Телекоммуникации в СВТ

Задача передачи информации является важнейшей из решаемых космическим аппаратом. Работа других систем направлена на то, чтобы обеспечить верное функционирование аппарата, а значит, выполнение летного задания – сбор необходимой научной или технологической информации и передача ее на Землю. Вместе с тем, передача и получение данных с Земли в большинстве космических аппаратов необходима для работы остальных систем. В первую очередь, она необходима для передачи из центра управления команд баллистико-навигационного обеспечения, корректировки программы научных испытаний, включения или отключения различных систем. Таким образом, телеметрическая система предстает центральной системой, неразрывно связанной с остальными системами аппарата.

Первым примером телеметрической системы и ее важности является первый же искусственный спутник Земли. Единственной целью данного аппарата была передача радиосигнала из космоса. Для этого использовался 3.5-киллограмовый радиопередатчик, работавший на частотах 20.005 и 40.002 МГц и передававший сигнал при помощи двух внешних антенн длиной 2.9 и 2.0 метра. Уже на Сптунике-1 была реализована, хотя и опосредованная, связь телеметрической и других систем. За счет измерения красного смещения спутника множеством людей, получавших его сигнал (телеметрическая система), была определена орбита аппарата (баллистико-навигационное обеспечение), что, в свою очередь, позволило оценить влияние атмосферы Земли на эволюцию орбиты аппарата (научная программа полета).

Общая схема телеметрической системыОбщая схема телеметрической системы
Управляющие команды и другие данные от наземного комплекса управления передаются на борт обычно в S-диапазоне (частота 2-4 ГГц). При помощи бортового комплекса управления сигнал обрабатывается и затем передается для выполнения необходимой системе. Данные от различных систем (научные данные от полезной нагрузки, результаты проверки различных систем) обрабатываются бортовым комплексом управления и передаются в наземный комплекс управления, обычно в диапазонах 8-40 ГГц. Зачастую для полезной нагрузки и для других данных используются разные каналы, особенно когда объем передаваемой научной информации велик. Телеметрическая информация разделяется на служебную, научную и информацию об ориентации. В служебную информацию входят данные о температуре систем аппарата, напряжении в электрических цепях и т.д. Современные аппараты имеют от сотни до тысячи параметров (для шаттла – около 12000), проверка которых осуществляется наземным комплексом управления по данным телеметрии. Частота получения этих данных обычно невелика и составляет от десятков секунд до нескольких минут, поэтому для обеспечения передачи служебной информации не требуется широкого канала (обычно хватает нескольких сотен бит в секунду). Информация об ориентации поступает от установленных на борту аппарата датчиков и может быть как цифровой, так и аналоговой. Для ее преобразования модуляция. Научная информация для каждого конкретного аппарата сильно различается, но практически всегда требует передачи большого объема данных (может потребоваться канал до Гбит/с).

Вся совокупность передающих, преобразующих и коммутационных устройств составляет телеметрическую (или радиотелеметрическую) систему космического аппарата. Телеметрическая система может работать в двух режимах передачи информации. Это может быть передача получаемых в текущий момент времени данных от систем аппарата или передача информации, сохраненной на записывающих устройствах. Выбор режима работы телеметрической системы основывается на характере всей миссии и во многом определяется орбитой аппарата.

Число каналов является одной из важнейших характеристик телеметрической системы. Оно определяет число параметров космического аппарата, которое может быть передано на Землю. При этом для большого числа каналов может использоваться одна или несколько радиолиний.

Важнейшей характеристикой телеметрической системы является ее информативность – максимальный поток информации, который может быть подан в радиоканал, измеряемый в двоичных символах в секунду. Согласно современной классификации, телеметрические системы с информативностью менее 10000 считаются малоинформативными, свыше 100000 – высокоинформативными.

Связь телеметрической и других систем аппаратаСвязь телеметрической и других систем аппарата В разработке телеметрической системы большое значение играет орбита аппарата и его задачи. В первую очередь, выделим геостационарную орбиту. В этом случае связь спутника с наземной станцией может быть постоянной. Это позволяет использовать средства связи, пропускная способность которых меньше, чем, скажем, у аппарата на низкой околоземной орбите. В этом случае связь с наземной станцией, если она одна, будет возможна несколько раз в день в течение сильно ограниченного интервала времени, возможно, в течение нескольких минут. Такой аппарат должен быть оснащен более мощными средствами передачи информации и возможностями ее хранения. Иногда встречается также требование к низкому околоземному аппарату постоянно быть на связи, как в случае с МКС. Это требует создания сети наземных станций связи или использования спутниковой системы связи. Аппараты дальнего космоса имеют свои особенности. Задачи, решаемые аппаратом, также оказывают большое влияние на требования к телеметрической системе. В случае научного аппарата возникает задача передачи большого объема информации (в особенности, если аппарат оснащен фотоаппаратурой), тогда как в случае телекоммуникационного спутника требуется лишь передача на Землю диагностической информации и получение управляющих команд.
Первый шаг в создании телеметрической системы – разработка примерного листа телеметрии. Для каждого элемента, который может попасть в поток данных телеметрии, фиксируется описание сигнала, его тип (аналоговый, бинарный, цифровой), требуемая точность и частота получения данных. В процессе разработки всего проекта лист телеметрии изменяется, поэтому на первом этапе необходимо предусмотреть достаточное количество запасных каналов. На начальном этапе также выбираются типы передатчиков, радиодиапазоны, в которых будет вестись обмен телеметрической и командной информацией, способ передачи информации – непосредственно на наземный комплекс управления или через спутниковую систему.