Структурная классификация космических аппаратов

Лекционный материал

 по дисциплине «Системы управления космическими аппаратами»

 

для студентов

 

Направление подготовки

10.05.02 Информационная безопасность телекоммуникационных систем

 

Направленность (профиль) образовательной программы

Информационная безопасность космических телекоммуникационных систем

 

 

Уровень высшего образования

Специалитет

Разработал: к.т.н., доцент каф. БИТ

Ханов В.Х.

Красноярск, 2017

 

Содержание

 

Лекция 1: Классификация космических аппаратов. 3

Лекция 2: Структурно-функциональная схема интегрированной космической системы 6

Лекция 3: Общие принципы управления КА.. 11

Лекция 4: Этапы функционирования КА.. 17

Лекция 5: Понятие телеметрической системы.. 22

Лекция 6: Телеметрия CCSDS. 26

Лекция 7: ТМ Синхронизация и кодирование. 37

Лекция 8: Протокол телеуправления по стандарту CCSDS. 44

Лекция 9: Структура сигналов в радиолиниях отечественных КИС.. 65

 

 

 

Лекция 1: Классификация космических аппаратов

Общая классификация

➢ По принадлежности и способу применения:

○ Военные;

○ народно-хозяйственные

○ Коммерческие.

➢ По назначению:

○ Научно-исследовательские;

○ Специального применения - военные космические аппараты;

○ Информационного обеспечения - космические системы связи, телевещания и ретрансляции, космические системы навигации, геодезические космические системы, системы дистанционного зондирования Земли.

➢ По траектории полета:

○ Низкие околокруговые орбиты (НКО) до 2 тыс. км;

○ Средние круговые орбиты (СКО) до 20 тыс. км;

○ Высокоэллиптические орбиты;

○ Геосинхронные круговые орбиты (геостационарные).

➢ По автономности существования:

○ КА, требующие постоянной связи с наземной станцией;

○ КА, требующие периодической связи с наземной станцией.

➢ По сроку активного существования:

○ Малоресурсные (до 1 года);

○ Среднересурсные (до 5 лет);

○ Долгоресурсные (свыше 5 лет).

➢ По техническому исполнению:

○ Орбитальные станции;

○ Пилотируемые космические корабли;

○ Автоматические космические аппараты.

Захоронение спутников происходит на орбите захоронения (~40 тысяч км). Эта проблема решена на 2 тысячи лет :)

➢ По массе:

○ Малые (до 500 кг);

■ Пико менее 1 кг;

■ Нано < 10 кг;

■ Микро < 100 кг;

■ Мини < 500 кг;

○ Средние (до 1000 кг);

○ Большие (от 1000 кг).

 

Структурная классификация космических аппаратов

 

Рисунок 1 - Структурно-функциональная схема космической системы.

 

Космический аппарат является частью какой-либо космической системы. Космический аппарат является техническим устройством, предназначенным для функционирования в космическом пространстве с целью решения задач в соответствии с назначением космической системы.

Космическая система - это совокупность взаимосвязанных средств, предназначенных для решения различных задач наземными службами с использованием космических аппаратов. Космическую систему разделяют на космический (орбитальную группировку) и наземный сегмент.

Орбитальная группировка - это совокупность КА, расположенных на орбитах в соответствие с баллистической структурой и объединенных общностью решаемых задач.

 Каждый КА, как правило, выполняет однородные целевые функции, которые, складываясь вместе, создают интегральные выходные показатели космической системы: зону обслуживания, оперативность, надежность, целевую эффективность.

Баллистическая структура характеризуется типом, орбитой, количеством орбитальных плоскостей, взаимным положением космических аппаратов.

Ракетно-космический комплекс включает в себя средства выведения спутников. Орбитальная группировка подлежит постоянному восполнению. Причина - отработка КА гарантированного ресурса. Часто аппараты выходят из строя раньше времени. Необходимо срочное восполнение группировки.

Интегральные свойства орбитальной группировки поддерживаются периодическим восполнением ее новыми спутниками (взамен отказавших) с помощью средств выведения ракетно-космического комплекса, а также управлением каждым КА в процессе его функционирования на орбите средствами бортового и наземного комплексов управления, совместными усилиями которых обеспечивается целевое функционирование КА с заданными характеристиками в условиях воздействия дестабилизирующих факторов внешней среды и рабочих процессов.

Специальный комплекс - это совокупность аппаратуры потребителей, реализующих целевую задачу космической системы.

Наземный комплекс управления обеспечивает целевое функционирования космического аппарата с заданными характеристиками.

Центр управления системы обеспечивает оперативное и долгосрочное взаимодействие структурных элементов системы, а также решает задачу поддержания системы в работоспособном состоянии.

Космическая система создается либо на базе эксплуатируемой системы (путем ее модернизации), либо как самостоятельная, в окружении существующих космических систем различных классов. Модернизация космической системы, как правило, не затрагивает ее структуры, а направлена на совершенствование ее составных частей, в первую очередь КА. При создании новой космической системы необходимо учитывать окружающие ее космические системы для решения вопроса об использовании унифицированных составных частей и возможности взаимной интеграции.

Так, ракетно-космический комплекс имеет в своем составе постоянно эволюционирующую инфраструктуру космодрома, содержащую технический комплекс для подготовки различных типов средств выведения и КА, стартовый комплекс для подготовки и запуска КА на орбиту, наземный измерительный комплекс для контроля за выведением КА на заданную орбиту. Для каждой вновь создаваемой космической системы осуществляется увязка разрабатываемого КА со средствами выведения, организуются рабочие места для подготовки данного КА к запуску на всех этапах его наземной эксплуатации. При этом средства выведения выбираются из существующей номенклатуры, прошедшей предварительную отработку и летные испытания.

Средства наземного комплекса управления также обладают определенной степенью унификации и могут использоваться для управления КА различного целевого назначения, функционирующих на различных орбитах. Это приводит к необходимости оценки того, возможно ли использование унифицированных средств в зависимости от их общей загрузки по дру-гим космическим программам. При необходимости производится их дооснащение до требуемой пропускной способности.

 

Платформы. В настоящее время для разработки космических аппаратов широко применяется принцип унифицированной космической платформы. Использование таких платформ позволяет снизить затраты и ускорить сроки создания орбитальных группировок космических аппаратов. Космическая платформа определяется рядом показателей: это габариты, расчетная масса полезной нагрузки, которую платформа может нести, мощность системы электропитания. Платформа обеспечивает для бортового целевого комплекса (полезной нагрузки) нормальные условия эксплуатации, поэтому для каждого вида БЦК имеется несколько видов унифицированных платформ.

АО ИСС имеет три вида унифицированных платформ. УКП -> КАУР, МСС, Э

Спутниковая платформа КАУР-4[править | править вики-текст]

Большая часть спутников этой серии была построена на базе модификаций спутниковой платформы КАУР-4 (МСС-2500-ГСО / МСС-740 / МСС-767)^[1]. КАУР-4 — платформа герметичного типа, где полезная нагрузка находится в непроницаемом отсеке, и охлаждение производится с помощью жидкостного и газового контуров. Это позволяет обеспечить колебания температуры оборудования в пределах не более 10 °C.

Модифицированная платформа включает:

· бортовой комплекс управления на базе бортового компьютера;

· четыре стационарных плазменных двигателя коррекции СПД-100 (они позволяют удерживать отклонения от заданного положения на ГСО в пределах 0,2° по долготе и широте);

· Трехосная система ориентации, использующая гиростабилизаторы и электрореактивные (термокаталитические гидразиновые) двигатели ориентации, обеспечивает точность пространственного положения аппарата 0,1°.

· Солнечные батареи КАУР-4 имеют одностепенные приводы для наведения на солнце.

Спутниковая платформа Экспресс-1000/2000[править | править вики-текст]

Новые спутники, которые будет поставлять ОАО ИСС для ФГУП «Космическая связь» будут построены на базе современных спутниковых платформ Экспресс-1000/2000. Особенностями данной платформы являются:

· негерметичное исполнение;

· комбинированная система терморегулирования: отвод тепла от полезной нагрузки осуществляется с помощью изогридной центральной трубы. Кроме того, для улучшения теплопереноса между различными конструктивными элементами спутника применяется полностью резервированный жидкостной контур;

· высокоэффективные солнечные батареи на основе трёхкаскадных арсенид-галлиевых фотопреобразователей производства НПП «Квант»;

· литий-ионные аккумуляторные батареи Saft VS 180 SA для коммерческих спутников либо никель-водородные российского производства для военных спутников;

· стационарные плазменные двигатели СПД-100 производства ОКБ Факел для коррекции на орбите.

 

Каждая космическая платформа имеет собственный ряд возможных ракетоносителей. Для каждого вида ракеты на космодроме создается свой ракетно-космический комплекс, который включает комплекс для подготовки ракеты к старту. Стартовый комплекс, наземно-измерительный комплекс для контроля за выведением космического аппарата на заданную орбиту.

 

Классификация частотного плана

Назначение частот для каждого КА подлежит регуляции. Существуют международные комитеты контроля и национальные. Наша страна одна из наиболее закрытых с точки зрения распределения частотного спектра. Имеется лишь два открытых диапазона. Первый - 400 - 500 МГц, второй 0,9 - 1 ГГц.

Широкое применение радиочастот в технической деятельности для снижения помех и повышения надежности радиолинии потребовало введения регламентации правил распределения частот между различными службами радиосвязи, которые необходимо учитывать при проектировании новой космической системы.

Вопросами распределения частот между различными службами радиосвязи занимается Международный союз электросвязи – одна из специализированных структур Организации Объединенных Наций. Основным международным документом, управляющим использованием частот, являет-ся Регламент радиосвязи [8], содержащий таблицы распределения полос частот между службами, отдельные технические ограничения и правила регистрации частотных присвоений в Международном комитете регистрации частот. Заявки на регистрацию частот должны подаваться заранее, еще до ввода в эксплуатацию космической системы.

Таблицы распределения частот Регламента радиосвязи содержат записи полос частот для использования службами радиосвязи в пределах 9 кГц…248 ГГц с указанием приоритета: на первичной или вторичной основах. Эти таблицы состоят из трех столбцов. Каждый из столбцов соответствует одному из трех районов, на которые разделен земной шар в отношении распределения полос частот: район 1 включает в себя Европу, Африку, Россию, страны СНГ и Монголию; район 2 – Северную и Южную Америку; район 3 – Азию, Океанию и Австралию. Если в таблице не указан район, то это означает, что данная полоса выделена на всемирной основе. В таблицах также содержатся полосы, распределенные для целого ряда служб спутниковой радиосвязи (табл. 1.2), с указанием направления радиосвязи: «космос–Земля» или «Земля–космос».

 

 

№ диапа-зона	Диапазон частот, МГц	Наименование частот	Диапазон длин волн, см	Наименование длин волн	Зарубежное обозначение
					частот	длин волн
8	30…300	Очень высокие (ОВЧ)	1 000…100	Метровые (Д.м)	VHF	B.m
9	30…3 000   1 000…2 000 2 000…3 000	Ультравысокие (УВЧ)	100…10	Дециметровые (Д.дм)	UHF   L Long S Short	B.dm
10	3 000…30 000   3 000…4 000 4 000…8 000 8 000…12 500 12 500…18 000 18 000…26 500 26 500…30 000	Сверхвысокие (СВЧ)	10…1	Сантиметровые (Д.см)	SHF   S Short C Compromise X KU under K K kurz Ka above K	B.cm
11	30 000…300 000   30 000…40 000 40 000…50 000 50 000…75 000	Крайне высокие (КВЧ)	1,0…0,1	Миллиметровые (Д.мм)	EHF   Ka Q V	B.mm
12	300 000…3 000 000	Гипервысокие (ГВЧ)	0,1…0,01	Децимиллиметровые

 

Примечание. Единицами измерения радиочастот являются килогерцы (кГц) –
для частот до 28 000 кГц включительно, мегагерцы (МГц) – для частот выше 28 000 кГц
до 10 500 МГц включительно, гигагерцы (ГГц) – для частот выше 10 500 МГц.