Способ управления полетом низкоорбитального космического аппарата через телевизионные спутники на геостационарной орбите с применением скрытого резервного канала передачи с кодовым разделением командно-программной информации Российский патент 2024 года по МПК 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 перспективными низкоорбитальными космическими аппаратами (НКА), оснащенными спутниковыми телевизионными приёмниками в режиме их штатного функционирования или в особых условиях в контуре информационного взаимодействия с бортовым комплексом управления в качестве скрытого резервного канала для передачи командно-программной информации.

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, воздействия на космическую инфраструктуру космического мусора или естественных помех, то использование ресурса космических телевизионных систем 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.

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.

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, непрерывности, оперативности и скрытности управления низкоорбитальным космическим аппаратом, упрощении алгоритмов установления и обеспечения связи в межспутниковой радиолинии между телевизионным спутником-ретранслятором и низкоорбитальным космическим аппаратом (объект управления). За счёт установки на перспективные НКА приёмников телевизионных сигналов гражданской системы спутникового телевидения стандарта DVB (Digital Video Broadcasting).

Телевизионные спутниковые приёмники используются в качестве приёмного устройства для получения командно-программной информации передаваемой по скрытому стеганографическому каналу, организуемому в транслируемом цифровом видеопотоке с телевизионного спутника ретранслятора, расположенного на геостационарной орбите.

Повсеместное распространение и постоянное совершенствование вычислительных и телекоммуникационных систем сопровождается ростом их пропускной способности, интеграцией услуг, применением всё новых технологий обработки и хранения информации. Решение задач совместного обеспечения конфиденциальности, доступности и целостности информации достигается применением криптографических и стеганографических методов её защиты.

При этом стеганография направлена на сохранение в тайне самого факта передачи сообщения, но может использоваться и как механизм организации дополнительных каналов передачи данных в составе основного «родительского» канала без учёта сокрытия факта передачи.

В настоящее время в стеганографии условно выделяют несколько направлений:

классическая стеганография, которая включает в себя «некомпьютерные методы» сокрытия сообщений неэлектрической природы;

компьютерная стеганография предполагает использование свойств форматов данных, обрабатываемых и передаваемых в инфокоммуникационных сетях;

цифровая стеганография основана на избыточности пересылаемых мультимедийных данных, представленных в цифровом виде, изначально имеющих аналоговую природу (изображения, видео, звук).

С учётом этого предлагается расширить систему управления низкоорбитальным космическим аппаратом (объект управления), следующим функциональным оборудованием:

спутниковым телевизионным приёмником стандарта DVB-S (DVB-S2), устанавливаемым на НКА;

сервер формирования скрытого стеганографического канала, устанавливаемый в составе оборудования источника используемого видеопотока (телеканал, телецентр и т.п.), который транслируется через провайдера спутникового телевидения на геостационарные спутники, использующие стандарт DVB-S (DVB-S2).

Задача, которую решает предлагаемый способ, заключается в управлении полётом низкоорбитального космического аппарата через телевизионные спутники на геостационарной орбите с применением скрытого резервного канала передачи с кодовым разделением командно-программной информации, путём внедрения в видеопоток команд управления, передаваемых по скрытому стеганографическому каналу, для низкоорбитальных космических аппаратов.

Заявляемый резервный канал управления полётом низкоорбитального космического аппарата с кодовым разделением, формируется с применением в качестве ретрансляторов - геостационарных телевизионных спутников. Причём НКА снабжён спутниковым телевизионным приёмником стандарта DVB-S (DVB-S2), способным извлекать из скрытого стеганографического канала, организуемого внутри одного из передаваемых цифровых видеопотоков, 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 полётом низкоорбитального космического аппарата через телевизионные спутники на геостационарной орбите с применением скрытого резервного канала передачи с кодовым разделением командно-программной информации.

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 - сервер формирования скрытого стеганографического канала (резервный канал управления);

6 - станция вещания провайдера спутникового телевидения;

7 - спутниковая радиолиния стандарта DVB-S (DVB-S2) телевизионного провайдера;

8 - телевизионный спутник на геостационарной орбите;

9 - телевизионный спутниковый радиоканал стандарта DVB-S (DVB-S2);

10 - бортовой спутниковый телевизионный приёмник стандарта DVB-S (DVB-S2).

Для решения задачи управления полётом низкоорбитального космического аппарата через телевизионные спутники на геостационарной орбите с применением скрытого резервного канала передачи с кодовым разделением командно-программной информации, предлагается способ, заключающийся в том, что:

управляют низкоорбитальным космическим аппаратом 4 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;

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 низкоорбитального космического аппарата 4 вне зоны радиовидимости командно-измерительной стации 2 на сервер формирования скрытого стеганографического канала 5, устанавливаемый в составе оборудования источника используемого видеопотока (телеканал, телецентр и т.п.), который транслируется через провайдера спутникового телевидения на геостационарные спутники, использующие стандарт DVB-S (DVB-S2);

передают командно-программную информацию с кодовым разделением каналов управления внутри видеопотока по скрытому стеганографическому каналу c сервера формирования скрытого стеганографического канала 5 на станцию вещания провайдера спутникового телевидения 6, откуда через спутниковую радиолинию 7 стандарта DVB-S (DVB-S2) телевизионного провайдера данные передаются на телевизионный спутник на геостационарной орбите 8;

настраивают в режиме реального времени телевизионную антенну бортового спутникового телевизионного приёмника 10 стандарта DVB-S (DVB-S2) низкоорбитального космического аппарата на телевизионный спутник 8 на геостационарной орбите с наибольшим уровнем сигнала DVB-S (DVB-S2);

принимают телевизионный поток, содержащий командно-программную информацию с кодовым разделением, размещённую внутри скрытого стеганографического канала по телевизионному спутниковому радиоканалу 9 стандарта DVB-S (DVB-S2);

выделяют командно-программную информацию с кодовым разделением, размещённую внутри скрытого стеганографического канала на борту низкоорбитального космического аппарата 4;

определяют принадлежность командно-программной информации, принявшему её низкоорбитальному космическому аппарату 4;

выполняют в низкоорбитальном космическом аппарате 4 принятую командно-программную информацию в случае подтверждения её принадлежности данному низкоорбитальному космическому аппарату.

«Промышленная применимость» способа обусловлена наличием возможности реализовать его путём внедрения командно-программной информации в состав видеопотока без изменения системы спутникового телевидения.

Сопоставление заявленного способа управления полётом низкоорбитального космического аппарата через телевизионные спутники на геостационарной орбите с применением скрытого 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:

Используют спутники ретрансляторы.

Управляют низкоорбитальным космическим аппаратом, используя командно-программную информацию.

Передают командно-программную информацию с центра управления полетом.

Используют резервные каналы управления низкоорбитальным космическим аппаратом.

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

Отличительные признаки предлагаемого решения.

Используют в качестве спутников-ретрансляторов телевизионные спутники на геостационарной орбите.

Передают командно-программную информацию с кодовым разделением при организации резервного канала управления по скрытому стеганографическому каналу, формируемому внутри одного из видеопотоков, передаваемых в потоке DVB-S (DVB-S2).

Принимают командно-программную информацию по резервному каналу управления с использованием телевизионной спутниковой антенны стандарта DVB-S (DVB-S2), устанавливаемой на низкоорбитальном космическом аппарате.

Таким образом, заявленный Способ управления полётом низкоорбитального космического аппарата через телевизионные спутники на геостационарной орбите с применением скрытого 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 на низкоорбитальные космические аппараты командно-программной информации с кодовым разделением, реализованного с использованием скрытого стеганографического канала в составе одного из видеопотоков потока DVB-S (DVB-S2), позволит иметь доступ одновременно ко всем низкоорбитальным космическим аппаратам, что обеспечит высокую устойчивость, непрерывность, оперативность и скрытность системы управления. Причём постоянная передача по скрытому стеганографическому каналу не требуется, так как передача командно-программной информации может быть осуществлена путём передачи по договорённости с провайдером видеопотока (телеканал, телестудия и т.п.), короткого видеофрагмента (например - рекламный ролик, видеофильм), что позволит скрыть факт организации скрытого стеганографического канала управления и от провайдера видеопотока.

Библиография

Григорьев К. Л., С. А. Осипенко. Теоретические основы автоматизированного управления космическими средствами. Ч. 1. Основы технологии автоматизированного управления космическими средствами: учебное пособие. - СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайского, 2015. - 60 с.

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 низкоорбитальными космическими аппаратами (НКА), оснащенными спутниковыми телевизионными приёмниками. Техническим результатом изобретения является повышение устойчивости, непрерывности, оперативности и скрытности управления НКА, упрощение алгоритмов установления и обеспечение связи в межспутниковой радиолинии между телевизионным спутником-ретранслятором и НКА (объект управления). Технический результат достигается за счёт установки на НКА приёмников телевизионных сигналов гражданской системы спутникового телевидения стандарта DVB (Digital Video Broadcasting). Телевизионные спутниковые приёмники используются в качестве приёмного устройства для получения командно-программной информации, передаваемой по скрытому стеганографическому каналу, организуемому в транслируемом цифровом видеопотоке с телевизионного спутника ретранслятора, расположенного на геостационарной орбите. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления полетом низкоорбитального космического аппарата (НКА) через телевизионные спутники на геостационарной орбите с применением скрытого резервного канала передачи с кодовым разделением командно-программной информации, заключающийся в том, что:

- управляют НКА в режиме штатного функционирования через центр управления полетом посредством передачи командно-программной информации через командно-измерительную стацию из состава наземного комплекса управления по основной фидерной радиолинии;

- передают командно-программную информацию по резервному каналу управления;

отличающийся тем, что в качестве спутников-ретрансляторов используются телевизионные спутники на геостационарной орбите, резервный канал управления представляет собой скрытый стеганографический канал, командно-программная информация, передаваемая по резервному каналу управления, является информацией с кодовым разделением каналов управления и передается в нештатной ситуации или при нахождении НКА вне зоны радиовидимости командно-измерительной станции, а также тем, что:

- перед передачей командно-программной информации по резервному каналу управления внедряют в командно-программную информацию маркер принадлежности к требуемому НКА;

- на этапе передачи командно-программной информации по резервному каналу управления передают командно-программную информацию с кодовым разделением каналов управления в нештатной ситуации или при нахождении низкоорбитального космического аппарата вне зоны радиовидимости командно-измерительной станции на сервер формирования скрытого стеганографического канала, устанавливаемый в составе оборудования источника используемого видеопотока, который транслируется через провайдера спутникового телевидения на телевизионные спутники на геостационарной орбите, использующие стандарт DVB-S или DVB-S2, и передают командно-программную информацию с кодовым разделением каналов управления внутри видеопотока по скрытому стеганографическому каналу с сервера формирования скрытого стеганографического канала на станцию вещания провайдера спутникового телевидения, откуда через спутниковую радиолинию стандарта DVB-S или DVB-S2 телевизионного провайдера данные передаются на телевизионный спутник на геостационарной орбите;

- настраивают в режиме реального времени телевизионную антенну бортового спутникового телевизионного приемника стандарта DVB-S или DVB-S2 НКА на телевизионный спутник на геостационарной орбите с наибольшим уровнем сигнала DVB-S или DVB-S2;

- принимают телевизионный поток, содержащий командно-программную информацию с кодовым разделением, размещенную внутри скрытого стеганографического канала по телевизионному спутниковому радиоканалу стандарта DVB-S или DVB-S2;

- выделяют командно-программную информацию с кодовым разделением, размещенную внутри скрытого стеганографического канала на борту НКА;

- определяют принадлежность командно-программной информации принявшему ее НКА;

- выполняют в НКА принятую командно-программную информацию в случае подтверждения ее принадлежности данному НКА.

2. Способ по п. 1, в котором источником используемого видеопотока является телеканал или телецентр.