Общие принципы построения наземного комплекса управления

Антенные системы для дальней космической связи

Наибольшее применение в наземных комплексах космической связи получили полноповоротные параболические антенны и антенные решетки, образованные из нескольких антенн. Важнейшими характеристиками антенн, определяющими энергетику радиолиний, являются коэффициент направленного действия (КНД) и эффективная площадь 5эф зеркала антенны, связанные между собой выражением

где S^ЭФ = K^И.ПS, S - геометрическая площадь раскрытия зеркала, К^ИП - коэффициент использования площади.

Коэффициент использования площади характеризует качество конструкции и изготовления антенны и определяется формой распределений амплитуды и фазы радиоволн в раскрыве зеркала. Получено следующее приближенное выражение для КНД антенны в зависимости от отклонения формы зеркала от расчетной вследствие неточности его изготовления, а также вследствие деформаций, вызванных собственной массой антенны, ветровыми нагрузками и неравномерностью солнечного нагрева ее конструкции:

где а = 8/0 - относительная точность изготовления зеркала, 8 - среднеквадратическое отклонение реальной поверхности зеркала от расчетной, 0 - диаметр зеркала антенны; К0 - коэффициент использования площади антенны при отсутствии отклонений формы зеркала от расчетной.

Выражение имеет экстремум относительно A. КНД достигает максимального значения, равного J^0/(64a) при Аопт = 4л (70. При заданных значениях 5 и 0 величина Аопт является минимальной рабочей длиной волны для антенны, при А, < Аопт КНД, а следовательно, и S^Эф быстро уменьшаются, и антенна перестает эффективно работать.

Относительная точность изготовления лучших образцов совре-менных крупноразмерных параболических антенн составляет (1,5...5)*10^-5. Тогда, если принять за оптимальную длину волны для дальней космической связи А, = 3 см, а достигнутую точность изготовления зеркала a = 1,5*10^-5, максимальный диаметр параболической антенны

т.е. при заданных условиях не представляется целесообразным создание полноповоротных параболических антенн более указанного диаметра.

В реальных условиях среднеквадратическое отклонение формы зеркала от расчетной из-за деформаций, вызванных гравитационными, ветровыми нагрузками и солнечным нагревом, может достигать десятков миллиметров для антенн диаметром 60...70 м, что ведет к соответствующему увеличению а. Эти факторы также являются серьезным препятствием на пути увеличения размеров антенн данного типа и должны учитываться при выборе конкретного места размещения антенны и конструкции ее зеркала. В целях дальнейшего повышения энергетического потенциала радио-линий дальней космической связи рациональным является создание антенных решеток на основе нескольких крупноразмерных антенн и когерентного сложения мощностей сигналов, принимаемых каждой антенной.

В настоящее время в мире функционирует ряд уникальных полноповоротных параболических антенн большого диаметра, используемых в составе радиотехнических комплексов дальней космической связи и для радиоастрономии. Самая крупная из них построена в Германии - радиотелескоп Астрономического института им. Макса Планка вблизи Бонна с диаметром зеркала 100 м. Данный радиотелескоп имеет очень высокие характеристики по сравнению с антеннами такого класса. В табл. представлены характеристики некоторых больших параболических антенн, эксплуатируемых в различных странах.

Крупноразмерные антенны для дальней космической связи

Максимальный размер бортовых антенн дальних КА ограничен диаметром обтекателя ракеты-носителя при жесткой конструкции зеркала и составляет 3...4 м. В настоящее время достигнуты большие успехи в изготовлении раскрывающихся параболических антенн зонтичного типа. При этом требуемые точности сохранения формы параболоида для X = 3 см обеспечиваются при диаметре до 10 м и более.

На рис. представлена зависимость максимальной скорости передачи информации по радиолинии "КА - Земля" от дальности связи при следующих значениях параметров системы:

Зависимость скорости передачи информации в радиолинии от дальности связи

А, = 3,6-10-2 м; Рб = 20 Вт; 0б = 3,7 м; КядЛ = 0,5; 03 = 70 м; ^и.п.з = 0,7; Лх = 0,7; Тэф = 35 К; Afan = 4F,' где индекс "б" означает борт; "з" - зеркало.

Данные значения параметров близки к предельным, достигнутым в современных радиотехнических комплексах дальнего космоса. С учетом особенностей, характерных для системы управления КА дальнего космоса, построены НКУ ДКА НАСА США и Российской Федерации.

В состав НКУ ДКА НАСА США входят:

три центра дальней космической связи (ЦДКС), расположенные вблизи городов Голдстоун (США), Мадрид (Испания) и Канберра (Австралия);
центр управления полетом в г. Пассадена (США);
средства связи и передачи данных.

Все наземные станции ЦДКС объединены в систему DSN (Deep Space Network) и разнесены на поверхности Земли примерно на 120° по долготе и 35...40° по широте. Таким образом, станции DSN позволяют поддерживать непрерывную связь с межпланетными КА в течение суток. Каждая станция DSN оснащена тремя параболическими антеннами: одной диаметром 70 м и двумя - 34 м. Рабочие частоты радиолиний "Земля - КА" - 2,1 ГГц (А = 14 см); "КА - Земля" - 2,2 ГГц (А = 13 см) и 8,4 ГГц (А = 3,6 см).

В 1980-х гг. НАСА провело модернизацию наземной сети станций DSN c целью повышения энергетических характеристик ее радиоканалов для обеспечения полета КА Voyager-2, запущенного в 1977 г. и достигшего в августе 1981 г. окрестностей Сатурна, в январе 1986 г. - Урана, в августе 1989 г. - Нептуна. Увеличение эффективной апертуры наземных приемных систем осуществлялось путем создания синтетических решеток из нескольких разнесенных антенн и увеличения диаметра зеркала основных антенн ЦДКС с 64 до 70 м.

В течение 1981-1989 гг. к комплексу антенн в Канберре были подключены радиотелескопы диаметром 64 м в Парксе (Австралия) и Усуде (Япония), а в комплексе Голдстоуна была дополнительно использована сверхбольшая антенная решетка из 27 антенн диаметром 25 м радиоастрономической обсерватории в Нью-Мексико (США). В результате принятых мер общее усиление радиосигнала с КA Voyager-2 на станциях в Канберре и Голд стоуне было повышено более чем на 5,5 дБ. Подключение австралийской и японской антенн к сети DSN обеспечивает также повышение надежности приема сигнала с КА в случае плохих метеоусловий в районе одной из антенн.

Целью дальнейшего развития сети DSN является совместное использование американской антенной сети, объединяющей комплекс в Голдстоуне и сверхбольшую антенную решетку в Нью-Мексико, и австралийско-японской сети, в которую входят комплекс в Канберре и радиотелескопы в Парксе и Усуде.

В состав НКУ ДКА Российской Федерации входят:

два центра дальней космической связи: западный - на объекте "Медвежьи озера" Московской области и восточный - около Уссурийска;
центр управления полетом в НПО им. С.А. Лавочкина (г. Химки Московской области);
средства связи и передачи данных.

Западный и восточный ЦДКС разнесены по долготе на 100° и обеспечивают непрерывную связь с межпланетными КА в течение - 18 ч в сутки. ЦДКС в "Медвежьих озерах" оснащен параболической антенной диаметром 64 м.

Общий вид радиотелескопа дальнего космоса ("Медвежьи озера")

ЦДКС вблизи Уссурийска имеет в своем составе три крупноразмерные антенны диаметрами 70; 32 и 25 м. Рабочие частоты:

радиолинии "Земля - КА" - 5 ГГц (X = 6 см) и 0,77 ГГц (k = 39 см);
радиолинии "КА - Земля" - 8,4 ГГц (k = 3,6 см); 5,9 ГГц (А, = 5,1 см) и 0,94 ГГц (k = 32 см).

С целью повышения надежности управления ДКА и проведения высокоточных измерений их угловых координат радиоинтерферометрическим методом в составе НКУ дополнительно используется украинский ЦДКС, размещенный вблизи г. Евпатории, имеющий в своем составе высокоэффективные антенные системы диаметром 70; 32 и 25 м. Энергетические характеристики радиолиний ЦДКС НКУ ДКА позволяют обеспечить надежное управление ДКА, прием с них научной информации и проведение траекторных измерений на дальностях, превышающих радиус Солнечной системы (6 млрд км).