Радиотехнический информационно-управляющий комплекс системы низкоорбитальных малых космических аппаратов наблюдения

 

 

Дипломная работа

«Радиотехнический информационно-управляющий комплекс системы низкоорбитальных малых космических аппаратов наблюдения»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

 

Тема  дипломного проекта: «Радиотехнический  информационно-управляющий комплекс системы низкоорбитальных малых космических аппаратов наблюдения».  В дипломном проекте обоснованы характеристики радиолиний ИУК в составе системы МКА наблюдения с высотой орбит ~ 500км, определенно количество МКА, обеспечивающее требуемую периодичность съемок наземных объектов в зонах ответственности потребителей. Характеристики радиолиний определены для условий целенаправленного противодействия функционированию средств ИУК.

  Были найдены приемлемые решения по реализации непосредственного оперативного приема КИ с МКА в зоне ответственности потребителя и ретрансляционных режимов, в том числе сетевых, при обмене различной информацией, включая информацию управления МКА, информацию банков данных и др. При этом определены условия целесообразности использования различных ретрансляционных режимов (на основе геостационарных спутников-ретрансляторов и информационной сети, организованной системой МКА). Предложенные решения обеспечивают так же требуемую устойчивость функционирования средств ИУК.

Представлены  результаты детального проектирования цифрового приемника слежения моноимпульсной системы наведения с соответствующими схемами и конструктивным чертежом.

Дипломный проект содержит в себе обоснование  назначения системы, обзор и выбор  прототипа системы, обоснование  метода измерений, конструкцию, структурную, функциональную, принципиальную электрическую  схемы, технические характеристики устройства, а так же экономический  раздел и раздел посвящённый экологичности и безопасности проекта.

Дипломный проект содержит 145 страниц, 30 рисунков, 14 таблиц, 23 источника, 7 приложений.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Введение…………………………………………………………………………...8

1 Принципы построения информационно- управляющего комплекса

космической системы наблюдения………………………………………………9

1.1 Обзор существующих информационно- управляющего комплексов и проблемные  вопросы их современного развития………………………………9

1.2 Структурно-функциональные схемы информационно-управляющих комплексов (аналоги и прототипы)…………………………………………….13

1.3 Обзор существующих радиотехнических средств управления космическими аппаратами....................................................................................21

2 Основные тактико-технические  требования к радиотехнической  системе управления низкоорбитальных  малых космических аппаратов……………...34

3 Структурные и функциональные  схемы подсистем и устройств  радиотехнической системы управления  и обработки  информации в  составе информационно управляющего  комплекса……………………………………37

3.1 Структурная схема наземной станции……………………………………..37 3.2 Функциональная схема приемного устройства…………………………...42

4 Обоснование и оценка основных  характеристик радиолиний информационно  – управляющего комплекса………………………………….43

4.1 Постановка задачи и исходные данные……………………………………43

4.2 Обоснование характеристик радиолиний…………………………………44

4.3 Результаты анализа требований по информативности каналов ИУК…..47

4.4 Синтез структуры и оценка энергетических характеристик  каналов ИУК……………………………………………………………………………….49

5 Блок-схема канала моноимпульсного сопровождения и описание работы моноимпульсного наведения антенной системы КИС…………………….….62

6 Принципиальная  схема и конструкция ЦПС моноимпульсной системы наведения, описание технических параметров………………………………...75

7 Организационно – экономическая часть……………………………………..80

7.1 Аннотация……………………………………………………...……….…....80

7.2 Общее описание компании……………………………………………….....80

7.2.1 Исследование и анализ рынка…………………………………………...…81

7.2.2 Оценка риска……………………………………………………………….81

7.2.3 План маркетинга…………………………………………………………...81

7.2.4 Организационное обеспечение работ…………………………………….82

7.3 Этапы разработки………………………………………………………...…83

7.3.1 Определение трудоемкости выполнения этапов разработки………...…84

7.3.2 Определение затрат на создание комплекса……………………………..85

7.3.3 Материалы и комплектующие изделия…………………………………..86

7.3.4 Расчет основной заработной платы…………………………...………….87

7.3.5 Дополнительная заработная плата………………………………………..88

7.3.6 Отчисления в фонды………………………………………………………88

7.3.7 Расчет накладных расходов…………………………………………….…88

7.3.8 Цеховые расходы…………………………………………………………..89

7.3.9 Общезаводские расходы…………………………………………………..89

7.3.10 Цеховая себестоимость……………………………………………..……89

7.3.11Заводская себестоимость………………………………………………....89

7.3.12 Определение договорной цены проектирования изделия……………..91

7.3.13 Определение договорной цены изготовления изделия………………...91

7.3.14 Договорная цена изделия………………………………………………...91

7.4 Технико-экономическое обоснование целесообразности выполнения проекта…………………………………………………………………………....91

7.5 Используемое программное обеспечение и компьютерные устройства………………………………………………………………………..93

8 Экологичность и безопасность проекта……………………………………94

8.1 Цели  и задачи……………………………………………..……..……...……94

8.2 Оптимальное рабочее место……………………………………………..….94

8.3 Карта условий труда……………………………….……………….…..…..105

8.4 Проектирование комбинированного освещения…………………………111

8.5 Механическая вентиляция………………………………………………....120

8.6 Электобезпасность…………………………………………………………124

8.7 Вывод к разделу……………………………………………………………133

Заключение……………………………………………………………………...134

Список  использованных источников……………………………….…………136

Приложение……………………………………………………………………..139

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

 

                Характеристики системы малых космических аппаратов (МКА): орбита, близкая к круговой, высота орбиты h~500 км, наклонение ~97º. Потребители космической информации наблюдения могут дислоцироваться в любом районе Земли. Максимально допустимое время обновления данных наблюдения для каждого потребителя Т_О=10…15 мин.

           Радиотехнические характеристики информационно-управляющего комплекса (ИУК): частотный диапазон радиолиний ИУК ~8 ГГц; бинарное кодирование противоположными сигналами с вероятностью ошибочного приема информационного символа р_ОШ=10^-6 (допускается применение сложных сигналов); коэффициент усиления антенны МКА при его управлении в неориентированном режиме не более (-10 дБ); мощность передатчика МКА не более 10 Вт; диаметр параболической антенны наземной станции (НС) ~2,6 м (ограничена габаритами подвижного носителя); максимальная ширина спектра сигнала Δf=128 МГц; шумовая температура приемных устройств: НС – 300ºК, МКА и спутников-ретрансляторов – 1000ºК; максимальная дальность радиолинии непосредственного радиоконтакта Д=2500 км; возможна постановка организованных помех в чрезвычайных ситуациях (ЭИИМ средств РЭП: при подавлении бортовых приемников наземными средствами – 96 дБ Вт; при подавлении приемников НС самолетными средствами с расстояния =500 км  – 72 дБ Вт).  

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 В  связи с реализацией концепции  создания  и применения малых космических аппаратов (МКА) большой практический интерес в последние годы приобретают вопросы создания систем низкоорбитальных МКА наблюдения и информационно-управляющих комплексов (ИУК) этих систем, предназначенных для оперативного получения и доведения космической информации (КИ) до  многочисленных группировок периферийных потребителей КИ, функционирующих в зонах ответственности.

ИУК с такими функциональными задачами не имеют  в мире реализованных прототипов и являются в настоящее время  объектом исследований, что определяет тему дипломного проекта чрезвычайно  актуальной.

ИУК космической  системы наблюдения представляет собой  интегрированную систему, выполняющую  функции получения и доведения  до потребителей КИ наблюдения  и  обеспечивающую решение задач управления КА в соответствии с назначением.

Целью дипломного проекта является определение минимально необходимых значений технических параметров, при которых обеспечивается стабильная устойчивость функционирования всех средств ИУК.

Результаты  дипломного проекта могут быть использованы в проектных материалах промышленной организации при создании радиотехнической системы управления космическими аппаратами в совмещенных режимах измерения  дальности, радиальной скорости и передачи информации

 

 

 

 

 

 

 

1 ПРИНЦИПЫ ПОСТОРЕНИЯ ИНФОРМАЦОННО-УПРАВЛЯЮЩЕГО КОМПЛЕКСА КОСИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ

 

1.1 Обзор существующих информационно-управляющих комплексов и проблемные вопросы их современного развития

 

В настоящее  время усилиями ведущих отечественных  предприятий ракетно-космической  отрасли по заказам Минобороны и  Федерального космического агентства (Роскосмоса) реализуется концепция развития малых космических аппаратов (МКА). Концепция МКА базируется на энергосберегающих технологиях при выводе и эксплуатации МКА и в этом плане представляется перспективной. Однако одиночные МКА, выполняющие определенные целевые функции, при прочих равных условиях принципиально не могут характеризоваться лучшими по сравнению с традиционными КА показателями качества выполнения этих функций из-за более жестких массогабаритных ограничений.

Повышение эффективности МКА по сравнению  с  традиционными КА массой 2…3 тыс. кг и более можно ожидать при  создании многоспутниковых систем, если подобные  системы КА с традиционными массогабаритными характеристиками (МГХ) в силу различных причин, в том числе экономических, не могут быть реализованы.

Например, МКА наблюдения (дистанционного зондирования Земли) типа «Монитор» характеризуются  худшими показателями разрешающей  способности по сравнению с прецизионными  КА оптикоэлектронного наблюдения, но в многоспутниковой системе МКА обеспечивается более высокая оперативность обновления информации (частота наблюдения определенных районов поверхности Земли находится в прямой зависимости от количества КА в системе). При решении ряда специальных задач оперативность может играть более существенную роль при заданном допустимом уровне характеристик разрешающей способности. Соответствующие примеры можно привести для задач разведки ледовой обстановки, наблюдения районов стихийных бедствий и др.

 Системы МКА в виде организованных орбитальных группировок предполагают наличие многочисленных, в том числе периферийных, потребителей космической информации (КИ), хотя бы потому, что  создание систем МКА представляется достаточно дорогостоящими проектами, реализация которых при существующих социально-экономических отношениях окупается при большом количестве потребителей КИ и может быть обеспечена, как правило, кооперацией заказчиков (финансирующих проекты на долевой основе), целевые задачи которых, в общем случае, могут различаться.  

Такие системы, функционирующие в интересах  группировки различных потребителей,  приобретают новое качество: они  должны быть многоцелевыми, если даже предназначены для решения одноплановых задач, в частности, только дистанционного зондирования  Земли (ДЗЗ). МКА ДЗЗ двойного назначения по определению являются многоцелевыми, поскольку обеспечивают функционирование двух группировок потребителей. МКА ДЗЗ двойного назначения представляются также многофункциональными, поскольку требования и наблюдаемые объекты силовых и гражданских заказчиков существенно различаются. Система МКА двойного назначения, кроме того, принципиально должна быть в готовности к выполнению функций управления МКА и обмена информацией в условиях организованного противодействия, что значительно усложняет информационно-управляющий комплекс (ИУК) такой системы МКА.

 В  отечественной практике создавались  (или планировались к созданию) следующие системы КА: наблюдения (КА типа «Целина», «Лиана», «Аракс», «Строй»), связи (высокоапогейные КА типа «Молния», низкоорбитальные КА «Гонец»), ретрансляции (КА ГКРС), навигации (КА ГЛОНАСС),  спецсвязи ( КА «Стрела», «Родник»).

Однако  управление этими системами КА технологически не имело существенных отличий от управления одиночными КА, за исключением  системы «Строй» (создание которой  не было завершено) и ГЛОНАСС (специфичной  навигационной системы, принципы построения которой не могут быть перенесены  на системы другого назначения). Зачастую системы КА  вырождались  от начала процесса создания до применения в одиночные КА (КА наблюдения, КА ГКРС).

 Следствием такой практики является недостаточная проработанность вопросов управления системами КА и обеспечения различных  потребителей систем КА космической информацией.

 Большой  практический интерес в этом  плане в последние годы приобретают  вопросы создания систем низкоорбитальных  МКА наблюдения и ИУК этих  систем, предназначенных для оперативного  получения и доведения КИ до  силовых ведомств, а также вопросы  создания конверсионных ИУК аналогичного  назначения.

 ИУК, включающие спецкомплексы и АСУ КА, представляют собой интегрированные системы, выполняющие функции получения и доведения до потребителей КИ наблюдения (специнформации) с требуемым качеством и обеспечивающие функции управления КА средствами АСУ КА с учетом программ  полета КА и состояния их бортовых систем.

АСУ КА включает наземный комплекс управления (НКУ) и  бортовой комплекс управления (БКУ) КА, взаимодействующие друг с другом.

 ИУК  систем МКА, функционирующих в  интересах группировки периферийных  потребителей, могут существенно  отличаться от централизованных  ИУК эксплуатируемых ранее одиночных  КА. 

 Специнформация (СИ) с КА этих систем собирается и обрабатывается в едином Центре и далее предоставляется потребителям установленным порядком в части их интересов. Централизация планирования функционирования КА, сбора, хранения и обработки СИ обладает неоспоримым преимуществом в плане обеспечения качества СИ по сравнению с другими структурными построениями, поскольку обеспечивает систематическое накопление информации наблюдения и обновление банков данных о наблюдаемых объектах и данных глобальной георазведки о фоне местности. Процесс анализа данных в такой структуре представляет собой процесс выявления изменений наблюдаемых объектов на фоне местности. Однако при этом время от момента съемки наблюдаемого объекта до момента получения данных соответствующим потребителем может достигать нескольких десятков часов, что не соответствует перспективным требованиям, прежде всего, силовых ведомств. 

По централизованной схеме могут работать и ИУК  МКА. Но для систем МКА, функционирующих  в интересах периферийных потребителей, с целью повышения оперативности  получения данных  потребителями  могут быть предложены схемы децентрализованных ИУК и схемы, совмещающие централизованные и децентрализованные структуры  ИУК, в которых СИ передается с  МКА непосредственно потребителю, находящемуся в зоне своей ответственности, в реальном масштабе времени с  возможностью децентрализованного  управления МКА этим же потребителем СИ в течение определенного времени. Такие схемы составляют основное отличие ИУК систем МКА многоцелевого применения и ранее практически не исследовались. Существующих аналогов таких систем нет.

В научных  трудах отечественных и зарубежных ученых по рассматриваемой предметной области в части централизованных структур информационных систем накоплен значительный опыт. Основы для исследования перспективных АСУ КА и ИУК  космических систем наблюдения были заложены в 50 и 4 ЦНИИ Минобороны, в ВКА  им. А.Ф. Можайского, в Российском НИИ  космического приборостроения, в НИИ  точных приборов в в/части 32103 и других организациях. 

Теоретическую базу этих работ составили труды  известных ученых, заложивших основы радиотехники, электроники, автоматики, вычислительной техники, системотехники, теории сложных систем, космической баллистики, базирующиеся, в свою очередь, на фундаментальных открытиях физики и математики.

 

 

1.2 Структурно-функциональные  схемы информационно-управляющих  комплексов (аналоги и прототипы)

 

Информационно-управляющий  комплекс   системы  МКА наблюдения   предназначен для получения и доведения  до потребителей космической информации наблюдения (специнформации) с требуемым качеством и управления МКА средствами АСУ МКА с учетом программ  полета МКА и состояния их бортовых систем.

ИУК структурно должен представлять собой информационную сеть, включающую в качестве абонентов (узлов) сети:

- КА (МКА), формирующие в процессе полета  СИ;  

- центр планирования операций наблюдения, сбора, хранения и обработки СИ (спеццентр);

- центральные  пункты приема и передачи СИ (ЦППИ), взаимодействующие со спеццентром;

- региональные  пункты приема СИ (ППИ) – пункты  периферийных потребителей  информации  наблюдения;

- абонентскую  аппаратуру периферийных потребителей  информации наблюдения (ААП);

- АСУ  КА (МКА) в составе Центра управления  полетом (ЦУП), комплекса наземных  станций (НС) и бортовой аппаратуры (БА) радиотехнических средств управления (РСУ)  КА с необходимыми линиями  связи; 

- обеспечивающие  взаимодействие элементов ИУК  средства связи.

В состав ИУК могут быть включены космические  системы ретрансляции (КСР) информации.

           Система МКА вместе с наземными средствами может быть организована в наземно-космическую информационно-командную сеть (НКИКС) и выполнять функции КСР.

 В настоящее время в составе космических систем наблюдения созданы ИУК централизованного функционирования в соответствии со структурно-функциональной схемой,   представленной на рис.1.1.

Согласно  этой схеме центральными органами, обеспечивающими функционирование ИУК, являются спеццентр (в составе спецкомплекса) и ЦУП (в составе НКУ КА), причем функциональные задачи этих центров   разделены, за исключением процесса формирования программы работы спецаппаратуры КА (программа разрабатывается в спеццентре, технологически формируется в ЦУП и передается на КА радиотехническими средствами НКУ).

СИ принимается  с КА станциями ЦППИ непосредственно  или через спутники-ретрансляторы (СР) КСР, передается в спеццентр, где обрабатывается и хранится. После обработки соответствующие   фрагменты данных наблюдения передаются потребителям по различным линиям связи, включая космические радиолинии с использованием КСР.

По такой  схеме функционировал спецкомплекс КА оптико-электронного наблюдения «Неман». В качестве КСР использовался СР на геостационарной орбите (ГСО) «Гейзер».          

Доведение информации до периферийных потребителей осуществлялось системой типа «Мост» через тот же СР «Гейзер».

Управление  КА в этой структуре реализуется  путем выполнения операций командно-программного обеспечения (КПО), информационно- телеметрического обеспечения (ИТО) и навигационно-баллистического  обеспечения (НБО), включающих также  частотно-временное обеспечение.

 

          

Рисунок 1.1 – Структурно-функциональная схема  варианта

централизованного функционирования ИУК

 

Основные  функциональные задачи ЦУП:

- планирование  работы бортовых систем  КА  и средств НКУ;

- расчет, формирование командно-программной  информации  (КПИ)  и передача  ее на НС РСУ (в качестве  РСУ использовались командно-измерительные  системы (КИС) непосредственного  управления типа «Куб-Контур»  и ретрансляционного управления  «Контур-Сплав»; КИС «Контур-Сплав»  функционировала с СР «Гейзер», используя бортовой ретранслятор  «Сплав»);

- сбор, обработка,  отображение и документирование  всех видов информации управления;

- контроль  работы бортовых систем, анализ  результатов выполнения программы полета по принимаемой с борта телеметрической информации (ТМИ), формирование и принятие решений на  изменение программы полета по заявкам органов управления целевой аппаратурой  КА (спеццентра);

- контроль  работы технических средств НКУ  в процессе подготовки и проведения  сеансов управления;

- решение  навигационно-баллистических задач.

НС КИС  совместно с БА КИС выполняют  следующие функциональные задачи:

- передачу  на КА  КПИ и прием квитанций  о ее прохождении;

- прием  с КА  ТМИ (в том числе  информации  телесигнализации, информации  обобщенного контроля) о состоянии  бортовых систем и результатах  их функционирования;

- измерение  текущих навигационных параметров (ИТНП) КА, предварительную обработку  измерительной информации (отбраковку  аномальных измерений и сжатие  информации);

  - формирование  и хранение местной шкалы времени  (МШВ) НС КИС и привязку ее  по сигналам  системы единого  времени  или  космических  навигационных систем;

  - сверку, фазирование и коррекцию бортовой шкалы времени (БШВ);

  - автоматический  поиск и вхождение в связь  НС с БА КИС как по инициативе  БКУ, так и НКУ;

  - расчет  целеуказаний для систем сопровождения КА по угловым координатам, дальности и программы компенсации доплеровского смещения частоты;

  - автоматизированный  обмен НС КИС с ЦУП информацией,  необходимой для проведения сеансов  управления КА;

  - формирование, отображение и документирование  отчетной информации о работе  КИС, выдача ее в каналы связи;

  - автоматизированная  диагностика состояния аппаратуры  КИС;

  - обмен  НС КИС с КА различной информацией,  определяемой целевым назначением КА.

  Наряду с рассмотренным вариантом централизованного ИУК, схема которого представлена на рисунке 1.1, могут быть предложены   следующие  варианты ИУК:

1) ИУК   децентрализованного функционирования   (рисунок 1.2);

2) ИУК  совмещенного централизованного  и децентрализованного функционирования   (рисунок 1.3).

1. В структуру ИУК  децентрализованного функционирования введена наземная станция (НС) управления МКА,  приема  и обработки информации (УПОИ), расположенная в зоне ответственности конкретного потребителя информации наблюдения и решающая задачи:

- непосредственного  (или ретрансляционного) приема  с МКА СИ;

- обработки  СИ и доведения ее до потребителя  (ААП), оперативного взаимодействия  с потребителем;

- оперативного  управления МКА в непосредственном  или ретрансляционном режиме  при решении целевых задач  периферийного потребителя;

- взаимодействия  с ЦУП МКА.

НКУ МКА  по такой схеме функционирования ИУК выполняют роль систем управления обеспечивающими устройствами МКА и координируют работу всей группировки потребителей по их заявкам, санкционированным определенным координационным центром, а также обеспечивают ремонтно-восстановительные работы и работы в нештатных ситуациях.

 

Рисунок 1.2 – Структурно-функциональная  схема   варианта

децентрализованного функционирования ИУК

 

В данной схеме образуются несколько однопунктных НКУ, каждый из которых решает свои целевые задачи практически независимо друг от друга. МКА (одиночный или один из системы МКА) как бы «арендуется» на определенное время конкретным потребителем, обладающим собственными функциональными возможностями ИУК, после чего  переходит в «аренду» другому потребителю по заложенной на МКА программе или под управление ЦУП (координационного центра). Приоритетность управляющих МКА органов определяется оперативно координационным центром или в соответствии с некоторыми установленными дисциплинирующими принципами.   

Очевидные преимущества такой структуры ИУК  заключаются в повышении оперативности  доведения требуемой информации до ААП.

Недостатки  определяются следующими обстоятельствами:

- отсутствием  единого спеццентра с его безусловно большими интеллектуальными и техническими возможностями, а также возможностями накопления и учета данных георазведки в глобальном масштабе;

- необходимостью  дополнительного создания комплекса  уникальных мобильных НС УПОИ  в количестве, соответствующем количеству  потребителей;

- необходимостью  подготовки высококвалифицированных  специалистов по обработке КИ  в периферийных формированиях  потребителей этой информации;

-  размещением  НС УПОИ в районах повышенной  опасности при ведении военных  действий и других чрезвычайных  ситуациях, что выдвигает в  качестве одной из основных  проблемных задач обеспечение  боевой устойчивости таких средств.

2.Вариант  ИУК совмещенного централизованного и децентрализованного функционирования (рисунок 1.3) представляется наиболее соответствующим постановке задачи оперативного и надежного обеспечения периферийных потребителей информацией наблюдения.

В зоне ответственности  потребителей  так же, как и  в варианте децентрализованного  функционирования ИУК, размещается  мобильный пункт децентрализованного  управления МКА, приема и обработки  СИ (НС УПОИ). Прием СИ согласно этой схеме осуществляется в реальном масштабе времени, что повышает оперативность  ее доведения до потребителей по сравнению  с  системами централизованного  типа. Вариант ИУК смешанного типа, кроме того, обеспечивает  режимы обмена информацией банков данных (ИБД) периферийного пункта и спеццентра, что сохраняет преимущества централизованного функционирования ИУК по обеспечению качества обработки СИ.