CC BY
20MEANS OF COMMUNICATION EQUIPMENT. Iss. 4 (144). 2018
Б.В. Королев
кандидат технических наук, ОАО «РКК «Энергия», г. Королев Московской обл.
И.В. Фролов
ОАО «РКК «Энергия», г. Королев Московской обл.
КОСМИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
ПО ОТРАБОТКЕ ТЕХНОЛОГИИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ МЕЖДУ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ
АННОТАЦИЯ. Постановка проблемы: использование в космических оптических линиях связи диаграмм направленности излучаемой энергии шириной в несколько единиц угловых секунд требует для обеспечения их работы высокоточной навигационной информации. Традиционно разработчики аппаратуры космических оптических линий связи создают ее для работы сеансами связи. При этом вопросы обеспечения работы такой аппаратуры высокоточной навигационной информацией возлагаются на наземные средства управления и служебные бортовые системы космического аппарата. Но при такой организации работ применение космических оптических линий связи практически не приводит к повышению эффективности функционирования космических средств, определяемой оперативностью получения информации потребителем. Для данного космического эксперимента разрабатывается комплекс аппаратуры, способный как осуществлять передачу информации, так и формировать необходимые для его работы данные высокоточной автономной навигации и ориентации. Именно использование такого комплекса аппаратуры космической оптической линии связи позволит повысить эффективность функционирования космических средств.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: оптическая линия связи между космическими аппаратами, космический эксперимент, технология функционирования, навигационное обеспечение, эффективность функционирования космических средств.
Достижения последних десятилетий в развитии лазерной и электронной техники дали мощный толчок к реализации преимуществ применения оптического диапазона для линий связи в космических условиях.
Работы в этом направлении, ведущиеся в России [1—2], США [3—4], Европейских странах [5—9], Японии [10—14], вышли уже на уровень космических экспериментов.
Данный космический эксперимент (КЭ) под шифром «ЭКОЛИНС» (Экспериментальная Космическая Оптическая ЛИНия Связи) включен в Долгосрочную программу исследований и экспериментов на Российском сегменте Международной космической станции (РС МКС).
Основной целью космического эксперимента является опытная отработка в натурных условиях тактико-технических и эксплуатационных характеристик космической оптической линии связи между бортом РС МКС и бортом транспортного грузового корабля (ТГК) «Прогресс
МС». Разрабатываемый для этого эксперимента комплекс аппаратуры космической оптической линии связи (КОЛС) способен как осуществлять передачу информации, так и формировать для его работы данные высокоточной автономной навигации и ориентации, которые необходимы из-за использования в космических оптических линиях связи узких диаграмм направленности излучаемой энергии, измеряемых единицами угловых секунд.
Задачами космического эксперимента являются:
во-первых — подтверждение правильности принципов построения и функционирования аппаратуры космической оптической линии связи в реальных условиях космического полета на линии связи между двумя космическими аппаратами;
во-вторых — передача информации в цифровой форме в пучке лазерного излучения по трассам «МКС — транспортный грузовой ко-
рабль» и «транспортный грузовой корабль — МКС» в условиях различной фоновой обстановки, действующих вибраций конструкции. Кроме того совершается относительное движение центров масс МКС и транспортного грузового корабля и угловое движение МКС и транспортного грузового корабля относительно собственных центров масс;
в-третьих — отработка функционирования аппаратуры космической оптической линии связи в автономном режиме в реальных условиях космического полета.
Объектом исследований в данном КЭ является технология установления и поддержания дуплексного лазерного канала передачи информации между бортом РС МКС и бортом ТГК «Прогресс МС» и передача по нему информации.
Установление лазерного канала связи между бортами РС МКС и ТГК «Прогресс МС» предполагается провести как с привлечением наземных и бортовых средств, так и в автономном режиме.
В состав аппаратуры космической оптической линии связи входят:
— терминал А аппаратуры КОЛС, устанавливаемый на борту многоцелевого лабораторного модуля РС МКС (см. рис. 1);
— терминал Б аппаратуры КОЛС, устанавливаемый на борту ТГК «Прогресс МС» (см. рис. 2).
Общий вид терминала аппаратуры КОЛС представлен на рисунке 3.
Терминалы А и Б в основном идентичны друг другу.
Отличия между ними заключаются в части:
— используемых рабочих длин волн передатчиков и приемников (приемник терминала А работает на длине волны излучения передатчика терминала Б, а приемник терминала Б — на длине волны излучения передатчика терминала А);
— исполнения и состава некоторых блоков интерфейсов с РС МКС и транспортным грузовым кораблем в силу специфики их бортовых систем;
— соединительных кабелей и средств крепления к модулю РС МКС и транспортного грузового корабля.
Рис. 1. РС МКС после ввода в эксплуатацию многоцелевого лабораторного модуля и научно-энергетического модуля
У, X, Z - базовые оси короб ля Рис. 2. Установка терминала Б на ТГК «Прогресс МС»
Рис. 3. Общий вид терминала аппаратуры КОЛС
В комплект аппаратуры к каждому терминалу входят также блоки для формирования передаваемой информации, регистрации принимаемой информации и оценки качества передачи информации.
Космический эксперимент проводится после отделения транспортного грузового корабля от орбитальной станции в процессе их группового полета.
Схема проведения космического эксперимента «ЭКОЛИНС» при проведении сеанса связи в зоне видимости наземных пунктов на территории Российской Федерации представлена на рис. 4.
Схема проведения космического эксперимента «ЭКОЛИНС» при проведении сеанса связи вне зоны видимости наземных пунктов на территории Российской Федерации условно представлена на рис. 5. В этом случае вся информация об эксперименте передается по линии связи МКС с Центром управления полетом через спутник-ретранслятор.
В процессе космического эксперимента предполагается провести до 30 сеансов связи на различных расстояниях между МКС и транспортным грузовым кораблем «Прогресс МС». При этом по линии связи может передаваться целевая, служебная и иного вида информация как каждая в отдельности, так и в совокупности в различном комбинационном сочетании.
Суммарная продолжительность сеансов связи составляет не менее 10—15 часов при длительности одного сеанса 5—10 мин. на первых 10 сеансах и до 30—90 мин. на последующих.
Мощность оптических передатчиков терминалов аппаратуры КОЛС выбирается из расчета передачи цифровой информации со скоростью 1 Гбит/с на расстоянии до 45 тыс. км (между низкоорбитальным и геостационарным спутниками). Однако в процессе космического эксперимента расстояние между МКС и ТГК «Прогресс» ограничивается пределами их взаимной видимости и составляет до 4 тыс. км.
Для обеспечения энергетического потенциала линии связи адекватного максимальному расчетному расстоянию в оптическом тракте передатчика установлены ослабители сигнала. Чтобы количество ослабителей сигнала лежало в разумных пределах (например, не более трех), необходимо оговорить расстояния, на которых будут проводиться сеансы связи. В качестве таких расстояний предлагаются следующие значения: 450, 1800 и 3600 км.
Потоки информации, передаваемые в цифровом виде по дуплексной лазерной линии связи между терминалами А и Б, установленными, соответственно, на борту РС МКС и на борту ТГК «Прогресс МС», в процессе выполнения сеансов связи должны регистрироваться на регистрирующем устройстве с привязкой ко времени.
Рис. 4.
Вероятность ошибки при передаче информации не должна превышать 10-9. Должна быть предусмотрена доставка телеметрической информации о качестве работы КОЛС по радиоканалу на Землю в режиме непосредственной передачи или воспроизведения предварительно запомненной информации с доведением до соответствующих служб Центра управления полетом, где она должна записываться на регистрирующих устройствах.
Одним из важных вопросов в организации линии связи между космическими аппаратами является обеспечение взаимного поиска и вхождения в связь двух терминалов аппаратуры космической оптической линии связи.
Официальные значения точностей знания ориентации строительных осей МКС и ТГК «Прогресс МС» составляют, соответственно, ±0,5° и ±1,5°.
При таких значениях точностей знания ориентации строительных осей космических аппаратов угловые размеры зоны неопределенности положения корреспондента для терминала, устанавливаемого на МКС, составят не менее 1x1°, а зоны неопределенности положения корреспондента для терминала, устанавливаемого на ТГК «Прогресс МС», составят не менее 3x3°.
С учетом значений точности установки терминалов относительно строительных осей МКС и ТГК «Прогресс» угловые размеры зон неопределенности положения корреспондентов возрастут, соответственно.
Такие большие значения зон неопределенности положения корреспондентов усложняют процесс взаимного поиска корреспондентов при вхождении в связь, приводят к увеличению времени взаимного поиска корреспондентов, требуют введения режима сканирования, весьма широкой диаграммы излучения передающего устройства.
С целью повышения точности знания ориентации в пространстве строительных осей терминала аппаратуры, уменьшения угловых размеров зон неопределенности положения корреспондентов, облегчения и ускорения взаимного поиска корреспондентов и вхождения в связь в состав аппаратуры КОЛС введены звездные датчики. Они позволяют непосредственно определять ориентацию строительных осей аппаратуры КОЛС в инерциальном пространстве с более высокой точностью.
Точности ориентации строительных осей терминалов аппаратуры КОЛС в инерциальной системе координат, обеспечиваемые звездными
датчиками разработки ОАО НПП Геофизика-Космос, составляют (3а):
— относительно оси датчика (по крену) — 1°;
— относительно каждой из осей, нормальных оси датчика (по тангажу и рысканию) — 12—15°.
Таким образом, угловые размеры зоны неопределенности положения корреспондента для обоих терминалов аппаратуры КОЛС, с учетом привязки осей звездных датчиков к строительным осям терминала с точностью до 30°, могут составлять не более 2°.
Работа звездных датчиков осуществляется в течение всего сеанса связи.
В этом случае алгоритм процесса взаимного поиска терминалов и вхождения в связь строится следующим образом.
Подготовка к сеансу связи.
МКС постоянно ориентирована в орбитальной системе координат. Никакой ее специальной ориентации при подготовке к сеансу связи не производится.
ТГК «Прогресс МС» за 20 минут до момента начала сеанса связи переходит в режим орбитальной ориентации и поддерживает ее до окончания сеанса связи. В перерывах между сеансами связи ТГК «Прогресс» находится в режиме «закрутки» с ориентацией солнечных батарей на Солнце.
За 3 минуты до момента начала сеанса связи включаются оптические передатчики терминалов аппаратуры КОЛС на МКС и ТГК «Прогресс МС».
По данным прогноза предварительно заданных в систему управления терминалов аппаратуры КОЛС соответствующих параметров орбит, временам начала и окончания сеанса связи и режимам ориентации МКС и ТГК «Прогресс МС» системами управления терминалов рассчитываются координаты направления строительных осей аппаратуры в инерциальном пространстве и корректируются после сравнения с данными от звездных датчиков. С учетом этих данных, начиная с момента времени 3 мин. до заданного времени начала взаимного поиска корреспондентов, системой управления терминалов рассчитываются текущие координаты направления
оптических осей телескопических оптических антенн (ТОА) на корреспондентов в системе координат строительных осей терминалов. В соответствии с этими текущими данными производится выставка и последующая ориентация ТОА, в процессе которой автоматически должна быть достигнута ориентация ТОА, необходимая к заданному моменту начала взаимного поиска корреспондентов.
Взаимный поиск и вхождение в связь.
Для осуществления взаимного поиска и вхождения в связь используется расфокусировка луча оптического передатчика до 3°. Данная величина расфокусировки луча при имеющейся чувствительности фотоприемных устройств канала наведения и мощности излучения оптического передатчика обеспечивает взаимный поиск терминалов и вхождение в связь на расстоянии между корреспондентами 45 тыс. км. В случае, если даже при трехминутной (по углу) расфокусировке луча оптического передатчика не происходит приема сигнала от корреспондента, предусматривается режим сканирования ТОА, что потребует и дополнительного времени на взаимный поиск корреспондентов и вхождение в связь.
В процессе сеанса связи производятся средствами аппаратуры КОЛС взаимные траектор-ные измерения, используемые для уточнения параметров орбит МКС и ТГК «Прогресс МС». На основании прогноза уточненных параметров орбит производится автономная подготовка аппаратуры КОЛС к последующему сеансу связи.
В результате космического эксперимента будет отработана аппаратура космической оптической линии связи, а также технология ее работы, на основе которой можно будет создавать космическую информационную инфраструктуру для обслуживания как космических аппаратов околоземных орбитальных группировок, так и экспедиций к Луне и планетам Солнечной системы, что позволит существенно повысить оперативность получения информации потребителями и, тем самым, повысить эффективность функционирования космических средств.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ковтун В. С., Королев Б. В., Синявский В. В., Смирнов И. В. Космические системы связи разработки Ракетно-космической корпорации «Энергия» имени С.П. Королева // Космическая техника и тех-
нологии. 2015. № 2(9). С. 3-24.
2. Королев Б. В. Технология работы космической оптической линии связи для повышения оперативности управления и получения информации потре-
MEANS OF COMMUNICATION EQUIPMENT. Iss. 4 (144). 2018
бителем в процессе функционирования космических средств // Космическая техника и технологии. 2014. № 1(4). С. 39-48.
3. Space News, 2002, 1/VI, vol. 13, No. 26, p. 11.
4. Flight International, 2002, 28/V-3/VI, vol. 161, No. 4838, p. 67.
5. Bailly M., Perez E. The Pointing, Acquisition and Tracking system of SILEX European program: a major technological step for intersatellites optical communication, SPIE, Vol. 1417 pp.
6. Flight International, 2001, 4-10/XII, vol. 160, No. 4809, p. 27.
7. Flight International, 2002, 1-7/I, vol. 161, No. 4812, p. 19.
8. Spaceflight, 2002, I, vol. 44, No. 1, p. 12.
9. Aviation Week and Space Technology, 2001, 26/XI, vol. 155, No. 22, p. 27.
10. Shiratama K., Mase I., Shimizu M. (NEC Cor-
poration), Nakagawa K., Yamamoto A. (National Space Development Agency of Japan), Challenge to the optical inter-satellite communications. Proceedings of the AIAA/ ESA Workshop on International Cooperation in Satellite Communications, Noordwijk, the Netherlands, 27— 29 March 1995 (ESA SP 372, pp. 317-323, September 1995).
11. Araki K., Toyoda M., Toyochima M.et al., Results of satellite communications experiment — 3. Laser communications experiment-, CRL Review, Vol. 44, No. 1, pp. 209-223, March 1997.
12. Internet: http://www.nasda.go.jp/projects/sat/ oicets.
13. JEM: Japanese Experiment Module. NASDA booklet. Tsukuba Space Center, 2000, 16 p.
14. Press Release Archives NASDA, September 16, 2003, Communication Experiment Using Optical InterOrbit Communication Equipment Aboard OICETS.
