4.Формирование состава и структуры ка связи.

Состав и структура КА связи имеют весьма большое разнообразие и определяются не только различными задачами, но и конкретными разработчиками КА и системы в целом. Рассмотрим состав КА и применяемую терминологию, которые наиболее характерны для основных отечественных разработок по системам. Типовой состав КА связи приведен на рис.2.

Рисунок 2 - Типовой состав КА связи

Как было сказано в предыдущей лекции решение целевой задачи (ретрансляция сигналов между ЗС) осуществляется бортовыми ретрансляционными комплексами спутников связи (БРТК) совместно с наземным комплексом приема и передачи информации. Остальные подсистемы КССПД обеспечивают функционирование БРТК КА связи. Среди компонентов системы связи, непосредственно взаимодействующих со средой при реализации цели системы – КА связи, на борту которого установлен бортовой ретрансляционный комплекс (БРТК).

Функции БРТК – ретрансляция сигналов между ЗС в пределах заданной зоны обслуживания с требуемыми энергетическими параметрами; информационно-командное взаимодействие с БС СС; прием (по служебному каналу КЗС – БРТК) команд и их исполнение с целью изменения параметров каналов связи; передача в служебный канал БРТК – КЗС телеметрических параметров СС и БРТК для их последующего анализа; передачу сигналов маяков для наведения антенн ЗС.

При ретрансляции сигналов между ЗС оси главных лепестков диаграмм направленности антенн спутников связи должны быть ориентированы на земную поверхность определенным образом. Это может осуществляться как системой ориентации и стабилизации КА, так и соответствующим поворотом антенны.

Функции БА КИС: прием из КИС НКУ (через собственную антенно-фидерную систему (АФС)) массивов КПИ И РК управления бортовыми системами и передача их в БВС СС; ретрансляция (прием и передача) сигнала КИС НКУ для ИТНП; прием из БВС СС кодов РК управления бортовыми системами СС и передача команд в бортовые системы по МКО; прием из ТМС СС телеметрических данных (ТД) и передача их в КИС НКУ.

Бортовой комплекс управления (БКУ) СС предназначен для управления работой бортовых систем спутника и включает: бортовую вычислительную систему (БВС), систему управления ориентацией и стабилизацией (СУОС) СС, систему ориентации фотоэлектрических батарей (СОФБ) и бортовое синхронизирующее устройство (БСУ).

БВС предназначена для решения задач ориентации, стабилизации, наведения и управления СС. Функцией БВС является информационный обмен (прием информации от бортовых систем СС и передача информации в бортовые системы). Информационный обмен осуществляется по мультиплексному каналу обмена (МКО).

Основной функцией СУОС является ориентация и стабилизация СС с заданной точностью относительно программного положения.

Функциями СОФБ являются одноосный разворот панелей фотоэлектрических батарей относительно Солнца и передача электроэнергии от фотоэлектрических батарей.

Функция БСУ – формирование сигналов синхронизированной частоты для БРТК, БВС и других систем.

Основные функции телеметрической системы (ТС), которая имеет в своем составе запоминающее устройство (ЗУ), заключаются в следующем: сбор информации с цифровых, аналоговых и температурных датчиков; прием массива цифровой информации (МЦИ) от БВС и БРТК; запоминание собираемой информации и ее воспроизведение.

Бортовые обеспечивающие системы (БОС) предназначены для обеспечения БРТК, БКУ, БА КИС и ТМС электроэнергией, теплового режима их работы, коррекция орбиты и другие функции. БОС включает СЭП, ДУ, СТР, конструкцию и прочие средства.

Пример структурной схемы КА связи приведен на рис.3.

Рисунок 3 – Структурная схема КА связи

Тема 10. Особенности проектирования КА обеспечения связи различного типа. Выбор определяющих проектных параметров. Анализ показателей целевой и экономической эффективности КА обеспечения связи различного типа.

Лекция 19-20.

Особенностью задачи проектирования КС связи является её многопараметрический и многокритериальный характер. В общем случае из-за наличия случайных факторов, например, внешней среды, задача формулируется как стохастическая. Алгоритм оптимизации параметров и структура проектных моделей оценки характеристик КС связи в основном подобны КС мониторинга (см. тема 2). Незначительное отличие заключается в структуре КС (например, НКППИ и др.). Структура КС связи приведена на рис.1.

Рисунок 1 - Структура космической системы связи

Алгоритм оптимизации параметров космической системы связи приведен на рис.2. Структура проектных моделей оценки характеристик КС представлена на рис.3.

Рисунок 2 - Алгоритм оптимизации параметров КС связи

Рисунок 3 - Структура проектных моделей оценки характеристик КС связи

Рассмотрим постановку задачи оптимизации параметров КА связи.

Масса КА представляется в виде суммы масс целевой аппаратуры и бортовых служебных систем :

Масса ЦА (БРТК) зависит от параметров входящих подсистем (ПРМ, ПРД и УОС БРТК):

.

Масса БКУ зависит от параметров входящих подсистем (БВС, СУОС, СОФБ и БСУ) и представляется в виде:

.

Масса БА КИС зависит от параметров входящих подсистем (ПРМ, ПРД и ПРС) и представляется в виде:

.

Масса ТМС зависит от параметров входящих подсистем (ВС, БСИ) и представляется в виде:

.

Масса ОСС зависит от параметров входящих подсистем (СЭП, ДУ, СТР и конструкции (СТРК)) и представляется в виде:

.

При определении массы КА выделены параметры подсистем, которые определяют функциональные характеристики КА, а также уровень надежности, трудоемкость работ при создании КА, затраты на реализацию проекта и другие характеристики.

Тогда задача оптимизации параметров КА связи может быть записана следующим образом:

определить параметры подсистем, составляющих КА связи, с тем, чтобы затраты на создание аппарата были минимальными

и выполнялись функциональные и параметрические ограничения

где - параметры КА; , - соответственно масса и надежность КА; - надежность j-ой бортовой системы КА (j = 1,…, m); - функция, определяющая трудоемкость работ, длительность разработки и создания КА; - функция, определяющая научно-технический уровень разработки.

Функциональные и параметрические ограничения включают соответственно:

- параметры орбиты;

- требуемое значение надежности;

- ограничение на массу КА и сроки реализации проекта (трудоемкость);

- требование к пропускной способности информационного канала;

- оценку научно-технического уровня разработки, которая должна быть не ниже заданного уровня;

- области изменения параметров подсистем КА.

При постановке задачи ряд функциональных и параметрических связей определяются при решении задачи проектирования КС связи на i-1-м уровне управления разработкой.

Как видно, задача оптимизации параметров КА является многопараметрической и многокритериальной. В записи задача оптимизации параметров КА используется метод ограничений решения многокритериальных задач. Кроме того, как показывает анализ, задача оптимизации параметров КА является динамической и стохастической, так как используемые соотношения содержат факторы (определяющие параметры), значения которых прогнозируются к моменту реализации проекта. Обычно решение такой задачи проводят итерационно, используют приемы пространственно-временной декомпозиции, членения основной задачи на частные – задачи оптимизации параметров отдельных подсистем при заданных функциональных связях. В таком случае проблему представляет разработка методов решения частных задач и организация согласованной оптимизации с учетом динамики связей.

На рис. 4 показан алгоритм оптимизации параметров КА. Блок оптимизации параметров подсистем КА реализует направленный перебор параметров подсистем при поиске их оптимального значения. В блоке оценки характеристик подсистем КА проводится расчет их основных параметров. В процессе поиска рационального решения (оптимальных параметров КА) проводится оценка надежности КА, научно-технического уровня разработки, оценка трудоемкости и затрат на проект. На каждом шаге итерационного поиска рациональных параметров проводится оценка выполнения соответствующих условий по уровню надежности, научно-технического уровня и трудоемкости. Оптимальное решение удовлетворяет предъявляемым требованиям и обеспечивает минимальные затраты на проект. Структура проектных моделей оценки характеристик КА представлена на рис.5.

Рисунок 4 - Алгоритм оптимизации параметров КА

Рисунок 5 - Структура проектных моделей оценки характеристик КА связи

Выбор определяющих проектных параметров.

Задачу выявления определяющих факторов и параметров решаем в предположении, что КА связи является “идеальным” объектом, который не испытывает действия возмущений и является детерминированным.

По результатам анализа требований, предъявляемым к КА связи, определены следующие определяющие параметры:

• пропускная способность ;

• стоимость ;

• эффективность .

По уровням иерархии критерий эффективность (экономическая) выше критериев пропускная способность и стоимость .

Например, для КС связи изменение ее стоимости в случае известных параметров НРТК, ЗС и др., безусловно, в основном определяется изменением стоимости орбитальной структуры КА. Потребитель оценивает для КС экономическую эффективность по разнице между получаемым доходом и затратами на систему в целом . Доход от КС зависит от такого показателя, как пропускная способность . Чем выше , тем больше . Суммарные затраты потребителя в целом на систему , безусловно, зависят от стоимости орбитальной структуры . В свою очередь является функцией числа КА , выведенных на орбиту и стоимости КА. Экономически эффективной также можно считать такую КС, затраты на создание и эксплуатацию которой ниже затрат на наземную сеть, эквивалентную спутниковой по пропускной способности, числу и размещению обслуживаемых ЗС. Стоимость наземной сети прямо пропорциональна длине наземной сети. Очевидно, что при некотором достаточно большом расстоянии между ЗС, затраты на спутниковую систему и наземную сеть окажутся равными. Это расстояние L называется экономически эффективным. Применение спутниковой системы экономически целесообразно при .

Выполнение требований по зоне обслуживания, заданной координатами ЗС и районами ЗС , определяется выбором ОС КА связи (СС), которая определяется количеством КА в структуре и шириной луча диаграммы направленности передающей антенны БРТК .

Как было сказано выше ретрансляция сигналов с требуемой пропускной способностью зависит от параметров БРТК и ЗС: мощности передатчика , усиления антенны на прием и передачу , полной эквивалентной шумовой температуры приемников , ширины полосы пропускания приемников , дополнительных потерь по радиолинии связи , рабочей частоты на прием и передачу, дальности связи , количества бортовых передатчиков , приемных и передающих антенн. является в основном функцией и определяется влиянием атмосферы. Дальность при известных координатах ЗС однозначно определяется. Усиление передающей бортовой антенны определяется параметром . Полоса пропускания варьируется в диапазоне 36…120 МГц (по данным анализа спутников связи).

Анализ показателей целевой и экономической эффективности КА обеспечения связи различного типа.

Ниже приведены показателей целевой и экономической эффективности КА обеспечения связи

Характеристики российских КА связи на ГСО
Показатель	"Экспресс-А"	"Экспресс-К1"	"Экспресс-К2" и "Экспресс-К3"	"Ямал-200"	"Ямал-300"
Срок активного существования, лет	10	15	15	12	12
Число стволов
С-диапазон	12	32	32	28	28
Кu-диапазон	5	20	20	16	20
Полоса пропускания, МГц	36	36	36	36	36

Основные показатели ретрансляционных комплексов КА связи на ГСО
Система	Дата запуска КА	Диапазон частот	Число стволов	Мощность, Вт	Полоса частот, МГц	ЭИИМ, дБВт	G/T, дБ/К
Koreasat-2 (Южная Корея)	1996	Ku	12 (4)	14	36	50,2	13,5
MSAT 1 (Канада)	1996	L; Ku	16 (4); 1 (2)	38; 100	29	57; 37	- 4; + 2,3
Telecom 2D (Франция)	1996	C; X; Ku	10; 5 (3); 11 (4)	11; 20 или 40; 55	50 (6) + 92 (4); 40 (3) + 60или80; 36	32,5; 40; 52,5	-12; - 7,5
Arabsat 2 (Саудовская Аравия)	1996	C; Кu	14 (6); 8 (4); 12	15; 57,6; 93-96	36 (12) + 54 (2); 36; 36 (8) + 30 (4)	35; 41; 47	-6; -6; 0
Mabuhay 1 (Филипины)	1997	С; Ku	24 + 6; 24	27; 110	36; 36;	35; 55	-
Apstar 2R (Гонконг)	1997	C; Ku	28 (8); 16	60; 110	30 (1) +36 (27); 36 (1) + 54 (15)	39; 53/56	-0,4; 7,4
Galaxy 8i (США)	1997	С; Ku	24; 32	16; 115	36; 27 или 54	-	-
Inmarsat 3F5 (Inmarsat)	1998	L; C	1 (ГЛ) + 5 (УЛ); 2	12	29 (ПК )+ 39 (ОК)	40,5 (ГЛ) + 47,4 (УЛ)	-9,8 (ГЛ); -4,8(УЛ)
Nilesat 1 (Египет)	1998	Ku	12 (6)	105	33	50,3	-
Chinastar 1 (Китай)	1998	C; Ku	18 (6); 20 (10)	45; 85/115	36 (12) + 72 (6); 36 (16) + 72 (4)	41; 52/54	1; 5
Intelsat 805 (Intelsat.)	1998	C; Ku	26	34,5; 45	36; 72	26-29	-12; - 8,5
Eutelsat 3F2 (Европа)	1998	Ku	34	90	36 (21) + 72 (13)	50	-
GE 5 (США)	1998	Ku	6	55	54	47	-
Morelos 3 (Мексика)	1998	C; Ku	24; 24	36; 110	36; 36	38; 46/49	-3,0; 1,5
Brasilsat B3 (Бразилия)	1999	C	28	18	36	38	-2,5
Jcsat 6 (Япония)	1999	Ku	32	60 или 90	27 (16) + 36 (16)	-	-

Тема 11. Энергетика спутниковых линий связи. Математические модели определения обобщенных характеристик космического и наземного сегментов. Бортовые ретрансляционные комплексы (БРТК) КА связи. Состав и структурные схемы БРТК. Выбор обобщенных характеристик БРТК.

Лекция 21-22.