CC BY
129
ISSN 2410-6070 ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА №4 / 2020
УДК 629.78
Литвинов А. В.,
Генеральный директор АО «НПК «ВТиСС»
Лядова Е. Ф.,
Главный специалист - верификатор НТЦ-2 АО «НПК «ВТиСС»
Рыбка И. В.
Начальник конкурсного отдела АО «НПК «ВТиСС»
г. Москва, РФ
ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ СПУТНИКОВОЙ
СИСТЕМЫ СВЯЗИ
Аннотация
Рассматриваются вопросы проектирования космических аппаратов спутниковой системы связи с низкой круговой орбитой. Диапазон рабочих частот - Ки. Определены задачи оптимизации, тактико-технические требования и структурный состав космических аппаратов.
Ключевые слова: Спутниковая система связи, космический аппарат, полезная нагрузка, фазированная антенная решётка, ССС, КА, АФАР.
Введение
В настоящее время исследовательские центры во многих странах проводят активные работы по созданию и выводу группировок малых низкоорбитальных спутников связи, работающих в диапазоне частот Ки и выше [1, стр. 12-15]. Ожидается, что подобные системы смогут обеспечить глобальное покрытие земной поверхности и предоставление абонентам широкополосных услуг связи.
В статье рассматриваются вопросы проектирования космических аппаратов (КА) глобальной спутниковой системы связи диапазона Ки, в составе орбитальной группировки которой предполагается иметь 180 малых спутников связи на низких круговых орбитах.
1. Назначение и область применения спутниковой системы связи
Рассматриваемая спутниковая система связи (ССС) диапазона Ки с космическими аппаратами на низких круговых орбитах предназначена для оказания услуг высокоскоростной глобальной связи потребителям с наземным, воздушным и надводным размещением абонентских комплектов.
Основными составляющими спутниковой системы связи являются:
1) орбитальная группировка спутников связи на низких круговых орбитах в нескольких орбитальных плоскостях;
2) сеть наземных станций, обеспечивающих высокоскоростной обмен данными с орбитальной группировкой;
3) пункт управления ССС;
4) потребители телекоммуникационных услуг, оснащённые абонентскими комплектами;
5) сеть центров обработки данных, включающая, в том числе, биллинговые системы и сервера телематических служб для предоставления сервисов абонентам.
Каждый КА орбитальной группировки имеет следующие средства межсетевого взаимодействия:
1) каналы «Борт-Земля» и «Земля-Борт» для связи с наземными станциями (до четырёх станций на один КА);
2) каналы «Борт-Земля» и «Земля-Борт» для связи с потребителями телекоммуникационных услуг (до тысячи абонентов на один КА);
3) каналы «Борт-Борт» для связи с другими КА (до шести КА; два на одноимённой орбите спереди и сзади, два на соседней орбите справа и два на соседней орбите слева);
4) служебный канал.
Одним из вариантов использования ССС является обеспечение информационного взаимодействия для получения целевой информации полезной нагрузки беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), рис. 1-4.
Рисунок 1 - Российские БПЛА «Форпост», «Орион», «Альтаир» и С-70 «Охотник»
Перспективным направлением в области использования БПЛА является их объединение в группы или в рой (UAV Swarm). После объединения каждый БПЛА управляется собственной автоматикой, а поведением роя может управлять программа с элементами искусственного интеллекта или один (несколько) операторов. Например, подобное использование роя БПЛА для целей мониторинга воздушного пространства позволяет значительно увеличить эффективность одновременного обнаружения и сопровождения большого количества целей [2, c. 66-71]. Наземный сегмент подобной сети мониторинга образован каналами связи, базирующимися на инфраструктуре на основе медных, волоконно-оптических (ВОЛС), радиорелейных и тропосферно-радиорелейных линиях связи. Последние используются, как правило, для обеспечения связности сети для труднодоступных точек.
2. Задачи оптимизации при проектировании космических аппаратов связи
При выполнении проектирования КА выполняется решение задач конструкторской, технологической и алгоритмической оптимизации по большому количеству критериев. Отдельные критерии, имеющие наибольшую значимость, представлены ниже.
Критерии, для которых выполняется минимизация значений:
1) габариты КА;
2) вес КА;
3) энергопотребление КА;
4) ширина используемых полос частот «Борт-Земля» и «Земля-Борт»;
5) сроки проектирования КА;
6) сроки изготовления КА;
7) сроки проведение необходимых испытаний КА перед запуском;
8) совокупная стоимость владения (стоимость проектирования, изготовления, ввода в эксплуатацию, эксплуатации и утилизации);
9) время установления соединения с абонентским терминалом;
10) количество подвижных сочленений в конструкции КА;
11) количество зачековок подвижных сочленений КА;
12) площадь и количество сегментов солнечных батарей;
13) площадь и количество сегментов активной фазированной антенной решётки (АФАР) [3, стр. 8-11];
14) задержка распространения сигнала при обработке соответствующими компонентами КА;
15) ресурсоёмкость на стадии производства КА;
16) время обновления версий встраиваемого программного обеспечения.
Критерии, для которых выполняется максимизация значений:
1) технологичность серийного изготовления;
2) срок активного существования на орбите;
3) стойкость к внешним воздействующим факторам (ВВФ);
4) скорость передачи данных (как по линиям «Борт-Земля»/«Земля-Борт», так и по межспутниковым соединениям) [4, с. 25-29];
5) количество одновременно обслуживаемых абонентов;
6) помехоустойчивость всех каналов связи;
7) надёжность;
8) отказоустойчивость;
9) унификация и стандартизация;
10) возможность расширения функционала и масштабирования системы.
3. Начальные тактико-технические требования к КА
Проектирование КА носит итерационный характер с учётом решения задач оптимизации, изложенных в предшествующем разделе. В качестве начальных тактико-технических требований были сформулированы следующие.
Конструкция КА должна обеспечивать:
1) возможность установки активной фазированной антенной решётки (АФАР) с размерами в рабочем положении 2200х2200х175 мм, массой 80-120 кг;
2) возможность размещения внешнего и внутреннего блоков процессора АФАР. Внешний блок с массой не более 10 кг, габаритными размерами 350х350х200мм и энергопотреблением не более 100 Вт. Внутренний блок с массой не более 8 кг, габаритными размерами 300х200х200 мм и энергопотреблением не более 100 Вт;
3) возможность размещения шести комплектов лазерной межспутниковой системы связи (МЛС) с размерами 130х200х300 мм, масса одного комплекта не более 5 кг, общее энергопотребление не более 240 Вт [5, с. 1-4];
4) возможность размещения четырех зеркальных антенн с 300 мм апертурами, оснащенных внешними блоками малошумящих усилителей (МШУ) и механическими приводами для наведения на соответствующий наземный комплекс;
5) возможность размещения блока управления антеннами и формирования фидерного канала массой не более 7 кг, габаритными размерами 100х200х200 мм и энергопотреблением не более 100 Вт;
6) возможность размещения модуля обработки сигналов (МОС) массой не более 15 кг, габаритными размерами 200х350х200 мм и энергопотреблением не более 200 Вт;
7) возможность размещения центрального вычислительного комплекса массой не более 7 кг, габаритными размерами 200х200х200 мм и энергопотреблением не более 40 Вт;
8) возможность размещения аппаратуры служебного бортового радиокомплекса массой не более 10 кг, габаритными размерами 200х300х200 мм и энергопотреблением не более 30 Вт.
Требования к системе электроснабжения КА:
1) номинальное напряжение бортовой питающей электросети КА составляет 48 В;
2) максимальная потребляемая мощность полезной нагрузки по цепям питания составляет не более 4 кВт. Близкое к максимальному потребление имеет место не более двух раз по 10 минут в течение одного витка. В остальное время диапазон изменения потребляемой мощности от 10 до 50 % (среднее потребление за виток составляет 30 % от максимального);
3) при функционировании целевой аппаратуры от аккумуляторной батареи (АКБ) на теневой стороне витка потребление не превышает 1,5 кВт. Вес АКБ с количеством циклов 30 тысяч заряд-разрядов составляет около 30 кг;
Требования к системе ориентации, стабилизации и навигации КА:
1) погрешность (3с) ориентации осей измерительной системы координат не хуже 6 угловых минут;
2) погрешность (3с) стабилизации угловой скорости относительно измерительной системы координат не хуже 10-3 град/с (3,6 угловых секунд/с);
3) погрешность пространственного положения КА относительно расчетной точки, не хуже ±2,5 км как по высоте, так и в направлении касательной к орбите.
Излучающая сторона АФАР должна быть ориентирована по нормали к поверхности Земли, одна из осей АФАР должна быть ориентирована по направлению полёта.
Системы КА должны проектироваться с учетом использования в ЦВМ КА интерфейсов RS422/RS485 с предельной скоростью 10 Мбит/с.
Рабочий температурный диапазон блоков полезной нагрузки -5..+40оС.
Требования к панелям солнечных батарей КА:
1) высокая жесткость;
2) минимальное количество элементов;
3) простота эксплуатации;
4) минимальное время раскрытия;
5) минимальное воздействие на конструкцию КА при раскрытии БС и при эксплуатации;
6) максимальная эффективность заполнения фотопреобразователями.
Срок активного существования КА не менее 5 лет.
К каждому конструктивному элементу, узлу, агрегату, а также к конструкции всего КА в целом предъявляются следующие требования:
1) сохранять заданную геометрическую стабильность на всех этапах эксплуатации, как на этапах наземной отработки, так и в условиях космического пространства;
2) обеспечивать защиту от радиационного излучения;
3) исключать возможность неправильной сборки составных частей КА, подключения и других ошибочных действий персонала при выполнении различных операций (за счёт соответствующего конструктивного исполнения составных частей);
4) обеспечивать точность положения посадочных мест;
5) обеспечивать возможность доступа к приборам, устройствам и соединителям и возможность замены блоков и приборов;
6) обеспечивать возможность проведения испытаний и технического обслуживания на техническом комплексе;
7) обеспечивать минимально возможную массу конструкции.
Основными факторами, существенно влияющими на конструктивное исполнение узлов и агрегатов, являются силовые нагрузки на КА при транспортировке к стартовому комплексу и выведении на орбиту, а также тепловые нагрузки при эксплуатации в условиях открытого космического пространства.
4. Структурный состав КА
В состав КА входят служебная платформа (СП) и размещённый на ней комплекс целевой аппаратуры (КЦА) или полезная нагрузка (ПН).
Основными компонентами СП КА являются:
1) конструкция на базе тепловых сотопанелей (ТСП);
2) двигательная установка (ДУ);
3) система электроснабжения;
4) бортовой комплекс управления;
5) система ориентации солнечных батарей;
6) служебный бортовой радиокомплекс;
7) служебное антенно-фидерное устройство;
8) телеметрическая система. Основу конструкции КА составляют:
1) тепловые сотопанели;
2) экранно-вакуумная теплоизоляция;
3) нагреватели, датчики, угловые тепловые трубы;
4) кронштейны, пиротехнические устройства, стандартные изделия;
5) бортовая кабельная сеть.
Примерный внешний вид КА в транспортном и рабочем состоянии представлен на рис. 1 и 2.
Рисунок 1 - Примерный вид КА в транспортном положении
Рисунок 2 - Примерный вид КА в рабочем состоянии на орбите
В состав двигательной установки КА входят:
1) электроракетный двигательный модуль (ЭРДМ);
2) блок хранения ксенона (БХК);
3) газовая ДУ;
4) межблочные кабели (МБК);
5) межблочные трубопроводы (МБТ);
6) элементы конструкции.
Система электроснабжения КА включает в свой состав:
1) аккумуляторные батареи;
2) солнечные батареи;
3) энергопреобразующую аппаратуру. Бортовой комплекс управления КА состоит из:
1) системы управления движением и навигации, включающей следующие компоненты:
1.1) датчик угловых скоростей;
1.2) солнечный датчик;
1.3) звездный датчик;
1.4) магнитометр;
1.5) аппаратуру спутниковой навигации;
1.6) двигатели маховики;
1.7) электромагнитные устройства;
1.8) газовые двигатели;
1.9) систему преобразования и управления (СПУ);
2) системы управления бортовой аппаратурой в составе:
2.1) центральный вычислительный комплекс (из состава КЦА);
2.2) блок распределения питания и управления средствами обеспечения теплового режима (из состава КЦА).
2.3) пиротехнические средства.
Система ориентации солнечных батарей КА включает:
1) солнечные датчики солнечных батарей;
2) приводы солнечных батарей;
3) блок управления приводами солнечных батарей. В состав комплекса целевой аппаратуры КА входят:
1) активная фазированная антенная решетка (АФАР) [6, стр. 3-14];
2) внешний блок процессора АФАР;
3) внутренний блок процессора АФАР;
4) межспутниковая лазерная система связи;
5) зеркальные антенны для связи с земными станциями;
6) приводы зеркальных антенн;
7) блок управления зеркальными антеннами;
8) модуль обработки сигналов;
9) центральный вычислительный комплекс с блоком распределения питания и управления СОТР;
10) кабельная сеть целевой аппаратуры. Список использованной литературы:
1. Разработка проектного облика космического аппарата спутниковой системы связи. Научно-технический отчёт. Шифр «МКА-Связь». - М. : НПО им. Лавочкина, 2014. - 371 с.
2. Кочкаров А. А. и др. Оценка непрерывности информационного взаимодействия и доведения информации в системах мониторинга с динамической структурой / Кочкаров А. А., Тимошенко А. В., Литвинов А. В., Лядова Е. Ф., Гайчук Ю. Н. // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2019. -№ 8. - С. 66-71.
3. Сабиров М., Рученков В. Основные технические параметры и требования. Антенно-фидерная система бортового ретрансляционного комплекса подвижной спутниковой службы связи в Ки-диапазоне. - М. : Российские космические системы; НПО «Лианозовский электромеханический завод». - 2014. - 12 с.
4. Головкин И. В. Разработка предложений по построению дуплексной линии КА<->БС. Пояснительная записка. - М. : 2014. - 63 с.
5. Иваненко О. Энергетический расчет информационного канала оптической межспутниковой линии связи (бюджет МЛС). - М.: ООО «Ялини Инжиниринг», 2014. - 4 с.
6. Плотников П. Моделирование антенны. Отчёт о НИР. - М.: Huawei, 2014. - 65 с.
© Литвинов А. В., Лядова Е. Ф., Рыбка И. В., 2020
УДК62
И.А. Опомах
сотрудник Академии ФСО России,
г. Орел, РФ Е-mail: opomax2010@ yandex.ru
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МНОГОВИБРАТОРНЫХ АНТЕНН ДИАПАЗОНА УКВ В ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
В процессе подготовки специалистов в области инфокоммуникационных систем важную роль играет формирование практических знаний и навыков обучающихся. Эффективным методом в этом случае оказывается проведение лабораторных работ по изученной тематике.
Антенны предназначены для преобразования энергии высокочастотных токов в энергию электромагнитного поля во время передачи и преобразование обратно при приеме. В соответствии с назначением антенны бывают приемные, передающие и приемно-передающие. Любая передающая антенна имеется возможность использовать как приемную, так как все характеристики антенн одинаковы при приеме и передаче. В тоже время не все приемные антенны могут фактически эффективно использовать при передаче по причинам: малым размерам и высоты установки, из-за ограничений на допустимое напряжение.[1]
