Общие сведения о подсистеме связи КА

Подсистема связи,иначе именуемаякомандно-траекторно-телеметрической подсистемойявляется интерфейсом между космическим аппаратом и Землей, или между данным космическим аппаратом и другими космическими аппаратами. В штатном режиме функционирования подсистема обеспечивает одновременный прием и передачу радиосигналов на разных частотах.

Подсистема связи космического аппарата обеспечивает прием и демодуляцию радиосигналов на линии «вверх», а также модуляцию и передачу радиосигналов на линии «вниз». Доступность космического аппарата как объекта радиосвязи требует наличия свободных от затенения зон обзора бортовых антенн. Кроме того, необходимо обеспечить прием достаточного количества энергии радиосигнала для того, чтобы выделить полезный сигнал с допустимой частотой появления ошибок в нем. Доступ в широком диапазоне углов требует наличия бортовой приемной антенны с достаточно широкой диаграммой направленности, поэтому хороший проект космического аппарата всегда включает антенну или систему антенн, которая способна обеспечить прием радиосигналов, по крайней мере, в пределах полусферы. Коэффициент усиления антенны с широкой диаграммой направленности обычно невелик – как правило, 0 дБ для полусферической зоны обзора. Таким образом, мы должны выбирать уровень излучаемой мощности и чувствительности приемника таким образом, чтобы иметь возможность выделять полезный сигнал с приемлемой частотой появления ошибок в нем. Информация, принимаемая на борту космического аппарата по линии «вверх», включает команды управления и дальномерные коды. Скорость передачи командно- программной информации на борт космического аппарата может находиться в диапазоне от 100 бит/с до 100 кбит/с, однако для большинства подсистем связи эта величина не превышает 1000 бит/с. Скорость передачи командно-программной информации на борт космического аппарата зависит от особенностей конкретного космического проекта и определяет полосу пропускания подсистемы связи, которая, в свою очередь, определяет уровень принимаемой мощности, необходимый для обнаружения полезного сигнала (подробнее этот вопрос рассматривается ниже, в Главе 13). Для каналов прямой связи космического аппарата с наземной станцией уровень мощности принимаемого сигнала не является фактором, определяющим проектный облик подсистемы связи, поскольку мы всегда можем установить уровень мощности, излучаемой передатчиком наземной станции, на необходимо высоком уровне. Однако уровень мощности сигнала, принимаемого от спутника-ретранслятора, оказывает существенное влияние на чувствительность приемного устройства бортовой подсистемы связи космического аппарата и на максимально достижимую скорость передачи информации. Подсистемы связи, от которых требуется обеспечить передачу информации со скоростью, превышающей 1000 бит/с, обычно используют направленные антенны с большим коэффициентом усиления, и также, при необходимости, могут эксплуатироваться в режиме низкой скорости передачи данных для обеспечения доступа к космическому аппарату в широком диапазоне углов.

Сигнал, передаваемый с борта космического аппарата по линии «вниз», включает дальномерные коды, телеметрическую информацию о состоянии и процессах функционирования космического аппарата, и целевую информацию от аппаратуры полезной нагрузки. Исходная информация для передачи по линии «вниз» обычно представлена в цифровой форме и мультиплексирована по частоте или по времени. Скорость передачи телеметрической информации о состоянии и процессах функционирования космического аппарата обычно находится в диапазоне от 100 бит/с до 1000 бит/с. Если через линию «вниз» подсистемы связи передается только телеметрическая информация о состоянии и процессах функционирования космического аппарата, или если целевая информация от аппаратуры полезной нагрузки может быть передана через узкополосную линию связи, мы можем использовать передающую антенну с широкой диаграммой направленности. Передача информации с широкой полосой частот обычно требует применения направленной антенны с большим коэффициентом усиления, однако для подсистемы связи и в этом случае предусматривается режим низкой скорости передачи данных для обеспечения работы в широком диапазоне углов.

Подсистема связи может также обеспечивать формирование последовательностей команд, передачу квитанций на принятые команды и исполнение автономных (без привлечения средств подсистемы управления и обработки данных) команд, таких как перевод себя в режим аварийного функционирования или подключение малонаправленной антенны к активному радиоприемнику.

Функции подсистемы связи

Ниже приведен перечень функций бортовой подсистемы связи, соединяющей космический аппарат с Землей или с другими космическими аппаратами. Термин «бортовая» в данном случае отражает то обстоятельство, что подсистема связи обеспечивает прием сигналов с Земли или с других космических аппаратов и передачу сигналов на Землю или на другие космические аппараты.

Функции

• Слежение за несущей частотой

- Двухсторонняя когерентная связь (несущие частоты сигналов на линиях «вниз» и «вверх» имеют постоянное и вполне определенное отношение)

- Двухсторонняя некогерентная связь

- Односторонняя связь

• Прием и дешифровка команд управления

- Обнаружение и слежение за несущей частотой сигнала на линии «вверх»

- Демодуляция несущей и поднесущей частот

• Получение тактовой

- синхронизации и выделение битов данных

- Разрешение фазовой неопределенности при ее наличии

- Передача командно-программной информации, синхронизирующих импульсов и сигнала индикатора захвата в подсистему управления и обработки данных космического аппарата

• Модуляция и передача телеметрической информации

- Прием потока телеметрической информации от подсистемы управления и обработки данных или от подсистемы хранения данных

- Модуляция поднесущей и несущей частот радиосигнала на линии «вниз» служебной или целевой телеметрической информацией

- Передача полученного сигнала на Землю или на спутник-ретранслятор

• Измерение дальности

- Обнаружение и ретрансляция дальномерных псевдослучайных последовательностей или тональных сигналов

- Ретрансляция фазы принятого сигнала когерентным или некогерентным методом

• Служебные функции подсистемы

- Прием команд управления от подсистемы управления и обработки данных

- Формирование телеметрической информации о состоянии и функционировании подсистемы связи и передача ее в подсистему управления и обработки данных

- Обеспечения наведения антенн, требующих управления пространственным положением радиолуча

- Формирование последовательностей команд в соответствии с заложенной программой

- Автономный выбор малонаправленной антенны в случае потери ориентации космического аппарата

- Обнаружение отказов и восстановления работоспособности подсистемы с использованием хранящегося в ней программного обеспечения

Функции подсистемы связи включают также прием команд от подсистемы управления и обработки данных и выдача в указанную подсистему телеметрической информации о состоянии и функционировании подсистемы связи. Если антенна подсистемы требует управления положением своего радиолуча в пространстве, то в функции подсистемы связи входит также наведение антенны. При этом наведение антенны методом автосопровождения требует наличия в составе подсистемы связи соответствующего оборудования. Это оборудование формирует сигнал рассогласования (погрешности наведения) и выдает его в подсистему наведения и навигации, благодаря чему мы можем осуществлять наведение бортовых антенн космического аппарата. Для формирования сигнала рассогласования чаще всего используются моноимпульсные системы и системы с коническим сканированием. Моноимпульсные системыиспользуют моноимпульсный облучатель, который формирует разностную диаграмму направленности, имеющую минимумы по осям как азимутальной, так и угломестной плоскости.Системы с коническим сканированиемобеспечивают вращение приемного радиолуча с небольшим углом между осью вращения и осью луча. Нарастание и спад амплитуды принимаемого радиосигнала на каждом обороте радиолуча определяют погрешность наведения антенны. Сравнивая положение облучателя антенны с положением, в котором принимаемый радиосигнал имеет максимальную амплитуду, мы можем сформировать сигнал рассогласования, по которому система наведения обеспечит перенацеливание антенны. Системы программного наведения антенн могут использоваться в тех случаях, когда мы знаем положение бортовой антенны космического аппарата, подлежащей наведению, и направление в пространстве на ту систему (наземную или космическую), с которой космический аппарат должен войти в связь.

Подсистемы связи большинства космических аппаратов формируют радиосигналы линии «вниз», когерентные по фазе с радиосигналами линии «вверх». Фазовая когерентностьозначает, что мы передаем несущую частоту линии «вниз» таким образом, что ее фаза изменяется синхронно с фазой принятой несущей частоты линии «вверх». Этот процесс иногда в литературе именуется такжекогерентным реверсированием передачиилидвусторонним когерентным режимом.Процесс когерентного реверсирования передачи формирует несущую частоту линии «вниз» таким образом, чтобы она отличалась от частоты несущей линии «вверх» на величину, определяющую количественно заданноеотношение реверсирования передачи.Это отношение несущей частоты линии «вниз» к несущей частоте линии «вверх». Такой режим функционирования подсистемы связи возможен только в том случае, если ее передатчик сфазирован с принимаемой несущей частотой линии «вверх». Для данного радиосигнала на линии «вверх» радиосигнал на линии «вниз» должен иметь постоянную разность фаз с ним. Для ретрансляторов подсистем связи, совместимых со стандартом 08ТБК НАСА, приемник понижает несущую частоту линии «вверх», формируя при этом сигнал в форме уровня напряжения, в соответствии с которым управляемый напряжением задающий генератор приемника работает на частоте, в точности равной 2/221 долям несущей частоты линии «вверх». Затем опорная частота задающего генератора подается на передатчик, где повышается с коэффициентом умножения, равным 120. Таким образом, результирующая частота передатчика на линии «вниз» будет равна 240/221 долям несущей частоты линии «вверх». Отношение реверсирования передачи для ретрансляторов подсистем связи, совместимых со стандартом 80Ь8 равно 256/205. Двусторонний когерентный режим дает возможность наземной станции точнее знать частоту радиосигнала на линии «вниз» и измерять доплеровский сдвиг частоты, из которого вычисляется скорость изменения дальности до космического аппарата. Это знание позволяет нам перебирать несколько частот и, тем самым, повышать скорость вхождения в синхронизм с космическим аппаратом. Космические аппараты для наблюдения и сбора данных о процессах в глубоком космосе, а также космические аппараты наблюдения Земли из космоса, выводимые на низкие околоземные орбиты, являются лучшей иллюстрацией преимуществ описанного подхода. Такие космические аппараты обычно характеризуются большим объемом передаваемой на Землю информации, а также малым временем нахождения в зоне радиовидимости наземной станции. Для передачи максимального объема данных на наземную станцию с максимальной для данного космического аппарата скоростью мы должны обнаруживать радиосигнал на линии «вниз» и синхронизировать радиолинию за минимальное время. Кроме того, если мы используем внешнетраекторные измерения для целей навигационного обеспечения, мы можем вычислять скорость изменения дальности до космического аппарата по измеренному доплеровскому сдвигу частоты когерентного сигнала.

Некоторые разновидности подсистем связи формируют уникальную несущую частоту радиосигнала на линии «вниз» путем установки ее по центральному задающему генератору подсистемы. В этом случае фаза несущей частоты радиосигнала на линии «вниз» не синхронизируется с несущей частотой радиосигнала на линии «вверх». Предположим, что подсистема функционирует в двухстороннем когерентном режиме, когда приемник подсистемы теряет синхронизацию с радиосигналом на линии «вверх». В этот момент передатчик подсистемы связи автономно изменит режим формирования несущей частоты радиосигнала на линии «вниз» с установки ее по управляемому напряжением задающего генератора приемника на установку частоты по центральному задающему генератору подсистемы.

Подсистема связи обычно следит за несущей частотой радиосигнала на линии «вверх», принимает и дешифрует команды управления и передает телеметрическую информацию. Иногда на подсистему связи возлагается также задача модуляции несущей частоты радиосигнала на линии «вниз» телеметрической информации, однако возможно применение специальных устройств преобразования сигнала для реализации уникальных схем модуляции и уникальных поднесущих частот.

Наземная станция может использовать дальномерный метод радионавигации для слежения за космическим аппаратом. В зависимости от реализованного стандарта связи наземная станция модулирует несущую частоту радиосигнала на линии «вверх» командной информацией в форме псевдослучайных кодов, сигналов тональной частоты или их обоих вместе. Приемник подсистемы связи выделяет псевдослучайные коды или сигналы тональной частоты из принятого радиосигнала и ретранслирует их на несущей частоте радиосигнала линии «вниз» обратно на наземную станцию. Угломерная информация с системы наведения направленной антенны наземной станции позволяет нам определить азимут и угол места космического аппарата. Зная время распространения дальномерного кодаили сигнала тональной частоты от наземной станции до космического аппарата и обратно, мы можем определить дальность до космического аппарата. Если фаза несущей частоты радиосигнала на линии «вниз» когерентна с несущей частотой радиосигнала на линии «вверх» (двухсторонний когерентный режим), мы можем измерять доплеровский сдвиг частоты радиосигнала на линии «вниз» и, на его основе, вычислять скорость измерения радиальной дальности.

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.