Двадцать первый век по праву можно назвать веком высоких технологий. Вместе с технологическим прорывом, и дополняя его, идет бурное развитие в области информации. Информация — это своего рода товар будущего. Доставка этого «товара» в любую точку Земного шара, по возможности в реальном масштабе времени, заставляет информационный бизнес все более и более увеличивать скорость передачи данных. Так, оптико-волоконные наземные коммуникационные сети уже подходят к рубежу сотен гигабит в секунду.
Лазерная космическая связь — как одно из перспективных средств доставки информации — обладает рядом преимуществ перед связью в радиотехническом диапазоне. Прежде всего, это потенциально гораздо более высокая пропускная способность, обусловленная меньшей длиной волны. Кроме того, лазерные системы, благодаря возможности формировать очень узкие диаграммы направленности, требуют существенно меньших размеров антенн и меньшего энергопотребления. Однако узкий лазерный пучок — это «палка о двух концах»: ведь чем он уже, тем труднее наводить его на терминал абонента и удерживать на телескопах последнего.
Реальность космической лазерной связи была доказана в ходе реализации экспериментальных космических программ американских и японских специалистов [например, 1]. Последние же сомнения скептиков пропали после успешного проведения эксперимента SILEX Европейского космического агентства, в ходе которого в 2002 году с низкоорбитального спутника наблюдения SPOT-4 на геостационарный ретранслятор ARTEMIS по лазерному каналу были переданы фотоснимки земной поверхности [2]. Внешний вид ретранслятора ARTEMIS, взаимодействующего со SPOT-4, показан на Рис. 1 (источник: www.esa.com).
Рис. I Канал лазерной космической связи проекта SILEX.
Актуальность темы
.
В Федеральном научно-производственном центре ФГУП «НИИ прецизионного приборостроения» развернуты работы по созданию линий космической лазерной связи. В настоящее время проходят стендовые испытания бортового терминала для экспериментальной линии связи между МКС и наземным пунктом. Полным ходом идет создание терминала для низкоорбитального космического аппарата, который должен передавать большие объемы информации в оптическом диапазоне на геостационарный ретранслятор. Планируется в ближайшие годы приступить к разработке и других систем лазерной космической связи — в частности, для группировок низкоорбитальных спутников.
Создание линий космической лазерной связи — задача сложная и во многом (по крайней мере, в отечественном приборостроении) достаточно новая. Одним из важных этапов разработки сложных систем, как известно, является моделирование, позволяющее провести исследования, которые не могут быть выполнены традиционными методами. Действительно, при исследовании вопросов наведения узких лазерных пучков с необходимостью учета в работе многоконтурной системы наведения целого ряда возмущающих факторов — в частности, неточностей эфемерид и погрешностей ориентации, приводящих к существованию зоны неопределенности, а также многочисленных шумовых воздействий — точное аналитическое решение крайне затруднительно. Натурный эксперимент, к сожалению, также невозможен (хотя бы по экономическим соображениям). В то же время моделирование, как один из метод научного исследования, особенно на современных компьютерах, позволяет исследовать практически любые сложные процессы численными методами, причем иногда даже в масштабе времени, близком к реальному. Помимо очевидной экономической выгоды, этот подход, при наличии соответствующих компьютерных моделей, позволяет достаточно быстро проводить вариантные расчеты на стадии разработки систем космической лазерной связи и за счет анализа большого числа вариантов повышать качество проектов.
Можно добавить, что в одном из недавних технических заданий на научно-исследовательскую работу по космической лазерной связи Заказчик потребовал включения в отчет результатов математического моделирования.
Конечно, моделирование систем наведения в лазерной связи не ново. Например, в вышедшем почти 20 лет назад американском обзоре, посвященном тогдашнему состоянию в области проектирования лазерных линий космической связи, описана программа LASCOM, разработанная фирмой Aerospace и использовавшаяся для оценки возможностей принципов построения, а также проверки реализуемости заданных характеристик системы наведения для перспективных спутников связи [3]. Эта программа, как можно судить по ее описанию, моделирует процессы, происходящие в подсистемах системы наведения одного терминала лазерной связи, достаточно подробно — вплоть до учета допусков в моделях элементов конструкции!
У разработчиков ФГУП «НИИ прецизионного приборостроения» возникла потребность в аналогичном инструменте исследования применительно к разрабатываемым системам — может быть, для начала программе не столь детализированной (как это могла позволить себе фирма Aerospace), однако предлагающей некую дополнительную возможность: а именно, моделирование одновременной работы двух взаимодействующих терминалов.
Постановка задачи.
Основной целью работы являлось исследование работы систем наведения разрабатываемых терминалов лазерной космической связи, оптимизация характеристик разрабатываемого оборудования, в первую очередь, диаграммы направленности излучения маяков и информационных передатчиков, а также их мощности с помощью компьютерной модели. Модель создавалась прежде всего для анализа работы конкретных систем.
Наибольший интерес вызывало моделирование линии связи между низкоорбитальным и геостационарным космическими аппаратами (конкретнее, моделирование совместной работы двух взаимодействующих терминалов), так как в этом случае время распространения светового сигнала от одного терминала до другого достигает 170 миллисекунд, а такая задержка существенно влияет на процесс взаимного наведения.
Основные результаты и выводы.
1. Разработана компьютерная модель, позволяющая исследовать процесс взаимного наведения и слежения разрабатываемых терминалов лазерной космической связи, исполнительными механизмами грубого контура наведения которых служат скоростные приводы. Модель может быть также использована для проверки правильности выбора и оптимизации параметров отдельных подсистем.
2. Обоснована обнаруженная в ходе моделирования необходимость отказа от предполагавшейся первоначально ежесекундной смены уставок скорости в режиме сопровождения цели в замкнутом контуре.
3. Подтверждена на модели реализуемость предложенного соискателем метода удержания информационного луча на терминале абонента, заключающегося в использовании информации от абонента об изменении мощности принимаемого сигнала.
4. На модели показано, что терминал низкоорбитального космического аппарата, предназначенный для связи с абонентом на геостационарном ретрансляторе, может без изменения конструкции передавать информацию на наземный пункт — правда, с большей битовой ошибкой.
5. Полученное на модели время захвата цели при использовании квадрантных пеленгаторов подтвердилось при стендовых испытаниях.
6. Эти и некоторые другие результаты учтены разработчиками ФГУП «НИИ прецизионного приборостроения» при создании оборудования для линий лазерной космической связи.
Положения, выносимые на защиту.
1. Подтверждена на модели реализуемость предложенного соискателем метода удержания информационного луча на терминале абонента, заключающегося в использовании информации от абонента об изменении мощности принимаемого сигнала.
2. Для терминалов лазерной связи, информационные передатчики которых имеют очень узкие диаграммы направленности, ежесекундная смена скоростных уставок при переходе в режим слежения может приводить к недопустимо большим кратковременным ошибкам наведения.
3. На модели показано, что терминал низкоорбитального космического аппарата, предназначенный для связи с абонентом на геостационарном ретрансляторе, способен без изменения конструкции передавать информацию на наземный пункт — правда, с большей битовой ошибкой.
Публикации по теме диссертации.
1. Компьютерная модель системы наведения терминала лазерной связи низкоорбитального космического аппарата (линия связи: космический аппарат — наземный пункт) // Электромагнитные волны и электронные системы, 2006 г., Т.Н., № 2−3, с. 51−56 [в соавторстве с Ю.В. Кудрявцевым].
2. Проблема удержания информационного луча на терминале абонента при лазерной космической связи // Электромагнитные волны и электронные системы, 2006 г., т.11., № 9, с. 25−27.
3. Разделы «Скорости и ускорения ОПУ», «Упреждение», «Попадание прямого солнечного света в поле зрения телескопов» в пояснительной записке к эскизному проекту «Бортовой унифицированный терминал межспутниковой лазерной системы передачи информации», ИБПА 461 249.008 ПЗ, часть 1, ФГУП «НИИПП», Москва, 2001, с.29−36, 41−45.
Заключение
.
Моделирование систем наведения, начатое соискателем несколько лет назад как отклик на пожелания разработчиков — и на первых порах заключавшееся в разработке моделей отдельных подсистем, что, конечно, никак не отнесешь к категории сколько-нибудь значительного вклада в науку и технику, — привело к созданию достаточно подробной модели сложной системы. Иными словами, количество перешло в качество.
На моделях проверялась работа различных подсистем в разных условиях, и разработчикам был высказан ряд пожеланий по корректировке параметров этих подсистем. При обнаружении неких (зачастую, неожиданных для разработчиков, учитывая новизну разработок) закономерностей, ставился «чистый» эксперимент: в модели отключались шумовые воздействия, таким образом, часто удавалось понять причину выявленных закономерностей и предложить меры по изменению характеристик.
Хотя модель уникальна в том смысле, что моделируемые на ней конкретные системы, насколько известно соискателю, разрабатываются пока только в одной организации: ФГУП «НИИ прецизионного приборостроения», — соискатель надеется, что накопленный опыт моделирования в будущем окажется полезным и специалистам других организаций, если они приступят к разработке подобных систем.
Созданная модель, как инструмент исследования, может быть использована для моделирования целого ряда аспектов работы систем наведения, подобных тем, что уже заложены в ней. Развитие модели может идти по двум путям: во-первых, это добавление модулей иных подсистем, которые могут появиться в новых разработках, и во-вторых, это изменение имеющихся модулей с целью более точного описания процессов (самый очевидный пример — замена упрощенной модели прохождения излучения через атмосферу более подробной).
