rks-4-2019

ROCKET-SPACE DEVICE ENGINEERING AND INFORMATION SYSTEMS
2019, Vol. 6, Iss. 4

Contents 3

Space Navigation Systems and Devices. Radiolocation and Radio Navigation 13
More Precise Definition of the Geometric Interpretation of Position Dilution of Precision in GNSS 24
32
Vatutin S. I., Povalyaev A. A. 37
44
Radio Engineering and Space Communication 51
Perspective Digital Receiver of the Transmitter-Receiver Unit for On-Board Equipment 59
of a Command-Measuring System 66
75
Grigoryev A. A., Medova L. R., Ryzhakov M. V., Burkina M. S., Bulgakov N. N., Kruglov A. V., 84
Sidorenko I. E., Krivoshein A. A., Alybin A. V., Alybin V. G., Tzarkov A. V., Filatov I. V.
89
Principles of Creation of Unified On-Board Retransmission Complexes for Domestic Space Systems
of Data Collection and Transmission 98

Dorofeev Yu. B., Tulisov D. A, Belov D. A.

Efficiency of Application of Generalized Error-Locating Code in a High-Speed Radio Line
Ershov A. N., Petrov S. V., Pyatoshin Yu. P., Konstantinov N. A.

Possibilities to Provide Electronic Protective Measures for the Areas on the Surface of the Earth
from Unauthorized Observation

Vatutin V. M., Kovalenko L. S., Kruglov S. A.

Power Amplifier for the Transceiver Module of a Ka-band Active Phased Array
Buyankin A. V., Trunova A. Yu., Nelin A. A., Ragulina L. E., Ryzhakov M. V.

Systems Analysis, Spacecraft Control, Data Processing, and Telemetry Systems
Technique to Determine Information Amount on the Space Rocket State in the Telemetric Messages Flow

Kuimov А. V.

Application of Wavelet Transforms for Analysis and Compression of Telemetric Data of Vibration Processes
Mamedov T. T., Gubaidulin I. R., Kosarev D. I., Oreshko V. V.

Methods of Controlled Diversity Reception of Telemetered Data
Vorontsov V. L.

Automation of Control and Testing Processes for Prototypes of Rocket and Space Technology
at Customer Test Sites

Ivanov K. S., Bondareva M. K., Zhdanovich M. I., Petrenko A. N., Starikov E. A.

Development of Methods and Algorithms for Processing Earth Remote Sensing Data for Flood Risk Evaluation
Dolgoborodov L. E., Savosin I. V.

Solid-State Electronics, Radio Electronic Components,
Micro- and Nanoelectronics, Quantum Effect Devices
Characteristics of a Multilayer Switching Microwave Board for a Space Purpose Micromodule
Zhukov A. A., Kalashnikov A. Yu., Poimalin V. E.

Historical Review
Memories of Several Events of the Moon Exploration Era in the Course of the Soviet E-8, E-8/5 Program
and the US Apollo Program

Molotov E. P., Yu.A. Timofeev

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2019, том 6, выпуск 4, c. 3–12

КОСМИЧЕСКИЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ПРИБОРЫ.
РАДИОЛОКАЦИЯ И РАДИОНАВИГАЦИЯ

УДК 629.783 DOI 10.30894/issn2409-0239.2019.6.4.3.12

Уточнение геометрической интерпретации
пространственного геометрического фактора в ГНСС

С. И. Ватутин, к. т. н., [email protected]
АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация

А. А. Поваляев, д. т. н., профессор, [email protected]
АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация
ФГБОУ «Московский авиационный институт» (национальный исследовательский университет),

Москва, Российская Федерация

Аннотация. Спутниковая навигация в условиях затенения (город, горы) осуществляется при сужении угла зрения на созвездие
навигационных космических аппаратов (НКА), что приводит к снижению числа видимых НКА вплоть до предельно допусти-
мых четырех. В этих условиях становится справедлива полученная сорок лет назад Дж. Спилкером оценка пространственного
геометрического фактора как величины, обратной объему пирамиды, вписанной в сферу единичного радиуса вокруг потре-
бителя на концах векторов, направленных от потребителя на четыре НКА, из которых один находится в зените. Объемная
аппроксимация Дж. Спилкера очень наглядна, но прямые вычисления показывают, что ее точность существенно снижается
при сужении угла зрения на созвездие НКА. В работе осуществлено уточнение объемной интерпретации пространственного
геометрического фактора. Уточнение состоит в добавлении к аппроксимирующему объему пирамиды Спилкера объема пи-
рамиды, образуемой векторами от потребителя к трем нижним НКА. Предложенная аппроксимация стремится к точному
значению пространственного геометрического фактора при сужении угла зрения на созвездие НКА и дает предельно про-
стую инженерную оценку пространственного геометрического фактора созвездия из четырех НКА: для наземного потребителя
геометрический фактор примерно в 2,3 раза больше величины, обратной квадрату синуса половинного угла зрения на со-
звездие НКА, а при малых углах зрения примерно в 2,3 раза больше величины, обратной квадрату половинного угла зрения
в радианах.

Ключевые слова: геометрический фактор, навигационный космический аппарат, аппроксимирующий объем, угол зрения

More Precise Definition of the Geometric Interpretation
of Position Dilution of Precision in GNSS

S. I. Vatutin, Cand. Sci. (Engineering), [email protected]
Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation

A. A. Povalyaev, Dr. Sci. (Engineering), Prof., [email protected]
Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation

Moscow Aviation Institute (national research university), Moscow, Russian Federation

Abstract. Satellite navigation in shadowing conditions (town, mountains) is realized with a narrowing of the angle of view towards
the constellation of navigation spacecraft (NS), which leads to a reduction of the number of visible NS to the minimum allowed
number of four. In these conditions, the estimate of the Position Dilution of Precision (derived forty years ago by J. J. Spilker)
as an inverse value to the volume of a pyramid inscribed in a unit radius sphere around the user at the end of vectors that
are directed from the user to four spacecraft, one of which is in zenith, becomes valid. The J. J. Spilker volumetric approximation
is very visual but direct calculations demonstrate that its precision drops significantly when narrowing the angle of view towards the
NS constellation. This article contains a more precise Position Dilution of Precision (PDOP) volumetric approximation. Refinement
consists in adding the volume of the pyramid formed by the vectors from the user to three lower NS to the approximating volume
of the Spilker pyramid. The proposed approximation tends to the exact value of PDOP for a narrowing angle of view towards a NS
constellation and gives a maximally simple engineering estimate of PDOP for a constellation of four spacecraft. The PDOP for the
ground-based consumer is approximately 2.3 times greater than the inverse value of the square of the sine of the half angle of view
towards the NS constellation; and it is 2.3 times greater than the inverse value to the square of half the angle of view in radians
at small angles of view.

Keywords: Position Dilution of Precision, navigation spacecraft, approximating volume, angle of view

4 С. И. ВАТУТИН, А. А. ПОВАЛЯЕВ

Одной из актуальных задач спутниковой на- где Dxx, Dyy, Dzz — первые три диагональных эле-
вигации является обеспечение высокой точности мента квадратной четырехмерной ковариационной
местоопределения в горных и городских условиях
с углами затенения над горизонтом (УЗГ) до 40◦. матрицы D:
Затенения приводят к сужению зоны радиовиди-
мости (ЗРВ) созвездия навигационных КА (НКА), Dxx Dxy Dxz Dxb
а также к уменьшению количества НКА в ЗРВ.
Как показано на рис. 1, заимствованном из [1], уже D= Dyx Dyy Dyz Dyb , (3)
при УЗГ 26◦ доля времени, когда количество види- Dzx Dzy Dzz Dzb
мых КА ГЛОНАСС уменьшается до четырех, близ-
ка к 50 %, а значения пространственного геометри- Dbx Dby Dbz Dbb
ческого фактора (ПГФ) на этих интервалах резко
возрастают до десятков, сотен и более. В то же которая, в свою очередь, вычисляется на основе гра-
время появление в ЗРВ потребителя пятого НКА диентной матрицы координат навигационных спут-
резко снижает значение ПГФ до «хороших» значе- ников H по формуле [2]:
ний 2,5–3.
D = (GT · G)−1, (4)
По определению [2–4] ПГФ, или коэффици-
ент геометрии пространственный Kгп, является от- где градиентная матрица G вычисляется по форму-
ношением среднеквадратической ошибки определе- ле [2]:
ния координат потребителя σп к среднеквадратиче-
ской ошибке измерения псевдодальностей σпд: cos(α1) cos(β1) cos(γ1) 1
cos(α2) cos(β2) cos(γ2)
G= ... ... ... 1 , (5)
...

cos(αN ) cos(βN ) cos(γN ) 1

Kгп = σп/σпд. (1) αi, βi, γi — углы линии визирования «потреби-
тель — i-й НКА» относительно осей системы коор-
Из (1) видно, что чем меньше Kгп, тем точнее
определяются координаты потребителя при той же динат x, y, z. N — количество видимых потребите-
точности измерения псевдодальностей.
лем НКА. Направляющие косинусы определяются
ПГФ Kгп вычисляется по формуле [5]:
соотношениями

cos(αi) = xп − xi , (6)
Ri,п (7)

Kгп = Dxx + Dyy + Dzz, (2) cos(βi) = yп − yi ,
Ri,п

Рис. 1. Количество КА ГЛОНАСС, видимых потребителю в Барнауле (50◦ с. ш., 83◦ в. д.) при УЗГ 26◦ (а) и ПГФ (б)
как функции времени

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

УТОЧНЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ФАКТОРА 5

cos(γi) = zп − zi , (8) геометрического фактора для четырех НКА, кото-
Ri,п рое в наших обозначениях для ПГФ Kгп имеет вид:

Ri,п = (xп − xi)2 + (yп − yi)2 + (zп − zi)2. (9) 34

Здесь xi, yi, zi — координаты i-го НКА, xп, yп, Kгп = 1 gi2j , (10)
zп — координаты потребителя. |G|
i=1 j=1
Алгоритм вычисления ПГФ, задаваемый выра-
жениями (2)–(9), никак не поясняет причину рез- где gij — алгебраические дополнения элементов
кого возрастания ПГФ при уменьшении количества матрицы G−1, обратной к матрице G (5), gij/|G| —
видимых НКА до четырех. Однако это можно сде- элементы обратной матрицы G−1. По утверждению
лать с помощью простой и наглядной геометри- Спилкера, числитель формулы (10) много меньше
ческой интерпретации, которую дал Дж. Спилкер зависит от геометрии, чем определитель |G|. Опи-
в работе [6] для потребителя, находящегося на по- раясь на это утверждение Дж. Спилкера, можно
верхности Земли рис. 2, а, и в работе [7] для по- сделать вывод о том, что ПГФ Kгп обратно пропор-
требителя, находящегося над поверхностью Земли ционален определителю матрицы G (5).
рис. 2, б. В этих работах Дж. Спилкер утверждает,
что для четырех навигационных космических аппа- Нетрудно показать, что при нахождении одно-
ратов, находящихся в зоне радиовидимости потре- го из НКА в зените над потребителем определи-
бителя, из которых один находится в зените, ПГФ тель |G| равен объему параллелепипеда, построен-
обратно пропорционален объему треугольной пира- ного на единичных векторах, ориентированных от
миды, вершинами которой являются концы четы- верхней вершины пирамиды Спилкера к трем ее
рех единичных векторов, исходящих от потребите- нижним вершинам. При этом объем этого парал-
ля в направлении на НКА (рис. 2). Будем называть лелепипеда в шесть раз больше объема пирамиды.
такую пирамиду пирамидой Спилкера. Из этой геометрической интерпретации определи-
теля Дж. Спилкер делает простой и геометриче-
В работе [7] Дж. Спилкер обосновывает свое ски понятный вывод: ПГФ прямо пропорционален
утверждение с помощью выражения для полного величине, обратной объему пирамиды Спилкера,

Рис. 2. Пирамида Спилкера при 0 < Θ 90◦ (а) и 90◦ < Θ 180◦ (б)
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

6 С. И. ВАТУТИН, А. А. ПОВАЛЯЕВ

или, иными словами, чем больше объем пирамиды, Рис. 4. Четыре НКА в поле зрения (два близких),
тем меньше ПГФ и тем выше точность местоопре- Kгп = 75
деления потребителя. При этом в работах Спилке-
ра [6, 7] не приводится никаких сведений о коэффи- Рис. 5. Четыре рассредоточенных НКА в одной плоско-
циенте указанной пропорциональности, что затруд- сти, Kгп = 15 576
няет использование результатов работ Спилкера для
практических приложений.

Для более глубокого понимания причины рез-
кого возрастания ПГФ рассмотрим положение то-
чек, определяющих положение вершин пирамиды
Спилкера на единичной сфере и, следовательно,
задающих ее объем. Положение этих точек будем
рассматривать в топоцентрической системе коорди-
нат с началом в точке расположения потребите-
ля на поверхности Земли, осью X, направленной
в плоскости горизонта на восток, осью Y , направ-
ленной в той же плоскости на север, и осью Z,
направленной по местной вертикали. На рис. 3
и 4 показано положение рассматриваемых точек
в топоцентрической системе для моментов време-
ни до и после резкого возрастания Kгп от 2,8 до 75
на левом фронте зубца, выделенного пунктиром на
нижнем графике рис. 1, б, в середине этого зубца
с практически бесконечным Kгп = 15 576 (рис. 5),
до и после резкого уменьшения Kгп от 141 до 3
на правом фронте указанного зубца (рис. 6 и 7).

Рис. 6. Четыре рассредоточенных НКА почти в одной
плоскости (перед правым фронтом зубца), Kгп = 141

Рис. 3. Пять НКА в ЗРВ (два близких), Kгп = 2,8

Из анализа рис. 4–6 видим, что орбиталь- Рис. 7. Пять НКА в поле зрения (после правого фронта
ное построение ГЛОНАСС таково, что в начале зубца), Kгп = 3
и в конце интервала времени с четырьмя НКА
в ЗРВ вершины пирамиды, соответствующие этим
НКА, находятся почти в одной плоскости и поэто-
му пирамида с такими вершинами имеет очень ма-
лый объем. В середине интервала времени с че-
тырьмя НКА в ЗРВ (рис. 5) наступает момент, ко-
гда объем пирамиды становится нулевым, а ПГФ
устремляется в бесконечность. Как только в ЗРВ

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

УТОЧНЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ФАКТОРА 7

появляется пятый НКА, четыре точки из пяти на метрические соотношения для вычисления элемен-
поверхности единичной сферы образуют пирамиду, тов градиентной матрицы и объема идеальной пи-
объем которой заметно отличается от нуля (рис. 3 рамиды Спилкера как функции половинного угла
и 7), что приводит к резкому падению ПГФ. зрения Θ при 0 < Θ 90◦ (рис. 8, а) и Θ > 90◦
(рис. 8, б). На этом рисунке H — высота орбит
Интерпретация ПГФ с помощью объема пи- НКА, d на рис. 1, a — высота над Землей плоскости
рамиды Спилкера наглядно поясняет причину его расположения трех нижних НКА, g на рис. 2, б —
резкого возрастания при сужении ЗРВ. Неудиви- расстояние от точки расположения потребителя до
тельно, что в силу простоты и наглядности этой плоскости трех нижних НКА. На обоих рисунках
интерпретации она «кочует» из одной работы по нижние НКА разнесены в плоскости их располо-
спутниковой навигации в другую и, в частности, жения по окружности на 120◦. R — радиус Земли,
упоминается в фундаментальной монографии [2]. E — угол возвышения (elevation) нижних НКА над
горизонтом, R3НКА — радиус окружности, вырезае-
Вместе с тем прямые вычисления по строгим мой плоскостью трех нижних НКА на сфере радиу-
формулам (2)–(9) показывают, что столь удобная сом R + H, RНД — дальность от точки нахождения
для наглядных представлений обратная пропорци- потребителя до каждого нижнего НКА.
ональность ПГФ объему пирамиды Спилкера нару-
шается тем больше, чем у´же становится ЗРВ. Нетрудно показать, что в ранее введенной то-
поцентрической системе координат XY Z с нача-
Для выяснения причин этого найдем строгое лом в точке расположения потребителя на поверх-
аналитическое выражение для ПГФ созвездия из ности Земли НКА-0, находящийся в зените отно-
четырех НКА, порождающих идеальную пирамиду сительно потребителя, имеет координаты (0, 0, H);
Спилкера, с максимальным объемом и такое же вы- НКА-1 в плоскости трех нижних НКА, располага-
ражение для объема этой пирамиды. В основании ющийся по направлению оси X, имеет координа-
идеальной пирамиды Спилкера лежит равносторон- ты (R3НКА, 0, d(−g)); НКА-2 и НКА-3, находящие-
ний треугольник, а ее вершина расположена строго ся в плоскости трех нижних НКА под углом 120◦
над потребителем. в разные стороны от НКА-1, имеют координаты

Для поиска указанных аналитических выра-
жений этого обратимся к рис. 8, где показаны гео-

Рис. 8. Геометрические соотношения для вычисления элементов градиентной матрицы и объема идеальной пира-
миды Спилкера при 0 < Θ 90◦ (а) и Θ > 90◦ (б)

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

8 С. И. ВАТУТИН, А. А. ПОВАЛЯЕВ

(−R3НКА · cos(60◦), −R3НКА · cos(30◦), d(−g)) НКА, с направляющими косинусами (10), и любого
и (R3НКА · cos(60◦), R3НКА · cos(30◦), d(−g)) соответ-
ственно. Отсюда в соответствии с рис. 8 получаем из единичных векторов, ориентированных от потре-

выражения для направляющих косинусов НКА-0– бителя на нижние НКА, с направляющими косину-
сами (12)–(14), равно косинусу угла между этими
НКА-4 как функции половинного угла зрения Θ: векторами, т. е. равно cos Θ. Вычисление скалярного
произведения двух любых векторов, ориентирован-
cos(α0) = 0; cos(β0) = 0; cos(γ0) = 1, (11)
(12) ных на нижние НКА, с направляющими косинусами
cos(α1) = sin(Θ); cos(β1) = 0; (13)
(14) (12)–(14) при изменении угла Θ во всем диапазоне
cos(γ1) = cos(Θ), 0 < Θ < 180◦, дает следующее выражение для коси-
нуса угла α между ними: cos α = (3 cos2 Θ − 1)/2.
− sin(Θ) − sin(Θ) √ 3;
2 2 При cos Θ = −1/3 cos α = −1/3, т. е. угол α
cos(α2) = ; cos(β2) =
между двумя любыми векторами, ориентирован-
cos(γ2) = cos(Θ),
ными от потребителя в сторону нижних НКА при
− sin(Θ) ; sin(Θ) · √ 3; Θ = Θopt = 109,47◦ также равен 109,47◦. Таким об-
2 2 разом, при Θ = Θopt = 109,47◦, при котором дости-
cos(α3) = cos(β3) = гается минимально возможное значение ПГФ, рав-

cos(γ3) = cos(Θ). ное 1,5, потребитель находится в геометрическом

Из (2)–(9), (11)–(14) для рассматриваемого центре правильного тетраэдра с равными гранями.

идеального созвездия НКА, порождающего идеаль- Нетрудно показать, что объем идеальной пи-
рамиды Спилкера для обоих случаев 0 < Θ 90◦
ную пирамиду Спилкера, опираясь на [8], получа- и Θ > 90◦ определяется выражением

ем следующее простое выражение для вычисления √√
ПГФ как функции угла Θ (E = 90◦ − Θ), кото- 3 ·(sin Θ)2(1−cos Θ) = 3 ·(cos E)2(1−sin E).
рое справедливо для обоих случаев 0 < Θ 90◦ Vпс =
и Θ > 90◦: 4 4
(17)

Kгп = 8 = Из (15) и (17) получаем формулу для отноше-
− cos Θ)2(1
3(1 + cos Θ) ния идеального ПГФ к величине, обратной объему

(15) идеальной пирамиды Спилкера:

= 3(1 − sin E 8 (1 + sin E) . Kгп (1 − cos Θ)2(1 − cos Θ)
)2 2
1 = KгпVпс =
(1 − sin E)2(1 − sin E) .
Оптимальное значение угла Θ, при котором Vпс (18)
достигается минимальное значение ПГФ, неслож- 2
но найти, приравняв производную (15) нулю и ис- =
пользуя [9, 10]. В результате получим квадратное
уравнение График отношения (18) во всем диапазоне
0◦ < Θ < 180◦ изменения половинного угла зре-
3 cos2 Θ − 2 cos Θ − 1 = 0, (16) ния Θ (90◦ > E > −90◦), показанный на рис. 9,

решение которого дает два корня: cos Θ = 1, т. е. имеет ярко выраженный максимум, поиск которо-

половинный угол зрения Θ = 0, при котором в со- го путем дифференцирования (18) опять приводит

ответствии с (14) ПГФ обращается в бесконеч- к решению квадратного уравнения (16) и значе-
нию cos Θopt = −1/3. Приравняв производную от
ность (экстремум типа максимум), и cos Θopt = объема пирамиды Спилкера нулю, снова получим
= −1/3, при котором оптимальный половинный cos Θopt = −1/3 для максимального объема пира-
угол зрения Θopt = 109,47◦ (E = −19,47◦). Под- миды.
становка cos Θ = −1/3 в (14) дает минимальное
Таким образом, минимум ПГФ соответствует
значение ПГФ Kгп min = 3/2 = 1,5.
Скалярное произведение единичного векто- максимуму объема пирамиды Спилкера и максиму-

ра, ориентированного от потребителя на зенитный му отношения ПГФ к величине, обратной объему

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

УТОЧНЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ФАКТОРА 9

сферы, а треугольное основание совпадает с осно-
ванием пирамиды Спилкера. Ребра дополняющей
пирамиды показаны на рис. 2, а и 2, б пунктирны-
ми линиями.

В соответствии с рис. 2, а дополняющая пира-
мида при 0 < Θ 90◦ имеет высоту

hд1 = cos Θ. (19)

Отсюда имеем выражение для вычисления объе-
ма Vд1 дополняющей пирамиды при 0 < Θ 90◦:

Рис. 9. Отношение ПГФ к величине, обратной объему √
пирамиды Спилкера, при изменении половинного угла 3 · sin2 Θ · cos Θ =
Vд1 = 4√
зрения Θ в диапазоне от 1◦ до 179◦
= 3 · cos2 E · sin E. (20)
пирамиды Спилкера, при значении косинуса 4
cos Θopt = −1/3.
Из (17) и (20) получаем простое для инже-
Из графика рис. 9 видно, что отношение ПГФ нерных оценок выражение для суммарного объема
к величине, обратной объему пирамиды Спилке- VΣ1 = Vпс+Vд1 пирамиды Спилкера и дополняющей
ра во всем диапазоне 0 < Θ < 180◦, достига- пирамиды при 0 < Θ 90◦:
ет максимального значения ∼0,77 вблизи Θопт =
= 109,47 и быстро уменьшается при отклонении √√
половинного угла зрения Θ от Θопт. Это означа- 3 · sin2 Θ = 3 · cos2 E.
ет, что величина, обратная объему идеальной пи- VΣ1 = (21)
рамиды Спилкера, при отклонении половинного уг- 4 4
ла зрения Θ от Θопт = 109,47 растет существенно
быстрее, чем идеальный ПГФ. То есть предположе- В соответствии с рис. 2, б дополняющая пира-
ние Спилкера о малой чувствительности числителя мида при Θ > 90◦ (E > 0◦) имеет высоту
в общей формуле для ПГФ (10) к геометрии со-
звездия НКА не соответствует действительности. hд2 = − cos Θ. (22)
Коэффициент пропорциональности ПГФ и величи-
ны, обратной объему пирамиды Спилкера, сильно Отсюда имеем выражение для вычисления
зависит от угла зрения на созвездие НКА. Поэтому объема Vд2 дополняющей пирамиды, соответствую-
использование величины, обратной к объему пира- щей случаю Θ > 90◦ (E > 0◦):
миды Спилкера, для имеющих практический ин-
терес инженерных оценок ПГФ при значительных √
отклонениях угла зрения Θ от оптимальных значе- 3
ний будет давать большие ошибки. Vд2 =− 4 · (sin Θ)2 · cos Θ =
√
Для устранения этого недостатка необходимо = − 3 · (cos E)2 · sin E.
увеличить аппроксимирующий объем, обратная ве- (23)
личина которого используется в качестве оценки 4
ПГФ. Это можно сделать за счет расширения объе-
ма пирамиды Спилкера объемом дополняющей пи- Из (17) и (23) получаем простое выражение
рамиды, показанной на рис. 2, а и 2, б. Верши-
на этой пирамиды располагается в точке располо- для суммарного объема VΣ2 = Vпc + Vд2 пирамиды
жения потребителя, то есть в центре единичной Спилкера и дополняющей пирамиды при Θ > 90◦
(E < 0◦):

√
3 · (sin Θ)2(1 − 2 cos Θ) =
VΣ2 = 4√

= 3 · (cos E)2(1 − 2 sin E). (24)
4

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

10 С. И. ВАТУТИН, А. А. ПОВАЛЯЕВ

Выражения (21) и (24) для суммарных объе-

мов VΣ1 и VΣ2 могут быть представлены с помощью
единого выражения

√
3 · (sin Θ)2(1 − cos +| cos Θ|) =
VΣ = Vпс + Vдоп =
√ 4

= 3 · (cos E)2(1 − sin E + | sin E|). (25)
4

Графики зависимостей ПГФ и величин, обрат- Рис. 11. Зависимость отношения ПГФ к величинам, об-
ных объему пирамиды Спилкера (1/Vпс) и обрат- ратным объему пирамиды Спилкера и суммарному объе-
ных суммарному объему (1/VΣ) как функции по-
ловинного угла зрения Θ, представлены в логариф- му VΣ, от половинного угла зрения Θ
мическом масштабе на рис. 10. Из этих графиков
видно, что величины, обратные объемам, аппрок- причем при половинном угле зрения в 120◦ ве-
симируют ПГФ, причем аппроксимация на основе
суммарного объема существенно точнее аппрокси- личина, обратная аппроксимирующему объему VΣ,
мации на основе пирамиды Спилкера вплоть до по- дает абсолютно точное значение ПГФ. С другой
ловинного угла зрения порядка 150◦ (до угла воз-
вышения E = −60◦). стороны, при стремлении половинного угла зрения
к 0◦ величина, обратная аппроксимирующему объе-
Рис. 10. Зависимость ПГФ и величин, обратных объему
пирамиды Спилкера и суммарному объему VΣ, от поло- му VΣ, также стремится к точному значению ПГФ.
В соответствии с (21) получаем простейшую инже-
винного угла зрения Θ
нерную оценку геометрического фактора созвездия
На рис. 11 показаны графики зависимостей из четырех НКА. При углах зрения Θ 90◦ гео-
от половинного угла зрения Θ отношений ПГФ метрический фактор примерно в 2,3 раза больше
к величинам, обратным объему пирамиды Спилке-
ра и суммарному объему VΣ. величины, обратной квадрату синуса половинного
угла зрения, а при малых углах зрения, где sin Θ ≈
Как видно из рис. 11, отношение ПГФ к вели- ≈ Θ, примерно в 2,3 раза больше величины, обрат-
чине, обратной суммарному объему VΣ, существен- ной квадрату половинного угла зрения в радианах.
но ближе к единице, чем к величине, обратной
объему пирамиды Спилкера, во всем диапазоне 0 < Отметим, что половинные углы зрения (углы
< Θ < 180◦ изменения половинного угла зрения Θ, возвышения E < 0◦) могут быть обеспечены толь-

ко для потребителя, поднятого над поверхностью

Земли. Используя рис. 12, нетрудно показать, что

минимальная высота потребителя над поверхно-

стью Земли, при которой нижние НКА созвездия

видны потребителю под оптимальным углом зре-
ния Θопт = 109,47, определяется выражением

hoptmin = R − R =
sin(180◦ − Θopt)

= 6371 − 6371 = 386,5 км. (26)
sin(180◦ − 109,47◦)

Таким образом, Международная космическая
станция, летающая на высотах порядка 400 км,

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

УТОЧНЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ФАКТОРА 11

потенциально имеет оптимальные условия место- требителя, который может иногда работать с созвез-
определения по четырем НКА ГНСС с ПГФ, близ- диями НКА, близкими к идеальным, составляет
ким к 1,5. При этом отношение (18) ПГФ (15)
к величине, обратной объему идеальной пирами- hmax = (R + H) sin(19◦) − R = 2424,7 . (28)
ды Спилкера (17), составляет 0,77, а к величине, sin(180◦ − Θopt)
обратной к суммарному объему (25), составля-
ет 0,962. Это еще раз свидетельствует о лучшей Заключение
аппроксимации ПГФ суммарным объемом VΣ (25).
Проведено уточнение результатов работ
Следует, однако, отметить, что современные Дж. Спилкера по геометрической аппроксимации
ГНСС ориентированы главным образом на наземно- ПГФ с помощью суммы объемов двух треугольных
го потребителя. Использование спутниковой нави- пирамид. Вершинами первой пирамиды являются
гации на борту КА-потребителей существенно огра- концы четырех единичных векторов, исходящих
ничивается шириной диаграммы направленности ан- от потребителя в направлении на четыре НКА
тенны, излучающей навигационные сигналы. Так, созвездия. Один из этих НКА находится в зените
в НКА системы ГЛОНАСС ширина диаграммы пе- над потребителем, три остальных НКА равномерно
редающей антенны составляет 38◦ [5]. Поэтому, как распределены в общей проскости, параллельной
следует из рис. 12, гарантированное примене- плоскости местного горизонта и располагающейся
ние ГНСС ГЛОНАСС возможно только до мак- ниже зенитного НКА. Эта прирамида была вве-
симальных высот нахождения КА-потребителя по- дена в работах Спилкера. Вторая дополнительная
рядка пирамида, введенная в данной статье, имеет те же
вершины, что и первая пирамида, за исключением
hнм = (R + H) sin(19◦) − R = 1921,5 . (27) вершины, соответствующей зенитному спутнику.
Для КА-потребителей, летающих выше hнм = Во второй пирамиде эта вершина находится в точке
= 1921,5 км, навигационное поле ГЛОНАСС имеет расположения потребителя.
разрывы. При этом максимальная высота КА-по-
Показано, что величина, обратная суммарно-
Рис. 12. К оценке минимальной и максимальной вы- му объему первой и второй пирамид, с существен-
соты НКА потребителя при работе по идеальному но лучшей для практических приложений точно-
стью аппроксимирует ПГФ по сравнению с пред-
созвездию ложенной Спилкером величиной, обратной толь-
ко объему первой пирамиды. Причем коэффициент
пропорциональности между ПГФ и величиной об-
ратной к суммарному объему первой и второй пи-
рамид стремится к 1 при приближении половин-
ного угла зрения Θ к 0◦ и 120◦, тогда как ко-
эффициент пропорциональности для приближения
Спилкера при сужении угла зрения к 0◦ стремится
к нулю.

Предложенная в данной работе аппроксимация
дает предельно простую инженерную оценку гео-
метрического фактора созвездия из четырех НКА.
При Θ 90◦ геометрический фактор примерно
в 2,3 раза больше величины, обратной квадрату
синуса половинного угла зрения, а при малых уг-
лах зрения, где sin Θ ≈ Θ, — примерно в 2,3 раза
больше величины, обратной квадрату половинного
угла зрения в радианах.

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

12 С. И. ВАТУТИН, А. А. ПОВАЛЯЕВ

Список литературы тут (Государственный технический университет),
кафедра 604 «Системный анализ и управление». М.,
1. Ватутин С. И. Оценка геометрического факто- 2005.
ра для наземного потребителя системы ГЛОНАСС
с высокоэллиптическим дополнением // Ракетно- 6. Spilker J. J. GPS Signal Structure and Performance
космическое приборостроение и информационные Characteristics. Navigation // Journal of Institute
системы, 2016, т. 3, вып. 3. С. 12–28. of navigation, 1978, vol. 25, N 2. P. 121–146.

2. ГЛОНАСС. Принципы построения и функциони- 7. Global Positioning System: Theory and Applications /
рования / Под ред. А. И. Перова, В. Н. Харисова. Edited by Parkinson B. W. and Spilker J. J. Progress
Изд. 3-е, перераб. М.: Радиотехника, 2005. 688 с. in astronautics and aeronautics. Vol. 163. Published
by the American Institute of Aeronautics and Astro-
3. Радиосистемы и комплексы управления / Под ред. nautics, Inc. 370 L’Enfant Promenade, SW, Washing-
В. А. Вейцеля. М.: Вузовская книга, 2016. 572 с. ton, DC 20024-2518, 1996.

4. Малышев В. В., Куршин В. В., Ревнивых С. Г. Введе- 8. Корн Г. и Корн Т. Справочник по математике. М.:
ние в спутниковую навигацию. М.: МАИ-ПРИНТ, Наука, 1968. 720 с.
2008. 188 с.
9. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по
5. Малышев В. В., Куршин В. В. Спутниковые навига- математике. М.: Наука, 1964. 608 с.
ционные системы: Электронный учебник (курс лек-
ций) для обучения специалистов в области спутни- 10. Кудрявцев Л. Д. Курс математического анализа:
ковой навигации / Московский авиационный инсти- В 3 т. М.: Дрофа, 2003–2006. Т. 1–3.

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2019, том 6, выпуск 4, c. 13–23

РАДИОТЕХНИКА И КОСМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

УДК 621.396.933.47.49.33 DOI 10.30894/issn2409-0239.2019.6.4.13.23

Перспективная плата ЦПРМ для приемо-передающего
унифицированного устройства командно-измерительной

системы для управления космическим аппаратом

А. А. Григорьев, к. ф.-м. н., с. н. с, [email protected]
Московский физико-технический институт, г. Долгопрудный, Московская область, Российская Федерация

Л. Р. Медова, [email protected]
Московский физико-технический институт, г. Долгопрудный, Московская область, Российская Федерация

М. В. Рыжаков, с. н. с, [email protected]
Московский физико-технический институт, г. Долгопрудный, Московская область, Российская Федерация

М. С. Буркина, [email protected]
Московский физико-технический институт, г. Долгопрудный, Московская область, Российская Федерация

Н. Н. Булгаков, [email protected]
АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация

А. В. Круглов, д.т.н, профессор, [email protected]
АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация

И. Е. Сидоренко, к.т.н, [email protected]
АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация

А. А. Кривошеин, [email protected]
АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация

А. В. Алыбин, [email protected]
АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация

В. Г. Алыбин, д.т.н, с. н. с, [email protected]
АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация

А. В. Царьков, [email protected]
ООО «Базовые технологии», Москва, Российская Федерация

И.В. Филатов, к. ф.-м. н, с. н. с, [email protected]
Московский физико-технический институт, г. Долгопрудный, Московская область, Российская Федерация

Аннотация. В работе представлены алгоритмы функционирования и основные принципы, положенные в основу проектирова-
ния перспективной платы цифрового приемника (ЦПРМ) приемо-передающего устройства (ППУ) унифицированной БА КИС
нового поколения, предназначенной для приема командно-программной информации и передачи дальнометрической и телемет-
рической информации. Реализация в цифровом виде функций приемника по фильтрации входного сигнала, автоматической
регулировки усиления, поиску фазы кода псевдослучайной последовательности, расширения спектра сигнала, синхрониза-
ции по несущему колебанию и границам передаваемых символов, демодуляции и формированию сигнала ответного канала,
декодированию и пакетной обработке позволяет существенно увеличить надежность работы изделия и улучшить массогабарит-
ные характеристики ППУ в целом. Регенерация приемником кода дальнометрической последовательности дает возможность
обеспечить высокую точность радиометрических измерений. Возможность программной модификации параметров приемника
открывает путь к реализации широкого спектра скоростей приема и передачи данных без модификации аппаратной состав-
ляющей ППУ. Преимущественное использование отечественной элементной базы при разработке платы ЦПРМ позволяет
существенно уменьшить зависимость производства космической техники от возможности применять элементную базу ино-
странного производства в составе того или иного изделия.

Ключевые слова: малые космические аппараты, командно-измерительные системы, цифровой приемник приемо-передающе-
го устройства, бортовая аппаратура, радиометрические измерения, фильтрация входного сигнала, поиск фазы кода псевдо-
случайной последовательности, расширение спектра, синхронизация по несущему колебанию, синхронизация по границам
передаваемых символов, демодуляция, формирование сигнала ответного канала, декодирование, пакетная обработка

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2019, том 6, выпуск 4, c. 13–23

РАДИОТЕХНИКА И КОСМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Perspective Digital Receiver of the Transmitter-Receiver Unit
for On-Board Equipment of a Command-Measuring System

A. A. Grigoryev, Cand. Sci. (Phys.-Math.), Senior Researcher, [email protected]
Moscow Institute of Physics and Technology, Dolgoprudny, Moscow Region, Russian Federation

L. R. Medova, [email protected]
Moscow Institute of Physics and Technology, Dolgoprudny, Moscow Region, Russian Federation

M. V. Ryzhakov, Senior Researcher, [email protected]
Moscow Institute of Physics and Technology, Dolgoprudny, Moscow Region, Russian Federation

M. S. Burkina, [email protected]
Moscow Institute of Physics and Technology, Dolgoprudny, Moscow Region, Russian Federation

N. N. Bulgakov, [email protected]
Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation

A. V. Kruglov, Dr. Sci. (Engineering), Prof., [email protected]
Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation

I. E. Sidorenko, Cand. Sci. (Engineering), [email protected]
Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation

A. A. Krivoshein, [email protected]
Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation

A. V. Alybin, [email protected]
Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation
V. G. Alybin, Dr. Sci. (Engineering), Senior Researcher, [email protected]
Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation

A. V. Tzarkov, [email protected]
LLC “Bazovye Technology”, Moscow, Russian Federation
I. V. Filatov, Cand. Sci. (Phys.-Math.), Senior Researcher, [email protected]
Moscow Institute of Physics and Technology, Dolgoprudny, Moscow Region, Russian Federation

Abstract. This paper presents operation algorithms and main principles underpinning the design of promising breadboard for
the digital receiver of the transmitter-receiver unit of the unified new generation command measuring on-board equipment intended
to receive the command programmatic information and to transmit the distance and telemetric information. The receiver functions
are an input signal filtration, automatic gain control, search for a code phase of a pseudorandom sequence, extension of a signal
spectrum, synchronization on a carrier wave and a transmitted symbols board, demodulation and signal generation of a responder
channel, decoding and batch processing. These functions implemented in a digital form make possible a significant increase in the
operating system reliability and in improvement of the dimensional characteristics of a transmitter-receiver unit in the general.
The receiver code regeneration of a rangefinder sequence provides the opportunity to achieve a high accuracy in radiometric
measurements. The opportunity for programmatic modification of receiver settings opens the way to implement a wide range
of data transfer and reception rate without the modification of the transmitter-receiver unit hardware components. The priority
use of domestic components in designing the breadboard for the digital receiver can significantly lower the dependence of space
technology production on the ability to use foreign components within a product.

Keywords: small spacecraft, command measuring on-board equipment, digital receiver of the transmitter-receiver unit, on-board
equipment, radiometric measurements, input signal filtration, search for a code phase of a pseudorandom sequence, extension
of a signal spectrum, synchronization on a carrier wave, synchronization on a transmitted symbols board, demodulation, signal
generation of a responder channel, decoding, batch processing

ПЕРСПЕКТИВНАЯ ПЛАТА ЦПРМ ДЛЯ ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА 15

Введение образования сигналов в аналоговом виде, возложив
основную роль по выполнению требований назна-
В настоящее время все большее число тради- чения на цифровую часть.
ционных космических задач, таких как дистанци-
онное зондирование Земли, предоставление услуг Особенности построения платы
широкополосной связи или формирование глобаль- ЦПРМ для ППУ БА КИС
ного навигационного сигнала, становится возмож-
ным решить при помощи малых космических аппа- Центральным компонентом платы ЦПРМ яв-
ратов (МКА). Относительно низкая стоимость про- ляется цифровой модуль — заказная СБИС Рос-
изводства и запуска последних открывает широкие сийского производства, внутри которой реализова-
перспективы развития этого рынка на ближайшие ны все функции по обработке сигнала запросного
десятилетия. и формированию сигнала ответного каналов. Про-
чие компоненты платы главным образом отвечают
Разработка практически любого современного за согласование форматов интерфейсных сигналов
МКА неизбежно сталкивается с проблемой органи- платы с входами–выходами СБИС.
зации командно-измерительной системы (КИС) для
связи бортовой аппаратуры (БА) с наземными сред- Внутренность СБИС выполнена на базе высо-
ствами (НС) управления. Часто помимо связных копроизводительного 32-разрядного процессорного
функций КИС выполняет сверку бортовой шкалы ядра (ЦПУ) (рис. 1), вокруг шины которого орга-
времени (БШВ) и радиоконтроль орбиты (РКО). низованы все периферийные подсистемы. Каждая
из подсистем выглядит со стороны ядра как набор
Целью работы является создание перспектив- 32-разрядных регистров ввода/вывода.
ной платы цифрового приемника (ЦПРМ) приемо-
передающего устройства (ППУ) унифицированной
БА КИС, обеспечивающей высокую точность ра-
диометрических измерений и обладающей малыми
массовыми и габаритными характеристиками.

Описание платы ЦПРМ

Плата ЦПРМ состоит из двухканального ана- Рис. 1. Архитектура цифрового модуля платы ЦПРМ
лого-цифрового и цифро-аналогового преобразова-
теля, блока распределения тактового сигнала, циф- Набор регистров блока «Ввод/вывод» отвечает
рового модуля, ПЗУ и блока интерфейсов. за взаимодействие СБИС с внешним миром через
сигналы ее интерфейса. В частности, сюда входит
Несмотря на достаточно простое предназна- блок UART последовательного канала.
чение платы ЦПРМ — прием командно-програм-
мной информации (КПИ) и передача дальнометри- Периферийные блоки связаны между собой
ческой и телеметрической информации (ТМИ), — горизонтальными конвейерными связями данных
специфичность условий ее применения наклады- и цепями тактирования. Они выполняют свои
вает отпечаток на структурные решения, призван- функции без участия ЦПУ. ЦПУ может осуществ-
ные обеспечить выполнение требований назна- лять параметризацию блоков путем записи в их ре-
чения. гистры параметров, вмешиваться в работу блоков

Основным фактором, определяющим структуру,
является требование обеспечить минимальные мас-
согабаритные характеристики и преимущественное
отсутствие импортных компонентов в составе платы
ЦПРМ.

Для уменьшения габаритных характеристик
платы ЦПРМ разумно максимально сократить пре-

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

16 А. А. ГРИГОРЬЕВ, Л. Р. МЕДОВА, М. В. РЫЖАКОВ, М. С. БУРКИНА, Н. Н. БУЛГАКОВ И ДР.

записями в функциональные регистры и контроли- Блок GAIN приводит первичный поток выбо-
ровать ее считыванием регистров состояния. Неко- рок к стандартному динамическому диапазону под
торые из регистров подсистем включены в систему управлением внешнего сигнала «Управление усиле-
прямого доступа в память (ПДП). нием» от блока поиска/слежения. Приведение осу-
ществляется сдвигами на целое число разрядов.
ЦПУ может дать программируемому контрол- Блок I/Q выделяет квадратурные компоненты [1].
леру ПДП запрос на передачу блока последова- На его выходе формируется поток комплексных
тельных данных с любого из таких портов в блок выборок с частотой 2Fd. Блок ФНЧ — это про-
ячеек памяти, содержимое которого может быть пе- стой гребенчатый фильтр второго порядка [2]. Его
редано затем во внешний мир по последовательно- назначение — подавление внеполосной мощности
му каналу. Это создает широкие возможности по перед передискретизацией, которую осуществляет
организации отладочных действий. следующий блок децимации по индексу 2 [2]. На
его выходе присутствует поток s нормализован-
Конвейер обработки данных ных по уровню комплексныx выборочных значений
запросного канала с частотой Fd = 10 МГц. Этот поток и является
исходным для систем поиска/слежения и демоду-
Проработка структуры конвейера запросного ляции. Он представляет собой дискретизованный
сигнала наиболее является центральным моментом комплексный сигнал в полосе ±5 МГц с ожида-
разработки архитектуры СБИС в целом. Здесь со- емым отношением квадрата выборки к дисперсии
средоточены все функции по обработке запросно- шума в −30 дБ.
го сигнала — поиск, слежение за фазами несущей
и ПСП, выделение данных. Условно его можно раз- Архитектура блока
делить на три соединенные в тандем части:
обнаружения/захвата
• блок первичной обработки (выделение квадра-
турных составляющих, подавление внеполос- В состав этого блока (рис. 3) входят петля сле-
ных компонент, прореживание); жения за фазой несущей − петля ФАПЧ [3] и пет-
ля слежения за фазой ПСП [4]. Поскольку фазы
• блок поиска/слежения (петли слежения за фа- несущей и ПСП некогерентны, в блоке представ-
зами несущей и ПСП); лены два источника фазы. Ими являются регистр
фазы несущей в блоке VCO и регистр фазы ПСП
• демодулятор — выделение цифровых данных. в блоке генератора ПСП.

Первичная обработка На вход блока поступает поток s комплексных
выборок на частоте Fd = 10 МГц с выхода кон-
На вход блока первичной обработки (рис. 2) вейера первичной обработки. Моменты поступле-
поступает поток выборочных значений от АЦП ния выборок привязаны к фронтам частоты такти-
с частотой 4Fd, где Fd = 10 МГц — базовая часто- рования.
та дискретизации. Предполагаемый динамический
диапазон АЦП — 14 двоичных разрядов. Блок «Генератор ПСП» содержит регистр те-
кущей фазы ПСП — ϕPSP. По фронту тактового
Рис. 2. Конвейер первичной обработки сигнала Fd он наращивает фазу согласно содержи-
мому внутреннего регистра частоты ПСП и вход-
ному сигналу ΔϕPSP с выхода петлевого фильтра.
Полученное значение фазы ПСП используется им
для формирования на выходе трех бинарных сиг-
налов — сигнала P значения ПСП на момент по-
ступления выборки сигнала и двух сигналов P +,
P − значений ПСП, опережающей и задержанной

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

ПЕРСПЕКТИВНАЯ ПЛАТА ЦПРМ ДЛЯ ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА 17

Рис. 3. Структура блока поиска/слежения

на половину символьного интервала ПСП T . Прин- умножается на бинарный сигнал P текущего зна-
цип формирования вектора из трех выборок гене- чения ПСП (умножение комплексного сигнала на
ратора ПСП иллюстрирует рис. 4. бинарный). Это обеспечивает снятие ПСП. Резуль-
тат умножается далее на комплексно-сопряженный
Блок VCO содержит регистр фазы несу- отсчет опорной несущей. Это предполагает пере-
щей — ψ, содержимое которого модифицируется множение двух комплексных чисел, что эквива-
добавлением сигнала инкремента фазы Δψ с вы- лентно выполнению четырех вещественных умно-
хода петлевого фильтра ФАПЧ и используется для жений.
формирования комплексной выборки ejψ = cos ψ +
+ j sin ψ опорной несущей. Входная выборка S Поток полученных комплексных значений z =
= sP e−jψ = xe−jψ расщепляется на три веществен-
Рис. 4. Момент дискретизации ных потока. Поток аргументов z — оценок теку-
щего значения фазовой ошибки — является вхо-
дом петлевого фильтра ФАПЧ. Поток мнимых ча-
стей — информационный квадратурный канал —
сжимается прореживающим фильтром [5] до поло-
сы в 1 МГц и отправляется на демодулятор. Поток
вещественных частей — квадратурная составляю-
щая с немодулированной несущей — используется
в тракте слежения за фазой ПСП.

Дискриминатор тракта слежения за фазой ПСП
вычисляет статистику sP (P + − P −), в которой

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

18 А. А. ГРИГОРЬЕВ, Л. Р. МЕДОВА, М. В. РЫЖАКОВ, М. С. БУРКИНА, Н. Н. БУЛГАКОВ И ДР.

участвуют вещественная выборка s на входе и все Структура генератора ПСП
три отсчета (P , P +, P −) генератора ПСП. Вычис-
ление этой статистики эквивалентно вычислению Блок генератора ПСП (рис. 6) проще всего ре-
статистики sP (P + − P −) после снятия несущей, ализовать на базе банка ROM размерностью 4096×
но до снятия ПСП. × 3, в ячейках которого хранятся три версии ПСП:
основная, опережающая и запаздывающая. В со-
Структура VCO став блока входят регистр фазы ПСП ϕPSP, регистр
частоты ПСП fPSP и пара сумматоров, в одном из
Блок формирования опорной несущей достаточ- которых реализовано приведение результата по мо-
но прост в реализации (рис. 5). Он содержит един- дулю периода ПСП.
ственный регистр текущей фазы несущей. На каж-
дом такте дискретизации его содержимое увеличи-
вается на инкремент ψ, поступающего с выхо-
да петлевого фильтра ФАПЧ. К m старшим разря-
дам регистра подключен блок постоянной памяти,
в котором хранятся синусная и косинусная версии
опорной несущей.

Рис. 6. Блок генератора ПСП

Рис. 5. Блок VCO Значения трех версий ПСП выбираются из
ROM-банка, подключенного к 12 старшим разряд-
При стандартной 32-разрядной архитектуре n ным выводам регистра фазы. Блок управляется
разрядность этого регистра разумно выбрать рав- сигналами инкремента фазы ПСП ΔϕPSP и инкре-
ной 32. Это обеспечит представление фазы с точ- мента частоты ПСП ΔfPSP с выходов петлевого
ностью до 2π2−32 порядка 1,5 · 10−9 рад на квант. фильтра системы слежения за фазой ПСП. При ре-
При частоте квантования в 10 МГц диапазон фор- ализации на 32-разрядных регистрах точность
мируемых частот составит ±5 МГц при шаге пе- управления фазой составит 2−20 или приблизитель-
рестройки частоты 0,0023 герца на квант Δψ но 10−6 символьного интервала ПСП (0,0005 нс).
(или 430 квантов Δψ на 1 Гц). При этом гранич- Регистр фазы ПСП должен быть доступен по кана-
ные частоты в ±5 МГц будут представлены меанд- лу ПДП для анализа шумов в тракте слежения.
рами (два уровня на периоде). При разрядности
адреса ROM в m = 8 бит выборки опорной несу- Формирователь фазовой ошибки
щей будут иметь максимальную точность в полосе
±20 кГц. Блок оценивания фазовой ошибки arg(z) реали-
зуется по стандартной схеме приближенного приве-
Регистр фазы VCO должен быть доступен по дения отсчета z = x + jy на единичный круг по фор-
каналу ПДП для целей анализа фазового шума муле z/(|x| + |y|) с последующим табличным кван-
в петле ФАПЧ. тованием результата по секторам единичной окруж-
ности. Выбор точности квантования [6] определя-
ется компромиссом между уровнем вносимого
шума и объемом требуемой постоянной памяти.

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

ПЕРСПЕКТИВНАЯ ПЛАТА ЦПРМ ДЛЯ ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА 19

Петлевой фильтр ФАПЧ ент передачи дискриминатора фазы составляет еди-
ницу на один радиан, и дают значения, приведен-
Предполагается применение простого в реа- ные к интервалу [0, 1] (двоичная точка слева от
лизации варианта построения петлевого фильтра старшего значащего разряда регистра фазы VCO,
ФАПЧ (рис. 7) по схеме двойного интегратора а максимальному единичному содержимому этого
с демпфированием [7]. регистра отвечает фаза 2π). Для приведения к це-
лочисленному формату эти значения следует умно-
На рис. 7 показана передаточная функция этого жить на 2n, где n — разрядность регистра фазы
фильтра H(p), которая определяется четырьмя пара- несущей, и округлить до целого.
метрами: частотой F1 усиления разомкнутой петли
без фильтра, постоянной демпфирования δ и часто- Фильтр второго порядка (пропорциональный
тами Fh, γFh единичного усиления первого и второ- интегратор) реализуется при γ = 0, т. е. когда ре-
го интеграторов. Частота F1 — это величина изме- гистр ускорения отсутствует. Характеристики петли
нения частоты VCO в петле без фильтра в ответ на с таким фильтром задаются всего двумя параметра-
изменение фазы сигнала на входе на 1 рад.
ми — собственной частотой петли Fn = F1Fh, ко-
В состав фильтра входят два накапливающих торая и определяет ее шумовую полосу, и постоян-
сумматора, которые выступают в роли интегра- ной затухания 2ξ = 1/Q, которая определяет ха-
торов. Для минимизации задержек в комбинаци- рактер переходных процессов.
онной логике введены два промежуточных реги-
стра — регистр скорости (выход первого интегра- Коэффициенты Kp, Kν определяются по этим
тора) и регистр ускорения (выход второго). характеристикам формулами:

Выходной сигнал фильтра Δψ — инкремент Kp = 2ξFn , Kν = 2ξFn .
фазы VCO формируется трехвходовым взвешиваю- Fd Fd2
щим сумматором, который суммирует оценки фа-
зовой ошибки, скорости и ускорения с весовыми Оп√тимально демпфированной считается петля
коэффициентами Kp, Kν, Ka. с 2ξ = 2, что отвечает фильтру Баттерворта вто-
рого порядка. В петле с постоянной затухания 2ξ
Приведенные на рис. 7 формулы для расчета единичный уровень дискриминатора фазы (фазо-
этих коэффициентов предполагают, что коэффици- вая ошибка в один радиан) вызывает перестройку

Рис. 7. Петлевой фильтр ФАПЧ
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

20 А. А. ГРИГОРЬЕВ, Л. Р. МЕДОВА, М. В. РЫЖАКОВ, М. С. БУРКИНА, Н. Н. БУЛГАКОВ И ДР.

частоты VCO по каналу дальности (с отключенны- В отладочных целях потоки входных статистик
ми каналам√и скорости и ускорения) на 2ξFn герц, и оценок ошибки частоты ПСП должны быть до-
т. е. около 2Fn при оптимальном демпфировании. ступны для блочного чтения по каналу ПДП.
Это и определяет уровень вклада шума оценки фа-
зовой ошибки в фазовый шум VCO. Подавление Архитектура демодулятора
этого шума в петле с одним интегратором возмож-
но только за счет сужения полосы петли Fn. Блок демодулятора (рис. 8) принимает на вход
поток b выборочных значений сигнала на часто-
В петлевом фильтре ФАПЧ задействованы те Fd/10 = 1 Мгц и реализует снятие поднесущей
два функциональных регистра (регистры скорости и выделение информации.
и ускорения), а ее характеристики определяются
содержимым трех регистров параметров, содержа- Архитектура блока позволяет как запрограм-
щих значения коэффициентов Kp, Kν, Ka. Функ- мировать его на любую из скоростей (1, 8, 16,
циональные регистры доступны для блочного чте- 128 кбит/с) передачи данных с поднесущей, так
ния по каналу ПДП. Для отладочных целей це- и установить режим демодуляции BPSK сигнала
лесообразно предусмотреть возможность чтения по на скорости 512 кбит/с.
каналу ПДП блоков.
Блок включает подсистему снятия поднесу-
Петлевой фильтр ПСП щей, подсистему выделения границ символьных
интервалов и собственно оптимальный демодуля-
На вход фильтра петли слежения за фазой тор на согласованном фильтре с прямоугольной им-
ПСП поступает поток статистик x = sP (P + − P −). пульсной характеристикой [8].
Фильтр содержит накапливающий сумматор (ин-
тегратор), который формирует оценку ошибки ча- За таймирование операций в блоке отвеча-
стоты ПСП. Параметры фильтра задаются парой ет единый для всех подсистем блок ведения фа-
коэффициентов Kϕ, Kf преобразования сигнала x зы демодулятора. Этот блок формирует квадратур-
в инкремент фазы ПСП ΔϕPSP и оценки ошибки ные составляющие поднесущей в виде косинусно-
частоты в инкремент регистра частоты ПСП ΔfPSP. го Mc и синусного Ms опорных меандров, сдвину-
тых на четверть периода поднесущей. Кроме того,

Рис. 8. Архитектура демодулятора
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

ПЕРСПЕКТИВНАЯ ПЛАТА ЦПРМ ДЛЯ ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА 21

он формирует сигнал тактирования CLK согласо- Рис. 10. Плечо согласованного фильтра
ванного фильтра, а также основной (ST B) и задер-
жанный на половину длительности символьного ин- борки xc. Процесс интегрирования продолжается
тервала (ST B+) стробы (метки) границ символов. вплоть до поступления строба ST B границы сим-
вольного интервала. Поступление этого строба за-
Результаты xs, xc бинарного умножения вход- вершает интегрирование. Накопленный результат
ного информационного потока b на косинусную переносится в регистр данных с выходом y. Тот
и синусную версии опорных меандров поступают же строб блокирует вход обратной связи в сум-
на дискриминатор петли слежения за фазой подне- маторе , в результате чего накопленное содер-
сущих. Эта петля построена по схеме Костаса [9]. жимое интегратора теряется, а в регистр интегра-
В дискриминаторе выборки xs, xc перемножаются, тора заносится очередное выборочное значение xc.
что позволяет сформировать дискриминационную Этим инициируется новый процесс интегрирования
кривую слежения, не зависящую от бинарной ма- вдоль очередного символьного интервала.
нипуляции меандров данными. Принцип формиро-
вания дискриминационной кривой в петле Костаса На выходах двух плеч согласованного фильтра
поясняет рис. 9. формируются результаты y, y+ интегрирования по
символьным интервалам, сдвинутым один относи-
Рис. 9. Дискриминационная кривая петли Костаса тельно другого на пол-интервала.

На рисунке показаны функции корреляции ме- Эти выборки используются для формирования
андра входного сигнала с косинусным (xc) и си- статистики Гарднера для системы слежения за гра-
нусным (xs) опорными меандрами. Видно, что знак ницами символов. В формировании этой статисти-
произведения xcxs инвариантен относительно од- ки yn+(yn − yn−1) участвуют текущий (yn) и преды-
новременного изменения знаков обоих корреляций, дущий (yn−1) отсчеты с выхода основного плеча
вызываемого информационным потоком. согласованного фильтра и текущий отсчет yn+ с вы-
хода плеча со сдвигом на половину такта. Резуль-
Фильтр петли слежения за фазой поднесущей тат усреднения этой статистики используется для
построен по типовой схеме интегратора с про- управления фазой демодулятора.
порциональной добавкой. Интегрирование фазовой
ошибки xcxs реализует накапливающий сумматор. В режиме демодуляции BPSK, когда петля сле-
Характеристики петли слежения задаются парой жения за фазой поднесущей отключена, управле-
коэффициентов Kp, Kν, определяющих вклады фа- ние фазой демодулятора осуществляется исключи-
зовой ошибки и интеграла от нее в величину ин- тельно с выхода дискриминатора Гарднера. В ре-
кремента фазы демодулятора. жимах с поднесущей синхронизацию фазы демо-
дулятора с границами меандра поднесущей обес-
Поток выборок xc со снятой поднесущей по- печивает петля Костаса. Накопленный сигнал дис-
ступает на согласованный фильтр. Этот фильтр со- криминатора Граднера используется тогда только
держит два одинаковых плеча, управляемых основ- для инкрементирования/декрементирования фазы
ным и задержанным стробами границ символьных демодулятора на величину, кратную длительности
интервалов. Структура плеча показана на рис. 10. периода поднесущей. Этим разрешается неодно-
значность привязки границ символьных интерва-
Его основой является интегратор, который лов к границам интервалов поднесущей.
суммирует с накоплением входные выборки вы-

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

22 А. А. ГРИГОРЬЕВ, Л. Р. МЕДОВА, М. В. РЫЖАКОВ, М. С. БУРКИНА, Н. Н. БУЛГАКОВ И ДР.

Рис. 11. Формирователь фазы демодулятора

Блок формирования фазы
демодулятора

Структурная схема блока формирования фазы Рис. 12. Формирование поднесущих
демодулятора показана на рис. 11.
Рис. 13. Логика формирования границ символов
Основа блока — это 32-разрядный регистр фа-
зы демодулятора, который вместе с регистром ча- дулю 2k, тактируемый с частотой CLK. Последо-
стоты демодулятора образует накапливающий сум- вательность состояний этого счетчика на рис. 13
матор, тактируемый с основной частотой дискрети- показана в виде окружности. Логика формирова-
зации Fd = 10 МГц. ния стробов опознает состояния 0 и 2k−1. В со-
стоянии 0 счетчика выдается основной строб ST B,
Старшие 11 разрядов этого регистра рассматри- в состоянии 2k−1 — задержанный ST B+. Часто-
ваются как 11-разрядный двоичный счетчик с моду- та следования стробов равна частоте обращения
лем 2048. Номинальная загрузка регистра частоты состояния счетчика по окружности и составляет
выбирается таким образом, чтобы частота сигнала 1024/2k кГц. Значению k = 10 отвечает частота
CLK с выхода младшего разряда счетчика состав- стробов в 1 кГц — битовая скорость 1 кбит/c.
ляла 4Fm = 1024 кГц, то есть превышала частоту При k = 1 получается частота стробов в 512 кГц,
поднесущей Fm = 256 кГц в четыре раза. Управле- что отвечает варианту демодуляции ВPSK [10].
ние фазой демодулятора осуществляется сигналами
инкремента фазы с выходов фильтров петли Костаса
и петли символьной синхронизации.

Разрядные выходы c1, c2 счетчика использу-
ются для формирования меандров опорных подне-
сущих с частотой 256 кГц. Логику блока формиро-
вания поднесущих иллюстрирует рис. 12.

Прочие разряды счетчика задействованы в ло-
гике формирования стробов границ символьных
интервалов. Эту логику поясняет рис. 13.

Блок (ck−1, . . . , c0) младших разрядов счетчи-
ка рассматривается как двоичный счетчик по мо-

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

ПЕРСПЕКТИВНАЯ ПЛАТА ЦПРМ ДЛЯ ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА 23

Формирование сигнала управления КА различного назначения, обладающей
ответного канала по сравнению с существующей аппаратурой малы-
ми габаритами и массой, а также улучшенными так-
Большая часть задач, связанных с формирова- тико-техническими характеристиками в части поме-
нием ответного сигнала, решается программными хоустойчивости, приема управляющей информации,
средствами. Привлечение специализированных ап- скорости передачи информации, точности измерения
паратных систем потребуется лишь для организа- текущих навигационных параметров движения КА.
ции ретрансляции сигналов запросной/беззапросной
дальности, измерения радиальной скорости и сверки Статья является частью проекта, выпол-
бортовой шкалы времени. няемого при финансовой поддержке МФТИ Мин-
промнауки РФ в рамках договора с АО «Рос-
Внешний вид платы ЦПРМ сийские космические системы» от 03.03.2017
№ 03.G25.31.0222, заключенного на основании
Внешний вид платы ЦПРМ представлен на постановления Правительства РФ от 09.04.2010
рис. 14. Габариты платы составили 90×60 мм. Мас- № 218.
са платы не превышает 50 г.
Список литературы

1. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов:
Учебник для вузов. СПб.: Питер, 2002. 608 с.

2. Оппенгейм А., Шафер Р. Цифровая обработка сиг-
налов. 3-е изд., испр. М.: Техносфера, 2012. 1048 с.

3. Шахгильдян В. В., Ляховкин А. А. Системы фазо-
вой автоподстройки частоты. М.: Связь, 1972. 450 c.

4. Gardner F. M. Phaselock Techniques, John Wiley
& Sons Inc., New Jersey 2005. 425 p.

Рис. 14. Предварительная трехмерная модель платы 5. Haykin S. Adaptive Filter Theory, 3rd Edition,
ЦПРМ Prentice-Hall Inc., NJ, 1996.

6. Ярославский Л. П. Введение в цифровую обработку
изображений. М.: Сов. радио, 1979. 312 с.

Заключение 7. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: мо-
нография: В 2 т. 3-е изд., стереотип. / Пер. с англ.
Представленные в настоящей статье схемотех- под ред. М. В. Гальперина. М.: Мир, 1986 с.
нические и алгоритмические решения легли в ос-
нову разработки платы ЦПРМ. 8. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сиг-
налы. М.: Сов. радио, 1977. 608 с.
Плата ЦПРМ реализована преимущественно
на отечественной элементной базе. 9. Прокис Дж. Цифровая связь / Пер. с англ.; под ред.
Д. Д. Кловского. М.: Радио и связь. 2000. 800 с.
На основе разработанной платы в АО «Россий-
ские космические системы» создается приемо-пере- 10. Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы
дающее устройство (ППУ) перспективной бортовой модуляции и расширения спектра / Пер. с англ.;
аппаратуры командно-измерительной системы для под ред. В.И. Журавлева. М.: Радио и связь, 2000.
519 с.

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2019, том 6, выпуск 4, c. 24–31

РАДИОТЕХНИКА И КОСМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

УДК 629.78 DOI 10.30894/issn2409-0239.2019.6.4.24.31

Принципы создания унифицированных
бортовых ретрансляционных комплексов для отечественных

космических систем сбора и передачи данных

Ю. Б. Дорофеев, к. т. н., [email protected]
АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация

Д. А. Тулисов, [email protected]
АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация

Д. А. Белов, [email protected]
АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация

Аннотация. В настоящей работе рассмотрены целесообразность и метод проведения унификации бортовых ретрансляционных
комплексов, используемых на отечественных космических аппаратах систем сбора и передачи данных.

На основе анализа и сравнения технических требований и характеристик существующих бортовых комплексов низко-
орбитального, среднеорбитального и геостационарного космических сегментов систем сбора и передачи данных предлагает-
ся перспективный путь развития указанных комплексов — унификация бортовой аппаратуры для всех сегментов этих си-
стем. Показана возможность ее реализации на основе гармонизации технических требований к аппаратуре с учетом опыта
АО «Российские космические системы» по созданию бортовых радиокомплексов.

Рассмотрены и представлены основные принципы и схемные варианты построения унифицированных бортовых ретранс-
ляционных комплексов для космических систем сбора и передачи данных. Показана возможность оценки уровня унификации
группы ретрансляторов, созданных на основе предложенного варианта унифицированного ретранслятора с использованием
коэффициента межпроектной (взаимной) унификации.

Ключевые слова: бортовой ретрансляционный комплекс, спутниковая система сбора и передачи данных, ретрансляция ин-
формации, стандартизация, унификация

Principles of Creation of Unified On-board
Retransmission Complexes for Domestic Space Systems

of Data Collection and Transmission

Yu. B. Dorofeev, Cand. Sci. (Engineering), [email protected]
Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation

D. A. Tulisov, [email protected]
Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation

D. A. Belov, [email protected]
Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation

Abstract. This paper considers the expediency and method of unification of onboard retransmission complexes used on domestic
spacecraft data acquisition and transmission systems.

Based on the analysis and comparison of technical requirements and characteristics of the existing onboard complexes of the low-
orbit, medium-orbit, and geostationary space segment of the data collection and transmission systems, a promising path for
the development of these systems is proposed — the unification of onboard equipment for all segments of these systems. The paper
shows the possibility of its implementation based on harmonization of technical requirements for the equipment taking into account
the experience of Joint Stock Company “Russian Space Systems” to create onboard radio systems.

The basic principles and schematic variants to construct onboard retransmission systems for space data collection and trans-
mission systems are considered and presented. The possibility of assessing the level of unification of the group of repeaters created
based on the proposed version of the unified repeater using the coefficient of inter-project (mutual) unification is shown.

Keywords: onboard retransmission complex, satellite system of data collection and transmission, information retransmission,
standardization, unification

ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ УНИФИЦИРОВАННЫХ БОРТОВЫХ РЕТРАНСЛЯЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ 25

Введение Предложения по унификации
бортовых ретрансляционных
В работе представлены основные положения, комплексов
определяющие целесообразность, возможности
и принципы создания перспективных унифициро- На основе анализа технических требований
ванных бортовых ретрансляционных комплексов и характеристик бортовой аппаратуры отечествен-
(БРК) для отечественных космических систем сбо- ных космических систем ССПД предлагается пер-
ра и передачи данных (ССПД). спективный путь развития бортовых ретрансляцион-
ных комплексов посредством унификации бортовой
В современных условиях создания и приме- аппаратуры основных сегментов этих комплексов.
нения бортовых ретрансляционных комплексов на
отечественных КА важность унификации опреде- В настоящее время функции приема и пере-
ляется в первую очередь возможностью сниже- дачи сигналов от платформ сбора данных (ПСД)
ния расходов на разработку и эксплуатацию БРК космической гидрометеорологической системы [3]
при обеспечении высоких технических и эксплуа- и от аварийных радиобуев (АРБ) космической
тационных характеристик, а также необходимо- системы спасания [4] реализуются на космиче-
стью охвата унификацией всех уровней разработки ских аппаратах (КА) низкоорбитальной гидроме-
и применения средств БРК — от уровня системных теорологической системы (аппаратура БРК ССПД
и технических решений до уровня информацион- и РК-СМ-МКА), геостационарной гидрометеороло-
ных технологий [1]. гической системы (канал 7, 8 БРТК), перспектив-
ной высокоэллиптической гидрометеорологической
В общем случае унификация всех уровней со- системы, а также КА среднеорбитальной глобаль-
здания и применения БРК предусматривает их раз- ной навигационной спутниковой системы [5] раз-
работку на базе унифицированных аппаратно-про- личных поколений (БРКС, БРКС-К2, БРКС-К2-М).
граммных решений [2], а также переход на уни-
фицированную структуру бортовых ретрансляци- Последовательные модификация и расширение
онных комплексов. количества сегментов космических систем сбора
и передачи данных, а также поиска и спасания
С учетом особенностей БРК их унификация в настоящее время привели к фактическому со-
позволяет обеспечить: зданию нескольких различных типов [6] бортовых
комплексов, которые выполняют одинаковую зада-
• требуемые технические характеристики и на- чу — ретрансляцию сигналов от ПСД и АРБ на
дежность; наземные станции приема и обработки информации
(СПОИ), находящихся в зоне видимости космиче-
• взаимозаменяемость средств БРК и повыше- ского аппарата [7].
ние при необходимости их пропускной способ-
ности; В связи с вышеизложенным, а также с учетом
планов развития российского сегмента космической
• снижение эксплуатационных расходов при при- системы поиска и спасания и космической гидроме-
менении средств бортовых радиотехнических теорологической системы [8] целесообразно обеспе-
комплексов и реализацию единой технологии чить разработку и создание максимально унифици-
информационной поддержки их жизненного рованной бортовой аппаратуры ретрансляции для
цикла. размещения на борту низкоорбитальных, среднеор-
битальных и геостационарных КА.
При совместной реализации возможных на-
правлений унификации для рассматриваемых ре- Проведенное сравнение следующих основных
трансляционных комплексов может быть создан требований технических заданий и характеристик
унифицированный ряд аппаратуры, реализующий существующих бортовых комплексов низкоорби-
стандартизованные протоколы информационного тального, среднеорбитального и геостационарно-
обмена «Земля–борт», «борт–Земля», построен- го космического сегмента показало, что базовые
ный на единой аппаратно-программной платфор-
ме и обеспечивающий сокращение номенклатуры
средств БРК при обеспечении их высоких техниче-
ских и эксплуатационных характеристик.

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

26 Ю. Б. ДОРОФЕЕВ, Д. А. ТУЛИСОВ, Д. А. БЕЛОВ

требования к ретрансляторам для всех орбиталь- в рамках модернизации аппаратуры бортового ра-

ных сегментов характеризуются сходством при диотехнического комплекса (БРТК) для КА гео-

некоторых отличиях: стационарной и высокоэллиптической гидрометео-

– частота передачи (1544,5–1544,9 МГц для сиг- рологической космической систем, для которых ап-

налов от аварийных радиобуев и 1696,5–1697,5 МГц паратура канала ретрансляции сигналов АРБ ранее

для сигналов от платформ сбора данных); была построена по схеме, приведенной на рис. 1.

– полоса приема (90 кГц для сигналов от ава- Используемый в данной схеме принцип по-

рийных радиобуев и 1 МГц для сигналов от плат- строения, в отличие от реализуемого в настоящее

форм сбора данных); время, характерен применением «узкой» и «широ-

– промежуточная частота (43–45 МГц для сиг- кой» полос ретрансляции, а также фазовой моду-

налов от аварийных радиобуев и 22 МГц для сиг- ляции входного сигнала. Данная особенность ведет

налов от платформ сбора данных); к излишнему усложнению бортовой аппаратуры ка-

– мощность излучения (1–10 Вт); нала и наземной приемной аппаратуры.

– тип ретрансляции (прямая); Кроме того, следует отметить, что использо-

– чувствительность по приему (−173 дБВт); вание промежуточной частоты 26,05 МГц не поз-

– исполнение малошумящего усилителя (МШУ) воляет реализовать фильтр на поверхностных аку-

должно обеспечивать шумовую температуру не бо- стических волнах (ПАВ) с малыми потерями.

лее 140 K и прием сигналов в диапазоне частот Для модернизированной аппаратуры БРТК в на-

400–410 МГц, а также достаточное количество стоящее время реализуется следующий принцип по-

выходов для работы системы ретрансляции); строения канала для ретрансляции сигналов ава-

– исполнение конвертора (необходимая кон- рийных радиобуев системы, приведенный на рис. 2.

фигурация конвертора с требуемыми промежуточ- В ходе исследований, выполненных

ными частотами и частотой гетеродина обеспе- в АО «Российские космические системы», прове-

чиваются путем использования модификаций про- дена проработка двухканального бортового ре-

граммного обеспечения). транслятора спутниковой системы передачи дан-

Проведенный анализ основных технических ных, обеспечивающего прием и передачу сигналов

требований к аппаратуре ретрансляции сигналов от ПСД космической гидрометеорологической си-

свидетельствует о возможности их гармонизации стемы и от АРБ космической системы спасания на

с целью проведения последующей унификации тех- наземные пункты приема информации.

нико-конструктивного исполнения БРК. Полученные результаты определили возмож-

Таким образом, очевидно, что в настоящее ности по созданию и принципам построения борто-

время имеются технические и технологические воз- вого ретрансляционного комплекса, обеспечиваю-

можности для создания на основе современных ба- щего выполнение определенных в ТЗ функций с за-

зовых технологий радиоэлектронной техники уни- данными параметрами.

фицированных ретрансляционных комплексов но- Анализ полученных результатов и существу-

вого поколения с учетом уровня предъявляемых ющих вариантов радиотехнических ретранслято-

к ним системных требований, а также использо- ров, используемых на платформах КА для различ-

вания методов и опыта АО «Российские космиче- ных орбитальных сегментов, позволяет предста-

ские системы» по созданию бортовых радиотехни- вить схему унифицированного радиотехнического

ческих комплексов для отечественных КА низко- ретранслятора (РТР) для перспективных разрабо-

орбитального [7], среднеорбитального и геостацио- ток АО «Российские космические системы» в виде,

нарного сегментов при разработке каналов ретранс- изображенном на рис. 3.

ляции сигналов от платформ сбора данных и ава- В соответствии с предлагаемой структурой

рийных радиобуев в диапазонах 0,4 ГГц, 1,55 ГГц в состав РТР входят следующие функциональные

и 1,7 ГГц. блоки:

В настоящий момент работы по унификации малошумящий усилитель — МШУ (1 шт.);

бортовых ретрансляторов практически проводятся делитель — ДМ (1 шт.);

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ УНИФИЦИРОВАННЫХ БОРТОВЫХ РЕТРАНСЛЯЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ 27
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019
Рис. 1. Схема построения аппаратуры канала ретрансляции сигналов АРБ
Рис. 2. Схема построения аппаратуры канала ретрансляции сигналов АРБ для модернизированной аппаратуры БРТК

28 Ю. Б. ДОРОФЕЕВ, Д. А. ТУЛИСОВ, Д. А. БЕЛОВ Рис. 3. Схема унифицированного радиотехнического ретранслятора для передачи сигналов от ПСД и АРБ
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ УНИФИЦИРОВАННЫХ БОРТОВЫХ РЕТРАНСЛЯЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ 29

конвертер — КВР (2 шт.); Далее групповой сигнал преобразуется ФОС
на несущую частоту 1697 МГц и поступает на
блок цифровых фильтров — БЦФ (1 шт.); вход усилителя мощности (УМ), в котором сиг-
нал усиливается по мощности и через мультиплек-
формирователь ответного сигнала — ФОС сор поступает на передающую антенну. Для выбора
(2 шт.); необходимого уровня сигнала в канале установлен
управляемый аттенюатор, который управляется по
усилитель мощности — УМ (2 шт.); командам от БУ.

блок управления — БУ(1 шт.); Канал К2 обеспечивает прием сигнала, по-
ступающего на приемную антенну с частотой
блок опорных частот — БОЧ (1 шт.); 406,05 МГц, фильтрацию сигнала полосе 80 кГц
и передачу на частоте 1544,5 МГц на наземные
сумматор (мультиплексор) – МS (1 шт.). станции.

При этом РТР функционально состоит из двух Сигнал от АРБ-406 частотой 406,05 МГц по-
каналов (Kl, K2) ретрансляции сигналов. ступает на приемную антенну и далее на вход
МШУ. После усиления сигнал через ДМ разделя-
Канал 1 и канал 2 обеспечивают ретрансляцию ется, поступает в конвертер канала ретрансляции
сигналов со скоростями 1,0–1,2 кбит/с с наземных данных, где происходит гетеродинирование сиг-
платформ сбора гидрометеорологических данных нала в полосе 406,05 МГц. Сигнал преобразуется
и ретрансляцию сигналов со скоростью 0,4 кбит/с в промежуточную частоту 43,25 МГц и фильтру-
от аварийных радиобуев на наземные станции ется в полосе 80 кГц. Затем сигнал преобразуется
приема и обработки информации от геостационар- ФОС на несущую частоту 1544,5 МГц и поступа-
ных КА. ет на вход усилителя мощности УМ. В УМ сигнал
усиливается по мощности и через мультиплексор
Каналы работают в метровом диапазоне частот поступает на передающую антенну.
402–406 МГц на прием и в дециметровом диапа-
зоне частот 1544,5–1697 МГц на передачу. Прием Блок управления (БУ) осуществляет взаимо-
сигналов от ПСД и АРБ-406 и передача ретранс- действие РТР с бортовым командным устройством
лированных сигналов на СПОИ осуществляется во (БКУ):
всей видимой с КА части Земли.
• в режиме приема командных сообщений и уп-
На прием используется одна направленная равления РТР от БКУ;
приемная антенна.
• в режиме передачи телеметрической информа-
Канал 1 обеспечивает прием сигналов от мно- ции РТР в БКУ.
гих ПСД, поступающих от приемной антенны с ча-
стотой 402 МГц, и передачу на наземные станции Кроме того, в состав БКУ входят вторич-
через передающую антенну на частоте 1697 МГц. ные источники питания (ВИП), обеспечивающие
Предполагается, что ПСД работают не одновремен- преобразование первичного бортового напряжения
но и на нескольких частотных литерах. Количе- +27 В в напряжения питания приборов.
ство таких литеров может достигать 300 шириной
3,0 кГц в полосе 1 МГц. Блок опорных частот обеспечивает формиро-
вание, размножение и усиление сигнала опорной
Сигнал от ПСД частотой 402 МГц поступает (эталонной) частоты для приборов КВР и ФОС
на приемную антенну и далее на вход МШУ. По- (всего 8 выходов) номиналом 10 МГц и уровнем
сле усиления сигнал через ДМ и смеситель раз- (−1 ± 2) дБмВт.
деляется, поступает в конвертер канала ретранс-
ляции данных ПСД, где производится гетеродини- Для оценки уровня унификации группы ре-
рование сигнала в полосе 402 МГц и фильтрация трансляторов, созданных на основе предложенного
в полосе 1 МГц. Далее сигнал попадает на блок, варианта ретранслятора и применяемых в более от-
в котором формируется гребенчатая амплитудно- даленной перспективе на разных платформах КА,
частотная характеристика (АЧХ) канала шириной целесообразно использовать коэффициент межпро-
1 МГц, сформированная из 30 равномерно распре- ектной (взаимной) унификации [9].
деленных по полосе канала парциальных фильтров
(в цифровом исполнении) с полосами пропускания
33 кГц БЦФ.

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

30 Ю. Б. ДОРОФЕЕВ, Д. А. ТУЛИСОВ, Д. А. БЕЛОВ

Коэффициент межпроектной (взаимной) уни- Представлена функциональная схема унифи-
фикации определяется как отношение в процентах цированного ретрансляционного комплекса, рас-
количества сокращенных за счет взаимной уни- смотрены принципы его функционирования и ос-
фикации типоразмеров составных частей к макси- новные возможные варианты его исполнения для
мально возможному сокращению количества типо- различных платформ отечественных КА.
размеров составных частей группы, совместно из-
готовляемых или эксплуатируемых БРК. Создание предлагаемого варианта унифициро-
ванного комплекса позволит не только повысить
Общее количество рассматриваемых проек- его надежность и снизить затраты на разработку
тов (H) разрабатываемых ретрансляторов для при- и производство, но также и существенно уменьшить
менения в перспективе на различных платформах время на адаптацию к различным космическим ап-
КА равняется трем: паратам, снизить потребную номенклатуру элек-
трорадиоизделий, расширив перечень используе-
– первый вариант — ретранслятор, обеспечи- мых отечественных компонентов, а также проде-
вающий передачу сигналов от платформ сбора дан- монстрировать преимущества использования уни-
ных и аварийных радиобуев; фицированной бортовой радиотехнической аппара-
туры.
– второй вариант — ретранслятор, обеспечи-
вающий передачу только сигналов от и аварийных Список литературы
радиобуев;
1. Дорофеев Ю. Б., Сухов И. С., Тулисов Д. А. Унифи-
– третий вариант — ретранслятор, обеспечи- кация перспективных радиотехнических ретрансля-
вающий передачу только сигналов от платформ ционных комплексов для различных КА и методика
сбора данных. расчета уровня их стандартизации и унификации //
Ракетно-космическое приборостроение и информаци-
Коэффициент межпроектной унификации для онные технологии. Сборник трудов IX Всероссийской
предлагаемых трех вариантов проектов РТР может научно-технической конференции «Актуальные про-
быть определен по формуле [1]: блемы ракетно-технического приборостроения и ин-
формационных технологий» (5–7 июня 2018 г.) /
37 Под ред. д. т. н., проф. А. А. Романова. М.: АО «Рос-
сийские космические системы», 2018. С. 483–491.
ni − qj 20 − 9
20 − 7 2. Горностаев Ю. М., Соколов В. В., Невдяев Л. М.
KМУ = i=1 j · 100 % = ·100 % = 84 %, Перспективные спутниковые системы связи. М.: Го-
3 рячая линия–Телеком, 2000. 129 с.

ni − nmax 3. Селиванов А. С., Рогальский В. И., Дедов Н. В. Кос-
мическая система сбора природоресурсных данных
i=1 с наземных платформ и определения их местополо-
жения «Курс» // Современные технологии автомати-
где ni — количество типоразмеров составных ча- зации, 1997, № 3. С. 36–41.
стей в i-м проекте;

nmax — максимальное количество типоразме-
ров составных частей одного проекта;

qi — количество типоразмеров составной части
i-го наименования.

Заключение 4. Романов А. А., Кузенков А. Н., Тюлин А. Е., Ку-
ропятников А. Д., Борисов К. В., Кем О. В., Заич-
В статье рассмотрены целесообразность и пер- ко В. А. Основные положения концепции развития
спективы унификации средств бортовых ретрансля- российского сегмента международной системы поис-
ционных комплексов для различных платформ КА. ка и спасания КОСПАС–САРСАТ // Ракетно-косми-
В результате проведенного анализа технических ха- ческое приборостроение и информационные системы,
рактеристик требований, предъявляемых к БРК, по- 2017, т. 4, вып. 3. С. 5–15.
казана возможность их унификации и предложен
вариант создания унифицированного ретранслятора. 5. Ступак Г. Г., Никушкин И. В., Суринов А. С., Ро-
гальский В. И., Косенко В. Е. Анализ состояния
и перспектив развития российского среднеорбиталь-
ного сегмента международной космической системы

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ УНИФИЦИРОВАННЫХ БОРТОВЫХ РЕТРАНСЛЯЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ 31

КОСПАС–САРСАТ // Телекоммуникации и транс- средств и передачи цифровых данных». М.: ФГУП
порт, 2012, № 4. С. 29–34. «РНИИ КП», 2000.

6. Романов А. А., Романов А. А., Булгаков Н. Н., Ер- 8. Романов А. А., Кондрашов А. С. и др. Анализ прин-
шов А. Н., Колобаев А. С. Использование подходов ципов построения комплексов приема, обработки
непрерывного «инжиниринга» при адаптации прием- и ретрансляции информации международной систе-
ных комплексов РК-СМ-МКА для размещения на мы КОСПАС–САРСАТ и перспективы развития //
борту КА «Метеор-М» № 2-1 и № 2-2 // Ракетно- Ракетно-космическое приборостроение и информаци-
космическое приборостроение и информационные си- онные системы, 2017. т. 4, вып. 3. С. 58–68.
стемы, 2017, т. 4, вып. 3. С. 69–76.
9. Методические указания. Определение уровня унифи-
7. Рогальский В. И. Аналитический обзор «Российские кации и стандартизации изделий РД 50-33-80. М.:
космические системы местоопределения подвижных Издательство стандартов, 1982. 15 с.

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2019, том 6, выпуск 4, c. 32–36

РАДИОТЕХНИКА И КОСМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

УДК 621.39 DOI 10.30894/issn2409-0239.2019.6.4.32.36

Эффективность применения обобщенного каскадного кода
в высокоскоростной радиолинии

А. Н. Ершов, [email protected]
АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация

С .В. Петров, [email protected]
АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация

Ю. П. Пятошин, к. ф.-м. н., [email protected]
АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация

Н. А. Константинов, [email protected]
АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация

Аннотация. Предполагается что скорость передачи информации для перспективных радиолиний дистанционного зондирования
Земли (ДЗЗ) будет составлять единицы–десятки гигабит в секунду, а вероятность ошибки на блок информации — 10−10–10−15.
Для достижения высоких скоростей передачи информации следует использовать q-ичные (q > 2) методы модуляции, а для до-
стижения малых вероятностей ошибок — помехоустойчивые коды. В статье обосновывается целесообразность использования
q-ичной кодовой конструкции, предложенной российскими учеными. Эта конструкция — обобщенные коды с локализацией оши-
бок (ОЛО-коды), являющиеся частным случаем обобщенных каскадных кодов (ОКК-кодов). Важным достоинством ОЛО-кода
является использование кодов Рида–Соломона, для которых хорошо отработаны способы построения кодеров и декодеров (как
программные, так и на ЭКБ). Кроме того, эта конструкция является очень гибкой по длине кодового блока и кодовой скорости,
что позволяет подобрать оптимальный код в каждом конкретном случае. Рассмотрена радиолиния с модуляцией АФМ-16 (q = 16)
и простейшей конструкцией ОЛО-кода, содержащего блок из 1024 q-ичных символов с кодовой скоростью R = 0,8.

Ключевые слова: коды с обобщенной локализацией ошибок (ОЛО-коды), амплитудно-фазовая модуляция (АФМ-16)

Efficiency of Application of Generalized Error-Locating Code
in a High-Speed Radio Line

A. N. Ershov, [email protected]
Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation

S. V. Petrov, [email protected]
Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation

Yu. P. Pyatoshin, Cand. Sci. (Phys.-Math.), [email protected]
Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation

N. A. Konstantinov, [email protected]
Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation

Abstract. For the future Earth remote sensing (ERS) radio links, it should be assumed that the information transfer rate will be
dozens of Gbit/s and the error probability per information block from 10−10 to 10−15 (this probability may be required, for example,
when transmitting compressed data). To achieve the high information transfer rates, q-ary (q > 2) modulation methods should be
used, and noise-resistant codes should be used to achieve the low error probabilities. The article substantiates the feasibility of using
the q-ary code structure proposed by Russian scientists. This structure is generalized error-locating codes (GEL codes), which are
a special case of generalized cascade codes (GCC). An important advantage of the GEL code is the use of Reed-Solomon codes, for
which methods for constructing encoders and decoders (both software and hardware) are well developed. In addition, this design is
very flexible with regard to the length of the code block and code rate, which makes it possible to choose the optimal code in each
case. A radio link with APSK-16 modulation (q = 16) and the simplest design of the GEL code containing a block of 1024 q-ary
characters with a code rate of R = 0.8 is considered.

Keywords: generalized error-locating code (GEL code), 16-ary Amplitude and Phase Shift Keying (16 APSK)

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ОБОБЩЕННОГО КАСКАДНОГО КОДА 33

Введение [8, 9]. В их числе и созвездие АФМ-16, которое

Для перспективных радиолиний дистанцион- представлено в стандарте DVB-S.2 (см. Fig. 11 в [7]).
Это созвездие (см. рис. 1) содержит 4 ФМ-сиг-
ного зондирования Земли (ДЗЗ) следует полагать, нала, расположенных на малом круге радиуса R1,
и 12 ФМ-сигналов, расположенных на большом
что скорость передачи информации будет состав- круге радиуса R2, и далее будет именоваться
АФМ-16 (4,12).
лять единицы–десятки гигабит в секунду и вероят-
ность ошибки (Pош) на блок информации — 10−10–
10−15 (такая вероятность может потребоваться, на-

пример, при передаче «сжатой» информации). В на-

стоящее время для оптических линий связи Pош =
= 10−15 — норма [1]. Вероятность ошибки 10−15

потребуется и при передаче информации в сетях

пятого поколения 5G [2].

Для достижения высоких скоростей передачи

информации, а также в связи с ограниченностью

частотного ресурса следует использовать q-ичные

(q > 2) методы модуляции, а для достижения малых

вероятностей ошибок — помехоустойчивые коды.

Широко распространенные двоичные кодовые кон-

струкции могут быть не оптимальны для q-ичных

радиолиний.

Поиск и разработка новых кодовых конструк-

ций происходит постоянно, о чем можно судить по

трудам ежегодных международных симпозиумов по Рис. 1. Созвездие АФМ-16 (4,12)
теории информации IEEE International Symposium

on Information Theory (ISIT). К сожалению, формулу для расчета вероятно-

Представляется целесообразным использова- сти ошибки сигнала этого созвездия от отношения

ние q-ичной кодовой конструкции, предложенной сигнал/шум В. Л. Банкет не приводит. Поэтому,

российскими учеными на ISIT-2015 [3] (на рус- используя его методику вывода формул для других

ском языке [4]). Эта конструкция — обобщенные созвездий сигналов, нами была получена следую-

коды с локализацией ошибок (ОЛО-коды), явля- щая формула для АФМ-16 (4,12) (вывод формулы

ющиеся частным случаем обобщенных каскадных не приводим ввиду его громоздкости):

кодов (ОКК-коды) [5, 6]. 2V 0,58 2Eбср , V ( ) = √1 ∞ −t2
N0 2π
Конструкция ОЛО-кодов подробно описана в [3] Pош e 2 dt,
и [4]. Также описаны способы кодирования, деко-
E
дирования, верхняя и нижняя оценка вероятности
(1)
ошибки кодового блока, примеры построения кодо-
вых блоков длины (n), равной 1024, 4096, 16 384 бита, где Pош — вероятность ошибки сигнала;
кодовых скоростей (R), равных 0,8–0,96. Однако мо-
Eбср — средняя энергия бита информации (сиг-
дуляция в радиолинии предполагается QAM-16 [4]. нал содержит 4 бита);
В настоящей статье рассматривается радиолиния
N0 — спектральная плотность аддитивного бе-
с модуляцией АФМ-16 (16 APSK в стандарте лого гауссовского шума, действующего в канале;

DVB-S.2 [7]), которая имеет некоторые практиче- V (X) — табличный интеграл (например, [10]).

ские преимущества по сравнению с QAM-16. При вероятностях ошибки более 10−6 мож-

но пользоваться таблицами, приведенными в [10],

Вероятность ошибки АФМ-16 а при меньших вероятностях ошибки — использо-
вать асимптотическую формулу

Энергетические характеристики различных со- V (X) = √ 1 exp −X2 1 + r1 , где |r1| < 1,
звездий сигналов изучал и описывал В. Л. Банкет 2πx X3
2

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

34 А. Н. ЕРШОВ, С. В. ПЕТРОВ, Ю. П. ПЯТОШИН

полученную с использованием разложения в ряд
интеграла вероятности [11]:

Φ(X) = 1 − V (X).

Кодовая конструкция

Кодовая конструкция ОЛО-кода базируется на
кодах Рида–Соломона [12]. Подробно эта кодовая
конструкция рассмотрена в [4]. В настоящей ста-
тье оценена эффективность применения простейшей
из этих конструкций, содержащей 1024 q-ичных
(q = 16) символов и представленной схематично на
рис. 2.

Рис. 2. Пример конструкции ОЛО-кода

Она содержит два внешних кода:

– 1-й внешний (B1) код РС (256,172) с эле- Рис. 3. (1) — вероятность ошибки q-ичного символа
(q = 16) в радиолинии с модуляцией АФМ-16 (4,12);
ментами поля Галуа GF(28) и кодовым расстоянием (2) — вероятность ошибки блока ОЛО-кода из 1024
dB1 = 85; q-ичных символов (q = 16); (3) — граница Шеннона

– 2-й внешний (B2) код РС (256,238) с эле- (q = 16)

ментами поля Галуа GF(28) и кодовым расстоянием На рис. 3 представлены кривые:
d2B = 19

и один внутренний код (A1):

– код РС (4,2) с элементами поля Галуа GF(24) (1) — вероятность ошибки q-ичного симво-

и кодовым расстоянием dA1 = 3. ла (q = 16) в радиолинии с модуляцией АФМ-16

Данная кодовая конструкция имеет кодовое рас- (4,12), полученная с использованием формулы (1).

стояние d min{dB1 , d1A · dB2 } = 57, кодовую ско- При этом, так как искажение q-ичного символа
рость R = 0,8 и содержит n = 1024 q-ичных сим- приводит к искажению 1, 2, 3 или 4 бит, очевид-

волов (q = 16). но, что вероятность искажения бита информации

превышает вероятность ошибки q-ичного символа

Энергетическая эффективность не более чем в 4 раза;
(2) — вероятность ошибки блока ОЛО-кода из

и сложность реализации ОЛО-кода 1024 q-ичных символов (q = 16), описанного выше.

Эта вероятность получена с использованием чис-

Достоинство предложенных ОЛО-кодов за- ленных результатов, полученных в [3];

ключается, в частности, в том, что используются (3) — граница Шеннона для q = 16 (см., на-

аналитические методы оценки вероятности ошибки пример, [12]).

кода в радиолинии [4], так как при малых вероят- Важным достоинством рассмотренного ОЛО-

ностях ошибки (10−15) имитационное моделирова- кода является использование кодов Рида–Соло-

ние становится невозможным. мона, для которых хорошо отработаны способы

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ОБОБЩЕННОГО КАСКАДНОГО КОДА 35

построения кодеров и декодеров как программные, Каждый слой S содержит две строчки из 256
так и на электронной компонентной базе (ЭКБ). q-ичных символов. В целом S — матрица, содер-
жащая 256 столбцов из четырех q-ичных символов.
Дополнительный энергетический выигрыш по
сравнению с рассмотренной простейшей конструк- Для получения кодового слова C матрица S
цией ОЛО-кода, содержащего три кода Рида–Со- умножается на матрицу H−1:
ломона (и, соответственно, два слоя [4]), можно
получить, увеличивая число слоев ОЛО-кода или C = H−1 · S.
используя мягкое декодирование внутренних ко-
дов [2]. При этом, естественно, увеличится слож- Таким образом осуществляется перекодировка
ность кодирования и декодирования и, соответст- столбцов S так, чтобы каждый столбец кодового
венно, уменьшится скорость передачи информации. слова C являлся кодовым словом кода A1 (4,2) или
его смежным классом.

Краткое описание алгоритма Алгоритм декодирования
кодирования/декодирования
рассмотренной кодовой Первая итерация.
конструкции и результаты Принятое слово V (это переданное кодовое
моделирования в среде MATLAB слово C с ошибками) умножается на проверочную
матрицу внутреннего кода A1 (4,2) H1:

Напомним, что все операции кодирова- S1 = H1 · V.
ния/декодирования выполняются с q-ичными сим-
волами в поле Галуа GF(24); 16 элементов поля Получим первые две строчки матрицы S
обозначены: с ошибками.

α0, α1, . . . , α15, где α — корень уравнения x4 + Исправим ошибки в строках матрицы S1 с по-
+ x + 1 = 0. мощью 1-го внешнего кода B1:

Проверочная матрица системы вложенных вну- S1 = DecB1{S1}.
тренних кодов [4] выбрана вида
Составим матрицу q-ичных символов размер-
α0 α0 α0 α0 ности 2 × 256:

H= α0 α1 α2 α3 . W = S1 − S1.
α0 α2 α4 α6
Нулевой столбец этой матрицы указывает на
α0 α3 α6 α9 отсутствие ошибки в данном столбце принятого
слова V . В противном случае по двум символам,
Проверочная матрица H1 внутреннего ко- соответствующим исправимой одиночной ошибке
да A1 (4,2) соответствует первым двум строкам кода A1 (4,2), происходит ее исправление и фор-
матрицы H. мируется слово V 1. На этом первая итерация за-
кончена.
Алгоритм кодирования
Вторая итерация.
Матрица информационных символов обозначе- Кодовое слово V 1 умножается на проверочную
на I (см. рис. 2 и общее определение в [4]). Два матрицу H:
слоя информационных символов матрицы I коди-
руются внешними кодами B1 и B2: S2 = H · V1.

Исправляются ошибки во втором слое с помо-
щью 2-го внешнего кода B2:

S = EncB{I}. S2 = DecB2{S2}.

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

36 А. Н. ЕРШОВ, С. В. ПЕТРОВ, Ю. П. ПЯТОШИН

По полученной матрице внешних кодов Список литературы

S1 1. Eslami A., Pishro-Nik H. A Рractical Approch to Po-
S2 lar Codes. 2011 IEEE International Symposium on In-
formation Theory proceedings (ISIT 2011). P. 16–20.
определяется исходная информация I.
Данный алгоритм кодирования/декодирования 2. Жилин И. В., Иванов Ф. И., Зяблов В. В. Обобщен-
ные коды с локализацией ошибок с мягким деко-
был промоделирован в среде MATLAB. При мо- дированием внутренних кодов // Информационные
делировании для удобства вместо «расширенных» процессы, 2015, т. 15, № 2. С. 111–127.
кодов РС (256,172) и (256,238) использовались
«обычные» коды РС (255,171) и (255,237), что не 3. Zhilin I., Rybin P., Zyablov V. High-Rate Codes
сказывается на основных выводах. Все введенные for High-Reliability Data Transmission. ISIT 2015.
в кодовое слово ошибки (при их допустимом коли- P. 256–260.
честве 28 q-ичных символов) были исправлены.
4. Жилин И. В., Крещук А. А., Зяблов В. В. Обобщен-
Выводы ные коды с локализацией ошибок и минимизация
избыточности для заданных входной и выходной ве-
Поиск и разработка новых кодовых конструк- роятностей ошибки // Информационные процессы,
ций происходит постоянно. Между первой теорети- 2014, т. 14, № 4. С. 370–384.
ческой разработкой и широким практическим ис-
пользованием кодовой конструкции проходит зна- 5. Блох Э. Л., Зяблов В. В. Обобщенные каскадные
чительный интервал времени. Так, например, полу- коды. М.: Связь, 1976. 240 с.
чившие широкое распространение в настоящее вре-
мя коды с малой плотностью проверок (МПП-коды, 6. Блох Э. Л., Зяблов В. В. Линейные каскадные коды.
LDPC codes) впервые были предложены в 1963 го- М.: Наука, 1982. 230 с.
ду [13]. К недостаткам некоторых МПП-кодов
можно отнести наличие так называемой «полочки» 7. Digital Video Broadcasting (DVB-S.2), Standard ETSI
на кривой вероятности ошибки от отношения сиг- EN 302307 v 1.1.1 (2005-03). European Telecommu-
нал/шум при Pош меньше 10−7–10−8 (т. е. возмож- nications Standards Institute. (ETSI), 2005.
ность МПП-кода исправлять ошибки резко ухуд-
шается). 8. Банкет В. Л. Эффективные системы передачи дис-
кретных сообщений, Одесса: Одесский электротех-
Кодовая конструкция, использующая обобщен- нический институт связи им. А. С. Попова, 1982.
ные каскадные коды (в том числе ОЛО-коды), тако- 75 с.
го недостатка не имеет. Кроме того, эта конструк-
ция является очень гибкой (по длине кодового бло- 9. Помехоустойчивость и эффективность систем пере-
ка и кодовой скорости), что позволяет подобрать дачи информации / Под ред. А. Г. Зюко. М.: Радио
оптимальный код в каждом конкретном случае. и связь, 1985. 277 с.

Кодовая конструкция (ОЛО-код) строится 10. Колесник В. Д., Полтырев Г. Ш. Курс теории ин-
с использованием кодов Рида–Соломона, для ко- формации. М.: Наука, 1982. 416 с.
торых хорошо отработаны способы построения ко-
деров и декодеров. 11. Градштейн И. С., Рыжик И. М. Таблицы интегра-
лов, сумм, рядов и произведений. М.: Физматгиз,
1963. 1100 с. Таблицы интегралов, рядов и произ-
ведений / Под ред. А. Джеффри, Д. Цвиллингера;
пер. с англ. под ред. В. В. Максимова. 7-е изд. СПб.:
ВХВ–Петербург, 2011. 1232 с.

12. Пятошин Ю. П., Ершов А. Н. Повышение энергети-
ческой и полосовой эффективности систем передачи
информации методами помехоустойчивого кодиро-
вания // Авиакосмическое приборостроение, 2007,
№ 5. С. 17–19.

13. Галлагер Р. Коды с малой плотностью проверок на
четность. М.: Мир, 1966. 144 с.

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2019, том 6, выпуск 4, c. 37–43

РАДИОТЕХНИКА И КОСМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

УДК 621.372 DOI 10.30894/issn2409-0239.2019.6.4.37.43

Возможности обеспечения радиоэлектронной защиты
районов на поверхности Земли

от несанкционированного наблюдения

В. М. Ватутин, д.т.н., профессор, [email protected]
АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация

Л. С. Коваленко, к.т.н., с.н.с., [email protected]
АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация

С. А. Круглов, [email protected]
АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация

Аннотация. В настоящее время за рубежом существует тенденция совершенствовать космические средства наблюдения
за объектами на поверхности Земли, чтобы обеспечить непрерывность и всепогодность получения информации. Для повы-
шения оперативности доставки добываемой информации до потребителя внедряется способ ее передачи с космического аппа-
рата-наблюдателя через космические аппараты-ретрансляторы. Это дает возможность выявлять в реальном масштабе времени
деятельность контролируемой стороны на ранних этапах подготовки и в процессе проведения ею различных мероприятий,
что позволяет в кратчайшие сроки определить цель этих действий и своевременно спланировать и реализовать необходимые
контрмероприятия. Анализируется обеспечение скрытности действий в ограниченном районе на поверхности Земли в услови-
ях возможности несанкционированного периодического наблюдения за этим районом космическими средствами. Приведены
результаты моделирования возможностей космических систем наблюдения. Выявляются особенности построения орбитальных
группировок этих космических систем и разрабатываются предложения по организации радиоэлектронной защиты районов от
несанкционированного наблюдения.

Ключевые слова: космическая система наблюдения, контролируемый район, радиоэлектронная защита, моделирование воз-
можностей наблюдения

Possibilities to Provide Electronic Protective Measures
for the Areas on the Surface of the Earth
from Unauthorized Observation

V. M. Vatutin, Dr. Sci. (Engineering), Prof., [email protected]
Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation
L. S. Kovalenko, Cand. Sci. (Engineering), Senior Researcher, [email protected]
Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation

S. A. Kruglov, [email protected]
Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation

Abstract. Nowadays there is a tendency abroad to improve space observation systems for objects on the Earth’s surface to ensure
continuity and all-weather capability of information reception. To increase the speed of delivery of the extracted information to
the consumer, a method of transmitting it from observation spacecraft through relay spacecraft is introduced. This makes it
possible to identify in real time the activities of the side under control at the early stages of preparation and in the course of its
various activities, which enables one to determine the purpose of these actions as soon as possible and to plan and implement the
necessary counter-measures in the shortest time possible. Security of activities in a restricted area on the surface of the Earth
under conditions of an unauthorized periodic observation of the area by space means is analyzed. The paper presents the simulation
results of capabilities of space observation systems. Features of the construction of orbital constellations of these space systems are
identified and proposals for the organization of electronic protection of areas from unauthorized observation are developed.

Keywords: space observation system, controllable area, electronic protective measures, simulation of observation possibilities

38 В. М. ВАТУТИН, Л. С. КОВАЛЕНКО, С. А. КРУГЛОВ

Введение мя находился в северном полушарии в диапазоне
широт 40◦–70◦ с. ш. Такие КА позволяют обеспе-
За рубежом активно проводится поиск новых чить (при отсутствии облачности) получение вы-
форм и способов информационного обеспечения сокодетальных данных об объектах в контролиру-
различных мероприятий с использованием данных, емом районе и получение их стереоизображений
оперативно получаемых космическими системами в видимом диапазоне волн, а также вести наблю-
наблюдения (КСН). С их применением возрастает дение в ИК-диапазоне волн в ночное время;
возможность выявлять в реальном масштабе време-
ни активность контролируемой стороны на ранних – группировку КА, оснащенных бортовой ра-
этапах подготовки и в процессе проведения ею раз- диолокационной аппаратурой. КА позволяют вести
личных мероприятий, что позволяет в кратчайшие наблюдение за районом круглосуточно, практиче-
сроки выявить цель этих действий и своевременно ски при любых метеоусловиях;
спланировать и реализовать необходимые контрме-
роприятия. – группировку КА спутниковой системы пере-
дачи данных (ССПД), которая обеспечивает воз-
В целях воспрепятствования несанкциониро- можность доводить в реальном масштабе времени
ванному наблюдению, как правило, осуществляется добываемую информацию от указанных низкоор-
применение способов и средств снижения эффектив- битальных КА об объектах в контролируемом рай-
ности функционирования систем КСН. Один из пу- оне непосредственно на наземные пункты приема
тей решения этой задачи — радиоэлектронная за- и обработки информации. Для иллюстрации ее воз-
щита деятельности в определенных районах на по- можностей рассматривается орбитальная группи-
верхности Земли. ровка ССПД в составе трех КА-ретрансляторов на
геостационарной орбите и двух КА-ретрансляторов
Анализ возможностей космических на высокоэллиптических орбитах.
средств оперативного добывания
информации о деятельности 2. Наземные пункты приема (НПП) добывае-
в фиксированных районах мой информации, которые в зависимости от кине-
на поверхности Земли матической конфигурации [4,5] взаимного положе-
ния КА и НПП могут быть трех типов:
Рассмотрим в качестве примера возможности
системы космических систем оперативного наблю- – первый тип — НПП1, которые во время се-
дения, в прогнозируемый состав которых в ближай- анса наблюдения с КА контролируемого района на-
шей перспективе могут входить [1–3]: ходятся в зоне обзора бортовых радиопередатчиков
этого КА, что дает возможность передачи добыва-
1. Орбитальные группировки космических ап- емой информации непосредственно c КА на пункт
паратов (КА), включающие: приема;

– группировку КА, оснащенных бортовыми – второй тип — НПП2, которые во время се-
оптико-электронными средствами наблюдения, ко- анса наблюдения с КА контролируемого района на-
торые позволяет вести наблюдение в оптическом ходятся вне зоны обзора бортовых радиопередатчи-
и в ближнем инфракрасном диапазонах при отсут- ков этого КА, но находятся в зонах прямой радио-
ствии облачности. Как правило, эти КА предпола- видимости с некоторых КА-ретрансляторов системы
гается выводить на эллиптические солнечно-син- ССПД;
хронные орбиты (с высотой апогея Hа ≈ 1000 км,
высотой перигея Hп ≈ 250–300 км, наклоне- – третий тип — НПП3, которые во время сеан-
нием орбиты i ≈ 97,8 град). Аргумент перигея са наблюдения с КА контролируемого района нахо-
орбит каждого из КА орбитальной группировки дятся вне зоны обзора бортовых радиопередатчиков
выбирается таким образом, чтобы перигей все вре- этого КА и не имеют возможности получать в ре-
альном масштабе времени добываемую информацию
через КА-ретрансляторы ССПД. Эту информацию
такие НПП3 могут принимать с КА только после то-
го, как попадут в зону обзора бортовых радиопере-
датчиков этого КА по мере его движения по орбите.

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

ВОЗМОЖНОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ ЗАЩИТЫ РАЙОНОВ 39

Рис. 1. Иллюстрация периодичности попадания контролируемого района в зону обзора с КА наблюдения

В настоящей работе основное внимание уделя- участки траекторий орбит КА системы ССПД, на
ется анализу возможностей радиоэлектронной за- которых КА-ретрансляторы находятся в зоне пря-
щиты (РЭЗ) от группировок КА, конфигурации ко- мой радиовидимости с НПП. Участки, на которых
торых предполагают использование для оперативной КА-ретрансляторы видны с НПП1, выделены жел-
доставки добываемой информации на НПП КА-ре- тым, а участки, наблюдаемые с НПП2, — розовым
трансляторы ССПД. Такая схема является наибо- цветом.
лее опасной для стороны, пытающейся предотвра-
тить несанкционированное наблюдение в реальном Принципы организации
масштабе времени. блокирования КА-ретрансляторов

Возможности космических средств по наблю- Для обеспечения РЭЗ районов от несанкцио-
дению за фиксированными районами и передаче нированного наблюдения может быть использована
добываемой информации на НПП иллюстрируются совокупность наземных РЭС (НРЭС), которые для
рис. 1–3, где для упрощения отображены результа- удобства эксплуатации и поддержания их готов-
ты моделирования функционирования КСН, вклю- ности к применению могут размещаться на огра-
чающей: по одному КА наблюдения, каждый из ко- ниченном множестве территориально разнесенных
торых оснащен оптико-электронной и радиолока- объектах G = {G1, . . . , Gn, . . . , GN }, где N — об-
ционной аппаратурой (ОЭА и РЛА); два КА систе- щее число объектов. Решение задач РЭЗ предпо-
мы ССПД на высокоэллиптических орбитах (КА-3, лагает согласованное использование в каждый мо-
КА-4) и три КА этой системы на стационарной ор- мент времени t сочетаний РЭС, дислоцирующихся
бите (КА-1, КА-2, КА-5). в общем случае на различных объектах.

Результаты моделирования показывают следую- Для решения задач координации применения
щее: РЭС для РЭЗ районов от несанкционированного
наблюдения должна использоваться система пунк-
– периодичность попадания любого района ди- тов управления (ПУ):
слокации объектов в диапазоне широт ±70◦ в зону
обзора с КА достаточно высокая и зависит от чис- – центральный ПУ наземными РЭС, обеспе-
ленного состава орбитальной группировки (для ил- чивающий формирование и выдачу на объектовые
люстрации периодичность попадания защищаемого ПУ скоординированных планов применения нахо-
района в зону обзора с борта одного КА представ- дящихся на этих объектах НРЭС по блокированию
лена на рис. 1 и составляет до 6–9 раз в сутки); КА-ретрансляторов ССПД и необходимых для их
реализации исходных данных, контроль выполне-
– любой разведывательный КА имеет воз- ния этих планов и др.;
можность передавать (см. рис. 2, 3) практически
в любой момент времени добываемую информацию – объектовые ПУ наземными РЭС, обеспе-
в реальном масштабе времени через один–три чивающие реализацию планов применения дисло-
КА-ретранслятора системы ССПД на доступные цирующимися на соответствующих объектах РЭС
с этих КА наземные пункты приема информации. по блокированию конкретных КА-ретрансляторов.

На рис. 3 утолщенными и более яркими ча-
стями проекций на земную поверхность выделены

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

40 В. М. ВАТУТИН, Л. С. КОВАЛЕНКО, С. А. КРУГЛОВ
КА-3

КА-4

КА-1

КА-2

КА, оснащенный РЛА КА-5

Рис. 2. 3D-изображение возможностей передачи с КА, оснащенного РЛА, добываемой информации: через два
КА-ретранслятора на высокоэллиптической орбите — КА-3 и КА-4; через три КА-ретранслятора на геостационар-

ной орбите — КА-1, КА-2 и КА-5

SDS_3 SDS_4
КН

SDS_2 SDS_5 SDS_1

Рис. 3. 2D-изображение возможностей передачи с КА, оснащенного РЛА, информации о районе в момент его
попадания в зону обзора бортовой аппаратуры КА через три КА-ретранслятора (КА-3, КА-4, КА-5)

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

ВОЗМОЖНОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ ЗАЩИТЫ РАЙОНОВ 41

Для обеспечения взаимосвязанного функцио- на предшествующем (i − 1)-м цикле и начинается
нирования указанных ПУ и подчиненных им на- после поступления на центральный ПУ НРЭС рас-
земных РЭС должна использоваться единая авто- поряжения по формированию нового плана приме-
матизированная система ведения базы данных нения НРЭС. В распоряжении могут быть указаны
о составе, характеристиках и возможностях этих исходные данные, которые должны быть положены
средств, а также об аналогичных прогнозируемых в основу формирования плана применения НРЭС
данных о зарубежных КА, рассматриваемых как по решению всей совокупности задач РЭЗ на пред-
потенциальные объекты обслуживания. Принципы стоящий период. Исходные данные должны содер-
построения такой базы данных изложены в [6]. жать в том числе приоритеты решения тех или
иных задач, время начала и продолжительность ре-
Для разработки на центральном ПУ плана шения соответствующей задачи, величину очеред-
применения НРЭС в интересах РЭЗ районов от не- ного планового периода Tiпл и время его начала ti.
санкционированного наблюдения должны исполь-
зоваться следующие исходные данные: Ниже излагаются основные принципы форми-
рования раздела общего плана применения НРЭС,
– названия спутниковых систем (СпС), в пер- ориентированного на обеспечение решения задач
вую очередь ССПД, космические аппараты кото- РЭЗ.
рых определяются как объекты «обслуживания»
НРЭС в предстоящем плановом периоде. Могут Основными этапами разработки раздела плана
указываться также индексы конкретных КА или применения НРЭС в части плана обеспечения РЭЗ
число КА из состава орбитальных группировок являются:
ССПД, которые определяются как объекты «обслу-
живания»; 1) выработка решения на начало цикла плани-
рования РЭЗ на следующий i-й плановый период;
– состав, координаты размещения и ТТХ
НРЭС на всех объектах дислокации и др.; 2) подготовка информации для планирования
РЭЗ;
– приоритеты (коэффициенты важности) ре-
шения задач в плановом периоде; 3) разработка и анализ вариантов планов при-
менения РЭЗ;
– порядок «обслуживания» КА в плановом
периоде: требуемые времена начала «обслужива- 4) управление реализацией плана обеспечения
ния»; требуемые продолжительности «обслужива- РЭЗ на i-м плановом периоде.
ния» и др. Указанные показатели должны являться
результатом моделирования движения КА наблю- 1-й этап — выработка решения
дения и определения моментов попадания и выхода на начало i-го цикла планирования РЭЗ
защищаемого района из зон обзора этих КА;
Главная задача первого этапа — выявление
– рекомендуемые помеховые сигналы, которые признаков необходимости начала работ по форми-
предполагается использовать при решении задач рованию плана РЭЗ на i-й плановый период. Ос-
РЭЗ и др. новным признаком (критерием) для принятия та-
кого решения является выявленное несоответствие
Принципы формирования плана условий, в которых реализуется предыдущий план
блокирования КА-ретрансляторов РЭЗ на (i − 1)-й плановый период, условиям, кото-
с использованием НРЭС рые были положены в основу его разработки.

Предполагается, что планирование применения Факторы, приводящие к принятию решения на
НРЭС по «обслуживанию» КА в интересах обес- изменение действующего плана, т. е. либо его кор-
печения РЭЗ назначенных районов на определенном ректировки, либо необходимости разработки нового
интервале времени Tiпл (i — номер планового перио- плана, следующие:
да, i ∈ {1, . . . N }) проводится циклически. Разработ-
ка плана применения НРЭС на i-й цикл проводится – поступление от вышестоящего органа управ-
ления на центральный ПУ НРЭС новых распоряже-
ний и исходных данных, в том числе в интересах
РЭЗ (приоритетности решения задач, назначение

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

42 В. М. ВАТУТИН, Л. С. КОВАЛЕНКО, С. А. КРУГЛОВ

новых районов и объектов РЭЗ, оперативного вре- тических задач по разработке и анализу вариан-
мени решения задач РЭЗ и др.), которые не были тов планов целевого применения всей совокупно-
предусмотрены при разработке плана применения сти НРЭС в интересах обеспечения РЭЗ.
на предыдущем периоде;
Исходные данные формируются на основе ин-
– поступление от ПУ данных об изменении формации из следующих источников:
работоспособности подчиненных РЭС (из-за отка-
зов, деструктивного воздействия электромагнитной а) от центрального ПУ НРЭС исходные дан-
обстановки в районах дислокации, метеорологи- ные для планирования, включающие наименова-
ческих и других факторов) на отдельных объек- ние спутниковых систем или КА, которые должны
тах дислокации, которые требуют либо пересмотра быть обслужены в плановом периоде, виды обслу-
плана применения средств на одном объекте, либо живания, требования по периодичности и продол-
изменения планов применения средств на несколь- жительности обслуживания, приоритеты по обслу-
ких объектах и др. живанию и др.;

При возникновении этих ситуаций разрабаты- б) от ЦККП поступают начальные условия
ваются распоряжения для нижестоящих ПУ о про- на фиксированный момент времени о положении
работке возможности реализации действующего КА спутниковых систем, определенных в качестве
плана в новых условиях и анализируются вариан- объектов обслуживания НРЭС;
ты его изменения при необходимости. Если воз-
можна его корректировка, то она вносится в план в) от каждого объектового ПУ поступают дан-
и продолжается его выполнение. Если вновь воз- ные о прогнозируемом на предстоящий плановый
никшие факторы не могут быть устранены путем период составе, техническом состоянии и возмож-
только корректировки плана, то принимается ре- ностях НРЭС, дислоцирующихся на соответствую-
шение о необходимости разработки нового плана. щем объекте, рассчитанных с учетом прогнозиру-
емой электромагнитной и гидрометеорологической
На основании этой и другой информации при- обстановки в районе дислокации.
нимается решение о планировании применения
НРЭС в интересах РЭЗ на новый плановый период. 3-й этап — разработка и анализ вариантов
плана целевого применения (ПЦП) НРЭС,
2-й этап — подготовка информации в том числе в интересах обеспечения РЭЗ
для планирования применения НРЭС
в интересах решения задач РЭЗ На первом шаге этого этапа осуществляется
последовательный анализ потенциальных возмож-
При поступлении на центральный ПУ НРЭС ностей решения задач обслуживания КА. Снача-
распоряжения на разработку плана применения ла определяются интервалы времени и потенциаль-
в интересах обеспечения РЭЗ на следующий (i-й) ные зоны доступности тех или иных КА с каж-
плановый период начинается работа по организа- дого объекта. Затем формируется (на последующих
ции и информационному обеспечению планирова- циклах при необходимости уточняется) таблица со-
ния, включающая: ответствия частотных диапазонов бортовых прием-
ных устройств РЭС КА-ретрансляторов частотным
– формирование и выдачу в центр контро- диапазонам РЭС, имеющихся на каждом объекте.
ля космического пространства (ЦККП) запроса на На основе этой информации проводится предвари-
уточнение прогнозных данных о параметрах дви- тельная разработка вариантов распределения объек-
жения КА наблюдения и КА-ретрансляторов; тов и задач между НРЭС в их зоне ответственности.

– формирование и выдачу на объектовые ПУ На втором шаге формируются варианты пла-
НРЭС указаний по подготовке прогнозных (на пред- нов применения НРЭС.
стоящий плановый период) данных по составу и воз-
можностям обслуживающего персонала. На третьем шаге работ проводится оценка эф-
фективности вариантов ПЦП, их сравнительный
На этом этапе планирования формируется ба- анализ и выбор рационального плана.
за исходных данных для решения расчетно-анали-

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

ВОЗМОЖНОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ ЗАЩИТЫ РАЙОНОВ 43

4-й этап — управление реализацией ПЦП став которых должен выбираться с учетом наилуч-
ших условий энергетической доступности к борто-
На этом этапе подготавливается для рассмот- вым РЭС КА-ретрансляторов.
рения и осуществляется согласование разработан-
ного проекта ПЦП. В случае наличия замечаний Список литературы
по представленному варианту ПЦП подготавлива-
ются уточненные исходные данные, на основании 1. Маршалов К. Американские космические аппараты
которых формируются скорректированные предло- оптоэлектронной разведки // Зарубежное военное
жения по проекту ПЦП. обозрение, 2013, № 10. С. 64–68.
http://pentagonus.ru/publ/amerikanskie_kosmicheskie_
После утверждения ПЦП подготавливаются apparaty_optoehlektronnoj_razvedki_2013/80-1-0-2491
выписки из плана на величину планового периода (Дата обращения 04.10.2019).
для каждого из объектовых ПУ в части, их каса-
ющейся, и распоряжения по целевому применению 2. Жуков В. Взгляды военного руководства США на
средств соответствующих НРЭС на ближайшие ведение информационной войны // Зарубежное во-
сутки. енное обозрение, 2001, № 1. http://pentagonus.ru/
publ/22-1-0-175 (Дата обращения 04.10.2019).

Выводы 3. Радзиевский В. Г., Сирота А. А. Теоретические ос-
новы радиоэлектронной разведки. 2-е изд., испр.
1. Для обеспечения РЭЗ районов дислокации и доп. М.: Радиотехника, 2004. 432 с.
объектов необходимо непрерывно анализировать
положение КА наблюдения относительно защищае- 4. Баринов К. Н., Бурдаев М. Н., Мамон П. А. Динамика
мого района и положение тех КА-ретрансляторов, и принципы построения орбитальных систем космиче-
с которыми эти КА имеют возможности прямой ра- ских аппаратов. М.: Машиностроение, 1975. 232 с.
диовидимости.
5. Куприянов А. И., Шустов Л. Н. Радиоэлектронная
2. В периоды времени, когда защищаемый борьба. Основы теории. М.: Вузовская книга, 2011.
район попадает в зону обзора бортовой аппарату- 800 с.
ры КА наблюдения, необходимо обеспечить блоки-
рование приемной бортовой аппаратуры тех КА-ре- 6. Коваленко Л. С., Чистяков Б. А. Автоматизирован-
трансляторов, которые находятся в зоне прямой ра- ная система ведения базы данных о составе, характе-
диовидимости этого КА наблюдения. ристиках и возможностях радиоэлектронных средств
на объектах НАКУ // Ракетно-космическое приборо-
3. Для гарантированного обеспечения блоки- строение и информационные технологии. 2015. Сбор-
рования каналов ретрансляции добываемой инфор- ник трудов VII Всероссийской научно-технической
мации необходимо использование нескольких тер- конференции «Актуальные проблемы ракетно-косми-
риториально разнесенных НРЭС, конкретный со- ческого приборостроения и информационных техно-
логий». М.: АО «Российские космические системы»,
2015. С. 350–358.

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2019, том 6, выпуск 4, c. 44–50

РАДИОТЕХНИКА И КОСМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

УДК 621.371.32 DOI 10.30894/issn2409-0239.2019.6.4.44.50

Усилитель мощности приемо-передающего модуля
активной фазированной решетки Ка-диапазона частот

А. В. Буянкин, [email protected]
АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация

А. Ю. Трунова, [email protected]
АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация

А. А. Нелин, к. в. н., [email protected]
АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация

Л. Е. Рагулина, к. ф.-м. н., [email protected]
Московский физико-технический институт, Долгопрудный, Московская область, Российская Федерация

М. В. Рыжаков, [email protected]
Московский физико-технический институт, Долгопрудный, Московская область, Российская Федерация

Аннотация. В ходе разработки опытного образца приемо-передающего модуля (ППМ) активной фазированной антенной ре-
шетки (АФАР) на основе комбинирования технологии многослойных печатных сверхвысокочастотных (СВЧ) плат и управ-
ляющей системы на кристалле при разработке технического проекта ППМ АФАР внимание было акцентировано на описа-
ние процедуры разработки монолитного усилителя мощности (УМ) диапазона частот 32–35 ГГц, выполненного по 0,1 мкм
GaN-pHEMT-технологии, с помощью СВЧ-систем автоматического проектирования.

Цель работы — обоснование возможности создания усилителя мощности с управляющей системой на кристалле. Подтвер-
ждение возможности создания было проведено с помощью современных систем автоматического проектирования и моделиро-
вания. Представлен в модели усилитель мощности, разработанный по технологии phemt 0,1 мкм. Проведены исследования по
оптимизации топологии усилителя мощности для ППМ АФАР. Результаты исследования были использованы для проектиро-
вания схемы и топологии усилителя в средах Microwave Office и Advanced Desing System. Приведенные результаты расчетов
показывают, что усилитель, работающий на частоте 34 ГГц, достигает коэффициента усиления 13 дБ.

Ключевые слова: монолитная интегральная схема, МИС, усилитель мощности, pHEMT, активная фазированная антенная
решетка, АФАР

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2019, том 6, выпуск 4, c. 44–50

РАДИОТЕХНИКА И КОСМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Power Amplifier for the Transceiver Module
of a Ka-band Active Phased Array

A. V. Buyankin, [email protected]
Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation

A. Yu. Trunova, [email protected]
Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation

A. A. Nelin, Cand. Sci. (Mil.), innovation@ spacecorp.ru
Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation

L. E. Ragulina, Cand. Sci. (Phys.-Math.), [email protected]
Moscow Institute of Physics and Technology, Dolgoprudny, Moscow region, Russian Federation

M. V. Ryzhakov, [email protected]
Moscow Institute of Physics and Technology, Dolgoprudny, Moscow region, Russian Federation

Abstract. In the course of the development of a transceiver module (TRM) prototype for an active phased array antenna (APAA,
AESA) based on the combination of multilayer microwave (MW) printed circuit boards and control system-on-chip (SoC) technolo-
gies, during technical design of the APAA transceiver module, the attention was focused on the description of the development
procedure of a monolithic power amplifier (PA) of the 32–35 GHz frequency range, created using microwave computer-aided
engineering systems with the implementation of the 0.1 µm GaN pHEMT technology.

The aim of the work is the justification of the possibility of creating a power amplifier with a SoC control system. The feasibility
of the project was proved with the help of modern automated design and simulation systems. A model of the power amplifier
designed with use of the 0.1µm pHEMT technology is presented. Studies were conducted to optimize the layout of the power
amplifier of the APAA transceiver module. The research results were used to design the circuit and layout of the amplifier
in the Microwave Office and Advanced Design System environments. The provided calculation results demonstrate that an amplifier
operating at a frequency of 34 GHz reaches a gain of 13 dB.

Keywords: monolithic integrated circuit (MIC), power amplifier, pHEMT, active phased array antenna, APAA, AESA

46 А. В. БУЯНКИН, А. Ю. ТРУНОВА, А. А. НЕЛИН, Л. Е. РАГУЛИНА, М. В. РЫЖАКОВ

В настоящее время наблюдается стремитель- мощностью более 1 Вт. Наиболее подходящие тех-
ное развитие космических систем радиолокации нологии для создания УМ Ка-диапазона частот —
и связи, что влечет за собой существенное уве- технологии phemt GaN с топологической нормой
личение количества космических аппаратов (КА) 0,1 мкм [2].
и увеличение объемов передаваемой информации
по каналам связи. При этом частотный ресурс В своей книге «AlGaN/GaN-HEMT Power Am-
в разрешенных диапазонах P, L, S, C, X суще- plifiers with Optimized Power-Added Efficiency for
ственно ограничен и в большинстве случаев за- X-band Applications» [3] еще в 2010 году Jutta
нят существующими системами. В связи с этим Kuhn, ученый из Фраунгофера, обратила внима-
перед разработчиками перспективных космических ние на то, что производительность всей системы
систем связи стоит задача освоения миллиметро- спутниковой связи особенно зависит от передаю-
вых диапазонов К, Ка, Q для решения задач связи щего канала, который сильно ограничен макси-
как между КА, так и между КА и наземными стан- мальной выходной мощностью последнего усили-
циями [1]. Одна из современных тенденций — рост теля. Это становится очевидным, когда требует-
применения активных фазированных антенных ре- ся систему построить в миллиметровом диапа-
шеток (АФАР) в космических аппаратах. зоне частот. Причиной этому является уменьше-
ние количества полупроводников для достижения
Актуальность этого подтверждается проводи- высоких рабочих частот, однако ставит под угро-
мыми в настоящее время комплексными проекта- зу возможность управления мощностью. В этой
ми по созданию высокотехнологичных производств, связи использование новых перспективных тех-
в том числе и приемо-передающих модулей актив- нологий, таких как GaN, обеспечивает высокую
ной фазированной антенной решетки на основе со- удельную мощность, эффективность и широкопо-
временных технологий. Так, материал данной статьи лосность.
подготовлен на основе работы, выполненной в рам-
ках комплексного проекта АО «Российские косми- На конференции, проходившей в 2014 году
ческие системы» и Московского физико-техни- в городе Синдай (Япония), ученые B. Y. Chen,
ческого института по Соглашению с Минобр- C. C. Chiong и H. Wang представили разработанный
науки России от 31.05.2018 № 074-11-2018-014, малошумящий усилитель мощности К-диапазона
(заключеноному на основании Постановления Пра- частот, реализованный на технологии 0,1 мкм GaAs
вительства Российской Федерации от 9 апреля pHEMT. МШУ достигает усиления в 29 дБ на
2010 г. № 218 «О мерах государственной поддерж- частотах 18,5–30 ГГц при потреблении 27 мВт [4].
ки развития кооперации российских образователь-
ных организаций высшего образования, государ- В представленной работе по созданию и раз-
ственных учреждений и организаций, реализую- работке усилителя мощности Ка-диапазона частот
щих комплексные проекты по созданию высокотех- для ППМ АФАР космического аппарата возника-
нологичного производства, в рамках подпрограммы ет необходимость интеграции УМ непосредственно
“Институциональное развитие научно-исследова- в антенну. К блоку могут быть предъявлены более
тельского сектора” государственной программы Рос- жесткие требования по внешним воздействующим
сийской Федерации “Развитие науки и технологий факторам (ВВФ), в особенности в части спецфак-
на 2013–2020 годы”»). торов. В связи с этим технология создания МИС
должна быть в наименьшей степени подвержена
Решаемая комплексная задача при этом явля- воздействию космических излучений и т. п.
ется сложной как с научной, так и с производствен-
ной и технологической точек зрения. Немаловажным показателем применяемости
в системах спутниковой связи является широко-
Одной из главных задач при создании прие- полосность усилителя. Широкая полоса позволяет
мо-передающих модулей Ка-диапазона частот яв- утверждать, что при работе устройства в выделен-
ляется увеличение мощности передатчика. Для ре- ных диапазонах частот заявленные характеристики
шения данной задачи требуется создание монолит- будут выдерживаться вне зависимости от конструк-
ной интегральной схемы (МИС) УМ с выходной тивных допусков и ЭМС при проектировании си-
стемы [5].

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩЕГО МОДУЛЯ 47

Требуемые параметры усилителя мощности На основе принципиальной схемы сгенериро-
представлены в таблице. вана топология усилителя. Размер МИС МШУ
2500 × 1000 мкм. Расчетный ток потребления ме-
Т а б л и ц а. Требуемые параметры усилителя мощности нее 1500 мА. Топология МИС УМ представлена на
рис. 2.
№ Наименование пара- Норма
п/п метра, единица Буквенное параметра Моделирование топологии было произведено
обозначение без транзисторов. Затем из топологии создается
измерения параметра не не символ и экспортируется в схемотехнический ре-
дактор. К портам символа топологии подключа-
менее более ются транзисторы в схемотехническом редакторе.
Моделирование происходит с использованием ре-
Параметры зультатов электромагнитного моделирования топо-
логии и моделей транзисторов, взятых в схемо-
1 Диапазон рабочих f 32 35 техническом редакторе. Результат моделирования
частот, ГГц МИС УМ с учетом электромагнитного моделиро-
вания представлен на рис. 3.
2 Коэффициент Kу 18 –
усиления, дБ В процессе разработки УМ проведено модели-
рование выходной мощности. В результате разра-
3 Выходная мощность, Pвых 37 ботки в УМ достигнуто значение выходной мощно-
дБмВт сти на уровне 37 дБм. Значение выходной мощно-
сти МИС УМ представлено на рис. 4.
4 КСВН входа/выхода KстU 2
5 Ток потребления, мА I 1500 Результаты моделирования коэффициента уси-
ления МИС УМ в схемотехническом и топологиче-
Разработан 4-каскадный УМ на основе про- ском редакторах представлены на рис. 5.
цесса pHEMT 0,1 мкм. Напряжение питания 5 В.
Принципиальная схема УМ с учетом микрополос-
ковых линий представлена на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема УМ с учетом микрополосковых линий
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019

48 А. В. БУЯНКИН, А. Ю. ТРУНОВА, А. А. НЕЛИН, Л. Е. РАГУЛИНА, М. В. РЫЖАКОВ
Рис. 2. Топология МИС усилителя мощности

Рис. 3. Моделирование МИС УМ с учетом электромагнитного моделирования

Результаты топологического моделирования Результаты (рис. 6) топологического модели-
соответствуют ожиданиям. Усиление, полученное рования в части коэффициента отражения по вхо-
в топологии, в среднем на 2 дБ меньше, чем ре- ду оказались лучше, чем результаты схемотехни-
зультаты схемотехнического проектирования. ческого моделирования.

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 6 вып. 4 2019