Определение архитектуры системы связи, исходя из ее функционального назначения

На рисунке 13-3 представлены три основных типа архитектуры системы связи, различающиеся по функциональному назначению системы: траекторные измерения, телеметрический контроль и командное управление; сбор информации; ретрансляция данных. Для обеспечения связи с единственной наземной станцией используется двухточечная сеть связи (сеть типа «точка-точка»). Широковещательная архитектура (сеть типа «точка-многоточка») обеспечивает передачу одной и той же информации одновременно на множество наземных станций, расположенных в разных местах. Последний вариант архитектуры требует применения на борту космического аппарата либо малонаправленной антенны, либо остронаправленной антенны с возможностью быстрого переключения между наземными станциями, либо многолучевой антенны (подробнее этот вопрос рассмотрен в разделе 13.4 настоящей главы). В задачах спутниковой связи сеть космических аппаратов часто является частью более крупной телекоммуникационной сети, имеющей тысячи или даже миллионы пользователей. При этом космические аппараты могут разделяться между множеством не одновременно работающих пользователей, используя методы многостанционного доступа. Их описание приведено в разделе 13.5 настоящей главы, более подробная информация содержится в Главе 2 книги Morgan и Gordon [1989].

Функции системы связи	Архитектура сети распространения информации
Двухточечная («точка-точка»)	Широковещательная («точка-многоточка»)
Траекторные измерения, телеметрический контроль и командное управление	Данные траекторных измерений, телеметрического контроля и командного управления передаются между космическим аппаратом и наземной станцией либо непосредственно, либо через спутник-ретранслятор	Спутник-ретранслятор может предоставлять в широковещательном режиме услуги траекторных измерений, телеметрического контроля и командного управления одновременно для нескольких космических аппаратов
Сбор информации	или Космический аппарат обеспечивает сбор информации и передачу ее на единственную наземную станцию либо непосредственно, либо через спутник-ретранслятор	Космический аппарат обеспечивает сбор информации и передачу ее на множество наземных станций в широковещательном режиме
Ретрансляция данных	или Спутник-ретранслятор обеспечивает передачу данных либо между наземными станциями, либо с космического аппарата на единственную наземную станцию	Спутник-ретранслятор обеспечивает передачу данных либо от наземной станции, либо с космического аппарата на множество наземных станций в широковещательном режиме

Рис. 13-3. Архитектура системы связи может быть определена, исходя из ее функционального назначения

Обозначения на рисунке: черный кружок – космический аппарат, белый кружок – спутник-ретранслятор, треугольник – наземная станция, стрелки – направление передачи информации.

На архитектуру системы космической связи может влиять также наличие или отсутствие обработки информации на борту космического аппарата. Обычно информация, собираемая аппаратурой полезной нагрузки космического аппарата, передается непосредственно пользователю через линию «вниз». Однако собранная информация часто требует дополнительной обработки для обеспечения ее большей полезности. Если космическая система содержит множество наземных приемных станций, то обработка целевой информации на борту космического аппарата и передача на Землю уже обработанной информации может быть выгоднее, чем обработка первичной целевой информации каждым пользователем системы. Кроме того, обработка целевой информации на борту космического аппарата часто позволяет снизить требования к скорости передачи на линии «вниз», что обеспечивает дополнительную экономию средств (подробнее этот вопрос рассмотрен в разделе 13-2 настоящей главы). Примером космической системы, в которой используется обработка целевой информации на борту космического аппарата, является европейская система метеорологического обеспечения Meteosat. В ней предусмотрено запоминание и форматирование информации сканирования облачного покрова Земли перед ее передачей на несколько наземных станций, при этом понижается скорость передачи.

Операторы наземных (к наземным, как и ранее, будем также относить терминалы авиационного и морского базирования) станций обычно управляют полетом космического аппарата путем передачи на его борт команд управления в реальном (или близком к нему) масштабе времени. Если космический аппарат не находится в зоне видимости наземного пункта управления в течение части витка, команды предварительно принимаются и запоминаются на его борту, а затем исполняются в заданное время по сигналам бортового таймера. Преимуществом такого подхода является простота адаптации к изменению требований по управлению полетом, большая надежность и, одновременно, меньшая сложность, и меньшая стоимость космического аппарата. Основным же недостатком является уязвимость процесса управления полетом к ошибкам оператора или к отказам наземных средств управления. Кроме того, стоимость наземного сегмента управления полетом космического аппарата, особенно стоимость его эксплуатации, может быть достаточно высокой.

С другой стороны, космический аппарат сам может обеспечивать реализацию программы космического проекта путем реализации на его борту процессов обработки целевой информации и заранее запрограммированных процессов принятия решений. Такая конфигурация заменяет управление с Земли, обеспечивает высокую живучесть, имеет малое время отклика (поскольку исключаются задержки на распространение сигналов в каналах связи), исключает ошибки, обусловленные работой человека-оператора, и обеспечивает снижение стоимости наземного сегмента управления полетом космического аппарата, особенно стоимости его эксплуатации. Однако такой подход обладает меньшими возможностями адаптации к изменению требований по управлению полетом, сам космический аппарат в этом случае усложняется, что неизбежно влечет за собой повышение его стоимости и потенциальное снижение надежности. Даже при использовании архитектуры автономного управления полетом космического аппарата, наземная станция в общем случае все равно требуется для приема собранной им информации, а также в качестве функционального резерва бортовой системы управления полетом.

Обычно наземные станции используются для управления полетом автоматических (беспилотных) космических аппаратов, что позволяет упростить проект аппарата. В перспективе мы ожидает, что на борту космического аппарата будет решаться большее количество задач управления полетом, что позволит уменьшить зависимость процесса управления от наземного пункта управления (подробнее этот вопрос рассмотрен в разделе 16.1, Глава 16).

В процессе эксплуатации космической системы может возникнуть необходимость в реконфигурации каналов связи, или в изменении их параметров, таких как мощность передатчика или полоса частот, для приведения их в соответствии с изменяющимися требованиями. Процесс решения задач такого рода называется управлением сетью связи. Различные варианты архитектуры системы связи могут требовать решения различного количества задач управления сетью связи. Варианты функционального состава задач управления сетью связи представлены в таблице 13-3. Первые космические аппараты, такие как Спутник, не требовали решения подобных задач, поскольку их системы связи работали всего с одним космическим аппаратом, использовали единственный канал связи – линию «вниз» и широко направленную антенну. С другой стороны, система спутниковой связи, такая как космический аппарат ACTS НАСА (сведения о нем приведены в работе Naderi [1988]), включает множество остронаправленных антенн на борту космического аппарата, а также демодуляторы и схемы коммутации. Такая архитектура системы связи требует развитой системы сетевого управления. При этом задачи сетевого управления могут решаться как централизованно, с использованием для этого одной наземной станции или одного космического аппарата, или по распределенной схеме, с использованием для этого нескольких наземных станций или нескольких космических аппаратов. Распределенные конфигурации используют принцип иерархии управления, или систему приоритетов, обеспечивающую разрешение возможных конфликтов в системе связи. Распределенное управление обеспечивает меньшую уязвимость сети к отказу единственного органа управления, как это имеет место в случае централизованного управления (более подробно эти вопросы рассматриваются в Главе 14).

Таблица 13-3

Дата добавления: 2014-01-11