Особенности построения интегрированного наземного комплекса в структуре автоматизированной системы управления космическими аппаратами Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Особенности построения интегрированного наземного комплекса в структуре автоматизированной системы управления космическими аппаратами

Применение РЭС НАКУ при выполнении стоящих перед ними задач осуществляется в составе космических систем (комплексов) во взаимодействии с другими средствами, обеспечивающими запуск и управление КА. Космическая система включает в себя один или несколько космических комплексов и специальный комплекс. Космический комплекс представляет собой совокупность взаимосвязанных орбитальных и наземных технических средств, предназначенных для самостоятельного решения задач в космосе и из космоса. В состав космического комплекса в общем случае входят: орбитальная группировка КА, ракетно-космический комплекс, наземный комплекс управления и комплекс средств посадки и послеполетного обслуживания. Специальный комплекс представляет собой совокупность взаимосвязанных орбитальных и наземных технических средств, предназначенных для приёма, обработки, хранения специальной (космической) информации, поступающей с КА, и выдачи её потребителям. Наземные средства, принятые на вооружение ГИКЦ, располагаются на отдельных командно-измерительных комплексах (ОКИК), отдельных измерительных пунктах (ОИП) и Испытательных центрах (ИЦ) и составляют наземную группировку ГИКЦ. Территориальное расположение ОКИК и ОИП сложилось с учетом обеспечения требований по оперативности, глобальности и надежности управления КА при их прохождении в зонах радиовидимости наземных РЭС, а также требуемой точности определения параметров их орбит. Средства, расположенные на ОКИК (ОИП), связаны со средствами ИЦ с помощью системы связи и передачи данных (ССПД) НАКУ.

Ключевые слова: радиоэлектронные систем, главный испытательный космический центр, отдельный командно-измерительный комплекс, отдельный измерительный пункт, автоматизированные системы управления.

Травкин В.В.,

Профессор кафедры космических радиотехнических систем Военно-космической академии им. АФ.Можайского, к.т.н., fr-Z5@yandeks.iv

Рыбочкин Ю.Н.,

Старший преподаватель кафедры космических радиотехнических систем Военно-космической академии им. АФ.Можайского, к.т.н., iyvn-Z3@mail.iv

Возможны различные варианты организации управления КА и приема с КА целевой информации. В частности, могут быть использованы специализированный НКУ и интегрированный с ним НСпК, как это имеет место в зарубежных космических системах [4]. Поскольку применение космических средств в соответствии с их целевым назначением обеспечивается соответствующей организацией управления полетом и информационным обменом с КА на орбите, при разработке новых космических систем специального назначения выбор принципов построения НКУ и НСпК относится к числу наиболее важных системных решений. Практически принципы построения определяются выбранным вариантом: для НКУ — много-

целевым или специализированным, для НСпК — структурно независимым или интегрированным с НКУ.

Проведенный технико-экономический анализ показывает, что при разработке перспективных космических систем специального назначения наряду с вариантом передачи КА на управление НАКУ целесообразно рассматривать вариант использования совмещенного наземного комплекса (СНК), объединяющего специализированные НКУ и НСпК в единый интегрированный комплекс. При определенных условиях и научно обоснованных системных решениях интеграции НКУ и НСпК достигается синергетический эффект повышения эффективности выполнения целевых задач космической системы за счет взаимного усиления функциональных возможностей каждого из взаимодействующих комплексов.

Создание для разрабатываемой космической системы специального назначения интегрированного космического комплекса для решения задач управления, приема и обработки целевой информации с КА специального назначения, таким образом, предполагает два взаимосвязанных системных решения:

— во-первых, использование для управления орбитальной группировкой КА разрабатываемой космической системы специализированного НКУ;

— во-вторых, интеграцию НКУ и НСпК в единый СНК.

НКУ принадлежит ключевая роль в обеспечении применения космических систем по целевому назначению, поскольку выполнение КА целевых задач осуществляется по программам, передаваемым с Земли средствами НКУ. Сравнительный анализ вариантов построения НКУ управления отечественных космических систем показывает, что в современных условиях использование многоцелевого НКУ означает передачу орбитальной группировкой КА разрабатываемой космической системы на управление НАКУ. Такой вариант управления КА является основным для отечественных космических систем военного и двойного назначения, однако он сложился в процессе их эволюционного развития с учетом преемственности в организации целевого применения и технологии управления КА.

В случае передачи орбитальной группировки КА той или иной космической системы на управление НАКУ организация, в интересах которой функционирует космическая система, выступает в качестве заказчика, который формирует заявки на управление КА, обеспечивающие его целевое применение, а НАКУ, по сути, оказывает заказчику операторские услуги по управлению КА. При таком варианте организации управления КА НАКУ выполняет сле-

дующие задачи [4]:

— планирование применения средств НКУ;

— непосредственное выполнение сеансов управления КА;

— оперативное управление работой средств НКУ при подготовке и в ходе выполнения сеансов управления КА;

— обеспечение приема, передачи и обработки всех видов информации, циркулирующей в НКУ при решении задач командно-программного обеспечения, навигационно-балли-стическое обеспечение и информационно-телеметрическое обеспечение;

— осуществление частотно-временного обеспечения средств НКУ;

— обеспечение НКУ каналами связи для передачи всех видов информации, циркулирующих в НКУ;

— техническую эксплуатацию средств НКУ а также зданий и сооружений, в которых они расположены.

При передаче орбитальной группировки КА перспективной космической системы на управление НАКУ в его Главном центре (ГЦ) будет развернут центр управления полетом (ЦУП) КА, для непосредственного проведения сеансов управления КА будет использоваться одна из штатных командно-измерительных систем (КИС) НАКУ, при этом на КА должна быть установлена соответствующая бортовая аппаратура КИС. Заказчик взаимодействует с ЦУП, выдавая туда заявки на управление КА, а все планирование применения средств НКУ и непосредственное взаимодействие с КИС осуществляет ЦУП по принятой в НАКУ технологии информационного взаимодействия с использованием системы связи и передачи данных НАКУ. В этих условиях проявляются достоинства, связанные с использованием для проведения сеансов управления КА всех территориально распределенных на территории страны средств НАКУ, а также с сокращением сроков разработки и создания АСУ КА за счет формирования НКУ на основе существующих средств управления и обработки информации НАКУ и использования готовых технических решений реализации БКУ

Однако вариант реализации НКУ космической системы на основе средств НАКУ имеет и ряд недостатков, которые оказываются особенно заметны при разработке и развертывании новых, не имеющих близких аналогов, космических систем специального назначения, а именно:

— универсальность средств управления и измерений НАКУ приводит к невозможности учета специфики и особенностей технологического и целевого управления КА специального назначения, а также выполнения повышенных

требований по предотвращению несанкционированного доступа (НСД) к информации, циркулирующей в НКУ и в радиоканалах управления и информационного обмена с КА;

— большинство из средств управления КА, входящих в состав НАКУ, были разработаны в 80-90-е годы прошлого века, многократно выработали гарантийный ресурс и не могут обеспечить требуемого для космических систем специального назначения уровня надежности проведения операций управления и информационного обмена с КА;

— заложенные в КИС НАКУ технические решения и характеристики радиоканалов даже с учетом их модернизации не соответствуют современным требованиям к характеристикам помехозащищенности, скорости передачи информации, точности измерений для радиоканалов управления, измерений и информационного обмена с КА;

— разработанные для работы во взаимодействии со штатными средствами НАКУ бортовые радиотехнические комплексы КА имеют массогабаритные характеристики и энергопотребление, не соответствующие современным требованиям к бортовой аппаратуре, особенно для КА, создаваемых на основе малогабаритных космических платформ;

— в функции НКУ, сформированного на основе средств НАКУ, не входит прием с КА целевой (специальной) информации, а в составе НАКУ отсутствуют соответствующие РЭС, поэтому при передаче КА на управление НАКУ необходима разработка полнофункционального НСпК с пунктами приема и центрами обработки информации, функционирующего параллельно с НКУ.

Следует также отметить следующее обстоятельство. КИС, привлекаемые для проведения сеансов управления КА, могут одновременно применяться и в составе других НКУ, и возможны конфликты при выполнении заявок на проведение операций управления КА, полученные от различных заказчиков. Поэтому в масштабе НАКУ кроме планирования применения средств каждого НКУ осуществляется координационное планирование применения всех средств. Для этого в состав ГЦ входит Система оперативного координационного планирования применения (СОКПП) средств НАКУ. Алгоритмы координационного планирования, реализуемые СОКПП, позволяют частично устранить возникающие конфликты на основе приоритетов, однако определение приоритетов осуществляется непосредственно в СОКПП, и в случае неустранимых конфликтов неизбежно невыполнение одной или нескольких конфликтующих заявок.

Использование для управления КА перспективной космической системы специального назначения специализированного НКУ предусматривает его разработку и последующее использование в составе космической системы без передачи орбитальной группировки КА на управление НАКУ. Данный вариант требует решения задач обоснования состава, структуры, принципов действия НКУ и средств, входящих в него, их реализацию и дальнейшую эксплуатацию, однако позволяет в полной мере учесть специфику целевых задач космической системы и оптимизировать расходы на ее эксплуатацию. При этом возможна организация взаимодействия с НАКУ по отдельным вопросам в рамках согласованных протоколов взаимодействия.

Преимуществами использования специализированного НКУ, функционирующего в составе космической системы, являются:

— учет специфики и особенностей построения и функционирования космических систем специального назначения, в том числе в вопросах технологического и целевого управления КА и предотвращения НСД к радиоканалам управления, измерений и информационного обмена с КА;

— отсутствие необходимости координации применения средств НКУ с планами применения других космических систем и связанных с этим ограничений при реализации ТЦУ КА, в полной мере согласованных с задачами целевого применения КА;

— отсутствие технологической привязки к существующим штатным средствам НАКУ, возможность реализации современных принципов построения и унификации оборудования наземных и бортовых средств управления, измерений и информационного обмена с КА, в том числе с учетом стандартов ITU, ISO, CCSDS;

— возможность выбора рациональной структуры и состава средств НКУ, реализации в нем технологических циклов управления (ТЦУ) КА, в наибольшей степени учитывающих принципы применения КА при решении целевых задач и выполнении на орбите различных операций программы полета;

— возможность поэтапного развертывания специализированного НКУ с учетом частичного или полного развертывания орбитальной группировки КА и результатов функционирования космической системы на предыдущих этапах.

Для перспективных космических систем специального назначения эти преимущества имеют важное значение вследствие особенностей командно-программного и навигационно-баллистического обеспечения управления КА,

связанных с характером их целевого применения (вследствие наличия нескольких режимов орбитального полета и целевого применения, особо ответственных операций, выполняемых на орбите, маневрирования и других особенностей). При этом затраты на разработку и эксплуатацию специализированного НКУ частично или полностью компенсируются исключением расходов по оплате представляемых НАКУ услуг по управлению КА.

Состав элементов специализированного НКУ должен определяться с учетом ряда факторов. Укажем их.

1. Обоснование структуры, принципов функционирования, эксплуатации и технического обслуживания специализированного НКУ проводится на этапе проектирования космической системы в рамках проводимых научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

2. Все разрабатываемые элементы НКУ должны соответствовать требованиям современных стандартов и рекомендаций, регламентирующих задачи, алгоритмы и методы управления и информационного обмена с КА.

3. Элементы НКУ должны быть унифицированными, что позволит на всех этапах функционирования космической системы проводить эффективное поэтапное развертывание средств управления и информационного обмена с КА без дополнительных затрат на их проектирование.

4. Средства НКУ должны быть максимально гибкими и модернизируемыми. Для этого большая часть элементов НКУ должна реали-зовываться на основе ЭВМ, на программируемых логических интегральных схемах, цифровых сигнальных процессорах, а в основе общего и специального программного обеспечения должны лежать объектно-ориентированные технологии программирования, в том числе с использованием универсальных языков моделирования (11МЦ.

5. Вопросы предотвращения НСД к радиоканалам управления и информационного обмена с КА должны решаться на всех уровнях управления КА, приема и обработки информации, включая аутентификацию абонентов на всех средствах НКУ и в БКУ

6. Построение наземной информационной сети НКУ должно осуществляться по сетевой иерархической структуре с возможностью защищенного удаленного доступа и контроля всех средств на основе современных стандартизованных технологий и протоколов защищенного информационного обмена.

Учет перечисленных факторов при реализации НКУ в составе многоцелевого комплекса

существующих средств НАКУ затруднителен и зачастую нецелесообразен. Кроме того, в специализированном НКУ в полной мере могут быть учтены требования, предъявляемые к созданию и эксплуатации средств управления КА разрабатываемой космической системы, по ряду позиций существенно отличающиеся от требований к средствам управления КА в других космических системах. В то же время с НА-КУ может быть организовано технологическое взаимодействие по отдельным вопросам управления КА, а также по вопросам технического обеспечения эксплуатации средств НКУ, расположенных в районах расположения пунктов командно-измерительных пунктов (ОКИК, ОИП) НАКУ.

Основными функциями НСпК является прием с КА и обработка целевой (специальной) информации. Для этого в состав НСпК входят средства приема информации с КА, ее обработки, хранения, распределения и доведения до потребителей, расположенные в пунктах приема информации (ППИ) и центрах обработки (ЦО) информации. В подавляющем большинстве космических систем НСпК являются специализированными, что связано как с их различной ведомственной принадлежностью, так и со спецификой приема с КА и обработки различных видов целевой информации. НСпК также часто объединяются с центром управления космической системой.

Так, НСпК космических систем наблюдения решает следующие основные задачи [6]:

— прием информации (данных наблюдения) с КА;

— обработку информации, принятой с КА, и представление ее потребителям;

— формирование и передачу в ЦУП заявок на управление КА и планирование программы его полета;

— анализ по результатам обработки принятой информации качества функционирования аппаратуры БСпК и разработку рекомендаций по дальнейшей программе полета;

— регистрацию (запись) принятой информации для хранения и последующей обработки.

В случае выбора при разработке перспективной космической системы варианта использования специализированного НКУ целесообразно его объединение с НСпК в составе интегрированного СНК. Преимуществами объединения специализированного НКУ с НСпК в составе СНК космической системы специального назначения являются:

— учет специфики и особенностей построения и функционирования космических систем специального назначения, в том числе в вопро-

сах приема целевой информации с КА и предотвращения НСД к радиоканалам информационного обмена с КА;

— реализация централизованного управления космической системой при сосредоточении функций управления полетом КА, планирования целевого применения КА и обработки целевой информации, принимаемой с КА, в рамках единого центра управления системой;

— совмещение функций управления КА и приема с КА целевой информации в многофункциональных наземных радиоэлектронных средствах — объединенных земных станциях (ОЗС), интегрирущих функции КИС и ППИ, с возможностью их одновременного функционирования в интересах НКУ и НСпК;

— отсутствие необходимости координации решения задач средствами СНК с планами применения других космических систем и связанных с этим ограничений при реализации ТЦУ и программ работы бортовой аппаратуры КА, в полной мере согласованных с задачами целевого применения КА;

— возможность реализации современных технологий проектирования, отработки в процессе реализации проекта перспективных технических решений, унификации наземного и бортового оборудования, в том числе с учетом международных стандартов и рекомендаций;

— интеграция функций управления, контроля состояния бортовой аппаратуры и передачи целевой информации в рамках единого бортового радиотехнического комплекса.

Основными элементами СНК являются:

1. Единый командно-информационный центр (КИЦ), выполняющий функции Центра управления системой, ЦУП и ЦОИ.

2. Система ОЗС, с помощью которых осуществляются все операции информационного взаимодействия с КА — проводятся сеансы управления и приема целевой информации с КА.

3. Система связи и передачи данных СНК.

Основными объединяемыми функциями в

СНК являются:

— управление орбитальной группировкой КА, прием с КА целевой информации и ее обработка;

— управление космической системой и поддержание единой базы данных;

— обмен информацией между средствами комплекса с использованием единой системы связи и передачи данных;

— баллистическое обеспечение управления и целевого применения КА.

Функции управления орбитальной группировкой КА, приема с КА целевой информации и ее обработки разделяются в КИЦ на уровне ЦУП и ЦОИ, а в системе ОЗС — на уровне

функциональных каналов управления КА и приема целевой информации с КА в ОЗС. Эффективное решение задач управления КА и обработки целевой информации КА требует разработки для КИЦ надежного и высокоинтеллектуального программного обеспечения, обеспечивающего высокую степень автоматизации всех видов обеспечения управления КА (командно-программного, информационно-телеметрического и навигационно-баллистическо-го обеспечения), процессов планирования управления КА и применения средств СНК, тематической обработки целевой информации. принимаемой с КА, и ее выдачи потребителям.

При обосновании принципов построения и взаимодействия элементов МНК между собой и с внешними организациями следует учитывать следующие факторы:

1. Совмещение НКУ и НСпК на двух уровнях (КИЦ и СОЗС) позволяет в наибольшей степени сохранить степень режимности наземных объектов космической системы.

2. При решении целевых задач разрабатываемой космической системой особое значение имеет возможность совмещения сеансов

управления КА и приема целевой информации с КА.

3. При реализации технологий управления и информационного обмена с КА в современных условиях необходимо ориентироваться прежде всего на унифицированные технические решения, стандарты и рекомендации.

4. При обосновании системных решений разрабатываемых космических систем существенную роль играет степень их преемственности с существующими космическим системами по решаемым целевым задачам и организации управления и целевого применения КА.

5. Современные тенденции развития космических систем и комплексов направлены на реализацию специализированных малопункт-ных (а в перспективе — и однопунктных) НКУ и их интеграцию с НСпК.

Технико-экономический эффект использования СНК достигается по ряду основных направлений, которыми являются:

— возможность оперативного решения задач управления и целевого применения КА;

— реализация на основе современных технических решений гибкой архитектуры комплекса;

— использование современных технологий технической эксплуатации средств комплекса;

— сокращение численности обслуживающего персонала.

Литература

1. Макаренко Д.М., Потюпкин АЮ. Современное состояние и перспективы развития космических систем. — М.: ВА РВСН, 2005. — 179 с.

2. Кравец ВГ Автоматизированные системы управления космическими аппаратами.- М.: Машиностроение, 1995. — 194 с.

3. Соловьев В.А, Лысенко Л.Н, Любинский В.Е. Управление космическими полетами. — М.: МГТУ имени Н.Э. Баумана. — Ч.1.- 2009. — 476 с.; ч.2. 2010. — 426 с.

4. Богинский Л.П., Половников В.И. Командно-измерительные системы иностранных государств. — СПб., ВКА имени А.Ф. Можайского, 2010. — 63 с.

5. Молотов Е.П. Наземные радиотехнические системы управления космическими аппаратами. — М.: Физмалит, 2004. — 256 с.

6. Лебедев А. А., Нестеренко О.П. Космические системы наблюдения. Синтез и моделирование. — М.: Машиностроение, 1991. — 224 с.

Features a fully integrated ground-based structure of the automated control system of the spacecraft

Ttavkin V.V., tr-75@yandeks.ru,

Rybochkin Y.N., Senior lecturer in space radio systems Military Space Academy. A.F. Mozhaysky, Ph.D., ryun-73@mail.ru, St. Petersburg, Russia Abstract

Application RES when performing their tasks carried out in cosmic systems in conjunction with other means of initiating and managing SC. Space system includes one or more space complexes and special complex. Space complex is a set of interrelated orbital and ground hardware designed for independent problem solving in and from space. The structure of space complex in the general case are: the orbital constellation of spacecraft, rocket and space complex, ground control and a set of tools and post-planting maintenance. Special package provides a set of interrelated orbital and ground-based facilities for receiving, processing, storing special (space) information from the spacecraft, and the issuance of its consumers. Ground facilities, placed on separate command-measuring complexes, the individual measuring points and testing center and prepare the ground grouping. Geographical location developed with a view to ensuring the requirements for efficiency, globality and reliability of spacecraft control during their passage in the areas of land LOS RES, as well as the required accuracy of determining the parameters of their orbits.

Keywords: electronic systems, major test Space Center, a separate command and test system, separate measuring station, automated control systems.

References

1. Makarenko D.M., Potyupkin AY. Current state and prospects of development of space systems. Moscow, 2005. 179 p.

2. Kravets V.G. Automated control of space apparatami. Moscow, 1995. 194 p.

3. Soloviev VA., Lysenko L.N., Lubinsky VE. Mission Control. Moscow, P1. 2009. 476 p., P2. 2010. 426 p.

4. Boginsky L.P., Polovnikov V.I. Command-measuring systems of foreign countries. St. Petersburg., 2010. 63 p.

5. Molotov E.P Terrestrial radio systems spacecraft control. Moscow, 2004. 256 p.

6. Lebedev AA, Nesterenko O.P. Space surveillance system. Synthesis and simulation. Moscow, 1991. 224 p.