Принципы создания перспективной многоцелевой космической системы ретрансляции информации

Назначение и задачи КСР. Важнейшим направлением повышения оперативности и глобальности управления низкоорбитальными КА при одновременном уменьшении числа КИПов до одного-двух является применение космической системы ретрансляции информации на основе спутников-ретрансляторов (СР) на геостационарной орбите. До создания КСР задачи увеличения продолжительности и глобальности информационного взаимодействия с объектами РКТ решались путем развития НАКУ, измерительных комплексов космодромов (ИКК), комплексов обмена информацией целевого назначения (ИЦН) как пространственно распределенных систем,включающих десятки КИПов,ИП и пунктов приема специнформации. Обусловлено это тем,что информационный обмен КА,РН и РБ наземными средствами управления и измерения осуществлялся в основном по прямым радиоканалам в непосредственном режиме. Продолжение эксплуатации пространственно распределенной инфраструктуры указанных комплексов с большим количеством телеметрических, командно-измерительных и других средств, с одной стороны, требует значительных материальных затрат, а с другой стороны, не позволяет существенно повысить эффективность использования космической техники,оперативность управления КА и сбора ИЦН,телеметрической и траекторией информации со средств выведения.

Кроме того, имеется ряд задач управления КА и информационного обеспечения испытаний и штатной эксплуатации объектов РКТ, которые принципиально не могут быть решены существующей инфраструктурой НАКУ и ИКК, в частности:

• запуски КА на солнечно-синхронные и полярные орбиты;
• пуски БР по не оборудованным измерительными средствами трассам;
• управление пилотируемыми КА, ОС, модулями МКС в телеоператорном режиме в течение длительных интервалов времени.

Выполнение перспективных требований к информационному обеспечению испытаний и штатной эксплуатации объектов РКТ, а также значительное сокращение средств наземной инфраструктуры и соответственно эксплуатационных затрат могут быть обеспечены только на базе использования космических каналов ретрансляции информации между объектами РКТ и центрами управления полетом, сбора и обработки целевой информации. Разработанные в 1980-е гг. и созданные в нашей стране космические системы ретрансляции на базе СР «Луч»,»Поток»,»Луч-2″ в соответствии с уровнем развития космической техники того времени не могли решить всех задач по обеспечению полетов объектов РКТ и выполняли ограниченные специализированные задачи по обслуживанию отдельных КА.

Отмеченные обстоятельства требуют создания новой многоцелевой КСР, обеспечивающей эффективное решение всех возложенных на нее перспективных задач. Целью создания перспективной КСР является обеспечение управления в реальном масштабе времени орбитальной группировкой КА, передачи информации целевого назначения с любого участка орбиты, ретрансляции телеметрической и траекторной информации, передаваемой с ракет-носителей,разгонных блоков и баллистических ракет на активном участке траектории их выведения, и сокращение затрат на поддержание технической готовности, эксплуатацию и развитие НАКУ, ИКК, а также комплексов сбора и обработки целевой информации. Системотехнические требования к перспективной космической системе ретрансляции,сформулированные на основе анализа требований по управлению КА военного, социально-экономического и научного назначения, представлены в табл.

Перспективная КСР создается как государственная многоцелевая космическая система ретрансляции (МКСР) для обеспечения научных, социально-экономических, оборонных, международных и коммерческих космических программ.

При решении своих целевых задач МКСР должна обеспечивать:   

• ретрансляционный обмен с объектами пилотируемой космической программы, с КА исследования природных ресурсов Земли,гидрометеорологического обеспечения, оборонного и двойного назначения, научными КА;
• ретрансляцию информации с активных участков траектории при испытаниях баллистических ракет, запусках на любые наклонения ракет-носителей, разгонных блоков;
• обмен потоками информации для управления КА, целевой и измерительной информацией между центрами управления и обработки информации, а также с заказчиками РКТ и пользователями информации целевого назначения;
• прием и ретрансляцию сигналов «Вызов НКУ» при возникновении на КА нештатных ситуаций.

Многоцелевая КСР должна обеспечить рациональную преемственность в использовании методов и унифицированных средств управления, сбора измерительной и целевой информации.

МКСР должна быть совместима с зарубежными КСР (ТДРСС, США; ДРТСС,Япония; ДРС,ЕКА),что позволит использовать зарубежные СР для съема информации с отечественных КА в случае критических ситуаций с последующей ее передачей в отечественные центры сбора информации. Реализация совместимости МКСР позволяет отказаться от орбитального резерва СР, подстраховывая при отказах его задачи по договоренности с другими странами. Кроме того, МКСР в случае совместимости с другими системами ретрансляции может применяться в коммерческих целях для обслуживания иностранных КА,РН и РБ. Совместимость МКСР с зарубежными системами достигается использованием общих диапазонов радиочастот, структур сигналов, видов модуляции, энергетики каналов, протоколов обмена информацией с учетом рекомендаций международного Консультативного комитета по системам передачи космических данных (CCSDS).

Возможности,технический уровень и экономические характеристики МКСР не должны уступать существующей в США системе ТДРСС и разрабатываемым перспективным системам за рубежом. МКСР должна быть конкурентоспособной по стоимости предоставления услуг по ретрансляции различных видов информации по отношению к зарубежным КСР. Стоимость эквивалентных по информативности и длительности сеансов связи с объектами РКТ должна быть ниже,чем при использовании наземных измерительных и командно-измерительных пунктов.

Основные характеристики перспективной МКСР. Космический сегмент МКСР должен состоять из двух-трех СР на геостационарной орбите. Срок активного существования СР — 10-12 лет. Зона обслуживания объектов РКТ должна быть глобальной и при необходимости непрерывной до высот 2000 км. При высотах абонентов более 2000 км МКСР должна обеспечивать связь с одиночными объектами (например, с разгонными блоками) вплоть до высот геостационарных КА.

В ходе разработки должен быть решен вопрос о возможности создания каналов СР — СР предпочтительно в оптическом диапазоне, позволяющих передавать высокоскоростные потоки информации при снижении в несколько раз массогабаритных характеристик и энергопотребления бортовой аппаратуры по сравнению с радиотехническими каналами.

МКСР должна использовать следующие диапазоны частот для ретрансляции информации на объекты и с объектов РКТ:

• S-диапазон — для низкоскоростных потоков информации объектов пилотируемой программы, автоматических К А научного и социально-экономического назначения, потоков ТМИ с активных участков траектории РН, РБ, БР;
• Ки- и Кa-диапазоны — в магистральном канале и для передачи высокоскоростных потоков ИЦН (десятки-сотни мегабит в секунду);
• оптический диапазон — для передачи высокоскоростных потоков информации (сотни мегабит в секунду) с КА наблюдения;
• С-диапазон — для обеспечения преемственности и совместимости с существующими системами управления КА;
• УВЧ-диапазон — для передачи сигналов «Вызов НКУ», информации сбора данных с автоматических станций, сигналов оповещения о терпящих бедствие наземных и подвижных объектов. В МКСР должен предусматриваться как многостанционный (МСД), так и индивидуальный (ИД) доступ к объектам РКТ.

Пропускная способность системы по числу одновременно обслуживаемых объектов:

• при ИД: S-диапазон — 2 объекта; Ки- и Ка-диапазоны — по 2 объекта; С-диапазон — 1-2 объекта;
• при МСД: S-диапазон — 1-2 объекта на передачу, 4-8 объектов на прием; УВЧ-диапазон — 1-2 объекта.

СР кроме магистрального канала должен иметь перенацеливаемую антенну в Ки- или ЛГа-диапазоне для непосредственного доведения ИЦН до наземных центров обработки информации.

Максимально возможные скорости передачи информации:

• при МСД: S-диапазон — 10 кбит/с на прием от абонента и 1-5 кбит/с на передачу;
• при ИД: S-диапазон — 0,256-5 Мбит/с; Jfw-диапазон — 64-180 Мбит/с; Ка-диапазон — сотни мегабит в секунду; С-диапазон — 2 кбит/с; в УВЧ-диапазоне — до 1 кбит/с;
• в оптическом диапазоне не менее 300 Мбит/с, в перспективе до 1 Гбит/с.

Масса абонентской аппаратуры для низкоскоростных потоков информации не должна превышать 20-30 кг,а для средне- и высокоскоростных потоков должна быть в пределах 100-200 кг. Диаметр бортовых антенн объекта-абонента не должен превышать 1-1,5 м. Для передачи высокоскоростных потоков научной информации (300-600 Мбит/с) перспективным является использование оптического диапазона. Масса абонентской аппаратуры и ее энергопотребление могут быть в два-три раза меньше, чем при использовании радиодиапазона для передачи аналогичных потоков информации.

Техническая политика при создании МКСР. Экономически выгодное использование МКСР возможно только при ее применении в качестве средства массового обслуживания большинства низкоорбитальных КА орбитальной группировки и практически всех запускаемых РН, РБ, БР. Поэтому на государственном уровне должны быть приняты решения, предусматривающие установку абонентской аппаратуры МКСР на все вновь разрабатываемые КА с высотой полета до 2 тыс. км, а также РН и РБ. После создания МКСР необходимо провести ОКР по модернизации уже принятых в эксплуатацию КА, РН, РБ, БР для установки (испытаний) на них абонентской аппаратуры МКСР.

Одновременно с работами по созданию МКСР должны проводиться работы по оснащению объектов РКТ бортовой НАП кос-мических навигационных систем ГЛОНАСС и ОР8,что позволит существенно сократить потребность в наземных средствах траекторных измерений. Передача навигационной информации НАП с объектов РКТ должна осуществляться также через СР в составе телеметрической информации или самостоятельными массивами. Должны быть проведены работы по внедрению адаптивно-адресных бортовых систем телеметрии, со сжатием информации в несколько раз и переводом радиоканалов в S-диапазон, что сократит поток телеметрической информации и снизит требования к энергетике радиоканалов МКСР. Это особенно важно для объектов РКТ в нештатных ситуациях и со слабо направленными антеннами.

Сроки создания и ввода в эксплуатацию МКСР зависят от объемов финансирования указанных работ и будут, вероятно, достаточно длительными. Предполагаемый срок окончания ОКР и создания первых образцов СР,абонентской аппаратуры объектов РКТ и наземного сегмента системы — 2005-2007 гг. Окончательный ввод МКСР в эксплуатацию и перевод основной массы низкоорбитальных КА и других объектов РКТ на обслуживание МКСР возможны после 2010 г.

Для обеспечения глобального управления низкоорбитальными КА перспективными являются также космические сетевые структуры, построенные в рамках наземно-космической информационно-управляющей сети на основе межспутниковых радиоканалов. В указанных системах бортовые КИС на каждом КА орбитальной группировки должны использоваться не только для связи с наземными станциями, но и для переретрансляции управляющей информации между КА. При определенных условиях сетевые структуры имеют преимущество по сравнению с КСР на базе геостационарных ИСЗ и могут более эффективно решать некоторые задачи по управлению КА (например, управление КА военного назначения в особых условиях).

Учитывая, что КСР, построенная на принципах межспутниковых сетевых структур, существенно отличается от аналогов и предполагает при создании решение большого числа достаточно сложных технических задач, потребуется ее многоэтапное внедрение. Полное развертывание системы можно ожидать после 2010 г.