Техносфера - Теория и технологии передачи TT&С (телеметрия, отслеживание, управление) космических аппаратов /При поддержке Филиала ОАО "ОРКК" – "НИИ КП" перевод с англ. под ред.к.т.н. Ю.С. Яскина

Содержание

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие редактора перевода ...................................... 11

Предисловие......................................................................... 13

Перечень часто употребляемых сокращений и слов ....... 15

Глава 1

Введение............................................................................... 16

1.1.

Общие сведения ............................................................... 16

1.2.

Передача телеметрической и командно-дальномерной инфор-

мации ............................................................................. 17

1.3.

Задачи, классификация систем TT&C и функции систем пе-

редачи информации .......................................................... 19

1.4.

Инженерные приложения передачи средств системы TT&C и

средств передачи информации [3]........................................ 27

1.4.1.

Система C&T с унифицированной несущей частотой [4]... 27

1.4.2.

Космическая система C&T [3] ...................................... 28

1.4.3.

Система C&T для дальней космической связи [5, 6] ........ 29

1.4.4.

Система C&T с фазированной антенной решеткой [7] ...... 30

1.4.5.

Высокоточная система измерения параметров траектории

полета ракеты [3] ........................................................ 32

1.4.6.

Система передачи TT&C и информации космических ап-

паратов для исследования ближнего космоса [8] ............. 33

Литература ............................................................... 34

Глава 2

Теории и методы слежения и измерений орбиты ............ 35

2.1.

Общие положения. ............................................................ 35

2.2.

Локализация и измерения орбиты ....................................... 37

2.2.1.

Локализация.............................................................. 37

2.2.2.

Геометрия распределения станций и точность локализации 41

2.2.3.

Система измерений траектории .................................... 50

2.3.

Измерение скорости теория и методы: методы двух-, трех-

и однопроходных измерений ............................................... 53

2.3.1.

Измерение скорости цели с использованием РЛС непре-

рывного излучения ..................................................... 53

2.3.2.

Метод измерения допплеровской частоты ...................... 58

2.3.3.

Теоретический анализ погрешности измерения скорости

двухпроходным когерентным допплеровским методом ..... 60

2.3.4.

Трехпроходный некогерентный допплеровский метод из-

мерения скорости и ˙S ................................................. 91

2.3.5.

Двухпроходный некогерентный допплеровский метод из-

мерения скорости ....................................................... 94

2.3.6.

Однопроходный некогерентный допплеровский метод из-

мерения скорости ....................................................... 102

2.3.7.

Теоретические расчеты точности измерения скорости ...... 104

2.4.

Методы определения дальности. Теория и методы: Двух-,

трех- и однопроходный методы ........................................... 109

2.4.1.

Двухпроходные методы определения дальности с исполь-

зованием непрерывного излучения ................................ 109

2.4.2.

Метод векторного анализа ошибки измерения дальности . 132

2.4.3.

Метод анализа характеристик групповой задержки ошиб-

ки измерения дальности [12] ........................................ 142

2.4.4.

Случайная погрешность измерения дальности ................ 153

2.4.5.

Теоретические расчеты точности определения дальности . 160

2.4.6.

Однопроходный метод измерения дальности .................. 165

2.4.7.

Трехпроходный метод измерения дальности ................... 168

2.4.8.

Система определения дальности для дальнего космоса .... 170

2.5.

Теория и методы угловых измерений ................................... 173

2.5.1.

Угловые измерения с использованием слежения

антенной трехканальный, двухканальный

и одноканальный моноимпульсный метод ...................... 174

2.5.2.

Угловые измерения интерферометром . .......................... 186

2.5.3.

Теоретические расчеты точности сопровождения по углу . 196

2.5.4.

Теоретический анализ сопровождения по углу сигналом с

широким спектром метод функции взаимной корреляции 200

2.5.5.

Угловые измерения с помощью фазированной антенной

решетки и точность угловых измерений методы про-

странственного скользящего окна и проекции цели

на плоскость . ............................................................. 213

2.5.6.

Независимое наведение, самонаведение и многолучевое

наведение .................................................................. 239

2.5.7.

Метод сопровождения по углу с синтезом ДНА, используя

поляризационное разнесение ........................................ 259

Литература ............................................................... 268

Глава 3

Технологии передачи информации.................................... 270

3.1.

Технология аналоговой передачи в системах C&T ................. 271

3.1.1.

Модуляция аналогового сигнала ................................... 271

3.1.2.

Демодуляция аналогового сигнала ................................ 279

3.1.3.

Двусторонние захват и синхронизация несущей частоты в

системе C&T развертка по частоте для захвата и син-

хронизации и решения для определения углового коэф-

фициента последующей развертки частоты [1] ................ 285

3.1.4.

Комбинированные помехи в системе C&T с единой несу-

щей частотой метод анализа интегрированных харак-

теристик модуляции/демодуляции[3] . ............................ 295

3.2.

Технологии передачи цифровых сигналов в системах C&T ..... 305

3.2.1.

Общие сведения ......................................................... 305

3.2.2.

Оптимальная передаточная функция при передаче циф-

рового сигнала [7] ....................................................... 307

3.2.3.

Технологии цифровой модуляции/демодуляции .............. 314

3.2.4.

Технологии кодирования/декодирования для каналов...... 327

3.2.5.

Воздействие шума на частоту появления битовых ошибок

при передаче данных. Эквивалентный метод расчета ам-

плитудного шума ....................................................... 344

3.2.6.

Воздействие линейных искажений на частоту появления

битовых ошибок при передаче данных........................... 350

3.2.7.

Воздействие нелинейных искажений на частоту появле-

ния битовых ошибок при передаче данных..................... 362

3.3.

Методы передачи данных телеметрии, телеуправления и ди-

станционного зондирования. ............................................... 378

3.3.1.

Методы передачи данных телеметрии ........................... 378

3.3.2.

Технология передачи команд........................................ 395

3.3.3.

Техника передачи информации дистанционного зондиро-

вания........................................................................ 412

Литература ............................................................... 428

Глава 4

Широкополосное телеуправление и слежение ................. 430

4.1.

Общие понятия ................................................................ 430

4.2.

Характеристики системы широкополосного телеуправления и

слежения (TT&С) ............................................................. 431

4.3.

Основные методы широкополосного телеуправления и слеже-

ния (ШТУС).................................................................... 435

4.3.1.

Широкополосная модуляция с прямым расширением

спектра (DSSS) .......................................................... 436

4.3.2.

Расширение спектра со скачкообразной перестройкой час-

тоты (FHSS) .............................................................. 442

4.3.3.

Гибридные, широкополосные DSSS- и FHSS-системы....... 446

4.3.4.

Широкополосная система с псевдослучайным переключе-

нием временных интервалов ........................................ 446

4.3.5.

Скачкообразная перестройка кодов ............................... 447

4.4.

Обнаружение и отслеживание сигналов TT&C-системы ......... 452

4.4.1.

Обнаружение и отслеживание сигналов DSSS................. 452

4.4.2.

Система обнаружения и слежения за широкополосными

сигналами со скачкообразной перестройкой частоты........ 460

4.4.3.

Измерение скорости с использованием широкополосных

сигналов со скачкообразной перестройкой

частоты двухэтапный метод измерения скорости систе-

мой со скачкообразной перестройкой частоты................. 462

4.5.

Точность измерения и следящий порог широкополосной

TT&C-системы с кодом прямой последовательности . ............. 467

4.5.1.

Погрешность фазы в схеме автоподстройки несущей при-

емника сигналов с расширенным спектром (широкополос-

ного приемника) ......................................................... 467

4.5.2.

Ошибка измерения дальности в широкополосной

TT&C-системе ........................................................... 469

4.5.3.

Погрешность измерения скорости в широкополосной

TT&C-системе ........................................................... 471

4.6.

¾Двухполосный сигнал с расширенным спектром¿ и его при-

менение в спутниковой системе слежения и связи (TDRSS) .... 471

4.6.1.

Возникающие проблемы .............................................. 471

4.6.2.

Мультиплексирование с кодовым разделением и двухпо-

лосный сигнал с расширенным спектром ....................... 473

4.6.3.

Главные технические проблемы системы и обработки сиг-

налов с двойным разрешением ..................................... 475

4.7.

Хаотическая последовательность и хаотический широкополос-

ный сигнал в системе слежения, телеметрии и управления

(TT&C)........................................................................... 479

4.7.1.

Характеристики хаотической последовательности ........... 479

4.7.2.

Тип, выбор и генерация хаотической последовательности

[6] ............................................................................ 484

4.7.3.

Синхронизация и ранжирование хаотических сигналов

с расширенным спектром ............................................ 495

Литература ............................................................... 505

Глава 5

Специальные вопросы по радиоканалу передачи сигна-

лов системы связи и слежения (С&T-системы) ............... 507

5.1.

Разработка оптического и Ка-диапазонов спутниковой связи и

слежения . ........................................................................ 507

5.1.1.

Принцип выбора полосы частот для системы связи и сле-

жения [1] ................................................................... 507

5.1.2.

Тенденция развития.................................................... 511

5.1.3.

История развития C&T-систем Ка-диапазона [2] ............. 514

5.1.4.

Характеристики системы слежения и связи (С&T)

Ка-диапазона............................................................. 515

5.1.5.

Главные технические вопросы системы слежения и связи

Ка-диапазона............................................................. 520

5.2.

Атмосферное и дождевое затухание радиосигналов в канале

передачи [5] ..................................................................... 524

5.2.1.

Важность изучения дождевого эффекта затухания радио-

сигнала [5] ................................................................. 524

5.2.2.

Характеристики затухания в дожде .............................. 525

5.2.3.

Расчет затухания радиосигнала в дожде ........................ 525

5.2.4.

Прирост шумовой температуры системы по причине дождя 531

5.2.5.

Меры противодействия затуханию радиосигнала в дожде 532

5.2.6.

Атмосферное затухание радиосигнала в канале передачи . 537

5.3.

Факторы влияния многолучевости при передаче радиосигнала 541

5.3.1.

Три типа быстрого затухания/замирания при многолуче-

вом распространении .................................................. 542

5.3.2.

Природа коэффициента отражения ............................... 545

5.3.3.

Потери и мерцательное затухание в трассе многолучевого

распространения радиосигнала..................................... 551

5.3.4.

Ошибка оценки орбиты, обусловленная многолучевым

распространением. ...................................................... 555

5.3.5.

Влияние многолучевой интерференции на частоту двоич-

ных ошибок при передаче данных................................. 559

5.3.6.

Меры противодействия многолучевой интерференции. ..... 563

5.4.

Новые методы имитационного моделирования и точной на-

стройки (калибровки) . ....................................................... 592

5.4.1.

Метод динамической имитации на основе уравнения дви-

жения ....................................................................... 592

5.4.2.

Калибровка фазы по дискретному источнику радиошума

(радиозвезды) ............................................................ 597

5.4.3.

Орбитальная фазовая калибровка путем измерения вели-

чины "перекрестной связи" ......................................... 603

5.4.4.

Применение геометрической оптики для калибровки по

дальности.................................................................. 606

5.4.5.

Влияние характеристик распространения радиоволн

на точность определения орбиты .................................. 612

5.4.6.

Исправление погрешности измерения давления, возника-

ющей вследствие явления рефракции радиоволны........... 619

5.4.7.

Методы коррекции ионосферной ошибки за счет влияния

рефракции радиоволн в ионосфере ............................... 621

5.4.8.

Факторы, влияющие на точность коррекции .................. 625

Литература ............................................................... 627

Предметный указатель ....................................................... 628

Предисловие редактора перевода
Зарождение и активное развитие радиотехнических систем и комплек-
сов (РТСиК), без которых невозможны повседневная деятельность и об-
щественное развитие, способствовало формированию, становлению и изу-
чению современных информационных технологий в РТСиК. Изучение и
освоение информационных технологий в РТСиК, представляющих основ-
ную задачу подготовки высококвалифицированных специалистов, сталки-
вается с определенными трудностями.
Интенсивность внедрения радиотехнических систем и комплексов, раз-
личных по виду и назначению, стремительно возрастает. Непременным
условием работы любой РТСиК является получение, обработка, хранение
и передача различного рода информации. Например, информация форми-
руется в источнике сообщений РЛС, кодируется (модулируется) в радио-
передатчике, передается в канал связи, поступает в радиоприемник, где
декодируется (демодулируется) и принимается в виде сообщения. Приме-
нительно к РТСиК необходимо решать задачи теории информации.
Способом получения и передачи на Землю информации является ис-
пользование радиотелеметрических систем, которые дают возможность
вести непрерывный контроль состояния и управление объектом. Наиболь-
шее развитие в настоящее время получили телеметрические системы для
контроля технических систем и экипажей летательных аппаратов, а также
для различных исследований с большим объемом измерений, многооб-
разием телеметрических процессов и числом датчиков, обеспечивающие
передачу информации на большие расстояния при весьма жестких огра-
ничениях веса и габаритов. Получение, обработка, передача и хранение
различного рода информации непременное условие работы любой сис-
темы управления по разомкнутому или замкнутому принципу.
Информационные технологии, применяемые в построении РТСиК в
настоящее время, обусловлены широким применением цифровых мето-
дов формирования и обработки сигналов, использованием интегральной и
функциональной электроники, гибридных интегральных схем, твердотель-
ных СВЧ-устройств, позволяющих существенно расширить возможности
РТСиК, увеличить объем перерабатываемой и используемой информации
и многообразие решаемых задач. Но все это не находит пока в полной мере
отражения в изданиях научной и учебной литературы для специалистов и
студентов радиотехнических вузов.
Переводное издание книги Цзясин Лю ¾Теория и технологии передачи
TT&С (телеметрия, отслеживание, управление) космических аппаратов¿
познакомит читателя с технологиями передачи TT&С (telemetry, track and
command телеметрия, отслеживание и управление) космических аппара-
тов с теоретической и практической точек зрения. В ней рассматривается
множество инженерных примеров для системного проектирования, разра-
ботки и внедрения для TT&C и систем связи. Главной особенностью этой
книги является идея объединения TT&C с передачей информации, а так-
же практическое применение теории при разработке технических образцов
соответствующих устройств.
Благодаря быстрому развитию авиационно-космических технологий се-
годня перед разработчиками систем C&T (связи и слежения) встает боль-
шая проблема. Традиционная концепция C&T уступает место понятию
связи и навигации, где навигация содержит традиционные понятия сле-
жения, определения орбиты, ее контроля и расчета, в то время как связь
означает передачу различных видов информации. Поэтому она имеет неко-
торые новые расширенные функциональные возможности, такие как ин-
формация о командах и телеметрии, передача голоса и данных на низкой
скорости, и новое расширение высокоскоростную передачу данных.
В книге приводятся основы теории передачи TT&С информации космиче-
ских аппаратов. При сочетании TT&C и передачи информации представ-
лено несколько технологий для РЛС с непрерывным излучением, включая
измерения по дальности, скорость изменения дальности и угла, аналого-
вую и цифровую передачу информации, телеуправление, телеизмерения,
дистанционное зондирование и расширение спектра TT&C. Для решения
особых проблем, возникающих в каналах для TT&C и передачи информа-
ции, излагаются особенности распространения радиоволн и его влияние
на точность измерений орбиты, рассматриваются эффекты, вызванные
затуханием (радиоволн) в дожде и в атмосфере, а также многолучевым
распространением, и технология поляризации состава (композиции).
Книга может быть интересна исследователям и инженерам, студентам
университетов, аспирантам и специалистам, работающим в области косми-
ческих аппаратов TT&C и систем связи.
Руководитель филиала
ОАО "Объединенная ракетно-космическая корпорация"
"Научно-исследовательский институт космического приборостроения"
к.т.н. Яскин Юрий Сергеевич
Предисловие
Аббревиатура ¾TT&C¿ означает телеметрия, слежение и управление (ко-
манды)1. Термин ¾передача информации космическим аппаратом¿ отно-
сится к передаче информации, генерируемой космическим аппаратом, и при-
ему ее наземной станцией. С развитием технологий TT&C и передача ин-
формации были органически связаны между собой и взаимно дополняли
друг друга функциями, унифицированными в синтезе сигнала и инте-
грированными в оборудование. Кроме того, телеметрия и телеуправле-
ние, по существу, являются особым видом передачи информации. С точки
зрения развития технологий информационная война и интегрированные
электронные информационные системы требуют, чтобы TT&C и передача
информации разрабатывались на унифицированной основе и были инте-
грированы в единое устройство. Эта книга подчеркивает характеристики
комбинации TT&C и техники передачи информации с особым акцентом
на последней. Исходя из многолетнего опыта автора в разработке различ-
ного оборудования для TT&C и в попытке сочетать теорию с практикой,
основное внимание в книге сосредоточено на главных технологиях, обычно
применяемых для системы связи и слежения (C&T) за различными лета-
тельными аппаратами, чтобы помочь читателям получить более глубокое
понимание систем TT&C и обеспечить их теоретической основой для ре-
шения практических инженерных задач.
Книга делится на две части: передача TT&C и передача информации
и состоит из пяти глав. Глава 1 описывает прошлое, настоящее и будущее
технологий TT&C и техники (средств) передачи информации. Глава 2 яв-
ляется введением в теорию и методы слежения и орбитальных измерений с
акцентом на технологиях измерения скорости, дальнометрии, угловых из-
мерениях с помощью радиолокационных станций постоянного излучения
и технологиях геолокации. Глава 3 (¾Технологии передачи информации¿)
посвящена технологиям передачи аналоговых и цифровых данных. В до-
полнение к базовым теориям в сочетании с особенностями C&T также
рассмотрены телеметрия, телеуправление и технологии дистанционного
зондирования. Глава 4 (¾Широкополосное телеуправление и слежение¿)
представляет применение технологий расширения спектра в области C&T.
В главе 5 описано развитие частотного диапазона передачи TT&C в со-
четании с особыми проблемами, возникающими в канале радиопередачи,
такими как затухание сигнала из-за дождя, атмосферное затухание и влия-
ние условий распространения радиоволн на точность определения орбиты
во время передачи сигналов, воздействие передачи многолучевого сигнала
и синтез поляризационно-разнесенного приема.
Учитывая основную цель, которой является введение в базовые знания
о теориях и технологиях, главной особенностью этой книги является идея
объединения TT&C с передачей информации, а также сочетание теории с
практическим опытом в области разработки оборудования.
Вследствие более широкого применения системы C&T, в частности бла-
годаря ее растущему значению для военных приложений, она превращает-
ся в единственную информационную линию связи между космическим ап-
паратом и Землей, поэтому сейчас наблюдается рост числа специалистов,
занятых в разработке, производстве, применении и преподавании знаний
такой инженерной системы. Тем не менее есть только несколько книг,
в которых описаны применяющиеся технологии. По этой причине автор
благодаря опыту практического участия в различных проектах с примене-
нием исследовательского инженерного оборудования в течение многих лет
решил обобщить свои опубликованные работы и учебные материалы для
написания этой книги в надежде обеспечить поддержку ученым, разработ-
чикам, производственникам, преподавателям и студентам университетов,
которые принимают участие в разработке, проектировании, производстве
и применении системы C&T.
Работа над этой книгой велась при большой поддержке сотрудников
Китайского Юго-Западного института электронной техники (China South-
west Institute of Electronics Technology) места работы автора, а также
СМИ национальной оборонной промышленности. Большая часть содер-
жания этой книги отражает успехи, достигнутые учеными Китайского
Юго-Западного института электронной техники в разработке систем C&T
в течение многих лет, поэтому она является плодом усилий всех участ-
ников. Кроме того, в ходе составления этой книги академик Ян Шичжун
провел рецензирование рукописи, исследователи Лей Ли и Чжан Хансан
выдвинули множество ценных замечаний, Ян Хунцзюнь предоставил боль-
шой свод материалов, Лю Юй и Лю Яньмен выполнили подавляющую
часть работ по редактированию текста. Здесь автор выражает искреннюю
благодарность всем им за огромную поддержку.
Цзясин Лю
Чэнду, Китай
Август 2013 г.

Перечень часто употребляемых сокращений и слов

AM амплитудная модуляция
QAM квадратурная амплитудная модуляция
FM частотная модуляция
PM фазовая модуляция
FSK частотная манипуляция
PCM импульсно-кодовая модуляция
PSK фазовая манипуляция (ФМ)
BPSK бинарная ФМ (ФМ 2)
2PSK ФМ 2
QPSK квадратурная манипуляция фазовым сдвигом, квадра-
турная фазовая манипуляция
PSM импульсно-кодовая модуляция (pulse code modulation)
MSK двоичная частотная манипуляция (с непрерывной фазой)
FDM частотное разделение каналов
TDM временное разделение каналов
CDM кодовое разделение каналов
BPSK двоичная ФМ
8PSK 8-позиционная (8 фаз) ФМ
QPSK квадратичная ФМ
OQPSK ФМ со смещением на 1/2 периода (offset)
UQPSK несимметричная квадратурная фазовая манипуляция-
модуляция
wc несущая частота

ГЛАВА 1
ВВЕДЕНИЕ
1.1. Общие сведения
Эта книга является попыткой ознакомить читателя с телеметрией, от-
слеживанием и управлением (TT&C) различными летательными аппара-
тами, такими как воздушные транспортные средства (с высотой полета
менее 20 км), космические аппараты для исследования околоземного про-
странства (с высотой полета 20–100 км), космические аппараты (с высотой
полета более 100 км). Последние космические аппараты, совершающие
полеты на высоте более 2 × 106 км, также известны как космические ап-
параты для исследований дальнего космоса. В частности, летательные
аппараты включает в себя ракеты, спутники, космические аппараты, кос-
мические станции, космические аппараты для исследований дальнего и
ближнего космоса, беспилотные летательные аппараты (БПЛА), дирижаб-
ли, или воздушные шары, все они являются объектами применения
TT&C. TT&C и системы связи и слежения (C&T) работают в радио-,
оптическом, инфракрасном и других диапазонах, которые соответственно
определяют их типы. Среди них система C&T с использованием непрерыв-
ного излучения радиосигналов является наиболее широко используемой,
она в основном и описана в этой книге.
Передача информации между летательными аппаратами и наземны-
ми станциями означает передачу информации, принятой или сгенериро-
ванной самим аппаратом или наземными станциями, либо через двухто-
чечное (парное) соединение, либо по сети. Система передачи информа-
ции используется для передачи информации от передающего терминала
к приемному в другой точке пространства-времени. Она может обрабаты-
вать информацию, полученную в результате работы средств телеметрии,
телеуправления, дистанционного зондирования, разведки, обнаружения,
наведения, научных экспериментов и наблюдений космической среды, а
также традиционные передачи голоса и изображений. Вышеуказанное по-
нятие передачи информации имеет более широкое применение, чем поня-
тие традиционной связи: в первом случае передача содержит информацию
о телеуправлении и телеметрии, необходимую для нормальной работы ле-
тательного аппарата-носителя (обычно называемую инженерной TT&C),
прикладную информацию, принятую или переданную полезной нагруз-
кои (P/L), размещенной на носителе, а также информацию для полезной
нагрузки от устройств телеуправления и телеметрии (как правило, назы-
ваемую обслуживающей TT&C).
Благодаря быстрому развитию авиационно-космических технологий се-
годня перед разработчиками систем C&T встает большая проблема. Тра-
диционная концепция C& (связи и слежения) уступает место понятию свя-
зи и навигации, где навигация содержит традиционные понятия слежения,
определения орбиты, ее контроля и расчета, в то время как связь означает
передачу различных видов информации. Поэтому она имеет некоторые но-
вые расширенные функциональные возможности, такие как информация
о командах и телеметрии, передача голоса и данных на низкой скорости,
и новое расширение высокоскоростную передачу данных.
1.2. Передача телеметрической и командно-дальномерной информации
Клод Элвуд Шеннон, основатель теории информации, определяет термин
«информация» как «нечто, используемое для устранения неопределенно-
сти», т. е. описание неопределенности состояния движения или существо-
вания объекта. Эти неизвестные элементы содержатся в сообщениях, в
то время как сигналы являются носителями этих сообщений. Так что на
самом деле мы передаем сигналы. В этом смысле передача информации
означает передачу неизвестных элементов в сообщениях, переносимых сиг-
налами (а именно информации).
Информация существует в различных формах, таких как символ, го-
лос и изображение. Эта книга посвящена только электронной информации.
Электронная информационная система, как правило, представляет собой
электронную систему, которая позволяет осуществлять генерацию, прием,
передачу, обработку, применение и противодействие передачи информации
для эксплуатации, управления или целей утилизации, пользуясь такими
основными методами, как ЕТ и ИТ. Космическая электронная информа-
ционная система позволяет осуществлять генерацию, прием, передачу, об-
работку, применение и противодействие передачи информации с помощью
платформ космических аппаратов. Подсистема передачи является важ-
ным компонентом информационной системы. В целом, часть подсистемы
передачи, оборудование для работы которой установлено на космическом
аппарате, называется полезной нагрузкой, а ее наземная часть приклад-
ной наземной системой.
Информационная система TT&C получает информацию об орбите ап-
парата (с помощью устройств слежения), телеметрическую информацию
(от датчиков), формирует управляющую информацию от системы теле-
управления.
Эта информация преобразуется в видеосигнал, который подается на
модулятор радиопередающего устройства с целью передачи данных на
необходимую дальность. В приемном радиоустройстве сигнал демодули-
руется и обрабатывается, после чего транслируется пользователю.
Передача телеметрической и командно-дальномерной информации ха-
рактеризуется следующими аспектами.
1. Функции. Передача информации зависит от систем TT&C в том
смысле, что последние должны обеспечивать и поддерживать нор-
мальную работу летательных аппаратов-носителей и полезной на-
грузки в течение длительного срока службы. Большое значение так-
же имеют наземные станции TT&C для настройки наземной антенны
на работу с летательными аппаратами путем слежения их орбиты,
обеспечивая двустороннюю передачу информации между летатель-
ными аппаратами и наземными станциями.
2. Синтез сигнала. TT&C-сигналы и сигналы, несущие информацию,
были объединены в общей системе сигналов. Унифицированные несу-
щие сигналов с частотным разделением мультиподнесущей и расши-
рение спектра сигналов с единым потоком данных только один
случай из многих.
3. Приборы. Системы TT&C и системы передачи информации были
объединены, поэтому стали доступны многофункциональные терми-
налы с встроенными каналами и многофункциональные устройства
с встроенным базовым диапазоном.
4. Методы. Телеметрия и телеуправление не более чем передача ин-
формации на дальние расстояния для реализации ¾дистанционного¿
измерения и управления. С развитием программного обеспечения и
технологий радиосвязи телеметрия и телеуправление выполняются
на общей платформе и используют общее программное обеспечение.
5. Приложения. Поскольку космическая техника была введена в экс-
плуатацию после успешных научно-исследовательских работ и испы-
таний, применение передачи информации вызывает все большую оза-
боченность. Например, станции дистанционного зондирования, при-
емные станции разведывательных данных, спутниковые системы для
слежения и ретрансляции данных, а также системы TT&C на БПЛА
в основном включают передачу данных, кроме передачи TT&C для
полезной нагрузки.
6. Дальнейшее развитие. Информационная война, точность удара, а
также разработка интегрированных электронных информационных
систем требуют интеграции функций TT&C и передачи информа-
ции в единую систему. Для обозначения такой системы используется
термин «передача информации», поскольку он акцентирует ее зна-
чение, когда речь идет о информационной войне и интегрированных
информационных системах. Кроме того, это совпадает с тенденцией
развития информатизации.
Рассмотрим процесс интеграции методов C&T за время их развития [1].
До начала 1960-х годов функции слежения за космическими аппаратами,
телеметрии и управления выполнялись отдельными устройствами. В се-
редине 1960-х годов в США появилась система, работающая в S-диапа-
зоне (USB), в которой в одну систему интегрированы функции передачи–
приема данных телеметрии, слежения за параметрами орбиты и управле-
ния космическим аппаратом (КА) (TT&C), передача голоса и телевидения.
Унифицированные сигналы передачи данных телеметрии, систем слеже-
ния за параметрами орбиты КА и систем управления КА передавались на
разных несущих частотах. В 1980-е годы появились спутниковые системы
для слежения и ретрансляции данных, объединившие TT&C и высоко-,
средне-, низкоскоростную передачу данных в единую систему, используя
сигналы с расширенным спектром и унифицированной несущей вместе с
потоком унифицированных данных с временным разделением, поэтому в
настоящее время такие функции могут быть выполнены с помощью одно-
го устройства радиосвязи с программным обеспечением. С момента своего
введения в эксплуатацию космические аппараты в основном используют-
ся для передачи информации. В Китае методы C&T развивались анало-
гичным образом. Перед тем как были введены проекты пилотируемых
космических полетов, система TT&C состояла из множества отдельных
устройств. После этого, так как были включены функции передачи голоса
и изображения, она получила название «C&T-система» (система связи и
слежения.)
1.3. Задачи, классификация систем TT&C и функции систем передачи информации
Основные задачи включают в себя [2]:
1) отслеживание летательного аппарата, измерение его орбиты, высоты и
телеуправление параметрами орбиты и высотой, чтобы гарантировать
управляемость взлета, работы и возвращения на нужную высоту и за-
ранее заданную орбиту;
2) выполнение телеметрии и телеуправления летательного аппарата и его
полезной нагрузки так, чтобы он смог завершить операции и выполнять
функции в соответствии с требованиями;
20 Глава 1. Введение
3) выполнение различных задач передачи информации с целью предостав-
ления соответствующих данных для наземных систем;
4) использование диапазона TT&C при испытаниях вооружения, чтобы
предоставлять данные испытаний для идентификации и оценки техни-
ческих характеристик ракет и летательных аппаратов, а также обеспе-
чить основу для улучшения и доработки их конструкции.
5) выполнение задач контроля безопасности в условиях, когда любые за-
пуски летательных аппаратов или ракет пошли неправильно, т. е. для
передачи команд их взрыва таким образом, чтобы обеспечить безопас-
ность региона запуска или территории по курсу полета.
Система C&T состоит из четырех основных подсистем, предназначенных
для измерения орбиты (измерение расстояния, скорости и угловых па-
раметров), телеметрии, телеуправления, а также передачи информации.
Эти подсистемы объединены в единую систему с передачей информации,
обратной связью и функциями управления для выполнения задач C&T.
Например, у системы C&T спутника сбор информации и передача обрат-
ной связи выполняются его подсистемами, предназначенными для слеже-
ния, измерения орбиты и телеметрии, передача информационных команд и
управления спутником его телекомандной подсистемой, а испытание во-
оружения и завершение полета его системой TT&C, которая выполняет
измерения, управление и оценку параметров. Без системы C&T наземная
система спутника дистанционного зондирования не способна работать в
области приема высокоскоростной передачи данных, телеметрии и управ-
ления полезными нагрузками и определения орбиты спутника на основе
данных угловых измерений. Как только космический аппарат выходит на
свою орбиту, к его обслуживанию приступает система TT&C, а управле-
нием занимается система C&T. Малые военные спутники обычно включа-
ют в себя функции TT&C и технического обслуживания. Как и военные
системы, некоторые космические и летательные аппараты должны при
использовании в реальных боевых действиях иметь на борту оборудова-
ние систем TT&C военного назначения для проведения точных TT&C и
оценки последствий нанесенного удара. Когда система TT&C использует-
ся для наведения, навигации и управления военных систем вооружения,
значения трех осевых параметров высоты, скорости и положения, изме-
ряемых подсистемами наведения/навигации/управления, должны переда-
ваться также через систему телеметрии наземным объектам для анализа,
исследования и вычисления перед преобразованием в команды для регули-
ровки высоты, указания позиции и приращения скорости, которые затем
отправляются обратно через подсистему телеуправления и выполняются
летательным аппаратом. Сказанное объясняет, почему система С&Т имеет
такое большое значение в гражданских и военных областях.

Системы C&T могут быть классифицированы по TT&C-объекта, вы-
соте орбиты, схеме TT&C, несущей станции TT&C и т. д. На рис. 1.1
показаны системы C&T, которые классифицируются по TT&C-объекта.
На рис. 1.2 представлены системы C&T, классифицированные по вы-
соте орбиты.
Любой космический аппарат, летящий на высоте 300 км (2 × 106 км)
над поверхностью Земли, называется орбитальным космическим аппара-
том; если высота его орбиты составляет более чем 2 × 106 км над поверх-
ностью Земли, он является зондом для исследования дальнего космоса.
Орбита любого лунного зонда составляет около 36,3 × 104 км над поверх-
ностью Земли.
Система TT&C характеризуется формой используемого сигнала и ме-
тодами его передачи. Состав и производительность систем C&T тесно
связаны с используемой схемой. Поскольку системы TT&C и передачи ин-
формации развивались в соответствии с различными формами сигналов и
многофункциональными интегрированными схемами передачи, стали при-
меняться несколько схем TT&C, которые показаны на рис. 1.3.
На рис. 1.4 представлены системы C&T, классифицированные по ти-
пам объекта, на котором и для которого размещены средства для станцииC&T. Комплекс средств системы C&T состоит из центра управления, бор-
товой подсистемы C&T и наземной подсистемы C&T, которые образуют
согласованную сеть через системы связи и системы синхронизации между
наземными станциями.
1. Центр управления состоит из отдела сетевых операций и управления,
а также из отдела управления полетом. Первый отвечает за планирова-
ние работы и монтаж станций и объектов TT&C, настройку режимов ипараметров работы, мониторинг текущих условий эксплуатации объек-
тов TT&C, а также координацию нескольких космических аппаратов,
пользующихся общей системой TT&C, в то время как последний несет
ответственность за разработку планов TT&C, планирование и управле-
ние полетными заданиями и обслуживание TT&C, мониторинг полета
по орбите и на нужной высоте, состояние эксплуатируемого оборудо-
вания, а также за другие данные телеметрии, обработку данных об
операциях, определение параметров орбиты и генерацию команд управ-
ления и данных о выводе на орбиту.
2. Бортовая подсистема С&Т сконструирована, как показано на блок-схе-
ме транспондера (рис. 1.5).
3. Состав наземной подсистемы C&Т показан на блок-схеме наземной стан-
ции С&Т (рис. 1.6).
Наземная подсистема C&T вместе с бортовой подсистемой C&T пред-
назначены для выполнения таких функций, как отслеживание и измерение
орбиты, телеметрия, телеуправление и передача информации по каналу
космос – Земля.
1. Функция средств системы слежения и измерения параметров орбиты:
использование системы углового сопровождения, слежения за дально-
стью и скоростью КА. Измерительная станция предназначена для изме-
рения целевых параметров, таких как угол, дальность и скорость, чтобы
отслеживать и измерять траекторию полета летательного аппарата.
2. Функция средств телеметрии: бортовая система TT&C летательного
аппарата использует различные технические средства, которые позво-
ляют ей подвести аппарат как можно ближе, чтобы диагностироватьего внутреннее рабочее состояние, рабочие параметры, биомедицинские
параметры космонавтов, научные параметры исследований, параметры
разведки, а также параметры окружающей среды, которые затем пре-
образуются в радиосигналы и передаются на наземную станцию для
демодуляции и обработки перед извлечением, записью и отображением
исходных параметров.
3. Функция средств телеуправления: команды наземного центра управле-
ния преобразуются в радиосигналы и передаются летательному аппа-
рату, где они демодулируются, обрабатываются и восстанавливаются
в виде команд, чтобы вести управление летательным аппаратом длябезопасного телеуправления или телеуправления аппаратом для достижения поставленных целей.
4. Функция средств передачи информации по каналу космос – Земля: бла-
годаря установленной линии связи различные типы информации, по-
лученной бортовыми измерительными и наблюдательными приборами
летательного аппарата, передаются на наземную станцию C&T с по-
мощью своей цифровой системы связи перед тем, как распределяются
соответствующим пользователям.
Назначение и основные характеристики комплекса средств системы C&T:
1) высокая точность измерения орбиты. Как правило, используется ра-
диолокационная станция непрерывного излучения для достижения вы-
сокой точности измерений скорости, дальности и угловых параметров
в реальном времени. Это сопровождается определенными проблемами:
высокая краткосрочная стабильность сигналов при измерении скоро-
сти, разрешение неоднозначности при дальнометрии и угловые измере-
ния интерферометром;
2) передача информации тесно связана с TT&C. Для двухточечной пе-
редачи информации, поскольку один терминал передачи находится на
летательном аппарате, требуется гарантировать нормальный диапазон
значений системы, таких как эквивалентная изотропно-излучаемая мощ-
ность (ЭИИМ1, EIRP - equivalent isotropically radiated power) и G/T
(коэффициент шумовой добротности антенны) при передаче TT&C.
Кроме того, поскольку летательный аппарат и наземная станция на-
ходятся друг относительно друга в состояния движения, антенны на-
земной станции и летательного аппарата должны быть настроены друг
на друга таким образом, чтобы установить связь для передачи ин-
формации, в которой содержатся данные орбиты полета летательного
аппарата, полученные от используемой системы TT&C;
3) высокая безопасность и надежность телекоманд. Для достижения вы-
сокого уровня безопасности и надежности должны быть использованы
специальные методы контроля ошибок шифрования и кодирования/
декодирования;
4) высокодинамичная работа. Для спутника, который движется со скоро-
стью около 7 км/с, зонда для исследования глубокого космоса, скорость
которого еще выше, принимаемые сигналы имеют более высокую час-
тоту Доплера и скорости изменения допплеровской частоты; 5) летательные аппараты работают в суровых условиях, имеют строгие
ограничения на размер, вес и энергопотребление. Полезная нагрузка
(также называемая терминальной станцией системы передачи инфор-
мации) должна быть небольшой по размеру, весу и потреблению энер-
гии, иметь усилитель мощности передачи, находящийся в насыщенном
состоянии. Это приводит к высокой сложности задач по уменьшению
нелинейных воздействий на передачу данных для системы;
6) большое расстояние и большая задержка по времени для передачи. Рас-
стояние от Земли до геостационарного спутника составляет около 4×104
км, до Луны-около 4 × 105 км, а для зонда, используемого для ис-
следования дальнего космоса, _ еще больше. Высокие потери на трассе
приводят к увеличению потребности в значениях ЭИИМ и G/T;
7) высокая скорость передачи данных. Чем больше информации получает
полезная нагрузка летательного аппарата, тем более высокая скорость
требуется для передачи данных;
8) ограниченная мощность системы. Дальние расстояния, высокая ско-
рость передачи данных и относительно низкое значение ЭИИМ лета-
тельного аппарата приводят к низкой мощности сигналов, принимае-
мых на местах, что является узким местом передачи информации;
9) в целом неограниченный диапазон частот. Как правило, летательные
аппараты предназначены для специальных целей, поэтому их полезная
нагрузка в основном работает на одной несущей частоте с постоян-
ной огибающей (в настоящее время за исключением систем контроля
полетных данных в авиационных комплексах для выполнения особых
заданий (SMA FDM - Special Mission Aircraft System Flight Data Mo-
nitoring), находящихся в составе американской спутниковой системы
слежения и ретрансляции данных (TDRSS - tracking and data relay
satellite system) и новой телеметрической системы), а также в полосе
высоких частот с более широкой доступной полосой частот, поэтому их
диапазон, как правило, не ограничивается и не требуется формирую-
щая фильтрация. Несущая частота с постоянной огибающей позволяет
усилителю мощности работать в состоянии насыщения.
Из-за указанных выше специальных требований многие технологии пе-
редачи TT&C и информации превращаются в пограничные технологии в
области передачи информации, такие как технологии высокоскоростной
передачи данных со скоростью 2 Гбит/с, криогенная технология приема
с низким уровнем шума, которая позволяет работать практически при
абсолютном нуле (термодинамической температурной шкалы), техноло-
гии исправления ошибок кодирования/декодирования, которые позволяютприблизиться к пределу Шеннона, технологии изготовления передатчи-
ков супервысокой мощности, технологии производства гигантских антенн,
технологии генерации миллиметровых волн и лазерные коммуникацион-
ных технологии, а также технологии дальнометрии, измерения скорости,
угловых измерений и позиционирования с высокой точностью.
1.4. Инженерные приложения передачи средств системы TT&C и средства передачи информации [3]

Развиваясь на стыке различных отраслей, технология передачи TT&C и
информации включают радиолокационные станции непрерывного излуче-
ния, связь, автоматический контроль, компьютеры и т. д. Таким образом,
система C&T для инженерных объектов является также высокоинтегриро-
ванной системой, основанной на информационных технологиях и исполь-
зуемой для развития достижения различных новых технологий. Передача
и обработка TT&C и информации осуществляются в результате систем-
ного проектирования (system engineering). Система передачи TT&C и ин-
формации играет жизненно важную роль при различных видах системного
проектирования летательных аппаратов. Это единственная информацион-
ная связь между запущенным летательным аппаратом и Землей, одна из
трех подсистем для проекта ракетных испытаний, одна из пяти подсистем
для спутниковой технической системы и одна из восьми подсистем пило-
тируемого космического проекта. Это не только незаменимая система под-
держки космических полетов, но и неотъемлемая часть интегрированной
электронной информационной системы. Сеть C&T, которая формирует-
ся с использованием системы передачи TT&C и информации, является
подсетью наземной космической интегрированной информационной сети.
Учитывая различные требования системного проектирования, C&T систе-
мы летательного аппарата, доступные в настоящее время, можно примерно
сгруппировать следующим образом.

1.4.1. Система C&T с унифицированной несущей частотой [4]

Система TT&C с унифицированной несущей частотой позволяет исполь-
зовать несколько функций C&T только с одной несущей путем включения
трех функций (отслеживание, телеметрия и управление) в один сигнал с
унифицированной несущей частотой.
До появления системы TT&C с унифицированной несущей традицион-
ная система TT&C состояла из отдельных устройств с различными функ-
циями. Это было связано с малой высотой полета, низкими требованиями
к TT&C, а также изначальным намерением максимально использовать ре-
сурс имеющегося оборудования. По мере быстрого развития авиационно аппараты, работающие на высоких орбитах, и зонды для исследования
дальнего космоса, которые требуют систем TT&C с множеством функ-
ций и работы на больших расстояниях, а также бортового оборудования
небольших размеров и массы с хорошей электромагнитной совместимо-
стью. В результате эксплуатация традиционной системы TT&C была пре-
кращена из-за ее несоответствия требованиям. Тем не менее эти требова-
ния не так легко удовлетворить ни с экономической, ни с технической точ-
ки зрения просто путем разработки другой однофункциональной системы
TT&C, содержащей множество единиц крупногабаритного оборудования.
В таком контексте появилась на свет система с унифицированной несу-
щей частотой. Созданию схемы использования унифицированной несущей
способствовал скачок в развитии технологии TT&C. Это привело к созда-
нию нового поколения систем TT&C, которое является особенно перспек-
тивным. Развивающаяся авиационно-космическая промышленность будет
играть большую роль в развитии средств использования TT&C.
Первая система ТТ&С с унифицированной несущей была основана на
принципе мультиплексирования с частотным разделением каналов. Сис-
тема с единым S-диапазоном (USB _ unified S-band) является типичной
первой системой TT&C с унифицированной несущей. Она была призна-
на на международном уровне и сформировала международный стандарт.
По этой причине она известна как стандартная унифицированная сис-
тема TT&C. Следуя требованиям и достижениям технического прогрес-
са, появилась унифицированная система TT&C с временным разделением
сигналов и расширенным спектром, которая передает и принимает инфор-
мацию, объединяющую различные функции в едином потоке данных перед
модуляцией на несущей частоте для передачи путем расширения спек-
тра. В ходе исследования дальнего космоса технология системы TT&C с
унифицированной несущей была также применена в этой области, в ре-
зультате чего была создана так называемая унифицированная система
TT&C для дальнего космоса (TT&C для дальнего космоса), которая ра-
ботает с использованием остаточной или подавленной несущей.

1.4.2. Космическая система C&T [3]

Космическая система C&T состоит из спутниковой системы слежения и
ретрансляции данных (TDRSS _ tracking and data relay satellite system) и
системы .GPS + телеметрия и телеуправление..
Американская система TDRSS представляет собой систему C&T с ре-
трансляцией данных и функциями TT&C, что позволяет отслеживать опе-
рации средне- и низкоорбитальных космических аппаратов, измерять их
орбиты и ретранслировать данные с терминала наземной станции с по-
мощью ретрансляционных транспондеров, установленных на борту гео-
1.4. Инженерные приложения передачи средств системы TT&C 29
синхронных спутников. Что касается рассматриваемой части системы, то
геосинхронные спутники называются спутниками слежения и ретрансля-
ции данных, космические аппараты на средней или низкой околоземной
орбите _ пользовательскими спутниками, наземные объекты _ оконечны-
ми наземными станциями.
Характеристики TDRSS включают в себя следующее: когда геосин-
хронный спутник с орбитой высотой 36 000 км над поверхностью Зем-
ли используется для ретрансляции, он обладает высоким C&T-охватом
средне- и низкоорбитальных космических аппаратов от дальнего к ближ-
нему. С двумя ретрансляционными спутниками, разнесенными друг от
друга на 120◦ по долготе, он может покрыть 85% орбиты средне- и низ-
коорбитальных космических аппаратов. С помощью трех ретрансляци-
онных спутников появляется возможность покрыть почти 100% орбит.
В отличие от общего спутника связи, ретрансляционный спутник оснащен
двумя 3–5-метровыми антеннами с высоким коэффициентом усиления ав-
томатического слежения в Ku (или Ka) диапазоне, которые обеспечивают
широкий диапазон частот и высокое отношение мощности несущей к шу-
му, что все вместе позволяет передавать данные со скоростью 300 Мб/с.
Спутник-ретранслятор также снабжен многолучевой фазированной антен-
ной решеткой, работающей в S-диапазоне, и использует технологию с кодо-
вым разделением множественного доступа (CDMA _ code division multiple
access), что делает возможным для спутника одновременно передавать
данные TT&C и поддерживать связь с десятками целей. Все эти харак-
теристики и определяют основные причины, почему TDRSS разрабатыва-
ется в качестве одной из ключевых инфраструктур в авиационно-косми-
ческой промышленности. Первоначальная концепция TDRSS вытекает из
применения технологии космической системы TT&C для улучшения охва-
та TT&C пилотируемых космических полетов. С развитием космической
техники под давлением спроса на информационные технологии передача
данных стала одной из основных функций TDRSS. TDRSS является ти-
пичной системой передачи ТТ&С и информации.
Система .GPS + телеметрия и телеуправление. использует установ-
ленный на космическом аппарате высокодинамический приемник GPS для
позиционирования космических аппаратов, а затем передает данные о ме-
стоположении обратно на Землю через телеметрию и связь.

1.4.3. Система C&T для дальней космической связи [5, 6]

Система C&T для дальней космической связи позволяет осуществлять
C&T космическим аппаратам для исследования дальнего космоса, находя-
щимся на расстоянии более 2 × 106 км над поверхностью Земли. Это уни-
кальная информационная связь между космическими аппаратами дальне-
го космоса и Землей, которая используется, чтобы гарантировать, что зон-
ды работают на правильных орбитах и их полезная нагрузка находится в
нормальном состоянии, она также используется для передачи обнаружен-
ной информации о дальнем космосе обратно на Землю. Для осуществления
передачи на больших расстояниях она включает в себя многие передовые
технологии C&T.
Система C&T для дальней космической связи состоит из наземной
станции TT&C для дальней космической связи и транспондера, установ-
ленного на борту зонда для исследования дальнего космоса. Транспон-
дер обладает высокой надежностью и сверхмалыми размерами. Наземная
станция TT&C дальней космической связи состоит из гигантской антенной
подсистемы, работающей в S/X/Ka-диапазонах (или S/X-диапазоне), со
снабженным сервоприводом облучателем и апертурой антенны размером
35–70 м, передатчика сверхвысокой мощности, приемника со сверхнизким
уровнем шума, цифрового модулирующего терминала с экстремально низ-
ким пороговым отношением C/N0 (мощность несущей/уровень шумов) и
чрезвычайно узкой полосой фазовой автоподстройки частоты, атомного
генератора эталонной частоты со сверхвысокой стабильностью, частотно-
временного оборудования, интерферометрической подсистемы для угло-
вых измерений и т. д. Она предназначена в основном для определения
орбиты зонда с использованием высокоточного интерферометра для изме-
рения углов, дальности и частоты Доплера; передачи телеметрии зондов
с использованием каналов передачи радиосигналов по нисходящей линии
связи для передачи инженерных данных и данных о выполнении зонда-
ми своего полетного задания обратно на Землю для записи, отображения
и обработки, а также для мониторинга рабочей среды внутри зондов и
рабочего состояния оборудования в режиме реального времени; для управ-
ления или передачи данных зондам, поскольку зонды для исследования
дальнего космоса действуют в соответствии с заранее определенными по-
летными заданиями и движутся по изначально рассчитанным орбитам;
для телекоманд для включения и отключения в заранее определенное вре-
мя с использованием восходящего канала беспроводной связи для передачи
команд управления из наземной станции бортовому приемнику управле-
ния для дешифрования. Пользуясь достижениями технологий цифровой
связи, система C&T дальней космической связи обычно выполняет пере-
дачу, отправляя информацию из дальнего космоса обратно на Землю для
обработки.

1.4.4. Система C&T с фазированной антенной решеткой [7]

Система TT&C с фазированной антенной решеткой позволяет отслежива-
ние, телеметрию и управление (TT&C) и передачу информации с исполь-
зованием этой фазированной антенной решетки. После появления фазиро-
ванной антенной решетки она была впервые применена для радиолокации,
а затем в области связи. Это привело к созданию системы связи с фазиро-
ванной антенной решеткой. В обеих областях можно выделить два различ-
ных направления развития. В разработках первого направления основное
внимание уделяется техническим вопросам, связанным с применением на
радиолокационных станциях (РЛС). Разработки второго направления в ос-
новном включают в себя смарт-антенны1 (например адаптивная антенная
решетка), объектом исследований в данной сфере являются такие техни-
ческие вопросы, как коммуникационная интенсивность частоты ошибок и
помехоустойчивость. Технология C&T включает в себя как РЛС непре-
рывного излучения, так и связь. Таким образом, система с фазированной
антенной решеткой, интегрирующая эту технологию, называется C&T-си-
стемой с фазированной антенной решеткой. Она по-прежнему в основном
применяется в области использования РЛС непрерывного излучения, на-
пример, для TT&C-системы с унифицированной несущей частотой, требу-
ющей определения орбиты, а также в области передачи данных, например
SMA в TDRSS.
Возрастающие требования, предъявляемые к системам C&T с фазиро-
ванной антенной решеткой, в основном выражаются в следующем.
1. Многоцелевая TT&C. Многолучевость фазированной антенной решет-
ки может быть использована для многоцелевой TT&C. В аэрокосмиче-
ской области появление .мультиспутниковых систем для запуска одной
ракеты каждым спутником., .группировок спутников. и .спутнико-
вых кластеров. сделало многоцелевую TT&C популярной темой для
исследователей. В области авиации бурное развитие БПЛА привело к
появлению исследовательских проектов, относящихся к TT&C несколь-
ких беспилотных летательных аппаратов.
2. Служба SMA в TDRSS. TDRSS позволяет многопользовательскую пе-
редачу данных и TT&C, пользуясь встроенной спутниковой фазирован-
ной антенной решеткой и технологией формирования многолучевости
наземными станциями.
3. Требования помехоустойчивости. Функция помехоустойчивости имеет
решающее значение для военных систем TT&C. Фазированная антен-
ная решетка может быть использована для формирования адаптивного
пространственного фильтра, адаптивного луча и т. д., чтобы подавлять
помехи от входящих радиоизлучений из разных направлений.
4. Требования к наличию бортовой конформной2 антенны с фазирован-
ной антенной решеткой. В системе передачи TT&C и информации для
летательного аппарата скорость обратной передачи данных достаточ-
но высока, поэтому узким местом передачи является ЭИИМ бортового
транспондера. Это связано с антенной, которую нельзя сделать еще
больше из-за ограничений по объему и массе летательного аппарата.
Хорошим решением является использование бортовой конформной ан-
тенны с фазированной антенной решеткой, чтобы увеличить площадь
поверхности антенны и тем самым повысить усиление антенны и полу-
чить широкий сектор сканирования.

1.4.5. Высокоточная система измерения параметров
траектории полета ракеты [3]

Ракетная система TT&C измеряет и контролирует параметры различных
ракет. Существуют стратегические и тактические ракеты (в том числе
обычные реактивные снаряды, боеголовки и т. д.). Ракеты отличаются от
спутников полетными заданиями. Соответственно, система TT&C для ра-
кет имеет определенные особенности, свои методы проектирования и ис-
пытания в отношении технических требований, состава и схемы. Наибо-
лее строгие требования предъявляются к системе TT&C для квалифика-
ционных летных испытаний стратегических и тактических ракет. Они в
основном предназначены для следующих целей: проверки технических ха-
рактеристик и точности ракет и предоставления данных для улучшения
конструкции и доработки, обеспечения в реальном времени контрольной
информации для систем контроля безопасности, обеспечения надзора и
предоставления информации командным системам на всех уровнях, предо-
ставления соответствующих данных прикладным системам.
Такая система применяется в основном для высокоточного внешнего
измерения баллистических параметров во время летных испытаний ра-
кет. Она также может быть использована для слежения и измерения со
спутника активного участка полета ракеты во время процесса запуска.
Эта процедура в основном представляет данные измерений высокой точ-
ности для заключительной обработки данных и информации в реальном
времени в качестве основы для выполнения контроля безопасности или
других целей. Измерительная информация включает в себя дальность,
скорость и компоненты угловых измерений, которые могут служить в ка-
честве независимого источника информации для контроля безопасности
или формируют свод нескольких источников информации вместе с други-
ми источниками, которыми являются другие измерительные устройства.
Данные измерений, предоставленные после события, имеют более вы-
сокую плотность и точность, чем предоставляемые в режиме реального
времени. Посредством обработки персоналом после события баллистиче-
ские данные высокой точности, полученные путем внешних измерений,
могут быть предоставлены и использованы для анализа и дифференциа-
1.4. Инженерные приложения передачи средств системы TT&C 33
ции коэффициента ошибок на ошибки систем ракеты или ошибки систем
наведения ракеты, с тем чтобы улучшить систему наведения, точность
выведения на заданную траекторию и летальность оружия.

1.4.6. Система передачи TT&C и информации космических аппаратов для исследования
ближнего космоса [8]

Система передачи TT&C и информации летательных аппаратов для ис-
следования ближнего космоса представляет собой систему, которая поз-
воляет передавать TT&C и информацию любому летательному аппарату,
который находится на околоземной орбите и движется над поверхностью
Земли. Она используется: 1) для передачи информации, полученной с по-
мощью летательного аппарата и в результате разведки, дистанционного
зондирования, связи, мониторинга и т. д.; 2) измерения орбиты космиче-
ского аппарата; 3) эксплуатационной телеметрии, телеуправления и кон-
троля безопасности летательного аппарата и его бортовых устройств.
В соответствии со скоростью полета летательных аппаратов, использу-
ющих TT&C, ее можно разделить на системы C&T для гиперзвуковых,
сверхзвуковых, дозвуковых летательных аппаратов и аэростатов.
1. Система C&T гиперзвукового летательного аппарата. Скорость гипер-
звуковых летательных аппаратов в 5 раз выше скорости звука. Их поле-
ты в околоземном пространстве могут вызвать ионизацию тонкого слоя
атмосферы, что приводит к образованию плазменной оболочки, кото-
рая обусловливает ослабление или прерывание радиосигналов. Для того
чтобы уменьшить ионизирующее влияние плазмы, обычно используется
оборудование с более высокой рабочей частотой. Например, оборудова-
ние для телеметрии и слежения в составе системы TT&C, работающее
в миллиметровом диапазоне радиоволн или с более высокой частотой,
применяется для выполнения слежения, FM-телеметрии, телеметрии с
расширенным спектром, контроля безопасности высшего уровня, кон-
троля безопасности при передаче сигналов с расширенным спектром
и т. д.
2. Система C&T сверхзвуковых и дозвуковых летательных аппаратов. Сверх-
звуковой и дозвуковой летательные аппараты перемещаются со ско-
ростью, которая примерно в 2 раза превышает скорость звука. Как
правило, системы C&T для них должны быть многократно используе-
мыми. Из-за сильной многолучевости распространения помех в резуль-
тате взлета, посадки и низкой высоты при дальних полетах обычно
используются системы C&T с устойчивостью к помехам, вызванным
многолучевостью распространения сигнала. БПЛА достаточно редко
совершают полеты в ближнем космосе. Их система C&T, как правило,
состоит из подсистемы запуска/восстановления, подсистемы управле-
ния полетами, линий связи, работающих как в пределах прямой видимо-
сти, так и за ее пределами, линии передачи данных с высокой скоростью
и т. д.
3. Система C&T аэростатов. Аэростаты летают медленно и оснащены про-
стыми системами C&T. При определенных обстоятельствах, однако,
для них требуется пропускная способность передачи данных с высокой
скоростью или многоцелевая система C&T.

Литература
1. Liu Jiaxing (1999) Past, presence and future of aerospace TT&C technology. Telecommun
Eng 39(2): 1–8
2. Shi Shuji, Liu Jiaxing et al (1999) Vehicle TT&C system. National Defense Industry
Press, Beijing
3. Liu Jiaxing (2010) Spacecraft TT&C and communication engineering. National Defense
Industry Press, Beijing
4. Liu Jiaxing (2005) Key technologies of the USB TT&C system for manned space flight.
J Astronaut 26(6): 743–747
5. Liu Jiaxing (2006) Features and main technical issues in deep space TT&C and telecommunication
systems. J Spacecraft TT&C Technol 25(1): 1–8
6. DSMS telecommunications link design handbook. JPL,
http://deepspace.jpl.nasa.gov/dsndocs/ 810-005/
7. Liu Jiaxing (2007) Features and main technical issues in phased array TT&C system. J
Spacecraft TT&C Technol 26(1): 1–6
8. Liu Jiaxing (2008) Characteristics of TT&C system for near space spacecraft and major
technical challenges. J Spacecraft TT&C Technol 27(1): 1–7
ГЛАВА 2
ТЕОРИИ И МЕТОДЫ СЛЕЖЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЙ ОРБИТЫ
2.1. Общие положения
Слежение и орбитальные измерения относятся к измерениям таких эле-
ментов траектории полета летательного аппарата, как дальность, скорость,
угол и высота, которые выполняются измерительными станциями. .Траек-
тория. является общим термином. Траекторию полета бездвигательного
летательного аппарата, аналогичного космическому аппарату, называют
орбитой, которая подчиняется законам орбитальной динамики. Траекто-
рию полета с работающим двигателем управляемых снарядов и ракет на-
зывают баллистической траекторией; траекторию полета самолетов обыч-
но называют маршрутом полета. Траектория и маршрут полета подчиня-
ются законам аэродинамики. Таким образом, измерениями орбиты, описы-
ваемые в этой книге, называют измерения орбиты космического корабля,
траектории реактивных снарядов и маршрута самолета.
Траекторию полета центра тяжести космического корабля, совершаю-
щего полеты вокруг Земли, называют его орбитой. При идеальных услови-
ях его движение вокруг Земли подчиняется законам Кеплера, а траекто-
рия движения является установившимся кеплеровским эллипсом. Так что
этот путь перемещения называют орбитой. В действительности, Земля не
имеет правильную сферическую форму, а ее масса имеет неравномерное
распределение. Кроме того, сопротивление воздуха и притяжение других
небесных тел к космическому кораблю, а также действующие на косми-
ческий корабль силы давления солнечного излучения делают его орбиту
сложной кривой, аппроксимируемой кеплеровским эллипсом. Указанные
действующие силы обычно называют возмущающими силами, а откло-
нение орбиты космического корабля от кеплеровского эллипса называют
возмущением. Из-за отклонения фактической орбиты от теоретической
необходимы измерения контроля положения корабля для поддержания его
перемещения по первоначально спроектированной орбите или выполнение
необходимых .межорбитальных переходов.. Методы определения орбиты
обычно включают в себя:
1) определение геометрических параметров орбиты. Эта процедура, ко-
торую также называют определением кинематических параметров орбиты,
36 Глава 2. Теории и методы слежения и измерений орбиты
использует угол цели, дальность, скорость и другие параметры, измеряе-
мые одной или несколькими станциями слежения, для расчета и получения
мгновенного положения и скорости космического корабля в соответствии
с относительным геометрическим расположением с последующим получе-
нием траектории его полета путем подгонки к точке орбиты. Этот метод
является геометрическим приближением к истинной орбите и не отража-
ет фактического изменения закона, которому подчиняется орбита корабля.
Поэтому у него невысокая точность;
2) определение динамических параметров орбиты. Для космического
орбитального аппарата необходимо, прежде всего, создать предваритель-
ную модель орбиты космического аппарата в соответствии с его поло-
жением, скоростью и направлением в точке выхода на орбиту, а затем
использовать динамическую модель орбиты космического аппарата для
определения его орбиты (например, шести элементов орбиты Кеплера)
после учета различных сил, действующих на аппарат при его движении
на орбите. Поскольку орбита космического аппарата определяется моде-
лью динамики орбиты и измеренными параметрами орбиты каждой из-
мерительной станции, нет необходимости в использовании объемной базы
данных измерений, чтобы определить орбиту космического аппарата, а
данные, получаемые измерительными станциями, используются для уточ-
нения модели орбиты. Теория возмущений и статистический метод приме-
няются для получения теоретических параметров орбиты и вычисления по
измерениям со станций ее корректировок, после чего в качестве начально-
го значения для уточнения орбиты берется разница значений параметров
теоретической и скорректированной орбиты; этот процесс итеративно по-
вторяется до получения высокоточного определения параметров орбиты.
Благодаря применению ограничений для орбитального полета, динамиче-
ский метод обладает более высокой точностью определения параметров
орбиты, чем геометрический. Кроме того, для него требуется меньшее
число измеряемых элементов, так как любой из измеряемых элементов
может быть использован для определения параметров орбиты, например
скорость, дальность или угол.
Для летательных аппаратов с двигателем или для аппаратов с боль-
шим аэродинамическим сопротивлением воздуха, таких как реактивный
снаряд или самолет, применение динамического метода определения пара-
метров орбиты нерационально из-за его низкой точности. Обычно в таких
случаях применяют геометрические методы. Основываясь на точной фор-
муле и точных численных методах, такие параметры, как угол, дальность
и скорость, измеряемые на станциях, используются для определения орби-
ты космического аппарата, при этом системные ошибки корректируются,
а случайный шум сглаживается, что обеспечивает точное определение ор-
биты. Поскольку летательный аппарат двигается, его орбиту можно уста-
новить только одновременным определением скорости и положения, т. е.
должны быть определены шесть элементов орбиты: x, y, z, x˙, y˙, z˙. Можно
видеть, что измерения орбиты включают два аспекта, а именно измерение
скорости и определение положения.

2.2.Локализация измерения орбиты

2.2.1. Локализация

Пространственная локализация летательного аппарата относится к зада-
чам трехмерной локализации. Требуется определить по меньшей мере три
независимых параметра положения для пространственной локализации
цели. В настоящее время параметры положения, которые можно изме-
рить, включают дальность R, азимутальный угол A, угол возвышения
E, суммарную дальность S, разность дальности r и косинус направления
(включая l, m и n), три из которых достаточны для определения про-
странственного положения летательного аппарата. Геометрический прин-
цип локализации состоит в построении трех геометрических поверхностей,
используя для этого три параметра положения. Пересечение трех этих
поверхностей определяет пространственное расположение аппарата. Гео-
метрическая теория локализации летательного аппарата называется гео-
метрией локализации. Три параметра положения, если их измерить, могут
использоваться системой локализации, например системой локализации
(A,E,R) или системой локализации (R, S, r). Поскольку любые три из ше-
сти параметров местоположения могут образовать систему локализации,
имеется 56 сочетаний из трех, которые могут быть получены из шести па-
раметров, а именно в сумме 56 систем локализации. Аналогично, имеется
56 систем измерений скорости, таких как ( ˙R, ˙A, ˙E ). В настоящее время име-
ется много различных методов для систем локализации. В соответствии с
теорией геометрической локализации лучшие методы локализации исполь-
зуются для указанных измеряемых элементов.
Геометрические поверхности, определенные семью основными парамет-
рами положения в области технических применений, кратко представлены
следующим образом [1].
1. Дальность R _ расстояние между станцией измерений орбиты и
летательным аппаратом.
Летательный аппарат может находиться в одной из точек сферы, кото-
рую станция измерений орбиты берет в качестве ее центра, а R в качестве
ее радиуса. В системе координат (x, y, z) параметр R удовлетворяет сле-
дующему выражению:
x2 + y2 + z2 = R2. (2.1)
Геометрическая фигура сферы показана на рис. 2.1.

2. Угол возвышения ɛ - угол возвышения летательного аппарата от-
носительно Земли. В системе координат (x, y, z), передаваемых с Земли,
угол возвышения определяется выражением:
x2 + y2 = z2 cot2 ɛ. (2.2)
Геометрическая фигура конуса показана на рис. 2.2.
Как показано на рис. 2.2, xOy является горизонтальной плоскостью.
Летательный аппарат может находиться в любой точке этого конуса.
3. Азимутальный угол (β)- азимутальный угол летательного аппа-
рата в координатах. Азимутальный угол должен определяться, используя
следующее соотношение:
формулу (2.3) см. в книге