Перспективные средства наземного комплекса управления космическими аппаратами ВВС США

Капитан 2 ранга С Аветисян,
кандидат технических наук

В настоящее время важнейшей, а в некоторых случаях и единственной сферой вооруженной борьбы продолжает оставаться воздушно-космическое пространство. Необходимо отметить, что силы и средства воздушно-космического наблюдения и система их информационного обеспечения во всех армиях ведущих зарубежных государств совершенствуются комплексно, получая приоритетное развитие. Их ведущая роль закреплена в концептуальных документах применения вооруженных сил.

Основной объем командно-программной и телеметрической информации, а также данные от полезной нагрузки ЖА военного назначения США передаются через ИСЗ-ретрансляторы, находящиеся на геостационарной орбите. Наземные средства в полном объеме выполняют свои задачи преимущественно в ходе запуска и формирования рабочей орбиты, маневрирования и перевода в новый район, свода с орбиты и т. д.

Космические системы могут работать эффективно только тогда, когда есть тесная связь и взаимодостаточность трех основных компонентов (сегментов):
- орбитальной группировки космических аппаратов (КА) различного целевого назначения;
- средств выведения в космическое пространство;
- средств управления орбитальной группировкой космических аппаратов.

Схематический вид перспективной купольной ФАР: А - общий вид КФАР; Б - схема треугольной панели КФАР

Испытание нескольких панелей КФАР в научно-исследовательской лаборатории ВВС США

Возрастающие требования к качеству поступающей целевой информации от КА выдвигают задачи совершенствования боевого применения аппаратов и методов управления их функционированием.

В настоящее время все антенные комплексы наземных станций управления космическими аппаратами представляют собой параболическую антенну с механическими элементами, необходимыми для приведения в движение, как правило, огромного зеркала антенны. Современные параболические антенны, несмотря на ряд имеющихся у них преимуществ, обладают и рядом серьезных недостатков, к которым следует отнести: низкую механическую надежность подвижных узлов и элементов конструкции антенного комплекса, низкую эксплуатационную гибкость, а также высокую стоимость жизненного цикла.

Современные наземные станций командно-измерительного комплекса (КИК) ВВС США позволяют управлять всеми КА, оснащенными командно-телеметрической системой стандарта SGLS S-диапазона (1,8/2,2 ГГц).

Для устранения вышеупомянутых недостатков группой зарубежных экспертов было предложено отойти от использования классической параболической антенны и рассмотреть вопрос о применении активных фазированных антенных решеток (АФАР), что позволит повысить оперативность управления КА, производительность технологических операций, сократить временной интервал проведения технологического цикла управления. Предполагается, что по производительности одна АФАР способна будет заменить три классические рефлекторные параболические антенны. Однако в классических планарных АФАР при качании луча в секторе, намного превосходящем по ширине диаграмму направленности, происходит расширение диаграммы, изменение ее формы и возникновение новых боковых лепестков. Эти явления наблюдаются особенно часто при больших углах отклонения оси диаграммы от нормали к решетке. Для устранения этих недостатков было предложено использовать сферическую (купольную) поверхность, при которой перечисленные явления не будут влиять на функциональные возможности антенны.

В настоящее время низкий организационно-технический уровень современного состояния наземного комплекса управления КА накладывает ограничения на оперативное планирование применения и эффективную эксплуатацию космических аппаратов по целевому назначению.

Следовательно, для эффективного решения задач управления КА США должны будут иметь наземный комплекс, способный обеспечить надежное оперативное управление боевым применением КА, а также прием и обработку специальной информации. Создание нового поколения радиотехнических станций (РТС), основанных на использовании купольной фазированной антенной решетки (КФАР), является одним из ключевых направлений развития наземного комплекса управления США.

Наземный комплекс управления (НКУ, сеть слежения и управления КА США AFSCN - Air Force Satellite Control Network) представляет собой сложную организационно-техническую систему, состоящую из оперативного центра управления боевым применением, командно-измерительных комплексов (КИК), мобильных КИК и наземных линий связи.

В состав НКУ входят восемь наземных пунктов, расположенных на АвБ Шривер и Ванденберг, н. п. Нью-Бос-тон, Кайена-Пойнт, Туле, Оукхангер, о-вах Диего-Гарсия и Гуам"

Современные наземные комплексы управления КА имеют антенны с механическим приводом управления, у которых диаметр рефлектора составляет около 10 м. Антенные станции такого
типа способны одновременно сопровождать один КА, не обеспечивая при этом одновременной передачи командно-программной информации и приема телеметрии. Механические узлы и большая масса антенн также накладывают свои ограничения на процесс управления КА, снижая оперативность применения станции, которая в среднем способна выполнить только два сеанса в час. В свою очередь, командно-измерительный пункт сети слежения и управления за КА имеет в среднем четыре антенные станции для связи с разными типами аппаратов.

Свои собственные наземные комплексы управления КА, помимо ВВС, имеются в ВМС, СВ, Национальном управлении по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), Национальном управлении по исследованию океанов и атмосферы (НОАА), которые соединены через оперативный центр управления 14-й воздушной армии ВВС США.

В настоящее время ведутся работы по модернизации радиотехнических станций для КИК системы AFSCN (Air Force Satellite Control Network), которая обеспечивает функционирование на орбите спутников космических систем военного назначения. Необходимость этого обусловлена новыми требоНаниями к командно-измерительному комплешу военно-воздушных сил США, предусматривающими высокий уровень интеграции с КИК сухопутных войск, военно-морских сил, НАСА, НОАА, а в будущем и с наземными средствами управления коммерческими КА. Увеличение числа управляемых аппаратов, а также растущий поток за-£в#к на проведение дистанционного зондирования Земли требуют от современных антенных комплексов большей гибкости и универсальности.

Специалистами исследовательской лаборатории ВВС США в качестве перспективной антенны КИК была предложена модель геодезической купольной фазированной антенной решетки (КФАР) (Geodesic Dome Phased Array Antenna).

Перспективная PTC не будет иметь механических узлов и компонентов, что повышает ее надежность. Однако она значительно проигрывает рефлекторным антеннам в стоимости создания. В свою очередь, по оценкам зарубежных экспертов, стоимость жизненного цикла КФАР будет значительно ниже стоимости жизненного цикла параболической антенны. КФАР способна будет обеспечивать высокий коэффициент усиления, высокую мгновенную ширину полосы частот, низкий уровень ошибок и поляризационных помех.

Исходя из того что стоимость приемопередающего модуля, как правило, составляет порядка 40-50 % стоимости решетки, разработчики сделали акцент на снижение стоимости разработки модуля в перспективной КФАР. Передающий сегмент модуля состоит из двух схем управления, каждая из которых содержит четыре дискретных фазовращателя (ф 22,5, 45, 90 и 180°) и пять делителей мощности Вилкинсона (1, 2, 4, 8 и 16 дБ).

Одна из главных особенностей новых станций - полноя автоматизация всех процедур подготовки и проведения сеансов связи с КА. По мнению американских специалистов, высокий уровень автоматизации станций позволяет сократить расходы на содержание КИК, а также повышает надежность и интенсивность использования средств слежения комплекса. Так, ожидается, что среднесуточное количество сеансов связи с КА после ввода в эксплуатацию новых станций возрастет более чем в 3 раза.

Наземный сегмент перспективных космических систем предположительно будет включать в себя единый наземный межведомственный комплекс управления с распределенной сетью КИКов различных ведомств, объединенных в единую межведомственную виртуальную сеть.

Системы управления перспективных космических систем наблюдения предположительно будут ориентированы главным образом не на поддержание работоспособности отдельного КА и управления его технологическим циклом, а на оценку состояния всей орбитальной группировки (ОГ) и принятия решения по ее реконфигурации и использованию по целевому назначению. Структура перспективных ОГ будет представлять собой сложную архитектуру, состоящую из КА различного назначения и географически распределенного наземного комплекса. Главная ОГ может включать несколько подчиненных ОГ, выполняющих частные подзадачи.

Важной особенностью КС на основе многоспутниковых ОГ будет являться постоянно функционирующая в ЦУП модель всей системы, адекватно отражающая в режиме реального времени состояние ОГ и всей системы и прогнозирующая различные ситуации поведения системы до выдачи управляющего воздействия.

Таким образом, переход на использование перспективной сферической фазированной решетки в наземных станциях КИК ВВС США позволит повысить оперативность управления КА, производительность технологических операций, а также сократить временной интервал проведения технологического цикла управления. По производительности одна КФАР способна будет заменить три классические рефлекторные параболические антенны.

Внедрение технологии КФАР позволит совместить различные режимы (измерение точных навигационных параметров, передачу командно-программной информация, прием телеметрии) функционирования КИК.

Зарубежное военное обозрение. - 2014. - №3. - С.54-57

• Геоинформационное обеспечение ВС США (2005)
• Американская программа "Телепорт" (2004)
• Реформирование системы организации и управления программами космической деятельности и ПРО МО США (2002)
• Применение космической группировки США в ходе операции в Афганистане (2002)
• Использование США космической группировки в войне против Ирака (2003)
• Основные направления развития наземных оптоэлектронных средств контроля космического пространства США (2006)
• Национальная политика США в области использования космического пространства (2007)
• Исследования в США перспективных направлений развития авиационно-космической техники
• Перспективы развития транспортных космических средств США (2009)
• Военные аспекты программы "Спейс шатл"