Требования к подсистеме связи

Требования к подсистеме связи формируются на основе многих источников. К ним, в частности, относятся:

1) целевые задачи космического проекта (требования верхнего уровня иерархии, такие как архитектура космической системы, параметры орбит космического аппарата, его срок службы и условия эксплуатации);

2) космический аппарат (требования системного уровня иерархии);

3) собственно подсистема связи (внутренние требования);

4) другие подсистемы космического аппарата;

5) наземная станция (требования совместимости);

6) спутник-ретранслятор (требования совместимости);

7) программа полета (ориентация космического аппарата как функция времени).

Требования, получаемые из этих источников, оказывают определяющее влияние на

проектный облик подсистемы:

8) скорости передачи данных (командно-программной и телеметрической информации обеспечивающих подсистем космического аппарата и его полезной нагрузки);

9) объем принимаемых / передаваемых подсистемой данных;

10) объем хранимых данных;

11) несущие частоты радиосигналов на линиях «вверх» и «вниз»;

12) полосы частот радиосигналов на линиях «вверх» и «вниз»;

13) потребляемая мощность;

14) масса оборудования подсистемы;

15) ширина лучей приемо-передающей антенны на линиях «вверх» и «вниз»;

16) эффективная изотропно излучаемая бортовой антенной подсистемы мощность (ЭИИМ, англ. ЕГОР);

17) коэффициент усиления антенны / шумовая температура системы.

Таблица 11-18 иллюстрирует влияние вышеприведенных требований на проектный облик подсистемы связи.

Классический перечень задач проектирования подсистемы связи включает поиск компромиссных решений между апертурой антенны и мощностью передатчика, между твердотельным усилителем мощности передатчика и усилителем на базе лампы бегущей волны, между усложнением бортовой подсистемы связи и усложнением наземной станции. Поскольку с увеличением размера апертуры антенны повышается ее коэффициент усиления, то, уменьшается потребная выходная (высокочастотная) мощность передатчика, а, следовательно, и мощность, потребляемая бортовой подсистемой связи от подсистемы электроснабжения. Однако при этом антенна с большей апертурой имеет большую массу и более узкий луч, что повышает требования к точности ее наведения. Как показано в Главе 13 (формула 13-17), ширина луча антенны уменьшается с увеличением ее апертуры. В зависимости от частоты и требуемого коэффициента усиления, мы обычно делаем выбор между твердотельным усилителем мощности передатчика и усилителем на базе лампы бегущей волны - это задача поиска компромиссного решения на системном уровне. Делая этот выбор, мы должны влияние выбора того или иного варианта построения усилителя мощности на общую массу космического аппарата, на площадь его солнечных батарей, на надежность подсистемы связи и космического аппарата в целом, и на необходимую апертуру антенны. Твердотельные усилители мощности обычно имеют большую надежность, меньшую массу и габаритные размеры. Усилители мощности на базе лампы бегущей волны обладают меньшим технологическим риском (при большем коэффициенте усиления) и более высоким коэффициентом полезного действия.

Требования к подсистеме связи

Ниже приведен типовой перечень требований, предъявляемых на системном уровне, и оказывающих
влияние на проектный облик бортовой подсистемы связи

Мы должны выбрать усилитель мощности на базе лампы бегущей волны, если на заданной частоте требуемая выходная мощность передатчика слишком велика для твердотельного усилителя мощности, или если твердотельный усилитель обладает недостаточной эффективностью. На сегодняшнем уровне развития технологии мы можем создавать твердотельные усилители мощности с выходной мощностью до 40 Вт в УВЧ- диапазоне, до 30 Вт в 8-диапазоне и около 1 Вт в диапазонах частот свыше 30 ГГц.

Старые подходы к проектированию предусматривали создание как можно более простых космических аппаратов за счет переноса всей функциональной сложности и всех процессов обработки данных на наземные станции. По мере миниатюризации схем памяти и процессоров мы получили теперь возможность решать на борту космического аппарата огромное количество задач обработки данных. В результате уменьшается требуемая скорость передачи данных на линии «вниз», поскольку нам нужно передавать меньшее количество данных, и упрощается наземная станция, поскольку уменьшается количество возлагаемых на нее задач обработки данных. Современной тенденцией проектирования космических аппаратов является обработка на борту как можно большего объема информации, в том числе и потому, что потребители информации на Земле не хотят иметь дело с первичной информацией.

На системном уровне иерархии подсистема связи может взаимодействовать со стационарной или мобильной наземной станцией, а также со спутником-ретранслятором. Примеры таких подсистем и их интерфейсов приведены в таблице 11-19. Обычно мы выбираем интерфейсы системного уровня после того, как определены требования верхнего уровня к проекту в целом или к космическому аппарату.

На уровне иерархии подсистем космического аппарата подсистема связи непосредственно взаимодействует со всеми бортовыми подсистемами за исключением, быть может, двигательной установки. Взаимодействие подсистемы связи с подсистемой наведения и навигации определяется, прежде всего, необходимостью наведения бортовой антенны. Для наведения используется карданный подвес, или моторизованный вращающийся шарнир, имеющий одну или две степени свободы и обеспечивающий управление положением бортовых остронаправленных антенн космического аппарата. Неподвижные, или бескарданные направленные антенны используют многоэлементные (матричные) облучатели для перемещения луча на малые углы, а для перемещения луча на большие углы космический аппарат в целом выполняет маневры переориентации. Всемирным исполнительным советом по радиосвязи установлены требования по наведению антенн для космических аппаратов, выводимых на геостационарные орбиты. Погрешность наведения не должна превышать 10% ширины радиолуча антенны по уровню половинной мощности (по уровню -3 дБ), или 0.3°. В таблице 11-20 обобщаются ограничения на проектирование подсистемы связи космического аппарата и требования, предъявляемые ею к другим бортовым подсистемам.

Варианты интерфейсов системного уровня иерархии для подсистемы связи

Ниже описаны некоторые интерфейсные возможности для бортовой подсистемы связи. Если интерфейсом является существующая система, в графе «Комментарии» приведены ссылки на

соответствующие нормативные документы.

Взаимодействие подсистемы связи с подсистемой управления и обработки данных включает передачу командно-программной информации, прием потока телеметрической информации, а также прием команд управления подсистемой связи и передачу телеметрической информации о ее состоянии и функционировании. Этот интерфейс должен обеспечивать одновременное решение задач приема командно-программной информации для управления космическим аппаратом и передачи потока телеметрической информации космического аппарата в реальном масштабе времени. Он также должен обеспечивать аварийный режим работы подсистемы связи и автономное решение ею задач обнаружения и парирования отказов.

Взаимодействие подсистемы связи с подсистемой электроснабжения космического аппарата определяется прежде всего мощностью, потребляемой подсистемой связи, и требованиями, предъявляемыми ее оборудованием к параметрам электрического питания. Одним из распространенных вариантов организации электрического питания подсистемы связи является использование двух раздельных шин питания: одна из них обеспечивает питание усилителей мощности на лампах бегущей волны стабилизированным напряжением 28 В постоянного тока, а вторая - питание остального оборудования подсистемы нестабилизированным напряжением 28 В постоянного тока. Этот вариант предполагает наличие в составе оборудования подсистемы связи источников вторичного электропитания, которые обеспечивают формирование вторичной сетки напряжений с необходимыми параметрами. Другим вариантом организации интерфейса подсистемы связи с подсистемой электроснабжения космического аппарата является централизованное решение задач преобразования и регулирования напряжения первичного питания средствами подсистемой электроснабжения, которая формирует для питания оборудования подсистемы связи несколько шин с напряжениями +5 В постоянного тока, +12 В постоянного тока и т.д. Поскольку усилители мощности на основе ламп бегущей волны требуют высоковольтного электропитания (-1000 В постоянного тока, +1000 В постоянного тока, +4000 В постоянного тока и т.д.), централизованное решение задач преобразования и регулирования напряжения первичного питания редко используется для организации электропитания связного оборудования, использующего усилители мощности на основе ламп бегущей волны.

Ограничения на проектирование подсистемы связи и требования, предъявляемые ею к другим подсистемам космического аппарата

Взаимодействие с аппаратурой полезной нагрузки сводится главным образом к передаче целевой информации на наземную станцию или на спутник-ретранслятор. Характеризуется этот интерфейс скоростью передачи данных и их объемом, а также требованиями, характеризующими взаимодействие с используемым оборудованием для хранения информации. Нам может также потребоваться интерфейс для обмена сигналами между аппаратурой полезной нагрузки и подсистемой связи, и для модулирования целевой информации.

В таблице 11-21 представлены основные этапы процесса проектирования подсистемы связи. Поскольку в процессе проектирования мы должны определить основные параметры связи и состав наземного и бортового оборудования подсистемы, целесообразно воспользоваться методиками, описанными в Главе 13, для определения основных характеристик радиолинии. Мы должны будем повторить этот процесс неоднократно, чтобы добиться приемлемой массы космического аппарата, его конфигурации и значений основных тактико-технических характеристик.

Процесс предварительного проектирования подсистемы связи

11.2.2 Проектирование подсистемы связи

В таблице 11-22 перечислены параметры подсистемы связи, которые мы должны определить и контролировать наряду с основными требованиями системного уровня иерархии, которые были приведены в таблице 11-18.

Таблица 11-22

Проектные параметры подсистемы связи

Ниже приведены основные проектные параметры бортовой подсистемы связи, которые обычно
устанавливаются на уровне иерархии подсистем (проектные параметры системного уровня иерархии

Как видно из таблицы 11-23, критерии выбора того или иного варианта проектного облика подсистемы связи могут быть разбиты на три категории: тактико-технические характеристики, совместимость с существующим оборудованием, опыт предыдущей эксплуатации. При этом наиболее важным критерием выбора являются именно тактико­технические характеристики. Оборудование подсистемы связи должно удовлетворять минимальным требованиям, обеспечивающим создание связной радиолинии с приемлемым отношением сигнал/шум. Вероятность сбоя на символ передаваемой информации является показателем добротности цифровой части связной радиолинии. Это вероятность того, что
бит данных, переданный в радиолинию, будет принят без искажений. Обычно мы устанавливаем указанную вероятность на уровне 1 х 10"⁵ для радиолинии передачи командно­программной информации (радиолиния «вверх») и на уровне 1х10^-4 для радиолинии передачи телеметрической информации (радиолиния «вниз»), в зависимости от характера передаваемой информации. Для обеспечения такого уровня вероятности сбоя на символ передаваемой информации подсистема связи должна удовлетворять определенной совокупности технических требований: выходная мощность передатчика, шум-фактор приемника, стабильность частоты задающего генератора, потери в высокочастотном тракте подсистемы и коэффициент усиления антенны.

Критерии выбора вариантов проектного облика подсистемы связи

Критерии выбора того или иного варианта проектного облика подсистемы связи на уровне иерархии
подсистем могут быть разбиты на три категории: тактико-технические характеристики, совместимость
с существующим оборудованием, опыт предыдущей эксплуатации. В таблице 13-3 (Глава 13)
приведены критерии выбора того или иного варианта архитектуры подсистемы связи.

Совместимость является важным критерием выбора варианта проектного облика подсистемы связи, которая должна взаимодействовать с уже существующими средствами (наземным станциям или спутниками-ретрансляторами). Если подсистема связи должна работать с наземными станциями системы связи «Космос-Земля» (англ. 8расе Огоипё Ьтк 8у$1ет, 80Ь8), то ее приемник и передатчик должны соответствовать спецификации системы 80Ь8. Если же подсистема связи должна работать со спутниковой системой слежения и ретрансляции данных (англ. Тгасктд апё Ба!а Ке1ау 8а!е1Ше 8у$1ет, ТБК88), то ее приемник и передатчик канала межспутниковой связи должны соответствовать спецификации системы ТБК.88.

Опыт предшествующей эксплуатации важен в тех случаях, когда сроки реализации и бюджет космического проекта достаточно жесткие, и технологический риск должен быть сведен к минимуму. Однако существует достаточно большая номенклатура оборудования подсистем связи, которое удовлетворяет одновременно всем трем выше сформулированным критериям. Типовой приемо-передатчик системы 80Ь8, как правило, уже летал в космос, совместим с наземными станциями системы 80Ь8 и позволяет реализовать радиолинию «Земля-Космос-Земля» с приемлемым уровнем вероятности сбоя на символ передаваемой информации.

Приемная часть подсистемы (радиолиния «вверх») функционирует следующим образом. Прежде всего, будем предполагать, что оборудование наземной станции обеспечило модуляцию промежуточной частоты цифровым потоком командно-программной информации, затем - модуляцию несущей частоты линии «вверх» промежуточной частотой, сформировав таким образом композитный высокочастотный сигнал. Этот сигнал поступает на вход подсистемы связи через антенну (правая часть рисунка 11-4). Через блок частотной развязки сигнал поступает на высокочастотный переключатель, который обеспечивает подключение приемника А или В к антенне А или В в любой комбинации. Далее сигнал попадает на фильтр нижних частот, который подавляет нежелательные гармоники сигнала передатчика подсистемы связи и колебания частоты, которые могут выходить за пределы полосы подавления блока частотной развязки. Затем сигнал поступает на вход приемника, где осуществляется его демодуляция. Выделенный из высокочастотного сигнала цифровой поток командно-программной информации передается с выхода приемника на подсистему управления и обработки данных.

Телеметрическая информация о состоянии и функционировании бортового оборудования космического аппарата (служебная телеметрическая информация) и целевая информация от аппаратуры полезной нагрузки поступают на устройство подготовки информации к передаче. Это устройство обеспечивает модулирование промежуточных частот (если они используются) телеметрической и целевой информацией, затем модулированные промежуточные частоты поступают в передатчик, где используются для модуляции несущей частоты. Если приемо-передатчик (ретранслятор) подсистемы связи работает в двухстороннем когерентном режиме, то несущая частота радиолинии «вниз» формируется из опорной частоты управляемого напряжением задающего генератора приемника. Полученный в результате композитный сигнал радиолинии «вниз» передается через антенну на наземную станцию для обработки.

Что касается сигналов измерения дальности, то дальномерные кодовые посылки или сигналы тональной частоты выделяются приемником из поступающего с антенны на его вход радиосигнала линии «вверх». Затем выделенные псевдослучайные шумоподобные кодовые посылки или сигналы тональной частоты поступают в передатчик, где используются для модулирования несущей частоты радиосигнала линии «вниз», усиливаются по мощности и поступают на антенну для передачи на наземную станцию.

Рис. 11-4. Структурная схема типового приемо-передатчика подсистемы связи

1 - композитный (несущая и промежуточные частоты) высокочастотный радиосигнал линии «вверх» от антенны;

2 - приемник; 3 - сигнал промежуточной частоты, модулированной цифровым потоком командно-программной информации; 4 - дешифратор команд; 5 - цифровой поток командно-программной информации на подсистему управления и обработки данных космического аппарата; 6 - когерентная передача сигналов измерения дальности; 7 - команды управления приемником; 8 - телеметрическая информация о состоянии и функционировании приемника; 9 - команды управления дешифратором команд; 10 - телеметрическая информация о состоянии и функционировании дешифратора команд; 11 - композитный (несущая и промежуточные частоты) высокочастотный радиосигнал линии «вниз» на антенну; 12 - передатчик; 13 - сигнал промежуточной частоты, модулированной цифровым потоком телеметрической и целевой информации; 14 - устройство подготовки телеметрической и целевой информации к передаче; 15 - цифровая телеметрическая информация о состоянии и функционировании бортового оборудования космического аппарата (служебная телеметрическая информация) от подсистемы управления и обработки данных; 16 - цифровая целевая информация от аппаратуры полезной нагрузки космического аппарата; 17 - команды управления передатчиком; 18 - телеметрическая информация о состоянии и функционировании передатчика; 19 - команды управления устройством подготовки телеметрической и целевой информации к передаче; 20 - телеметрическая информация о состоянии и функционировании устройства подготовки телеметрической и целевой информации к передаче.

Для типичного космического аппарата с трехосной системой стабилизации малонаправленные антенны подсистемы связи размещаются на верхней и нижней (относительно Земли при номинальной ориентации) сторонах корпуса космического аппарата. Мы размещаем все антенны радиолиний связи с Землей таким образом, чтобы обеспечить им беспрепятственный обзор Земли, а антенны радиолиний межспутниковой связи таким образом, чтобы обеспечить им беспрепятственный обзор спутника- ретранслятора. Традиционно электронное оборудование подсистемы связи размещается как можно ближе к антеннам. Если мы используем остронаправленную антенну, помещенную в карданный подвес, то мы должны быть уверены в том, что ни корпус космического аппарата, ни присоединенные к корпусу элементы конструкции (такие, как панели солнечной батареи), не будут попадать в зону радиообзора антенны при любых допустимых угловых положениях привода.

Космические аппараты, стабилизированные вращением, обычно имеют цилиндрическую форму и, как правило, содержат в своем составе стабилизированную платформу. За исключением разнообразных малонаправленных антенн, остальные антенны должны размещаться именно на стабилизированной платформе. Часто высокочастотная часть и остальное электронное оборудование подсистемы связи также размещается на стабилизированной платформе, что позволяет избежать проблем, связанных с передачей высокочастотных сигналов через вращающийся подвес платформы.

С точки зрения организации радиосвязи космические аппараты, выводимые на низкие околоземные или на геостационарные орбиты, не имеют принципиальных отличий. Основным же отличием является потери на трассе распространения радиосигналов из-за различной дальности связи, то есть расстояния, проходимого сигналами. Эти потери мы можем компенсировать либо повышением коэффициента усиления антенны, либо увеличением выходной мощности передатчика. Интересным частным случаем является такая организация радиосвязи, когда диаграмма направленности антенны должна обеспечивать покрытие только определенного участка поверхности Земли. По мере увеличения высоты орбиты космического аппарата уменьшается ширина диаграммы направленности антенны, необходимая для покрытия заданного участка поверхности Земли. Повышение коэффициента усиления антенны, обусловленное уменьшением ширины ее диаграммы направленности, компенсирует потери на трассе распространения радиосигналов по обратно-квадратичному закону. В этом случае с увеличением высоты орбиты можно избежать необходимости повышения мощности передатчика.

В таблице 11-24 обобщаются пять различных подходов к применению подсистемы связи. Для каждого из этих случаев в таблице приведены диапазоны частот, модуляция сигналов и основные характеристики антенн.

Характеристики основных типов подсистем связи

В таблице приведены основные характеристики двух подсистем связи «Земля-Космос-Земля» и трех подсистем
межспутниковой связи. Каждая система может использовать различные схемы модуляции радиосигнала.
Характеристики антенн для подсистем связи «Земля-Космос-Земля» охватывают антенны двух типов -
направленная антенна для штатного (ориентированного) режима полета космического аппарата и
малонаправленная антенна с полусферической диаграммой направленности для аварийного

(неориентированного) режима полета.

Условные обозначения:

ЧКМ - частотно-кодовая манипуляция; АМ - амплитудная модуляция;

ФМ - фазовая модуляция;

ИКМ - импульсно-кодовая модуляция;

ФКМ - фазово-кодовая манипуляция;

КФКМ - квадратурная фазово-кодовая манипуляция;

ФИМ - фазоимпульсная модуляция.

В таблице 11-25 приведены подробные технические характеристики - масса оборудования, потребляемая мощность, габаритные размеры блоков - трех типовых подсистем связи: подсистемы 8-диапазона, совместимой с системой спутников-

ретрансляторов ТБК.88, типовой подсистемы Х-диапазона и типовой подсистемы Ки- диапазона. Информация в таблицах 11-24 и 11-25 подобрана на основе спецификаций, публикуемых изготовителями бортового коммуникационного оборудования, и обобщает сегодняшний уровень развития технологии бортовых подсистем связи космических аппаратов.

Технические характеристики типовых подсистем связи

В составе каждой из представленных в таблице подсистем используется два приемо-передатчика
(ретранслятора) для обеспечения резервирования и две малонаправленные антенны с полусферической
диаграммой направленности, обеспечивающие полный обзор. Применение подсистемы связи Ки-
диапазона предполагает одновременное наличие на борту космического аппарата подсистемы связи 8-
диапазона, которая используется в случае потери аппаратом штатной ориентации.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: