CC BY
22УДК 629.78
построение наземного комплекса управления пилотируемыми космическими аппаратами на базе универсальной наземной станции командно-измерительной системы
© дедков Л.н., жодзишский А.и., Моисеев С.Г., никишин Г.С., 2023
АО «Российские космические системы» (РКС) ул. Авиамоторная, 53, г. Москва, Российская Федерация, 111250, e-mail: contact@spacecorp.ru
В статье рассматривается применение наземного комплекса управления перспективными пилотируемыми космическими аппаратами (НКУ ПКА), включая Российскую орбитальную станцию и пилотируемый транспортный корабль, при выведении и функционировании их на околоземных и окололунных орбитах. Для непосредственного и ретрансляционного контроля ПКА и управления их полётом предлагается использовать универсальную наземную станцию командно-измерительной системы (УНС КИС) с программно определяемой структурой сигнала. С помощью имитационного моделирования оптимизирована схема размещения УНС КИС при запуске ПКА с космодрома Восточный на разные орбиты. В статье также сформулированы научно-технические проблемы создания НКУ ПКА.
Ключевые слова: Российская орбитальная станция, пилотируемый транспортный корабль, наземный комплекс управления пилотируемыми космическими аппаратами, универсальная наземная станция командно-измерительной системы.
constructing ground control system FOR manned spacecraft BASED on multi-purpose ground station
OF THE COMMAND AND MEASuREMENT SYSTEM Dedkov L.N., Zhodzishskiy A.I., Moiseev S.G., Nikishin G.S.
Joint Stock Company «Russian Space Systems» (JSC «RSS») 53 Aviamotornaya St., Moscow, Russian Federation, 111250, e-mail: contact@spacecorp.ru
The paper discusses the Ground Control System for future Manned Spacecraft (MSC GCS), including the Russian Orbital Station and the crew transportation spacecraft, during ascent to orbit and operations in low-Earth and circumlunar orbits. To monitor and control the MSC flight, both directly and through repeaters, it is proposed to use the Multi-purpose Ground Station of the Command and Measurement System (CMS MGS) with software-defined signal structure. Using simulation modeling, optimized siting is provided for CMS MGS during launches of MSC to various orbits from the Vostochny launch site. The paper formulates scientific and engineering problems in MSC GCS development.
EDN: WRDKCX
Key words: Russian Orbital Station, crew transportation spacecraft, ground control system for manned spacecraft, multi-purpose ground station of the command and measuring system.
ДЕДКОВ Л.Н.
ЖОДЗИШСКИЙ А.и.
МОИСЕЕВ С.Г.
НИКИШИН Г.С.
ДЕДКОВ Леонид Николаевич — начальник отдела РКС, e-mail: dedkov.ln@spacecorp.ru DEDKOV Leonid Nikolaevich — Head of Department at JSC «RSS», e-mail: dedkov.ln@spacecorp.ru
ЖОДЗИШСКИЙ Александр Исаакович — доктор технических наук, советник директора проектов РКС, e-mail: contact@spacecorp.ru ZHODZISHSKIY Aleksandr Isaakovich — Doctor of Science (Engineering), Adviser to director of JSC «RSS» projects, e-mail: contact@spacecorp.ru
МОИСЕЕВ Сергей Геннадьевич — аспирант, ведущий инженер-исследователь РКС, e-mail: moiseev.sg@spacecorp.ru
MOISEEV Sergey Gennadievich — Postgraduate, Lead research engineer at JSC «RSS», e-mail: moiseev.sg@spacecorp.ru
НИКИШИН Григорий Сергеевич — начальник отделения РКС, e-mail: nikishin.gs@spacecorp.ru NIKISHIN Grigory Sergeevich — Head of Division at JSC «RSS», e-mail: nikishin.gs@spacecorp.ru
Введение
Федеральной космической программой [1] и техническими заданиями [2, 3] предусматривается создание следующих перспективных пилотируемых космических аппаратов (ПКА) и объектов лунной инфраструктуры:
• Российской орбитальной станции (РОС);
• пилотируемого транспортного корабля (ПТК) нового поколения и его модификаций;
• лунного взлётно-посадочного корабля и его модификаций;
• лунного грузового посадочного корабля;
• обитаемой лунной станции.
Управление и информационное
взаимодействие с указанными ПКА и находящимися на них экипажами
целесообразно обеспечивать с помощью наземного комплекса управления, создаваемого на базе универсальной наземной станции командно-измерительной системы (УНС КИС).
В отличие от наземных комплексов управления (НКУ) автоматическими космическими аппаратами (КА), которые предназначены для управления КА после отделения их от ракет-носителей (РН) или разгонных блоков [4], НКУ ПКА должен обеспечивать контроль ПКА и управление его полётом, начиная от нахождения ПКА на стартовой позиции, при запуске, функционировании на орбите назначения и до возвращения на Землю. С учётом лунных миссий, НКУ должен обеспечивать взаимодействие с ПКА, находящимися на расстоянии от Земли от 0 до ~500 тыс. км.
основные требования к нку ПкА
НКУ ПКА должен строиться по многопунктной схеме [5] и обеспечивать контроль КА и управление его полётом на следующих участках:
• на стартовом комплексе;
• на траектории выведения на орбиту;
• при полёте на околоземных орбитах;
• при перелёте к Луне;
• при полёте на окололунных орбитах;
• при посадке на поверхность Луны и работе на Луне;
• при возвращении и посадке на Землю.
Состав изделия и взаимосвязь его
составных частей определяется схемой деления — конструкторским документом, разрабатываемым на начальной стадии опытно-конструкторской работы [6]. При разработке схемы деления НКУ любого КА необходимо учитывать, что для решения целевых задач космической системы создаётся наземный специальный комплекс, с которым НКУ должен взаимодействовать.
В состав НКУ ПКА целесообразно включить:
• центры управления полётом (ЦУП) конкретных КА;
• наземные станции (НС) командно-измерительных систем, которые осуществляют связь с бортовой аппаратурой (БА) КИС непосредственно или через спутники-ретрансляторы (СР);
• отдельные наземные станции приёма телеметрической информации (ТМИ), телевидения и голосового обмена с экипажем, обеспечивающие для некоторых ПКА дублирование отдельных функций КИС;
• систему связи и передачи данных, объединяющую ЦУПы и наземные станции, входящие в НКУ ПКА, а также используемую для взаимодействия с внешними абонентами.
В целях координации обслуживания и применения средств общего пользования из состава наземного автоматизированного комплекса управления космическими аппаратами научного и социально-экономического назначения (НАКУ КА НСЭН) и измерений в состав НКУ предписано включить в качестве заимствуемых изделий [7]:
• центр ситуационного анализа, координации и планирования;
• центр координации, эксплуатации и развития.
В процессе работы НКУ должен взаимодействовать со следующими внешними комплексами и системами (абонентами):
• наземным специальным комплексом;
• средствами космодрома запуска;
• комплексом средств измерений, сбора и обработки информации ракетно-космического комплекса [4], формируемым для обеспечения вывода конкретных ПКА;
• поисково-спасательным комплексом;
• центром управления ретрансляцией и связью привлекаемых СР;
• центром контроля космического пространства.
Для отработки технологии управления КА и анализа нештатных ситуаций, возникающих при полёте, на предприятиях-разработчиках КА создаются стенды главных конструкторов, которые могут использоваться в качестве резервных ЦУП. Включение стендов главных конструкторов в состав НКУ ПКА или в перечень взаимодействующих с НКУ систем является организационно-финансовым вопросом.
Возлагаемые на НКУ ПКА задачи можно разделить на типовые, характерные для НКУ любых КА, и специфические.
К типовым задачам НКУ ПКА относятся:
• командно-программное обеспечение;
• навигационно-баллистическое обеспечение;
• информационно-телеметрическое обеспечение;
• сверка, фазирование и коррекция бортовой и наземной шкал времени с привязкой их к системе единого времени (временное обеспечение);
• взаимодействие с внешними абонентами НКУ.
Специфические задачи НКУ ПКА, по сравнению с НКУ автоматическими КА, связаны с наличием экипажа на космических объектах и необходимостью поддержания с ним связи. К ним относятся:
• дуплексная телефонная связь;
• телевидение;
• обеспечение выдачи на борт команды «Авария» на стартовой позиции и на активном участке траектории.
К НКУ ПКА предъявляют повышенные требования по глобальности, непрерывности и надёжности. Для их обеспечения на околоземных участках полёта применяют два контура управления:
• спутниковый контур с использованием СР [8] на базе многофункциональной космической системы ретрансляции (МКСР) «Луч» [9, 10];
• контур непосредственного управления через НС КИС.
При этом спутниковый контур, как более глобальный, является основным.
Так как нужно минимизировать БА, целесообразно использовать общие антенны и приёмо-передающие устройства для обмена разными видами информации между КА и Землёй. Это достигается совмещением управляющей, телефонной, телевизионной и специальной информации в единой радиолинии, что особенно важно при выполнении лунных миссий и работе через СР. При этом требуемая информативность ответной радиолинии оказывается существенно выше, чем у запросной радиолинии.
краткая характеристика составных частей нку ПкА
Центр управления полётом всегда является системообразующим элементом любого НКУ. Центр управления полётом ПКА предназначен для обеспечения управления этим КА на всех участках его полёта как по штатной программе, так и при нештатных ситуациях, и обеспечивает решение следующих задач:
• сбор информации, необходимой для обеспечения управления полётом данного КА;
• планирование сеансов связи с КА и управления его полётом;
• формирование командно-программной информации (КПИ), предназначенной для передачи на КА;
• анализ принятых с борта квитанций на переданную КПИ;
• обработка, анализ, отображение и архивирование принятой ТМИ;
• определение параметров движения КА по результатам измерения текущих навигационных параметров, полученных на НС КИС, и данным от бортовой навигационной аппаратуры потребителя глобальных навигационных спутниковых систем, переданных в составе ТМИ (задачи первичной баллистики);
• расчёт параметров манёвров КА и целеуказаний (начальных условий)
для наведения антенн (задачи вторичной баллистики);
• телевизионная и голосовая связь, файловый обмен с экипажем через средства НКУ;
• привязка всей информации (ТМИ, КПИ и т. п.) к единому времени;
• дистанционный контроль работы входящих в состав НКУ наземных станций КИС и управление ими;
• приём, обработка, отображение и архивирование информации функционального контроля систем ЦУП и НКУ в целом;
• обеспечение взаимодействия с внешними системами и абонентами;
• моделирование и отображение оперативной информации о проводимых полётных операциях, выполнении программы полёта, состоянии бортовых систем.
Отметим, что под КПИ понимаются передаваемые на КА сообщения, содержащие цифровые коды разовых команд (РК) и/или массивы цифровой информации (ЦИ). Разовая команда это команда немедленного исполнения, на прохождение которой, как правило, выдаётся отдельная квитанция. По назначению РК делятся на:
• функциональные — РК для бортового комплекса управления и целевой аппаратуры;
• служебные — РК для управления БА КИС;
• особые — служебные РК на выполнение специфических операций, например, включение передатчика БА КИС.
Массивы ЦИ — это совокупность цифровых сообщений, передаваемых без ожидания отдельных квитанций на каждое из них. По назначению массивы ЦИ делятся на временные программы (функциональная команда плюс время её исполнения), данные для бортовой цифровой вычислительной машины и т. п.
Основными средствами взаимодействия КА с Землей являются КИС. Предлагается создавать НКУ ПКА на базе универсальных наземных станций КИС нового поколения [11]. При непосредственном управлении ПКА УНС КИС должны работать в 5- и X-диапазонах частот, а при ретрансляционном управлении — в Ки-диапазоне, который используется в магистральной радиолинии СР типа «Луч».
На рис. 1 представлена структурная схема УНС КИС, состоящей из антенной системы, высокочастотной части и базового аппаратно-программного комплекса. Антенная система и высокочастотная часть обеспечивают приём и передачу радиосигналов на частотах, которые используются в радиолиниях.
В разных типах БА КИС применяются разные протоколы и разные по структуре сигналы. Модуль цифровой обработки сигналов совместно с персональной электронно-вычислительной машиной формирует структуру излучаемого сигнала и обрабатывает принимаемый сигнал. Это позволяет программным способом адаптировать станцию под любой протокол и структуру сигналов, применяемых в БА КИС. При этом протокол обмена с БА КИС может быть реализован как в УНС КИС, так и в ЦУП при работе через УНС КИС в транзитном режиме.
Аппаратуру УНС КИС можно размещать как в стационарных сооружениях,
так и в контейнерах. Размещение в контейнерах позволяет отказаться от капитального строительства, облегчает перебазирование УНС КИС, что даёт гибкость в выборе места её установки под конкретные задачи НКУ. УНС КИС рассчитана на работу без операторов при дистанционном контроле и управлении из ЦУП.
Энергетический расчёт радиолиний показал, что антенны 07,3 м, которые в сложенном виде помещаются внутри контейнера, обеспечивают связь с перспективными ПКА с требуемой информативностью во всех случаях, за исключением случая нахождения КА около Луны, о котором будет сказано далее.
Предлагаемая структура перспективного нку ПкА
Первоочередной задачей проектирования НКУ является выбор мест размещения УНС КИС. В перспективе запуск ПКА планируется осуществлять с космодрома Восточный [12]. При этом в качестве основных рассматриваются две трассы запуска:
• на орбиту Международной космической станции (МКС) с наклонением около 51,7°;
• на полярную орбиту РОС с наклонением ~97°.
Расчёт зон радиовидимости ПКА с наземных станций и СР проводится методом имитационного моделирования по исходным баллистическим данным полёта этих КА. Вначале рассмотрим размещение УНС КИС для непосредственного управления ПКА.
На рис. 2 представлено размещение УНС КИС для запуска ПТК с космодрома Восточный на околоземные орбиты с наклонением 51,7° [13] (маневрирование и стыковка с МКС) и зоны радиовидимости трасс МКС [14]
Рис. 1. Структурная схема универсальной наземной станции командно -измерительной системы: АС — антенная система; ВЧ — высокочастотная часть; МЦОС — модуль цифровой обработки сигналов; ПЭВМ — (средняя высота орбиты персональная электронно-вычислительная машина; МЭ — межсетевой экран; 415 км; минимальный угол
ССПД — система связи и передачи данных; СЧВ — стандарт частоты и времени; ГО — генератор опорной частоты; НАП — навигационная аппаратура потребителя. АПК-Б — базовый аппаратно-программный комплекс (рисунок создан авторами)
наблюдения наземными станциями - 7°).
Представленная конфигурация НКУ обеспечивает видимость 10 из 15 (16) суточных витков ПТК и МКС, при этом минимальная длительность сеанса составляет не менее 7 мин, максимальная — ~22,5 мин, средняя — ~14,5 мин. Суммарная видимость ПТК наземными пунктами в сутки ~2,5 ч. Кроме того, УНС КИС в контейнерном исполнении, размещаемые на космодроме Восточный (г. Циолковский) и по трассе запуска (п. Поронайск и п. Северо-Курильск), обеспечивают выдачу команды «Авария» на стартовом комплексе и активном участке траектории до отделения ПТК от третьей ступени ракеты-носителя.
На рис. 3 представлено размещение минимального количества УНС КИС для запуска ПТК с космодрома Восточный к РОС на полярную орбиту с наклонением 96,8° и зоны радиовидимости
трасс РОС [12, 15] (средняя высота орбиты — 372 км, минимальный угол наблюдения наземными станциями — 7°). Размещаемые по трассе запуска (п. Алдан и г. Тикси) контейнерные УНС КИС способны выдавать команду «Авария» на активном участке рассматриваемой траектории полёта ПТК.
Представленная конфигурация НКУ обеспечивает видимость 14 из 16 суточных витков РОС. Минимальная длительность сеанса составляет несколько десятков секунд, максимальная — не более 12 мин, средняя — не более 7 мин. Суммарное время наблюдения РОС за сутки — ~2 ч 11 мин. Полученные показатели несколько хуже, чем для рассмотренной конфигурации НКУ ПКА на орбитах с наклонением 51,7°. Это обусловлено особенностью полярных орбит, когда КА пролетает не последовательно через зоны радиовидимости нескольких пунктов на территории России, как в случае с МКС, а только через одну-две зоны, а также меньшей высотой орбиты РОС. Для управления КА на полярных орбитах размещение УНС КИС в высокоширотных областях обладает существенными преимуществами. Так из пункта «Тикси» наблюдается 10 из 16 суточных витков РОС, в то время как
Рис. 2. Зоны радиовидимости трасс пилотируемого транспортного корабля из пунктов «Калинин-
(ПТК) при его запуске к Международной космической станции при непосредственном управлении с пунктов наземного комплекса управления пилотируемым транспортным аппаратом (рисунок создан авторами)
Рис. 3. Зоны радиовидимости полярньх трасс пилотируемого транспортного корабля (ПТК) при его запуске к Российской орбитальной станции при непосредственном управлении с пунктов наземного комплекса управления пилотируемым транспортным аппаратом (рисунок создан авторами)
град», «Миасс», «Желез-ногорск», «Циолковский» — только по четыре. Поэтому предлагается размещать наземные станции в двух широтных поясах: высоко- и среднеширотном. Пример такой конфигурации НКУ представлен на рис. 4. При приведённом размещении обеспечивается видимость всех 16 суточных витков РОС. Минимальная длительность сеанса связи составляет около двух минут, максимальная — ~22 мин, средняя--10 мин.
Красным цветом выделены активные участки траектории, а красными стрелками отмечены приращения скорости ПТК на активных участках.
Запуск ПТК к Луне планируется осуществлять по полярной траектории с переходом на промежуточную высокоэллиптическую орбиту (ВЭО). При этом на начальном этапе управление полётом и контроль ПТК могут осуществляться по той же схеме, что и при его запуске к РОС: на активном участке траектории — наземными станциями, далее — спутниковым контуром (наземный — резервный). На ВЭО ПТК выходит за пределы видимости СР, поскольку апогей ВЭО (ра ВЭО) гораздо выше апогея геостационарной орбиты (ра ГСО). Соответственно, управление и контроль могут осуществляться только непосредственно через наземные станции КИС.
Суммарная видимость РОС за сутки средствами НКУ ПКА при непосредственном управлении — более 3 ч 20 мин.
Размещение наземных станций для ретрансляционного управления зависит от точек стояния привлекаемых СР. В настоящее время три СР орбитальной группировки МКСР «Луч» [8] находятся на геостационарной орбите в точках стояния 16° з. д., 94,7° в. д. и 167° в. д. Ретрансляционное управление через них осуществляется с помощью работающих в Ки-диапазоне наземных станций ретрансляции (НСР) «Клён-Р», расположенных на пунктах в Королёве, Железногорске и Циолковском (на космодроме Восточный). Планируется запуск четвёртого СР в точку стояния 160° з. д., ретрансляционное управление через который будет проводиться с пункта в районе п. Поро-найск (о. Сахалин).
Отметим, что перспективным является запуск на высокоэллиптические орбиты СР типа «Арктика» [16] в целях повышения устойчивости управления ПТК и РОС и оперативной передачи от них специальной высокоскоростной информации.
При построении НКУ для обеспечения пилотируемых полётов к Луне [15, 17] и на окололунных орбитах необходимо учитывать плоскость вращения Лу ны не совпадает с плоскостью экватора Земли. В течение полумесяца Луна находится выше плоскости экватора, а вторую половину — ниже её. При этом наклонение орбиты Луны изменяется в пределах ±28,6°. В результате, чем ближе НС КИС размещена к экватору, тем эффективнее она будет использовать-
тг л Рис. 5. Схема запуска пилотируемого транспортного корабля на лунную полярную
ся для управления КА
длл ^ ^и^пвлшил орбиту: ра ГСО « 42 000 км — апогей геостационарной орбиты; ра ВЭО « 68 000 км — апогей
при полётах около Луны. промежуточной высокоэллиптической орбиты; приращения скорости при манёврах:
ДУ1 — при переходе на полярную опорную околоземную орбиту; АУ2 — при переходе на полярную высокоэллиптическую околоземную орбиту; ДУ.3 — при переходе на ^ отлётную орбиту к Луне; ДУ4 и ДУ5 — при коррекции наклонения отлётной орбиты;
лунную полярную орбиту ДУ6 — при переходе на эллиптическую лунную полярную орбиту; ДУ7 — при переходе с космодрома Восточный. на круговую лунную полярную орбиту (рисунок создан авторами)
Рис. 4. Зоны радиовидимости полярных трасс Российской орбитальной что станции (РОС) при непосредственном управлении с пунктов наземного комплекса управления, находящихся в двух широтных поясах (рисунок создан авторами)
На рис. 5 представлена схема полёта ПТК на
При подлёте к Луне предусматривается коррекция наклонения орбиты ПТК с выдачей тормозных импульсов и переводом его сначала на эллиптическую лунную полярную орбиту, а затем — на круговую лунную полярную орбиту. Плоскость лунных орбит перпендикулярна оси «Земля-Луна». Таким образом, на начальном этапе окололунного полёта ПТК всегда будет находиться в зоне видимости Земли, не заходя за диск Луны.
Размещение УНС КИС в южной части Западного полушария могло бы существенно улучшить баллистическое обеспечение полётов ПКА при реализации лунных миссий. Особенно востребованным оно является для контроля ПТК при полёте к Луне и возвращении с орбиты Луны на Землю. Для этого желательно было бы разместить контейнерные модификации УНС КИС на пункте «Серро-эль-Робле» (научная обсерватория «Серро-эль-Робле», Чили) и/или на мобильном командно-измерительном пункте морского базирования в Тихом океане у берегов Чили. В случае невозможности размещения УНС КИС на территории стран Южной Америки, в качестве альтернативы целесообразно рассмотреть размещение УНС КИС на российской антарктической станции «Беллинсгаузен» (о. Кинг-Джордж в архипелаге Южных Шетландских островов, приблизительно в 900 км на юго-восток от южной оконечности Южной Америки). Этот пункт находится далеко от экватора, однако он обеспечивает перекрытие зоны невидимости окололунных объектов над Тихим океаном от 15° с. ш. до 28,6° ю. ш. (рис. 6).
Как видно на рис. 6, начало отлётной траектории от Луны можно контролировать только техническими средствами, расположенными в южной части Западного полушария. Кроме того, как показывают расчёты, пункт на станции
Рис. 6. Проекция на земную поверхность трасс полёта пилотируемого транспортного корабля при возвращении с Луны: 1 — начало отлётной траектории от Луны; 2 — первые сутки полёта; 3 — вторые сутки полёта; 4 — третьи сутки полёта; 5 — четвёртые сутки полёта; 6 — первый вход в атмосферу Земли; МКИП МБ — мобильный командно-измерительный пункт морского базирования (рисунок создан авторами)
«Беллинсгаузен» обеспечивает видимость при полёте ПТК по ВЭО на этапе запуска к Луне на час больше по сравнению с пунктом «Серро-эль-Робле» или мобильным контрольно-измерительным пунктом морского базирования.
научно-технические проблемы создания и развития нку ПкА
Остановимся на научно-технических проблемах, которые возникают при реализации приведённых предложений по созданию НКУ ПКА.
Первая проблема — обеспечение работы НКУ ПКА с БА КИС ПТК в двух режимах: непосредственно с УНС КИС и в ретрансляционном режиме через СР. На ПТК и РОС предусматривается установка БА КИС, часто называемой бортовым радиотехническим комплексом, в радиолиниях которой используется единый цифровой поток (ЕЦП), объединяющий различные виды информации как при непосредственной связи с НС КИС, так и при ретрансляционном управлении через СР типа «Луч». Представляется целесообразным в ЦУП
формировать ЕЦП для запросных радиолиний и разделять информацию ЕЦП в ответных радиолиниях. Формирование ЕЦП включает временное уплотнение различных видов информации с требуемой защитой. При этом в НС КИС необходимо будет осуществлять преобразование несущей частоты, модуляцию (демодуляцию) и кодирование (декодирование) низкочастотных сигналов ЕЦП.
Для обеспечения ретрансляционного управления ПКА экономически выгодно модернизировать существующие НСР КИС «Клён-Р» в части работы с новыми сигналами и сопряжения с ЦУП. Выбор конкретной реализации протоколов взаимодействия ЦУП с БА КИС, а также с УНС КИС и с модернизированной НСР КИС «Клён-Р» является первоочередной задачей дальнейшего проектирования НКУ ПКА.
Вторая проблема — повышение эффективности использования СР в контуре управления ПКА на разных этапах их полёта:
• обеспечение многостанционного доступа к СР при полёте ПКА по околоземной орбите;
• обеспечение управления ПКА через СР на начальных этапах полёта к Луне и при возвращении на Землю.
Третья проблема — устойчивая работа с ПТК, потерявшим ориентацию на окололунной орбите. В данном случае энергетический потенциал ответной радиолинии с использованием антенны с диаметром зеркала 7,3 м, размещаемой в контейнере УНС КИС, может оказаться недостаточным. Поэтому нужно проработать следующие варианты:
• возможность подключения аппаратного контейнера УНС КИС к большим антеннам типа П-2500 в командно-измерительных пунктах (КИП) «Евпатория» и «Уссурийск» либо ТНА-1500 в пунктах «Медвежьи Озёра» и «Калязин»;
• возможность сложения принимаемых сигналов с нескольких УНС КИС [18].
Четвёртая проблема — нарушение связи с ПТК на активном участке траектории выведения его РН в результате интерференции сигналов, принимаемых БА КИС. Это происходит из-за того, что по мере удаления РН от места старта луч диаграммы направленности антенны УНС КИС направлен в хвостовую часть РН по направлению движения.
Сигнал от наземной станции поступает одновременно на две бортовые все-направленные антенны. В результате сложения двух когерентных сигналов возможно нарушение связи и, как следствие, непрохождение команды «Авария». Проблема может быть решена выбором надлежащего места установки контейнерной модификации УНС КИС в районе космодрома и по трассе движения РН. Например, при запуске ПТК к МКС возможно установить УНС КИС на трассовом КИП «Приморье» (г. Советская Гавань), а при запуске ПТК к РОС — на трассовом КИП «Алдан» (г. Алдан). Радикальным решением проблемы нарушения связи из-за интерференции принимаемых радиосигналов является установка на выходе каждой из бортовых антенн собственного приёмника, что требует дополнительной проработки.
Пятая проблема — внедрение сквозного абонентского закрытия передаваемой КПИ и ТМИ по трактам «ЦУП-КА» и «КА-ЦУП». Средства защиты информации, входящие в состав ССПД, защищают только линии связи. Информация в каналах «Земля-борт», «борт-Земля» остается незащищённой. Соответственно, для канала «Земля-борт» необходимо организовать шифрование информации в ЦУП и дешифровку на борту КА, а для канала «борт-Земля» — шифрование на борту и дешифровку в ЦУП. Данная практика широко применяется в зарубежной космонавтике. В стандарте ССБОБ [19] даны рекомендации по обеспечению защиты управляющей информации (КПИ и ТМИ) в сквозных трактах «ЦУП-КА» и «КА-ЦУП». Данный вопрос также требует отдельной проработки.
Шестая проблема — разработка методики оценки устойчивости НКУ при управлении ПКА. Основным показателем качества НКУ КА является вероятность выполнения технологического цикла управления закреплённой за НКУ группировкой КА при исправной бортовой аппаратуре. В частности, показателем может быть вероятность успешного проведения заданного количества сеансов связи. При учёте различных дестабилизирующих факторов указанная вероятность оценивает устойчивость НКУ. Устойчивость зависит как от надёжности НКУ, определяемой коэффициентом
его готовности (временем безотказной работы входящих в НКУ средств, временем их восстановления и схемой резервирования), так и от размещения наземной станции КИС, погодных условий и т. д.
Для оценки требований к реализации технологического цикла управления ПКА нужна новая методика, в которой НКУ рассматривается как территориально распределённая система с ограниченными зонами видимости, с учётом регламента технического обслуживания средств и погодных условий. Методика должна основываться на имитационном моделировании движения ПКА относительно НС КИС и СР для различных участков их полёта.
Выводы
1. Предлагаемый НКУ ПКА способен обеспечивать управление перспективными ПКА и их контроль при нахождении ПКА на стартовом комплексе, участках выведения, околоземных и окололунных орбитах и при возвращении на Землю.
2. Существует ряд научно-технических проблем, требующих дополнительной проработки:
• обеспечение возможности работы НКУ с БА КИС ПТК в двух режимах: непосредственно с УНС КИС и в ретрансляционном режиме через модернизированную НСР КИС «Клён-Р»;
• повышение эффективности использования спутников-ретрансляторов в контуре управления ПКА на разных этапах их полёта;
• обеспечение устойчивой связи с ПКА на окололунной орбите в неориентированном режиме полёта;
• пропадание сигнала в БА в результате интерференции на активном участке траектории при выведении ПКА на орбиту;
• внедрение абонентского закрытия информации, передаваемой по трактам «ЦУП-КА» и «КА-ЦУП»;
• разработка методики оценки устойчивости НКУ с территориально разнесёнными НС КИС при управлении ПКА.
Список литературы
1. Основные положения Федеральной космической программы 2016-2025. Госкорпорация «Роскосмос»: сайт. Режим
доступа: https://www.roskosmos.ru/22347/ (дата обращения: 10.10.2022).
2. Техническое задание 4000/22 на опытно-конструкторскую работу «Создание космического комплекса российской орбитальной станции. Работы в части разработки эскизного проекта космического комплекса российской орбитальной станции». Шифр ОКР: «РОС» // Единая информационная система в сфере закупок: сайт. Режим доступа: https://zakupki.gov.ru/epz/contract/ contractCard/document-info.html?reestrNumb er=4770238802722000004&contractInfoId= 72929219 (дата обращения: 10.10.2022).
3. Техническое задание 0313Б/22 на научно-исследовательскую работу «Прикладные исследования проблемных вопросов реализации пилотируемых полётов на Луну, создания ключевых элементов и технологий, в том числе медико-биологического направления, обеспечивающих безопасное пребывание и работу космонавтов на окололунной орбите и на поверхности Луны в части работ 2022-2025 годов». Шифр НИР: «Пастораль» (2) // Единая информационная система в сфере закупок: сайт. Режим доступа: https://zakupki.gov.ru/epz/ order/notice/ok504/view/documents.html?reg Number=0995000000221000062 (дата обращения: 10.10.2022).
4. ГОСТ Р 53802-2010. Системы и комплексы космические. Термины и определения. М.: Стандартинформ, 2011. 28 с.
5. Молотов Е.П. Наземные радиотехнические системы управления космическими аппаратами. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. 256 с.
6. ГОСТ Р 2.711-2019. Единая система конструкторской документации. Схема деления изделия на составные части. М.: Стандартинформ, 2019. 10 с.
7. Приказ Федерального космического агентства (Роскосмос) от 14.12.2009 № 195 «О наземном автоматизированном комплексе управления космическими аппаратами научного и социально-экономического назначения и измерений (первая очередь)». М.: Роскосмос, 2009.
8. Кисляков М.Ю., Логачёв Н.С., Петушков А.М. Системно-технические аспекты развития НАКУ КА НСЭН и измерений до 2025 года // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. 2016. Т. 3. Вып. 1. С. 62-71. EDN: VOCFPH
9. МКСР «Луч» // АО «Спутниковая система «Гонец»: сайт. Режим доступа: https://gonets.ru/rus/uslugi/sistema-retranslyacii-luch/ (дата обращения 10.10.2022).
10. Проекты. Ретрансляция // АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва»: сайт. Режим доступа: https://www.iss-reshetnev.ru/ projects (дата обращения 10.10.2022).
11. Жодзишский А.И., Круглов А.В., Нагорных Д.Н. Проблемы и направления развития отечественных наземных станций командно-измерительных систем космических аппаратов // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. 2021. Т. 8. Вып. 3. С. 81-88. Режим доступа: https://doi.org/ 10.30894/issn2409-0239.2021.8.3.81.88 (дата обращения 10.10.2022).
12. Заглядывая вперед: доклад на «Королёвских чтениях» генерального конструктора ПАО «РКК «Энергия» Соловьёва В.А. // Русский космос. 2022. № 2(36). С. 52-55. Режим доступа: https://www.roscosmos.ru/media/pdf/ russianspace/rk2022--02-single.pdf (дата обращения 10.10.2022).
13. Интервью Игоря Хамица // ПАО «РКК «Энергия»: сайт. Режим доступа: https://www.energia.ru/ru/news/news-2020/ news_06-23.html (дата обращения 10.10.2022).
14. Международная космическая станция // Госкорпорация «Роскосмос»: сайт. Режим доступа: https://www.roscosmos.ru/ 202/ (дата обращения 10.10.2022).
15. К высоким широтам: интервью генерального конструктора ПАО «РКК «Энергия» Соловьёва В.А. // Русский космос. 2022. № 8(42). С. 6-15. Режим доступа: https://www.roscosmos.ru/media/pdf/ russianspace/rk2022-08-single.pdf (дата обращения 10.10.2022).
16. Гектин Ю.М., Смелянский М.Б., Сулиманов Н.А., Коляда В.С., Бадаев К.В., Зайцев А.А., Андреев Р.В. Первые результаты работы аппаратуры МСУ-ГС/ВЭ на КА «Арктика-М» № 1 // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. 2022. Т. 9. Вып. 1. С. 30-41. Режим доступа: https://doi.org/ 10.30894/issn2409-0239.2022.9. 1.30.41 (дата обращения 10.10.2022).
17. Зелёный Л.М., Петрукович А.А., Митрофанов И.Г., Третьяков В.И., Лит-вак М.Л., Колмыков В.А., Ширшаков А.Е., Казмерчук П.В., Шаханов А.Е., Седых О.Ю. Седьмой континент. Возвращение на Луну // Русский космос. 2022. № 7(41). С. 22-25. Режим доступа: https://www. roscosmos .ru/media/pdf/russianspace/ rk2022-07-single.pdf (дата обращения 10.10.2022).
18. Ватутин С.И. Синхронное сложение сигналов антенн со сдвигом импульсов дискретизации в идеализированном режиме сопровождения космического аппарата по целеуказаниям // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. 2020. Т. 7. Вып. 4. С. 22-37. Режим доступа: https://doi.org/ 10.30894/issn2409-0239.2020.7.4.22.37 (дата обращения 10.10.2022).
19. Space data link security protocol. Recommended standard, Issue 2. CCSDS 355.0-B-2. Blue book // Consultative Committee for Space Data Systems. CCSDS Secretariat National Aeronautics and Space Administration. Washington, DC, USA. July 2022.
Статья поступила в редакцию 16.12.2022 г. Окончательный вариант — 22.12.2022 г.
References
1. Osnovnye polozheniya Federal'noi kosmicheskoi programmy 2016-2025 [Basic concepts of Federal Space Program for 2016-2025]. On: State Corporation ROSKOSMOS: web site. Available from: https://www.roskosmos.ru/22347/ (accessed 10.10.2022).
2. Statement of Work 4000/22 for R&D project "Developing the Space Complex of the Russian Orbital Station. Work to develop a conceptual design for the space complex of the Russian Orbital Station". Development project code: ROS. On: Unified information system for procurement: web site. Available from: https://zaku pki.gov.ru/epz/contract/contractCard/document-info.html?reestrNumber=477023880 2722000004&contractInfoId=72929219 (accessed 10.10.2022) (in Russian).
3. Statement of Work 0313B/22 for research project "Applied research into outstanding problems of implementation of manned missions to the Moon, development of key elements and technologies, including those in the biomedical area, supporting safe stay and work of crews in circumlunar orbit and lunar surface as regards the efforts of 2022-2025". Research project code: Pastoral (2).
On: Unified information system for procurement: web site. Available from: https://zakupki.gov.ru/epz/order/ notice/ok504/view/documents.html?regNumber=0995000000221000062 (accessed 10.10.2022) (in Russian).
4. Russian State Standard. GOST RU 53802-2010. Space systems and stations. Terms and definitions. Moscow: Standartinform; 2011 (in Russian).
5. Molotov EP. Nazemnye radiotekhnicheskie sistemy upravleniya kosmicheskimi apparatami. Moscow: Fizmatlit; 2004 (in Russian).
6. Russian State Standard. GOST RU 2.711-2019. Unified system for design documentation. Diagram for dividing of product into components. Moscow: Standartinform; 2019 (in Russian).
7. Federal Space Agency (Roscosmos) Directive dated Dec. 14, 2009 No. 195 "On the ground-based computerized system for controlling spacecraft for scientific and socio-economic applications and measurements (the first phase)". Moscow: Roscosmos; 2009 (in Russian).
8. Kislyakov MYu, Logachev NS, Petushkov AM. System and technical development aspects of the ground-based automated control complex for spacecraft of scientific and socioeconomic purposes and measurements until 2025. Device Engineering and Information Systems. 2016; 3(1): 62-71. Available from: https://www.elibrary.ru/vocfph (accessed 15.12.2022) (in Russian).
9. MKSR "Luch" [Multi-functional Space Relay System Luch]. On: AO Gonets Satellite System: web site Available from: https://gonets.ru/rus/uslugi/sistema-retranslyacii-luch/ (accessed 10.10.2022) (in Russian).
10. Proekty. Retranslyatsiya [Projects. Radio relaying]. On: JSC Information Satellite Systems Reshetnev: web site. Available from: https://www.iss-reshetnev.ru/projects (accessed 10.10.2022) (in Russian).
11. Zhodzishskiy AI, Kruglov AV, Nagornykh DN. Problems and directions in development of domestic ground stations for spacecraft command and measurement systems. Rocket-Space Device Engineering and Information Systems. 2021; 8(3): 81-88. Available from: https://doi.org/10.30894/ issn2409-0239.2021.8.3.81.88 (accessed 10.10.2022) (in Russian).
12. Zaglyadyvaya vpered [Looking ahead]: presentation at the Korolev lectures by RSC Energia general designer V.A. Soloviev. Russian Space. 2022; 2(36): 52-55. Available from: https://www.roscosmos.ru/ media/pdf/russianspace/rk2022--02-single.pdf (accessed 10.10.2022) (in Russian).
13. Interview with Igor Khamits. On: S.P. KOROLEV ROCKET AND SPACE CORPORATION "ENERGIA": web site. Available from: https://www.energia.ru/en/news/news-2020/news_06-23.html (accessed 10.10.2022) (in Russian).
14. International Space Station. On: Roscosmos: web site. Available from: https://www.roscosmos.ru/202/ (accessed 10.10.2022) (in Russian).
15. K vysokim shirotam [Towards high latitudes]: interview with RSC Energia general designer V.A. Soloviev. Russian Space. 2022; 8(42): 6-15. Available from: https://www.roscosmos.ru/media/pdf/ russianspace/rk2022-08-single.pdf (accessed 10.10.2022) (in Russian).
16. Gektin YuM, Smelyanskiy MB, Sulimanov NA, Kolyada VS, Badayev KV, Zaytsev AA, Andreev RV. First results of the MSU-GS/VE operation on the Arktika-M No. 1 spacecraft. Rocket-Space Device Engineering and Information Systems. 2022; 9(1): 30-41. Available from: https://doi.org/10.30894/issn2409-0239.2022.9.1.30.41 (accessed10.10.2022) (in Russian).
17. Zelenyi LM, Petrukovich AA, Mitrofanov IG, Tretiakov VI, Litvak ML; Kolmykov VA, Shirshakov AE, Kazmerchuk PV, Shakhanov AE, Sedykh OY. Sed'moi kontinent. Vozvrashchenie na Lunu [The Seventh Continent. Return to Moon. Russian Space. 2022; 7(41): 22-25. Available from: https://www.roscosmos.ru/media/pdf/russianspace/rk2022-07-single.pdf (accessed10.10.2022) (in Russian).
18. Vatutin SI. Synchronous addition of antenna signals with a shift of sampling pulses in idealized mode of spacecraft tracking by target designations. Rocket-Space Device Engineering and Information Systems. 2020; 7(4): 22-37. Available from: https://doi.org/10.30894/ issn2409-0239.2020.7.4.22.37 (accessed 10.10.2022) (in Russian).
19. Space data link security protocol. Recommended standard, Issue 2. CCSDS 355.0-B-2. Blue book. Consultative Committee for Space Data Systems. CCSDS Secretariat National Aeronautics and Space Administration. Washington, DC, USA. July 2022.
