Антенна для дальнего космоса

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.П S, 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, 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:

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.

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).

Источник

Создана антенна для новой российской системы связи с аппаратами в дальнем космосе

Холдинг «Российские космические системы» (РКС), входящий в госкорпорацию Роскосмос, сообщил о разработке ключевых элементов для новой российской системы связи с аппаратами в дальнем космосе.

Речь идёт об антенной системе нового поколения, которая станет частью создаваемого в нашей стране сетевого наземного комплекса управления. Платформа обеспечит связью отечественные и международные научные миссии на любых расстояниях до границ Солнечной системы.

Наземный радиотехнический комплекс (НРТК) построен на базе новой 32-метровой антенной системы ТНА-32Л. Важной особенностью этой разработки является возможность объединения в кластеры — это позволит проводить высокоточные траекторные измерения, увеличивать объёмы принимаемой научной информации и повышать качество связи с космическими аппаратами, выполняющими межпланетные миссии.

Утверждается, что конструкция антенной системы предусматривает применение ряда передовых разработок. Это, в частности, формостабильная структура каркаса главного зеркала, шестикоординатные подвески типа гексапод, высокоэффективные антенно-фидерные устройства, прецизионные следящие электроприводы системы наведения и пр.

Сетевой наземный комплекс управления дальними космическими аппаратами, состоящий из кластеров НРТК на базе антенной системы ТНА-32Л, будет работать в Х- и Ка-диапазонах частот. Строительство опытного образца новой антенной системы начнётся в следующем году.

Источник

Связь в космосе: как это работает

Кадр из фильма “Космическая одиссея 2001 года” (1968)

Представьте, что вам нужно пробросить песчинку через ушко иглы с расстояния 16 000 километров. Примерно тем же самым занимались ученые, отправив в 2004 году к комете Чурюмова-Герасименко межпланетную станцию «Розетта». В 2015 году станция и комета находились на расстоянии около 265,1 млн км от Земли. Однако надёжная связь позволила «Розетте» не только сесть на комету, но и получить ценнейшие научные данные.

Сегодня космическая связь — одно из самых сложных и перспективных направлений развития коммуникационных технологий. Орбитальные спутники уже дали нам GPS, ГЛОНАСС, глобальные точнейшие цифровые карты, интернет и голосовую связь в самых отдаленных районах Земли, но мы смотрим дальше. Как космическая связь работает сейчас и что нас ожидает в будущем?

Путь «Розетты»

Основой инфраструктуры наземных станций, используемых во время миссии «Розетты», стала компьютерная система Intermediate Frequency Modem System (IFMS), разработанная BAE Systems. Помимо расшифровывания 350 гигабайт данных, переданных станцией, система позволила точно рассчитать положение космического корабля, действуя как GPS для Солнечной системы.

Система IFMS принимала и передавала сигналы в течение всей 10-летней миссии и сопровождала станцию около 800 миллионов километров. IFMS позволяет измерять скорость с точностью до долей миллиметра в секунду, а положение космического аппарата с точностью в пределах метра в любой точке Солнечной системы.

Модули IFMS размещаются на наземных станциях Европейского космического агентства (ЕКА), модернизированных более 20 лет назад для более совершенного получения радиосигналов с космических аппаратов. Вместо аналоговой обработки — настройки на сигнал, фильтрации и демодуляции — новая (на тот момент) технология позволила преобразовывать необработанный сигнал в цифровую форму, из которой программное обеспечение извлекало необходимую информацию.

После преобразования большая часть последующей обработки сигнала выполняется с помощью ППВМ-микрочипов (программируемая пользователем вентильная матрица, field-programmable gate array, FPGA). Они состоят из логических блоков, которые могут быть подключены параллельно для выполнения вычислений. Это позволило разработать сложные алгоритмы для поддержания высокого уровня шумоподавления и стабильности сигналов из космоса.

На Марс и обратно

Наземная сеть антенн Deep Space Network (DSN)

В основном спутники обеспечивают радиосвязь как ретрансляторы, однако для связи с межпланетными космическими аппаратами требуется более продвинутая система, состоящая из больших антенн, сверхмощных передатчиков и сверхчувствительных приемников.

Канал передачи данных на Землю очень узкий — например, параболическая антенна DSS (Deep Space Stations) недалеко от Мадрида принимает данные на скорости 720 Кб/сек. Конечно, марсоход передает всего 500-3200 бит в секунду по прямому каналу, однако основной канал проходит через орбитальный спутник Марса — получается около 31 Мб данных в сутки от марсохода, плюс еще данные, полученные от измерительных датчиков самого спутника.

Связь на расстоянии 55 миллионов километров поддерживает международная сеть радиотелескопов и средств связи Deep Space Network. DSN является частью NASA. В России же для связи с далекими космическими аппаратами используют знаменитый Восточный центр дальней космической связи, расположенный неподалеку от Уссурийска.

На сегодняшний день DSN объединяет три наземные базы, расположенные на трех континентах — в США, Испании и Австралии. Станции удалены друг от друга примерно на 120 градусов долготы, что позволяет им частично перекрывать зоны действия друг друга.

Спутник Mars Odyssey — самый долго действующий космический аппарат из всех, когда-либо отправленных на Марс — обменивается данными с DSN с помощью антенны с высоким коэффициентом усиления на частоте 8406 МГц. Прием данных от марсоходов ведется на УВЧ-антенну.

«Роуминг» по Солнечной системе

DSS-63

Марс — далеко не единственное место во Вселенной, с которым нам нужно поддерживать связь. Например, межпланетные зонды отправлялись к Сатурну и Титану, а Вояджер-1 вообще улетел на 20 миллиардов километров от Земли.

Чем дальше от нас улетают межпланетные станции, тем сложнее уловить их радиосигналы. Мы пока не можем по всей Солнечной системе расставить орбитальные спутники, поэтому вынуждены строить огромные параболические антенны.

Возьмём, к примеру, Мадридский комплекс дальней космической связи. Главная параболическая антенна комплекса DSS-63 имеет зеркало диаметром более 70 метров и весом 3,5 тысячи тонн. Для отслеживания зондов антенна вращается на четырех шариковых подшипниках весом в одну тонну каждый.

Антенна не только принимает сигнал, но и передает. И хотя траектория движения и вращения Земли давно посчитана и пересчитана, найти маленький объект в космосе, чтобы точно направить на него огромную антенну, — задача очень сложная.

Для поиска отдаленных объектов используется радиотриангуляция. Две наземные станции сравнивают точный угол, под которым сигнал попадает на зеркало антенны в разные промежутки времени, и таким образом вычисляется расстояние до объекта и его местоположение.

Центры дальней космической связи

Разработка в 50-х гг. первой советской межконтинентальной баллистической ракеты (МБР) Р-7, оснащенной радиоуправлением, поставила перед ее создателями сложную задачу – необходимо было построить большую сеть измерительных станций, которые могли бы определять скорость и корректировать полет ракеты.

Для поддержки запусков первых спутников оборудование, первоначально созданное для испытаний баллистической ракеты, было модернизировано и размещено в научно-измерительных пунктах (НИП). С них осуществлялась передача команд на космические аппараты.

В стране построили десятки НИП. Часть измерительного оборудования разместили на специальных кораблях Военно-морского флота. Корабли участвовали в испытаниях всех типов советских МБР, искусственных спутников и автоматических межпланетных станций, обеспечивали все отработочные и штатные околоземные и лунные полёты советских космических кораблей.

После развала СССР корабли измерительного комплекса за редким исключением были уничтожены. Однако сохранились другие важные для космической связи объекты. По географическим причинам наиболее важные командно-измерительные пункты создали в Крыму (16-й НИП – Западный Центр дальней космической связи) и в Приморском крае (15-й НИП – Восточный Центр дальней космической связи известный как объект «Уссурийск»).

Западный Центр в Евпатории принимал и обрабатывал информацию с первой автоматической станции «Луна», поддерживал связь с межпланетными станциями серий «Венера», «Марс», «Эхо», управлял аппаратами во множестве других проектах.

Главный объект Центра – антенна АДУ-1000 с 8 параболическими зеркалами диаметром 16 метров.

Объект «Уссурийск» был создан в 1965 году в результате перевода Радиоэлектронной части военно-космических сил в районе села Галёнки, в 30 км к северо-западу от Уссурийска. В 1985 году здесь был построена одна из крупнейших в мире антенн – РТ-70 с диаметром зеркала 70 м (такая же антенна находится и в Крыму).

РТ-70 продолжает действовать и будет использоваться в самых перспективных разработках страны – в новой российской лунной программе, стартующей в 2019 году (проект «Луна-25»), и для единственного в мире проекта орбитальной рентгеновской астрономии на ближайшие 15 лет «Спектр-Рентген-Гамма».

Работа устройства Deep Space Optical Communication.

Сейчас на земной орбите находится около 400 коммерческих спутников связи, но в ближайшем будущем их станет гораздо больше. Компания ViaSat объявила о совместном проекте с Boeing по запуску трех спутников нового поколения, пропускная способность которых будет более 1 Тбит/сек — это больше пропускной способности всех вместе взятых работающих спутников на 2017 год.

ViaSat планирует предоставлять доступ в интернет на скорости 100 Мбит/сек по всему миру на частоте 20 ГГц, используя фазированные антенные решетки, а также многопозиционные системы передачи данных.

Компания SpaceX планирует уже в 2019 году начать запускать на орбиту более 12 000 спутников связи (в 30 раз больше всех сегодня летающих!), которые будут работать на частотах 10,7-18 ГГц и 26,5-40 ГГц.

Как вы можете себе представить, нужно обеспечить управление всей орбитальной группировкой спутников таким образом, чтобы не допустить столкновений аппаратов. Кроме того, рассматриваются проекты создания каналов связи со всеми искусственными объектами Солнечной системы. Все эти требования вынуждают инженеров ускорить развертывание новых каналов.

Межпланетные телекоммуникации в радиочастотном спектре с 1960 года увеличились на восемь порядков в пропускной способности, однако нам по-прежнему не хватает скорости для передачи изображений и видео высокой четкости, не говоря уже о коммуникации с тысячами объектов одновременно. Один из перспективных способов решения проблемы — лазерная связь.

Впервые космическая лазерная связь была испытана российскими учеными на МКС 25 января 2013 г. В том же году на аппарате Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer испытывалась система двусторонней лазерной связи между Луной и Землей. Удалось достичь скорости передачи данных 622 Мбит/сек с аппарата на наземную станцию, и 20 Мбит/сек с наземной станции на аппарат, находившийся на расстоянии 385 000 км от Земли.

Проект Laser Communications (LASERCOM) в будущем сможет решить вопрос связи в околоземном пространстве, Солнечной системе и, возможно, в межзвездных миссиях.

Лазерная связь в глубоком космосе будет проверена в ходе миссии «Психея». Зонд стартует в 2022 году, а в 2026 году достигнет металлического астероида 16 Psyche. На борту зонда будет установлено специальное оборудование Deep Space Optical Communications (DSOC) для передачи большего количества данных. DSOC должно повысить производительность и эффективность связи космических аппаратов в 10-100 раз по сравнению с обычными средствами, без увеличения массы, объема, мощности и спектра.

Ожидается, что использование лазерной связи приведет к революционным изменениям в будущих космических миссиях.

Источник