ИССЛЕДОВАНИЕ ИННОВАЦИОННЫХ ПОДХОДОВ ПОСТРОЕНИЯ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ

Отправление в космическое пространство космических аппаратов требует высоких научно-технических и производственных мощностей. В связи с этим, выводимое в космос оборудования носит не массовый, а штучный характер. Огромная стоимость доставки к точке назначения требует минимизации стоимости выводимой в космос аппаратуры и высоких технических показателей. Полезная нагрузка космического аппарата или полезный груз космического аппарата – это тип, количество или масса полезного оборудования, ради которого создаётся и запускается данный космический аппарат. Термин полезная нагрузка относится к массе модуля полезной нагрузки или типу применяемого оборудования. Почти все без исключения  инновационные космические аппараты строятся на основе двух составных частей: модуля служебных систем и модуля полезной нагрузки. В модуль служебных систем, который так же именуют «служебная платформа», входят все служебные системы спутника: все двигатели и горючее для них, система энергоснабжения, система управления движением, ориентации и стабилизации, система терморегулирования, бортовой компьютер и прочие вспомогательные системы. Модуль полезной нагрузки как правило содержит отсек для установки оборудования выполняющего функции, для которых данный космический аппарат был создан. Обычно платформы оптимизируются под массу выводимой полезной нагрузки, что в свою очередь определяет массу всего космического аппарата и мощность системы энергоснабжения.

Для телекоммуникационных спутников, в модуль полезной нагрузки входят все транспондеры и часть ретрансляционных антенн, применяемых в данном спутнике. Антенны, которые служат для телеметрии, не являются частью полезной нагрузки и относятся к платформе. На космическом аппарате, используемым для научных исследований, полезный груз составляют все научные приборы этого исследовательского аппарата, фото- и видео камеры. Антенны в этом случае не считаются полезным грузом, так как они осуществляют сервисную функцию передачи собранных данных на Землю и поэтому являются частью платформы.

Изготовляя нынешние инновационные телекоммуникационные платформы, модуль полезной нагрузки производится отдельно от модуля служебной нагрузки, а общая интеграция выполняется в последний момент.

Значимым параметром считается отношение массы полезной нагрузки к общей массе космического аппарата. Чем лучше это соотношение, тем эффективнее могут быть выполнены поставленные задачи.  Грузоподъемность ракеты-носителя, как правило, определяет наибольшую массу космического аппарата на орбите. Можно сделать вывод, что чем меньше весит платформа, тем больше полезного груза может быть доставлено на заданную орбиту или отправлено в дальний космос.

На данный момент это отношение составляет приблизительно 18-19 % для инновационных тяжелых телекоммуникационных платформ. Основной технологической проблемой при этом считается энергетическая стоимость повышения орбиты с геопереходной до геостационарной. Космическому аппарату необходимо нести огромное количество горючего для повышения орбиты. При этом, еще 400—600 кг используется для удержания спутника на заданной орбите за все время активной эксплуатации.

В разных источниках довольно сильно изменятся ценовая политика доставки грузов на орбиту. Зачастую цифры предоставлены в различных валютах, относятся к разным годам (год влияет на инфляцию, мировую конъюнктуру стоимости пусков), относятся к запускам на разные орбиты, некоторые из цифр определяют себестоимость пуска по факту "сухой" цены ракеты-носителя, следующие источники дают ценовой интервал пуска для заказчика, при этом источник не предоставляет информацию какая из цифр приведена. Стоимость работы наземных служб, и более того - страхования, в большинстве случаях не учитывается, при этом их стоимость может довольно сильно отличаться в зависимости от статистики отказов ракеты. В следствии чего, сравнивать стоимость пуска ракеты-носителя необходимо крайне осторожно, так как в открытой информации можно пронаблюдать лишь приблизительные значения. Перечень стоимости относительно разных носителей приведена в таблице 1, которая представлена ниже:

Таблица 1

Стоимость доставки грузов на орбиту

Известно, что космическая аппаратура работает на автономных источниках питания и ключевым показателем считается максимальный период работы при необходимых значениях мощности. Основной задачей проектирования является повышение коэффициента полезного действия передатчика, за счёт использования нелинейного режима функционирования активных элементов. Внедрение нелинейного режима приводит к паразитной амплитудно-фазовой модуляции, что значительно расширяет полосу частот радиосистемы и как следствие считается мощным источником взаимных помех. Требуется эффективное подавление уровня боковых лепестков в спектральной области радиосигнала с целью увеличения электромагнитной совместимости и защиты от нежелательного излучения по второстепенным каналам.

Усовершенствование электромагнитной совместимости, при сохранении высоких энергетических характеристик, достигается путём применения спектрально-эффективных радиосигналов со специальной формой.

Для обеспечения электромагнитной совместимости в настоящих системах передачи данных используют нелинейные виды модуляции, такие как FQPSK и GMSK. Постоянный или квазипостоянный уровень флуктуации огибающей данных радиосигналов гарантирует высокую устойчивость к воздействию нелинейных искажений в оконечных каскадах передатчика, снижая мощность взаимных помех путём сильного подавления первого бокового лепестка и наличием высокой скорости спада огибающей спектра.

Отличительная черта формирователя заключается в формировании различных видов модуляции, в основе введения связи между квадратурной и синфазной составляющими радиосигнала. Вероятны реализации нескольких различных видов цифровой манипуляции, которые обеспечивают формирование требуемых сигналов для организации связи и управления. Увеличение энергетических показателей при помощи применения нелинейного режима работы полупроводниковых устройств. Сильная помехоустойчивость при использовании современных видов цифровой манипуляции. Отсутствие джиттер эффекта взятое при анализе глазковых диаграмм, позволяющее достигать лучшей синхронизации. Эффективное использование занимаемой полосы частот с полученной скоростью передачи дает возможность делать требуемые операции управления космическим аппаратом и вести обмен с огромными объёмами данных. Отсутствие большой серии производства делает изделие штучным или мелкосерийным, поэтому разумно использовать в качестве платформы для разработки программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС).

Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) – электронный компонент, который требуется для создания цифровых интегральных схем. Отличительной чертой ПЛИС от обычных цифровых микросхем,  заключается в том, что логика их работы не определяется при изготовлении, а задаётся с помощью программирования. Для программирования требуются программаторы и отладочные среды, с помощью которых есть возможность установить придуманную структуру цифрового устройства в виде принципиальной электрической схемы или программы на различных языках описания аппаратуры, таких как: Verilog, VHDL, AHDL и др.

Альтернативой ПЛИС считаются: программируемые логические контроллеры (ПЛК), базовые матричные кристаллы (БМК), требующие заводского производственного процесса для программирования; ASIC — специализированные заказные большие интегральные схемы (БИС), которые при мелкосерийном и единичном производстве значительно дороже; специализированные компьютеры, процессоры, микроконтроллеры, которые из-за программного метода реализации алгоритмов в работе медленнее ПЛИС. Некоторые производители предлагают программные процессоры для собственных ПЛИС, которые могут быть модифицированы под конкретную задачу, а потом при необходимости встроены. Тем самым обеспечивается уменьшение места на печатной плате и упрощение проектирования самой схемы, за счёт быстродействия.

В данный момент, рынок радиоэлектронной продукции насыщен большим выбором ПЛИС различных компаний-производителей, разных модификаций, с отличными друг от друга характеристиками. Выбор соответствующей платы производится согласно характеристикам в интересующем нас ценовом сегменте. Основными всемирными производителями ПЛИС на мировом рынке считаются компании: Xilinx, Altera, Atmel, Actel, Achronix, Lattice semiconductor. Ценовой диапазон колеблется от 245 до 250000 рублей.

В зависимости от востребованности проектируемых устройств, возможно осуществять выпуск единичных изделий на программируемых логических интегральных схемах, небольших серий на ASIC либо крупных партий изделий на СБИС. Это обусловлено гибкостью и универсальностью языка программирования.

Положительными сторонами проектирования формирователя радиосигналов на ПЛИС является: многофункциональность использования, возможность вводить изменения и усовершенствования, корректируя её программное обеспечение, относительная низкая стоимость и практичность в эксплуатации опытного образца изделия, возможность менять программное обеспечение во время работы аппаратуры в космическом пространстве, не возвращая его на землю. Нынешняя ПЛИС предоставляет возможность воплотить в себе всю полноту проектируемой модели универсального формирователя за счёт собственных вычислительных мощностей и возможности контакта с побочным, подключаемым к ней, навесным оборудованием, что позволяет интегрировать её с устройствами приёмо-передающего тракта.

Список литературы:

1. Потемкин В.Г. MatLab 5 для студентов студентовСправ. пособие. - М.: АО "Диалог-МИФИ", 1998. -314 с. ил.
2. Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра. – М.: Радио и связь, 2000. – 520 с.
3. Цифровая связь. Пер. с англ./ Под ред. Д.Д. Кловского – М.: Радио и связь. 2000. – 800 с.: ил.
4. Цифровая обработка сигналов / А.Б. Сергиенко – СПБ.: Питер, 2002 – 608 с.: ил.