СИСТЕМА КОСМИЧЕСКОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ МЕЖДУ КООПЕРИРУЕМЫМ ОБЪЕКТОМ И ОБЪЕКТОМ-КОРРЕСПОНДЕНТОМ

Данное изобретение предназначено для применения в космической технике, может быть использовано для космической оптической связи и, в частности, в устройствах космических оптических систем связи между объектами, в качестве которых могут быть искусственные спутники Земли, космические аппараты, орбитальные станции и т.д., при этом одним из объектов может быть стационарный или подвижный наземный пункт, воздушное или водное судно.

Известны оптические системы связи, в том числе космические, в которых на каждом объекте-носителе установлены взаимодействующие между собой комплексы приемно-передающей аппаратуры (КППА) [1, 2]. В этих системах источник сообщений посылает информационные электрические сигналы на вход оптического передатчика (ОПРД) КППА данного объекта. ОПРД этими сигналами модулирует поток сигналов оптической несущей и через оптическую систему излучает в канал связи. Канал связи в зависимости от типа системы оптической связи реализуется каналообразующей средой, в качестве которой может быть свободное пространство (открытое космическое пространство, атмосфера Земли и т.п.) или связующая конструктивно сформированная среда (оптическое световодное волокно). Излученные оптические сигналы распространяются в канале связи, достигают оптической системы КППА другого объекта, собираются оптической системой этого КППА в пучок и подаются далее на вход оптического приемника (ОПРМ), в котором детектируются фотодетектором. Фотодетектор преобразует оптические сигналы в электрические, которые направляются в устройства их обработки, осуществляющие, например, усиление и фильтрацию сигналов для выделения передаваемых сообщений.

Системы оптической связи используют электромагнитные излучения оптического диапазона с длиной волны единицы и доли мкм. Диаграммы направленности излучения оптических сигналов этих систем имеют углы раствора, составляющие единицы мкрад.

В системах оптической связи [2], в которых канал связи между КППА представляет собой свободное пространство (космическое пространство, атмосфера), требуется вначале осуществить операции по организации связи между КППА. Для этого первоначально КППА на каждом из объектов производят взаимный поиск оптических сигналов, посылаемых ОПРД КППА другого объекта. После обнаружения и "захвата" приходящих оптических сигналов каждый КППА осуществляет в течение определенных временных интервалов работу в режиме высокоточного слежения и наведения с замкнутой обратной связью по управлению. Продолжительность этих интервалов времени может достигать, например, в системах космической оптической связи между космическими объектами на геостационарной орбите, нескольких месяцев и даже лет. Если по какой-либо причине происходит нарушение в работе таких систем оптической связи, в результате чего на входе в оптическую систему какого-либо КППА пропадают оптические сигналы, то для восстановления функционирования системы необходимо как можно быстрее повторить операции взаимного поиска и "захвата" оптического излучения, посылаемого ОПРД другого КППА.

Таким образом, в составе комплексов приемно-передающей аппаратуры системы оптической связи, предназначенной для работы в свободном пространстве, имеются средства поиска и "захвата", а также слежения и наведения.

В известных системах космической оптической связи, в которых каналообразующей средой является космическое пространство, процесс поиска и "захвата" между КППА осуществляется по командам, поступающим от ЭВМ, находящихся на каждом объекте. Этот процесс начинается в заранее установленное время и производится по расчетным данным о направлении (эфемеридам) линии, соединяющей оба КППА, в это установленное время. Назовем один из объектов кооперируемым, другой - объектом-корреспондентом. Для КППА, установленного на кооперируемом объекте, рассчитываются эфемериды направления на объект-корреспондент, а для КППА, установленного на объекте-корреспонденте, - эфемериды направления на кооперируемый объект. По этим эфемеридам осуществляется предварительная выставка визирной оси каждого КППА в положение, соответствующее моменту начала их взаимного поиска при организации оптической связи между ними. В процессе поиска и "захвата" не используются вспомогательные каналы связи радиодиапазона. Для выработки необходимых данных о направлении линии, соединяющей оба КППА, в момент начала их взаимного поиска используются средства, не входящие в состав КППА. Эти данные поступают в КППА от средств объекта-носителя КППА. Они вырабатываются либо непосредственно на данном объекте, либо наземным комплексом управления с последующей передачей на объект в виде кодовых сообщений, называемых уставками.

Формирование этих данных осуществляется на основании определения параметров траекторий объектов, между которыми планируется установить связь в оптическом диапазоне.

В свою очередь, определение параметров траекторий этих объектов осуществляется по результатам траекторных измерений, производимых средствами наземного измерительного комплекса.

Для минимизации времени вхождения в связь, то есть организации оптической связи между объектами, оснащенными КППА, стремятся по возможности уменьшить ошибку поиска излучения КППА другого объекта, в связи с чем траекторные измерения для определения параметров траекторий космических объектов проводят как можно ближе к моменту начала работы системы космической оптической связи. Это приводит к дополнительным трудностям в работе космических и наземных средств из-за сокращения времени на проведение подготовительных операций к сеансу оптической связи.

В то же время проведение траекторных измерений и определение параметров траекторий космических объектов как можно ближе к моменту начала работы системы космической оптической связи особенно важно для связи, например, между космическим объектом на геостационарной орбите (ГСО) и космическим объектом на низкой околоземной орбите. Если между объектами, находящимися, например, на ГСО и стабилизированными относительно друг друга, постоянно имеется прямая видимость и продолжительность сеанса оптической связи может быть неограниченной, то между объектом на ГСО и объектом на низкой околоземной орбите оптическая связь возможна только кратковременно в зонах их совместной видимости, когда отсутствует затенение канала связи Землей. Поэтому связь между этими объектами может осуществляться только сеансами. И к каждому такому сеансу связи необходимо провести цикл подготовительных работ по определению эфемерид направлений предварительной выставки визирных осей каждого КППА в положение, соответствующее моменту начала их взаимного поиска при организации оптической связи между ними.

Погрешности (точности) знания направления линии, соединяющей оба КППА, в момент начала их взаимного поиска создают ошибку поиска в системе. Суммарная ошибка поиска зависит от точности знания местоположения каждого объекта системы космической оптической связи, то есть от точности знания параметров их траекторий, от точностей управления движением как подвижных частей КППА, так и самих объектов, а также от возмущающих факторов окружающей среды.

Обычно в практике работы космических средств после проведения наземными средствами траекторных измерений и определения параметров траектории космического объекта, соответствующих по времени периоду проведения этих измерений, дальнейшая эволюция значений параметров траектории определяется на основе прогноза движения космического объекта, который осуществляется с учетом разработанной модели возмущающих воздействий на его движение. Возмущающие воздействия зависят от состояния атмосферы и окружающего космического пространства и достаточно быстро изменяются для того, чтобы эти изменения можно было учесть в модели возмущающих воздействий. Возникающая вследствие этого разница между текущими и прогнозируемыми значениями параметров траектории космического объекта дает ошибку прогноза движения космического объекта, которая интенсивно нарастает в процессе полета. К этой ошибке добавляется ошибка самих траекторных измерений, которая дает составляющую ошибки прогноза движения космического объекта, тоже увеличивающуюся со временем полета. В результате через короткое время суммарная величина ошибки прогноза движения космического объекта достигает критической величины и вызывает необходимость проведения новых траекторных измерений.

Операции по уточнению параметров траекторий космических объектов приходится проводить не только при изначальной организации оптической связи между двумя объектами, а и при смене объекта-корреспондента или кооперируемого объекта. Например, низкоорбитальный кооперируемый объект работал с одним объектом-корреспондентом, расположенным на геостационарной орбите, а затем тут же, без перерыва, переключается на работу с другим объектом-корреспондентом, расположенным в другой точке геостационарной орбиты, образуя новую пару связывающихся между собой объектов. В этом случае в зависимости от того, насколько к данному моменту времени точны данные прогноза параметров траектории этих объектов, может потребоваться их уточнение для обоих объектов или для одного из них.

Совершение операций по уточнению параметров траектории космических объектов является необходимым также и при подготовке к работе целевой аппаратуры космических объектов, которая может не совпадать по времени с подготовкой к работе КППА космической оптической системы связи. Поэтому сокращение этих операций до минимума за счет решения задач определения навигационных элементов (геометрических величин, характеризующих положение космического объекта и направление его движения [3]) автономно, на борту космического объекта, в темпе его полета, в текущий момент времени, приобретает особую актуальность.

Таким образом, в процессе работы известных систем космической оптической связи требуется постоянное привлечение других средств, не входящих в состав этих систем, для обеспечения их навигационной информацией. Такая особенность эксплуатации известных систем связи не позволяет использовать в должной мере их достоинства, а главное - не позволяет повысить оперативность доставки потребителям необходимой информации при одновременной минимизации затрат.

Известна система космической оптической связи между двумя космическими объектами по проекту SILEX (Semiconductor Laser Intersatellite Link Experiment), осуществляемому по заказу Европейского космического агентства с середины 1980-х годов. В настоящее время эта система находится в опытной эксплуатации [4, 5].

Указанная система, являющаяся прототипом предлагаемого технического решения, содержит два КППА. Один КППА находится на низкоорбитальном искусственном спутнике дистанционного зондирования Земли SPOT-4, который является кооперируемым объектом. Другой КППА - на экспериментальном космическом аппарате Artemis, являющемся объектом-корреспондентом и находящемся на геостационарной орбите. Оба КППА, называемые оптическими терминалами, имеют в основном единую конструкцию и идентичную большую часть оборудования. Как и обычно, каждый из упомянутых оптических терминалов содержит соответственно оптическую систему, системы поиска, слежения и наведения, оптический передатчик, оптический приемник, блоки управления и обработки принимаемых и передаваемых сигналов. Оптический терминал имеет автономность работы в течение одних суток. Причем так называемое грубое наведение для приведения визирной оси оптического терминала к какой-либо заранее заданной позиции, что требуется во время предварительного нацеливания визирной оси перед началом сеанса связи, осуществляется по рассчитанным на борту космического аппарата эфемеридам. Сами же эфемериды рассчитываются на основании переданных с наземного комплекса управления параметров траекторий космических аппаратов, между которыми предполагается установить оптическую линию связи. Одни сутки - это тот срок, как следует из практики работы с космическими средствами, в течение которого точность прогноза движения космических объектов может находиться в допустимых для работы системы лазерной связи пределах. Для снижения ошибки поиска и получения удовлетворительной точности значений эфемерид направления визирной оси оптического терминала через 24 часа необходимо передать на борт обоих космических объектов, кооперируемого и объекта-корреспондента, новые, уточненные значения параметров их траекторий.

Таким образом, в известном прототипе предполагается, что необходимое навигационное обеспечение его функционирования вырабатывается бортовыми средствами космических объектов или наземными средствами, не входящими в состав КППА, требует для обеспечения своей работы систематического, по крайней мере раз в сутки, проведения траекторных измерений и уточнения значений параметров траекторий космических объектов, на которых он установлен.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение возможности определения непосредственно бортовым КППА параметров траектории одного космического объекта в процессе его орбитального полета с помощью другого объекта, что дает возможность определять параметры траектории космического объекта непрерывно, в темпе его полета, позволяя увеличить точность определения указанных параметров в текущий момент времени, автономно, без привлечения других средств, не входящих в состав комплексов приемно-передающей аппаратуры системы космической оптической связи.

Поставленная задача решается следующим образом.

В известную систему космической оптической связи между кооперируемым объектом и объектом-корреспондентом, содержащую на каждом объекте комплекс приемно-передающей аппаратуры, который имеет в своем составе оптическую систему, оптический передатчик, оптический приемник, блоки обработки передаваемых и принимаемых сигналов, блок сигналов единого времени, причем вход блока обработки принимаемых сигналов подключен к оптическому приемнику, вход которого соединен с оптической системой, а выход блока обработки передаваемых сигналов подключен к последовательно соединенным оптическому передатчику и оптической системе, согласно изобретению в комплекс приемно-передающей аппаратуры на кооперируемом объекте и объекте-корреспонденте введены соответственно:

блок селекции принимаемых импульсных сигналов заданной частоты,

блок определения времени приема импульсных сигналов заданной частоты,

блок определения дальности на текущий момент времени,

блок определения времени передачи импульсных сигналов заданной частоты,

блок генерации импульсных сигналов заданной частоты,

блок определения параметров траектории космического объекта,

блок управления работой блока генерации импульсных сигналов заданной частоты,

при этом

один из входов блока обработки передаваемых сигналов соединен с одним из выходов блока определения времени передачи импульсных сигналов заданной частоты, а другой - с одним из выходов блока селекции принимаемых импульсных сигналов заданной частоты;

другой выход блока определения времени передачи импульсных сигналов заданной частоты соединен с одним из входов блока определения дальности на текущий момент времени;

один из входов блока определения времени передачи импульсных сигналов заданной частоты соединен с одним из выходов блока сигналов единого времени, а другой его вход - с выходом блока генерации импульсных сигналов заданной частоты, вход которого соединен с выходом блока управления работой блока генерации импульсных сигналов заданной частоты;

выход блока обработки принимаемых сигналов подключен к блоку селекции принимаемых импульсных сигналов заданной частоты, другой выход которого соединен с одним из входов блока определения времени приема импульсных сигналов заданной частоты, а другой вход блока определения времени приема импульсных сигналов заданной частоты подключен к другому выходу блока сигналов единого времени;

выход блока определения времени приема импульсных сигналов заданной частоты подключен к другому входу блока определения дальности на текущий момент времени, выход которого соединен с блоком определения параметров траектории космического объекта.

На чертеже изображено:

1 - оптическая система (ОС);

2 - оптический передатчик (ОПРД);

3 - оптический приемник (ОПРМ);

4 - блок обработки принимаемых сигналов (БОПРМС);

5 - блок селекции принимаемых импульсных сигналов заданной частоты (БСПРМИСЗЧ);

6 - блок определения времени приема импульсных сигналов заданной частоты (БОВПРМИСЗЧ);

7 - блок определения дальности на текущий момент времени (БОДТМВ);

8 - блок обработки передаваемых сигналов (БОПРДС);

9 - блок определения времени передачи импульсных сигналов заданной частоты (БОВПРДИСЗЧ);

10 - блок генерации импульсных сигналов заданной частоты (БГИСЗЧ);

11 - блок определения параметров траектории космического объекта (БОПТКО);

12 - блок сигналов единого времени (БСЕВ);

13 - блок управления работой блока генерации импульсных сигналов заданной частоты (БУРБГИСЗЧ);

14 - комплекс приемно-передающей аппаратуры на кооперируемом объекте (КППАКО);

15 - оптическая система (ОС);

16 - оптический передатчик (ОПРД);

17 - оптический приемник (ОПРМ);

18 - блок обработки принимаемых сигналов (БОПРМС);

19 - блок селекции принимаемых импульсных сигналов заданной частоты (БСПРМИСЗЧ);

20 - блок определения времени приема импульсных сигналов заданной частоты (БОВПРМИСЗЧ);

21 - блок определения дальности на текущий момент времени (БОДТМВ);

22 - блок обработки передаваемых сигналов (БОПРДС);

23 - блок определения времени передачи импульсных сигналов заданной частоты (БОВПРДИСЗЧ);

24 - блок генерации импульсных сигналов заданной частоты (БГИСЗЧ);

25 - блок определения параметров траектории космического объекта (БОПТКО);

26 - блок сигналов единого времени (БСЕВ);

27 - блок управления работой блока генерации импульсных сигналов заданной частоты (БУРБГИСЗЧ);

28 - комплекс приемно-передающей аппаратуры на объекте-корреспонденте (КППАОК);

29 - канал связи (КС).

Предлагаемая система космической оптической связи состоит из двух идентичных комплексов приемно-передающей аппаратуры, один из которых (14) установлен на кооперируемом объекте, другой (28) - на объекте-корреспонденте, при этом как минимум один из объектов является космическим.

В состав комплексов приемно-передающей аппаратуры 14 и 28 входят соответственно оптические системы 1 и 15, оптические передатчики 2 и 16, оптические приемники 3 и 17, блоки обработки принимаемых сигналов 4 и 18, блоки селекции принимаемых импульсных сигналов заданной частоты 5 и 19, блоки определения времени приема импульсных сигналов заданной частоты 6 и 20, блоки определения дальности на текущий момент времени 7 и 21, блоки обработки передаваемых сигналов 8 и 22, блоки определения времени передачи импульсных сигналов заданной частоты 9 и 23, блоки генерации импульсных сигналов заданной частоты 10 и 24, блоки определения параметров траектории космического объекта 11 и 25, блоки сигналов единого времени 12 и 26, блоки управления работой блоков генерации импульсных сигналов заданной частоты 13 и 27.

Оба состава комплексов приемно-передающей аппаратуры 14 и 28 могут вести определение параметров траектории независимо, причем на каждом упомянутом объекте формируются импульсные сигналы заданной частоты, которые используются для измерения дальности.

Приведем описание функционирования системы космической оптической связи при решении задачи определения непосредственно бортовым КППА параметров траектории космического объекта в процессе орбитального полета на примере двух космических объектов. При этом ограничимся описанием работы комплекса приемно-передающей аппаратуры 14, установленного на кооперируемом космическом объекте, т.к. функционирование комплекса приемно-передающей аппаратуры 28, установленного на космическом объекте-корреспонденте, является аналогичным.

По команде от БУРБГИСЗЧ 13, представляющего собой, например, программно-временное устройство, начинает работать БГИСЗЧ 10, выполненный, например, на базе кварцевого генератора, делителя частоты и каскада формирования импульсов. БГИСЗЧ 10 генерирует импульсные сигналы заданной частоты, представляющие собой, например, кодированную группу импульсов, количество которых и интервалы между которыми присущи только БГИСЗЧ 10. Импульсные сигналы заданной частоты поступают в БОВПРДИСЗЧ 9, куда также из БСЕВ 12, представляющего собой, например, кварцевый генератор с делителем частоты, подаются сигналы единого времени. В БОВПРДИСЗЧ 9, выполненном в виде, например, ключевого каскада, при поступлении импульсных сигналов заданной частоты на ключевой каскад открывается доступ в БОВПРДИСЗЧ 9 сигналов единого времени, которые затем отправляются из БОВПРДИСЗЧ 9 в БОДТМВ 7, а сами импульсные сигналы заданной частоты из БОВПРДИСЗЧ 9 поступают в БОПРДС 8, где преобразуются в вид, необходимый для поступления в ОПРД 2, например, изменяют сигнал уровня ЭСЛ (эмиттерно-связанной логики) на сигнал уровня ТТЛ (транзисторно-транзисторной логики), подаются далее в ОПРД 2, где преобразуются из электрических сигналов в электромагнитное излучение оптического диапазона, и через ОС 1 излучаются в КС 29. Пройдя через КС 29 и ОС 15, входящую в состав КППАОК 28, установленного на космическом объекте-корреспонденте, электромагнитное излучение оптического диапазона попадает на ОПРМ 17, претерпевает в нем обратное преобразование из электромагнитного излучения оптического диапазона в электрические сигналы, которые затем подаются в БОПРМС 18, состоящий, например, из каскада усилителя и фильтра, с помощью которых происходит усиление и выделение импульсных сигналов заданной частоты. Эти сигналы поступают далее в БСПРМИСЗЧ 19. В связи с тем, что определение параметров траектории на каждом из объектов осуществляется независимо, для чего используются импульсные сигналы заданной частоты, вырабатываемые БГИСЗЧ 10 на кооперируемом объекте и БГИСЗЧ 24 на объекте-корреспонденте, в БСПРМИСЗЧ 19 поступают сигналы, вырабатываемые как БГИСЗЧ 10, так и БГИСЗЧ 24. Поэтому в БСПРМИСЗЧ 19, выполненным в виде, например, декодера, определяется, каким из блоков генерации импульсных сигналов заданной частоты, 10 или 24, они выработаны. Если эти сигналы выработаны БГИСЗЧ 10, что и рассматривается, то они направляются в БОПРДС 22, выполненный аналогично БОПРДС 8, где претерпевают такие же изменения, как и описанные ранее в БОПРДС 8, то есть преобразуются в вид, необходимый для поступления в ОПРД 16, поступают далее в ОПРД 16, преобразуются в нем из электрических сигналов в электромагнитное излучение оптического диапазона и через ОС 15 излучаются в КС 29.

Пройдя на своем обратном пути через КС 29 и ОС 1 КППАКО 14, размещенного на кооперируемом космическом объекте, излученные в оптическом диапазоне электромагнитного спектра сигналы попадают на ОПРМ 3, где преобразуются из электромагнитного излучения оптического диапазона в электрические сигналы, затем подаются в БОПРМС 4, устройство которого аналогично устройству БОПРМС 18. В БОПРМС 4 выделяются импульсные сигналы заданной частоты, которые далее передаются в БСПРМИСЗЧ 5, по устройству, аналогичному БСПРМИСЗЧ 19, где определяется, каким из блоков генерации импульсных сигналов заданной частоты, 10 или 24, они выработаны. Если эти сигналы выработаны БГИСЗЧ 10, что и рассматривается, то они направляются в БОВПРМИСЗЧ 6, в который поступают также сигналы единого времени из БСЕВ 12. Устройство и функционирование БОВПРМИСЗЧ 6 аналогично устройству и функционированию БОВПРДИСЗЧ 9, то есть БОВПРМИСЗЧ 6 выполнен в виде, например, ключевого каскада, при приходе на который импульсных сигналов заданной частоты открывается доступ в БОВПРМИСЗЧ 6 сигналов единого времени, которые отправляются затем в БОДТМВ 7. Отличие работы БОВПРМИСЗЧ 6 от работы БОВПРДИСЗЧ 9 состоит в том, что сами импульсные сигналы заданной частоты на этом прекращают свой путь и далее никуда из БОВПРМИСЗЧ 6 не направляются. В БОДТМВ 7, представляющем собой, например, вычислительное устройство, осуществляется определение значения текущего момента времени, в который проводилось измерение, и разности времени отправки сигналов, полученного от БОВПРДИСЗЧ 9, и времени принятия их в БОВПРМИСЗЧ 6 после возвращения обратно от космического объекта-корреспондента. С использованием этой разности времен определяется дальность до космического объекта-корреспондента. Значение текущего момента времени определяется, например, как среднее арифметическое значение между временами отправки и возвращения импульсных сигналов заданной частоты. Значение дальности вместе со значением текущего момента времени передается в БОПТКО 11, выполненного в виде, например, вычислительного устройства, в котором производится накопление этих данных, сравнение их с прогнозируемыми данными, уточнение положения космического объекта, например, в геоцентрической системе координат, а затем осуществляется определение параметров траектории космического объекта, например, по методу Гаусса [6].

Возможность с помощью предлагаемой системы космической оптической связи автономно проводить измерения дальности между двумя космическими объектами и с использованием этих измерений практически постоянно, в темпе полета, определять параметры траекторий космических объектов позволяет существенно повысить точность определения этих параметров в каждый текущий момент времени и определять данные, необходимые для подготовки к сеансу связи или для восстановления линии связи при нарушении ее работы, непосредственно КППА. Тем самым удается снизить загрузку наземных средств траекторных измерений, привлекая их лишь изредка для контрольных измерений. Такое значительное снижение загрузки наземных средств траекторных измерений приведет к существенному экономическому выигрышу. Возможность определения параметров траектории космического объекта на его борту, а точнее - бортовым КППА, без привлечения наземных средств траекторных измерений, повышает также оперативность работы космических объектов и оперативность доставки информации потребителям, которые являются основополагающими при оценке экономической эффективности функционирования космических средств и способствуют ее значительному росту.

ЛИТЕРАТУРА

1. P.M.Гольярди, Ш.Карп. Оптическая связь. - М.: Связь, 1978, с.14-15.

2. Лазерная космическая связь. Под ред. М.Кацмана. - М.: Радио и связь, 1993, с.9-10, 188-189, 193-194.

3. О.В.Белавин. Основы радионавигации. - М.: Советское радио, 1967, с.9-20, 31-36.

4. Michel BATLLY, Eric PEREZ, The Pointing, Acquisition and Tracking system of SILEX European program: a major technological step for intersatellites optica communication, SPIE Vol.1417 Free-Space Laser Communication Technologies III (1991), с.143, 151.

5. В.Мохов. Впервые спутники "общались" с помощью лазера. Новости космонавтики, Россия, 2002, №1, с.34.

6. П.Эскобал, Методы определения орбит. - М.: Мир, 1970, с.11-15, 204-249.