CC BY
12Электродинамика и антенные системы
УДК 621.396
РЕЗУЛЬТАТЫ ЛЁТНЫХ ИСПЫТАНИЙ АНТЕННО-ФИДЕРНЫХ УСТРОЙСТВ ТЕЛЕКОМАНДНОЙ СИСТЕМЫ КА «КАНОПУС-В» №1 И БЕЛОРУССКОГО КА И ПУТИ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК
Бочаров Владимир Семёнович
начальник лаборатории Открытого акционерного общества «Научно-исследовательский институт электромеханики»
Генералов Александр Георгиевич
начальник сектора Открытого акционерного общества «Научно-исследовательский институт электромеханики»
Гаджиев Эльчин Вахидович
научный сотрудник Открытого акционерного общества «Научно-исследовательский институт электромеханики», аспирант кафедры радиофизики, антенн и микроволновой техники МАИ (НИУ).
E-mail: otd24@niiem.ru.
Адрес: 143502, Московская обл., г. Истра, ул. Панфилова, 11.
Аннотация: В данной работе представлены бортовые антенные системы космических аппаратов «Кано-пус-В» № 1 и Белорусского космического аппарата. 22 июня 2012 года был осуществлён успешный запуск указанных космических аппаратов с космодрома Байконур. Эти антенные системы были разработаны в лаборатории антенно-фидерных устройств ОАО «Научно-исследовательский институт электромеханики» города Истры Московской области (ОАО «НИИЭМ» г. Истра). Антенная система включает в себя приёмные антенны, передающие антенны, делители мощности и кабельную сеть. Представленная антенная система входит в состав телекомандной системы космических аппаратов. Телекомандная система обеспечивает взаимодействие космического аппарата с наземными командно-измерительными пунктами для радиоуправления и радиоконтроля орбиты от бортовых датчиков сети. Рабочий частотный диапазон: приёмный канал — 2035 МГц; передающий канал — 2210 МГц. Представлен анализ результатов лётных испытаний антенной системы космического аппарата. Показаны основные источники помех, ухудшающих качество передачи информации на наземные командно-измерительные пункты. Таким образом, в работе представлены варианты усовершенствования характеристик антенной системы для дальнейших космических аппаратов серии «Канопус-В». При этом основным критерием является сохранение механической прочности и надёжности антенной системы при минимальной стоимости её усовершенствования.
Ключевые слова: антенно-фидерное устройство, космос, космический аппарат, лётные испытания, спиральная антенна, диаграмма направленности, коэффициент усиления, коэффициент стоячей волны, коэффициент эллиптичности, делитель мощности.
Введение
Космический комплекс (КК) «Канопус-В» с космическим аппаратом (КА) «Канопус-В» №1 создаётся как перспективный КК оперативного мониторинга техногенных и чрезвычайных природных ситуаций для развёртывания на его ос-
нове космической системы в составе двух КА -«Канопус-В» №1, представленный на рис. 1, и «Канопус-В» №2 [1-3]. КК «Канопус-В» с «Ка-нопус-В» №1 предназначен для получения панхроматических и многозональных изображений поверхности Земли в интересах обеспечения
подразделений Федерального космического агентства, Министерства РФ по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий, Министерства природных ресурсов и экологии РФ, Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды РФ, Российской академии наук, а также других ведомств оперативной информации. Также данный КК является логическим дополнением к разворачиваемой космической системе «Метеор-ЗМ».
Одновременно с КК «Канопус-В» в рамках контракта между НАН Белоруссии и ОАО «Корпорации «ВНИИЭМ» создавался Белорусский КК (Белорусский КА (БКА)) дистанционного зондирования Земли, который является его полным аналогом.
22 июля 2012 года был осуществлён успешный запуск КА «Канопус-В» №1 и БКА с космодрома Байконур. Компоновка запущенных аппаратов в составе ракетоносителя представлена на рис. 2.
Рис. 1. Общий вид КА «Канопус-В» №1
30 ноября 2012 года, учитывая положительные результаты выполнения программы лётных испытаний (ЛИ) КК «Канопус-В» с КА «Канопус-В» №1 Государственная комиссия
решила ЛИ завершить и принять КК в эксплуатацию.
30 ноября 2012 года Межведомственная российско-белорусская комиссия приняла решение завершить этап ЛИ Белорусского КК с БКА и принять его к использованию по целевому назначению.
Таким образом, в работе рассмотрены результаты ЛИ КА и анализ возможных вариантов улучшения характеристик антенно-фидерных устройств (АФУ), входящих в состав телекомандной системы для дальнейших КА «Канопус-В».
Антенно-фидерные устройства телекомандной системы КА «Канопус-В» №1 и БКА
Телекомандная система (ТКС) предназначена для обеспечения непосредственного взаимодействия КА с наземными командно - измерительными системами (КИС) с целью радиоуправления и радиоконтроля орбиты от бортовых датчиков сети, запоминания собранной информации в бортовом запоминающем устройстве, обработки собранной информации и передачи обработанной информации по радиолинии на наземные пункты приёма [4]. Частотный диапазон радиолиний: приёмный канал - 2035 МГц; передающий канал - 2210 МГц.
В состав ТКС входят:
- приёмопередающее устройство (ППУ^);
- устройство цифровой обработки информации (УЦО);
- блок разовых команд (БРК);
- моноблок сбора сообщений телеметрической информации (МССТИ).
На рис. 3 представлена структурно-функциональная схема ТКС.
Коллективом лаборатории АФУ ОАО «НИИЭМ», с учётом особенностей бортовых АФУ КА и конфигурации самого КА «Кано-пус-В» [5], была разработана антенная система для ТКС, которая включает в себя [6]:
^ приёмные антенны;
^ передающие антенны;
^ кабельную сеть;
А К . \ длинныи ' вибратор е Ч
JTjj 1 Л 1 - у
J ) —^
__/ Ф
Рис. 5. Связь антенны ТКС с системой
координат при измерении ДН и коэффициента усиления
На рис. 6-8 представлены диаграмма направленности (ДН), коэффициент усиления и коэффициент эллиптичности АФУ ТКС. Представленные ДН антенн измерены на территории антенного полигона лаборатории АФУ ОАО «НИИЭМ».
На сегодняшний день технология работы с аппаратами в части приёма отлажена. Удалось за период ЛИ избавиться от большинства помех [7].
В условиях антенного полигона ОАО «НИИЭМ» была оценена помеховая обстановка в полосе частот малошумящего усилителя приёмной наземной станции. Была использована антенна П6-23А, имеющая коэффициент усиления 16,2 дБ, подключенная через кабель с затуханием в 7 дБ к анализатору спектра типа N8 - 132 А. В ходе измерений был применён режим накопления максимумов в течение трёх минут. Полученные результаты оценены и представлены в виде спектрограммы на рис. 9.
Обнаружены значительные помехи от систем сотовой связи (3G) даже в условиях малонаселённой местности, т.е. низкой активности абонентов. Кроме того, могут
существовать и другие помехи, например, от бытовых приборов и средств беспроводной связи. Есть необходимость повысить надёжность связи, учитывая существующие помехи и вероятный рост их в дальнейшем.
В связи с этим, были рассмотрены возможности усовершенствования АФУ ТКС.
Предлагаемые пути усовершенствования характеристик АФУ ТКС
В ходе анализа полученных результатов ЛИ и последующей эксплуатации АФУ ТКС были рассмотрены варианты усовершенствования АФУ ТКС, направленные на улучшение характеристик антенн, а, следовательно, и радиолинии. Но при этом необходимым условием является сохранение механической прочности и
300°
270°
180°
Рис.6. ДН АФУ ТКС при ф=45°
0 дБ -2 дБ -4 дБ -6 дБ
| - —
г__ = * н - - -
— — — ^ | - ~1 _
-8 дБ r 1 1 Ц-
V 1
А
ч "1
\ По ТЗ, не менее
-14 дБ
1
-80° -60° -40° -20° 0° 20° 40° 60° 80' Рис.7. Изменение величины коэффициента усиления передающего канала АФУ от угла 6 при ф=0°
— —•
-
1 к
1 I
1 N
V
/
ч
1
О 20 4С 60 80
Рис.8. Коэффициент эллиптичности передающего канала
надёжности АФУ при минимальной стоимости доработки АФУ. В связи с этим были рассмотрены следующие варианты.
^ Увеличение КПД фидерного тракта.
Можно обеспечить с помощью применения кабеля с полувоздушной изоляцией марки РК-50-7-47к и др. (вместо РК-50-4-21) с меньшим затуханием, а, следовательно, с высоким КПД при меньшей массе. Данный вариант усовершенствования АФУ ТКС может быть также
использован и с другими вариантами, предложенными далее.
^ Применение вместо турникета четырёхзаходной спиральной антенны.
На рис. 10 представлен макет четы-рёхзаходной спиральной антенны.
На рис. 11 и 12 соответственно представлены ДН и зависимость коэффициента эллиптичности макета данной антенны. Стоит отметить ряд преимуществ данного варианта: при больших углах лучше коэффициента эллиптичности; конструкция данной антенны не требует обязательного наличия экрана. ^ Подбор оптимального диаметра экрана антенны АФУ ТКС.
Увеличение диаметра экрана антенны особенно предпочтительно, потому что можно не изменять конструкцию самой антенны, а размещать под существующим экраном дополнительный экран, выполненный в виде диска с большим диаметром. На рис. 13 представлен рассматриваемый вариант АФУ ТКС с дополнительным экраном большего диаметра.
ие Ы8-132А
Рп Аид 23 09:12:43 2013 -
Рис. 9. Оценка помеховой обстановки
(а) (б)
Рис. 10. (а) Внешний вид макета четырёхзаходной спиральной антенны. (б) Измерение входных характеристик с помощью измерителя комплексных коэффициентов передачи и отражения ОБЗОР 304/1
,300°
270°
240°
Имеются возможности улучшения энергетических характеристик радиолинии с помощью модернизации АФУ ТКС с минимальными экономическими затратами.
180°
Рис.11. ДН макета четырёхзаходной спиральной антенны при ф = 45°
Увеличенный таким образом экран приводит к расширению ДН и улучшению коэффициента эллиптичности при больших углах, не ухудшая КСВ антенны. На рис. 14 представлена ДН АФУ ТКС с дополнительным экраном.
Заключение
АФУ ТКС успешно эксплуатируются в составе антенной системе КА «Канопус - В» № 1 и БКА уже на протяжении более года.
\300°
270°
240°
180°
Рис.12. Зависимость коэффициента эллиптичности макета четырёхзаходной антенны от угла 9 при ф = 90°
Рис. 13. АФУ ТКС с дополнительным экраном
0°
180°
Рис. 14 ДН АФУ ТКС с дополнительным экраном при ф = 90°
Литература
1. Макриденко ЛА, Волков С.Н., Золотой С.А. Концептуальные вопросы создания и применения малых космических аппаратов // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. - 2010 - т. 114 - №1.-С.15-26.
Поступила 25 апреля 2014 г.
2. Горбунов А.В., Ходненко В.П, Хромов А.В., Мурашко В.М., Корякин А.И., Жоган В.С., Грихин Г.С., Галайко В.Н, Катаносов Н.М. Системы коррекции орбиты малого космического аппарата дистанционного зондирования «Канопус-В» // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ.- 2012. - Т. 126. - №1.- С.19-24.
3. Космический комплекс оперативного мониторинга техногенных и чрезвычайных природных ситуаций «Канопус-В» с космическим аппаратом «Канопус-В» №1. - М.: ФГУП «НПП ВНИИЭМ», 2011. - 110 с.
4. Владимиров А.В., Салихов Р.С., Сеник Н.А., Золотой С.А. Космическая система оперативного мониторинга техногенных и природных чрезвычайных ситуаций на базе КК «Канопус-В» и Белорусского космического аппарата // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. - 2008. - Т. 105. -С.49-57.
5. Бочаров В.С., Генералов А.Г., Гаджиев Э.В. Особенности бортовых антенно-фидерных устройств космических аппаратов. Научно-технический семинар «Перспективы развития ан-тенно-фидерных устройств космических аппаратов». г. Истра, Московская область ОАО «НИИЭМ» 25 сентября 2013 года. Сборник тезисов докладов. - Истра: ОАО «НИИЭМ» С. 55-58.
6. Бочаров В.С., Генералов А.Г., Гаджиев Э.В. Антенно-фидерные устройства в разработках ОАО «НИИЭМ», г. Истра Московской области. 23-ая Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо 2013). Севастополь, 8-13 сентября 2013 г.: материалы конф. в 2 т. - Севастополь: Ве-бер, 2013. - Т.1.- С. 46-47.
7. Золотой С.А. Состояние и перспективы развития белорусско-российской орбитальной группировки дистанционного зондирования Земли. Тезисы докладов международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы создания космических систем дистанционного зондирования Земли». - М.: ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ».- 2013.-С. 8-9.
English
Results of flight tests of antenna feeder devices of telecommanded system of space vehicle "Ka-nopus-V" №1 and belarussian space vehicle and the ways of their performances inhancement
Vladimir Semyonovich Bocharov - laboratory chief of Open Joint Stock Company «Research Institution of Electrical Engineering».
Alexander Georgiyevich Generalov - Sector chief of Open Joint Stock Company «Research Institution of Electrical Engineering».
Elchin Vakhidovich Gadzhiev - research assistant of Open Joint Stock Company «Research Institution of Electrical Engineering» Post-graduate student Department of Radio physics, antennas and microwave engineering MAI (NIU).
E-mail: otd24@niiem.ru.
Address: 143502, Mos. region, Istra, ulitsa Panfilova, 11.
Abstract: The paper deals with on-board antenna systems of space vehicles Kanopus-V № 1 and Belarussian space vehicle. These space vehicles were successfully launched from Baikonur Cosmodrome on 22 June, 2012. These antenna systems were developed in the lab of antenna feeder devices of Open JSC «Research Institution of Electrical Engineering» Istra town Moscow region. The antenna system includes the receiving antennas, transmitting antennas, power dividers and a cable network. The introduced antenna system is a part of telecom-manded system of space vehicles. The tele commanded system ensures intercommunication of the space vehicle with land command-measuring stations for radio control and orbit radio control by on-board network sensors. The effective frequency band: the receiving channel - 2035 MHz; the transmitting channel - 2210 MHz. The analysis of the flight tests results of an antenna system of the space vehicle is presented. The key sources of the interferences degrading the quality of information transmission to the on land command-measuring stations are shown. Thus, the enhancement versions of antenna system performances for further space vehicles of a "Ka-nopus-V" type are presented. The main criterion is keeping mechanical strength and reliability of antenna system at the minimum cost of its enhancement.
Key words: antenna feeder device, space, space vehicle, flight tests, helical antenna, directional diagram, amplification coefficient, standing wave ratio, elliptic coefficient, power divider.
References
1. Makridenko L.A., Volkov S.N., Zolotoy S.A. Conceptual problems of design and application of small-size space vehicles. Voprosy jelektromehaniki. Trudy VNIIJeM. 2010. Vol. 114, №1. P. 15-26.
2. Gorbunov A.V., Hodnenko V.P., Hromov A.V., Murashko V.M., Korjakin A.I., Zhogan V.S., Grihin G.S., Galajko V.N, Katanosov N.M. The systems of orbit correction of small-size space vehicle of remote sensing "Ka-nopus-V". Voprosy jelektromehaniki. Trudy VNIIJeM, 2012. Vol. 126, №1. P. 19-24.
3. A space complex of operative monitoring of technological and emergency natural situations of "Kanopus-V" with the "Kanopus-V" space vehicle №1. M.: FGUP «NPP VNIIJeM», 2011. 110 p.
4. Vladimirov A.V., Salihov R.S., SenikN.A., Zolotoy SA. Space system of operative monitoring of technological and natural emergency situations on the basis of "Kanopus-V" spacecraft and Belarussian space vehicle. Voprosy jelektromehaniki. Trudy VNIIJeM, 2008. Vol. 105. P.49-57.
5. Bocharov V.S., Generalov A.G., Gadzhiev Je. V. Of on-board antenna-feeder devices of space vehicles. Technological seminar «Trends of the development of antenna-feeder devices of space vehicles», Istra, Moscow Region Open JSC "NIIEM" on September 25, 2013. Sbornik tezisov dokladov. Istra: OAO «NIIJeM». P. 55-58.
6. Bocharov V.S., Generalov A.G., Gadzhiev Je.V. Antenna-feeder devices in the developments of Open JSC "NIIEM", Istra Moscow Region. 23-d International Crimean conference «Microwave engineering and telecommunication production engineering» (KryMiKo 2013). Sevastopol, September 8-13, 2013: materials conf. in 2 vol. Sevastopol: Weber, 2013. Vol.1. P. 46-47.
7. Zolotoy S.A. Current state and trends of the development of Belarusian-Russian orbit group of remote sensing of the Earth. International technological conference abstracts «Actual problems of building space systems of remote sensing of the Earth». M.: JSC «Corporation «VNIIJeM», 2013. P. 8-9.
