Радиотехнический информационно-управляющий комплекс системы низкоорбитальных малых космических аппаратов наблюдения

С учетом сформулированных предпосылок может быть предложена оценочная зависимость необходимого количества М малых космических  аппаратов от времени Т_О и количества П обслуживаемых зон потребителей:

                        М≈                                            (3.2)

время Т_О в (3.2) определено в минутах. Графически зависимость (3.2) представлена на рис. 3.1.

            Оперативное развертывание такой  орбитальной группировки с количеством  МКА в несколько десятков целесообразно  планировать как исключительный вариант для особых периодов, используя в том числе опыт эксплуатации в мирное время одиночных (малоспутниковых) КА наблюдения и многоспутниковых систем низкоорбитальных КА связи. Однако ИУК системы МКА разведки вследствие технической сложности создания, большой номенклатуры и количества средств, продолжительности их  разработки   целесообразно создавать с характеристиками, обеспечивающими функционирование такой системы на всех этапах ее развертывания.

 

Рисунок 3.1 –  Оценочная  зависимость   необходимого   количества   М   малых космических  аппаратов от времени Т_О обновления разведданных

и количества П обслуживаемых зон потребителей

Время Т_З определяется характеристиками ИУК по обмену информационными потоками в процессе  доведения развединформации до потребителя и уровнем автоматизации обработки СИ. Очевидно, должно выполняться условие Т_З≤Т_О.

Далее рассматривается  схема, совмещающая централизованное и децентрализованное функционирование ИУК.

 

4.3 Результаты анализа требований по информативности каналов ИУК

 

Согласно /ТЗ на НИР «Структура НК КИС обеспечения  тактических звеньев ВС космической информацией» (шифр «Дублер-АООП»)/ каналы ИУК должны обеспечивать:

- скорость  передачи СИ (передачи изображений), поступающей с МКА на наземный  пункт (пункт потребителя или  пункт спеццентра) не менее ~64 Мбит/с; объем информации за сеанс длительностью 5 мин. составляет при этом ~19,2 Гбит; за сутки для одного потребителя (100 сеансов) – 1920 Гбит, для 72 потребителей (7200 сеансов) – 138240 Гбит; для формирования банков данных в спеццентре необходима передача в спеццентр СИ от каждого потребителя хотя бы один раз в сутки (72 сеанса); 

- скорость  передачи информации банков данных  из спеццентра каждому потребителю в сеансе длительностью 5 мин. в неоперативном режиме ~16 кбит/с (объем информации за сеанс ~4,8 Мбит), периодичность обновления ИБД не реже одного раза в сутки. Объем передаваемой информации в сутки для 72 потребителей – 345,6 Мбит.

Информация  управления МКА согласно /ТЗ на ОКР  по созданию БКИК для МКА «Кондор»/ характеризуется следующими параметрами:

- при  программно-временном методе планирования  объем рабочих программ на  сутки составляет 2400 слов (2400х16=38400 бит), на 30 суток (автономный режим)  – 69000 слов (1,104 Мбит);

- при  координатном методе планирования  соответственно 1060 слов (16960 бит) и  31200 слов (0,4992 Мбит).

Автономный  режим и координатный метод планирования работы целевой аппаратуры считаются  основными.

Для навигационного и телеметрического контроля МКА  в штатных режимах функционирования необходимо планировать не менее  двух сеансов в сутки для каждого  МКА. Информация боевого управления характеризуется короткими типовыми посылками объемом ~1 кбит, количество посылок с квитанциями – несколько  десятков в сутки из расчета на одного потребителя. 

С учетом проведенного анализа типовой суточный технологический цикл обмена информацией, циркулирующей в ИУК, для 50 МКА  и 72 зон потребителей представлен  в табл. 3.1.

 

Таблица 3.1 – Типовой суточный технологический цикл обмена информацией, циркулирующей в ИУК

Вид     информации	Направление      передачи    информации	Скорость, кбит/с	Длительность      посылки	Количество    посылок     в сутки
Специнформация	50 МКА – 72 потребителя 50 МКА - спеццентр	64000      64000	5 мин.          5 мин.	7200           72
Информация банков данных	Спеццентр - 72 потребителя	16	5 мин.	72
Информация управления МКА	ЦУП – 50 МКА 50 МКА – ЦУП	2…16     2…16	5 мин.        5 мин.	50        100
Информация боевого управления	Потреители – спеццентр Спеццентр – потребители	1          1	1 с             1 с	сотни        сотни

      

 

  Зададимся  для определенности частотным  диапазоном радиолиний ИУК и  характеристиками кодирования и  приема информации:

         - частотный диапазон ~8 ГГц (типовой  для радиолиний обмена целевой  информацией); предполагается, что несущие  частоты при передаче сигнала  абонентом и приеме сигнала  этим же абонентом разнесены,  но близки к ~8 ГГц;

         - типовые характеристики кодирования  и приема информации – бинарное  кодирование противоположными сигналами  с вероятностью ошибочного приема  информационного символа р_ОШ=10^-6.

   

4.4 Синтез структуры и оценка энергетических характеристик      каналов ИУК

      

 Для информационных потоков, представленных в табл. 3.1, традиционное централизованное функционирование ИУК реализовать практически невозможно, поскольку выполнение 7200 сеансов передачи СИ в спеццентр общим объемом 138240 Гбит потребует ~50 постоянно функционирующих ретрансляторов с полосой ~128 МГц каждый и примерно столько же ретрансляторов для передачи обработанных разведданных потребителям. Кроме того, существенным недостатком централизованного ИУК при функционировании в сложные периоды является отсутствие в спеццентре (даже оперативно координируемым) достаточной информации об особенностях (специфике) и состоянии процессов вооруженной борьбы на текущий момент времени в зоне ответственности конкретного потребителя.

В схемах децентрализованных ИУК и схемах смешанного типа      (рис. 1.3) используются радиолинии непосредственной передачи СИ «МКА-НС», что не требует  передачи в спеццентр полных потоков СИ. Возможно привлечение в этих схемах и космических ретрансляционных систем для передачи ограниченных объемов СИ с МКА в спеццентр, в том числе и для коррекции информации банков данных. Для этих целей (количество сеансов ~72) достаточно привлечение одного ретранслятора.

СР на ГСО, как показал опыт эксплуатации КА разведки, обеспечивают эффективное функционирование ИУК в мирное время, являются логическим этапом развития ИУК и могут применяться в особые периоды. 

Ретрансляционный  обмен информации с использованием сетевых структур, в том числе  радиолиний «МКА-МКА» ранее не использовался  и требует более детального анализа.

Оценку  энергетических характеристик радиолиний ИУК проведем, исходя из следующих  аналитических соотношений. 

При бинарном кодировании противоположными сигналами  используем выражение [1, c. 424]:

                        ≈ - С (2 ln р_ОШ + 1,84),                                 (3.1)

где С – скорость передачи информации, - требуемое минимальное (пороговое) отношение мощности сигнала к спектральной плотности шума на входе решающего устройства о переданном информационном символе.

Оценки, выполненные с применением выражения (3.1) для всех видов информации в  соответствии с табл. 3.1, приводят к  следующим результатам:                   

            - при приеме СИ

                                                 =1651 МГц;

           - при приеме информации банков данных           

                                                 =413 кГц;

           - при приеме информации управления КА

                                                 =52…413 кГц;

           - при приеме информации боевого управления

                                                  =26 кГц.

Для всех видов передаваемой информации при  использовании сигналов без частотной избыточности требуемое пороговое отношение мощности сигнала к мощности помехи составляет ~11,1 дБ.

Используем  известные соотношения радиосвязи (энергетического баланса) при функционировании радиолиний в отсутствии  помех [2, c. 346 ] :           

                         g >                             (3.2) и при наличии организованных помех

   ×  ∙ > .               (3.3)

В выражениях (3.2) и (3.3.): - мощность передатчика информационной радиолинии; , - соответственно коэффициенты усиления передающей и приемной антенн радиолинии; - коэффициент усиления приемной  антенны в направлении на станцию помех;  Д – максимальная дальность радиолинии; - средняя длина волны; g - коэффициент затухания (поглощения) волн в атмосфере (0 < g £ 1);                                         к = 1,38 × Вт/Град×Гц – постоянная Больцмана; - эквивалентная шумовая температура антенно-фидерных трактов и приемника; - пороговое отношение мощности сигнала к спектральной плотности шума на выходе приемника; - мощность передающего устройства станции помех; - коэффициент усиления антенны станции помех; - дальность радиолинии «станция помех – подавляемый приемник»; Δf – ширина спектра сигнала (помехи).

Оцениваемые характеристики:

- объект МКА – мощность передатчика Р_МКА; коэффициенты усиления антенн: в направлении на наземную станцию G_МКА-НС; в режиме управления неориентированным МКА G_МКА; в направлении на СР (СР на ГСО) G_МКА-СР; в направлении на МКА (сетевой режим) G_{МКА-МКА};

- объект НС – мощность передатчика Р_НС; коэффициент усиления антенны G_НС;

- объект СР – мощность передатчика Р_СР; коэффициент усиления антенны G_СР.

0сновные  ограничения: 

- коэффициент  усиления антенны МКА при его  управлении в неориентированном  режиме не более (-10 дБ) – G_МКА ≤ -10 дБ;

- мощность  передатчика МКА не более 10 Вт – Р_МКА≤10 дБ Вт ( огра-ничение обусловлено энергомасссогабаритными требованиями к МКА);

- диаметр  параболической антенны НС ~2,6 м  (ограничен габаритами подвижного  автомобильного носителя типа  КАМАЗ) – G_НС=44,3 дБ;

- максимальная  ширина спектра сигнала Δf=128 МГц (соответствует скорости передачи СИ 64 Мбит/с);

- шумовая  температура приемных устройств:  НС – 300ºК, МКА и СР – 1000ºК; 

- максимальная  дальность радиолинии «МКА-НС» Д=2500 км;

- отношение  коэффициента усиления приемной  параболической  антенны к усилению  антенны  в  направлении  на станцию помех (отношение  коэффициента усиления антенны  к уровню дальних боковых лепестков)  =30 дБ (отношение, характерное для параболических антенн);

- ЭИИМ  средств РЭП: при подавлении  бортовых приемников наземными  средствами – 96 дБ Вт; при подавлении  приемников НС самолетными средствами  с расстояния =500 км  – 72 дБ Вт.

Возможные направления обмена информацией  представлены на       рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 –  Направления обмена информацией  в ИУК

 

           Поскольку НС потребителя дислоцируются  (по определению) в зоне ведения  военных действий, то одним из  основных условий их не поражения  должно стать  функционирование  в  режиме  «радиомолчания»   (только   на   прием  информации). Излучение НС (передача СИ на  СР, передача команд управления  МКА и др.) допускается в мирное  время и в условиях отсутствия  угрозы поражения.

            Для обеспечения условия радиомолчания  НС в сложные периоды потребителю  должны быть приданы радиостанции  обмена сигналами БУ, которые  территориально могут находиться  на требуемом для безопасности  НС удалении от нее.

С учетом введенных ограничений результаты оценок (в дБ) энергетических характеристик  радиолиний ИУК представим следующей  системой неравенств: а) без внешних  помех, б) в условиях РЭП [4, c. 202].

       1. Передача СИ (64 Мбит/с, Δf=128 МГц)

       1.1. МКА-НС (основная целевая радиолиния)

       а) Р_МКА+G_МКА-НС≥22,5;

       б) Р_МКА+G_МКА-НС≥67 (радиолиния не может быть реализована, так как требует создания на МКА параболической антенны диаметром зеркала более 11,2 м).

       1.2. МКА-СР

       а) Р_МКА +G_МКА-СР+G_СР≥96,1;

      б) Р_МКА+G_МКА-СР≥77,1 (радиолиния не может быть реализована, так как требует создания на МКА параболической антенны диаметром зеркала более 35,9 м).