Глобальная космическая низкоорбитальная информационная система КОСМОНЕТ

Представлен текст доклада на семинаре по перспективам сотрудничества ОАО «Гонец» и Space Systems/Loral, определяющий концептуальную модель построения глобальной космической низкоорбитальной информационной системы КОСМОНЕТ. Предлагаемая к созданию в рамках проекта система связи и телекоммуникации расс... больше
38
Просмотров
Книги > Наука
Дата публикации: 2017-10-18
Страниц: 26

Пудовкин О.Л. Глобальная космическая низкоорбитальная информационная система КОСМОНЕТ Москва, 2017


Пудовкин О.Л. Глобальная космическая низкоорбитальная информационная система КОСМОНЕТ. – Открытая платформа электронных пуб- ликаций SPUBLER. Дата публикации: 2017-10-18. - 25 с. Представлен текст доклада на семинаре по перспективам сотрудничества ОАО «Гонец» и Space Systems/Loral, определяющий концептуальную модель построения глобальной космической низкоорбитальной информационной си- стемы КОСМОНЕТ. Предлагаемая к созданию в рамках проекта система связи и телекоммуникации рассматривается как базовая основа, дополняющая другие динамично развивающиеся средства телекоммуникации и связи. Основные инновационные аспекты проекта КОСМОНЕТ: проектирование системы как компьютерной сети с «космической шиной»; доступ потребителей к информационным ресурсам на основе многоканальных программируемых космических модемов, построенных на платформе SDR. Пудовкин Олег Леонидович Научные интересы в областях: системный анализ, теория систем и управления, техногенное и космоген- ное засорение космоса, международное космическое право, геофизика, глобальные космические системы связи и навигации, управление проектами. Более 100 научных публикаций и 19 монографий. Доктор технических наук, член-корреспондент Акаде- мии космонавтики и Академии военных наук. В космической отрасли с 1968 года: ВИКА им. А.Ф. Можайского, Команд- но-измерительный комплекс МО РФ, Научно-технический комитет РВСН, Во- енно-научный комитет Космический войск; вице-президент, главный конструк- тор, советник в организациях космической отрасли; эксперт космического кла- стера Фонда «Сколково». Доктор технических наук Пудовкин О.Л. e-mail: PudovkinOL@yandex.ru 1

1. Особая роль низкоорбитальных космических систем связи и телекоммуникации Системы подвижной спутниковой связи, вещания и передачи данных стро- ятся на всём спектре орбит космических аппаратов – низкие, средние, геоста- ционарные и высокоэллиптические. Как наиболее проблемными, так и наибо- лее широко используемыми из них, являются геостационарные орбиты косми- ческих аппаратов. В соответствии с требованиями Международного союза электросвязи (МСЭ) радиочастоты и геостационарные орбиты должны использоваться эф- фективно и экономично, чтобы страны или группы стран имели равный доступ к этим ресурсам. Однако возникли проблемы конкуренции по орбитальным ре- сурсам и необходимость снижения взаимных радиопомех от соседних космиче- ских аппаратов (КА), а также проблема постоянного роста засорённости уни- кальной природной области – геостационарного кольца. Поскольку геостационарные космические аппараты размещаются на кру- говых орбитах с высотой 35786 км, то на них требуется установка мощных пе- редатчиков и возникает проблема задержки распространения радиосигналов. Задержка, обусловленная конечной скорости распространения радиоволн, со- ставляет примерно 250 мс, а с учётом мультиплексирования, коммутации и об- работки сигналов общая задержка может достигать 400 мс, что наиболее неже- лательно в приложениях реального времени. Например, в телефонной связи. 2


В силу баллистических характеристик орбит геостационарные КА облада- ют ограниченными возможностями по зоне предоставления услуг связи, ши- ротная полоса которой расположена от 700 с.ш. до 700 ю.ш. При этом остаются неохваченными важнейшие северные территории страны, а также – Арктика. Космические системы связи, основанные на использовании высокоэллип- тических орбит космических аппаратов, позволяют частично решить проблемы, которые возникаю при использовании геостационарных КА, но имеют также ряд недостатков. Например, региональный характер зоны предоставления услуг связи, необходимость наличия для обеспечения постоянной оперативной связи в арктическом бассейне на орбитах космических систем не менее 4 высокоэл- липтических КА, зависимость баллистического существования КА от типа ор- биты. Например, для орбит типа «Молния» около 10 лет. Космические системы, которые строятся на основе орбитальных группи- ровок космических аппаратов с высотой орбит до 2000 км, располагаются в ближней операционной зоне околоземного космического пространства (БОЗ ОКП). При наклонении орбит КА близкому к 900 можно обеспечить глобаль- ность предоставления услуг связи, энергетические характеристики радиоаппа- ратуры существенно снижаются (зависимость квадратичная от высоты), но имеет место значительное сокращение времени контакта пользователей с от- дельными космическими аппаратами системы. Глобальность и оперативность связи достигаются посредством специального проектирования орбитальной группировки и количеством КА в ней. 3

Сейчас насчитывается около 17 космических систем, доведённых до прак- тической реализации. Среди них наиболее активно используются системы «Orbcomm», «Globalstar», «Iridium», «Argos DCS», «Goes DCS», «Cospas- Sarsat», «Гонец» и «Родник». Относительно малые высоты полёта КА позволяют снизить требования по энергетике к бортовой аппаратуре, что позволяет создавать аппараты класса сверхмалых («мини», «микро», а в перспективе и «нано»), а также снизить тре- бования к аппаратуре потребителей. 2. Глобальная космическая низкоорбитальная информационная система КОСМОНЕТ (проект) КОСМОНЕТ разрабатывается на базе многофункциональной системы пер- сональной спутниковой связи (МСПСС) «Гонец-Д1М». Проект КОСМОНЕТ получил одобрение на заседании секции № 4 НТС Роскосмоса в ноябре 2010 года. Научно-техническое обоснование проекта создания КОСМОНЕТ проведе- но ОАО «Спутниковая система «Гонец» в кооперации с соисполнителями так- же в 2010 году. 4

3. Замысел создания КОСМОНЕТ Суть проекта КОСМОНЕТ состоит в следующем. На базе группировки низкоорбитальных космических аппаратов (НКА) создаётся среда передачи информации, условно названная «космической шиной». Доступ пользователей к информационным ресурсам космической шины пользователей, находящихся на поверхности земли и моря, в космическом и воздушном пространстве, и транспорт информации по «космической шине» осуществляется на основе универсальных космических модемов. Предлагаемая к созданию в рамках проекта система связи и телекоммуни- кации рассматривается как базовая основа, дополняющая другие динамично развивающиеся средства телекоммуникации и связи. Основные инновационные аспекты проекта КОСМОНЕТ: 1. Проектирование системы не как совокупности аппаратных средств (тради- ционный подход), а как «компьютерной сети» на основе эталонной модели взаимодействия открытых систем. 2. Доступ потребителей к информационным ресурсам проектируемой систе- мы осуществляется на основе многоканальных программируемых косми- ческих модемов, построенных на платформе SDR-технологии (Software Defined Radio – программно определяемое радио). 5

Практическое распространение компьютерной сети на основе эталонной модели взаимодействия открытых систем на область околоземного космическо- го пространства началось с запуска в 1994 году микроспутников STRV1. Эки- паж Международной космической станции получил доступ к ресурсам «Internet» 22 января 2010 года. 4. Основные системные характеристики КОСМОНЕТ По предварительным оценкам орбитальная группировка КОСМОНЕТ должна включать 48 космических информационных узлов (КИУ), объединён- ных в 8 плоскостей (приведённые оценки предварительные). Орбиты НКА кру- говые: высота – 1400 км, наклонение – 82,50. Приведённая баллистическая структура обеспечивается глобальность по- крытия Земного шара и практически мгновенный доступ для пользователей. Базовые технологии КОСМОНЕТ: • сетевые информационные технологии – система проектируется как ин- формационная с последующим подбором необходимых технических средств и решений; • кластерная структура космических объектов (кластер) – космический ин- формационный узел (КИУ). 6

• SDR-технология (Software Defined Radio – программно определяемое ра- дио) – создание гибкой среды протоколов для подключения систем поль- зователей. • лазерные магистральные каналы передачи данных «КИУ-КИУ» космиче- ской системы КОСМОНЕТ обеспечивают глобальный транспорт данных и телефонную связь между любыми точками поверхности Земли, воздушно- го и околоземного космического пространства в режиме реального време- ни. Заложенные системные свойства КОСМОНЕТ обеспечивают масштабиру- емость (простоту подключения) и гибкость (простоту изменения протоколов) относительно систем пользователей. 5. Космическая шина – магистральная информационная сеть КОСМОНЕТ Магистральная информационная сеть КОСМОНЕТ включает орбитальный и наземный сегменты, которые связаны посредством радиотехнических и ла- зерных модемов. Информационная платформа «космической шины» – эталон- ной модели взаимодействия открытых систем. 7

Орбитальный сегмент образуют 6 кольцевых структур космических аппа- ратов («космическая шина») со скоростью передачи информации не менее 600 Мб/с. Прорабатывается вопрос для связи внутри орбитальных колец использо- вать радиотехнические или лазерные модемы. МГТУ им. Н.Э. Баумана на рос- сийских элементах создало лазерный космический модем, который обеспечива- ет скорости передачи информации не менее 622 Мб/с. 6. Космический информационный узел КОСМОНЕТ Основным орбитальным сегментом сети является космический информа- ционный узел (КИУ), который представляет собой кластерную структуру (кла- стер). Кластер – групповой пространственно распределённый космический объект, представляющий собой совокупность иерархически взаимодей- ствующих КА различного целевого назначения, совместно выпол- няющих общую задачу, и воспринимаемый как с точки зрения по- требителя, так и сточки зрения управления как единое целое. 8

КИУ – объект орбитальной группировки, реализующий эталонную модель взаимодействия открытых систем. Космические модемы реализуют канальный и физический уровни эталон- ной модели: • «КА - КА» – высокоскоростные радиотехнические или лазерные линии связи в орбитальном сегменте: • «КА - земля» – высокоскоростные радиотехнические линии связи; • «КА - система пользователей» – радиотехнические линии связи на плат- форме многоканальной технологии SDR (Software Defined Radio – про- граммно определяемое радио) 7. Космический модем на платформе многоканальной технологии Software Defined Radio – программно определяемое радио Космический модем на платформе SDR включает: • радиочастотный модуль; • аналого-цифровые (цифро-аналоговые) преобразователи; • цифровые фильтры; • цифровые сигнальные процессоры. 9

Последние три элемента являются программируемыми, что обеспечивает гибкость устройства относительно подключения вновь создаваемых систем свя- зи и передачи данных, а также гибкость внесения изменений для существую- щих модемов пользователей. 8. Космические модемы систем пользователей КОСМОНЕТ Орбитальная архитектура, построенная на базе КИУ, создаёт основу гло- бального, оперативного транспорта данных и связи для широкого круга систем потребителей, которые подключаются к информационным ресурсам системы КОСМОНЕТ посредством стандартных протоколов, объединённых в четыре группы (предварительно): 1. Протоколы типа «Гонец» – обеспечивают эволюционный принцип раз- вития в части поддержания систем пользователей МСПСС «Гонец-Д1М». 2. Внешние протоколы – протоколы принятые на уровне международных актов. К ним относятся протоколы типа КОСПАС-САРСАТ, АИС (морской транспорт), АЗН (воздушный транспорт), Argos (гидрометеорология) и пр. Реализация SDR-технологий позволяет достаточно простыми средствами перейти от создаваемых подобных систем в рамках космических программ на этапе их деградации к системе КОСМОНЕТ. При этом уже будут решены си- стемно все технологические вопросы. 10

3. Протоколы типа Internet – распространение Internet и IP-телефонии на системы пользователей. 4. Протоколы ракетно-космической техники (РКТ) – обеспечение гло- бального и оперативного управления космическими объектами и объектами транспорта любой целевой информации. 8.1. Системы пользователей проекта КОСМОНЕТ на основе протоколов МСПСС «Гонец-Д1М» Традиционно на основе протоколов КС «Гонец-Д1М» осуществляется связь по- требителей и может обеспечиваться мони- торинг критически важных объектов и контроль перевозки опасных грузов. Система КОСМОНЕТ позволяет обеспечить транспорт данных на феде- ральном, региональном, муниципальном и объектовом уровнях. Она может эф- фективно использоваться, например, для контроля ядерных объектов (АЭС), перевозки компонент ракетного топлива на полигоны запуска и т.д. 11

12

В автоматизированной системе мониторинга перевозки опасных и ценных грузов Роскосмоса космические системы (КС) решают задачи: КС «Гонец-Д1М» – обеспечение глобального и оперативного транспорта данных о состоянии объектов; ГНСС ГЛОНАСС/GPS – оперативное, высокоточное, глобальное опреде- ление координат объектов; КС КОСПАС-САРСАТ – оперативное доведение информации о возникно- вении аварийных ситуаций. Система КОСМОНЕТ эффективна при решении задач социально- экономической безопасности. Особенно, если возникают катастрофы регио- нального и национального уровня, когда другие средства связи не могут быть использованы. Система КОСМОНЕТ обеспечивает сбор данных от объектов социально- экономической безопасности, управление силами и средствами в местах прове- дения работ. По некоторым данным интегральные оценки стратегических рисков для России от катастроф, с учётом их числа и ущербов, могут достигать 2-7 % внутреннего валового продукта (ВВП). В отдельные периоды времени эта ве- личина может достигать 6-12 %. 13

В ряде случаев тяжёлые катастрофы (типа цунами в Юго-Восточной Азии) приносят ущерб 50-80 % ВВП для некоторых стран региона. Так, например, землетрясения и цунами в Японии 11 марта 2011 года привели к аварии на АЭС «Фукусима-I». Всемирный банк 21 марта 2011 года оценивал убытки Японии от землетрясения в сумму от 122 до 235 миллиардов долларов. ВВП Японии в 2009 году составил 5,069 трл. долларов США (около 5% ВВП). По трём постра- давшим префектурам эта цифра достигает 25%. Количество погибших и пропавших без вести в результате стихийного бедствия превысило 28 тыс. человек. Оперативность реакции – это спасённые жизни людей. Система КОСМОНЕТ позволяет обеспечить решение задач управления и мониторинга транспорта, в части: • оперативного мониторинга состояния и управления транспортными систе- мами в удалённых и труднодоступных регионах; • оперативного мониторинга состояния транспортных систем за пределами границ государств; • расширения области применения интеллектуальных транспортных систем до уровня трансконтинентальных; • оперативного мониторинга перевозки грузов систем до уровня транскон- тинентального. 14

Система КОСМОНЕТ позволяет обеспечить решение гидрометеорологи- ческих задач, в части глобального и оперативного сбора: • синоптических данных всей мировой гидрометеорологической сети; • судовых наблюдений; • аэрологических наблюдений; • морских метеорологических наблюдений; • глубоководных наблюдений; • климатических данных. Отметим, что на территории России более 5000 метеостанций, из которых 30% находятся в труднодоступных регионах. 8.2. Системы пользователей проекта КОСМОНЕТ на основе внешних протоколов (примеры) Система КОСМОНЕТ позволяет повысить качество решения задач в системы КОСПАС-САРСАТ. 15

16

Система КОСМОНЕТ позволяет обеспечить решение задач управления воздушным транспортом, в части: • глобальное, в реальном времени управление (мониторинг) воздушным движением; • решение задач вихревой безопасности; • глобальное обеспечение экипажа воздушных судов информацией о воз- душной обстановке, а также информацией о метеорологической обстанов- ке; • создание более эффективных систем предупреждения столкновений между воздушными судами (бортовой и наземной); • управление беспилотниками (группой); • координация полетов беспилотной и пилотируемой авиации; • глобальное оперативное определение местоположения воздушного судна в случае аварийной посадки; • решение специальных задач. Система КОСМОНЕТ позволяет обеспечить решение задач управления морским транспортом, в части: • независимый глобальный оперативный мониторинг и слежение за морски- ми судами; 17

• эффективное решение задач судоходства в районах, не оборудованных со- временными навигационными системами (например, Арктика); • обмен навигационными данными между судами при решении задач преду- преждения столкновений; • передача с судна навигационных данных в береговые системы управления движением судов и обеспечение более точной и надёжной его проводки в зоне действия СУДС и вне их действия; • дополнение к судовой системе охранного оповещения. Система КОСМОНЕТ может функционально дополнить ГНС ГЛОНАСС/GPS и обеспечит: • глобальное дополнение информации о целостности за время менее 10 сек; • глобальное доведение поправок системы дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ) – точность навигационных определений 1-2 метра; • глобальное обеспечение режима A-GPS (постоянный горячий старт); • создание низкоорбитальной глобальной навигационной системы, допол- няющей ГНС ГЛОНАСС/GPS. 18

8.3. Системы пользователей проекта КОСМОНЕТ на основе протоколов INTERNET Для России решение данной задачи весьма актуально: почти 19% населённых пунктов Рос- сии не имеют ТЛФ-связи; большая часть арктической зоны не имеет устойчивой радиосвязи; более 2/3 источников природных ресурсов и стратегических транспортных артерий вне зоны услуг наземного Internet; почти 3/4 населения России расселена в треугольнике «Санкт-Петербург - Сочи - Иркутск» и вдоль Транссибирской железной дороги (1/4 территории России) и обеспечена услугами наземного Internet; Система КОСМОНЕТ позволяет обеспечить: 100% охват территории России и арктической зоны услугами Internet и IP- телефонии со скоростями до 1 Мбит/с; 100% охвата территории вне России услугами Internet и IP -телефонии со скоростями до 1 Мбит/с (обеспечение решение задач за рубежом). 19

20

8.4. Системы пользователей проекта КОСМОНЕТ на основе протоколов объектов ракетной и космической техники (РКТ) В качестве объекта РКТ могут вы- ступать КА дистанционного зондиро- вания Земли. КОСМОНЕТ позволит обеспечить: 100% охват территории Земного шара услугой получения информации ДЗЗ (разрешение 10-100 м); оперативный запрос на получение информации ДЗЗ из любой точки и до- ставка информации ДЗЗ в любую точку Земного шара; объект ДЗЗ кластера реализует концепцию «КА-прибор», исключая необ- ходимость создания специальной наземной инфраструктуры; объект ДЗЗ кластера создаётся независимо от космической шины, взаимо- действие с информационным узлом в среде локальной сети по принятым ин- формационным протоколам. 21

Система КОСМОНЕТ позволяет обеспечить эффективное решение задач применения объектов ракетной и космической техники (РКТ), в части: • глобальный и оперативный мониторинг и управление объектами РКТ; • в 2-3 раза снижаются расходы на создание наземной структуры космиче- ских систем и комплексов и полигонных средств; • возможность предоставления услуг по управлению и мониторингу объек- тов РКТ другим странам; • возможность перехода на принципиально новые технологии мониторинга и управления объектами РКТ, связанными с ростом интеллектуализации бортов. Для стран не входящих в «космический клуб» открывается возможность пользоваться теми благами, которые космос через КОСМОНЕТ предоставляет. 9. Глобальная космическая многофункциональная низкоорбитальная информационная система КОВЧЕГ (перспектива развития) КОСМОНЕТ обладает уникальными системными свойствами – глобаль- ного и оперативного транспорта разного вида и назначения информации в мас- штабах ближней операционной зоны околоземного космического пространства (БОЗ ОКП). Создаются новые информационные свойства системы, которые предлагается реализовать в системе КОВЧЕГ. 22

Для системы КОВЧЕГ система КОСМОНЕТ становится базовой глобаль- ной транспортной средой, которая функционирует в составе других националь- ных и международных систем телекоммуникации и связи. Создаётся единое те- лекоммуникационное и информационное пространство. КОВЧЕГ на основе КОСМОНЕТ информационно объединяет ранее не свя- занные объекты в рамках единого телекоммуникационного и информационного пространств, которое включает: • единое пространство связи и телекоммуникации; • единое навигационно-временное пространство; • единые геодезическая и картографическая основы; • единое геоинформационная основа. Единое телекоммуникационное информационное пространство БОЗ долж- но стать информационной основой получения данных о пространственных объ- ектах, для управления, связи и телекоммуникации в части: • создания и актуализации единой геодезической и картографической осно- вы – картографические и геодезические системы отсчёта; • создания и поддержания единого пространства связи и телекоммуникации – глобальные высокоскоростные системы связи и телекоммуникации; • создания и поддержания единого навигационно-временного пространства – навигационное и временное пространство в БОЗ, включая воздушное пространство, поверхности суши и моря; 23

• создания и актуализации единой геоинформационной основы – сбор дан- ных о пространственных объектах в космическом и воздушном простран- стве, на поверхности суши и моря для геоинформационных систем. Основным системным свойством проекта КОВЧЕГ является возможность глобального и оперативного транспорта огромных объёмов разнородной ин- формации в БОЗ ОКП, что вызывает предпосылки и необходимость: • структурирование и управление потоками космической информации на уровне метаданных; • частичный перенос функций обработки информации на орбитальный сег- мент системы (реализация концепции «вычислительных облаков»); • централизованное управления космическими системами и комплексам глобально и оперативно. На момент составления доклада этапы создания КОСМОНЕТ и перспекти- ва её развития определялись тремя этапами. 1 этап – создание исходной базы для КОСМОНЕТ – разработка и эксплу- атация МСПСС «Гонец-Д1М», которая должна обеспечить: 2016 год – оперативную и непрерывную связь на широтах более 400 с.ш.; 2018 год – оперативную и непрерывную связь глобально, отработку технологий управления и применения ОГ КА с численностью не менее 24 КА. 24

2 этап – создание КОСМОНЕТ – разработка и эксплуатация глобальной космической низкоорбитальной информационной системы КОСМОНЕТ обес- печит создание единой телекоммуникационной и связной основы для систем пользователей в БОЗ ОКП, воздушном пространстве, на поверхности суши и моря. 2018 год – прогноз начала лётных испытаний КОСМОНЕТ. 3 этап – создание системы КОВЧЕГ – разработка и эксплуатация глобаль- ной космической многофункциональной низкоорбитальной информационной системы КОВЧЕГ, которая обеспечит формирование единого телекоммуника- ционного и информационного пространства БОЗ ОКП. 2019 год – прогноз начала лётных испытаний системы КОВЧЕГ. В настоящее время в области космической деятельности на первое место выходят космические системы, которые становятся глобальными и создают благо для всего человечества. Например, ГНС ГЛОНАСС и GPS. К подобным системам относится и КОСМОНЕТ, а в перспективе – КОВЧЕГ. Москва, 21.04.2011 г. Доклад на семинаре по перспективам сотрудничества ОАО «Спутниковая система «Гонец» и Space Systems/Loral. 25

Chkmark
Всё

понравилось?
Поделиться с друзьями

Отзывы