту атмосферных спутников (АС) или беспилотных летательных аппаратов БПЛА и связанную по радиоканалу с космическим кластером КА передачи информации «КОСМОСЕТЬ»;
3. Эшелон абонентской аппаратуры потребителей, который обеспечивает глобальную связь наземных и воздушных потребителей с корреспондентами в любой точке Земли по их требованию, а также прием необходимой информации глобального мониторинга и передачу запросов на получение информации мониторинга из требуемых районов Земли и космического пространства.
4. Центр приема и анализа информации мониторинга, в который стекаются все виды информации с космических и воздушных кластеров мониторинга. Здесь же выполняются операции анализа информации и прогнозирование ситуаций в атмосфере и космосе.
5. Наземный центр управления всей системой, который предназначен для планирования работы всех кластеров системы, управления бортовой аппаратурой элементов космического и воздушного эшелонов, а также для контроля за состоянием аппаратуры всех эшелонов.
Информационные кластеры космического эшелона МКИС «ПАРАДИГМА» работают следующим образом:
1. Космический низкоорбитальный кластер глобальной передачи данных в реальном масштабе времени (транспортный космический информационный кластер) «КОСМОСЕТЬ» (Фиг. 3) реализует виртуальную «космическую шину» за счет сети из 72 КА, расположенных на высоте 800 км в 8 приполярных орбитальных плоскостях по 9 КА в каждой или 48 КА (6×8)на высоте 1200 км.
В транспортном информационном кластере «КОСМОСЕТЬ» решаются следующие научно-технические задачи:
- передача данных между любыми точками земной и водной поверхностей, воздушного и околоземного космического пространства в реальном масштабе времени и организация по межспутниковым каналам различных видов сетевых сервисов;
- адресация, обеспечивающая однозначную идентификацию устройств, служб и приложений в любом их местоположении;
- реализация протоколов динамической маршрутизации и ретрансляции пакетов данных на борту космических аппаратов и др.
2. Кластер КА «РАДИОЛОКАТОР» многопозиционной бистатической радиолокации подстилающей поверхности Земли (Фиг. 4) содержит несколько спутников, причем один из КА кластера облучает цель, а остальные - принимают отраженные радиосигналы и строят многоракурсное (по количеству КА-приемников) изображение цели, что очень важно для ее распознавания и вскрытия замаскированных объектов. В качестве облучающих радиолокационных источников могут также использоваться спутники глобальных спутниковых навигационных систем (ГНСС) ГЛОНАСС, GALILEO, GPS и др. Кроме того, такая технология позволяет определить высоту рельефа, что важно при решении проблем геодезии и картографии.
3. Кластер МКА многоракурсной панхроматической и гиперспектральной оптической съемки местности «ОПТИКА» (Фиг. 5) имеет возможность распознавания целей практически в реальном времени, что очень важно для освещения районов чрезвычайных ситуаций и недоступно классическим системам оптического наблюдения. В этой системе мониторинга бортовым телескопом минимального диаметра накрывается цель и получается снимок с невысоким разрешением. Но если к этому добавить многоспектральный портрет цели, снимаемый с помощью бортового малогабаритного видеоспектрометра, то с помощью бортовой ЭВМ возможно получить высококачественное изображение цели практически в реальном масштабе времени. Такая система мониторинга без большого телескопа получается достаточно компактной. Скорость обработки сигнала современными методами достаточно высока и позволяет получить высококачественное изображение.
4. Кластер МКА многопозиционного радиотехнического мониторинга (радиопеленгации) постилающей поверхности, воздушного пространства и космического пространства в зоне прямой видимости «РАДИО» (Фиг. 6) решает задачу выработки целеуказаний в виде высокоточных координат обнаруженных целей на Земле, в атмосфере и в космосе практически в реальном времени. Космический аппарат - носитель аппаратуры радиотехнического мониторинга - имеет на борту навигационную аппаратуру потребителя ГНСС ГЛОНАСС и др. и поэтому всегда имеет свои собственные высокоточные координаты. При расстоянии между спутниками - носителями такой аппаратуры - в 10-50 км разрешающая способность космической системы радиотехнического мониторинга составляет единицы-десятки метров.
5. Кластер КА радиомониторинга состояния ионосферы «ИОНОСФЕРА» (Фиг. 7) с помощью бортовой двухчастотной приемной аппаратуры ГНСС ГЛОНАСС, GPS, GALILEO, расположенной на борту КА мониторинга, определяет текущие изменения полной электронной концентрации в ионосфере во всей полусфере в направлении на навигационные спутники. Эти текущие данные служат основой для решения многих практических задач, в том числе для уточнения глобальной модели ионосферы.
6. Работа кластера КА мониторинга и уточнения параметров гравитационного поля Земли (ГПЗ) «ГРАВИКА» (Фиг. 8) основана на использовании межспутниковых каналов связи двух соседних спутников в мм-диапазоне для измерения параметров их относительного движения. В этих параметрах (взаимная дальность, скорость, ускорение) содержится информация о параметрах ГПЗ (потенциал и его градиенты). Погрешность измерения взаимной скорости соседних спутников в мм-диапазоне не должна превышать единиц мм в секунду, что уже реализовано в практических системах. Другая возможность решения этой задачи основана на независимых измерениях текущей скорости КА с помощью бортовой навигационной аппаратуры (НАП) ГНСС типа ГЛОНАСС.
Информационные кластеры воздушного эшелона «ДРОН» работают следующим образом. Они реализуется с помощью атмосферных спутников (АС) и беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) (Фиг. 9), которые могут совершать беспосадочный полет в стратосфере в течение 4-5 лет. В этом эшелоне реализуются перечисленные выше информационные кластеры: видового многоспектрального мониторинга, радиотехнического мониторинга, а также бистатического радиолокационного мониторинга. При этом на борту АС и БПЛА располагается соответствующая аппаратура. Передача полученной информации мониторинга ведется через ближайшие спутники системы «Космосеть».
Преимущества системы:
- универсальность и способность спутников системы решать несколько задач одновременно (например, оптическое и радиолокационное наблюдение, радиомониторинг, обеспечение глобальной передачи информации и др.); спутники классических систем решают лишь одну задачу;
- высокая оперативность: информация наблюдения из любой точки Земного шара в Центр передается в реальном времени (без задержки) по своим собственным межспутниковым каналам. В классических системах решается ограниченное количество задач с передачей информации либо в зоне видимости Центра (т.е. с задержкой), либо через специальные геостационарные ретрансляторы, что существенно увеличивает стоимость системы;
- более высокая устойчивость системы в силу ее универсальности и многосвязности (каждый спутник связан со всеми соседями). В классических системах выход из строя, например, геостационарного ретранслятора, лишает систему свойства оперативности;
- более короткие сроки проектирования и изготовления первой очереди системы, что свойственно многоспутниковым системам, создаваемым на технологиях малых и сверхмалых КА (не более 4-5 лет).
В силу отмеченных преимуществ, предлагаемые системы имеют показатель эффективность/стоимость, как минимум, в 4-5 раз выше, чем у классических. Например, затраты на создаваемую в рамках ФКП систему мониторинга Земли квазиреального времени на основе традиционных систем ДЗЗ составляют около 263 млрд. руб. при сроках создания 11 лет (2015-2025 гг.) Оценка затрат на Глобальную систему оперативного мониторинга на основе МКА и АС дает цифру 56,8 млрд. руб. (в 4,6 раз меньше) при сроках создания первой очереди 5-6 лет.
Технологии, реализующие интегральный целевой эффект МКИС «ПАРАДИГМА»:
- многопозиционная бистатическая радиолокация подстилающей поверхности Земли, при которой один из КА кластера облучает цель, а остальные - принимают отраженные радиосигналы и строят многоракурсное (по количеству КА-приемников) изображение цели, что очень важно для ее распознавания и вскрытия замаскированных объектов. Кроме того, такая технология позволяет определить высоту рельефа, что важно при решении проблем геодезии и картографии [1], [7], [8];
- многоракурсная панхроматическая и гиперспектральная оптическая съемка местности с возможностью распознавания целей практически в реальном времени, что очень важно для оперативного мониторинга и недоступно классическим системам оптического наблюдения [1];
- многопозиционный радиотехнический мониторинг подстилающей поверхности с выработкой целеуказаний в виде высокоточных координат обнаруженных целей практически в реальном времени [1], [8];
- космическая информационная шина, организованная на принципах интернет-технологий для передачи информации в реальном времени от любого глобально удаленного КА-наблюдателя всех информационных кластеров, в том числе по запросу индивидуального абонента (система «КОСМОСЕТЬ»). [3], [4], [5];
На основе ГКИС «ПАРАДИГМА» становится возможна реализация с минимальными временными и материальными затратами следующих систем:
1. Глобальная система оперативной комплексной непрерывной космической разведки ТВД (театр военных действий) и передачи данных на основе кластеров малых космических аппаратов в интересах наземных, морских и воздушных потребителей.
2. Многоспутниковая авиационно-космическая система информационного освещения Северных территорий и акваторий Российской Федерации.
3. Космический эшелон информационных средств Воздушно-космической обороны РФ на основе новых технологий.
Все перечисленные предлагаемые системы имеют двойное назначение и включают ряд взаимосвязанных систем низшего уровня, которые могут быть реализованы как самостоятельные отдельные системы. К ним, в частности, относятся:
4. Сеть МКА для наблюдения космических объектов, предназначенная для контроля космического пространства в интересах национальной обороны.
5. Сеть МКА для оперативного обнаружения пожаров, которая дополнительно решает задачу оперативного обнаружения атмосферных средств воздушно-космического нападения типа гиперзвуковых летательных аппаратов и др.;
6. Система мониторинга транспортных объектов на основе малых космических аппаратов, предназначенная для персональной связи и сопровождения транспорта и грузов в Северных широтах;
7. Глобальная телекоммуникационная сеть МКА «КОСМОСЕТЬ», построенная на базе маршрутизаторов и всех межспутниковых каналов, образующих космическую информационную шину на принципах интернет-протоколов.
Возможность парирования угроз государству с помощью системы:
1) Угроза информационной блокады Российской Федерации, в том числе удаленных театров военных действий, парируется за счет:
- расширения охвата обслуживаемых территорий с границ территории РФ до полного охвата всей поверхности Земли;
- обеспечения оперативности глобальной доставки информации в реальном масштабе времени.
2) Угроза физического уничтожения части космических аппаратов системы парируется тем, что вывод из строя части КА многоспутниковой системы лишь незначительно снижает ее боевую устойчивость.
3) Угрозы киберподавления и радиоподавления парируются за счет:
- обеспечения киберустойчивости на основе использования миллиметрового диапазона в межспутниковых каналах;
- изолированности системы от сетевых наземных ресурсов;
- применения специальных отечественных протоколов передачи и маршрутизации пакетов данных, специального аппаратно-программного обеспечения и специальных методов модуляции радиосигналов.
4) Угроза технологической блокады при создании космических инфокоммуникационных систем парируется за счет импортозамещения в части собственных разработок программного обеспечения и применения отечественной элементной базы при создании микроспутников;
5) Угроза национальной информационной безопасности парируется за счет повышения эффективности ведения глобальных информационных операций на основе использования возможностей отечественного «космического интернета», реализуемого на основе ГКИС «ПАРАДИГМА».
Система открывает возможность создания отечественного глобального интернета, более широкий спектр парирования угроз государству.
Система имеет совокупность свойств, которую не имеет ни одна из существующих космических информационных систем.
Из всего вышесказанного следует достижение технического результата, состоящего в существенном повышении оперативности системы - информация наблюдения из любой точки Земного шара в Центр передается в реальном времени (без задержки) по межспутниковым каналам, более высокой устойчивости системы в силу ее универсальности и многосвязности (каждый спутник связан со всеми соседями), повышения технико-экономических показателей системы что выражается в более коротких сроках проектирования и изготовления первой очереди системы, что свойственно многоспутниковым системам, создаваемым на технологиях малых и сверхмалых КА (не более 4-5 лет).
Список литературы:
1. Монография: Малые космические аппараты информационного обеспечения / Под ред. докт. техн. наук, засл. деятеля науки РФ, проф. В.Ф. Фатеева. - М.: Радиотехника, 2010. - 320 с., ил.
2. Монография: Инфраструктура малых космических аппаратов / Под ред. докт. техн. наук, засл. деятеля науки РФ, проф. В.Ф. Фатеева. - М.: Радиотехника, 2011. - 432 с., ил.
3. Галькевич А.И «Спецтема» / Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. - М.: ВА РВСН им. Петра Великого, 2011.
4. Монография: Низкоорбитальная космическая система персональной спутниковой связи и передачи данных / Под ред. Генерального конструктора многофункциональной космической системы персональной спутниковой связи и передачи данных, президента ОАО «СС» Гонец», к.т.н. Галькевича А.И.: ООО «Юнис», 2011. - 168 с.
5. Технические предложения «Разработка перспективной глобальной космической низкоорбитальной инфокоммуникационной системы на основе инновационных технологий» Шифр темы: «Космонет» / Под. Руководством д.т.н. Галькевича А.И., 2014. - 273 с.
6. Фатеев В.Ф. Современный взгляд на развитие космического эшелона информационных средств ВКО // «Воздушно-космическая оборона», 2014, №1. С. 31-38.
7. Фатеев В.Ф., Шилин В.Д., Курикша А.А., Лагуткин В.Н., Лукьянов А.П., Ксендзук А.В. Направления развития космического эшелона информационных средств ВКО РФ на основе новых технологий // «Вопросы радиоэлектроники», сер. Радиолокационная техника, вып. 1, Москва, 2014.
8. Фатеев В.Ф. Космический эшелон воздушно-космической обороны на технологиях миниатюризации космических аппаратов // «Воздушно-космическая оборона», 2013, №6. С. 24-34.