Командно-телеметрические системы

Бортовой комплекс управления (БКУ) предназначен для решения следующих задач:

– приём и выдача в системы спутника радиокоманд, получаемых с Земли по командной радиолинии;

– приём и запись в запоминающее устройство информации, которая является исходными данными для работы БКУ (временные программы работы бортовых систем);

– управление системами спутника по командам, формируемым устройством программно-временного управления;

– выполнение вычислительных логических операций, необходимых для управления элементами системы КА (ориентация, коррекция, терморегу-лирование);

– автоматический контроль и диагностика технического состояния спутника.

Как видно БКУ связывает все системы КА и управляет работой каждой из них. Задачи, возлагаемые на БКУ, требуют выполнения большого объёма логических и вычислительных операций. Эти задачи могут быть решены только при наличии в его составе цифровой вычислительной машины.

Для решения поставленных задач в состав БКУ должны входить следующие основные элементы:

– командно-измерительный комплекс;

– информационно-вычислительный комплекс;

– блок управления.

Командно-измерительная система (КИС) предназначена для выполнения следующих функций:

– приём на борт ИСЗ команд управления бортовой аппаратурой;

– передача на Землю телеметрической информации о работе бортовых систем;

– обеспечение возможности быстрого нахождения спутника, проведение измерений траектории (дальности, радиальной скорости и угловых координат КА).

Аппаратура КИС включает в себя следующие каналы и устройства:

– командной радиолинии (КРЛ);

– контроля орбиты;

– телеметрии;

– антенно-фидерные устройства (АФУ);

– устройства бортовой автоматики;

– аппаратуру кодирования сигналов и коммутации.

Существует три типа КИС: автономная, полусовмещенная, совмещенная.

1. Автономная КИС состоит из:

– приёмного устройства;

– дешифратора команд;

– устройства для стыковки с аппаратурой КА;

– телеметрической антенны;

– передатчика.

Аппаратура КИС, работающая автономно от связного комплекса, имеет собственный комплекс приборов и закреплённую за ней полосу частот метрового диапазона, что делает такую систему непривлекательной с точки зрения габаритов и энергопотребления.

2. Полусовмещённая КИС характеризуется тем, что приёмник и передатчик отсутствуют, а их функцию выполняет приёмо-передающее устройство РТР. В этом случае достигается выигрыш в весе, габаритах, надёжности, точности и стоимости.

3. Совмещённая КИС В этом случае канал связи совмещён с основным каналом связи РТР. При этом достигается выигрыш как по габаритам, так и по энергозатратам. Однако из-за узконаправленности антенн РТР, такая схема не является предпочтительной для ИСЗ.

Система командных и телеметрических радиолиний. Информационно-технические системы обеспечивают устойчивую связь между КА и НКУ на больших расстояниях и являются основным источником информации о процессах и явлениях, протекающих на борту КА и в окружающей его среде. В случае возникновения нештатной ситуации, по телеметрическим данным возможно внести корректирующую информацию в управление аппаратом для его спасения.

Аппаратура телеметрического и командного радиокомплекса часто объединяются общим понятием - командно-измерительный комплекс радиосвязи, который служит для обеспечения нормальной работы не только спутников связи, но и всей радиолинии в целом. С помощью этого комплекса аппаратуры совместно с бортовым программно-логическим устройством спутник связи, после выхода его на орбиту осуществляет подготовку аппаратуры к началу работы в системе связи. С целью уменьшения габаритов и энергопотребления спутников считается целесообразным использование одного общего приёмо-передающего комплекса как для каналов связи, так и для приёма-передачи сигналов управления и телеметрии.

Телеметрическая аппаратура спутника связи служит для передачи со спутника на Землю сведений о состоянии бортовой аппаратуры и наиболее важных эксплуатационных параметров его блоков. По телеметрической информации определяется степень пригодности того или иного элемента оборудования и необходимость включения резервных блоков для его замены. В этом случае аппаратура телеметрии выдаёт исходные данные для командного комплекса.

Схема радиотелеметрической системы показана на рис. 6.3.

В систему телеметрического контроля входят датчики. Датчик в простейшем виде представляет потенциометр, с подвижного контакта которого снимается соответствующий электрический сигнал. Этот сигнал передаётся на коммутатор, который поочерёдно подключает вход каждого датчика к кодирующему устройству, то есть осуществляется временное разделение каналов. Если применять частотное разделение, то коммутатор будет не нужен.

Аппаратура командной радиолинии служит для передачи на борт КА с НКУ радиокоманд управления, проведения контроля орбит, передачи телеметрической информации о состоянии бортовых систем на Землю. КИС содержит БЦВМ, которая управляет работой всех бортовых систем спутника в соответствии с задаваемой программой управления с Земли, либо с программно-временного устройства.

В состав БЦВМ входят: центральный процессор, состоящий из арифметического устройства (АУ) и устройства управления; запоминающее устройство (ЗУ); устройство ввода-вывода. Наиболее прогрессивной структурой БЦВМ считают такую, в которой имеется несколько АУ и ЗУ. В этом случае машина обладает высокой надёжностью, гибкостью, повышенным быстродействием и способностью выполнять одновременно несколько задач. Основными характеристиками БЦВМ, определяющими её эффективность, являются: быстродействие, надёжность, программируемость, универсальность и гибкость, габариты, масса и потребление электроэнергии.

С использованием БЦВМ появилась возможность создания адаптивной системы телеметрического контроля, когда на Землю передаётся информация только тех датчиков, показания которых отличаются от режимных. Тем самым уменьшается объём подаваемой информации и увеличивается оперативность управления.

Ретрансляционное оборудование связных ИСЗ и режимы его работ. Основным звеном ретрансляционного оборудования является бортовой ретранслятор – радиотехническое устройство для приёма, усиления и дальнейшей передачи сигналов. Антенны бортового ретранслятора в зависимости от задач и используемого диапазона частот могут быть различных типов: параболическими, спиральными, штыревыми, рупорными, щелевыми и т. д. По направленности излучения различают антенны: всенаправленные, слабонаправленные и остронаправленные. Ширина диаграммы направленности у всенаправленных антенн 180...360, у остро направленных – 1...10. В настоящее время разрабатываются и внедряются антенны с несколькими узкими лучами, обеспечивающими пространственно-разнесённые линии (направление) связи, либо с формируемыми диаграммами направленности сложной формы, что позволяет обслуживать только определённую территорию.

По способу управления направленностью излучения (приёма) применяют антенны с механическим и электронным управлением.

Направленность излучения, способ управления направленностью, конструктивное выполнение антенны определяются конструкцией спутника и его системой стабилизации. Так, большая часть первых ИСЗ имела форму цилиндрического или сферического тела, вращающегося вокруг оси с максимальным моментом инерции. На этих ИСЗ использовались направленные антенны, имеющие вращение с той же скоростью, но в противоположном направлении, что обеспечивало стационарность диаграммы направленности антенны на Землю. В случае отсутствия ориентации оси вращения ИСЗ и противовращения антенны, диаграмма направленности должна была быть изотропной, что соответствует нулевому значению коэффициента направленного действия и коэффициента усилия.

Бортовые ретрансляционные антенны связных ИСЗ постоянно совершенствуются и представляют в настоящее время сложные устройства. Например, на ИСЗ АТS-6, стабилизируемом по трём осям, установлены антенны с параболическим отражателем диаметром 9 м. Облучатели этой антенны создают сложное поле; в шести различных диапазонах формируются диаграммы направленности различной формы. Облучатель диапазона X расположен в фокусе отражателя и обеспечивает приём и передачу сигналов сопровождения на частотах 8,025…8,15 ГГц; облучатель диапазона S содержит 32 отдельных элемента, расположенных в фокальной плоскости параболоида; облучатель метрового диапазона состоит из двух пар диполей, расположенных в виде квадрата и т. д.

Усилители ретрансляторов могут быть выполнены на лампах бегущей волны (ЛБВ) или на клистронах, представляющих собой электровакуумные приборы СВЧ, работа которых основана на взаимодействии поля СВЧ с движущимися электронами. В результате такого взаимодействия часть кинетической энергии электронов превращается в энергию СВЧ колебаний (клистрон). Возможно взаимодействие электромагнитной волны и электронного потока, движущегося в одном направлении (ЛБВ).

Ретрансляционная система может включать в себя несколько ретрансляторов с мощным усилителем, например, для НТВ на борту спутника HS-393 используют 24 усилителя на ЛБВ по 50 Вт. Бортовые ретрансляторы современных спутниковых систем связи могут работать в следующих режимах многостационарного доступа:

– с пространственным разделением каналов, для которого применяются антенны с разнесёнными один относительно другого лучами и раздельные усилители в ретрансляторе;

– с частотным разделением каналов, который основан на использовании наземными станциями различных несущих частот, а это позволяет осуществлять усиление сигналов на борту ИСЗ общим усилителем;

– с временным разделением каналов, когда для каждой из наземных станций, работающих на одной несущей частоте, выделяется свой временной интервал;

– с кодовым разделением каналов или с расширением спектра передаваемых сигналов, когда полученные сигналы смешиваются с псевдошумовой кодовой последовательностью так, чтобы заполнить полосу ретранслятора. На наземной станции с помощью этой же кодовой последовательности, а также при использовании метода взаимной корреляции извлекается полезная информация.

Пропускная способность бортового ретранслятора зависит от режима многостационарного доступа. Так, в режиме с частотным разделением каналов пропускная способность ретранслятора СС равна 450 телефонных каналов, при переходе к режиму с временным разделением каналов пропускная способность ретранслятора повышается до 900 каналов.

Перспективным считается применение комбинированного режима: многостационарный доступ с временным разделением каналов и с пространственным разделением каналов, основанный на переключении бортовых пакетов информационных сообщений между различными лучами.

Широко используются в спутниковых системах связи методы мультиплексирования сигналов, представляющие собой процесс объединения нескольких потоков сигналов в одной полосе частот. Особое внимание разработчики спутниковых систем уделяют временному мультиплексированию сигналов, используемому совместно с амплитудно-импульсной, кодово-импульсной и дифференциальной кодово-импульсной модуляцией.

За наземными станциями, непрерывно принимающими и передающими сообщения, каналы связи закрепляются постоянно, однако в целях экономии наземные станции, испытывающие потребность в каналах связи, периодически получают их по требованию.

Насыщенность уже используемых диапазонов частот, а также желание осуществить высокоскоростную передачу данных по широкополосным каналам связи привело к необходимости использования диапазонов 12...14 и 12 ...18 ГГц и изучения возможности использования диапазонов около 60 и 94 ГГц.

В связи с возможным применением в ССС лазеров последнее время большое внимание уделяется использованию оптического диапазона длин волн – 10,6 мкм.

Направлением дальнейших исследований являются:

– разработка высокоэффективных и надёжных лазеров с электрическим питанием, излучающих на длине волны 0,53 мкм;

– создание оптического модулятора и необходимой электронной аппаратуры для лазеров с длиной волны 10,6 мкм;

– освоение методов пассивного охлаждения приёмников сигналов на частоте 60 ГГц для снижения уровня шума.