В настоящее время вопрос доступа к космическим ресурсам является наиболее актуальным. Спрос на космические услуги устойчиво растет. На рынке космических услуг все больше серьезных игроков, представляющих частный сектор. Масштабы, сложность и глобальность задач по освоению ближнего и дальнего космоса тоже являются достаточно амбициозными. Предприятия промышленности, используя новейшие технологии, могут в ближайшей перспективе обеспечить лавинообразный рост космических средств, для размещения их в космическом пространстве. Если раньше счет активных космических объектов шел на десятки, то сейчас может идти на сотни и тысячи. Данное обстоятельство может привести к тому, что пропускная способность наземного автоматизированного комплекса управления не сможет обеспечить потребность в управления КА уже в ближайшей перспективе.
В этой связи понятен интерес к поиску новых путей по управлению космическими аппаратами (КА), оптимизации космической инфраструктуры, модернизации средств управления.
1. Обзор путей модернизации наземного комплекса управления
Сегодня предлагаются следующие пути по модернизации космических средств:
увеличение пропускной способности каналов связи;
повышение оперативности управления КА;
расширение использования возможностей космических спутников-ретрансляторов (СР), создание межспутниковых линий;
автоматизация средств доступа к космическим объектам на пунктах управления (ПУ) и измерительных пунктах (ИП);
совершенствование командно-измерительных систем (КИС);
расширение использования мобильных средств управления;
использование сигналов ГЛОНАСС на борту КА, ракет-носителей (РН), средствах наземного контура управления (НКУ);
увеличение производительности вычислительных комплексов центров управления КА;
внедрение элементов искусственного интеллекта (ИИ), экспертных систем, БД;
использование в радиолиниях диапазона 60 ГГц и оптического;
разнесенные станции (до 20 км между ними) объединять на сигнальном уровне, для одновременной работы по одному КА;
использование АФАР в новых поколениях КИС.
Наряду с исторически сложившейся в нашей стране многопунктной территориальной схемой управления КА, предлагаются к реализации следующие перспективные схемы управления:
однопунктная, с управлением через СР;
однопунктная, с непосредственным управлением;
сетевая, с динамически изменяемой топологией.
По предварительным расчетам, затраты на жизненный цикл средств автоматизированного управления КА для сетевой схемы управления снижаются более чем в 3 раза.
Развивая идею сетевой схемы управления, можно предложить еще один вариант по осуществлению управления ОГ: создание орбитальной транспортной системы (ОТС). Данная система должна быть размещена в околоземном космическом пространстве таким образом, чтобы через нее была возможность реализовать схему непрерывного управления всеми орбитальными средствами (ОС) (Рис. 1).
Такая схема позволит:
упростить наземные инфраструктурные решения при проектировании и реализации процесса управления многоспутниковыми КА;
обеспечить оперативность управления, увеличить пропускную способность;
разгрузить НКУ;
реализовать сетевую схему управления КА;
обеспечить потенциал, для модернизации и расширения функциональности процесса управления ОС.
1. Сетевые варианты организации связи космических средств
Классическая схема предполагает управление каждым КА в ОГ. Анализируя тенденции развития присутствия человека в космическом пространстве, можно с уверенностью предположить, что количество КА в космосе будет нарастать, и в данных условиях классическая схема управления КА подойдет к пределу своей пропускной способности, обозначив кризис своего экстенсивного развития.
Возможно предложить несколько вариантов решения проблемы.
2.1. Интеллектуализация бортового комплекса управления (БКУ)
Основываясь на достижениях в технической сфере, проектировать автономные системы, в которых процессы управления сводятся к контролю параметров и принятию решений в нештатных ситуациях. Исходя из такой идеологии, необходимо строить КА максимально «умные», функционирующие в сети, умеющие выполнять задачи своего позиционирования, диагностики, расчета КПИ в зависимости от целевой задачи.
Интеллектуализация БКУ позволит обеспечить новые возможности управления пилотируемыми кораблями и космическими комплексами:
реализацию перспективных методов управления с опережающим по времени имитационным моделированием стратегий управления и управленческих решений (управление с прогнозом, адаптационное управление);
повышение автономности управления за счет внедрения эффективных средств информационной поддержки экипажа (интегрированная база знаний и данных, экспертные системы различной целевой направленности, оперативная информационно-советующая система и т.п.);
автоматизацию управления перспективными автоматизированными исследовательскими модулями орбитальной станции или реализацию бортовыми системами космической станции части функций по управлению орбитальными группировками КА (используя преимущества орбитальной станции по энерговооруженности, габаритным размерам, возобновляемости ресурсных средств).
Интеллектуализацию бортовых комплексов целесообразно реализовывать в пилотируемых проектах, при проектировании автоматических станций исследования Солнечной системы, либо в космических комплексах (КК), выполняющих специализированные задачи (военные, научные и проч.).
Перспективное направление исследований – работы в области роевого интеллекта. Роевой интеллект представляет собой многоагентную систему с самоорганизующимся поведением, которое интегрально является квазиразумным. Именно эти принципы можно закладывать в основу автономной системы управления кластером (роем) КА, позволяющей решать задачи оптимального распределения целевой функции кластера между отдельными КА и согласованного управления ее реализацией.
2.2. Разработка информационной подсистемы в составе ОГ
При проектировании многоспутниковой ОГ необходимо в ее составе предусмотреть спутниковую информационную подсистему, состоящую из КА-ретрансляторов, обеспечивающих маршрутизацию информационных потоков в направлениях НКУ-КА, КА-КА, КА-НКУ. С помощью этой подсистемы будет возможен доступ к каждому КА из состава ОГ. Причем КА, входящие в ОГ, нет необходимости оснащать связными устройствами КА-НКУ, достаточно будет абонентской аппаратуры межспутниковой связи. Наземная управляющая компонента, в этом случае, может оставаться без изменений. Это возможно в связи с тем, что работа с ОГ будет строиться через КА информационной подсистемы, имеющих небольшую численность.
2.3. Создание универсальной орбитальной транспортной системы
Реализация полноценной космической деятельности, повлечет за собой перенос части космической инфраструктуры в околоземное космическое пространство. На базе такой инфраструктуры будет возможно упорядочить информационные потоки, добиться оптимизации маршрутизаций, роста скоростей и объемов передачи управляющей и специальной информации.
На базе таких технологий можно создавать орбитальные группировки, содержащие несколько сотен объектов. Причем эти решения не исключают их совместное (параллельное) применение.
2.4. Модель применения сетевой технологии
Проектирование КА в данной парадигме, можно вести по двум направлениям:
космическая автоматическая станция (КАС), обладающая полным набором бортовых интеллектуальных систем и специальной аппаратуры, выполняющая целевое предназначение самостоятельно либо совместно с другими КА (через другие КА);
космический сетевой аппарат (КСА) (аппарат-датчик), аналог беспилотного «дрона», любыми действиями которого необходимо управлять либо через специальный КА (КАС), либо через спутник-ретранслятор (СР) с наземного Центра управления полетом (ЦУП).
Космические сетевые аппараты, при создании многоспутниковых ОГ, позволят разгрузить НКУ. КСА можно будет объединять в кластеры, управляемые одним КА. Данный КА (аналог хоста в сети Интернет) будет функционально способен организовать информационно-логический обмен между кластерами КСА и НКУ. Такую связку аппаратов можно использовать при построении ОГ с КА дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Причем логично будет разнести орбиты КСА и управляющих КА по высотам. Аппараты-датчики должны занимать орбиты с малой высотой от 100 км. Такое размещение позволит легко восполнять орбитальную группировку КСА ракетами-носителями легкого класса. Отработав свой функционал в течении от месяца до полугода, КСА будут сходить с орбиты и сгорать в плотных слоях атмосферы. Более же дорогие и функциональные аппараты управления должны размещаться на высотах, которые позволят организовать долговременную их эксплуатацию, а также удобство доступа к ним с Земли. Эти аппараты, впоследствии, могут сформировать постоянную орбитальную транспортную систему (ОТС), которая будет работать в системе контроля, управления и маршрутизации информационных потоков между орбитальными средствами (ОС) и НКУ. Новые КА будут проходить процесс регистрации в управляющей группировке и вставать на обслуживание в ней.
Таким образом, сложность, многочисленность, разнородность орбитальных группировок будет нивелироваться в процессах управления и передачи специальной информации простой и понятной структурой, четкой иерархичностью, стандартизацией.
3. Логические схемы работы сетевой архитектуры автоматизированного комплекса управления
3.1. Сценарии обмена данными в единой информационной космической сети
Процесс управления КА в ОГ будет сводиться к информационному обмену в сети, абонентами которого будут ЦУП, КА, пользователи специальной информации и проч.
Работа с космическими объектами (КО), с наземными космическими средствами должна напоминать работу в сети Интернет: многопользовательский режим, широкий инструментарий, разнообразные интерфейсы, единые стандарты информационного взаимодействия, единая ресурсная база, единое адресное пространство.
Доступ к конкретному аппарату в ОГ будет возможен через его уникальный IP-адрес. Информационный обмен с КА можно построить на технологии DTN сетей. В DTN архитектуре существуют узлы сети, реализующие взаимодействия уровня Bundle-протокола. Условно узлы по функционалу делят на хосты, маршрутизаторы и шлюзы. Хост посылает и принимает целевую информацию, но не передает ее другим узлам. Хост может быть источником или получателем, опционально может оснащаться хранилищем для поддержки надежной передачи в нестабильных каналах. Маршрутизатор передает целевую информацию в пределах одного DTN региона и может быть хостом. Шлюз передает целевую информацию между двумя и более DTN регионами, которые представляют собой гетерогенные сети и всегда оснащаются хранилищем для долговременного содержания передаваемых данных. Шлюз может использоваться также в качестве хоста. Особенностью DTN протокола является доставка данных вне зависимости от текущего состояния каналов связи. В DTN реализован принцип работы: «сохрани и передай». При получении данных для узла, в настоящий момент находящегося вне зоны доступа, данные сохраняются. После нахождения маршрута для получателя данные передаются на следующий узел. Передача данных от источника к получателю организована на основе пакетов. Это позволит передавать в одной радиолинии трафик канала управления полетом, трафик информационного канала специальной аппаратуры КА и телеметрической информации, что даст возможность отказаться от использования в контуре управления разнотипных средств, оставив лишь КИС с единым цифровым потоком.
3.2. Требования к наземному контуру управления
К космическим средствам управления будут предъявляться повышенные требования по пропускной способности (информативности канала), устойчивости канала, способности организации связи с КА в разных зонах космического пространства (как ближний, так и дальний космос). Очевидно, что КИС будут строиться по «необслуживаемой» схеме, позволяющей дистанционно использовать этот инструмент для создания канала доступа к космическому ресурсу. Также, возможно предъявить требование при проектировании новых типов КИС, по одновременной организации каналов с несколькими КА (применение технологии АФАР).
Доступ к космическому ресурсу с наземной инфраструктуры может быть организован как непосредственно через автоматические КИС с КАС, так и через организованные Центры космической связи (ЦКС) с выделенными широкополосными радиоканалами высокой информативности. В последнем случае, информация от ЦУП по наземным линиям связи выдается в один из ЦКС, далее транзитом через ОТС к нужному КА.
3.3. Пути реализации сетевой структуры космической коммуникации
При практической реализации этого проекта, на первом этапе следует отработать функционал «узлового» элемента ОТС, используя орбитальную космическую станцию (ОКС) с экспериментальным абонентским терминалом (на базе разработки ОАО «НПК «СПП», бортового терминала лазерной связи) и аппаратурой организации маршрутизации и связи. Для связи с ЦУП использовать гибридную связь, которая будет позволять организовать канал либо в оптическом, либо в радиодиапазоне, в зависимости от метеодоступности наземной инфраструктуры.
Следующий этап – на базе полученных практических результатов, выполнить проектирование полной орбитальной транспортной системы и создать единую информационную космическую сеть (ЕИКС).
Цель создания ОТС – предоставление ресурсов, размещенных в космическом пространстве, для выполнения на их базе операций доступа к различным типам ОС, входящим в различные КС (КК), в штатном режиме их функционирования.
Назначение ОТС – обеспечение маршрутизации информационных потоков между наземными и орбитальными средствами.
Для данной системы необходимо определить круг задач, место в процессе управления, энергетические возможности, найти наиболее удовлетворяющее ее задачам баллистическое построение, общесистемное и специальное программное обеспечение.
ЕИКС разрабатывается параллельно с разработкой ОТС и ее возможности определяются ресурсами, которые предоставляет наземный комплекс и ОТС.
Цель создания ЕИКС – предоставление единого понятного формата доступа к космическим ресурсам.
Назначение ЕИКС – предоставление интерфейса для участников космической деятельности и реализация алгоритма этой деятельности на программно-аппаратных ресурсах ОТС и НАКУ.
Для использования специальной информации абонент регистрируется в сети и получает доступ к ресурсам в соответствии со своим статусом, который присваивается ему при регистрации. Регистрация в ЕИКС потребуется не только пользователям специальной информации, но и всем активным ОС, а также средствам и структурам управления ОС. Выполнение этой процедуры необходимо для разграничения доступа, обеспечения защиты информации, исключения несанкционированных действий в ЕИКС. Все пользователи сети должны иметь свою иерархию, свой приоритет, свой уровень доступа к данным и ресурсам.
Работа с орбитальными средствами будет осуществляться в терминальном режиме, через персональный вход в систему ЕИКС. Устройство, потребляющее специальную информацию, для выполнения своей функциональной нагрузки, регистрируется в ЕИКС и получает доступ к ресурсам согласно своей иерархической принадлежности. При получении доступа к ресурсу, между потребителем и поставщиком специальной информации, должен быть реализован свой интерфейс (протокол) взаимодействия, реализованный разработчиком конкретного космического ресурса.
Наземные средства управления и связи, при вводе в эксплуатацию, также регистрируются, получают свой статус и доступ. На различных этапах эксплуатации статусные характеристики могут меняться (например при проведении модернизации технических средств).
Реализовывать свои алгоритмы ЕИКС должна на разветвленной структуре серверов как наземного, так и космического базирования с требуемуей степенью резервирования. Баллистическое построение ОТС должно обеспечить работу с ЕИКС любого зарегистрированного пользователя в момент запроса доступа.
Наиболее полно удовлетворяет таким задачам баллистическое построение ОГ ГЛОНАСС. Отечественную навигационную систему можно рассматривать как прототип для создания ОТС.
Новые навигационные аппараты, при вводе в состав системы ГЛОНАСС, должны содержать аппаратуру межспутниковой связи, а также все необходимые сетевые и вычислительные ресурсы для организации ОТС. Также должно выполняться требование по резервированию и восполняемости космической инфраструктуры ОТС.
При создании такой космической и наземной инфраструктуры необходимо будет разработать стандарт для проектирования любых ОС и аппаратов исследования дальнего космоса (АИДК), а также средств управления и диагностики (как наземного, так и космического размещения).
Стандартизируемые объекты:
диапазоны радиочастот, функции и структуры линии «Земля-борт»;
параметры приемных и передающих устройств;
стандартные блоки форматированных данных;
процедуры командных радиолиний;
обработка и сжатие данных;
интерфейсы и протоколы обмена данными различных уровней;
логика принятия решений и т.д.
На основе внедрения всех этих стандартов обеспечивается совместимость средств и комплексов управления, разрабатываемых разными предприятиями. При этом программным путем станет возможна полная эмуляция различных командно-измерительных систем.
Заключение
Без изменения идеологии проектирования космических аппаратов, не получится найти эффективные пути управления ими в многоспутниковых орбитальных группировках. Все многообразие космических средств должно иметь возможность совместно работать в единой информационной среде по единым протоколам, с едиными формами обмена данными. При этом информационная подсистема, занимая центральное место, является системообразующей и предъявляет соответствующие требования к остальным компонентам.
Единый подход к проектированию нового поколения космических средств позволит консолидировать усилия предприятий промышленности, распараллелить процессы разработки и введения в эксплуатацию, минимизировать затраты.
Такое представление космической инфраструктуры, позволяет увидеть пути развития как средств управления, так и самих КА.
Ожидаемый эффект от применения нового подхода заключается в том, что он позволяет дополнить классическую систему размещения средств управления, имеющую свои пути развития и модернизации, космической составляющей, которая позволит обеспечить выполнение заданных требований к автоматизированному комплексу управления в настоящих условиях и в перспективе.
Предложенный путь развития, позволит:
использовать более гибкие схемы управления;
обеспечить вопросы глобальности управления ООГ, запусков КА по необорудованным трассам полёта, выведение их на особые типы орбит;
построить автоматизированную систему управления КА, неуязвимую для средств поражения противника за счёт динамически меняющейся топологии средств управления;
расширить спектр задач, решаемых человеком в космосе, закрепить его присутствие в космическом пространстве.
Таким образом, при создании ОТС и ОС, использующих ее возможности, задается единый и понятный вектор развития космической индустрии и сферы космических услуг. Создается база для дальнейшего освоения околоземного космического пространства и реализации проектов освоения дальнего космоса.