ПРОБЛЕМА ПОИСКА ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ ИНФОРМАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
Пространственный поиск источников излучения в оптических системах связи между удалёнными и мобильными аппаратами
В оптических системах связи важнейшей проблемой [37] наряду с синхронизацией и передачей информации является проблема обеспечения условий, при которых излученный сигнал попадает в приёмное устройство. Это означает, что в системе связи необходимо точно навести оптический луч передающей аппаратуры удалённого корреспондента на приёмное устройство другого корреспондента. Кроме того, приёмное устройство должно точно определить направление прихода оптического луча передатчика.
Операции по нацеливанию оптического луча передатчика в требуемом направлении принято называть наведением. Операции в приёмном устройстве по определению направления прихода оптического луча будем называть пространственным поиском и обнаружением. Совокупность последовательных операций по сохранению пространственного направления антенн комплексов приёмопередающей аппаратуры (ППА) после завершения операций по пространственному поиску и взаимному обнаружению удалённых корреспондентов и переходу непосредственно к сеансу связи определим как пространственное сопровождение.
Проблемы пространственного поиска удалённого корреспондента, наведения антенн ППА, обнаружения оптических сигналов и пространственного сопровождения корреспондента особенно остро стоят в оптических системах связи открытого типа как вследствие экстремально узких оптических лучей, так и за счёт больших дальностей распространения излучения. При решении задачи пространственного обнаружения необходимо, чтобы антенна приёмной аппаратуры наводилась точно по направлению прихода оптического излучения, т. е. вектор нормали к поверхности приёмной антенны должен быть совмещён с направлением прихода оптического луча.
Все разработчики ЛСС с мобильными объектами столкнулись с проблемой наведения антенных комплексов, пространственного поиска, обнаружения, автоматического сопровождения корреспондента.
Так, при демонстрации ЛСС фирмы GTE на базе ВВС США в штате Огайо прошла проверку система наведения и автоматического сопровождения оптических антенн. По данным журнала «Defense Electronics», аналогичные испытания в рамках программы организации оптической связи между двумя самолетами С-135 на расстоянии до 160 км в зоне прямой видимости при изменении высоты полета от 1 220 до 11 278 м проведены фирмой Air Force Aeronavtical Systems. В качестве источника излучения использовался лазерный диод на арсениде галлия (GaAs), а приёмником излучения служил лавинный фотодиод (ЛФД). Успешно организована ОЛС между самолетом С-135 и земной базой в Нью-Мехико. Результатом испытаний явилось создание на базе самолетов С-135 двух летающих лабораторий для отработки вопросов, включающих организацию оптической связи [28, 29].
В 1991 г. успешно завершены испытания по установлению связи с помощью лазера подводного аппарата «Дельфин» с самолётом, выполняющим полёт по заданному маршруту.
По заказу Европейского космического агентства разработан проект Европейской системы космической оптической связи (DRS), включающей геостационарные и низкоорбитальные спутники-ретрансляторы. В системе DRS предусматривается применение в передатчиках полупроводниковых источников когерентного оптического излучения на соединениях GaAlAs с рабочими длинами волн излучения 810 ... 870 нм и средней мощностью 50 мВт. Скорость передачи информации на канал составляла от 1 до 120 Мбит/с при расчётной дальности связи 45 000 км.
В системе DRS используются три различных приёмника излучения для поиска-наведения, сопровождения и приёма информации, работающие по способу прямого фотодетектирования. Первые два приёмника реализованы на ПЗС-матрице, а последний - на лавинном фотодиоде. На геостационарном спутнике планировалось применение антенны с диаметром 35 см, а на низкоорбитальном спутнике — 20 см.
Для поиска и наведения низкоорбитального спутника служит специальный маяк, выключающийся во время передачи информации. Часть принимаемого сигнала использовалась для работы системы поиска-наведения и сопровождения. Статическая ошибка наведения оценивалась в 0,5 мкрад, а динамическая - 0,3 мкрад.
В США проведён ряд практических экспериментов «RME» (Relay Mirror Experiment), «LACE» (Laser Atmospheric Compensation Experiment), «АСЕ» (Agile Control Experiment) и планируются эксперименты «Starlab», «Delta», а также с использованием KA «Space Shattle». В ходе экспериментов отрабатываются вопросы, включая пространственный поиск, точное наведение оптического луча на объект, обнаружение и автоматическое сопровождение источников оптического излучения, а также быстрое перенацеливание оптического луча с одного объекта на другой.
Известны оптические системы связи, в том числе космические, в которых на каждом объекте-носителе установлены взаимодействующие между собой комплексы приёмопередающей аппаратуры (КИПА) [38-40]. В качестве объектов в космической технике могут быть ИСЗ, КА и орбитальные станции. Одним из объектов может быть стационарный или мобильный наземный пункт, воздушное или водное судно, подводный объект.
В этих системах источник сообщений посылает информационные электрические сигналы на вход оптического передатчика КППА данного объекта. Оптический передатчик этими сигналами модулирует поток сигналов оптической несущей, который через оптическую систему излучается в канал связи. Канал связи в зависимости от типа системы оптической связи реализуется каналообразующей средой, в качестве которой может быть свободное пространство (открытое космическое пространство, атмосфера Земли) или конструктивно сформированная среда (оптическое волокно). Оптические сигналы распространяются в канале связи, достигают оптической системы КППА другого объекта, собираются оптической системой этого КППА в пучок и подаются далее на вход оптического приёмника. Фотодетектор преобразует оптическое излучение в электрические сигналы, которые направляются в устройства их обработки, осуществляющие, например, усиление и фильтрацию сигналов для выделения передаваемых сообщений.
Системы оптической связи используют электромагнитные излучения оптического диапазона с длиной волны единицы и доли микрометров. Диаграммы направленности излучения оптических сигналов этих систем имеют углы раствора, составляющие единицы микрорадиан.
В системах оптической связи [38], в которых канал связи между КППА представляет собой свободное пространство (космическое пространство, атмосфера), требуется вначале осуществить операции по организации связи между КППА. Для этого первоначально комплексы на каждом из объектов производят взаимный поиск оптических сигналов, посылаемых КППА другого объекта. После обнаружения и «захвата» приходящих оптических сигналов каждый КППА осуществляет в течение определённых временных интервалов работу в режиме высокоточного слежения и наведения с замкнутой обратной связью по управлению. Продолжительность высокоточного слежения и наведения может достигать, например, в системах оптической связи между КА на геостационарной орбите, нескольких месяцев и даже лет. Если происходит нарушение в работе таких систем оптической связи, в результате чего на входе в оптическую систему какого- либо КППА пропадает оптическое излучение, то для восстановления функционирования системы необходимо повторить операции взаимного пространственного поиска, обнаружения оптических сигналов и «захвата» оптического излучения, посылаемого другим КППА.
Таким образом, в составе комплексов приёмопередающей аппаратуры мобильной системы оптической связи, предназначенной для работы в свободном пространстве, должны присутствовать средства пространственного поиска и обнаружения источников оптического излучения, а также наведения и слежения.
В известных космических системах оптической связи (КСОС), в которых каналообразующей средой является космическое пространство, процесс поиска и «захвата» между КППА осуществляется по командам, поступающим от ЭВМ, находящихся на каждом объекте. Этот процесс начинается в заранее установленное время и производится по расчётным данным о направлении (эфемеридам) линии, соединяющей оба КППА. В [39] предложено один из объектов называть кооперируемым объектом, а другой - объектом-корреспондентом.
Высокая направленность оптической антенны требует расчёта и выдачи точных угловых координат корреспондента. Для КППА, установленного на кооперируемом объекте, рассчитываются эфемериды направления на объект-корреспондент, а для КППА, установленного на объекте- корреспонденте, — эфемериды направления на кооперируемый объект. По этим эфемеридам осуществляется предварительное выставление визирной оси каждого КППА в положение, соответствующее моменту начала их взаимного поиска при организации оптической связи между ними. В процессе поиска и «захвата» не используются вспомогательные каналы связи радиодиапазона. Для выработки необходимых данных о направлении линии, соединяющей оба КППА, в момент начала их взаимного поиска используются средства, не входящие в состав КППА. Эти данные поступают в КППА от средств объекта-носителя КППА. Они вырабатываются либо непосредственно на данном объекте, либо земным комплексом управления с последующей передачей на объект в виде кодовых сообщений, называемых установками.
Формирование данных о направлении линии, соединяющей оба КППА, осуществляется на основании определения параметров траекторий объектов, между которыми планируется установить связь в оптическом диапазоне.
При расчёте эфемерид направления линии, соединяющей оба КППА, помимо параметров траекторий КА используется информация об ориентации строительных осей КА в пространстве, относительно которых известным образом расположены базовые оси КППА космической оптической линии связи. Если указанные эфемериды рассчитываются в наземном центре, то принимается во внимание определённый режим ориентации КА, который также задаётся в наземном центре. Если эти эфемериды рассчитываются на борту К А, то учитывается его режим ориентации, осуществляемый бортовой системой управления движением КА.
В свою очередь, определение параметров траекторий этих объектов производится по результатам траекторных измерений, которые ведутся средствами земного измерительного комплекса.
Дня минимизации времени организации оптической связи между объектами, оснащёнными КППА, стремятся по возможности уменьшить ошибку поиска излучения КППА другого объекта. Для этого траекторные измерения для определения параметров траекторий КА проводят как можно ближе к моменту начала работы космической системы оптической связи. Это вызывает дополнительные трудности в работе космических и земных средств из-за сокращения времени на проведение подготовительных операций к сеансу оптической связи.
В то же время проведение измерений параметров траекторий КА как можно ближе к моменту начала работы космической системы оптической связи особенно важно для связи, например, между КА на геостационарной орбите и КА на низкой околоземной орбите. Действительно, между КА на ГСО и стабилизированными относительно друг друга постоянно имеется прямая видимость. Как следствие, здесь продолжительность сеанса оптической связи может быть неограниченной. Однако между КА на ГСО и КА на низкой околоземной орбите оптическая связь возможна только кратковременно в зонах их взаимной видимости, когда отсутствует затенение канала связи Землей. Поэтому связь между этими объектами может осуществляться только сеансами. И к каждому такому сеансу связи необходимо провести цикл подготовительных работ по определению эфемерид направлений предварительного выставления визирных осей каждого КППА в положение, соответствующее моменту начала их взаимного поиска при организации оптической связи между ними.
Погрешности знания направления линии, соединяющей оба КППА, в момент начала их взаимного поиска создают ошибку поиска. Суммарная ошибка поиска зависит от точности знания местоположения каждого объекта космической системы оптической связи (параметров траекторий; ориентации в пространстве, определяемой точностью управления движением как мобильных частей КППА, так и самих объектов), а также от возмущающих факторов окружающей среды.
Обычно в практике работы космических средств после проведения земными средствами траекторных измерений и определения параметров траектории КА, соответствующих по времени периоду проведения этих измерений, дальнейшая эволюция значений параметров траектории определяется на основе прогноза движения КА, который осуществляется с учётом разработанной модели возмущающих воздействий на его движение. Возмущающие воздействия зависят от состояния атмосферы и окружающего космического пространства и достаточно быстро изменяются для того, чтобы эти изменения можно было учесть в модели возмущающих воздействий. Возникающая вследствие этого разница между текущими и прогнозируемыми значениями параметров траектории КА даёт ошибку прогноза его движения, которая интенсивно нарастает в процессе полёта. К этой ошибке добавляется ошибка самих траекторных измерений, которая даёт составляющую ошибки прогноза движения КА, тоже увеличивающуюся в процессе полёта. В результате через сравнительно короткое время суммарное значение ошибки прогноза движения КА достигает критического значения и вызывает необходимость проведения новых траекторных измерений.
Аналогично из-за погрешностей работы бортовых приборов и агрегатов системы управления движением нарастает в процессе полёта ошибка данных об ориентации КА. Поэтому перед началом сеанса оптической связи с помощью бортовых астронавигационных приборов производится уточняющая корректировка данных об ориентации КА, чтобы уменьшить ошибку поиска излучения К1 ill А другого объекта.
Операции по уточнению параметров траекторий космических аппаратов и их ориентации в пространстве приходится проводить не только при изначальной организации оптической связи между двумя объектами, а и при смене объекта-корреспондента или кооперируемого объекта. Например, низкоорбитальный кооперируемый объект работает с одним объектом- корреспондентом, расположенным на геостационарной орбите, а затем переключается на работу с другим объектом-корреспондентом, расположенным в другой точке геостационарной орбиты, образуя новую пару связывающихся между собой объектов. В этом случае в зависимости от того, насколько к данному моменту времени точны данные прогноза параметров траектории и ориентации этих объектов, может потребоваться их уточнение для обоих объектов или для одного из них.
Совершение операций по уточнению параметров траектории космических объектов и их ориентации в пространстве является необходимым также и при подготовке к работе целевой аппаратуры космических объектов, которая может не совпадать по времени с подготовкой к работе К1 ill А космической системы оптической связи. Поэтому сокращение этих операций до минимума за счёт решения задач определения навигационных элементов (геометрических величин, характеризующих положение КА и направление его движения) автономно, на борту КА, в темпе его полёта, в текущий момент времени, приобретает особую актуальность.
Резюме. В процессе работы космических систем оптической связи требуется постоянное привлечение дополнительных средств, непосредственно не входящих в состав систем связи, для организации связи. Поэтому, несмотря на обладание неоспоримыми достоинствами по помехозащищённости, электромагнитной совместимости, высокой скорости передачи информации, минимальным массовым и энергетическим затратам, известные системы космической оптической связи требуют значительных дополнительных затрат как по объёму (трудоёмкости) работ для организации связи и навигационного обеспечения функционирования систем, так и в стоимостном выражении. Такая особенность эксплуатации известных систем космической оптической связи не позволяет в должной мере использовать их достоинства без средств организации оптической связи (пространственного поиска и обнаружения оптических сигналов, наведения на источник оптического излучения, навигационного обеспечения), а главное — не позволяет повысить оперативность доставки потребителям необходимой информации при одновременной минимизации затрат. Таким образом, доказана актуальность проблемы пространственного поиска и обнаружения источников оптического излучения для организации связи между мобильными аппаратами в оптическом диапазоне длин волн.
