Низкие круговые орбиты
В зависимости от величины наклонения плоскости орбиты относительно плоскости экватора различают низкие экваториальные (наклонение 00), полярные (наклонение 900) и наклонные орбиты. Системы с низкими наклонными и полярными орбитами существуют уже около 30 лет и применяются в основном для научно-исследовательских целей, дистанционного зондирования, навигации, метеорологических наблюдений, фотографирования поверхности Земли. Для организации мобильной и персональной связи эти системы стали использоваться только в последние 5—7 лет. Сегодня наиболее интенсивно осваиваются низкие наклонные и полярные орбиты высотой 700—1500 км, а также экваториальные высотой 2 тыс. км.
Спутники на низких орбитах обладают значительными преимуществами перед другими КА по энергетическим характеристикам, но проигрывают им в продолжительности сеансов связи и времени активного существования КА. Если период обращения спутника составляет 100 мин, то в среднем 30% времени он находится на теневой стороне Земли. Аккумуляторные бортовые батареи испытывают приблизительно 5 тыс. циклов зарядки/разрядки в год, вследствие чего срок их службы, как правило, не превышает 5—8 лет.
Выбор диапазона высот от 700 до 2 тыс. км для низкоорбитальных систем неслучаен.
С одной стороны, на орбитах высотой менее 700 км плотность атмосферы относительно высока, что вызывает колебания эксцентриситета и деградацию орбиты (постепенное снижение высоты апогея). Кроме того, уменьшение высоты орбиты приводит к увеличению числа штатных маневров для сохранения заданной орбиты, а следовательно, к повышению расхода топлива.
С другой стороны, на орбитах выше 1,5 тыс. км, где располагается первый радиационный пояс Ван-Аллена, длительная работа электронной бортовой аппаратуры практически невозможна, если не использовать специальных методов защиты от радиационного излучения. Применение же этих методов ведет к существенному усложнению бортовой аппаратуры и увеличению массы КА.
Однако, чем меньше высота орбиты, тем меньше мгновенная зона обслуживания, а следовательно, для глобального охвата требуется значительно большее количество спутников. Если низкоорбитальная система должна обеспечить глобальную связь с непрерывным обслуживанием, то необходимо, чтобы в орбитальную группировку входило не менее 48 КА. Период обращения спутника на этих орбитах составляет от 90 мин до 2 ч, а максимальное время пребывания КА в зоне радиовидимости не превышает 10—15 мин [2].
1.3 Малые космические аппараты и их классификация
В настоящее время в России и за рубежом все более активно развивается процесс перехода от тяжелой и дорогой многофункциональной космической техники к малогабаритной, и к малым космическим аппаратам (МКА). Это становится возможным благодаря достижениям в области микроминиатюризации элементной базы, использованию новых конструктивных решений при создании бортовой аппаратуры, интеграции бортовых комплексов на основе современных средств вычислительной техники.
Одним из перспективных и наиболее полно проработанных вариантов применения МКА является спутниковая связь. В последнее десятилетие одной из ведущих тенденций развития космических систем связи была разработка и начало развертывания низкоорбитальных многоспутниковых систем связи (МСС). В таких системах охват земной поверхности обеспечивается за счет создания орбитальной группировки, включающей до нескольких десятков низкоорбитальных спутников-ретрансляторов (СР) на орбитах высотой 750-1500 км. Протяженность космических радиолиний при этом не превышает нескольких тысяч километров, что позволяет использовать малогабаритную наземную и бортовую терминальную аппаратуру.
Практический интерес представляет разработка низкоорбитального СР массой до 250 кг, что при существующей классификации соответствует категории мини-КА (масса 100-500 кг) или микро-КА (масса 10-100 кг). Среди таких проектов можно выделить СР:
- «Гонец» (Россия, масса 230 кг);
- «Aries» (США, масса 182 кг);
- «Ellipso» (США, масса 175 кг);
- «Starsys» (США, масса 80 кг);
- «Orbcomm» (США, масса 40кг).
Следует отметить, что российская система пакетной спутниковой связи «Гонец-Д1» В СОСТАВЕ 6 СР «Гонец» разработки НИИ ТП уже в течение ряда лет находится в штатной эксплуатации, что является примером успешного коммерческого применения отечественных малогабаритных СР.
При создании МКА в решении поставленной задачи выделяются две фазы:
1) разработка базовой малогабаритной унифицированной космической платформы (УКП);
2) оснащение малогабаритной УКП полезной нагрузкой (ПН) соответствующего целевого назначения.
В качестве примера малогабаритных УКП можно привести платформы «Эльф» и «Колибри» разработки КБ «Арсенал»: УКП «Эльф» имеет массу 80 кг и рассчитана на ПН массой 30 кг, УКП «Колибри» соответственно 200 и 100 кг. Поскольку низкоорбитальные и малогабаритные СР будут применяться в составе многоспутниковой орбитальной группировки МСС и, следовательно, выпускаться серией, для них может быть разработана специальная космическая платформа с оптимизированными массогабаритными характеристиками.
В качестве специальной аппаратуры малогабаритного СР выступает бортовая ретрансляционная аппаратура (БРА), представляющая собой радиотехнической приемопередающее устройство, осуществляющее прием ретранслируемых сигналов, их преобразование и передачу в направлении абонентов (потребителей). Источником и получателем сигналов, ретранслируемых низкоорбитальным СР, может быть как наземная станция- абонент, так и другой СР (при реализации сетевой технологии информационного обмена). В общем случае в состав БРА могут входить несколько бортовых ретрансляторов (стволов ретрансляции), подключенных к одной или нескольким антеннам.
С учетом характера преобразований ретранслируемых сигналов возможны следующие варианты построения схемы одного ствола БРА:
- бортовой ретранслятор гетеродинного типа;
- бортовой ретранслятор с однократным преобразованием частоты;
- бортовой ретранслятор с демодуляцией (обработкой) сигнала.
Бортовой ретранслятор гетеродинного типа наиболее часто встречается в системах спутниковой связи и вещания на основе высокоорбитальных СР. Такой ретранслятор обычно имеет два преобразования частоты – понижающее и повышающее. Основное усиление сигнала происходит на промежуточной частоте.
Бортовой ретранслятор с однократным преобразованием частоты также называется ретранслятором линейного прямого усиления. В нем усиление сигнала происходит на высокой частоте, а при преобразовании частоты спектр ретранслируемого сигнала переносится из области частот приема в область частот передачи.
Бортовой ретранслятор с демодуляцией (обработкой) сигнала на борту представляет собой наиболее сложной тип БРА. В нем при ретрансляции происходит декодирование и обработка ретранслируемых сигналов. Обработка ретранслируемых сигналов содержит анализ достоверности, изменение структуры сигналов, коммутацию каналов и пакетов.
В качестве основного варианта построения БРА низкоорбитальных СР следует рассматривать третий вариант – ретрансляцию с обработкой сигнала
Рис.3. Структурная схема бортовой аппаратуры МКА связи
Бортовая аппаратура размещается на малогабаритной космической платформе с гравитационной системой ориентации и состоит из обеспечивающей и специальной аппаратуры.
К бортовой обеспечивающей аппаратуре относятся:
- бортовая система электропитания;
- бортовая вычислительная система;
- бортовая аппаратура командно-измерительной системы (КИС);
- микроконтроллер телеметрической системы;
- навигационная аппаратура потребителя.
К бортовой специальной аппаратуре относятся:
- бортовая ретрансляционная аппаратура (БРА);
- микроконтроллер ретрансляционной аппаратуры;
- запоминающее устройство электронной почты.
Основным элементом бортовой специальной аппаратуры является БРА. В состав БРА входят один или несколько идентичных приемо-передающих стволов ретрансляции с обработкой сигналов и устройство управления ретранслируемыми информационными потоками. Несколько стволов ретрансляции необходимо для одновременной связи с наземной станцией-абонентом и другими СР при работе с межспутниковой ретрансляцией. При работе в режимах с непосредственной ретрансляцией и в режиме электронной почты может быть достаточно одного ствола ретрансляции. Микроконтроллер ретрансляционной системы служит для управления работой БРА в реализуемых ею режимах ретрансляции. В запоминающее устройство электронной почты записываются сообщения, передаваемые в режиме ретрансляции с переносом.
При конструировании бортовой аппаратуры используются современные достижения в области космического приборостроения и микроэлектронных технологий. Все конструктивные решения направлены на уменьшение массы МКА связи с одновременным обеспечением заданных эксплуатационно-технических характеристик, высокой технологичности изготовления и развертывания в рабочее состояние на орбите.
Эти и другие технические решения нашли свое воплощение в эскизных проектах и экспериментальных разработках.
Оценки показывают, что малогабаритный СР, реализующий режим непосредственной ретрансляции и электронной почты при использовании современных конструкторских решений может иметь массу не более 100-120 кг. При этом могут быть обеспечены следующие характеристики БРА: скорость передачи информации при непосредственной ретрансляции до 64 Кбит/с, объем запоминающего устройства электронной почты 200 Мбайт, выходная мощность бортового передатчика 5 Вт, рабочий диапазон частот 300/400 МГц.
Перспективные МСС на основе малогабаритных низкоорбитальных СР - это важное дополнение к существующим системам космической связи на основе высокоорбитальных СР. Применение низкоорбитальных СР позволяет приблизить абонентов (потребителей) к каналам спутниковой связи, обеспечить каналами спутниковой связи районы с недостаточно развитой инфраструктурой наземных средств космической связи, реализовать ведомственную и персональную космическую связь.
Предлагаемые технические решения по разработке малогабаритных СР характеризуются также экономической эффективностью: по имеющимся оценкам, стоимость 1 кг МКА в 5 раз меньше стоимости 1 кг тяжелого КА при соотношении масс малогабаритного низкоорбитального СР 1:10 и менее. Сегодня уже известны проекты малогабаритных геостационарных СР, например, СР «Руслан-ММ» (масса 520 кг) разработки НПО Машиностроения. Существует возможность создания систем космической связи на основе малогабаритных СР[1].