Малые космические аппараты и их классификация

В настоящее время в России и за рубежом все более активно развивается процесс перехода от тяжелой и дорогой многофункциональной космической техники к малогабаритной, и к малым космическим аппаратам (МКА). Это становится возможным благодаря достижениям в области микроминиатюризации элементной базы, использованию новых конструктивных решений при создании бортовой аппаратуры, интеграции бортовых комплексов на основе современных средств вычислительной техники.

Одним из перспективных и наиболее полно проработанных вариантов применения МКА является спутниковая связь. В последнее десятилетие одной из ведущих тенденций развития космических систем связи была разработка и начало развертывания низкоорбитальных многоспутниковых систем связи (МСС). В таких системах охват земной поверхности обеспечивается за счет создания орбитальной группировки, включающей до нескольких десятков низкоорбитальных спутников-ретрансляторов (СР) на орбитах высотой 750-1500 км. Протяженность космических радиолиний при этом не превышает нескольких тысяч километров, что позволяет использовать малогабаритную наземную и бортовую терминальную аппаратуру.

Практический интерес представляет разработка низкоорбитального СР массой до 250 кг, что при существующей классификации соответствует категории мини-КА (масса 100-500 кг) или микро-КА (масса 10-100 кг). Среди таких проектов можно выделить СР:

- «Гонец» (Россия, масса 230 кг);

- «Aries» (США, масса 182 кг);

- «Ellipso» (США, масса 175 кг);

- «Starsys» (США, масса 80 кг);

- «Orbcomm» (США, масса 40кг).

Следует отметить, что российская система пакетной спутниковой связи «Гонец-Д1» В СОСТАВЕ 6 СР «Гонец» разработки НИИ ТП уже в течение ряда лет находится в штатной эксплуатации, что является примером успешного коммерческого применения отечественных малогабаритных СР.

При создании МКА в решении поставленной задачи выделяются две фазы:

1) разработка базовой малогабаритной унифицированной космической платформы (УКП);

2) оснащение малогабаритной УКП полезной нагрузкой (ПН) соответствующего целевого назначения.

В качестве примера малогабаритных УКП можно привести платформы «Эльф» и «Колибри» разработки КБ «Арсенал»: УКП «Эльф» имеет массу 80 кг и рассчитана на ПН массой 30 кг, УКП «Колибри» соответственно 200 и 100 кг. Поскольку низкоорбитальные и малогабаритные СР будут применяться в составе многоспутниковой орбитальной группировки МСС и, следовательно, выпускаться серией, для них может быть разработана специальная космическая платформа с оптимизированными массогабаритными характеристиками.

В качестве специальной аппаратуры малогабаритного СР выступает бортовая ретрансляционная аппаратура (БРА), представляющая собой радиотехнической приемопередающее устройство, осуществляющее прием ретранслируемых сигналов, их преобразование и передачу в направлении абонентов (потребителей). Источником и получателем сигналов, ретранслируемых низкоорбитальным СР, может быть как наземная станция- абонент, так и другой СР (при реализации сетевой технологии информационного обмена). В общем случае в состав БРА могут входить несколько бортовых ретрансляторов (стволов ретрансляции), подключенных к одной или нескольким антеннам.

С учетом характера преобразований ретранслируемых сигналов возможны следующие варианты построения схемы одного ствола БРА:

- бортовой ретранслятор гетеродинного типа;

- бортовой ретранслятор с однократным преобразованием частоты;

- бортовой ретранслятор с демодуляцией (обработкой) сигнала.

Бортовой ретранслятор гетеродинного типа наиболее часто встречается в системах спутниковой связи и вещания на основе высокоорбитальных СР. Такой ретранслятор обычно имеет два преобразования частоты – понижающее и повышающее. Основное усиление сигнала происходит на промежуточной частоте.

Бортовой ретранслятор с однократным преобразованием частоты также называется ретранслятором линейного прямого усиления. В нем усиление сигнала происходит на высокой частоте, а при преобразовании частоты спектр ретранслируемого сигнала переносится из области частот приема в область частот передачи.

Бортовой ретранслятор с демодуляцией (обработкой) сигнала на борту представляет собой наиболее сложной тип БРА. В нем при ретрансляции происходит декодирование и обработка ретранслируемых сигналов. Обработка ретранслируемых сигналов содержит анализ достоверности, изменение структуры сигналов, коммутацию каналов и пакетов.

В качестве основного варианта построения БРА низкоорбитальных СР следует рассматривать третий вариант – ретрансляцию с обработкой сигнала

Рис.3. Структурная схема бортовой аппаратуры МКА связи

Бортовая аппаратура размещается на малогабаритной космической платформе с гравитационной системой ориентации и состоит из обеспечивающей и специальной аппаратуры.

К бортовой обеспечивающей аппаратуре относятся:

- бортовая система электропитания;

- бортовая вычислительная система;

- бортовая аппаратура командно-измерительной системы (КИС);

- микроконтроллер телеметрической системы;

- навигационная аппаратура потребителя.

К бортовой специальной аппаратуре относятся:

- бортовая ретрансляционная аппаратура (БРА);

- микроконтроллер ретрансляционной аппаратуры;

- запоминающее устройство электронной почты.

Основным элементом бортовой специальной аппаратуры является БРА.В состав БРА входят один или несколько идентичных приемо-передающих стволов ретрансляции с обработкой сигналов и устройство управления ретранслируемыми информационными потоками. Несколько стволов ретрансляции необходимо для одновременной связи с наземной станцией-абонентом и другими СР при работе с межспутниковой ретрансляцией. При работе в режимах с непосредственной ретрансляцией и в режиме электронной почты может быть достаточно одного ствола ретрансляции. Микроконтроллер ретрансляционной системы служит для управления работой БРА в реализуемых ею режимах ретрансляции. В запоминающее устройство электронной почты записываются сообщения, передаваемые в режиме ретрансляции с переносом.

При конструировании бортовой аппаратуры используются современные достижения в области космического приборостроения и микроэлектронных технологий. Все конструктивные решения направлены на уменьшение массы МКА связи с одновременным обеспечением заданных эксплуатационно-технических характеристик, высокой технологичности изготовления и развертывания в рабочее состояние на орбите.

Эти и другие технические решения нашли свое воплощение в эскизных проектах и экспериментальных разработках.

Оценки показывают, что малогабаритный СР, реализующий режим непосредственной ретрансляции и электронной почты при использовании современных конструкторских решений может иметь массу не более 100-120 кг. При этом могут быть обеспечены следующие характеристики БРА: скорость передачи информации при непосредственной ретрансляции до 64 Кбит/с, объем запоминающего устройства электронной почты 200 Мбайт, выходная мощность бортового передатчика 5 Вт, рабочий диапазон частот 300/400 МГц.

Перспективные МСС на основе малогабаритных низкоорбитальных СР - это важное дополнение к существующим системам космической связи на основе высокоорбитальных СР. Применение низкоорбитальных СР позволяет приблизить абонентов (потребителей) к каналам спутниковой связи, обеспечить каналами спутниковой связи районы с недостаточно развитой инфраструктурой наземных средств космической связи, реализовать ведомственную и персональную космическую связь.

Предлагаемые технические решения по разработке малогабаритных СР характеризуются также экономической эффективностью: по имеющимся оценкам, стоимость 1 кг МКА в 5 раз меньше стоимости 1 кг тяжелого КА при соотношении масс малогабаритного низкоорбитального СР 1:10 и менее. Сегодня уже известны проекты малогабаритных геостационарных СР, например, СР «Руслан-ММ» (масса 520 кг) разработки НПО Машиностроения. Существует возможность создания систем космической связи на основе малогабаритных СР[1].

1.4Обобщённая характеристика состояния и тенденций развития систем спутниковой связи

По состоянию на начало марта 2011 года на геостационарной орбите (ГСО) в различных службах функционирует 319 спутников-ретрансляторов гражданского назначения. Услуги телекоммуникаций предоставляют 67 международных и национальных операторов, которым принадлежат 89 спутниковых систем связи (ССС). ССС зарегистрированы в 35 странах, перечень которых приведен в табл. 3 [3].

Таблица 3. Страны, имеющие ССС

Страна	ССС	Количество КА
На ГСО	В плане
Австралия и Океания
Австралия	Optus
Тонга	Esiafi
Азия
Вьетнам	Vinasat
Израиль	Amos
Индия	Edusat, GSat, Insat
Индонезия	Garuda, Indostar, Palapa, Telkom
Китай	ABS, Apstar, Asiasat, Chinasat
Малайзия	Africasat, Measat
ОАЭ	Thuraya
Пакистан	Paksat
Саудовская Аравия	Arabsat, Badr
Сингапур, Тайвань	ST
Таиланд	IPStar, Thaicom
Турция	Turksat
Южная Корея	COMS, Koreasat
Япония	Bsat, Comets, DRTS, ETS, Horizons, JCSat, Kizuna, MBSat, N Sat, N Star, Superbird, Yuri
Америка
Бразилия	Brasilsat, Star One
Венесуэла	Simon Bolivar
Канада	Anik, Ciel, MSAT, Nimiq, Sky Terra, Telstar
Мексика	Satmex. Solidaridad
США	ACTS, Worldstar, AMC, AMSC, DTV, Echostar, GE, ICO G, SES, Sirius FM, Spaceway, TDRS, TerreStar, Wildblue, XM, XTAR
Африка
Египет	Nilesat
Маврикий	Rascom
Европа
Великобритания	Hylas, Inmarsat
Греция, Кипр	HellasSat
Люксембург	Astra, Galaxy, Intelsat, Sirius
Испания	Amazonas, Hispasat, XTAR
Нидерланды	NSS
Норвегия	Thor
Россия	Bonum, Express, Gorizont, Yamal
Франция	Atlantic Bird, Eurobird, Eutelsat, Hotbird, Telecom

В список стран, приведенный в таблице 1, следует включить Казахстан, Нигерию, Аргентину, потерявшие к настоящему времени свои спутники, но восстанавливающих функционирование ССС. В этом году Казахстан в рамках национальной ССС Kazsat выведет на ГСО два КА, Нигерия (ССС Nigcomsat) – три КА. Аргентина строит новую ССС Arsat в составе трех КА.

ВОПРОСЫ БЕЗОПАСНОСТИ

Проблемы информационной безопасности в сетях спутниковой связи в целом схожи с проблемами в других технологиях. Специфической особенностью спутниковой связи является использование широковещания через радиоэфир. Отсюда типичный список проблем:

1. Перехват сообщений (прослушивание трафика):

- прямой перехват радиосигнала;

- перехват сообщений в каналах управления и синхронизации;

- декодирование сообщений.

2. Воздействие на каналы связи:

- передача ложных пакетов, DOS атаки;

- многократное повторение записанных ранее сообщений;

- воздействие сигналами управления и синхронизации.

3. Ложные сигналы управления.

4. Помехи всех видов.

Наиболее распространённые и технологически легко реализуемые нарушения относятся к первой категории. Общий принцип для коммерческого спутникового Интернета в данном случае следующий. Происходит подключение к Интернету через proxy-сервер и через него отсылается запрос. Сервер провайдера обрабатывает запрос и передаёт со спутника запрошенные пакеты для всех подключенных в данный момент абонентов. Однако клиентский компьютер вылавливает из общего потока только те, что предназначены именно для него. Поэтому существует возможность загружать файлы и при этом не платить за них – есть даже целые группы пользователей, которые скачивают из Интернета фильмы и музыку путём некоторых манипуляций с программным обеспечением карты.

Единственно возможное противодействие – шифрование данных, часто реализуется программно и оставляет возможность декодировать сигнал.

Многие провайдеры спутникового Интернета предоставляют возможность использовать VPN, а также специальные программно-аппаратные средства шифрования трафика.

От DOS атак в общем случае невозможно защититься.

Дата добавления: 2015-09-06