ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ КОСМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 621

ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ КОСМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

*

Е. Г. Баранова, А. С. Елпатов, Т. Г. Орешенко, С. В. Харлашина

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31

E-mail: Kharlashina.v@mail.ru

После запуска космического аппарата единственными средствами взаимодействия с ним являются системы слежения и связи с ним. Любые проблемы с космическим аппаратом могут быть диагностированы, исправлены или устранены только с помощью систем космической связи. Без эффективной и действенной космической связи успешные миссии были бы невозможны.

Ключевые слова: система связи, космический аппарат, данные, скорость.

PROBLEMS AND PROSPECTS FOR THE DEVELOPMENT OF SPACE

COMMUNICATION SYSTEMS

E. G. Baranova, A. S. Elpatov, T. G. Oreshenko, S. V. Kharlashina*

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: Kharlashina.v@mail.ru

After the launch of the spacecraft, the only means of interacting with it are tracking and communication systems. Any problems with the spacecraft can be diagnosed, corrected or eliminated only with the help of space communication systems. Without effective and efficient space communications, successful missions would not have been possible.

Keywords: power communication system, spacecraft, data, speed.

Требования, предъявляемые к системам космической связи, постоянно возрастают. Например, по состоянию на март 2016 года орбитальный аппарат Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) вернул более 298 терабит данных - впечатляющий результат. Вместе с тем, по оценкам НАСА, в течение следующих трех десятилетий потенциал дальней космической связи должен будет возрастать почти в 10 раз [1]. Эта тенденция идет в ногу с растущими знаниями космоса-поскольку возникают более подробные научные вопросы, способность ответить на них требует все более сложных инструментов, которые генерируют еще больше данных.

Основная проблема систем космической связи связана с огромными расстояниями, на которые помещаются космические аппараты. Два космических аппарата Voyager, например, находятся друг от друга на расстоянии более 15 миллиардов километров [2], что составляет около 100 астрономических единиц (AU; 1 AU-среднее расстояние между Землей и Солнцем). Еще одной важной задачей для систем связи в глубоком космосе является поддержание их предельной надежности и универсальности, чтобы они могли обеспечивать длительный срок службы большинства планетарных миссий. Эти проблемы должны быть решены с помощью системы связи, которая использует не более нескольких килограммов массы.

Секция «Математические методы моделирования, управления и анализа данных»

Эффективность линии связи, а именно коэффициент усиления антенны передатчика и приемника, зависит от частоты. Инженеры лаборатории реактивного движения HACA (JPL) успешно увеличили скорость передачи данных с планетарных космических аппаратов, используя более высокие радиочастоты (X-band и Ka-band). Спектральная перегруженность в радиочастотном спектре и / или потребности в производительности должны сильно мотивировать миссии к принятию оптических коммуникаций в будущем. Основные направления научных исследований и разработок в области оптических коммуникаций в JPL включают:

• дальнемагистральная оптическая связь

• разработка оптической системы бесконтактной связи

• оптические приемопередатчики in-situ

Эти технологии позволяют осуществлять потоковую передачу изображений высокой четкости и передачу данных на межпланетные расстояния [3]. Это улучшение принесет пользу планетарным и Лунным орбитальным аппаратам для связи с такими активами, как посадочные модули или марсоходы.

Оптическая связь разрабатывается в JPL для будущих космических полетов, генерирующих большие объемы данных. Лазерная связь (lasercom) могла бы удовлетворить эти потребности для будущих миссий в околоземное пространство, Солнечную систему и, возможно, межзвездные миссии. Основной мотивацией для увеличения скорости передачи телекоммуникационных данных HACA является увеличение объема научных данных, возвращаемых приборами более высокого разрешения, и подготовка к будущим полетам человека в дальний космос [4].

Ключевые проблемы, стоящие перед оптической связью в глубоком космосе, включают надежность космических лазерных передатчиков, а также отсутствие данных о сроке службы лазеров в космосе. Эффективная связь laserscom из глубокого космоса требует обнаружения чрезвычайно слабых сигналов. В светлое время суток наличие аддитивного оптического фонового шума, несмотря на использование узкополосных фильтров, создает проблему для их работоспособности. Эти проблемы могут быть преодолены с помощью методов атмосферной коррекции, которые были успешно продемонстрированы на наземных приемных апертурах метрового класса. Однако методы атмосферной коррекции пока не являются экономически эффективными для наземных приемников с апертурой 8-12 метров, необходимых для обеспечения связи в глубоком космосе. Функционирование каналов lasercom, имеющих достаточную доступность при наличии погодных условий, облачности и атмосферной изменчивости, также требует наличия экономически эффективных сетей с разнообразием объектов.

Усилия в JPL в последнее время были сосредоточены на разработке реконфигурируемого широкополосного наземного приемника (RWGR): перепрограммируемого программно-определяемого радиоприемника с переменной скоростью, предназначенного для дополнения и расширения возможностей блока V, стандартного приемника DSN. Эта работа позволит решить проблему обработки телеметрии с высокой скоростью передачи данных (1 Гбит / с и выше) и хорошо подходит для перенастройки микропрограмм и программного обеспечения. RWGR-это приемник дискретизации промежуточной частоты (IF), который работает с фиксированной частотой дискретизации входного сигнала. В отличие от других радиоприемников, которые могут обрабатывать только сигналы, которые неразрывно связаны с их внутренними часами, RWGR использует специально разработанную некоммерческую выборку для размещения скорости передачи данных, которые являются произвольными по отношению к его внутренним часам. Эта технология обеспечивает гибкость и реконфигурацию, необходимые для долгосрочной поддержки сигналов и протоколов HACA в будущих миссиях в дальнем космосе.

Библиографические ссылки

1. Связь с космосом [Электронный ресурс]. URL: https://scienceandtechnology.jpl.nasa.gov/ research/research-topics-list/communications-computing-software/deep-space-communications (дата обращения: 13.03.2020)

2 Voyager [Электронный ресурс]. URL: https://voyager.jpl.nasa.gov (дата обращения: 13.03.2020)

3. Навигация в космосе [Электронный ресурс]. URL: https://scienceandtechnology.jpl.nasa. gov (дата обращения: 15.03.2020)

4. JPL [Электронный ресурс]. URL: https://www.jpl.nasa.gov (дата обращения: 15.03.2020)

© Баранова Е. Г., Орешенко Т. Г., Харлашина С. В., 2020