CC BY
172
УДК 629.786.2.05 (075.8)
В. П. Коновалов, А. С. Макатров, С. А. Богданов, В. Ф. Герастовский, А. Т. Куцевалов, В. С. Чаплинский
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГЛОБАЛЬНОСТИ И ОПЕРАТИВНОСТИ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ РАЗГОННЫМИ БЛОКАМИ РАКЕТ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Аннотация. Контроль выполнения программы выведения космических аппаратов на рабочую орбиту и оценка функционирования бортовых систем разгонных блоков осуществляется по телеметрической и траекторной информации, принимаемой и обрабатываемой средствами наземного измерительного комплекса, расположенными на территории страны. При этом наиболее ответственные участки включения маршевых двигателей разгонных блоков находятся за пределами радиовидимости наземного комплекса. Рассмотрены вопросы повышения оперативности и глобальности телеметрического и траекторного контроля разгонных блоков ракет космического назначения за счет использования космических систем ретрансляции и навигации, а также возможности применения наземных измерительных комплексов не только для контроля полета, но и для управления перспективными разгонными блоками. Многофункциональная космическая система ретрансляции, создаваемая в России на базе нового поколения спутников-ретрансляторов «Луч-5» и «Луч-4», позволит непрерывно контролировать полет разгонных блоков после отделения от ракеты-носителя на опорной орбите, при их переводе на промежуточную и переходную орбиты на высотах до 2000 км, а также на более высоких участках в зонах диаграмм направленности антенн спутников-ретрансляторов. Орбиты выведения космических аппаратов на высокие орбиты находятся в зоне дискретного радионавигационного поля космических навигационных систем. Для определения параметров таких орбит может использоваться технология, сочетающая определение параметров движения по обсервациям в непрерывном навигационном поле с последующим их уточнением по измерениям в дискретном радионавигационном поле. Совместное использование внешнетраекторной информации, получаемой аппаратурой потребителя космических навигационных систем, и данных инерциальной навигационной системы повышает достоверность работы аппаратуры потребителя космических навигационных систем и точность инерциальной системы. После отработки режимов ретрансляционного контроля разгонных блоков наземный измерительный комплекс может быть преобразован в наземный измерительно-управляющий комплекс, вырабатывающий и передающий на разгонные блоки команды, парирующие отказы и отклонения от программы полета.
Ключевые слова: управление, ракета космического назначения, ракета-носитель, разгонный блок, телеметрическая информация, траекторная информация, многофункциональная космическая система ретрансляции, космическая система навигации, навигационная аппаратура потребителя, спутник-ретранслятор.
V. P. Konovalov, A. S. Makatrov, S. A. Bogdanov, V. F. Gerastovskiy, A. T. Kutsevalov, V. S. Chaplinskiy
SECURING GLOBAL AND OPERATIVE CONTROL AND DIRECTION OF UPPER-STAGE ROCKETS OF A SPACE CRAFT
Abstract. Control over the execution of a program of spacecraft orbital injection and estimation of upper-stage rocket on-board systems functioning is carried out on the basis of telemetric and trajectory data, received and processed by means of a ground inspection center, located on the territory of a country. At that the most crucial sectors of upper-stage rocket cruise engines’ ignition take place beyond the radiovisibility of the ground center. The authors consider the problems of increasing the operative and global rate of telemetric and trajectory control of upper-stage rockets of space crafts via application of space-based relay and navigation systems, as well as the opportunities of using ground inspection centers not only for flight control, but also for directing the perspective upper-stage rockets. A multifunctional space-based relay system, which is being developed in Russia on the basis of the new generation of relay satellites “Luch-5” and “Luch-4”, will enable the continuous control over the flight of upper-stage rockets after separation from a carrier rocket on the support orbit during their transfer to the intermediate and transfer orbits at the altitude up to 2000 km, and in the higher sectors of zones of directional patterns of restranslating satellites’ antennas. The orbits of space craft injection to higher orbits are located in the zone of dicrete radio-navigation field of the space navigation systems. To determine the parameters of such orbits there is a technology combining determination of movement parameters by observations in the continuous navigation field with subsequent adjustment thereof according to the measurements in the discrete radio-navigation field. Joint application of external trajectory data, received by the equipment of space navigation system user, and inertial navigation system data increases authenticity of equipment of a space navigation system user and inertial system precision. After the execution of upper-stage rocket control relay modes the ground inspection center may be reorganized into a ground inspection and control center, elaborating and transferring commands to the upper-stage rockets, counteracting denials and deviations from a flight program.
Key words: control, space rocket, carrier rocket, upper stage rocket, telemetric data, trajectory data, multi-purpose data relay system, space navigation systems, user navigation equipment, relay satellite.
Введение
Проблема передачи информации имеет наиважнейшее значения в современной космонавтике, поэтому главной задачей, решаемой космическим аппаратом (КА) является прием-передача телеметрической информации. Эта функция КА наиболее ответственна, и поэтому работа всех других подсистем подчинена этой задаче - сбору необходимой научной или технологической информации и передача ее на Землю. Таким образом, телеметрическая система КА неразрывно связана с остальными подсистемами аппарата, выполняя при этом главенствующую роль.
Бортовая телеметрическая система обеспечивает сбор информации от различных служебных и научных датчиков, преобразует выходные сигналы этих датчиков в цифровую форму, обеспечивает хранение информации в период между сеансами связи и формирование единого цифрового потока двоичных данных. Можно выделить три основных вида источника данных на космический аппарат [1]:
- системы космического аппарата (электропитание, ориентации, управления, двигательная установка и др.);
- низкоинформативные научные приборы;
- высокоинформативные научные приборы (ТВ-камеры, оптико-механические сканеры и т.п.).
Эти источники информации, как правило, используют общую бортовую систему сбора, преобразования и хранения информации и единую радиолинию «космический аппарат - Земля».
На Земле с выхода телеметрической системы передачи информации сообщения поступают к разным потребителям. Данные о состоянии систем космического аппарата поступают в группу анализа центра управления полетами. Научная информация используется различными научными институтами. Информация от датчиков изображения используется как в интересах управления космическим аппаратом, так и в интересах науки [1].
Постановка задачи контроля и управления разгонными блоками ракет космического назначения
В современной отечественной практике контроль запуска и выведения космических аппаратов на заданные орбиты осуществляется с использованием наземных измерительных средств, размещенных на территории страны. При этом и ракеты-носители (РН), и разгонные блоки (РБ) создаются как технические средства, управление движением и функционированием которых в полете осуществляется автономными системами управления.
Участие наземных средств в управлении полетом ракет космического назначения в настоящее время не предусматривается.
Роль наземного комплекса состоит в приеме и обработке телеметрической и траекторной информации в интересах контроля выполнения программы выведения КА на заданную орбиту и оценки функционирования бортовых систем РН и РБ как в штатных, так и внештатных ситуациях.
Активные участки траектории РН, как правило, контролируются в полном объеме и непрерывно, прием телеметрической информации осуществляется в реальном времени с использованием измерительных средств космодромов и наземного автоматизированного комплекса управления КА и измерений (НАКУ КА). Исключением являются концы активных участков траектории при запусках на солнечно-синхронные орбиты, когда РН находится за пределами прямой видимости с территории России.
Иные условия складываются при контроле полета РБ. Зона контроля при полете по опорной орбите (высота до 180 км), промежуточной орбите (высота 270...5000 км) и начальной части переходной орбиты на высотах от 400 км до единиц тысяч километров составляет всего 20-30 % траектории. Наиболее ответственные участки включения маршевых двигателей (МД) РБ находятся за пределами радиовидимости наземных измерительных комплексов.
Так, при выведении КА на геопереходную орбиту с космодрома «Байконур» за пределами радиовидимости существующего наземного комплекса находятся многие важные участки полета над районами Тихого и Атлантического океанов, над Южной Америкой, частично над Африкой: вся опорная орбита, второе включение МД для вывода на промежуточную орбиту, включение МД для вывода на переходную орбиту. За пределами наблюдения находятся различные развороты РБ в заданную ориентацию.
При запусках КА с космодрома «Плесецк» на солнечно-синхронные орбиты за пределами радиовидимости проходит полет третьих ступеней РН в конце активного участка траектории, не наблюдаются участки включения МД
РБ над Северной Америкой, над Тихим океаном, над районом Антарктиды, отделение КА над Индийским океаном и Африкой.
В перспективе при запусках с космодрома «Восточный» за пределами радиовидимости окажется полет третьих ступеней РН, а также ряд активных участков полета РБ.
При полете за пределами радиовидимости телеметрическая информация и информация навигационной аппаратуры потребителей космических навигационных систем ГЛОНАСС/С^ записывается в бортовое запоминающее устройство и затем передается на измерительный пункт при вхождении в зону их радиовидимости. Полученная информация используется для оценки функционирования РБ и прогнозирования движения по соответствующим участкам орбит выведения. Задержка в получении информации составляет десятки минут и более. В случае возникновения нештатных ситуаций отклонение от расчетной траектории может приводить к потере информации при очередном запланированном сеансе связи и невозможности однозначно установить причины аварии.
Наиболее эффективным путем обеспечения непрерывного контроля полета РБ за пределами радиовидимости с территории России является использование космических систем ретрансляции со спутниками-ретрансляторами (СР) на геостационарных или близких к ним орбитах [2, 3]. Один геостационарный СР обеспечит обзор до 40...50 % поверхности Земли, два разнесенные СР обеспечат обзор до 70-75 %, а три СР могут дать полную глобальность наблюдения объектов ракетно-космической техники на околоземных орбитах.
Многофункциональная космическая система ретрансляции
Опыт применения СР для управления КА, съема с них целевой информации и приема телеметрической информации с РБ в нашей стране уже имеется. Первые СР были разработаны еще в 80-е годы ХХ в.
Создание многофункциональной космической системы ретрансляции (МКСР) на базе нового поколения спутников-ретрансляторов «Луч-5», а в перспективе более информативных СР «Луч-4», наряду с задачами обслуживания КА, позволяет эффективно решить и проблему глобальности и оперативности контроля РБ [4].
Первые СР «Луч-5 А» и «Луч-5Б» выведены на орбиту в 2011 г. В течение 2-3 лет будет создана МКСР с размещением СР на геостационарной орбите с точками стояния 16оз.д., 95ов.д., 167ов.д. Такая группировка СР обеспечит полную глобальность контроля и управления КА в шаровом поясе вокруг Земли до высот 2000 км.
МКСР «Луч» позволит непрерывно в реальном времени контролировать полет РБ после отделения от РН на опорной орбите, при переводе РБ на промежуточную и переходную орбиты на высотах до 2000 км, а также на более высоких участках в конусообразных пространственных зонах диаграмм направленности антенн СР с углом раскрыва 22°.
Большой опыт применения космических систем ретрансляции имеется за рубежом. Глобальная космическая система ретрансляции ТОЯ88 работает в течение более 20 лет в США. Ее радиоканалы по обслуживанию КА, РКН и других летательных аппаратов задействуются суммарно более 100 ч в сут-
ки, в том числе по обеспечению полета международной космической системы. Начала работать космическая система ретрансляции «Тяньлянь-1» в Китае в составе двух геостационарных СР, разнесенных на 100° и охватывающих 2/3 земной поверхности.
Для анализа возможностей использования СР типа «Луч-5А(Б)» для информационного обеспечения ракетно-космического назначения (РКН) нужно рассмотреть следующие факторы:
- геометрическую взаимную «видимость» СР - РКН;
- энергетические возможности каналов РКН - СР, ограничивающие потенциальную скорость передачи телеметрической информации.
Первый фактор заключается в том, что гарантированная зона обслуживания абонентов ограничена шаровым поясом с высотой, не превышающей 2000 км из-за возможности отклонения диаграммы направленности антенны СР только в пределах углов 22°*22°. В системе ТОЯЗЗ (США) высота обслуживания абонентов допустима до 10 000 км.
На рис. 1 показано изменение высоты полета РБ на всем участке выведения на геопереходную орбиту. Из рис. 1 следует, что МКСР позволяет принять телеметрическую информацию, а вместе с ней и навигационную информацию из находящихся за пределами радиовидимости наземного комплекса активных участков включений МД РБ, так как они лежат ниже высоты 2000 км.
Высота полета РБ, км
Рис. 1. Зависимость высоты полета РБ от времени на всех участках выведения КА на целевую орбиту
Существующие бортовые радиотелеметрические системы РН и РБ не работают в частотных диапазонах СР (^ и Ки), а бортовые антенны являются малоэффективными (коэффициенты усиления лежат в пределах от 0,05 до 2). Поэтому для передачи телеметрической информации через СР требуется со-
здать специальную абонентскую аппаратуру ретрансляции (ААР), работающую в S- или Ки-диапазонах с применением помехоустойчивого кодирования. Бортовая антенна ААР должна обеспечивать эквивалентную изотропно-излучаемую мощность от единиц до примерно 20.. .24 дБВт для передачи телеметрической информации от единиц кбит/с до десятков кбит/с. При этом в 5Чдиапазоне возможно взаимное наведение антенн РБ и СР по программе, а в Ки-диапазоне с более узкой диаграммой направленности антенны СР потребуется наведение по специальному маяку РБ.
На некоторых РБ особенностью является то, что для соблюдения теплового режима выводимого КА применяется вращение РБ вдоль продольной оси с небольшой угловой скоростью, возможны также развороты РБ по крену на 180°. Для обеспечения связи РБ с СР на время сеанса связи необходимо либо останавливать вращение, либо конструкция антенны должна сохранять направление излучения вне зависимости от вращения.
В аварийных ситуациях при потере РБ ориентации, как и в режиме многостационарного доступа, скорость передачи телеметрической информации через СР «Луч-5А(Б)» с необходимой достоверностью не превысит 1 кбит/с.
Полет РБ в апогейной части промежуточной орбиты и на большей части переходной и целевой орбитах происходит выше шарового пояса высотой 2000 км. В этих условиях прием телеметрической информации через СР типа «Луч-А(Б)» невозможен, и контроль полета РБ должен осуществляться в зоне радиовидимости наземных приемно-регистрирующих станций (НПРС), имеющих эффективные антенные системы Б-529М (£эф = 20 м2) и типа ТНА-57 (£эф = 57 м2), оборудованные малошумящими усилителями. При этом на больших дальностях от НПРС до РБ (более 15000 км) при вращении РБ скорость передачи телеметрической информации приходится снижать с 256 до 32 кбит/с и менее.
На рис. 1 зоны гарантированного приема телеметрической информации от бортовой радиотелеметрической системы отмечены горизонтальными пунктирными линиями для минимального коэффициента усиления бортовой антенны G5 = 0,05 в направлении на НПРС, что необходимо учитывать при планировании сеансов передачи телеметрической информации.
В зоне сплошного навигационного поля космических навигационных систем ГЛОНАСС^^ основным источником информации для контроля движения РКН является информация навигационной аппаратуры потребителей (НАП).
При выведении КА на высокие орбиты, в том числе геопереходные и геостационарные, из-за ограниченной ширины диаграммы направленности антенн навигационных КА, отсутствия излучения радиосигналов с навигационных КА (НКА) в верхнюю полусферу, а также радиотени вследствие экранирующего влияния Земли число наблюдаемых НКА с увеличением высоты полета становится меньшим минимально необходимого для оперативного определения полного состава параметров движения разгонного блока. Возникает пространственно-временная дискретность радионавигационного поля космических навигационных систем.
Для определения параметров таких орбит может использоваться технология, сочетающая определение параметров движения по обсервациям в не-
прерывном навигационном поле с последующим уточнением начальных условий по измерениям в разрывном (дискретном) радионавигационном поле, формируемом даже одним НКА.
Необходимо отметить перспективность для бортовых систем управления движением средств выведения КА совместного использования внешнет-раекторной информации, получаемой НАП КНС, и данных инерциальной навигационной системы. Такая интеграция повышает достоверность работы НАП КНС и точность инерциальной системы. Погрешности навигационных определений с использованием КНС существенно зависят от внешних факторов - помеховой обстановки, геометрии используемого созвездия НКА, пе-реотражений навигационного сигнала от элементов конструкции. Навигационные данные, формируемые инерциальной системой, не зависят от внешних воздействий и позволяют исключить аномальные навигационные измерения НАП, в том числе и обусловленные частым изменением состава созвездия спутников. В свою очередь навигационные данные, получаемые с использованием КНС, позволяют исключить накапливающиеся с течением времени погрешности инерциальной навигационной системы. Совместное применение НАП КНС и инерциальной системы навигации обеспечивает и ряд технологических преимуществ, обеспечивая любую требуемую дискретность выдачи навигационной информации. Непрерывная поддержка счисления координат позволяет оперативно восстанавливать функционирование НАП КНС после потери связи с НКА, вызванной, например, выходом РБ из зоны сплошного навигационного поля.
Следует заметить, что значительный вклад в бюджет погрешностей самих навигационных измерений вносит ионосфера. Для существующей практики оснащения РН и РБ одночастотной навигационной аппаратурой потребителя КНС возможная компенсация ионосферных погрешностей на основе моделей ионосферы для РН и РБ малоэффективна вследствие прохождения траектории в различных слоях околоземной электронной концентрации. В то же время использование двухчастотной НАП, которая по массогабаритным параметрам несущественно отличается от одночастотной, позволяет просто и эффективно учитывать ионосферные погрешности.
Состав и объем принимаемых с борта навигационных данных определяется принятыми техническими решениями по обработке информации НАП на борту РН и РБ. Обычно по радиоканалам телеконтроля на Землю передаются полученные навигационные вектора, однако целесообразно обеспечивать также возможность передачи исходных измерений псевдодальности и радиальной псевдоскорости. Исходная навигационная информация позволяет за счет соответствующего программно-математического обеспечения с наивысшей возможной точностью решать на Земле задачу навигационного контроля полета. Данный режим информационного обмена повышает также эффективность процесса летных испытаний бортового навигационного комплекса.
Заключение
Таким образом, после отработки режимов ретрансляционного контроля РБ с использованием МКСР наземный измерительный комплекс может быть преобразован в наземный измерительно-управляющий комплекс, который, принимая и обрабатывая в реальном времени телеметрическую и траектор-ную информацию, сможет с использованием математического и физического
моделирования полета и применения экспертных систем вырабатывать и передавать на борт РБ команды, парирующие отказы и отклонения от программы полета, и тем самым повысить эффективность и надежность выведения КА и другой космической техники и исключить потери космических объектов при выведении.
1. Ильин, В. А. Телеуправление и телеизмерение / В. А. Ильин. - М., 1982.
2. Системотехнический анализ проблем создания и определения облика многоцелевой космической системы ретрансляции информации с объектов ракетнокосмической техники на всех трассах их выведения и в орбитальном полете. Отчеты по НИР «Вереск-2». - М. : Российская академия космонавтики им. К. Э. Циолковского, 2001-2003.
3. Технология глобального информационного обеспечения функционирования ракетно-космической техники. Том 24. Развитие и применение ракетно-космической техники и новых наукоемких технологий в XXI веке. - М., 2005. - Ч. 1.
4. Многофункциональная космическая система ретрансляции «Луч» на базе геостационарных космических аппаратов космического комплекса «Луч-М». Эскизный проект. - НПО ПМ, 2002.
1. Il'in V. A. Teleupravlenie i teleizmerenie [Telecontrol and telemetry]. Moscow, 1982.
2. Sistemotekhnicheskiy analiz problem sozdaniya i opredeleniya oblika mnogotselevoy kosmicheskoy sistemy retranslyatsii informatsii s ob"ektov raketno-kosmicheskoy tekhniki na vsekh trassakh ikh vyvedeniya i v orbital’nom polete. Otchety po NIR «Veresk-2». [Systems engineering analysis of problem in production and design of a multi-purpose space-based data relay system transmitting data from aircrafts at all the injection pathways and in the orbital flight. Report on research project “Veresk-2”]. Moscow: Rossiyskaya akademiya kosmonavtiki im. K. E. Tsiolkovskogo, 2001-2003.
3. Tekhnologiya global’nogo informatsionnogo obespecheniya funktsionirovaniya ra-ketno-kosmicheskoy tekhniki. Tom 24. Razvitie i primenenie raketno-kosmicheskoy tekhniki i novykh naukoemkikh tekhnologiy v XXI veke. [Technology of global information support of spacecraft functioning. Volume 24. Development and application of spacecrafts and new science intensive technologies in the 21st century]. Moscow, 2005,
4. Mnogofunktsional’naya kosmicheskaya sistema retranslyatsii «Luch» na baze geosta-tsionarnykh kosmicheskikh apparatov kosmicheskogo kompleksa «Luch-M». [Multifunctional space-based relay system “Luch” on the basis of geosynchronous space craft of the space complex “Luch-M”]. Eskiznyy proekt. NPO PM, 2002.
Список литературы
References
Ch. l.
Коновалов Владислав Петрович кандидат технических наук, главный научный сотрудник, Научноисследовательский институт космических систем имени А. А. Максимова - филиал Государственного космического научно-производственного центра имени М. В. Хруничева (г. Москва, ул. Новозаводская, 18)
Konovalov Vladislav Petrovich Candidate of engineering sciences, principal researcher worker, Space Systems Research Institute named after A. A. Maksimov -branch of the State Research and Production Space Center named after M. V. Khrunichev (Moscow,
18 Novozavodskaya str.)
E-mail: niiks@khrunichev.com
Макатров Александр Сергеевич кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заместитель директора, Шучно -исследовательский институт космических систем имени A. A. Максимова - филиал Государственного космического научно-производственного центра имени М. В. Хруничева (г. Москва, ул. Швозаводская, lS)
E-mail: niiks@khrunichev.com
Богданов Сергей Анатольевич
инженер, начальник комплекса, Шучно-исследовательский институт космических систем имени A. A. Максимова - филиал Государственного космического научно-производственного центра имени М. В. Хруничева (г. Москва, ул. Швозаводская, lS)
E-mail: niiks@khrunichev.com
Герастовский Вячеслав Федорович
инженер, заместитель начальника комплекса, Шучно-исследовательский институт космических систем имени A. A. Максимова - филиал Государственного космического научно-производственного центра имени М. В. Хруничева (г. Москва, ул. Hовозаводская, lS)
E-mail: niiks@khrunichev.com
Куцевалов Александр Тимофеевич
кандидат технических наук, старший научный сотрудник, начальник отдела, Шучно-исследовательский институт космических систем имени A. A. Максимова - филиал Государственного космического научно-производственного центра имени М. В. Хруничева (г. Москва, ул. Швозаводская, lS)
E-mail: niiks@khrunichev.com
Makatrov Aleksandr Sergeevich Candidate of engineering sciences, senior researcher worker, deputy director, Space Systems Research Institute named after A. A. Maksimov - branch of the State Research and Production Space Center named after M. V. Khrunichev (Moscow, 18 Novozavodskaya str.)
Bogdanov Sergey Anatol'evich Engineer, head of the complex, Space Systems Research Institute named after A. A. Maksimov - branch of the State Research and Production Space Center named after M. V. Khrunichev (Moscow, 18 Novozavodskaya str.)
Gerastovskiy Vyacheslav Fedorovich Engineer, deputy head of the complex, Space Systems Research Institute named after A. A. Maksimov - branch of the State Research and Production Space Center named after M. V. Khrunichev (Moscow, 18 Novozavodskaya str.)
Kutsevalov Aleksandr Timofeevich Candidate of engineering sciences, senior researcher worker, head of department, Space Systems Research Institute named after A. A. Maksimov - branch of the State Research and Production Space Center named after M. V. Khrunichev (Moscow, 18 Novozavodskaya str.)
Чаплинский Владимир Степанович
доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, Научно-исследовательский институт космических систем имени
А. А. Максимова - филиал Государственного космического научно-производственного центра имени М. В. Хруничева (г. Москва, ул. Новозаводская, 18)
Chaplinskiy Vladimir Stepanovich Doctor of engineering sciences, professor, principal scientific worker, Space Systems Research Institute named after A. A. Maksimov - branch of the State Research and Production Space Center named after M. V. Khrunichev (Moscow, 18 Novozavodskaya str.)
E-mail: niiks@khrunichev.com
УДK 629.7S6.2.G5 (G75.S)
Обеспечение глобальности и оперативности контроля и управления разгонными блоками ракет космического назначения / В. П. Коновалов, А. С. Макатров, С. А. Богданов, В. Ф. Герастовский, А. Т. Куцевалов,
В. С. Чаплинский // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2013. - № 2 (26). - С. 130-139.
