лекция 1_конспект

Лекция 1

Космические системы информационного обеспечения

C 1957 года на околоземные орбиты было выведено больше шести тысяч искусственных спутников Земли.

Несмотря на большое количество и, априори, большое разнообразие космических аппаратов, в околоземном пространстве спутники, в основном, сгруппированы по двум областям: сферическая область в непосредственной близости к земной поверхности (низкие круговые орбиты) и кольцевая область на значительном удалении от планеты (геостационарная орбита).

Большое количество объектов на низких круговых орбитах Земли объясняется как сравнительной простотой запуска космических аппаратов на такие орбиты (можно использовать более дешёвые и надёжные ракеты, можно запускать до 30 спутников одновременно и т.д.), так и удобством этих орбит для фото- и видеоконтроля поверхности Земли.

Геостационарная орбита, в силу своих особенностей, активно используется для спутников связи, радио- и телевещания, составляющих основу коммерческого спутникового флота.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АВПКО	–	анализ видов, последствий и	НКУ	–	наземный комплекс управления;
		критичности отказов;
АМС	– автоматическая межпланетная		НЭО	–	наземная экспериментальная
		станция;			отработка;
АП	–	аванпроект;	ОГ	–	орбитальная группировка;
АП	–	аппаратура потребителей;	ОКР	–	опытно-конструкторские работы;
БЦК	–	бортовой целевой комплекс;	ПОН	–	программа обеспечения надёжности;
ГСО	–	геостационарная орбита;	ПСИ	–	приёмо-сдаточные испытания;
ДЗЗ	–	дистанционное зондирование Земли;	РКД	–	рабочая конструкторская
					документация;
ЗИ	– завод-изготовитель;		РКК	–	ракетно-космический комплекс;
ИД	–	исходные данные;	ТЗ	–	техническое задание;
КА	–	космический аппарат;	ТП	–	технический проект;
КД	–	конструкторская документация;	ТТЗ	–	тактико-техническое задание;
КПЭО	– комплексная программа		УКП	–	унифицированная космическая
		экспериментальной отработки;			платформа;
КС	–	космическая система;	ЦУС	–	центр управления системой;
ЛИ	–	лётные испытания;	ШЭ	–	штатная эксплуатация;
МЛ	–	межспутниковая линия (связи);	ЭП	–	эскизный проект.
НИР	–	научно-исследовательская работа;

1

Классификация космических систем и аппаратов

Как и любая технически сложная система, космическая система может быть классифицирована различными способами, в зависимости от предъявляемых критериев классификации. Ниже представлены наиболее часто используемые классификации космических систем. Необходимо отметить, что, поскольку космический аппарат является основным инструментом любой космической системы, классификация космических аппаратов идентична классификации космических систем.

По принадлежности и способу применения

	Народно-хозяйственные				Военные				Коммерческие
	(национальные или								(национальные или
	международные)								международные)

Отличие народно-хозяйственных от коммерческих космических систем заключается в том, что первые решают в первую очередь социальные задачи государства, в то время как вторые разрабатываются исключительно с целью получения прибыли. Военные же системы по функционалу могут не отличаться от народно-хозяйственных или коммерческих, однако направлены на обеспечение обороноспособности государства, в связи с чем в них применяются дополнительные меры по кодированию целевого сигнала.

По назначению

Информационного

Научно-исследовательские

Специального

обеспечения

применения

Исследование медико-

Связь, телевещание

биологических проблем и

КА боевого

и ретрансляция

технологий

применения

Навигация и

Исследование околоземного

Демонстраторы

геодезия

и околосолнечного

технологий

пространства

Дистанционное

Студенческие КА

Исследование небесных тел

исследование

Земли

(Земли, Луны, Солнца,

планет, комет, астероидов)

2

Классификация космических аппаратов

Отличительной особенностью большинства космических аппаратов является их способность к длительному функционированию в условиях космического пространства с определенной автономностью решения своих задач.

По длительности функционирования (сроку активного существования)

	Малоресурсные				Среднересурсные				Долгоресурсные
	(до 3 лет)				(< 7,5 лет)				(> 7,5 лет)

По автономности функционирования (уровень загрузки наземных средств по работе с КА)

	Непрерывная				Сеансная
	(по типовой				(по типовой циклограмме
	циклограмме в				в течение заданного
	течение витка)				временного интервала)

По заявкам

(работа с КА на начальных этапах, при нештатных ситуациях)

Длительность функционирования и автономность работы КА зависят, в первую очередь, от целевых задач спутника, которые являются определяющим фактором при выборе его рабочей орбиты.

Аппараты, работающие на стабильных орбитах, отличаются высоким уровнем автономности и длительным сроком активного существования. К таким КА относятся спутники связи на ГСО и навигационные КА.

Среднересурсными являются все аппараты ДЗЗ, вследствие малой высоты рабочей орбиты и, как следствие, высоких затрат топлива на её поддержание. Орбита также определяет и автономность функционирования КА ДЗЗ – постоянное, хоть и медленное, изменение параметров орбиты требует организации сеансной работы наземных средств со спутником, позволяющей парировать эти изменения.

В класс малоресурсных КА относят все студенческие аппараты и демонстраторы технологий, а также спутники небольших размеров, габариты которых не позволяют создать существенный запас топлива, однако их низкая стоимость нивелирует этот недостаток.

3

Классификация космических аппаратов

По техническому исполнению

Автоматические

Пилотируемые

Орбитальные станции

космические корабли

Возвращаемые

Одномодульные

(капсулы)

Стыкуемые с помощью

собственных средств

Многомодульные

Невозвращаемые

Стыкуемые внешними

Космические

манипуляторами

зонды (АМС)

Все КА с высотой орбиты больше 700 км являются невозвращаемыми, поскольку для возврата аппаратов с орбит больше 700 км потребуется настолько большое количество топлива для реактивных двигателей, что его стоимость, а также стоимость запуска КА увеличенных массы и габаритов (за счёт массы и объёма топлива для манёвра возврата), перекрывает экономический и научный эффект от возврата КА на Землю.

По типу траектории

Круговые

Высокоэллиптические

орбиты

орбиты

Низкие круговые

Солнечно-синхронные

ВЭО «Молния»

орбиты (НКО)

орбиты (ССО)

h = 200-2000 км

i > 90°

Т = 12 ч

ВЭО «Тундра»

Средние круговые

орбиты (НКО)

Т = 24 ч

h = 2000-20000 км

Геосинхронные

Геостационарная

орбиты

орбита (ГСО)

h = 36000 км

i = 0°

4

Космические аппараты информационного обеспечения

Космические аппараты связи, телевещания и ретрансляции

Космические аппраты навигации и времени

Геодезические космические аппараты

Космические аппараты дистанционного зондирования Земли

5

Структурно-функциональная схема космической системы

Основным элементом космической системы является космический комплекс, в который входит орбитальная группировка космических аппаратов (ОГ КА), наземный комплекс управления космическими аппаратами (НКУ) и ракетно-космический комплекс (РКК). Космический комплекс самодостаточен, однако для того, чтобы он мог приносить пользу, ОГ КА должна функционировать совместно с аппаратурой потребителей (АП), а за соответствие характеристик космической системы требованиям заказчика, а также за модернизацию системы отвечает центр управления системой (ЦУС).

В случае модернизации космической системы или объединении нескольких систем для решения целевой задачи, потребитель должен использовать единую аппаратуру для работы с различными ОГ, в состав которых могут входить КА с разным бортовым целевым комплексом (БЦК), а также КА построенные на основе разных унифицированных космических платформ (УКП). Для улучшения характеристик системы может использоваться межспутниковая линия связи (МЛ).

6

Частотный план работы космического аппарата

Обмен информацией между космическим аппаратом и Землёй осуществляется посредством радиоканала. Для унификации приёмо-передающего оборудования, а также для исключения взаимных помех при радиообмене информацией, выделяют несколько диапазонов частот радиоволн, каждому из которых соответствует своё буквенное обозначение.

В настоящее время для организации телефонной связи используется С-диапазон, для телевещания – Ku-диапазон, однако постоянное повышение качества телеизображения, а также необходимость организации высокоскоростного траффика при работе в сети интернет, привело к возникновению повышенного спроса на космические аппараты, работающие в Ka-диапазоне.

Необходимо отметить, что бесконечно повышать частоту радиоволн не получится, поскольку волны с частотой выше 62 ГГц поглощаются атмосферой Земли. Поэтому уже сейчас ведётся отработка технологии квантооптической (лазерной) передачи информации в космосе. В частности, эта технология используется при работе КА AlphaSat, запущенного на орбиту 25 июля 2013 года.

7

Этапы создания космических систем и аппаратов

Космическая система и аппарат разрабатывается по тактико-техническому заданию (ТТЗ) и контракту с Заказчиком. Контракт определяет сроки приведения работ, объем и стоимость работ, а ТТЗ – перечень основных характеристик заказываемых системы и аппарата. ТТЗ является неотъемлемой частью контракта.

Создание космической системы (КС) начинается с этапа научно-исследовательских работ (НИР), который выполняется на основании отдельного контракта на НИР. На этом этапе производится оценка уровня технологии и достижимых характеристик системы. По результатам выполнения НИР разрабатывается аванпроект (АП), в котором в общих чертах отражается предполагаемый облик космической системы и космического аппарата. Аванпроект является основанием для формирования заказчиком ТТЗ и заключения контракта на разработку космической системы (или космического аппарата). Материальная часть КС создаётся в процессе выполнения опытно-конструкторских работ (ОКР), которые включают в себя разработку конструкторской документации, изготовление и испытание космических аппаратов и других элементов КС. Развёртывание космической системы заключается в запуске КА на орбиту, испытания КА на орбите, а также отработка взаимодействия между наземными пунктами управления, входящими в контур управления КА. В зависимости от количества аппаратов в КС, этап развёртывания КС может занимать от трёх месяцев до нескольких лет.

Эксплуатация космической системы является основным этапом его жизненного цикла, хотя необязательно самым большим по продолжительности. Эксплуатация некоторых научных КА может составлять не более 10% от времени создания и развёртывания КС, в которую входит этот КА.

По результатам эксплуатации принимается решение о модернизации либо ликвидации КС. Ликвидация необходима для предотвращения засорения космического пространства нерабочими КА, а модернизация может затрагивать любой из этапов создания КС: от НИР до ОКР, в зависимости от эффективности эксплуатации КС и технического прогресса.

8

Научно-исследовательские работы

Изучение окружения, с которым должна взаимодействовать разрабатываемая система, исследование потребностей на рынках услуг и оценка конкурентоспособности новой системы

Выяснение целей создания системы, номенклатуры и объемов решаемых задач

Формирование показателей эффективности системы, критериев выбора структуры и технических характеристик

Научно-исследовательские работы проводятся профильными научно-исследовательскими институтами (НИИ), часто с привлечением компетентных предприятий промышленности. В России головным научно-исследовательским институтом космической промышленности является Центральный научно-исследовательский институт машиностроения (ЦНИИмаш), в г. Королёв Московской области.

В рамках опережающего развития, при наличии свободных средств, НИР могут выполняться силами самих предприятий за собственный счёт. В этом случае задачей НИР является выявление возможностей получения предприятием конкурентного преимущества перед другими участниками рынка.

Проведение НИР регулируется соответствующими ГОСТами, перед началом работ с исполнителем заключается контракт и формируется техническое задание (ТЗ) на НИР. ТЗ на НИР может быть как «выжимкой» из ТТЗ на разработку КС (КА), так и оригинальным документом – в случае, когда выполняется «НИР ради НИР».

Кроме того, именно на этапе НИР проводятся патентные исследования, назначение которых – предотвратить «изобретение велосипеда», а также выявить основные тенденции технического прогресса в исследуемой области науки и техники.

9

Аванпроект

Определение путей создания КС (КА), формирование перечня возможных организацийсоисполнителей, а также разработка стратегии развития технологии производства КА и комплектующих (при необходимости)

Формирование предварительного облика КС (КА) в соответствии с текущим и перспективным уровнем техники

Анализ результатов НИР

На этом этапе уточняются показатели эффективности системы, критерии выбора структуры и технических характеристик, формируется проектная модель системы и уточняется ТТЗ.

Аванпроект необходим в случае, когда в рамках создания КС (КА) проводилось несколько НИР, причём у каждой НИР был свой исполнитель, не имеющий компетенций по созданию КС (КА) в целом. В такой ситуации необходима аккумуляция полученных в результате НИР знаний в единый проект, что и происходит на этапе аванпроекта.

Если же разработчик КС (КА) сам является головным исполнителем НИР, необходимость в аванпроекте отсутствует, поскольку в этом случае НИР завершается формированием ТТЗ на опытно-конструкторские работы (ОКР), то есть один из этапов НИР представляет собой документацию, аналогичную документации аванпроекта.

При разработке коммерческой КС (КА) этап НИР отсутствует, а аванпроект называется техническим предложением и выполняется в рамках участия в конкурсе, который объявляет заказчик КС (КА). Поскольку разработку конкурсной документации заказчик не оплачивает, техническое предложение является описанием достигнутого предприятием-разработчиком КС (КА) уровня технологии и ключевых характеристик предлагаемой на рынок продукции.

10