Система передачи аварийной информации космического аппарата
Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована при выполнении космических программ. Основные средства системы передачи аварийной информации: командно-измерительная система, спутниковая глобальная система связи, отделяемый КА, система вызова НКУ. Техническим результатом заявленной системы передачи аварийной информации космического аппарата является ускоренное получение информации о неисправностях работы в последние моменты работоспособного состояния и восстановление работоспособности при потере связи КА с Землей. 9 ил.
Полезная модель относится к области космонавтики, а именно к радиотехнике и может быть использовано при выполнении космических программ, для восстановления работоспособности и раскрытия причины возникновения аварийного состояния космического аппарата (КА) при потере связи КА с Землей. КА содержит системы, выполняющие задачи космической программы.
Из уровня техники известна система в которой в рабочем режиме информация о состоянии КА передается в сеансах связи на Землю телеметрическими средствами по космическим радиолиниям. Важным условием своевременного оказания помощи КА при возникновении аварийного состояния является время доставки информации в центр управления полетом (ЦУП) наземного сегмента. Способ быстрой доставки определяет успешность устранения неисправности и или возможность дальнейшей эксплуатации КА.
Используемые в комическом аппарате системы имеют разное целевое назначение, например, прием радиосигналов, передачу радиосигналов, вхождение в связь, командная система, система телефонной связи, фототелевизионная система, система телеметрических измерений и другие системы космического аппарата (СКА). Выделим бортовой комплекс управления космического аппарата (БКУ) КА, который управляет работой СКА и может самостоятельно выработать программу выхода из нештатной ситуации.
При выполнении космических программ используют радиотехнические системы космического и наземного сегментов [1], в составе которых имеются следующие элементы.
Состав космического сегмента - самостоятельные КА, например стационарный спутник-ретранслятор (СР) командно-измерительной системы «KazSat», группировки КА, например навигационные КА «Глонасс», отделяемые по три КА от ракеты - носителя «Протон» при выводе на рабочие орбиты и пр.
В состав наземного сегмента входят: наземные комплексы управления (НКУ), командно-измерительные комплексы (КИК), командно-измерительные системы (КИС), центры управления полетом (ЦУП), наземные станции приема сигналов (СПС), наземные шлюзовые станции (ШС), системы связи и передачи данных (ССПД) обеспечивающие обмен с нужной достоверностью необходимыми видами информации между элементами наземного комплекса управления, а также между ЦУП и центром управления космической системой, организующим выполнение целевой задачи космической системы, и использующие для этого спутниковые и наземные каналы связи с различной пропускной способностью [1, стр.27] и пр.
Выполнение космической программы требует информационное обеспечение полета летательного аппарата, которое определяется связью КА с СПС и ЦУП, т.е. возможностью находиться в зоне видимости наземных средств во время выполнения космической программы. Информационное обеспечение летательных аппаратов используется для эффективного управления и телеметрического контроля в процессе нормального режима работы и в процессе возникновения нештатных ситуаций.
Система информационного обеспечения в процессе нормального режима работы характеризуется двусторонними связями систем - элементов комплекса, как по космическим радиолиниям связи, так и по наземным линиям связи, что означает безотказную работу всех элементов связи. Потеря связи или переход из двусторонней связи в одностороннюю связь означают нарушение безотказной работы одного или нескольких элементов комплекса - возникновение нештатной ситуации.
Система информационного обеспечения с возникновением нештатных ситуаций выбрана в качестве прототипа заявленной системы передачи аварийной информации космического аппарата, в состав которой входит система вызова наземного комплекса управления «Вызов» (СВЗ) [2, стр.35], позволяющая продолжить выполнение космической программы путем восстановления возникшей неисправности в космическом аппарате. Система обеспечения полета прототипом показана на фиг.1, где:
1. - Системы космического аппарата (СКА);
2. - Бортовой комплекс управления (БКУ);
3.- бортовая система, передающая в радиолинию информацию оповещения (СВЗ);
4. - Спутники - ретрансляторы (СРКИС);
5. - Центр управления полетом (ЦУП);
6 - Системы связи и передачи данных (ССПД);
7. - Командно-измерительная система (КИС);
8. - Наземные станции приема сигналов (СПС).
Причем, 1-3 входят в состав КА, 3 входит в состав космического сегмента, 5-8 входят в состав наземного сегмента.
Система использует применение сигнала вызова для связи с абонентом - связь КА с ЦУП, подобно сигналу «вызова абонента», используемого в телефонии. Для оповещения ЦУП о возникновении неисправности передается сигнал - информация оповещения (ИОП), который содержит краткие сведениями о космическом аппарате аварийного состояния. Система СВЗ "Вызов" выполняет оперативное оповещение ЦУП о возникновении в КА нештатной ситуации при условии, если бортовой комплекс БКУ не может самостоятельно выработать программу выхода из нештатной ситуации и требуется вмешательство ЦУП.
ЦУП организует внеочередной сеанс связи и прием телеметрической информации аварийного состояния (аварийной ТМИ) для раскрытия причины возникновения аварийного состояния и вывода систем КА из нештатной ситуации передачей на борт серии команд.
Система СВЗ "Вызов" доставляет информацию в ЦУП через наземные станции приема сигналов СПС, систему ССПД непосредственно, либо через спутник ретранслятор СРКИС. На фиг.2. система СВЗ "Вызов" применима на низкоорбитальных, высокоорбитальных и геостационарных орбитах КА, где:
1. - Двусторонняя связь КА с КИС;
2. - Двусторонняя связь КА с КИС через СРКИС .
Из уровня техники известна доставка информации через глобальную или квазиглобальную многоспутниковую систему связи (МСС). Пример таких систем «IRIDIUM», «GLOBALSTAR». Информация искусственных спутников Земли (ИСЗ) принимается в наземном сегменте шлюзовыми станциями, затем через ССПД поступает абоненту (см. фиг.3).
Космический сегмент МСС «IRIDIUM» содержит 66 ИСЗ в 6 плоскостях по 11 спутников на каждой орбите. Высота орбиты ИСЗ 850 км. В этой системе используется межспутниковая передача данных для ускорения передачи данных в наземный сегмент.
Система «IRIDIUM» является глобальной, покрытие земной поверхности космическим сегментом обеспечивается за счет одновременного создания с искусственных спутников 66 зон видимости Земли, перемещающихся по поверхности Земли и перекрывающих всю ее территорию.
Космический сегмент МСС «GLOBALSTAR» содержит 48 ИСЗ в 8 плоскостях по 6 спутников на каждой орбите. Высота орбиты ИСЗ 1420 км. Схема передачи информации МСС «GLOBALSTAR» изображена на фиг.3.
Глобальность означает, что любой абонент, оснащенный приемопередающий модулем (ППМ) МСС, может в любом месте приземного пространства в любой момент времени передать информацию другому абоненту ППМ. Абоненты могут находиться на стационарных и подвижных наземных средствах (самолеты, корабли, автомобили и пр.).
Система «GLOBALSTAR» не является полностью глобальной системой так, как зона ее действия охватывает широтный пояс порядка ±72°, имеется зона отсутствия связи. Поэтому ее следует считать квазиглобальной, что не принципиально для рассмотрения предложенного технического решения.
Прием сигналов абонентами Земли от рассмотренных систем отличается временем задержки (tз) попадания сигнала в зону действия, которая может быть неподвижной от стационарных спутников Земли или перемещающейся по поверхности Земли от движения спутников МСС. В среднем время задержки tзММС передачи информации в МСС меньше времени задержки tзВызов системы СВЗ «Вызов», так как зависит от большого числа спутников в системе связи, числа наземных станций приема информации и подвижности зоны видимости. Задержки приема носят случайный характер, реализация задержки tзММС может оказаться меньше задержки t зВызов.
Глобальные системы обеспечивают довольно быструю передачу информации, недостатком МСС «IRIDIUM» и «GLOBALSTAR» является то, что они предназначены для абонентов в приземном пространстве, рабочая зона ИСЗ МСС лежит в области низкоорбитальных КА. Недостатком данных систем является большое время передачи информации и восстановления работоспособности при потере связи КА с Землей.
Техническим результатом заявленной системы передачи аварийной информации космического аппарата является ускоренное получение информации о неисправностях работы в последние моменты работоспособного состояния и восстановление работоспособности при потере связи КА с Землей.
Технический результат достигается тем, что система передачи аварийной информации космического аппарата (КА), содержащая космический аппарат, космический сегмент и наземный сегмент, в которой космический аппарат содержит системы (СКА), выполняющие задачи космической программы, соединенные с бортовым комплексом управления (БКУ), систему вызова наземного комплекса управления (СВЗ), соединенную с бортовым комплексом управления и передающую в радиолинию оповещение о возникновении нештатной ситуации в космическом аппарате. Космический сегмент содержит спутники-ретрансляторы (СРкис) командно-измерительной системы, ретранслирующие сигналы системы СВЗ. Наземный сегмент содержит центр управления полетом (ЦУП), систему связи и передачи данных (ССПД), командно-измерительную систему (КИС), наземные станции приема сигналов (СПС). ЦУП соединен двусторонней связью с ССПД, которая соединена двусторонней связью с КИС. СПС соединена с ССПД, КИС соединена двусторонней связью с СКА и соединена двухсторонней связью с СРкис - которые имеют двусторонние связи с СКА и между собой. При возникновении аварии в СКА, которая не может быть устранена бортовым комплексом управления, бортовой комплекс управления включает систему СВЗ, которая передает информацию оповещения по радиолинии СВЗ-СПС или по радиолиниям СВЗ-СР кис-КИС, в ЦУП, который внеочередным сеансом связи с СКА получает аварийную телеметрическую информацию и переводит аппаратуру космического аппарата из аварийного состояния в нормальный режим работы командами КИС по радиолинии КИС-СКА или КИС - СРкис - СКА. В целях ускорения доставки информации оповещения и телеметрической информации аварийного состояния, в КА введен модуль абонента передачи (приема) (ППМ МСС) глобальной спутниковой системы связи. В космический сегмент введена система спутников (СС) глобальной космической системы связи «IRIDIUM» и/или «GLOBALSTAR», в наземный сегмент введены шлюзовые станциями (ШС). Причем, БКУ соединен с модулем абонента передачи (приема) глобальной системы связи (ППМ МСС), который соединен радиолинией с СС космических аппаратов глобальной космической связи, соединенной по радиолинии с ШС, которые соединены с ЦУП через ССПД для передачи сигнала оповещения аварийного состояния и аварийной телеметрической информации с СКА, с использованием которой центр управления полетом выводит аппаратуру космического аппарата из аварийного состояния командами командно-измерительной системы КИС в нормальный режим работы. При потере связи системы вызова наземного комплекса управления СВЗ с ЦУП, также в КА введен отделяемый космический аппарат (ОКА), соединенный с БКУ, ОКА принимает сигнал оповещения аварийного состояния и аварийную телеметрическую информацию СКА, которые ОКА передает, после отделения от КА, в СРКИС, в КИС, в СПС, в СС, соединенные ССПД с ЦУП для вывода аппаратуры космического аппарата из аварийного состояния командами КИС в нормальный режим работы. Полученная телеметрическая информация аварийного состояния от отделяемого космического аппарата используется для установления причины возникновения аварийного состояния космического аппарата.
Отличительными признаками предложенной системы передачи информации космического аппарата являются следующие: в КА введен модуль абонента передачи (приема) (ППМ МСС) глобальной спутниковой системы связи. В космический сегмент введена система спутников (СС) глобальной космической системы связи «IRIDIUM» и/или «GLOBALSTAR», в наземный сегмент введены шлюзовые станциями (ШС). БКУ соединен с модулем абонента передачи (приема) глобальной системы связи (ППМ МСС), который соединен радиолинией с СС космических аппаратов глобальной космической связи, соединенной по радиолинии с ШС, которые соединены с ЦУП через ССПД. В КА введен отделяемый космический аппарат (ОКА), соединенный с БКУ, ОКА соединен радиолиниями с СРКИС>КИС, СПС и СС. Полученная телеметрическая информация аварийного состояния от отделяемого космического аппарата используется для установления причины возникновения аварийного состояния космического аппарата.
Признаки и сущность заявленной полезной модели поясняются чертежами (см. фиг.4), где показана система передачи аварийной информации, схема соединений изменяемая.
1. - Системы космического аппарата (СКА);
2. - Бортовой комплекс управления (БКУ);
3. - бортовая система, передающая в радиолинию информацию оповещения (СВЗ);
4. - Спутники - ретрансляторы (СРКИС);
5. - Центр управления полетом (ЦУП);
6 - Системы связи и передачи данных (ССПД);
7. - Командно-измерительная система (КИС);
8. - Наземные станции приема сигналов (СПС).
9. - Модуль абонента передачи (приема) информации в МСС с КА (ППМ МСС);
10. - система спутников глобальной космической системы связи (СС);
11. - Шлюзовые станции (ШС);
12. - Отделяемый космический аппарат (ОКА).
Передача в линии может быть или отсутствовать (переходы «есть» 
«нет»). Соединения нарушаются с возникновением отказов работы устройств или с отсутствием прохождения радиосигналов из-за недостающей мощности передачи и чувствительности приемных устройств в образуемых радиолиниях. Применение нескольких линий передачи дает эффект ускорения получения информации аварийной ТМИ в ЦУП и успешность устранения неисправности. На фиг.5 (а, б) представленная система передачи аварийной информации, соединения элементов которой нарушаются в процессе эксплуатации при возникновении неисправностей или временных потерей связи по космическим радиолиниям.
Эффект ускорения доставки в заявленной системе возникает от использования ЦУП той информации, которая поступила первой. Схемы передачи информации показаны на фиг.4., где:
СВЗ - бортовая система, передающая в радиолинию информацию оповещения (ИОП), описанная [2, стр.35] или ее аналог;
СР КИС - бортовая аппаратура, предназначенная для ретрансляции ИОП;
КААС - космический аппарат аварийного состояния;
СС - спутники связи МСС;
ППМ МСС - модуль абонента передачи (приема) информации в МСС с КА;
ИОП и ТМИ - информация, состоящая из информации оповещения и телеметрической информации аварийного состояния (аварийной ТМИ) КА;
ОКА - отделяемый космический аппарат от КААС для передачи в НКУ ИОП и ТМИ;
- односторонняя связь систем;
- двусторонняя связь систем.
«Неисправный космический аппарат» - космический аппарат аварийного состояния, подлежащий восстановлению по радиолинии командами КИС или космический аппарат, потерявший связь с Землей и не подлежащий восстановлению по радиолинии командами КИС.
При возникновении аварии в системах космического аппарата (СКА) 1, которая не может быть устранении бортовым комплексом управления, бортовой комплекс управления включает систему вызова наземного комплекса управления (СВЗ) 2, которая передает информацию оповещения по радиолинии СВЗ-СПС 8 или по радиолиниям СВЗ-СРКИС 4-КИС 7, в центр управления полетом (ЦУП) 5, который внеочередным сеансом связи с СКА получает аварийную телеметрическую информацию и переводит аппаратуру космического аппарата из аварийного состояния в нормальный режим работы командами КИС радиолинии КИС-СКА или КИС-СР КИС-СКА, в целях ускорения доставки информации оповещения и телеметрической информации аварийного состояния, бортовой комплекс управления (БКУ) 2 соединен с модулем абонента передачи (приема) глобальной системы связи (ППМ МСС) 9, который соединен радиолинией с системой спутников (СС) 10 космических аппаратов глобальной космической связи, соединенной по радиолинии с шлюзовыми станциями (ШС) 11, которые соединены с ЦУП через систему связи и передачи данных (ССПД) 6 для передачи сигнала оповещения аварийного состояния и аварийной телеметрической информации с СКА с использованием которой центр управления полетом выводит аппаратуру космического аппарата из аварийного состояния командами КИС в нормальный режим работы, при потере связи системы вызова наземного комплекса управления СВЗ с ЦУП, отделяемый космический аппарат (ОКА) 12, соединенный с БКУ, принимает сигнал оповещения аварийного состояния и аварийную телеметрическую информацию систем космического аппарата (СКА), которые ОКА передает, после отделения от КА, в спутники-ретрансляторы (СРКИС), в КИС, в наземные станции приема сигналов (СПС) 8, в систему спутников (СС), соединенные ССПД с ЦУП для вывода аппаратуры космического аппарата из аварийного состояния командами КИС в нормальный режим работы. При потере связи командно-измерительной системы (КИС) с космическим аппаратом аварийного состояния, полученная телеметрическая информация аварийного состояния от отделяемого космического аппарата используется для установления причины возникновения аварийного состояния космического аппарата.
Возможность доставки информации с помощью отделяемого спутника через МСС была подтверждена экспериментально на технологическом нано - спутнике [ТНС-0) [3, стр.14]. Схема передачи информации показана на фиг.5. КА ТНС-0 передавал ТМИ в ЦУП через систему «GLOBALSTAR». КА ТНС-0 отделен в космосе от обитаемого КА.
Схема передачи информации ИОП и ТМИ (см. фиг.6) предусматривает ускорение раскрытия причины возникновения аварийного состояния при доставке ИОП и ТМИ многоспутниковой системой связи.
Вариант передачи ИОП ТМИ от КА в ЦУП, (см. фиг.7), предусматривает раскрытие причины возникновения аварийного состояния из нештатной ситуации средствами ЦУП 1 информацией с ОКА, при отсутствии связи КА-КИС (см. фиг.8).
Схема восстановления работоспособности КА по радиолинии КИС-КААС центром управления (ЦУП) 5 (см. фиг.9).
В процессе нормальной работы систем КА и в процессе возникновения нештатных ситуаций бортовой комплекс управления (БКУ) 2 заносит информацию о состоянии жизненно важных систем космического аппарата в отделяемый космический аппарат (ОКА) 8. Электрические соединения ОКА с КА размыкаются при отделении ОКА. Отделение ОКА 8 от КААС происходит по команде от решающего устройства бортового комплекса управления (БКУ) 2 КА.
Применение ОКА, КИС, МСС, СВЗ создает радиолинии передачи информации на разных несущих частотах, разными видами модуляции, что увеличивает вероятность передачи информации, так как совпадение искажений одинаковых сигналов от помех в разных радиолиниях маловероятно. Прием с разных радиолиний одной и той же информации означает резервирование с позиций надежности.
Список используемой литературы
1. Е.П.Молотов. Наземные радиотехнические системы управления космическими аппаратами. Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2004. Труды ФГУП «РНИИ КП».
2. А.И.Жодзишский, A.M.Карпов, М.С.Леонов, Г.С.Тимофеев. Система передачи с космических аппаратов сигналов оповещения «Вызов». Москва, ежемесячный научно-технический журнал Российского технического общества радиотехники, электроники и связи им. А.С.Попова, 
4 апрель 1996,стр.35.
3. Ю.М.Урличич, А.С.Селиванов, Ю.М.Тучин, О.Е.Хромов, И.В.Никушкин. Технологический наноспутник минимальной комплектации «ТСН-0». Санкт-Петербург, сборник трудов третьей Научно-практической конференции, 8-9 июня 2004, стр.14.
1. Система передачи аварийной информации космического аппарата, содержащая космический аппарат (КА), космический сегмент и наземный сегмент, в которой КА содержит системы космического аппарата (СКА), выполненные с возможностью, например, приема радиосигналов, передачи радиосигналов, вхождения в связь, передачи команд, телефонной связи, телеметрических измерений, выполняющие задачи космической программы, соединенные с бортовым комплексом управления (БКУ), систему вызова наземного комплекса управления (СВЗ), соединенную с бортовым комплексом управления и передающую в радиолинию оповещение о возникновении нештатной ситуации в КА, космический сегмент содержит спутники-ретрансляторы (СРКИС) командно-измерительной системы (КИС), ретранслирующие сигналы системы, наземный сегмент содержит центр управления полетом (ЦУП), систему связи и передачи данных (ССПД), КИС, наземные станции приема сигналов (СПС), причем ЦУП соединен двусторонней связью с ССПД, которая соединена двухсторонней связью с КИС, СПС соединена с ССПД, КИС соединена двусторонней связью с СКА и двухсторонней связью с СРКИС, которые имеют двусторонние связи с СКА и между собой, при возникновении аварии в СКА, которая не может быть устранена БКУ, БКУ включает систему СВЗ, которая передает информацию оповещения по радиолинии СВЗ-СПС или по радиолиниям СВЗ-СРКИС-КИС в ЦУП, который внеочередным сеансом связи с СКА получает аварийную телеметрическую информацию и переводит аппаратуру КА из аварийного состояния в нормальный режим работы командами КИС по радиолинии КИС-СКА или КИС-СРКИС-СКА, отличающаяся тем, что в КА введен модуль абонента передачи-приема (ППМ) глобальной многоспутниковой системы связи (МСС), в космический сегмент введена система спутников (СС) глобальной космической системы связи, в наземный сегмент введены шлюзовые станции, причем БКУ соединен с ППМ МСС, который соединен радиолинией с СС КА глобальной космической связи, соединенной по радиолинии со шлюзовыми станциями, которые соединены с ЦУП через ССПД для передачи сигнала оповещения аварийного состояния и аварийной телеметрической информации с СКА.
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что в КА введен отделяемый КА, соединенный с БКУ, причем отделяемый КА соединен радиолиниями с СРКИС , КИС, СПС и СС.
3. Система по п.2, отличающаяся тем, что полученная телеметрическая информация аварийного состояния от отделяемого КА используется для установления причины возникновения аварийного состояния КА.
