Требования к подсистеме связи
Ниже приведен типовой перечень требований, предъявляемых на системном уровне, и оказывающих влияние на проектный облик бортовой подсистемы связи
Требование Варианты
и их обсуждение Комментарии Скорость
передачи данных:
Команд
Служебной
телеметрии Целевой
информации
Обычно
1000 бит/с, для межпланетных полетов
от 8 до 64 бит/с Как правило, 2400 бит/с Низкая
- 10.. .1000 бит/с Средняя - 1000 бит/с.. .100
Кбит/с Высокая - от 100 Кбит/с до
нескольких Гбит/с
Может
быть в диапазоне 8.2000 бит/с Может
быть в диапазоне 40.10000 бит/с Выбирается
в зависимости от целевых задач
конкретного космического проекта Объем
данных Накопление
информации и передача ее в течение
более продолжительных сеансов связи Определяется
произведением скорости передачи
данных на продолжительность сеансов
связи:
Более
короткие сеансы требуют большей
скорости передачи данных; Может
потребовать сжатия данных Хранение
данных Ленточные
накопители - 75 Гбит Твердотельные
накопители - 128 Мбит Память на
цилиндрических магнитных доменах -
128 Мбит Концепция
проекта может предусматривать
запоминание всего объема данных без
их непосредственной передачи Рабочая
частота
Использование
существующих выделенных частот и
каналов Использование
систем, совместимых с существующими
средствами Регламентация
осуществляется Федеральной комиссией
по связи США (РСС), Международным
союзом электросвязи (1ТЦ) и Национальным
управлением по связи и информации
США См.
диаграмму поглощения радиоволн
различной длины в атмосфере Земли Полоса
частот Используйте
теорему Шеннона для вычисления
пропускной способности радиоканала,
см. уравнение 13-24, Глава 13 Определяется
в первую очередь скоростью передачи
данных, во вторую - типом модуляции
сигнала
Потребляемая
мощность Для
снижения используйте антенну с
большей апертурой или усилители с
большей эффективностью (к. п. д.)
Уточните требования по скорости и
объему передаваемых данных Предоставляемая
космическим аппаратом мощность для
электропитания подсистемы может
стать ограничением при выборе
параметров ее передатчика Масса Для
снижения используйте усилители
мощности на базе лампы бегущей волны
с большой выходной мощностью для
уменьшения размеров антенны Уточните
требования по скорости и объему
передаваемых данных Распределение
массы между оборудованием космического
аппарата может стать ограничением
при выборе параметров антенны
подсистемы связи Ширина
радиолуча См.
таблицы 13-14.13-16, Глава 13, для выбора
различных типов антенн, форм и ширины
их диаграмм направленности
Необходимо
учитывать требования:
По
зоне обслуживания антенны
По
нулевому усилению антенны По
точности наведения антенны ЭИИМ
(требование к передатчику) Для
постоянной величины ЭИИМ - при
повышении размера (усиления) антенны
снижается требуемая мощность ЭИИМ
(дБ) = мощность передатчика + усиление
антенны - потери в ВЧ-тракте Минимально
требуемая ЭИИМ = потери в
Требование Варианты
и их обсуждение Комментарии
передатчика космосе
+ потери в атмосфере + потери на
наведение антенны - усиление приемной
антенны - чувствительность приемника Добротность
(отношение усиления приемной антенны
к шумовой температуре приемного
тракта, требование к приемнику) В
таблице 13-10 (Глава 13) приведены данные
по шумовой температуре и добротности
различных систем связи Добротность
характеризует чувствительность
радиоприемного тракта системы связи;
для существующих спутниковых каналов
связи наземная станция может только
повышать усиление своей антенны и
снижать шумовую температуру для
повышения отношения сигнал / шум в
системе
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.
Интерфейс Примеры
систем Комментарии Стационарная
80Ь8
- система 8-диапазона ТОК-0059
(6110-01)-3, переиздание Н наземная
станция
8БЬ8
- система в диапазоне 44/20 ГГц с
засекречиванием информации МГЬ-81Д-1582
С8ТБМ
- система 8-диапазона 9 и 26 метров 1РЬ-Б8Н-810-5,
версия Б
Б8Б
- система НАСА 8- и Х- диапазонов
26, 34 и 70 метров Специальные системы,
определяемые требованиями проекта 1РЬ-Б8Н-810-5,
версия Б Мобильная
наземная
ОР8
- наземная антенна, 8-диапазон, Аегокрасе станция
совместима
со стандартом 8СЬ8
БМ8Р
МК IV уаи, 8-диапазон АР8СБ
ТМ08
- антенна диаметром 23 фута, совместима
со стандартом 8СЬ8 Специальные
системы, определяемые требованиями
проекта:
Специализированный
прицеп с телекоммуникационным
оборудованием Транспортируемая
палатка ТОК-0059
(6110-01)-3 Спутник-ретранслятор ТБК88
- 8-диапазон и Ки-диапазон Стандарт
8ТББ 101.2 Центра им. Г оддарда НАСА
Б8С8
III - 8-диапазон, УВЧ (ЦБР) и Руководство
по интерфейсу Б8С8 III,
СВЧ
(8НР) диапазоны БСЛ Перспективные МШ8ТАК Технические
условия на систему связи спутники-
М!Ь8ТАК
8К-1000 ретрансляторы. Специальные
системы, определяемые
Другие
космические аппараты в составе
орбитальной группировки проекта требованиями
проекта
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
Подсистема Требования Ограничения Контроля
и управления ориентацией
Требования
по наведению антенн в карданных
подвесах (число степеней свободы
подвеса, диапазон углов прокачки
подвеса антенны)
Точность
наведения - лучше 10% ширины диаграммы
направленности антенны, или 0.3° Требования
по наведению антенны в режиме
автосопровождения (например, в
межспутниковых каналах связи)
Точность
определения и управления ориентации
космического аппарата может повлиять
на требования к ширине диаграммы
направленности антенн, жестко
закрепленных на борту Погрешности
определения и управления ориентации
космического аппарата входят в
потери на наведение антенны при
расчете энергетического бюджета
радиолиний подсистемы Команд
и обработки данных
Скорости
передачи командно-программной и
телеметрической информации
Требования
по синхронизации
Требования
двусторонней связи
Требования
автономного обнаружения отказов и
восстановления работоспособности
(в ПЗУ подсистемы связи должны
храниться наборы команд, обеспечивающие
автоматический выбор резервного
приемника и подключение его к
малонаправленной антенне Электрический
интерфейс обмена командами и
телеметрией
•
Хранение
и обработка данных на борту космического
аппарата Электроснабжения
•
Требования
по распределению и преобразованию
напряжения первичного электропитания
•
Количество
и качество питания, включая требования
по циклограмме энергопотребления в
различных режимах, по средней и
максимальной потребляемой мощности Обеспечения
теплового режима / Конструкция
Необходимость
теплоотвода для усилителей мощности
на базе ламп бегущей волны
Мощность,
рассеиваемая оборудованием подсистемы
Размещение
электронных блоков и антенн подсистемы
(длина кабелей между высокочастотными
блоками и антеннами должна быть
минимальной для снижения потерь) Свобода
зоны обзора и зоны перемещения
•
Ненормированное
изменение температуры нетермостатированного
задающего генератора подсистемы
связи приводит к нестабильности
выходной частоты генератора
Подсистема Требования Ограничения
для
каждой антенны, помещенной в карданный
подвес
Полезная
нагрузка
Требования
по хранению целевой информации
Требования
по электромагнитной совместимости
подсистемы связи и полезной нагрузки
(помехообразование и помехоустойчивость
для линий связи и радиопомех) Специальные
требования по модуляции, кодированию
и декодированию целевой информации
Максимальная
скорость передачи целевой информации Максимальный
объем хранимой на борту космического
аппарата целевой информации
Двигательная установка
•
Отсутствуют
•
Отсутствуют
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.