Радиотехнический информационно-управляющий комплекс системы низкоорбитальных малых космических аппаратов наблюдения

-   рефрактометр  используется для измерения метеопараметров в приземном слое атмосферы в районе размещения НС для расчета поправок на распространение дальномерного сигнала в тропосфере;

- прибор энергоснабжения  КИС обеспечивает гарантированное электропитание НС;

-    аппаратура связи и передачи данных  обеспечивает при необходимости передачу данных в стандартные каналы связи. В полевых условиях обмен всеми видами информации осуществляется по радиолиниям, образуемым наземной станцией.   

    В составе НС предусматривается два комплекта аппаратно-программных средств, обеспечивающие полное (100%) резервирование всех подсистем за исключением антенны.  

 

 

 

 

 

3 СТРУКТУРНЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ПОДСИСТЕМ И УСТРОЙСТВ РАДИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В СОСТАВЕ ИНФОРМАЦИОННО-           УПРАВЛЯЮЩЕГО КОМПЛЕКСА

 

       3.1 Структурная схема наземной станции

 

Наземная станция является мобильной  и предназначена для функционирования в полевых условиях.

            Основные функциональные задачи:

-  прием специнформации с МКА, а также информации банков данных;

-     измерение текущих  навигационных параметров МКА; 

-    прием ТМИ с борта  МКА; 

- обмен информацией управления  целевой аппаратурой и обеспечивающими  системами МКА.

Разработанная структурная схема наземной станции  управления и обработки информации в составе информационно-управляющего комплекса представлена на рисунке 2.1.

 Состав технических  систем  НС: 

- антенная приемо-передающая система  с устройствами наведения и  сопровождения КА;

- усилитель мощности (УМ) запросного  сигнала;

- входное  приемное  устройство (ВПУ) с малошумящим  усилителем  (МШУ)  и  встроенным  конвертором   высокой  частоты;

- конвертор  промежуточной   частоты;

- формирователь запросного  сигнала   промежуточной  частоты  (ФЗС   ПЧ), содержащий генератор сигнала  эталонной частоты (5 МГц), разветвитель эталонного сигнала,  преобразователи   входного   и   выходного   сигнала   и соответствующие перестраиваемые синтезаторы – гетеродины, синтезатор несущей частоты псевдошумового сигнала, цифроаналоговый преобразователь;

 

Рисунок 2.1 –  Структурная схема наземной станции  управления

и обработки  информации в составе информационно-управляющего               комплекса

 

- формирователь  частоты   запросного  сигнала  высокой   частоты  (ФЗС ВЧ);

- вычислительный  комплекс,  выполненный  на ПЭВМ перевозимого типа  со встроенными приборами: цифровым  модулем обработки сигналов и  платами управления усилителем  мощности запросного сигнала,  волноводным переключателем приемного  канала, ФЗС ПЧ, ФЗС ВЧ, МШУ, конвертором  промежуточной частоты; 

  - волноводный  переключатель   приемного  канала;

  - волноводный вентиль  приемного   канала;

  - коаксиальный аттенюатор;

  - навигационный  приемник;

- блок  размножения  «СЕК»;

  - рефрактометр  (метеостанция);

  - прибор  энергоснабжения   НС;

  - аппаратура связи и передачи  данных;   

  - подсистема функционального  контроля НС;

Технология функционирования технических систем НС:

 Антенная   система  обеспечивает  излучение  и прием с борта  КА сигналов в  диапазоне  ~8 ГГц  с круговой поляризацией, поиск, наведение и сопровождение МКА по направлению.   

 Усилитель мощности   запросного  сигнала осуществляет усиление  излучаемого запросного сигнала,  поступающего от формирователя  запросного сигнала высокой частоты. 

 Входное  приемное устройство  усиливает  принятый сигнал  и преобразует его в сигнал  первой промежуточной частоты  (2245±45) МГц. 

 Конвертор  промежуточной   частоты осуществляет преобразование  сигнала первой промежуточной  частоты в сигнал второй и  третьей промежуточной частоты  (6 МГц), усиление и фильтрацию  сигнала. Сигнал третьей промежуточной  частоты преобразуется в аналого-цифровом  преобразователе (АЦП) и поступает  в цифровой модуль обработки  сигнала (ЦМОС).

 Сформированный в цифроаналоговом  преобразователе  входной сигнал  на частоте  = (12±1,0) МГц переносится на частоту = (140±4,3) МГц, после чего с помощью преобразователя частоты выходного сигнала переносится на частоту = (2018…2122) МГц.

Формирователь  частоты  запросного  сигнала  высокой  частоты   переносит спектр выходного сигнала  на частоту передачи запросного сигнала  в диапазоне ~8 ГГц.

Вычислительный комплекс осуществляет обработку сигналов и автоматизированное управление аппаратурой.

Волноводный  переключатель  приемного  канала обеспечивает переключение основного  и резервного приемного трактов.

Волноводный вентиль  приемного  канала обеспечивает согласование малошумящего усилителя входного приемного устройства с антенно-фидерным приемным трактом.

Коаксиальный аттенюатор используется для согласования контрольного выхода усилителя мощности запросного сигнала  и имитационного входа ФЗС  ВЧ.

Навигационный  приемник используется для определения координат НС и формирования секундных меток (СЕК) шкалы местного времени, привязанных к сигналам КНС ГЛОНАСС.

Блок  размножения  «СЕК» осуществляет прием секундных меток времени  от навигационного приемника и их выдачу на ПЭВМ вычислительного комплекса.

Рефрактометр  используется для  измерения метеопараметров в приземном слое атмосферы в районе размещения НС для расчета поправок на распространение дальномерного сигнала в тропосфере.

Прибор  энергоснабжения  КИС  обеспечивает гарантированное электропитание НС.

Подсистема функционального контроля НС обеспечивает формирование данных для автоматического управления работой НС и для отображения  состояния и функционирования станции  на средствах ЦУП.

В составе НС КИС предусматривается  два комплекта аппаратно-программных  средств, обеспечивающие полное (100%) резервирование всех подсистем за исключением антенны.

Результаты обоснования основных технических  характеристик  НС представлены в разделе 3.

 

 

Условия эксплуатации НС

Аппаратурные комплексы НС размещены  в специальных контейнерах, за исключением  следующих приборов:           

-  антенная  система,  на   которой  также располагаются   усилитель  мощности, формирователь   запросного  сигнала  высокой   частоты и малошумящий усилитель  принимаемого сигнала;

-   антенна  навигационного  приемника; 

- метеорологические  датчики   рефрактометра. 

Размещенные  на  открытом  воздухе  системы и аппаратура функционируют  без снижения технических характеристик:

-  в  диапазоне  температур   от  минус  50° С   до  + 50° С;

-   при относительной  влажности   воздуха до  98 % (при  температуре     25° C  ±   5° C);

-  при  ветровых  нагрузках:  

а)  рабочих  – при скорости ветра до 27 м/с;

б)  предельных (без разрушения) - при скорости ветра до  50  м/с.

Подготовка  к  работе  аппаратуры  наземной станции КИС включает   установку  органов  управления  в  исходное  состояние и включение  питания. Она проводится обслуживающим  персоналом станции. Обслуживающий  персонал  в   перерывах  между  работой с КА при необходимости  проводит также  мелкий  ремонт  аппаратуры.

Все виды ремонта проводятся с использованием  запасного имущества (ЗИП)  и  необходимой  контрольно-измерительной  аппаратуры. Блоки,  узлы,  приборы,  не  подлежащие  ремонту, отправляются  в  установленном  порядке  для  ремонта  на  заводы-изготовители.

Техническое  обслуживание  аппаратуры - ежемесячное  и  полугодовое - проводится  силами  обслуживающего  персонала  согласно  эксплуатационной  документации  на  НС КИС.

 

 

3.2 Функциональная схема  приемного устройства

 

В соответствии со схемой, представленной на рисунке 2, разработана функциональная схема приемного устройства наземной станции РСУ КА (рисунок 2.2).

 

        

 

Рисунок 2.2 – Функциональная схема приемного устройства наземной станции КИС

 

 

 

 

4 ОБОСНОВАНИЕ И ОЦЕНКА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РАДИОЛИНИЙ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩЕГО КОМПЛЕКСА

 

4.1 Постановка задачи и исходные данные

 

Характеристики МКА разведки

Рассматривается МКА военного или двойного назначения типа «Монитор» на орбите, близкой  к  круговой: высота орбиты h~500 км, наклонение ~97º.  

Наблюдаемая в любой момент времени t зона земной поверхности МКА с высотой орбиты 500 км при углах места наблюдения МКА с Земли (0…90)º характеризуется радиусом 2523,8 км. Период обращения МКА равен 94,4 мин. Максимальное время пролета зоны видимости наземного объекта при ограничении на угол места 7º оценивается в 8,43 мин. Расчетное время

проведения  операций в зоне видимости объекта  наблюдения определяется интервалом 3…5 мин.

 Вероятность  обнаружения, распознавания и  оценки с заданной точностью  координат разведываемых объектов  при одном пролете МКА зоны  ответственности потребителя предполагается  близкой к единице (разведываются  объекты, доступные целевой аппаратуре  МКА). Эта вероятность определяется  характеристиками целевой аппаратуры  МКА и степенью маскировки  разведываемых объектов на фоне  местности. Предполагается также,  что характеристики целевой аппаратуры  соответствуют условиям пригодности  МКА к выполнению задач разведки  в интересах войсковых потребителей.

  Зона ответственности потребителя (зона потребителя) рассматривается как некоторый район земной поверхности с максимальным размером ~(1500х1500) км, содержащий один или несколько обнаруживаемых и отслеживаемых малоразмерных объектов (целей) разведки.

 Войсковые  потребители могут дислоцироваться  на любом из предполагаемых  в глобальном масштабе театров  военных действий.

 

4.2 Обоснование характеристик радиолиний

 

  Основные потребительские характеристики  системы МКА

Характеристики  оперативности получения разведданных потребителем:

Т_О – максимально допустимое время обновления разведданных;

            Т_З – максимально допустимая задержка получения потребителем обработанных разведданных относительно момента завершения съемки МКА заданного района.

            Характеристики оперативности предполагаются  заданными в совокупности с  вероятностями их непревышения в процессе функционирования системы МКА. Вероятности задаются близкими к единице (~0,99).

Время Т_О определяется количеством МКА в системе, орбитальной структурой системы МКА и управляющими воздействиями по применению МКА в той или иной зоне.

Современные требования со стороны ОТЗ ВС для сложных периодов военно-политической обстановки (ведения военных действий) характеризуются значениями Т_О=10…15 мин.

Полное  покрытие поверхности Земли некоторой  гипотетической баллистически организованной системой таких МКА, теоретически гарантирующее непрерывное поступление разведданных в глобальном масштабе, может быть обеспечено орбитальной группировкой с количеством МКА в системе М≈≈26 (с учетом неравномерности распределения МКА над поверхностью Земли это количество оценивается примерно в 50…60).

Если  исходить из того, что низкоорбитальный МКА может в течение суток  находиться в зоне видимости одного объекта наблюдения  от 2-х витков в низкоширотных районах (на экваторе за один период обращения МКА Земля  смещается на ~2500 км) до 16 витков (в  районах полюсов Земли), то можно  воспользоваться следующей приближенной формулой:

                                    Т_О≤мин.                                                        (3.1)

Тогда для  Т_О=15 мин. необходимое количество МКА в системе, каждый из которых может обеспечивать разведданными всех потребителей, оценивается числом М==48. В дальнейшем для определенности при проведении оценок будем полагать М=50.

При среднем  времени съемки зоны одного потребителя (одной группировки объектов) 5 мин. и среднем времени между съемками также 5 мин. максимальное количество N_С сеансов в сутки, образующих 5-минутные посылки специнформации, которые может выполнить один МКА оценивается в 144. Таким образом, система из 50 МКА за сутки может выполнить максимум примерно 144х50=7200 сеансов получения специнформации. При этом максимальное количество П обслуживаемых низкоширотных зон потребителей одним МКА и системой МКА при Т_О=15 мин. равно 72, количество объектов съемки может достигать нескольких сотен.