Наземный автоматизированный комплекс управления космическими аппаратами научно-социального и экономического назначения и измерений

Наземный автоматизированный комплекс управления космическими аппаратами научно-социального и экономического назначения и измерений — совокупность необходимой инфраструктуры, технических систем, средств из состава командно-измерительных и измерительных пунктов, центров и пунктов управления орбитальными средствами, центров обработки измерительной информации, предназначенных для формирования наземных комплексов, обеспечивающих реализацию автоматизированных процессов контроля параметров полёта ракетно-космической техники научно-социального и экономического назначения, находящихся в ведении Госкорпорации «Роскосмос».

Общая история

 → Освоение космоса

Началом эпохи освоения космоса можно считать запуск первого искусственного спутника Земли — «Спутника-1», запущенного Союзом Советских Социалистических Республик 4 октября 1957 года.

Основными ключевыми событиями в истории космических систем являются:

• 3 ноября 1957 года — вывод на околоземную орбиту первого исследовательского исскуственного спутника земли с живым существом на борту;
• 2 января 1959 года — первая автоматическая межпланетная станция, первый искусственный объект на солнечной орбите;
• 12 сентября 1959 года — посадка автоматической межпланетной станции на Луне с исследовательскими целями;
• 4 октября 1959 года — беспилотный облёт Луны автоматической межпланетной станцией с фотографированием её обратной стороны;
• 12 апреля 1961 года — первый полёт человека в космос (Юрий Гагарин);
• 16 июня 1963 года — первый в мире полёт в космос женщины-космонавта (Валентина Терешкова) на космическом корабле «Восток-6»;
• 17 ноября 1970 года — посадка на Луну первого планетохода «Луноход-1»;
• 19 апреля 1971 года — вывод на орбиту первой орбитальной станции «Салют-1»;
• 15 июля 1975 года — стыковка советского и американского кораблей в космосе по программе «Союз-Аполлон»;
• 20 февраля 1986 года — вывод на орбиту первой многомодульной орбитальной станции «Мир».

Управление орбитальными группировками космических аппаратов различного назначения обеспечивала наземная космическая инфраструктура.

После 1991 года (распада СССР) российская космонавтика продолжила развиваться в рамках отдельных российских космических программ.

Современные космические системы являются высшим уровнем функционального объединения космических средств, предназначенных для решения задач в космосе и из космоса, и включает в себя все орбитальные и наземные составляющие, необходимые для получения требуемого целевого результата потребителями.

Госкорпорация «Роскосмос» отвечает за орбитальные группировки космических аппаратов научно-социального и экономического назначения, управление которыми обеспечивает наземный автоматизированный комплекс управления космическими аппаратами научно-социального и экономического назначения (НАКУ КА НСЭН) и измерений.

Назначение НАКУ КА НСЭН и измерений

Наземный автоматизированный комплекс управления космическими аппаратами научно-социального и экономического назначения и измерений обеспечивает решение задач управления отечественными автоматическими космическими аппаратами научно-социального и экономического назначения и пилотируемыми космическими комплексами, создаваемыми в рамках Федеральных космических (государственных) программ Российской Федерации и по программам международного сотрудничества, проведение измерений текущих навигационных параметров изделий ракетно-космической техники, обмен с космическими аппаратами и разгонным блоком командно-программной информацией, приём телеметрической и цифровой информации с изделий ракетно-космической техники.

Принципы построения НАКУ КА НСЭН и измерений

Принципы построения наземного автоматизированного комплекса управления космическими аппаратами научно-социального и экономического назначения и измерений:

• внедрение перспективных ресурсосберегающих технологий управления космическими аппаратами;
• оптимизация структуры наземного автоматизированного комплекса управления космическими аппаратами научно-социального и экономического назначения и измерений;
• унификация программно-аппаратных средств с целью обеспечении требуемой эффективности выполняемых задач при минимальных бюджетных ассигнованиях.

Состав НАКУ КА НСЭН и измерений

Существующий состав наземного автоматизированного комплекса управления космическими аппаратами научно-социального и экономического назначения и измерений:

• центр координации эксплуатации и развития;
• центр ситуационного анализа, координации и планирования;
• система обеспечения безопасности информации;
• интегрированная система информационного обеспечения;
• центр анализа информации;
• командно-измерительный пункт — Западный;
• командно-измерительный пункт — Восточный;
• командно-измерительный пункт — Центральный;
• командно-измерительный пункт — Балтийский;
• мультисервисная система связи и передачи данных;
• автоматизированная система оперативно-технических пунктов управления.
• центры управления полётами (ЦУП) космических аппаратов:
• базовый ЦУП Госкорпорации «Роскосмос»;
• ЦУП-Л;
• ЦУП КА «Луна-Глоб»;
• ЦУП КА «Кондор-ФКА»;
• ЦУП КА «Луч»;
• ЦУП КА «Спектр-РГ»;
• ЦУП КА «Конопус-В»;
• ЦУП КА «Электро-Л»;
• ЦУП КА «Арктика-М»;
• ЦУП КА «Ресурс-П»;
• и другие.

Также привлекаются для решения задач технические средства:

• комплекса средств измерений, сбора и обработки информации космодрома «Восточный»;
• измерительного комплекса космодрома «Байконур».

Командно-измерительные пункты оснащены командно-измерительными системами:

• КИС «Клён»;
• КИС «Компарус»;
• КИС «Спектр-Х»;
• комплексами приёма телеметрической информации;
• корреляционно-фазовыми пеленгаторами.

Решаемые задачи НАКУ КА НСЭН и измерений

Решаемые задачи наземным автоматизированным комплексом управления космическими аппаратами научно-социального и экономического назначения и измерений:

• управление автоматическими космическими аппаратами научно-социального и экономического назначения, создаваемыми в рамках Федеральных космических (государственных) программ Российской Федерации и программам международного сотрудничества;
• управление и информационное обеспечение пилотируемых и грузовых космических аппаратов по программам российского сегмента Международной космической станции и перспективного транспортного корабля нового поколения;
• информационно-телеметрическое и навигационно-баллистическое обеспечение пусков ракет космического назначения (включая разгонные блоки);
• обеспечение научных исследований, проводимых с применением наземного комплекса управления дальнего космоса и других средств, входящих в состав наземного автоматизированного комплекса управления космическими аппаратами научно-социального и экономического назначения и измерений;
• обеспечение взаимодействия технических средств и объектов наземного автоматизированного комплекса управления космическими аппаратами научно-социального и экономического назначения и измерений со средствами и организациями других ведомств и международных организаций, со стендами (секторами) Главных конструкторов изделий ракетно-космической техники, необходимого для выполнения целевых задач;
• контроль пусков изделий ракетно-космической техники.

Наземный автоматизированный комплекс управления космическими аппаратами научно-социального и экономического назначения и измерений выполняет мероприятия информационного обеспечения запусков космических аппаратов с космодромов «Байконур» и «Восточный».

Для управления некоторыми космическими аппаратами связи научно-социального и экономического назначения используются целевые наземные комплексы управления, находящиеся в ведении организаций, занимающихся их эксплуатацией:

• ФГУП «Космическая связь»;
• АО «Газпром космические системы».

Для управления малогабаритными космическими аппаратами связи типа «Гонец» используются центр управления полётами космическими аппаратами и средства наземного специального комплекса, принадлежащие оператору данной системы спутниковой связи — АО «Спутниковая система «Гонец».

Информационное обеспечение запусков КА

Для обеспечения запуска космического аппарат выполняется комплекс мероприятий информационного обеспечения запусков космических аппаратов.

Схема полета ракеты космического назначения и проведения измерений во время полета

Информационное обеспечение запусков космических аппаратов ракетами космического назначения заключается в приёме, регистрации, сборе и обработке телеметрических данных о функционировании бортовых систем ракет космического назначения при выполнении циклограммы полёта, получении параметров траектории ракет космического назначения при выведении и в момент отделения полезной нагрузки. Осуществляется в форме выдачи группе анализа телеметрической информации результатов обработки телеметрической информации от ракет космического назначения в режиме, близком к реальному масштабу времени, а также экспресс, оперативной и полной обработки, полученной телеметрической информации для формирования предварительного и окончательного заключения о результатах запуска.

Под экспресс обработкой, понимается ведение репортажа о работе основных бортовых систем ракет космического назначения в ходе полёта.

Под оперативной обработкой, понимается обработка телеметрической информации от ракет космического назначения после вывода космического аппарата на орбиту, заключается в сборе информации от всех средств, принимавших участие в информационном обеспечении запуска ракет космического назначения, формировании единого потока телеметрической информации и его расшифровка.

Под полной обработкой, понимается формирование полного отчёта о работе бортовых систем после проведения запуска космического аппарата и передаче его конструктору ракеты космического назначения.

Для выполнения задач информационного обеспечения запусков ракет космического назначения из состава средств наземного автоматизированного комплекса управления космическими аппаратами научно-социального и экономического назначения и измерений формируются территориально-распределённые комплексы средств измерений, сбора и обработки информации от ракеты-носителя и наземные измерительные комплексы разгонного блока (если он входит в состав ракеты космического назначения). Топология комплекса средств измерений, сбора и обработки информации от ракета-носителя и наземного измерительного комплекса разгонного блока определяется параметрами траектории полёта ракеты космического назначения, составом бортовых средств измерений телеметрических и навигационных параметров и формируется на каждый запуск индивидуально.

Этапы жизненного цикла КА

Управление космическим аппаратом — процесс формирования, выдачи на борт и реализации управляющих воздействий, обеспечивающих:

• движение космического аппарата по заданной траектории.
• выполнение целевой задачи в соответствии с программой полёта.
• исправное функционирование бортовой целевой и обеспечивающей аппаратуры.
• выдачу потребителю и наземному комплексу управления предусмотренных программой полёта данных.

Управляющий элемент должен:

знать:

• где находится управляемый объект;
• какое его внутреннее состояние.

уметь:

• прогнозировать поведение этого объекта (как элемента системы);
• формировать воздействия по управлению движением и работоспособности;
• своевременно доводить управляющие воздействия до объекта управления;
• обеспечивать реализацию этих управляющих воздействий на борту космического аппарата.

Для объектов, летящих в космическом пространстве, накладывается дополнительное условия, ими можно управлять, когда они наблюдаемы, то есть с ними есть связь. Данная особенность оказывает существенное влияние на технические подходы к построению автоматизированных систем управления. Исходя из этих условий формируется система размещения (привлечение существующих) наземных измерительных средств.

Управление космическими аппаратами, находящимися на различных орбитах, значительно отличается.

Классификация типа орбит

Основное деление орбит производят по:

• величине эксцентриситета — „e“ (круговые, малоэллиптичные и высокоэллиптичные орбиты);
• величине наклонения орбиты — „i“;
• значению большой полуоси эллипса — „a“ (высоты орбиты).

Разделение по величине эксцентриситета

Разделение по величине эксцентриситета:

• если эксцентриситет близок к „нулю“, то орбита считается круговой;
• если немного отличается от „нуля“ — малоэллиптичной;
• если сильно — сильноэллиптичной (высокоэллиптической).

Изменение вида орбиты при разных значениях эксцентриситета «e» и возможности их наблюдения с Земли, в зависимости от местоположения наблюдателя

Разделение орбит по наклонению

Чаще всего наклонение орбит космического аппарата лежит в диапазоне 0°< „i“ <90°. В зависимости от значения наклонения и высоты космического аппарата над поверхностью Земли, положение областей его видимости имеют различные границы широты, а в зависимости от высоты над поверхностью — и различный радиус этих областей. Чем больше наклонение, тем на более северных широтах может быть виден космический аппарат, а чем он выше — тем шире область видимости. Таким образом, наклонение „i“ и большая полуось „a“ определяют диапазон перемещения по поверхности Земли полосы видимости космического аппарата и её ширину. В общем случае параметры орбиты будут эволюционировать в зависимости от наклонения „i“, большой полуоси „a“ и эксцентриситета „e“.

Вид орбит космического аппарат с разным углом наклонения плоскости орбиты к плоскости экватора Земли

Общий случай орбиты космического аппарата с наклонением меньшим 90 градусов (90°<«i»)

Геостационарная орбита

 → Геостационарная орбита

Важный частный случай экваториальных орбит — „Геостационарная орбита“. Принятые обозначения:

• „ГСО“ (рус.) — ГеоСтационарная Орбита;
• „GSO“ (англ., от „GeoStationary Orbit“).

На геостационарной орбите, космические аппараты считаются такими, которые летают по круговой орбите радиусом 42 164 км (Н=35 793 км), с нулевым наклонением. Период обращения их вокруг Земли, равен звёздным (сидерическим) суткам- 23ч 56м 4,09с.

Полярные орбиты

Полярная орбита — орбита космического аппарата с наклонением i=90°. В этом случае прецессия орбиты может происходить, как по часовой, так и против часовой стрелки, в зависимости от направления вращения космического аппарата, и не превышает 5° в сутки. Космический аппарат на такой орбите последовательно проходит над всеми участками поверхности Земли и „видим“ с любой широты, однако параметры его „наблюдаемости“ наземной станцией существенно ниже, по сравнению с космическими аппаратами на наклонных орбитах (например, с i=50°). Ширина полосы видимости космического аппарата определяется его высотой над поверхностью Земли, но космический аппарат, рано или поздно, его можно будет увидеть из любой точки Земли. Орбиты с наклонением близким к 90°, называют „приполярными“.

Особенности наблюдения:

• это почти единственный тип орбит, позволяющих наблюдать Арктический район;
• для обеспечения наблюдаемости таких космических аппаратов требуется разнос пунктов наблюдения по широте. Разнос по долготе, в отличие от космических аппаратов, летающих по наклонным орбитам, играет меньшую роль.

Геосинхронные орбиты

 → Геосинхронные орбиты

Геосинхронные орбиты, к этому типу орбит относят орбиты космических аппаратов, движение которых по орбите синхронизировано с движением Земли по какому-то признаку. Один из типов — „солнечно-синхронные орбиты“ — орбиты, при которых движение космических аппаратов синхронизировано с освещённостью поверхности Земли Солнцем. Вторым типом являются Геостационарная орбита, то есть орбита, на которой движение космических аппаратов синхронизировано с движением Земли. К этому же типу относятся и космические аппараты на высокоэллиптических (ВЭО) с периодом обращения 12 часов. Также сюда могут быть отнесены орбиты космических аппаратов космических систем, позволяющих создавать устойчивое навигационное поле в локальных областях поверхности Земли („Galileo“ (ЕКА), „BeiDou“ (Китай), QZSS (Япония), „Тундра“ (РФ).

Солнечно-синхронные орбиты

Солнечно-синхронные орбиты — особый вид орбиты, часто используемый для съёмки поверхности Земли. Представляет собой орбиту с такими параметрами, что космический аппарат проходит над одной и той же точкой земной поверхности приблизительно в одно и то же местное солнечное время. Движение такого космический аппарата синхронизировано с движением „линии терминатора“ по поверхности Земли, и движением Земли вокруг Солнца. За счёт этого обеспечивается, что космический аппарат может лететь всегда над границей освещённой и неосвещённой солнцем территории, или всегда появляться в освещённой области в одно и тоже время, или наоборот — всегда в ночное, то есть условия освещённости при пролёте над одной и той же точкой Земли будут всегда одинаковы. Для достижения этого эффекта орбита должна прецессировать в сторону, обратную вращения Земли (то есть на восток) на 360° в год, чтобы компенсировать вращение Земли вокруг Солнца.

Разделение орбит КА по величине большой полуоси (апогея)

Классификация орбит космических аппаратов по величине большой полуоси, точнее, по максимальной высоте над поверхностью Земли.

Низкоорбитальные КА

Низкоорбитальными космические аппараты, обычно считаются космические аппараты с высотами от 160 км до 2000 км над поверхностью Земли. Такие орбиты в англоязычной литературе называют LEO (от англ. „Low Earth Orbit“). Орбиты LEO подвержены максимальным возмущениям со стороны гравитационного поля Земли и её верхней атмосферы. Угловая скорость космических аппаратов LEO максимальна — от 0,2°/с до 2,8°/с, периоды обращения от 87,6 минут до 127 минут.

Среднеорбитальные КА

Среднеорбитальными космическими аппаратами („MEO“ — от англ. „Medium Earth Orbit“) обычно считаются космические аппараты с высотами от 2000 км до 35 786 км над поверхностью Земли. Нижний предел определяется границей низкоорбитальных космических аппаратов (LEO), а верхний — орбитой геостационарных космических аппаратов.

Высокоорбитальные КА

Высокоорбитальными космическими аппаратами (ВО (рус.), или „HEO“ — от англ. „High Earth Orbit“) считаются космические аппараты, достигающие высот более 35 786 км над поверхностью Земли, то есть их апогей находится выше геостационарных орбит. Орбиты могут иметь значительный эксцентриситет (например, космические аппараты серии „Арктика“, „Молния“) — их часто называют „высокоэллиптическими“ (ВЭО), или почти круговыми (пример - орбиты космических аппаратов „Vela“, „Коронас-Фотон“).

В настоящее время большой интерес проявляется к ВЭО типа „Тундра“. Высота перигея составляет около 20 тыс. км, апогея — ~50 тыс. км. Такая орбита позволяет обеспечить длительное нахождения космического аппарата над определённой зоной Земной поверхности и снизить длительность участков прохождения радиационных поясов Земли. Такие орбиты предполагают использовать для построения локальных навигационных систем (Япония, Российская Федерация).

Орбиты захоронения

Орбиты захоронения — отдельный класс орбит космических аппаратов, специально предназначенный для увода на них космических аппаратов, вышедших из строя для исключения возможности их падения на Землю или столкновения с работающими космическими аппаратами и для освобождения места новым космическим аппаратам. В 1970-х годах использовались космические аппараты с ядерной энергетической установкой. После завершения срока работы на орбите их уводили на орбиту „захоронения“, тоесть такую орбиту, с которой они не смогут вернуться на Землю, сгореть в атмосфере распылив радиоактивные вещества. Их переводили на орбиту с высотой, порядка, 1000 км.

Формируемые наземные комплексы управления

Из состава средств наземного автоматизированного комплекса управления космических аппаратов научно-социального и экономического назначения и измерений формируются:

• наземные комплексы управления (НКУ) пилотируемых космических комплексов;
• наземные комплексы управления автоматическими космическими аппаратами научно-социального и экономического назначения;
• наземные комплексы управления космическими аппаратами дальнего космоса.

НКУ пилотируемых космических комплексов

Наземные комплексы управления пилотируемых космических комплексов формируются при обеспечении полётов к российскому сегменту международной космической станции, транспортных кораблей „Союз-МС“ и „Прогресс-МС“. Наземные комплексы управления пилотируемых космических комплексов включает в себя технические средства, размещённые на объектах наземного автоматизированного комплекса управления космических аппаратов научно-социального и экономического назначения и измерений Госкорпорации „Роскосмос“, а также привлекаются другие технические средства наземного автоматизированного комплекса управления других ведомств.

НКУ автоматическими КА НСЭН

Полёты большинства автоматических космических аппаратов научно-социального и экономического назначения обеспечиваются техническими средствами наземного автоматизированного комплекса управления космических аппаратов научно-социального и экономического назначения и измерений.

НКУ космических аппаратов дальнего космоса

Для обеспечения управления космическими аппаратами, направляемыми для исследования дальнего комплекса из состава средств наземного автоматизированного комплекса управления космических аппаратов научно-социального и экономического назначения и измерений, формируются наземные комплексы управления космическими аппаратами дальнего космоса. В состав средств наземного комплекса управления космическими аппаратами дальнего космоса в основном входят наземные радиотехнические комплексы с большими диаметрами антенн.

Ссылки

• Основы государственной политики в области использования результатов космической деятельности в интересах модернизации экономики Российской Федерации и развития её регионов на период до 2030 года» (утв. Президентом РФ 14.01.2014 N Пр-51)
• roscosmos.ru — официальный сайт Роскосмоса
• tvroscosmos.ru — Телестудия Роскосмоса
• r-kosmos.ru — Журнал «Российский космос»

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Наземный автоматизированный комплекс управления космическими аппаратами научно-социального и экономического назначения и измерений», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Наземный_автоматизированный_комплекс_управления_космическими_аппаратами_научно-социального_и_экономического_назначения_и_измерений» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».