CC BY
41УДК 629.764.051.017.1:681.5
ОСОБЕННОСТИ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕТОМ РАКЕТЫ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ ПО ПРОГРАММЕ «МОРСКОЙ СТАРТ» © 2014 г. Кравец В.Г.
ОАО «Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королёва» (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская область, Россия, 141070, e-mail: post@rsce.ru
В статье приведены основные проблемы и результаты создания схемы внешних связей для обмена информацией с ракетой космического назначения программы «Морской старт», а также основные характеристики и особенности автоматизированной системы управления полетом на сборочно-командном судне комплекса «Морской старт».
Ключевые слова: ракета космического назначения, разгонный блок, Базовый порт, сбороч-но-командное судно, автоматизированная система контроля и управления полетом разгонного блока, схема внешних связей.
SPECIFICS OF INTEGRATED LAUNCH VEHICLE FLIGHT MONITORING AND CONTROL UNDER SEA LAUNCH PROGRAM
Kravets V.G.
S.P. Korolev Rocket and Space Public ^praMon Energia (RSC Energia) 4A Lenin Street, Korolev, Moscow region, 141070, Russia, e-mail:post@rsce.ru
The article presents the main problems and results of external communication diagrams for data exchange with integrated launch vehicle of the Sea Launch program, as well as basic characteristics and specifics of the automated flight control system on board the assembly-command ship of the Sea Launch complex.
Key words: integrated launch vehicle, upper stage, home port, assembly-command ship, upper stage automated flight monitoring and control system, external communication diagrams.
КРАВЕЦ Вадим Георгиевич — дтн, профессор, главный специалист РКК «Энергия», e-mail: vadim.kravets@rsce.ru
KRAVETS Vadim Georgievich — Doctor of Science (Engineering), Professor, Chief Specialist at RSC Energia
КРАВЕЦ В.Г.
Введение
Основными факторами, повлиявшими на выбор схемы и структуры контроля и управления полетом ракеты космического назначения (РКН) при запусках космических аппаратов (КА) по программе «Морской старт», были:
• имеющийся многолетний опыт РКК «Энергия» по контролю и управлению поле-
том разгонных блоков (РБ) при запусках РКН «Протон» с космодрома Байконур с различными полезными нагрузками, выводимыми на геостационарные, высокоэллиптические и другие орбиты;
• специфика подготовки РКН «3енит-351» в Базовом порту (БП) г. Лос-Анджелеса (США) по программе «Морской старт» (большая автономность по сравнению с подготовкой и запусками
с российских космодромов) и старт из акватории Тихого океана с полным отсутствием стационарных коммуникационных средств в стартовом районе;
• баллистические схемы полета по программе «Морской старт», когда активные полетные операции с РКН проходят вне зон российских станций слежения;
• объединение технических средств контроля и управления полетом на сборочно-командном судне (С КС) комплекса «Морской старт» в рамках автоматизированной системы управления полетом РБ — АСУП РБ.
Ниже рассматриваются эти особенности и вытекающие из них схема и структура контроля и управления полетом объектов этого комплекса.
1. Основные сведения по схеме полета РКН и средствам контроля и управления полетом
Старт РКН «3енит-35£» по программе «Морской старт» осуществляется с экватора, в центре Тихого океана из точки с координатами 154° з.д. Ближайшая обитаемая суша — о. Рождества из группы Центральных Полинезийских островов, находится на расстоянии более 400 км северо-западнее точки старта [1].
Стартовая платформа (СП) располагается точно в расчетной точке старта на экваторе с поддержанием точности позиционирования не более ±50 м. СКС со средствами контроля и управления полетом и средствами внешней связи находится при старте РКН на удалении от СП ~6,5 км, с поддержанием точности позиционирования не более ±100 м.
Баллистическая схема полета РКН в программе «Морской старт» в большинстве осущест-
вленных запусков КА представляет собой последовательно сопрягаемые участки полета [1]:
• выведение РБ ДМ-SX с КА-блоком полезного груза (БПГ) РКН «Зенит-Э^Х» на промежуточную орбиту;
• двухимпульсный маневр РБ ДМ-SX с выведением БПГ на промежуточную, а затем на высокоэллиптическую геопереходную орбиту;
• отделение БПГ от РБ и выведение КА на целевую орбиту (как правило — геостационарную) с помощью собственной двигательной установки КА.
Эта схема реализуется таким образом, что активный участок полета РН (до ~500 с от старта) проходит в зоне видимости СКС, а выключение РН, отделение от РН РБ с БПГ, первое и второе включение РБ и отделение КА — в зоне видимости спутников-ретрансляторов (СР) американской спутниковой системы связи TDRSS (Trackind and Data Relay Satellite System). Заключительные операции по РБ (после отделения КА) — увод с промежуточной орбиты, выработка остатков топлива системы обеспечения запуска в режиме «негативной стабилизации» и сброс давления из баков и баллонов РБ — проходят, как правило, в зоне видимости российских станций слежения.
Последующие операции по выведению КА на целевую орбиту осуществляются из собственного Центра управления полетами (ЦУП) КА, уже без участия средств контроля и управления комплекса «Морской старт».
На рис. 1 в качестве примера показана «географическая» привязка основных полетных операций для выведения КА Galaxy-lllC, осуществленного по программе «Морской старт» в июне 2002 г. (миссия № 8).
Рис. 1. Трасса полета разгонного блока при выведении космического аппарата Galaxy-IIIC (15.06.2002 г.)
Примечание. Москва, Байконур... — российские станции слежения наземного комплекса управления (НКУ); F3, 4... — спутники-ретрансляторы; СР TDRSS — спутник-ретранслятор американской спутниковой системы связи TDRSS (Trackind and Data Relay Satellite System); РБ — разгонный блок; РН — ракета-носитель; СОЗ — система обеспечения запуска; КА — космический аппарат; СКС — сборочно-командное судно; СП — стартовая платформа.
На этапе проектирования схемы связи комплекса «Морской старт» рассматривался вопрос о привлечении плавучей станции слежения на корабле типа «Селена-М» для контроля выключения РН и первого включения РБ. Технико-экономический анализ показал нецелесообразность такой схемы, и было принято решение о контроле этих участков полета через систему TDRSS.
Технические средства контроля и управления полетом АСУП РБ и соответствующий персонал для программы «Морской старт» располагаются на СКС и в ЦУП РБ, взаимодействующем с привлекаемыми российскими станциями слежения. Главная оперативная группа управления (ГОГУ), находящаяся в ЦУП РБ, имеет своих представителей на СКС.
На начальном этапе программы «Морской старт» расположение ЦУП РБ было выбрано в г. Королев Московской обл., на базе развитых средств Центра управления пилотируемыми космическими полетами. С 2011 г. решением генерального конструктора РКК «Энергия» ЦУП РБ программы «Морской старт» был переведен и организован на базе средств ЦУП РБ по программе «Наземный старт», эксплуатируемого РКК «Энергия» с 2008 г.
Общее руководство подготовкой РКН в БП, управление стартовыми операциями и полетом РКН осуществляет директор миссии через руководителя операций ракетного сегмента, которому также подчиняется группа АСУП РБ на СКС.
При создании средств АСУП и организации работы группы АСУП на СКС были поставлены следующие задачи [2]:
• подготовка на дополетном этапе (в БП и в точке старта) и работа непосредственно в полете РКН всех радиотехнических средств СКС по обмену информацией с РКН;
• прием телеметрии РБ и РН при электроиспытаниях и передача ее для оценки в измерительный комплекс (ИК) СКС;
• прием, обработка и отображение телеметрической информации с РКН (РН и РБ) на старте и в полете собственными средствами на СКС в зоне его видимости, а также телеметрии РБ через систему TDRSS вне зоны видимости СКС;
• передача принятой телеметрии в реальном масштабе времени в ЦУП РБ;
• выдача радиокоманд на борт РБ (в штатном полете и в нештатных ситуациях, по работе бортовых радиосистем) в зоне видимости СКС;
• измерение и отображение параметров траектории движения РКН в зоне радиовидимости СКС;
• прием из ЦУП РБ оперативных данных по результатам анализа работы систем РБ на
всех участках полета, в т. ч. после отделения КА, и прием согласованных форматов с векторами состояния РБ;
• взаимодействие со специалистами Sea Launch Company (SLC) по проверкам и работе средств схемы внешней связи, в т. ч. участие в проверке схемы внешней связи на дополетном этапе, а также взаимодействие со специалистами узла связи РКК «Энергия».
Задачи ЦУП РБ с находящимся в нем персоналом ГОГУ были определены следующими:
• функционирование всех технических средств ЦУП по приему (с СКС и российских станций слежения), обработке и отображению телеметрической информации, а также управление средствами российских станций слежения наземного комплекса управления;
• оперативный анализ работы систем РБ по данным принятой телеметрии, информирование СКС о результатах анализа;
• получение и обработка траекторной информации о движении РБ; до отделения КА тра-екторные данные поступают в ЦУП в составе телеметрии с СКС и по схеме связи Sea Launch (SL) через TDRSS, а после отделения КА — в составе телеметрии со станций слежения;
• выдача на СКС согласованных форматов данных о фактических векторах состояния РБ для передачи заказчику (по запуску КА).
Вид главного зала ЦУП РБ в РКК «Энергия» приведен на рис. 2.
Рис. 2. Вид главного зала Центра управления полетом разгонного блока в РКК «Энергия»
В силу отмеченных выше особенностей схемы полета РКН по программе «Морской старт» учитывалось, что распределение функций контроля и управления между СКС и ЦУП РБ отличается от распределения этих функций между станциями слежения и ЦУП по другим программам.
Группа АСУП РБ и оперативная группа управления (О ГУ) в ее составе имеют существенно большую автономность [2].
В частности, было определено, что выдача радиокоманд на борт РБ при парировании возможных нештатных ситуаций осуществляется на СКС без предварительного доклада в ЦУП. После выдачи, при необходимости, радиокоманд на борт РБ по выходу из возникших нештатных ситуаций О ГУ информирует ЦУП о предпринятых мерах.
Отличным от других программ является и распределение ответственности между СКС и ЦУП РБ по управлению средствами сбора информации и связи. Группа АСУП РБ на СКС определяет циклограмму сбора полетной информации и координирует работу всех средств в схеме связи SL, т. е. является ответственной за всю схему обмена данными между СКС и ЦУП, в т. ч. при работе средств системы TDRSS, по всем участкам активного полета РБ, включая выведение КА на целевую орбиту и его отделение.
2. передача информации через внешние каналы связи
При проектировании стартовых систем, удаленных от населенных и коммуникационно насыщенных районов Земли, характерным примером которых является «Морской старт», необходимо было решить проблемы обмена информацией по подготовке и полету РКН и создания системы внешней связи.
При сборе и анализе информации по подготовке и пуску РКН необходимо было обеспечить связь с наземной «метрополией» (т. е. с предприятиями, разработавшими элементы ракетно-космического комплекса и наземного оборудования программы «Морской старт») как в процессе подготовки к полету и предстартовой подготовке, так и при обмене телеметрической, командной, траекторной и телевизионной информацией в полете ракеты космического назначения.
При построении внешней схемы связи SL нужно было иметь в виду, что при нахождении СКС и СП в Базовом порту информационный обмен с внешними абонентами может осуществляться как подключением к наземным каналам связи, так и через систему спутниковой связи. При уходе СКС и СП в океан единственным каналом связи с внешними абонентами остается спутниковая связь (не считая, конечно, имеющихся в составе морского сегмента на СКС и СП штатных коротковолновых радиосредств, а также связи через СР InmarSat).
Схема внешней связи SL была первоначально построена на базе существующих спутниковых коммуникаций международного консорциума lntelSat и спутниковой системы TDRSS, находящейся в ведении NASA. Схема образовывалась путем аренды компанией SL
необходимого связного ресурса СР и согласования времени задействования узлов связи систем IntelSat и TDRSS. Схема внешней связи SL была спроектирована и организована специалистами фирмы Boeing, работающими в SLC, при согласовании с РКК «Энергия» [2].
Эта схема включала в себя:
• три СР IntelSat на геостационарной орбите (ГСО) для передачи данных между СКС (через станцию спутниковой связи на СКС) и потребителями в США (БП, фирма Boeing в Сиэтле, разработчики полезной нагрузки), в России (РКК «Энергия») и Украине (КБ «Южное»);
• три привлекаемых СР системы TDRSS на ГСО для передачи телеметрии с РКН на всех участках полета, в т. ч. вне зоны видимости СКС и российских станций слежения;
• восемь узлов связи (один на СКС, один на СП, два в США, два в Норвегии, один в России и один на Украине);
• СР «Ямал» для передачи принятой телеметрии на российской станции слежения (площадка 254 космодрома Байконур) в РКК «Энергия».
Функции узлов связи (УС) США в схеме внешней связи SL были определены следующими:
• УС на СКС и СП, оборудованные коммутационной аппаратурой и однотипными станциями спутниковой связи, обеспечивают обмен всеми видами информации между СКС (СП) и БП через СР IntelSat на долготе 180° з.д.;
• УС «Брюстер» в США является координационным узлом всей схемы внешней связи SL, а также осуществляет прием телеметрической информации по РКН из УС «Белые пески»;
• УС «Белые пески» в США взаимодействует с территориально совмещенным центром управления системы TDRSS и обеспечивает прием телеметрии с РКН и БПГ и ее трансляцию в УС «Брюстер»;
Три СР TDRSS, привлекаемых к обмену данными с РКН (с зоной видимости каждого ~±65° по долготе на экваторе), выбираются и арендуются оперативно, по согласованию с NASA, перед каждой миссией из числа пяти действующих СР TDRSS, расположенных на ГСО в следующих точках по долготе:
• над Тихим океаном — СР F5 (174° з.д.) и СР F 7 (171° з.д.);
• над Атлантическим океаном — СР F6 (47° з.д.) и СР F4 (41° з.д.);
• над Индийским океаном — СР F3 (275° з.д.).
При этом для большинства «стандартных»
траекторий выведения КА на геопереходную орбиту по программе «Морской старт», эти СР обеспечивают:
• СР F7 (или F5) — передачу телеметрии с РКН на активном участке выведения на промежуточную орбиту и при первом запуске РБ;
• СР F6 (или F4) — передачу телеметрии по второму запуску РБ и по отделению КА;
• СР F3 — передачу телеметрии с БПГ в режиме воспроизведения запомненной телеметрической информации (в т. ч. по участкам второго включения РБ и отделения КА).
Информация с СР F7 (F5) и F6 (F4) поступает непосредственно на антенны УС «Белые пески» в США, а телеметрия, передаваемая через СР F3, поступает в «Белые пески» через промежуточный ретрансляционный пункт США на о. Гуам.
Такая сложная система внешней связи SL потребовала большого объема «долетной» отработки и предпусковых испытаний. Кроме этого, эта схема внешней связи, из-за обмена информацией с потребителями в России и Украине через три СР IntelSat и нескольких промежуточных УС, обладала высокой стоимостью каналов связи и относительно большой физической «задержкой» при передаче данных в масштабе реального времени (до 0,6 с при передаче через три СР IntelSat).
Поэтому в конце 2003 г., после пуска № 12, была начата проработка новой схемы внешней связи, с заменой спутниковых каналов с европейскими абонентами на наземные оптоволоконные. В такой схеме данные из УС США «Брюстер» поступают сначала на восточный УС США, а затем по подводному кабелю в Лондон и далее — в Москву (РКК «Энергия» и ЦУП РБ) и Днепропетровск (КБ «Южное»).
Отладка новой схемы связи была осуществлена в мае-июне 2004 г. Уже с миссии № 14 (КА Telstar-18) новая схема связи стала основной для обмена данными с Москвой, а с миссии № 15 (КА XMR-3) — для обмена данными и с Днепропетровском.
Новая схема сняла проблему задержек при передаче данных в масштабе реального времени и существенно упростила организацию работ при снижении стоимости каналов.
Кроме перехода на новую схему внешней связи следует отметить, что в 2004 г. КБ «Южное» был введен в строй выносной измерительный пункт (ВИП) приема телеметрии на Маркизских островах (о. Нуку-Хива) по трассе выведения РКН «Зенит-3SL». Зона видимости с этого пункта позволяет принимать телеметрию с ракеты примерно с 350 с ее полета до окончания работы РН и через СР InmarSat транслировать эту телеметрию в КБ «Южное» и РКК «Энергия». Использование ВИП позволило начиная с миссии № 14 не устанавливать на ракете автономный передатчик TDRSS и не использовать СР системы TDRSS для передачи телеметрии с РН. Это также упростило организационную и техническую схему привлечения TDRSS и снизило стоимость ее применения.
Новая, ныне существующая, схема внешней связи SL приведена на рис. 3.
Рис. 3. Схема внешней связи комплекса «Морской старт» по обмену данными с ракетой космического назначения и внешними абонентами (начиная с миссии № 14)
Примечание. TMS 4000 — мультиплексный коммутатор АТМ в составе аппаратуры фирмы Boeing; УСЛ — устройство связи логическое для взаимодействия станции спутниковой связи с ТМК «Протон-SL»; Boeing — помещение обработки телеметрии с КА; «Протон-SL» — средства обмена и обработки информации с РКН в составе АСУП РБ (см. также раздел 3, рис. 4); Пл. 254 ТК Байконур (со станцией Наука-254) — станция слежения НКУ; КИС (с приемной станцией Наука Энергия) — контрольно-испытательная станция РКК «Энергия»; 512 (256), РБ (БПГ), ... — каналы обмена информацией в схеме связи SL; пом. 7, 8, ... — помещения на сборочно-командном судне по размещению средств АСУП РБ и ИК.
3. назначение и состав автоматизированной системы управления полетом разгонного блока
Создание совокупности информационных систем комплекса «Морской старт» в рамках АСУП позволило:
• организовать на современном уровне автоматизированный обмен данными между элементами АСУП и смежными системами, в т. ч. с системой внешних связей 5Х;
• создать единые средства приема телеметрии с РКН для АСУП и ИК, сократить численность персонала обслуживания;
• повысить надежность функционирования и оперативность управления средствами информационного обмена с РКН, особенно в нештатных ситуациях.
Следует отметить, что функциональное объединение информационных средств СКС в АСУП не полностью отражает функции этих средств: элементы АСУП используются не только во время полетов, средства и персонал телеметрического комплекса, входящего в АСУП, участвуют во всем цикле автономных и комплексных испытаний РКН в БП и на старте. Персонал командного пункта АСУП активно участвует в выборе взаимного стартового положения СКС и СП, а также их перемещений при испытаниях (в зависимости от ветра, течения, состояния аппаратуры и антенн на СКС и СП).
Положение СКС и СП при старте с допусками на позиционирование показано на рис. 4.
В состав АСУП РБ при ее проектировании, монтаже на СКС и эксплуатации в полетах, исходя из изложенных выше задач АСУП, вошли следующие средства [2]:
• плавучий командно-измерительный комплекс (ПКИК) «Протон-5Х»;
• станция спутниковой связи (ССС) «Марина» (до июля 2000 г.);
• единая система управления антеннами (ЕСУА);
• командный пункт (КП).
Структурная схема АСУП РБ приведена
на рис. 5.
ПКИК «Протон-5Х» предназначен для приема и регистрации телеметрии с РБ, приема и передачи в ИК телеметрии РКН, проведения траекторных измерений по РБ, передачу на РБ командной информации.
ЕСУА предназначена для передачи на антенный комплекс «Протон-5Х» программ наведения на РБ и компенсационных поправок на качку СКС, получаемых из навигационной системы СКС.
КП предназначен для обработки и отображения телеметрической информации РБ, отображения траекторной информации РН и РБ, подготовки командной информации для выдачи ее на РБ, контроля и управления всеми средствами АСУП РБ на СКС.
Рис. 4. Схема взаимного расположения сборочно-командного судна и стартовой платформы при старте
Примечание. СУ РН — система управления ракеты-носителя; СП — стартовая платформа; СКС — сборочно-команд-ное судно.
Рис. 5. Структурная схема средств автоматизированной системы управления полетом разгонного блока на сбо-рочно-командном судне
Примечание. * — цифрами указаны номера помещений на СКС; ** — входила в состав автоматизированной системы управления полетом разгонного блока (АСУП РБ) до июля 2000 г.; *** — с 2006 г. из состава измерительного комплекса в АСУП РБ переведены: станция приема телеметрии ракеты-носителя на сборочно-командное судно и система сбора и передачи информации о состоянии конструкций и систем стартовой платформы.
ССС «Марина» (в составе трехстепенной антенной системы с гидроприводами и антенны диаметром 4 м, приемно-передающих устройств С-диапазона 4/6 ГГц и средств управления) предназначена для обмена всеми видами информации между СКС и внешними абонентами через СР IntelSat. При обмене информацией через ССС все виды информации мультиплексируются коммутатором ATM (Asynchronous Transfer Mode) и передаются абонентам в едином цифровом потоке со скоростью 5 120 Кбит/с. С июля 2000 г. (на миссии № 4), по совместному решению, станция спутниковой связи на СКС была передана на эксплуатацию специалистам Boeing и выведена из состава АСУП РБ.
Все основное оборудование АСУП РБ (в первую очередь — вычислительные средства) запитывается от корабельной электросети через источники бесперебойного питания.
3.1. Плавучий командно-измерительный комплекс «Протон-5£»
Плавучий командно-измерительный комплекс (ПКИК) «Протон-5!» в составе АСУП РБ предназначен для информационного обмена с РБ ДМ-5Х и приема телеметрии РН при наземных испытаниях РКН на СКС, комплексных испытаниях на СП и в полете РКН — вплоть до заключительных операций РБ на целевой (переходной) орбите, при удалении от СКС до 36 000 км, а также для возможности информационного обмена с РБ на ГСО.
ПКИК «Протон-5!» образуют следующие средства:
• антенный комплекс (АК) ПКИК «Про-тон-5Х» (рис. 6) в составе:
- две приемные антенны метрового диапазона ВБ162 типа «волновой канал», с экви-
валентным диаметром 1,3 м и шириной диаграммы направленности ±30° каждая, с ручной установкой требуемого направления приема радиосигнала;
- большая антенная установка (АУ) СМ391А дециметрового диапазона (единая для приемного и передающего тракта командно-измерительного комплекса (КИК) ПКИК «Протон-5Х») общей массой около 90 т. АУ имеет трехстепенной электросиловой привод опорно-поворотного устройства (угловые скорости до 10 °/с по всем осям) и четыре параболических зеркала диаметром 6 м с отдельными облучателями, объединенными в единую конструкцию диаметром ~12 м. Ширина диаграммы направленности этой антенны составляет ±1,2°;
- две малонаправленные приемно-пере-дающие антенны дециметрового диапазона, жестко установленные на краях антенны СМ391А, предназначенные для связи с РКН на близких расстояниях (в зоне старта), с шириной диаграммы направленности каждой антенны ±30°;
- система управления антенн (СУА) АК в составе специальной аналоговой аппаратуры (устройство программного наведения и пульт ручного управления АУ СМ391А) и две ПЭВМ (дублирование) по выработке сигналов управления для АУ и связи с ЕСУА;
Рис. 6. Внешний вид антенн ВБ162 и АУ СМ391А на верхней палубе сборочно-командного судна
• командно-измерительный комплекс «Протон-5Х» в составе:
- аппаратура приемно-передающего тракта дециметрового диапазона. Мощность СВЧ-сигнала на выходе передающего тракта КИК находится в пределах 8...80 Вт. Коэффициент усиления малошумящего усилителя (МШУ) приемного тракта КИК составляет не менее 30 Дб. Аппаратура приемно-передающего тракта совместно с АУ обеспечивает добротность антенны на частоте приема не менее 10 Дб/К, коэффициент усиления антенны АУ на передачу составляет не менее 29 Дб;
- аппаратура вхождения в связь по несущей частоте, выделения телеметрической информации и проведения траекторных измерений (дальности до РБ — Б и радиальной скорости — Ь);
- командно-программная система (КПС), образуемая аппаратурой формирования и выдачи радиокоманд (РК) и двумя ПЭВМ (дублирование) с программным обеспечением подготовки и записи РК;
- информационно-управляющая система (ИУС), образуемая устройствами сопряжения с техническими средствами КИК и двумя ПЭВМ (дублирование) с программным обеспечением контроля и управления КИК «Протон-5Х». ИУС обеспечивает автоматизированное управление элементами КИК, а также автоматический контроль всей «внутренней» телеметрии КИК с частотой один раз в секунду;
• телеметрический комплекс (ТМК) «Протон-5Х» в составе:
- радиоприемная аппаратура, принимающая телеметрию РБ с антенны метрового диапазона ВБ162;
- аппаратура синхронизации и обработки телеметрии РБ в составе трех специализированных комплектов аппаратуры и двух ПЭВМ с программным обеспечением. На ПЭВМ осуществляется обработка телеметрии ДМ-диапазона, поступающей с радиоприемной аппаратуры КИК «Протон-5Х», и телеметрии, принимаемой через систему ТБЯЗЗ и поступающей со станции спутниковой связи СКС. В аппаратуре синхронизации обеспечивается контроль всей поступающей телеметрии в масштабе реального времени и ее запись на магнитные носители;
- аппаратура согласования и связи со станцией спутниковой связи СКС.
Приведенный аппаратный состав ПКИК «Протон-5Х» обеспечивает:
• одновременный прием телеметрии с РБ (256 Кбит/с или 32 Кбит/с) и РН (2x256 Кбит/с) в М-диапазоне радиоволн на частотах 166, 211 и 219 МГц соответственно. Дальность приема
телеметрии РБ в М-диапазоне — не менее 1 500 км (практически до «нулевой» зоны видимости РКН с СКС) при вероятности ошибки принятого единичного бита информации не более 10-4;
• одновременный прием телеметрии с РБ (256 Кбит/с или 32 Кбит/с) и РН (2x256 Кбит/с) в ДМ-диапазоне радиоволн на частотах 923, 1 010 и 1 018 МГц соответственно. Дальность приема телеметрии РН — практически до «нулевой» зоны видимости СКС. Дальность приема телеметрии РБ — до ГСО. Вероятность ошибки принятого единичного бита информации не более 10-4;
• прием, контроль и запись телеметрии РБ производится непосредственно в ТМК «Протон-SL», а телеметрия РН передается для обработки и записи в ИК;
• выдачу на РБ радиокоманд в ДМ-диапазоне радиоволн: 769 МГц — линия выдачи РК Земля-Борт, 923 Мгц — линия Борт-Земля (квитирование). Темп выдачи радиокоманд с КПС КИК в автоматическом режиме (с предварительной записью в память КПС до 1 024 слов КПИ) — 10 РК в секунду, в ручном режиме -одна РК в 10 с. Дальность выдачи и квитирования радиокоманд соответствует ГСО. Вероятность непрохождения радиокоманды не более 10-4, прохождения ложной команды не более 10-8. Выдача радиокоманд предназначена для управления режимами и резервом аппаратуры бортового радиотехнического комплекса (БРТК) РБ;
• измерение траекторных параметров движения центра масс РБ (дальности D и радиальной скорости D РБ) в ДМ-диапазоне радиоволн: 769 МГц — запросная линия Земля-Борт, 923 МГц — ответная линия Борт-Земля. Частота измерений D и D — один раз в секунду.
Аппаратные ошибки измерения D и D на дальности до РБ на ГСО удовлетворяют следующим требованиям: систематическая и среднеквадратичная составляющие погрешности измерений (с учетом условий распространения радиоволн, качки и дрейфа СКС, погрешности калибровки аппаратуры):
• по D — не более ±10 м;
• по D — не более ±0,1 м/с.
В соответствии с решаемыми задачами ПКИК «Протон-SL» работает в следующих режимах:
• режим приема телеметрии в М-диапазоне, при котором задействуются антенна ВБ162, высокочастотная, низкочастотная, контрольная и регистрирующая аппаратура ТМК «Протон-SL»;
• режим приема телеметрии в ДМ-диапазоне, при котором задействуются АУ
СМ391А, аппаратура приемного тракта КИК «Протон-SL» и аппаратура выделения сигнала телеметрии с передачей выделенной телеметрии для последующей обработки и регистрации (записи) в ТМК «Протон-SL»;
• режим выдачи радиокоманд, в котором задействуются АУ СМ391А, КПС, передающий и приемный тракт КИК. В автоматизированном режиме командная информация предварительно вводится в оперативное запоминающее устройство КПС, откуда автоматически в заданные моменты времени выдается на модулятор передатчика КИК. В ручном режиме набор и выдача командной информации производятся оператором на ПЭВМ КПС. Стандартно используемый режим выдачи радиокоманд — автоматический. Ручной режим может быть использован в нештатных ситуациях;
• режим траекторных измерений, в котором задействуются АУ СМ391А, аппаратура вхождения в связь и траекторных измерений, передающий и приемный тракты КИК. Отсчеты измеряемых параметров передаются в ИУС для последующей обработки (в реальном масштабе времени) и учета качки и дрейфа СКС с использованием данных из ЕСУА;
• при совместном функционировании АК с радиоприемным трактом используются режимы:
- программного наведения на расчетную траекторию движения РКН;
- автосопровождения по ответному сигналу с РБ;
- автокоррекции программы по сигналам канала автосопровождения;
- программного поиска РБ.
Все эти режимы обеспечиваются с компенсацией качки СКС, информация о которой поступает в систему управления АК через ЕСУА.
Режим автосопровождения в АК реализуется путем обработки сигналов с четырех МШУ радиоприемного тракта, каждый из которых работает с одним из четырех зеркал АУ.
Режим автокоррекции программы наведения реализуется в АК «Протон-SL» путем суммирования в системе управления антенн АК сигналов программного наведения и сигналов автосопровождения.
Программный поиск РБ осуществляется путем спирального сканирования АУ с запоминанием времени положения антенны, соответствующего максимальному уровню принимаемого сигнала с РБ. Имеется возможность смены шага спирали и скорости сканирования при средних величинах шага ~1,5° и скорости ~2 °/с.
Программное обеспечение ИУС командно-измерительного комплекса позволяет оперативно менять режимы управления АК.
Типовая циклограмма управления АК выглядит следующим образом: от старта РКН до ~60 с полета используется программное наведение, затем осуществляется переход на режим программного наведения с автокоррекцией с возвратом на режим программного наведения с ~300 с полета РКН (на малых углах места).
В нештатных ситуациях, для гарантированного получения телеметрии РКН, возможен оперативный (в течение нескольких секунд) переход на режим АС или программного поиска.
Контрольно-проверочная аппаратура (КПА) ПКИК «Протон-SL» предназначена для оперативной проверки работоспособности КИК совместно с АК и ТМК как в процессе подготовки в БП, так и в плавании и стартовых условиях. Приборы КПА размещаются в при-емо-передающем тракте КИК «Протон-SL», на грот-мачте СКС (радиомаяк ВБ120) и на береговой вышке в БП.
Для комплексной проверки параметров ПКИК «Протон-SL» совместно с ЕСУА и КП АСУП РБ использовались сеансы связи с наведением на Солнце и сеансы связи с транспортными и грузовыми кораблями в составе орбитальных станций «Мир» и МКС, у которых БРТК близок по составу и аналогичен по структуре сигналов БРТК разгонных блоков ДМ-SL.
3.2. Единая система управления антеннами
ЕСУА в составе АСУП РБ предназначена для управления наведением антенной установки СМ Э91А, входящей в состав АК «Протон-SL». В состав ЕСУА входят следующие аппаратные средства:
• две ПЭВМ (дублирование) с внешними элементами (принтер, CD-ROM, накопитель на гибком магнитном диске) и программно-математическое обеспечение;
• сетевые средства (плата Ethernet NE2000);
• средства внешней связи.
В соответствии с назначением ЕСУА выполняет следующие основные задачи:
• получение с КП АСУП РБ исходных данных по предстоящему сеансу связи;
• непрерывное (по согласованным протоколам) получение от навигационной системы СКС (Seapath 200) координат корабля (широта, долгота, высота), параметров качки (крен, дифферент) и курса корабля. Навигационная система СКС передает в ЕСУА координаты корабля с погрешностью не более ±10 м, а угловые параметры качки — не более ±30";
• автоматизированное формирование и передача в систему управления АК координат СКС, программы наведения антенны СМ Э91А, параметров качки и курса СКС. Программа
наведения АК передается в СУА однократно, частота обмена данными по координатам и параметрам качки СКС — 5 Гц;
• расчет скоростей перемещения центра масс СКС при волнении и качке и передача этих данных в ИУС КИК «Протон-SL» для учета в качестве поправок при расчете траек-торных параметров движения РБ. Частота обмена данными с ИУС по скоростям перемещения СКС — 1 Гц.
3.3. командный пункт АСуп рБ и сопряжение со смежными системами
Командный пункт АСУП РБ на СКС является центральной составной частью АСУП РБ и предназначен для решения следующих задач:
• планирование работы всех средств АСУП РБ на СКС;
• общий контроль и управление средствами АСУП РБ;
• обработка и оперативный анализ телеметрической информации по РБ (в т. ч. ведение репортажа о полете РБ — для руководства полетом на СКС и внешних абонентов);
• обработка и отображение баллистических (траекторных) параметров движения РКН и РБ;
• баллистико-навигационное обеспечение в нештатных ситуациях полета РКН;
• подготовка и реализация командного управления радиотехническими средствами РБ на этапах предстартовой подготовки и в полете (в штатных и нештатных ситуациях);
• информационное взаимодействие (передача данных по согласованным протоколам) с системой обеспечения информацией миссии (СОИМ);
• взаимодействие с группой внешней связи SL и контроль обмена информацией по схеме внешней связи.
Решение перечисленных задач КП обеспечивает следующий аппаратный состав его средств:
• четыре сервера, в т. ч.:
- сервер обмена с внутренними абонентами СКС (база данных КП);
- сервер отображения информации на КП;
- сервер обмена с внешними абонентами СКС (FTPS);
- резервный сервер;
• пять X-терминалов для автоматизированных рабочих мест (АРМ) персонала КП, устанавливаемых, в т. ч., на АРМ:
- Xt-1 — руководителя КП;
- Xt-2 — оператора системы сбора и передачи данных;
- Xt-3 — оператора обмена командной информацией с РБ;
- Xt-4 — оператора планирования работы средств АСУП РБ;
- Xt-5 — оператора контроля работы радиосредств АСУП РБ;
• семь ПЭВМ, самостоятельно решающих отдельные задачи КП, в т. ч.:
- две ПЭВМ, решающие задачи баллистического обеспечения;
- две ПЭВМ (дублирование) обработки телеметрии РБ, выдающие ТМИ РБ в сервер обмена для передачи в СОИМ (выборочная телеметрия РН для СОИМ поступает на сервер обмена из ИК);
- ПЭВМ технического контроля и обслуживания вычислительных средств КП;
- ПЭВМ приема и обработки сокращенных потоков ТМИ РБ из ЦУП;
- ПЭВМ для связи с РКК «Энергия» по FTP-каналу через сервер FTPS и «офисных» работ на КП;
• коммутационные устройства (коммутатор и два концентратора) для объединения вычислительных средств КП и связи с внешними абонентами;
• маршрутизатор для выхода в сеть «Интернет», в т. ч. для обеспечения резервного канала связи между СКС и РКК «Энергия» (введен в состав КП в конце 2000 г.);
• периферийное оборудование (принтеры, сканеры, стриммер).
Перечисленные вычислительные и сетевые средства образуют информационно-вычислительный комплекс (ИВК) КП АСУП.
Блок-схема ИВК КП АСУП и его взаимодействие с внешними абонентами показаны на рис. 7.
Рис. 7. Блок-схема информационно-вычислительного комплекса командного пункта автоматизированной системы управления разгонным блоком и его взаимодействие с внешними абонентами
Примечание. АРМ — автоматизированное рабочее место; БНО — баллистико-навигационное обеспечение; ТМИ — телеметрическая информация; ФПО — функциональное программное обеспечение; СП ТМИ — сокращенные потоки ТМИ; ТО КП — техническое обслуживание командного пункта; ЛВС — локальная вычислительная сеть; ЕСУА — единая система управления антеннами; КИК — командно-измерительный комплекс; СОИМ — система обеспечения информацией миссии.
В составе ИВК КП установлено следующее стандартное общесистемное программное обеспечение:
• сетевая операционная система HP-UX 10.20.X Runtime;
• Microsoft Windows 95 — операционная система ПЭвМ;
• InterDrive Client (NFS Windows) клиентская часть ПО ПЭвМ;
• InterBase 5.5 для HP-UX и Client для Windows;
• Delphi 5 — интегрированная среда визуальной разработки программного обеспечения для баллистических расчетов;
• OpenView для администрирования сети и эмуляции X-терминалов на ПЭВМ.
Для решения прикладных задач, возложенных на операторов КП, было разработано и установлено следующее функциональное программное обеспечение (ФПО):
• ФПО обработки телеметрии РБ;
• ФПО баллистического обеспечения;
• ФПО взаимодействия с системой обеспечения информацией миссии;
• ФПО администрирования сети КП;
• ФПО X-терминалов персонала КП;
• ФПО приема и отображения сокращенных потоков телеметрии РБ, принятых из ЦУП РБ;
• ФПО FTP-обмена (файловый обмен информацией с УС РКК «Энергия»).
4. Сборка и комплексные испытания АСуп и схемы внешней связи SL
Монтаж и пуско-наладочные работы подсистем АСУП проходили на СКС при его нахождении в Санкт-Петербурге, на Канонерском судоремонтном заводе (КСЗ) [1, 2].
Радиотехнические средства АСУП разрабатывались в Российском НИИ космического приборостроения (по техзаданию РКК «Энергия») и направлялись на КСЗ для монтажа. Большая антенна ПКИК «Протон-SL» собиралась на Ижорском заводе по документации Конструкторского бюро специального машиностроения, а затем также доставлялась для монтажа на КСЗ. Оборудование КП АСУП поставлялось на КСЗ из ЗАО «Ин-формсвязь». Комплексирование ССС «Марина» на СКС осуществлялось специалистами НПО «Радио».
Монтаж и пуско-наладочные работы по АСУП на СКС были выполнены при участии специалистов перечисленных организаций в период с декабря 1997 г. по начало июня 1998 г. при активной поддержке специалистами Канонерского завода.
На переходе СКС из Санкт-Петербурга в БП (12.06.-12.07.98 г.) в реальных условиях плавания была проверена работа антенны «Протон-SL» при ее управлении от ЕСУА и корабельной навигационной системы.
Заключительные комплексные испытания средств АСУП РБ на СКС в предпусковой период проходили в БП в период с октября 1998 г. по февраль 1999 г.
При комплексных испытаниях в БП одной из проблем былаработав условиях внешних радиопомех г. Лос-Анджелеса. Помехи наблюдались практически на всех семи используемых в АСУП РБ частотах для связи с РКН. Частоты телеметрического передатчика РН 1 010 МГц и 1 018 МГц были разрешены к излучению в БП, в порядке исключения, только перед первым пуском. Из-за существенных радиопомех в диапазонах приема телеметрии РБ на частотах 168-923 МГц устойчивый прием телеметрии в проверочных сеансах связи с орбитальной станции «Мир» в БП велся только при углах места >10°.
Для контрольных комплексных испытаний средств АСУП РБ привлекались корабли «Союз», пристыкованные к орбитальной станции «Мир», бортовые средства которых по передаче телеметрии, траекторным измерениям и командной радиолинии совместимы с аналогичными средствами на РБ ДМ-SL. Перед первым пуском по программе «Морской старт» с орбитальной станции «Мир» было осуществлено 23 сеанса связи, в т. ч. 17 сеансов при нахождении СКС в БП и 6 сеансов на ходу СКС, при переходе в точку старта [2].
Большое внимание в БП при подготовке к пуску РКН уделялось отработке схемы связи SL и передачи телеметрии через спутники-ретрансляторы системы TDRSS.
На первом этапе осуществлялась передача телеметрии БПГ по закрытому тракту (без излучения), с имитацией УС «Белые пески» по разделению телеметрии БПГ в аппаратуре фирмы Boeing на СКС. Затем телеметрия РБ ДМ-SL в структуре TDRSS транслировалась на штатную коммутационную аппаратуру ССС.
Для заключительной комплексной наземной отработки схемы связи SL по передаче телеметрии через TDRSS в БП доставлялся специальный фургон NASA с аппаратурой и антенной системой для связи непосредственно с СР TDRSS.
Перед уходом СКС и СП в точку старта весь комплекс средств связи и обмена информацией проверялся в БП при «сухом вывозе» РКН с БПГ на стартовую платформу. При этом все средства АСУП РБ и схема внешней связи SLC
функционировали при контрольном наборе стартовой готовности РКН аналогично предстартовой циклограмме. Заключительная проверка всех средств связи проводилась на экваторе за день до старта РКН.
В результате большой дополетной работы замечания к средствам обмена информацией с РКН в полетных условиях были минимизированы (и не повлияли на прием и обмен пусковой информацией), а к пуску № 3 были устранены полностью.
При проверках новой схемы внешних связей 5Ь (начиная с миссии № 14, в 2004 г.) никаких проблем по обмену информацией практически не возникало.
Заключение
Аппаратно-программные средства АСУП РБ показали свою эффективность при осуществлении всех пусков по программе «Морской старт». Показала свою эффективность и надежность функционирования схема внешних связей 51.
В процессе отработки и эксплуатации системы АСУП РБ удалось существенно повысить эффективность работы средств и обслуживающего персонала при сокращении его численности.
В заключение можно сказать, что идея создания средств контроля и управления полетом по программе «Морской старт» в рамках единой системы АСУП РБ себя оправдала, и ее можно уверенно применять при проектировании и создании аналогичных наземных систем контроля и управления для вновь разрабатываемых космических комплексов.
Список литературы
1. Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королева. На рубеже двух веков. 1996-2001 гг. // Королев: РКК «Энергия», 2001.
2. Бродский И.Э., Кравец В.Г. Особенности связи и обмена информацией при пусках КА с «Морского старта» // Полет. 2000 г. № 3. Статья поступила в редакцию 20.02.2014 г.
