Способ управления полетом низкоорбитального космического аппарата через навигационные космические аппараты системы ГЛОНАСС с применением резервного канала передачи с кодовым разделением командно-программной информации Российский патент 2023 года по МПК B64G3/00 H04B7/216 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области систем радиосвязи с кодовым разделением каналов или с использованием сигналов с расширенным спектром и может найти применение для передачи командно-программной информации (КПИ) в контуре управления низкоорбитальным космическим аппаратом (НКА), а также при построении систем связи и передачи информации для организации управления перспективными НКА оснащенными бортовой навигационной аппаратурой потребителя (БНАП) в режиме их штатного функционирования или в особых условиях в контуре информационного взаимодействия с бортовым комплексом управления в качестве резервного канала для передачи КПИ.

Уровень техники

В настоящее время для управления НКА в основном применяется подходы аналогичные способу управления полетом космического аппарата (КА) через центр управления полетом (ЦУП), который способен принимать от КА (объекта управления) телеметрическую информацию и информацию оперативного контроля через радиотелеметрические средства и передавать на борт КА командно-программную информацию, только на тех участках орбитального полета, на которых трасса полета КА (объекта управления) проходит в зоне радиовидимости командно-измерительных станций из состава средств наземного комплекса управления КА либо через специальные КА-ретрансляторы (Григорьев К.Л. Теоретические основы автоматизированного управления космическими средствами. Ч. 1. Основы технологии автоматизированного управления космическими средствами: учебное пособие / К.Л. Григорьев, С.А. Осипенко. – СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайского, 2015. – 60 с.).

Недостатком указанного способа является необходимость распределения широкой сети средств наземных комплексов управления по поверхности земного шара для обеспечения непрерывной связи ЦУП с КА и системы спутников-ретрансляторов, что в современных условиях является весьма затратным подходом, особенно с учётом тенденции к созданию многофункциональных спутниковых систем.

Если говорить об особых условиях функционирования, под которыми понимаются сложности, вызванные деградацией группировки КА в результате возникновения неисправностей или воздействия на космическую инфраструктуру в результате военных действий, то использование ресурса космических систем навигации для организации резервных каналов управления КА является весьма актуальной технической задачей.

Из уровня техники известен способ космической связи (RU2549832C2, опубликовано 27.07.2015), в соответствии с которым ведомые спутники оборудуются аппаратурой радионавигации, системой навигации и управления движением; межспутниковую связь дополняют служебными двусторонними каналами связи; ведущие спутники располагают в зонах видимости адресных наземных пунктов связи, недоступных для ведомых спутников; управление ведомыми спутниками и контроль над их техническим состоянием производят посредством ведущего спутника, находящегося постоянно в зонах видимости хотя бы одного наземного командно-измерительного пункта и наземного пункта связи – антиподов адресным наземным пунктам связи.

Недостатком указанного способа являются большие задержки передачи информации и необходимость выделения части пропускной способности из общего межспутникового ресурса или заблаговременное оборудование КА специализированным приёмо-передающим оборудованием для организации двухсторонней служебной связи.

Из уровня техники также известна многоуровневая система спутниковой связи (RU2575632C2, опубликовано 20.02.2016), которая представляет собой группировку из трех спутников-ретрансляторов, равномерно разнесенных относительно друг друга по геостационарной орбите (ГСО) и орбитальной группировки КА наблюдения и связи, состоящей из низковысотной группировки КА наблюдения и средневысотной группировки КА связи, наземный сегмент состоит из наземных комплексов приема-передачи целевой информации и управления низковысотной группировкой КА наблюдения и средневысотной группировкой КА связи, а также из наземных комплексов приема-передачи целевой информации и управления орбитальной группировкой спутников-ретрансляторов на ГСО.

Недостатками указанного способа-аналога являются:

1) Большие задержки в каналах спутниковой связи, снижающие оперативность получения телеметрической информации от объекта управления и доведения управляющей информации до объекта управления, обусловленные тем, что высота орбиты спутников-ретрансляторов на ГСО составляет порядка 36 000 км.

2) Низкая живучесть системы связи, обусловленная тем, что при выходе из строя одного спутника-ретранслятора на ГСО будет потеряна связь с группой КА, находящихся в его зоне радиовидимости.

3) Необходимость постоянного наведения остронаправленных антенных систем геостационарных спутников-ретрансляторов на КА, являющийся объектом управления, возникающая вследствие большой протяженности межспутниковой радиолинии.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу и выбранным в качестве прототипа является изобретение «Система управления полетом КА с применением в качестве ретрансляторов низкоорбитальных спутников, связанных между собой межспутниковыми линиями связи (RU2713293C1, опубликовано 05.02.2020)».

Изобретение-прототип представляет собой систему управления полетом КА с применением в качестве ретрансляторов низкоорбитальных спутников, связанных между собой межспутниковыми линиями связи, представляющую собой спутниковую цифровую транспортную сеть передачи информации управления от центра управления полётами до КА-объекта управления в прямом и обратном каналах связи, через низкоорбитальные КА-ретрансляторы, каждый из которых связан межспутниковыми радиолиниями с соседними КА и с радиолинией «борт-Земля», отличающаяся тем, что каждый низкоорбитальный спутник-ретранслятор снабжен двумя малонаправленными приемо-передающими антеннами, расположенными по осям минус Y и +Y, представляющими собой открытые концы волноводов, или спиральные антенны, или систему спиральных антенн, которые обеспечивают обмен информацией с КА-объектом управления, при этом каждый КА-объект управления снабжен двумя или четырьмя малонаправленными приемо-передающими антеннами, расположенными по осям минус Y и +Y и представляющими собой открытые концы волноводов, или спиральные антенны, или систему спиральных антенн.

К недостаткам известного технического решения-прототипа можно отнести необходимость запуска дополнительных низкоорбиальных КА-ретрансляторов, а также выполнение требований по высокоточной системе синхронизации.

Раскрытие изобретения

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении устойчивости и оперативности управления низкоорбитальным космическим аппаратом, упрощении алгоритмов установления и обеспечения связи в межспутниковой радиолинии между навигационным спутником-ретранслятором и низкоорбитальным космическим аппаратом (объект управления) вследствие отсутствия необходимости наведения остронаправленных антенн за счёт применения резервного канала передачи командно-программной информации через навигационные КА системы ГЛОНАСС с кодовым разделением и глобального покрытия навигационным полем. Бортовая навигационная аппаратура потребителя используется в качестве приёмного устройства для получения командно-программной информации в составе резервных разрядов навигационных кадров.

Для этого предлагается расширить систему управления низкоорбитальным космическим аппаратом (объект управления), содержащую: низкоорбитальный космический аппарат, наземный комплекс управления низкоорбитальным космическим аппаратом, центр управления космическим комплексом системы ГЛОНАСС (функционально), а также спутниковую навигационную систему ГЛОНАСС (функционально), содержащую навигационные КА в качестве спутников-ретрансляторов. При этом навигационные КА системы ГЛОНАСС излучают радионавигационный сигнал с кодовым разделением и содержат бортовую командно-измерительную систему, соединенную с аппаратурой межспутниковой связи, осуществляющей связь между навигационными спутниками. Низкоорбитальный космический аппарат содержит соединенную с бортовым комплексом управления навигационную аппаратуру потребителя, работающую по навигационному полю системы ГЛОНАСС.

Задача, которую решает предлагаемый способ, заключается в управлении полетом низкоорбитального космического аппарата через навигационные космические аппараты системы ГЛОНАСС с применением резервного канала передачи с кодовым разделением командно-программной информации, путём использования резервных разрядов навигационных кадров для формирования команд управления для низкоорбитальных космических аппаратов.

Заявляемый резервный канал управления полетом низкоорбитального космического аппарата с кодовым разделением, формируется с применением в качестве ретрансляторов – навигационных КА системы ГЛОНАСС, каждый из которых связан межспутниковыми радиолиниями с соседними навигационными КА и радиолинией «борт-Земля» со станцией закладки и приёма командно-программной информации системы ГЛОНАСС, причём низкоорбитальный космический аппарат снабжён бортовой навигационной аппаратурой потребителя, которая связана информационным каналом с бортовым комплексом управления низкоорбитального космического аппарата и способна извлекать из резервных разрядов навигационных кадров командно-программную информацию. При этом в составе командно-программной информации имеется маркер, обозначающий принадлежность передаваемой информации к конкретному управляемому НКА, при помощи которого и реализуется механизм кодового разделения каналов управления.

Функционирование изобретения поясняется следующими графическими материалами:

Фиг. 1 – Схема организации управления низкоорбитальным космическим аппаратом с применением двух навигационных КА системы ГЛОНАСС в качестве спутников-ретрансляторов.

На фиг. 1 позиции обозначают следующее:

1 – центр управления полетом низкоорбитальным космическим аппаратом;

2 – командно-измерительная станция из состава наземного комплекса управления низкоорбитальным космическим аппаратом;

3 – основная фидерная радиолиния передачи командно-программной информации (основной канал управления);

4 – низкоорбитальный космический аппарат – объект управления;

5 – центр управления космическим комплексом системы ГЛОНАСС;

6 – станция закладки и приема командно-программной информации системы ГЛОНАСС;

7 – резервная фидерная радиолиния передачи командно-программной информации (резервный канал управления);

8 – навигационный спутник системы ГЛОНАСС;

9 – межспутниковая радиолиния системы ГЛОНАСС;

10 – навигационный спутник системы ГЛОНАСС;

11 – радионавигационный сигнал системы ГЛОНАСС;

12 – бортовая навигационная аппаратура потребителя.

Для решения задачи управления полетом низкоорбитального космического аппарата через навигационные космические аппараты системы ГЛОНАСС с применением резервного канала передачи с кодовым разделением командно-программной информации предлагается способ, заключающийся в том, что:

управляют в режиме штатного функционирования через центр управления полётом 1, посредством передачи командно-программной информации через командно-измерительную стацию 2 из состава наземного комплекса управления по основной фидерной радиолинии 3, низкоорбитальным космическим аппаратом 4;

внедряют в командно-программную информацию маркер принадлежности к требуемому низкоорбитальному космическому аппарату 4, чем реализуют механизм кодового разделения каналов управления;

передают командно-программную информацию с кодовым разделением каналов управления, в нештатной ситуации или при нахождении НКА 4 вне зоны радиовидимости командно-измерительной стации 2, в центр управления космическим комплексом системы ГЛОНАСС 5;

передают командно-программную информацию с кодовым разделением каналов управления из центра управления космическим комплексом системы ГЛОНАСС 5 на станцию закладки и приёма командно-программной информации 6;

определяют используя математическую модель группировки навигационных спутников системы ГЛОНАСС навигационный спутник-ретранслятор из состава группировки, имеющий наилучшие условия радиовидимости с низкоорбитальным космическим аппаратом 4 по критерию максимума соотношения сигнал-шум;

передают командно-программную информацию с кодовым разделением каналов управления со станции закладки и приёма командно-программной информации 6 через резервную фидерную линию передачи командно-программной информации 7 на навигационный спутник-ретранслятор системы ГЛОНАСС 8;

передают командно-программную информацию с кодовым разделением через межспутниковую радиолинию 9 на навигационный спутник-ретранслятор системы ГЛОНАСС с наилучшими условиями радиовидимости 10 с низкоорбитальным космическим аппаратом 4;

записывают командно-программную информацию с кодовым разделением в резервные разряды навигационных кадров;

передают навигационные кадры, содержащие командно-программную информацию с кодовым разделением, в радионавигационных сигналах 11;

принимают навигационные кадры, содержащие командно-программную информацию с кодовым разделением, на низкоорбитальном космическом аппарате 4, используя бортовую навигационную аппаратуру потребителя системы ГЛОНАСС 12;

определяют принадлежность навигационного кадра, принявшему его низкоорбитальному космическому аппарату 4;

извлекают из навигационного кадра в низкоорбитальном космическом аппарате 4 командно-программную информацию в случае принадлежности данному космическому аппарату;

выполняют в низкоорбитальном космическом аппарате 4 принятую командно-программную информацию.

«Промышленная применимость» способа обусловлена наличием возможности реализовать его использую штатный функционал системы ГЛОНАСС.

Сопоставление заявленного способа управления полетом низкоорбитального космического аппарата через навигационные космические аппараты системы ГЛОНАСС с применением резервного канала передачи с кодовым разделением командно-программной информации и прототипа показывает, что заявленный способ существенно отличается от прототипа.

Общие признаки заявляемого способа и прототипа:

1. Передают командно-программную информацию через два спутника ретранслятора.

2. Управляют низкоорбитальным космическим аппаратом, используя командно-программную информацию.

3. Передают командно-программную информацию с центра управления полетом.

4. Используют резервные каналы управления низкоорбитальным космическим аппаратом.

5. Выбирают наилучший спутник-ретранслятор по критерию максимума отношения сигнал-шум.

Отличительные признаки предлагаемого решения.

1. Используют в качестве спутников-ретрансляторов навигационные спутники системы ГЛОНАСС.

2. Записывают командно-программную информацию с кодовым разделением при организации резервного канала управления в резервные разряды навигационных кадров системы ГЛОНАСС.

3. Принимают командно-программную информацию по резервному каналу управления с использованием только одной антенны входящей в состав бортовой навигационной аппаратуры потребителя системы ГЛОНАСС.

Таким образом, заявленный способ управления полетом низкоорбитального космического аппарата через навигационные космические аппараты системы ГЛОНАСС с применением резервного канала передачи с кодовым разделением командно-программной информации, представляет собой спутниковую цифровую транспортную сеть передачи командно-программной информации, предназначенную для ретрансляции информации управления от центра управления полётом до низкоорбитального космического аппарата (объекта управления) в случае недоступности прямого канала связи.

Применение резервного канала передачи командно-программной информации с кодовым разделением на низкоорбитальные космические аппараты, реализованного с использованием резервных разрядов навигационных кадров спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС, позволит иметь доступ одновременно ко всем низкоорбитальным космическим аппаратам, что обеспечит высокую надежность, устойчивость и оперативность системы управления.

Изобретение относится к области систем радиосвязи с кодовым разделением каналов для управления низкоорбитальным космическим аппаратом. Для управления полетом низкоорбитального космического аппарата используют в качестве спутников-ретрансляторов навигационные спутники системы ГЛОНАСС. Записывают командно-программную информацию с кодовым разделением при организации резервного канала управления в резервные разряды навигационных кадров. Принимают навигационные кадры на низкоорбитальном космическом аппарате, используя бортовую навигационную аппаратуру потребителя. Достигается повышение устойчивости и оперативности управления низкоорбитальным космическим аппаратом, упрощение алгоритмов установления и обеспечения связи между навигационным спутником-ретранслятором и космическим аппаратом. 1 ил.

Способ управления полетом низкоорбитального космического аппарата через навигационные космические аппараты системы ГЛОНАСС с применением резервного канала передачи с кодовым разделением командно-программной информации, заключающийся в том, что: управляют в режиме штатного функционирования через центр управления полётом низкоорбитальным космическим аппаратом; внедряют в командно-программную информацию маркер принадлежности к требуемому низкоорбитальному космическому аппарату; передают командно-программную информацию с кодовым разделением каналов управления, в нештатной ситуации или при нахождении низкоорбитального космического аппарата вне зоны радиовидимости командно-измерительной стации, в центр управления космическим комплексом системы ГЛОНАСС; передают командно-программную информацию с кодовым разделением каналов управления из центра управления космическим комплексом системы ГЛОНАСС на станцию закладки и приёма командно-программной информации; определяют, используя математическую модель группировки навигационных спутников системы ГЛОНАСС, навигационный спутник-ретранслятор из состава группировки, имеющий наилучшие условия радиовидимости с низкоорбитальным космическим аппаратом по критерию максимума соотношения сигнал-шум; передают командно-программную информацию с кодовым разделением каналов управления со станции закладки и приёма командно-программной информации через резервную фидерную линию передачи командно-программной информации на навигационный спутник-ретранслятор системы ГЛОНАСС; передают командно-программную информацию с кодовым разделением через межспутниковую радиолинию на навигационный спутник-ретранслятор системы ГЛОНАСС с наилучшими условиями радиовидимости с низкоорбитальным космическим аппаратом; записывают командно-программную информацию с кодовым разделением в резервные разряды навигационных кадров; передают навигационные кадры, содержащие командно-программную информацию с кодовым разделением; принимают навигационные кадры на низкоорбитальном космическом аппарате; определяют принадлежность навигационного кадра; извлекают из навигационного кадра в низкоорбитальном космическом аппарате командно-программную информацию в случае принадлежности данному космическому аппарату; выполняют в низкоорбитальном космическом аппарате принятую командно-программную информацию, отличающийся тем, что: используют в качестве спутников-ретрансляторов навигационные спутники системы ГЛОНАСС; записывают командно-программную информацию с кодовым разделением при организации резервного канала управления в резервные разряды навигационных кадров системы ГЛОНАСС; принимают навигационные кадры, содержащие командно-программную информацию с кодовым разделением, на низкоорбитальном космическом аппарате, используя бортовую навигационную аппаратуру потребителя системы ГЛОНАСС.