CC BY
96
Современный взгляд на построение глобальной наземно-космической информационно-навигационной системы
Цель статьи — показать значение и пути реализации проекта "Глобальная наземно-космическая информационная система ГЛОНИС-Космоплан" для построения государственной системы информатизации всех сфер социального развития. Рассматриваются основные недостатки эксплуатируемых наземно-космических навигационно-связных систем. Формулируются требования, определяющие построение систем будущего, архитектура и параметры элементов, условия эксплуатации и модернизации. Пути реализации проекта "ГЛОНИС-Космоплан" сформированы на основе проектов инновационных космических технологий, многоразовой авиационно-космической системы "Космоплан", орбитальной группировки средневысотного Ключевые слова: глобальная наземно-космическая уровня системы эксплуатации орбитальной группировки и системы в целом, наземной инфор-
информационная система, "ГЛОНИС", мационной подсистемы подвижной связи, координируемых общим системным проектом. Пред-
многоразовая авиационно-космическая система, лагаемая структура работ рассматривается в качестве варианта для практического проектиро-
"Kосмоплан", информагизация всех сфер вания программы создания эксплуатируемой наземно-космической телекоммуникационной
соци-ального развиия,информационное системы. Реальность создания новой глобальной системы обеспечивается использованием
сообщество- разработанных в настоящее время технологических элементов.
Аджемов А.С.,
д.т.н., профессор,
Ректор ФГОБУВПО МТУСИ
Мишенков С.Л.,
д.т.н., профессор МТУСИ
Смирнов Н.И.,
д.т.н., профессор МТУСИ, smirnov.ni@yandex.ru
Кусков В.Д.,
к.т.н., Российская академия космонавтики им. К.Э.Циолковского, kvd-nel@mail.ru
Новикова Е.Л.,
Российская академия космонавтики им. К.Э.Циолковского
Введение
После первых шагов космической связи принятых пользователями с восторгом и надеждами на дальнейшее развитие наступил период экстенсивного развития, который продолжается и в настоящее время. Желание получить максимальное покрытие территории с одного космического аппарата (КА) привело к расширенному применению геостационарных и высокоэллиптических орбит, а необходимость оказания услуг многим пользователям потребовало увеличения массы КА до 9-10 т (в 80е годы прорабатывались варианты 20 т КА связи). Прорабатываются проекты виртуальных спутников образованных десятками небольших КА, связанных между собой лазерными линиями связи.
Системы связи, использующие КА на высоких (около 40 000 км) орбитах имеют два физически непреодолимых недостатка:
— большое (до 0,5 с) время распространения сигнала в одном скачке, до 1 с в двух
(такое время распространения практически не мешает передаче сигналов звукового и телевизионного вещания, однако, телефония возможна лишь от безысходности при отсутствии другого способа связи);
— невозможность связи выше 72 градуса северной и южной широт для КА на геостационарной орбите и соответствующих районов для КА на высокоэллиптических орбитах.
При необходимости построения спутниковой системы связи, охватывающей весь земной шар потребуется 9-15 КА (3 на геостационарной, остальные на высокоэллиптических орбитах), хотя все точки стояния на геостационарной орбите уже используются или зарезервированы на ближайшие годы.
Разработка, изготовление и тестирование аппаратуры тяжелого КА занимает не менее 5 лет, эксплуатация КА рассчитывается на 15 лет, стараясь продлить её ещё больше. Наземные телекоммуникационные технологии, используя инфраструктуру, заменяются через 5-8 лет, следовательно, до 10 лет КА будут использовать устаревшие — "традиционные" технологии.
Кажущаяся экономическая выгода от продления срока эксплуатации определяется значительной стоимостью доставки КА на орбиту, но не учитывает экономии от внедрения прогрессивных технологий. Удешевление запуска и отработка замены отдельных блоков или целиком КА должны значительно повысить экономические показатели космических систем связи в целом.
Огромным недостатком применяемых систем космической связи является их разобщен-
ность, "независимость" друг от друга, выливающаяся в дублирование задач, отсюда увеличение стоимости каждой и всей программы в целом. Необходимо конвергировать большинство спутниковых служб и соответственно оборудования станций, как на КА, так и в земном сегменте. Безусловно, полезна конвергенция спутниковых служб связи и вещания, и радиоопределения, служб исследования Земли и космических исследований, метеорологической службы, радиоастрономической службы со спутниковой службой стандартных частот и сигналов времени.
Назначение глобальной наземнокосмической обслуживаемой информационнонавигационной системы "ГЛОНИС — КОСМОПЛАН" [1]
Предлагаемый проект при включении в существующие наземные системы телекоммуникаций образует глобальную наземно-космическую государственную систему с широкими функциональными возможностями, обеспечивающими информатизацию всех сфер социального развития и обслуживания мирового информационного сообщества [2].
Наземно-космическая информационнонавигационная система "ГЛОНИС-КОСМОПЛАН" образует следующие системообразующие функции, задачи и цели:
— обеспечение систем государственного управления на всех уровнях на всей территории страны, включая создание общегосударственной системы "Электронная Россия";
— высокоточного координатно-временного обеспечения — навигации, передачи времени и
22
Т-Сотт #4-2014
ТЕХНОЛОГИИ
синхронизации разнесенных фазосинхронных систем;
— глобальной ретрансляции сигналов наземных систем связи (резервные и основные каналы);
— дистанционного зондирования, наблюдения за процессами, происходящими на Земле и в околоземном пространстве;
— информационное обеспечение северных и арктических районов.
Высокая надежность функционирования системы достигается созданием эксплуатируемого космического сегмента на основе авиационно-космической системы, обеспечивающей выведение КА, съем с орбиты для ремонта и модернизации и выведения отремонтированных спутников для повторного функционирования. Периодичность функционирования спутников определяется периодичностью смены информационно-связных систем.
Ретроспективный анализ развития информационных технологий
Главные тенденции устойчивых высокоинформативных технологий на длительном прогнозируемом интервале (более 30-50 лет) являются:
— в космосе — космическое координатновременное обеспечение (КВО), превышающее достигнутый уровень точности на 1,5-2 порядка;
— на Земле — системы связи, включая мобильные, имеющие уже стабильный долгосрочный прогноз развития.
Интеграция указанных наземных и космических технологий сформировали видение перспективной многофункциональной наземно-космической информационной системы навигации, связи, наблюдения и управления [3].
Говоря о проблеме информатизации социальной сферы сегодня и в ближайшие годы, а это можно пролонгировать на десятилетие, номенклатура потребностей и количественные показатели можно определить с высокой достоверностью.
Практические потребности можно оценивать, исходя из задач программы "Электронная Россия".
Информационное сопряжение космического сегмента системы ГЛОНИС с постоянно действующими наземными информационными системами определяет чрезвычайно высокое требование надежного функционирования к КА при их нахождении на орбите. Это может быть достигнуто созданием подсистемы эксплуатации КА на орбитах с обеспечением необходимого ремонта, либо выведения КА в стационарные условия для обслуживания и ремонта.
Интегрированная многофункциональная наземно-космическая информационно-навигационная система "ГЛОНИС-КОСМОПЛАН"
Система должна состоять из следующих основных элементов:
— орбитальная группировка (ОГ) КА системного верхнего уровня на высоте H=19100 км;
— ОГ целевых КА нижнего уровня на высоте Н=900 км;
— комплекс наземных средств управления, съема, обработки и доставки информации;
— подсистема обеспечения эксплуатации орбитальной группировки КА верхнего и нижнего уровней.
Оптимальная структура группировки космических аппаратов верхнего уровня составляет в пределе 60 КА, которые распределяются в 12 орбитальных плоскостях по 5 КА в каждой.
Пути реализации системы "ГЛОНИС-КОСМОПЛАН" сформированы на основе проектов инновационных космических технологий. К ним относятся многоразовая авиационно-космическая система "КОСМОПЛАН", орбитальная группировка средневысотного уровня, система эксплуатации орбитальной группировки и системы в целом, наземная информационная подсистема связи, координируемые общим системным проектом. Реальность создания новой глобальной системы обеспечивается использованием разработанных в настоящее время технологических элементов.
Для космического аппарата предлагается использовать платформу "Навигатор" производства НПО им. С.АЛавочкина со следующими параметрами: максимальная масса — 1500 кг; масса платформы — 700 кг; масса полезной нагрузки — 500 кг; масса заправки — 150 кг; ориентация — трехосная; точность стабилизации — 0,36 угл.сек./сек.; максимальная потребляемая энергия — 3500 Вт; срок активного существования — более 10 лет.
Система эксплуатации многофункциональной эксплуатируемой наземно-космической информационно-навигационной системы "ГЛОНИС-КОСМОПЛАН" включает следующие составляющие: - многократное использование каждого КА после плановой модернизации и техобслуживания в наземных условиях; -периодичность съема КА с орбиты для модернизации — 5 лет; - система выведения и возврата КА при помощи авиационно-космической системы (АКС).
Постановка проблемы выведения и возврата КА для их обслуживания на Земле применительно к системе "ГЛОНИС-КОСМОПЛАН" обусловлена рядом причин.
Необходимо согласование во времени функционирования космического и наземного
сегментов с периодичностью модернизации ~5 лет, что определяется жизненным циклом смены эпох наземных систем связи. Решить данное противоречие между тенденцией создания КА со сроком службы ~ 15 лет и необходимостью модернизации с 5-летним периодом можно только по пути решения проблемы возврата КА с помощью АКС для их модернизации и ремонта.
Реализация системы возвращения КА для обслуживания в наземных условиях более чем на порядки снижает расходы на выведение системы "ГЛОНИС-КОСМОПЛАН" в космос в сравнении с однократным использованием КА.
Указанный перечень причин, показывающих необходимость перехода к обслуживаемым космическим системам, совпадает с тенденциями развития облика авиационно-космических аппаратов.
Основные положения концепции многоразовой авиационно-космической подсистемы (АКС) "КОСМОПЛАН" с горизонтальным
стартом:
1. Многоразовая транспортная авиационно-космическая система МТ АКС предназначается для — выведения на рабочие орбиты и снятия с орбит с доставкой на Землю в интересах ГЛОНИС КА в диапазоне высот от 200 км до 36000 км; для выведения на опорную орбиту Н=200 км полезных грузов массой до 40 т.
2. МТ АКС в двухступенчатом варианте, когда масса полезного груза, выводимого на орбиту Н=20000 км с возвращением на Землю не менее 7,5 т (5 КА по 1,5 т).
3. МТ- АКС должен осуществлять взлет с аэродромов I класса и посадку на полосу аэродромов I и II классов.
4. Система должна базироваться на технологической инфраструктуре авиационно-ремонтного завода самолетов тяжелого класса.
5. Кратность использования планера МТ АКС (срок до ремонта) должна быть не менее 300.
6. Время подготовки МТ АКС к повторному полету не должно превышать 10 дней.
Функционирование системы "ГЛОНИС-КОСМОПЛАН"
Модульный принцип построения КА следует из многофункциональной компоновки системы "ГЛОНИС-КОСМОПЛАН" в целом. Функциональные модули на КА несут в себе функции и аппаратуру всех основных подсистем: космического координатно-временного обеспечения, межспутниковой связи, связи Земля-КА, наблюдения, высокоскоростных квантово-оптических коммутаций и коммуникаций.
Технологии, закладываемые в основу штат-
T-Comm #4-2014
23
ного функционирования системы "ГЛОНИС-КОСМОПЛАН", по исходному замыслу являются технологиями автономного функционирования, позволяющими выполнять целевые задачи независимо от прямого участия человека в контуре управления подсистемами и системой в целом. В системе ГЛОНИС предполагается реализация принципа автономного функционирования с управлением по данным телеметрического контроля и вторичного измерительного контура средствами наземного контура управления НКУ [6].
Информационная часть системы "ГЛОНИС-КОСМОПЛАН" состоит из двух основных подсистем.
Наземная информационная подсистема систем связи включает мобильные, базирующихся на сетях оптоволоконной связи. В рамках наземной подсистемы реализуются все модули и формы информационных телекоммуникаций, действующих в рамках информационных оптоволоконных сетей, которые в основном охватывают крупные центры города, района и не охватывают часть территории с исчезающе малой плотностью населения. В этом контуре могут реализовываться все виды информационного обеспечения для всех видов информационного взаимодействия в сферах науки, экономики, медицины, промышленности, образования.
Космический сегмент вносит принципиально новые системообразующие функции и ре-
шения, вносящие информационные составляющие и не решаемые наземным сегментом: обеспечение систем государственного управления на всех уровнях на всей территории России; высокоточного координатно-временного обеспечения; навигации, передачи времени и синхронизации разнесенных фазосинхронных систем, позволяющих, например, увеличить пропускную способность каналов связи, включая спутниковые; [5,6] дистанционного зондирования, наблюдения за процессами, происходящими на Земле, в околоземном и космическом пространстве; информационное обеспечение северных и арктических районов.
Выводы
Эффективная реализация системы "ГЛО-НИС-КОСМОПЛАН" возможна при проведении ряда целевых проектов, структурированных и согласованных общим системным проектом [7].
Руководство разработкой проекта системы "ГЛОНИС-КОСМОПЛАН" должно осуществляться Дирекцией при взаимодействии с межведомственной рабочей группой весьма квалифицированных специалистов.
Литература
1. Аржемов АС, Мишенков СЛ, Смирнов Н.И, Кусков В.Д, Новикова Е.Л. Глобальная наземнокосмическая информационная система ГЛОНИС: необходимость проектирования // Вестник ГЛОНАСС.
Межотраслевой журнал навигационных технологий, 2013. — №4(15).
2. Смирнов Н.И, Кусков ВД, Караваев Ю.А, Новикова Е.Л. Концепция построения глобальной спутниковой системы связи, навигации, мониторинга // Доклады Второй отраслевой НТК 'Технологии информационного общества". — М.: ООО "НД Медиа Паблишер", 2008.
3. Кусков ВД., Новикова Е.Л. Будущее космонавтики — в интеграции // Российский космос, 2006. — №5.
4. Мишенков С.Л., Смирнов Н.И., МельникС.В, Петрова Е.Н. Перспектива использования модернизируемой навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС в качестве многофункциональной спутниковой системы // Т-Сотт - Телекоммуникации и транспорт, 2011. — №9.
5. Шаргородский В.Д., Федотов А.А., Пасынков В.В., Жуков А.Н. и др. Система высокоточного определения эфемерид и временных поправок // Межотраслевой журнал навигационных технологий: Вестник ГЛОНАСС. Спецвыпуск. Октябрь 2012 г.
6. Аждемов АС, Мишенков СЛ, Смирнов Н.И, Кусков ВД, Новикова Е.Л. Перспективы создания системы распределения сигналов точного времени на основе космической навигационной системы ГЛОНАСС // Т-Сотт - Телекоммуникации и транспорт, 2010. — №5.
7. Аджемов АС, Мишенков СЛ, Смирнов Н.И, Кусков ВД, Новикова Е.Л. О проектировании в России обслуживаемой глобальной наземно-космической информационной системы (ГЛОНИС). Сборник докладов международного научно-технического семинара "Системы синхронизации формирования и обработки сигналов в инфокоммуникациях", "СИНХРОИНФО 2013", 2 июля 2013 г., г. Ярославль.
Modem view on building a global ground-space information and navigation system
Adzhemov AS., Dr.Sci.Tech, professorMTUCI, Russia, Mishenkov S.L., Dr.Sci.Tech, professorMTUCI, Russia,
Smirnov N.I., Dr.Sci.Tech., professor MTUCI, Russia, smirnov.ni@yandex.ru Kuskov V.D., Cand.Tech.Sci., kvd-nel@mail.ru, Novikova E.L., Russian Academy of Cosmonautics named after K.E. Tsiolkovsky (IPO"RACTs"), Russia
Abstract. Article purpose — to show value and ways of implementation of the project "Global Ground — Space Information System GLONIS-Kosmoplan" for creation of the state system of informatization of all spheres of social development. Considered are the main disadvantages of the exploited ground-space nav'gation and communications systems. Formulates the requirements governing the construction of systems of the future, the architecture and parameters of items, conditions of operation and modernization. Ways of implementation of the "GLONIS-Kosmoplan" project are created on the basis of projects of innovative space technologies, reusable aerospace "Kosmoplan" system, orbital group of medium-altitude level of system of operation of orbital constellation and system as a whole, a ground information subsystem of the mobile communication, coordinated by the general system project. The proposed structure of works is offered as option for practical design of the program of creation of operated ground and space telecommunication systems. Reality creation of the new global system is provided using the developed currently and technological elements.
Keywords: Global gtuund-space information system, "GLONIS", reusable aerospace system, "Kosmoplan", informatization of all spheres of social development, information community.
References
J. Adzhemov AS, MishenkovS.L., Smirnov N.I., Kuskov VD., Novikova E.L Global land-GLONIS Space Information System: the need to design / Bulletin of GLONASS. Interdisciplinary Journal of navigation technologies Moscow, 2013. No 4 (15).
2. Smirnov N.I., Kuskov V.D., Karavaev YuA., Novikova E.L. The concept of building a global satellite communications, navigation, monitoring / Reports of the second branch of the STC "Information Society Technologies". Moscow, 2008.
3. Kuskov VD., Novikova E.L Future Space — integration / Russian space. Moscow, 2006. No 5.
4. MishenkovS.L., SmimovNJ, MelnikS.V, Petrova EN. The prospect of using modernized GLONASS system as a multifunctional satellite system / T-Comm - Telecommunications and transport. 2011. No9.
5. Shargoodsky VD, Fedotov AA, PasynkovVV, Zhukov AN., etc. The system of high-precision ephemeris and time correction / Interdisciplinary Journal of navigation technologies: Herald GLONASS. Special Issue. October 2012.
6. AzhdemovA.S., MishenkovS.L, SmimovNJ, Kuskov VD, Novikova E.L Prospects for creating a system of distribution of precise time signals based on the space-based navigation system GLONASS / T-Comm - Telecommunications and transport, 2010. No5.
7. Adzhemov AS, Mishenkov S.L., Sminov N.I., Kuskov VD, Novikova E.L. Projection in Russia serves a global ground-space information system (GLONIS). Collection of reports of international scientific seminar "Synchronization Systems formation and signal processing in information communications", July 2, 2013, Russia, Yaroslavl.
24
T-Comm #4-2014
