Архитектура системы связи
Определение архитектуры системы связи, исходя из геометрии взаимного положения космических аппаратов и наземных станций; определение архитектуры системы связи, исходя из ее функционального назначения; критерии выбора архитектуры системы связи.
Архитектура системы связи (англ. communications architecture) – это размещение в пространстве, или конфигурация, космических аппаратов и наземных станций в составе космической системы и сеть каналов связи, которая обеспечивает передачу информации между ними. Настоящая глава посвящена обсуждению вопросов размещения каналов связи в пространстве, их эксплуатации и влияния каналов связи на проект космической системы. Более подробную информацию по спутниковой связи можно найти в работе Morgan и Gordon [1989], а также в работе Sklar [1988].
В таблице 13-1 приведена последовательность этапов, выполнение которых необходимо для определения архитектуры системы связи. Первым этапом на этом пути является определение целей космического проекта и требований к системе связи на достаточно детальном уровне для того, чтобы оценить и сравнить между собой альтернативные варианты архитектуры системы связи. Альтернативные конфигурации системы и критерии, используемые для выбора предпочтительного варианта, рассмотрены в разделе 13.1 настоящей главы.
Вторым этапом является определение скорости передачи данных в каждом из каналов связи, определенных на первом этапе. Для того чтобы решить эту задачу, необходимо, чтобы сначала была определено допустимое количество ошибок в процессе передачи данных, а также получен ответ на вопрос о необходимости обработки информации на борту космического аппарата. Вопросам определения скорости передачи данных в каналах связи посвящен раздел 13.2 настоящей главы.
Третьим этапом является проектирование каждого из каналов связи, входящих в сеть передачи данных, порядок которого рассматривается в разделе 13.3 настоящей главы. Принципиальными моментами в данном вопросе является доступность частотных диапазонов, зона обслуживания бортовой антенны космического аппарата, и дальность радиосвязи между космическим аппаратом и наземной станцией. Эти факторы, в свою очередь, определяют требуемые размеры антенны и мощность передатчика – наиболее ответственных параметров космической системы, существенно влияющих на ее стоимость.
Четвертый этап, которому посвящен раздел 13.4 настоящей главы, содержит информацию, которая необходима читателю для оценки габаритных размеров и массы боровых антенн космического аппарата, потребляемой мощности и массы его бортовых передатчиков. Эти параметры являются исходными данными для процесса проектирования космического аппарата, который рассмотрен в Главе 10, и для проектирования земного сегмента космической системы, которому посвящена Глава 15.
13.1. Архитектура системы связи
Архитектура системы связи – это сеть космических аппаратов и наземных станций, соединенных между собой каналами радиосвязи. Термин наземная станция (англ. ground station) или наземный терминал (англ. ground terminal, Earth terminal) охватывает, помимо стационарных, также и мобильные терминалы наземного, авиационного и морского базирования. По существу – совокупность антенны, передатчика, приемника и аппаратуры управления, которые обеспечивают радиосвязь с космическим аппаратом.
Каналы радиосвязи обеспечивают процесс эксплуатации космической системы траекторными измерениями, передачей телеметрической, командно-программной целевой информацией между элементами системы. На рисунке 13-1 показаны поддерживающие процесс функционирования космической системы линии «вверх» (англ. uplinks – передача информации в направлении от наземной станции к космическому аппарату), линии «вниз» (англ. downlinks – передача информации в направлении от космического аппарата к наземной станции), линии межспутниковой связи (англ. cross-links или intersatellite links – передача информации от одного космического аппарата к другому). Однако на этом рисунке не показаны дополнительные каналы связи, которые могут быть необходимы для передачи информации от наземных станций к Центру управления космической системой или конечными пользователям системы. Например, сеть управления космическими аппаратами Военно-воздушных сил США включает в свой состав спутник связи DSCS-III, которые обеспечивают ретрансляцию данных между удаленными измерительными пунктами и пунктом управления спутником связи, который находится на территории штата Калифорния.
В космических системах передатчик и приемник, образующие канал связи, должны находиться в прямой видимости друг друга, при этом они должны работать на достаточно высокой частоте (выше 100 МГц), для облегчения прохождения радиосигналов через ионосферу Земли. Космический аппарат, если только он выведен не на геостационарную орбиту, часто не находится в зоне видимости наземной станции его пользователя. В этом случае для ретрансляции информации между космическим аппаратом и наземной станцией может быть использован другой космический аппарат – спутник-ретранслятор, выводимый обычно на геостационарную орбиту. Канал связи, обеспечивающий передачу информации в направлении от наземной станции через спутник-ретранслятор к космическому аппарату, называется прямым каналом связи (англ. forward link), а канал связи, обеспечивающий передачу информации в направлении от космического аппарата через спутник-ретранслятор к наземной станции, – обратным каналом связи (англ. return link). Как видно из рисунка 13-1, и прямой, и обратный канал связи включают в себя линии «вверх», линии «вниз» и линии межспутниковой связи.
Рис. 13-1. Архитектура системы связи состоит из сети космических аппаратов и наземных станций, соединенных между собой каналами радиосвязи
Подписи на рисунке: 1 – участок выведения; 2 – траекторные измерения, телеметрический контроль и команды управления; 3 – космический аппарат на орбите; 4 – линия «вверх»; 5 – линия «вниз»; 6 – космический аппарат – источник целевой информации (сенсор); 7 – целевая информация от аппаратуры полезной нагрузки; 8 – обратный канал связи; 9 – прямой канал связи; 10 – спутник-ретранслятор; 11 – линии межспутниковой связи; 12 – наземные станции.