Радиоэлектронные аэрокосмические комплексы управления и передачи информации

Москва

Горячая линия – Телеком

2020

Допущено федеральным учебно-методическим объединением в 
системе высшего образования по укрупненной группе 
специальностей и направлений подготовки 
24.00.00 – «Авиационная и ракетно-космическая техника» в качестве 
учебного пособия для студентов, аспирантов и адъюнктов, 
обучающихся по основным образовательным программам высшего 
образования по специальностям: 24.05.06 – «Системы управления 
летательными аппаратами»; 24.05.01 – «Проектирование, 
производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических 
комплексов»; 11.05.01 – «Радиоэлектронные системы и комплексы» и 
по направлению подготовки 24.03.02 – 
«Системы управления движением и навигация»

 

 

УДК 621.396.93/.96 (076.5) 
ББК 32.84 
    М13 

Р е ц е н з е н т ы:  зам. начальника центра ц13 АО «Российские космические 
системы», чл.-корр. РАРАН, доктор техн. наук, профессор В. В. Бетанов; 
кафедра радиоэлектронных систем и комплексов Российского технологического университета (МИРЭА) 

Мазепа Р. Б., Догаев А. В. 
М13        Радиоэлектронные аэрокосмические комплексы управления 
и передачи информации. Учебное пособие.  –  М.:  Горячая 
линия  –  Телеком, 2020. – 212 с.: ил. 

ISBN 978-5-9912-0852-9. 

Учебное пособие предназначено для освоения особенностей работы радиоэлектронных аэрокосмических комплексов управления и передачи информации 
летательных аппаратов различных типов. Книга состоит из шести разделов, в 
которых рассмотрены вопросы командно-корректирующего радиоуправления, 
радиотеленаведения, исследованы системы самонаведения и полуавтономного 
радиоуправления, проведен анализ минимального времени вхождения в синхронизм и спектральное моделирование инфокоммуникаций. 
 
Для студентов, аспирантов и адъюнктов, обучающихся по специальностям: 24.05.06 – «Системы управления летательными аппаратами»; 24.05.01 – 
«Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических 
комплексов»; 11.05.01 – «Радиоэлектронные системы и комплексы» и по направлению подготовки 24.03.02 – «Системы управления движением и навигация». 
Книга будет полезна студентам других радиотехнических и инфокоммуникационных специальностей и специалистам. 
ББК 32.84 
 
 
 
 
Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 
 
 

Тиражирование книги начато в 2020 г. 

 
Все права защищены. 
Любая часть этого издания не может быть воспроизведена 
в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами 
без письменного разрешения правообладателя 
© ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком» 
www.techbook.ru 
        ©  Р. Б. Мазепа, А. В. Догаев 

Введение

Пособие содержит описания лабораторных работ, в ходе выполнения которых будущие инженеры — разработчики радиотехнических устройств и систем ознакомятся с тремя аспектами проектирования систем комплексов управления летательными аппаратами.
Во-первых,
в ходе лабораторных экспериментов изучается
функционирование радиосистем комплексов летательных аппаратов
(ЛА) в условиях, максимально приближенных к реальным.
При
этом обосновываются основные тактико-технические характеристики.
Во-вторых, студенты знакомятся с основными техническими решениями и приемами, которые используются при проектировании
радиосистем.
В-третьих, в ходе выполнения лабораторных работ студенты
знакомятся с вопросами планирования и проведения экспериментальных исследований (при моделировании, стендовых и натурных
испытаниях) радиосистем.
Все лабораторные работы проводятся на учебно-исследовательском стенде для моделирования работы радиосистем.

Р а з д е л
1
Лабораторная работа № 1. Исследование
командно-корректирующего
радиоуправления

Цель работы: изучение взаимосвязи элементов командного
корректирующего радиоуправления космических аппаратов (КА);
ознакомление с методами исследования на ЭВМ характеристик и
условий осуществления корректирующего управления по цифровой
модели, элементами планирования эксперимента и обработки его результатов.
Содержание работы: изучение границ зон видимости и текущих навигационных параметров КА (радиальная дальность и радиальная скорость), находящихся на различных априорно заданных
орбитах, с наземных или орбитальных пунктов управления, а также
влияния различных возмущений (гравитация Луны, Солнца, световое давление, аномалии гравитационного поля Земли) на параметры
движения КА по цифровой модели; определение углового диапазона
положений геостационара, видимого с конкретного наземного пункта в произвольной местности и застройке; исследование на модели
примера пошаговой коррекции КА для достижения заданной орбиты с допустимым промахом (ошибкой).
Указание. Ознакомиться с материалом, изложенным в учебном пособии [8].

Основные сведения
В общем случае управление КА включает в себя управление
его движением и управление работой бортовой аппаратуры и действиями экипажа. В свою очередь, управление движением состоит в
ориентации и стабилизации корпуса КА относительно центра масс и
в управлении движением центра масс. Ориентацию и стабилизацию
выполняют автономные системы, входящие в бортовой комплекс
управления КА. Система ориентации совмещает систему координат,
связанную с корпусом КА, с выбранными опорными направлениями,
соответствующими опорной, базовой системе координат. Опорные
направления задаются инерциальными системами или оптическими
системами, визирующими небесные тела. Они могут быть образованы также с помощью радиомаяков, установленных в определенных
точках на поверхности Земли. Для совмещения в пространстве трехосной координатной системы используются два опорных направления. В случае, когда достаточно ориентировать одну ось КА, необ

Исследование командно-корректирующего радиоуправления
5

ходимо иметь одно опорное направление, например местную вертикаль при орбитальных полетах. Система стабилизации поддерживает необходимое положение в пространстве системы координат КА,
которое может быть нарушено из-за действия возмущающих факторов.
Ориентация и стабилизация необходимы для обеспечения заданного направления тяги двигателя, иначе невозможно произвести
желаемое изменение траектории КА. При управлении баллистическими ракетами и снарядами системы ориентации и стабилизации
объединяются и ориентируются перед стартом. При этом оси гироскопической системы координат устанавливаются в соответствующее положение. При управлении КА дальнего космоса, находящимися в полете существенно большее время, ориентация выполняется многократно. Кроме того, система ориентации используется
для наведения: 1) бортовых антенн на наземные пункты, 2) других
объектов и 3) панелей солнечных батарей на Солнце.
При управлении движением центра масс КА обычно используется командное корректирующее радиоуправление с наземного
пункта (КРУ-I) и автономное радиоуправление, а на этапах сближения и стыковки двух КА (КРУ-III — «наведение на себя» и КРУ II) и
самонаведение. Следует отметить, что корректирующее управление
характеризуется разнесением во времени процессов контроля траектории КА и изменением ее параметров. При этом контроль выполняется в течение длительного времени орбитального полета, а коррекция траектории — за малое время движения на активном участке. Заметим, что фактические параметры движения центра масс КА
характеризируются шестимерным вектором pф = {pф1, pф2..., pф6}.
С помощью измерительных радиосистем проводится оценка значений этих параметров, в результате чего определяется расчетный
шестимерный вектор pр = {pр1, pр2..., pр6}.
С помощью ЭВМ наземного пункта по найденному pр рассчитывается траектория движения КА и ее отличие от номинальной траектории, определяемой
совокупностью параметров pн = {pн1, pн2..., pн6}. На основании анализа отклонения расчетной траектории от номинальной в центре
управления полетом КА принимается решение о целесообразности
коррекции движения КА, т. е. определяется подходящая попадающая траектория и вычисляется программа коррекции.
При командном корректирующем радиоуправлении с наземного пункта параметры движения КА можно измерять не только на
Земле, но и на борту КА, что соответствует командному радиоуправлению типа II (КРУ-II). В этом случае результаты измерений
передаются на Землю. При значительном удалении от Земли и приближении к цели точность измерений с командного пункта падает,

Лабораторная работа № 1

а точность измерений, проведенных на борту КА, возрастает.
Чтобы провести коррекцию, необходимо в определенной точке орбиты к центру масс КА приложить импульс силы, которая
изменяет значение и направление вектора скорости. В результате
КА совершит маневр и начнет двигаться по попадающей траектории, определяемой новыми начальными условиями.
Корректирующий импульс создается двигателями КА. Последние включаются
в расчетный момент времени программно-временным устройством
(ПВУ). ПВУ входит в бортовой комплекс, и в него предварительно
закладывается программа коррекции по командной радиолинии. Результаты коррекции контролируются измерительными системами.
Различают два вида маневров КА: продольные и боковые. Первые изменяют параметры орбиты КА без поворота ее плоскости, а
вторые приводят к изменению положения плоскости орбиты КА в
инерциальном пространстве. Ошибки управления движением центра масс КА характеризуют обобщенный вектор промаха. В общем
случае он имеет шесть компонент: три координатные и три скоростные: Δh = {Δh1, Δh2..., Δh6}. Составляющие вектора промаха
вычисляются для фиксированных моментов времени или для заданных значений определенных параметров, например углового расстояния от фиксированной точки. Для фиксированного момента времени первые три компоненты вектора промаха представляют собой
отклонения фактических координат КА от тех, которые были бы в
этот момент при движении КА по номинальной траектории. Три
другие компоненты показывают аналогичные отклонения составляющих вектора скорости КА. Учет шести компонент вектора промаха
важен в задачах стыковки двух КА или мягкой посадке в заданную
область на поверхности небесных тел. Конечно при жесткой посадке
вектор скорости КА не имеет значения и можно ограничиться трехмерным вектором промаха. Промах баллистических ракет определяется только двумя компонентами: 1) отклонениями точки падения по дальности и 2) по направлению. Для КА, находящихся на
эллиптических орбитах, вместо обобщенного вектора промаха часто
используют обобщенный шестимерный вектор ошибок. Компоненты вектора ошибок определяют отклонения элементов фактической
орбиты от элементов номинальной, а именно:
• отклонение большой полуоси;
• отклонение эксцентриситета;
• отклонение угла наклонения;
• отклонение долготы восходящего узла;
• отклонение аргумента перигея;
• отклонение времени прохождения КА перигея орбиты (или отклонение истинной аномалии, отсчитываемой от направления

Исследование командно-корректирующего радиоуправления
7

на перигей или отклонение широты КА, отсчитываемой от линии узлов).
В качестве компонент вектора ошибок можно взять отклонения
других параметров орбиты, не являющихся ее элементами, но связанными с ними. Например, для ИСЗ связи наиболее важно обеспечить стабильность периода обращения вокруг Земли. При небольших коррекциях орбиты ИСЗ связи можно рассматривать отклонения периода обращения как единственную компоненту вектора
ошибок.
Ошибки при проведении коррекции орбиты обусловлены в основном погрешностями измерения параметров движения, а также
недостаточно точными сведениями о физических константах и различными неучтенными возмущениями. Указанные причины приводят к ошибкам в определении начальных условий и поэтому не позволяют точно рассчитать необходимую траекторию движения КА.
Кроме того, при отработке корректирующих маневров вносятся дополнительные ошибки, связанные:
• c погрешностями ориентации и стабилизации КА;
• неточностью формирования корректирующего импульса.
Рассмотрим командное управление работой бортовой аппаратуры КА с наземного пункта. Оно во многом аналогично рассмотренному ранее командному корректирующему управлению движением.
Фактическое состояние бортовой аппаратуры и окружающей среды,
характеризуемое вектором состояний pф = {pф1, pф2..., pф6, ..., pфn},
где pф1 — напряжение батарей питания, pф2 — давление и т. д., что
фиксируется соответствующими бортовыми датчиками. В перерывах между сеансами связи с Землей показания датчиков записываются в бортовое запоминающее устройство. Во время сеансов связи
данные извлекаются из памяти и вместе с текущей информацией по
телеметрической системе поступают на наземный пункт, где они выделяются, регистрируются и направляются в центр управления полетом КА для обработки, анализа и принятия решения. В результате обработки определяется вектор состояния pр = {pр1, pр2..., pр6, ...,
pрn}, рассчитанный на основании данных телеметрического контроля фактического состояния бортовой аппаратуры. Необходимое состояние бортовой аппаратуры априорно известно и характеризуется
вектором pн = {pн1, pн2..., pн6, ...pнm}. Причем m < n, так как управление осуществляется не по всем контролируемым параметрам. На
основании совместного анализа на ЭВМ значений pр и pн в наземном центре управления принимается решение. Если в аппаратуре
КА замечаются какие-либо неполадки или возникает необходимость
изменения режимов работы, то на командном пункте формируются команды управления, которые с помощью системы передачи ко

Лабораторная работа № 1

манд передаются на КА. Команды или немедленно выполняются,
или записываются в ПВУ для последующего исполнения. Результаты исполнения команды контролируются с помощью телеметрической системы.
В системе командного управления КА можно выделить бортовой и наземный комплексы управления. Основной системой обмена информацией между этими комплексами является командноизмерительная система (КИС). При этом обмен возможен как непосредственно с наземной станцией КИС при пролете КА в зоне ее
видимости, так и через спутник-ретранслятор (СР), одновременно
видимый с КА и станции КИС. Кроме того, иногда для обмена информацией между бортовым и наземным комплексами управления
целесообразно использовать целевую (специальную) радиолинию,
предназначенную для передачи информации, полученной целевыми
системами КА в процессе их работы.
Функциональная схема на рис. 1.1 поясняет процедуру командного управления КА при непосредственной и ретрансляционной связи с ним с помощью КИС, а также с использованием специальной
радиолинии. В рассматриваемом случае в состав бортовой аппаратуры КИС входят низкочастотный модуль и соединенные с ним два
высокочастотных модуля разных диапазонов волн. При этом первый высокочастотный модуль обеспечивает связь с наземным комплексом управления непосредственно, а второй модуль — через СР.
Назначение СР состоит в обеспечении ретрансляционного управления КА, поэтому его целевой системой является радиотехнический
ретранслятор. В этот ретранслятор входят аппаратура межспутниковых линий (СР – КА и КА — СР), способная обеспечить связь
с несколькими КА, и аппаратура магистральных линий (Земля —
СР, СР — Земля), связывающая СР с одной из наземных станций
КИС, предназначенной для ретрансляционного управления КА. Сам
спутник-ретранслятор управляется непосредственно с другой станции КИС по ее радиолиниям Земля — СР и СР — Земля.
Наземный комплекс управления объединяет центр управления
полетом КА (ЦУП), ряд станций КИС (в том числе станцию управления через СР), расположенных на территориально разнесенных
наземных пунктах, и соединяющие их линии связи. В некоторых
случаях в состав наземного комплекса управления включаются расположенные на пунктах телевизионные системы, системы связи с
экипажем пилотируемого КА и специализированные системы, предназначенные для приема только телеметрической информации или
только для измерения текущих навигационных параметров КА.
В частности, для измерения могут использоваться квантово-оптические системы. Все элементы комплекса управления работают в

Исследование командно-корректирующего радиоуправления
9

Рис. 1.1. Функциональная схема командного управления КА

Лабораторная работа № 1

системе единого времени.
Для этого входящие в них высокостабильные генераторы периодически проверяются и подстраиваются
по сигналам Государственной службы времени SТВ. Объединенные
общим организационно-техническим руководством средства наземных комплексов управления различными КА образуют командноизмерительный комплекс.
Обычно ЦУП, называемый иногда координационно-вычислительным центром, является главным органом наземного комплекса
управления КА. С одной стороны, он связан со специальным центром, планирующим использование КА по целевому назначению, а с
другой стороны, передает и получает информацию через линии связи и КИС с бортового комплекса управления самого КА. В нем сосредотачивается и анализируется вся информация о КА, принимаются
решения о программе дальнейшего полета КА, а также планируется
и координируется работа средств наземного комплекса управления.
По измеренным значениям текущих навигационных параметров в
ЦУП решается баллистическая задача, прогнозируется траектория
движения КА и при необходимости рассчитывается коррекция его
движения.
Для реализации процедуры работы КА в центре формируется необходимая командно-программная информация для бортового
комплекса управления КА. Эта информация включает: команды
немедленного исполнения или разовые команды, временные программы — перечень команд с указанием времени их исполнения и
информацию, которая содержит исходные данные для работы ЭВМ
бортового комплекса управления. Для решения указанных задач в
современных ЦУП создаются высокопроизводительные информационно-вычислительные комплексы и специализированные секторы с
рабочими местами операторов, оснащенные персональными ЭВМ.
Все вычислительные средства наземного комплекса управления связываются в единую пространственно разнесенную вычислительную
сеть.
Обмен информацией между ЦУП и другими средствами наземного комплекса управления, расположенными на различных пунктах, производится с помощью автоматизированной системы связи
и передачи данных. Заметим, что по прямым линиям связи КИС
(Земля — КА, Земля — СР — КА) на КА поступают: команды
управления, программы работы бортовой аппаратуры и телефоннотелеграфная информация для связи с экипажем КА. А по обратным линиям связи (КА — Земля, КА — СР — Земля) с КА следуют: квитанции о правильности прохождения на борт команднопрограммной информации; результаты телеконтроля и телефоннотелеграфная информация. При запросных методах измерения для