МЕТОД АДАПТИВНОЙ ПЕРЕДАЧИ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Некрасов М.В.¹, Пакман Д.Н.²

¹Кандидат технических наук,

²начальник сектора,

Акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф Решетнева

МЕТОД АДАПТИВНОЙ ПЕРЕДАЧИ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Аннотация

В статье рассматриваются особенности управления орбитальной группировкой космических аппаратов и проблема повышения качества телеметрического сигнала, возникающая при одновременном приёме через множество земных станций. Предлагается усовершенствованный метод адаптивной передачи телеметрии, позволяющий повысить эффективность управления орбитальной группировкой космических аппаратов.

Ключевые слова: центр управления полётами, автоматизация, телеметрия.

Nekrasov M.V.¹, Packman D.N.²

¹PhD in Technical Sciences,

²head of sector

Joint-stock Company Academician M.F. Reshetnev Information Satellite Systems

METHOD OF ADAPTIVE TELEMETRY TRANSMISSION

Abstract

The article describes features of satellite orbital group control and a problem of increasing the quality of telemetry signal, arising during simultaneous receipt through a set of ground control stations. An improved adaptive transmission method is proposed, which increases the effectiveness of satellite orbital group control in general.

Keywords: satellite control center, automation, telemetry.

Проблематика

Часто при управлении орбитальной группировкой (ОГ) космических аппаратов (КА) используются общие технические средства наземного контура управления, а именно земные станции (ЗС), с целью удешевления затрат на создание и дальнейшее сопровождение ОГ КА. Такая организация требует особого проектирования центров управления полётами (ЦУП), планирования сеансов связи с КА и определения эффективных способов управления КА.

Как правило, в современных ЦУП с доступом к наземным средствам общего пользования применятся сеансовый режим управления. На требуемом временном интервале осуществляется планирование задействования ЗС для выдачи команд управления, определения текущих навигационных параметров, съёма телеметрической информации. Для повышения степени доступности телеметрической информации привлекаются дополнительные ЗС.

С точки зрения оператора анализа телеметрической информации по каждому КА в ОГ существуют несколько одновременных потоков телеметрии с разных ЗС. Качество телеметрической информации с ЗС может варьироваться (скорость поступления информации из-за нестабильности каналов связи, атмосферные возмущения, климатические и погодные условия). В таких условиях оператору анализа приходится постоянно следить за поступлением телеметрии, чтобы определять наилучший телеметрический поток и вручную выполнять переключение на другую активную ЗС при переходе на следующий запланированный сеанс связи.

Таким образом, необходимо предложить способ автоматизированного обеспечения операторов анализа телеметрическим потоком с наилучшим качеством.

Предлагаемое решение

В работах [1, 2] рассматривалась идея адаптивной передачи на основе строгой синхронизации по времени телеметрических (ТМ) кадров от разных ЗС. Однако практическая реализация такого подхода выявила ряд недостатков:

1. Сбойное время телеметрических кадров. Земные станции не гарантируют безошибочную привязку ТМ-кадров к наземному времени, что приводит к нарушению упорядоченности матрицы принятых ТМ-кадров.
2. Неоднозначность при пропадании телеметрии. Алгоритм принимает решение о наличии эффективного ТМ-кадра только после получения ТМ-кадра на конкретное время от всех активных земных станций. Однако не учитывает ситуацию, когда происходит пропадание телеметрии с земных станций
3. Переменный интервал ожидания ТМ-кадра. Его некорректная настройка может привести к существенному увеличению времени принятия решения о выдаче ТМ-кадра клиенту, а процедура определения оптимального значения интервала ожидания алгоритмом не регламентируется.
4. Задержка выдачи ТМ-кадра клиенту. Время между получением сервером ТМ-кадра и его отправкой клиенту должно быть минимальным. В случае ожидания достоверного ТМ-кадра задержка может накапливаться, что противоречит задаче оперативного анализа и управления КА.

Описываемые недостатки алгоритма не позволили произвести его широкое внедрение в ЦУП КА.

Проектирование алгоритма

С учётом выявленных недостатков, а также благодаря созданию многопоточной системы обработки телеметрии [3], поддерживающей одновременный приём телеметрии с нескольких КА через множество земных станций, становится возможной реализация модернизированного метода адаптивной передачи, суть которого проиллюстрирована на рисунке

Рис. 1 – Метод адаптивной передачи телеметрии потребителям на примере одного КА

Рассмотрим работу метода в случае приема телеметрической информации с одного КА через несколько ЗС. Обслуживающая подсистема принимает на вход несколько потоков телеметрии. Для каждого потока рассчитываются среднее качество q_j в виде отношения , где n_valid – количество достоверных кадров, n_total – общее количество кадров принятых в единицу времени, и средняя скорость поступления информации v_j. На основе рассчитанных показателей определяется оптимальный с точки зрения максимума среднего качества и средней скорости поток телеметрии , который отмечается соответствующим признаком, а параметры такой земной станции ЗС_k* запоминаются. При подключении внутренних клиентов к обслуживающей подсистеме указывается только номер интересующего КА без указания конкретных параметров ЗС. Внутренним клиентам отправляются кадры из оптимального потока телеметрии, то есть из оптимальной на данный момент времени ЗС.

Расчёт показателей принимаемых потоков телеметрической информации q_j и v_j производится регулярно для каждого принимаемого кадра, в то время как выбор оптимального потока производится периодически с интервалом  раз в три секунды.

В общем случае во время приема телеметрии с нескольких КА телеметрические потоки станций группируются по номеру КА, а при расчёте показателей среднего качества и средней скорости и поиске оптимального потока используются сформированные группы потоков, причём для каждой такой группы возвращается единственный оптимальный поток с параметрами ЗС. Остальная суть описанного выше сценария сохраняется без изменения.

Выводы

В настоящее время разработанный алгоритм проходит опытные испытания при управлении ОГ КА Глонасс, Экспресс-АМ, Экспресс-АТ. В таблице 1 приведены сводные результаты месячного наблюдения за функционированием алгоритма.

Таблица 1 – Результаты функционирования алгоритма

Орбитальная группировка	Δq, %	Δv, %	Уменьшение общего объёма архива, %
Глонасс (24 КА)	+14,2	+6,9	42
Экспресс-АМ (2 КА)	+5,1	+0,2	31
Экспресс-АТ (2 КА)	+4,7	+0,4	33

Как видно из представленных результатов предложенный алгоритм показывает наибольшую эффективность по всем трём показателям для ОГ КА Глонасс, поскольку для средств наземного комплекса управления этой ОГ характерны нестабильный качественный приёма информации средствами ЗС, задержки в наземных каналах связи, практически постоянное дублирование принимаемой информации от ЗС.

Для ОГ КА Экспресс-АМ, Экспресс-АТ показывает менее значимый прирост по качеству и средней скорости приёма, однако имеется существенное уменьшение общего объёма архива телеметрии.

Таким образом, модернизированный метод адаптивной передачи лишён предыдущих недостатков и позволяет:

1. повысить стабильность и качество приема телеметрической информации на этапах начальных ориентации КА, а также в условиях нестабильного приёма;
2. обеспечить полную автоматизацию при смене ЗС – источника телеметрической информации;
3. исключить избыточность хранимой телеметрической информации в базе данных ЦУП;
4. повысить эффективность управления ОГ КА в целом.

Литература

1. Некрасов М.В., Шмик К.Б. Адаптивный алгоритм передачи для систем многопоточной обработки телеметрической информации // Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий: Материалы III Всероссийской научно-технической конференции, г.Москва, 1-3 июня 2010 г. – 2010. – С. 145-146.
2. Некрасов М.В., Пакман Д.Н., Шмик К.Б. Повышение качества принимаемой телеметрической информации при наличии избыточных источников сигнала. Пакман Д.Н., Шмик К.Б. // Студент и научно-технический прогресс: XLVIII Международная научная студенческая конференция, г.Новосибирск, 10-14 апреля 2010 г. – 2010. – С. 101.
3. Некрасов М.В. Автоматизированная система многопоточного приёма, обработки и анализа телеметрической информации: Автореф. дис. … канд. техн. наук. Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева. – г.Красноярск, 2014. – 24 с.

References

1. Nekrasov M.V., Shmik K.B. Adaptivnyj algoritm peredachi dlja sistem mnogopotochnoj obrabotki telemetricheskoj informacii // Aktual'nye problemy raketno-kosmicheskogo priborostroenija i informacionnyh tehnologij: Materialy III Vserossijskoj nauchno-tehnicheskoj konferencii, g. Moskva, 1-3 ijunja 2010 g. – 2010. – S. 145-146.
2. Nekrasov M.V., Pakman D.N., Shmik K.B. Povyshenie kachestva prinimaemoj telemetricheskoj informacii pri nalichii izbytochnyh istochnikov signala. Pakman D.N., Shmik K.B. // Student i nauchno-tehnicheskij progress: XLVIII Mezhdunarodnaja nauchnaja studencheskaja konferencija, g. Novosibirsk, 10-14 aprelja 2010 g. – 2010. – S. 101.
3. Nekrasov M.V. Avtomatizirovannaja sistema mnogopotochnogo prijoma, obrabotki i analiza telemetricheskoj informacii: Avtoref. dis. … kand. tehn. nauk. Sibirskij gosudarstvennyj ajerokosmicheskij universitet imeni akademika M.F. Reshetneva. – g. Krasnojarsk, 2014. – 24 s.