Командно-телеметрическая система космического аппарата
Владельцы патента RU 2620591:
Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" (RU)
Изобретение относится к спутниковой системе связи, в частности к системе управления космическим аппаратом (КА ) и предназначено для исключения искажения команд управления, передаваемых с наземного комплекса управления (НКУ) на борт КА, вызванного узкополосной помехой. Для обеспечения технического результата в бортовую аппаратуру командно-телеметрической системы КА введены узел вычитания, формирователь компенсирующего сигнала, блок определения модуля, блок синхронизации, блок оперативной памяти и блок формирователя командного сигнала. В случае появления помехи принятая команда, искаженная помехой, также записывается в блок оперативной памяти, в блоке определения модуля, в паузе командного сигнала, выявляется наличие сигнала помехи по ненулевому значению напряжения на выходе блока определения модуля. В результате этого с выхода блока определения модуля поступает сигнал, по которому запрещается передача искаженного командного сигнала, записанного в блок оперативной памяти, в дешифратор команд. 4 ил.
Предлагаемое техническое решение относится к радиотехнике и, более конкретно, к защите системы управления космического аппарата (КА) от возможного искажения команд управления, передаваемых с наземного комплекса управления (НКУ) на борт КА, вызванного узкополосной помехой, поставленной злоумышленником. Такая помеха может исказить сигнал команды и тем самым нанести существенный вред работе КА, вплоть до его потери.
Известно устройство, реализующее способ уменьшения помехи от соседнего сота в системе спутниковой сотовой связи «Intra - and/or inter-system interference reducing systems and method for satellite communication systems» (Патент Канады CA 2534079, опубликовано 16.04.2013). Техническое решение, описанное в этом патенте, может быть положено в основу системы подавления узкополосной помехи командной радиолинии космического аппарата. Однако недостатком такой системы является необходимость использования на борту КА двух антенн с различной шириной диаграммы направленности. Что существенно усложняет конструкцию КА и ограничивает возможность его практического использования.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для передачи и приема телеметрической и командной информации в одном диапазоне радиочастот многопоточной радиосистемы (Патент РФ №2422994, опубл. 29.03.2010). Устройство по прототипу содержит коммутатор телеметрической информации, входы 2…n которого соединены с выходами датчиков, а выход соединен с передатчиком телеметрической информации, бортовую антенну (далее бортовая приемо-передающая антенна), наземную антенну (далее приемо-передающая антенна НКУ), блок линейного тракта приемника, последовательно соединенные блок фильтров, блок демодуляторов, регистратор телеметрической информации, последовательно соединенные фильтр-пробка, ключ, выход которого соединен с блоком фильтров, последовательно соединенные формирователь команд командной радиолинии (КРЛ), передатчик сигналов КРЛ, ВЧ-фильтр, а также приемник сигналов КРЛ, выход которого соединен с дешифратором команд КРЛ, выход которого соединен с входом коммутатора телеметрической информации, вход формирователя команд КРЛ соединен с выходом демодулятора Д1 блока демодуляторов, выход блока линейного тракта приемника соединен с входом фильтра-пробки и входом ключа, облучатель первого вида поляризации бортовой антенны соединен с выходом передатчика телеметрической информации, а ее облучатель второго вида поляризации со входом приемника сигналов КРЛ; облучатель первого вида поляризации наземной антенны соединен со входом блоком линейного тракта приемника, а ее облучатель второго вида поляризации с выходом фильтра, выходы команд 2…m дешифратора соединены со входами устройств-исполнителей команд.
В дальнейшем описании целесообразно объединить следующие узлы прототипа: последовательно соединенные блок линейного тракта приемника, фильтр-пробка, ключ, блок фильтров и блок демодуляторов в единый блок под названием "приемник НКУ", поскольку это отвечает сущности процессов прохождения сигналов в традиционном радиоприемнике.
В прототипе используется признак «приемник сигналов командной линии». Общепринято считать этот признак устройством, которое содержит две составляющие:
1. Линейный тракт, осуществляющий усиление принятого от антенны высокочастотного сигнала, преобразование частоты принятого сигнала на сигнал промежуточной частоты.
2. Нелинейный тракт, осуществляющий демодуляцию (детектирование), которое сопровождается нелинейным преобразованием сигнала промежуточной частоты с выделением модулирующего сигнала, в данном случае битовой последовательности, являющейся носителем команды, передаваемой с НКУ. В предлагаемом техническом решении используется только линейный тракт приемника, который включен в ограничительную часть формулы изобретения. Демодулятор также включен в ограничительную часть формулы изобретения самостоятельным признаком. Разделение признака «приемник сигналов командной радиолинии» на блоки «Линейный тракт приемника сигналов командной радиолинии» и «Демодулятор» вызвано необходимостью использования сигнала с выхода линейного тракта для определения изменений сигнала, вызванных помехой, и формирования компенсирующего сигнала. Во избежание путаницы с одинаковыми наименованиями узлов КА и НКУ, передатчик НКУ входит в ограничительную часть формулы изобретения как «Передатчик НКУ».
Недостаток прототипа заключается в отсутствии защиты радиосигналов, передаваемых по командной радиолинии, т.е., в конечном счете, защиты командно-телеметрической системы КА от узкополосной помехи, постановка которой может существенно нарушить работу КА как по отдельным функциям, так и в целом, вплоть до его потери.
Задачей настоящего технического решения является защита командно-телеметрической системы управления КА от узкополосной помехи.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в командно-телеметрическую систему космического аппарата, состоящую из бортовой аппаратуры командно-телеметрической системы КА, содержащей последовательно соединенные дешифратор команд командной радиолинии, выходы команд 2…m которого соединены с исполнительными узлами космического аппарата (КА), коммутатор телеметрической информации, входы 2…n которого соединены с выходами датчиков, передатчик телеметрической информации, приемо-передающую антенну КА, линейный тракт приемника сигналов командной радиолинии, вход которого соединен с приемо-передающей антенной КА, и демодулятор, а также из НКУ, содержащего последовательно соединенные передатчик НКУ, приемо-передающую антенну НКУ, приемник НКУ, дешифратор и формирователь команд, а также регистратор телеметрической информации, дополнительно введены в бортовую аппаратуру командно-телеметрической системы КА узел вычитания, формирователь компенсирующего сигнала, блок определения модуля, блок синхронизации, блок оперативный памяти и блок формирователя командного сигнала, первый вход узла вычитания соединен с выходом линейного тракта приемника сигналов командной радиолинии, а второй вход соединен с выходом формирователя компенсирующего сигнала, выход узла вычитания соединен со входом демодулятора, а также с первым входом блока определения модуля, второй вход блока определения модуля соединен с выходом блока синхронизации, выход блока определения модуля соединен со вторым входом блока оперативной памяти, а также со вторым входом блока формирования компенсирующего сигнала и с n+1 входом коммутатора телеметрической информации, первый вход блока формирования компенсирующего сигнала соединен с выходом линейного тракта приемника сигналов командной радиолинии, выход демодулятора соединен с первым входом блока оперативной памяти и со входом блока синхронизации, выход блока оперативной памяти соединен со входом дешифратора, а в аппаратуру НКУ дополнительно введен формирователь командного сигнала, соединенный с выходом формирователя команд и со входом передатчика НКУ.
На фиг. 1 приведена структурная схема командно-телеметрической системы КА, защищенная от деструктивного влияния узкополосной помехи. На фиг. 2 и фиг. 3 приведены характерные изменения полезного сигнала с двоичной фазовой манипуляцией, вызванные воздействием узкополосной помехи. На фиг. 2 представлена сумма полезного Binary Phase Shift Keying (BPSK) сигнала (командная последовательность 1001) и узкополосной помехи при разности фаз Δϕ=0. На фиг. 3 представлена сумма полезного BPSK сигнала (командная последовательность 1001) и узкополосной помехи при разности фаз Δϕ=90°. На фиг. 4 приведена структурная схема алгоритма работы системы при появлении и снятии помехи.
Для уяснения технической сущности настоящего технического решения следует обратиться к фиг. 2. Под узкополосной понимается помеха, основная энергия которой сосредоточена в полосе частот, занимаемой полезным командным сигналом. Стоит отметить, что помеха любого вида после прохождения линейного тракта приемника будет являться узкополосной. Наиболее вероятный вид узкополосной помехи - немодулированный синусоидальный сигнал, поскольку он наиболее выгоден с энергетической точки зрения и наиболее прост. Командный сигнал представляет собой конечную битовую последовательность, которой модулируется несущая частота при передаче команды с НКУ. При формировании командного радиосигнала наиболее распространено использование фазовой телеграфии, когда фаза несущей частоты принимает значения 0° или кратное 180° в зависимости от состояния передаваемого потока двоичных командных данных: 0 или 1. Помеха и командный радиосигнал суммируются на бортовой антенне. Это приведет либо к увеличению амплитуды сигнала на входе приемника в пределах бита (при близких значениях фаз сигнала и помехи), либо к его уменьшению, вплоть до нуля, если сигнал и помеха окажутся в противофазе. Это демонстрируется на фиг. 2 при передаче исходной битовой команды вида 1001. Здесь каждый бит команды модулируется, для примера, тремя периодами несущей частоты. Принято, что логическая единица передается радиосигналом с начальной фазой 0, а логический ноль - с начальной фазой 180°. Как видно, при нулевой разности начальных фаз сигнала и помехи амплитуда радиоимпульса, переносящего логическую единицу, удваивается (при равенстве амплитуд сигнала и помехи), и обращается в ноль Вольт при передаче логического нуля. Стоит подчеркнуть, что использование методов расширения спектра на основе псевдослучайной последовательности (ПСП) не является гарантией защиты от деструктивного влияния узкополосной помехи, поскольку каждый парциальный радиосигнал в ПСП также подвержен описанному искажению.
Передача данных с НКУ на борт осуществляется путем выдачи пакетов данных, после выдачи очередного набора пакетов данных, когда НКУ ожидает ответного телеметрического кадра от КА и до отправки следующего набора пакетов данных в командном сигнале наступает пауза.
Огибающая сигнала с бинарной фазовой манипуляцией достаточно равномерна и резкое изменение огибающей, вызванное помехой могло бы явиться признаком, по которому определяется наличие помехи с целью ее последующей компенсации. Однако этот признак в значительной степени зависит от разности начальных фаз сигнала и помехи Δϕ. Это следует из фиг. 3, при Δϕ=90°, когда огибающая суммы сигнала и помехи также достаточно равномерна. Поскольку разность начальных фаз может принимать любое значение в интервале (0…360)°, то признак резкого изменения огибающей в присутствии помехи оказывается эффективным лишь для определенных значений Δϕ.
Поэтому единственным путем определения информационной атаки на командную линию узкополосной помехой является анализ пауз командного сигнала.
Командно-телеметрическая система КА состоит из аппаратуры КА и НКУ, условно разделенных на фиг. 1 пунктиром.
Бортовая аппаратура командно-телеметрической системы КА содержит бортовой передатчик телеметрической информации 1, коммутатор телеметрической информации 2, дешифратор команд 3, формирователь компенсирующего сигнала 4, блок определения модуля 5, блок синхронизации 6, приемо-передающую антенну КА 7, линейный тракт приемника сигналов командной радиолинии 8, узел вычитания 9, демодулятор 10, блок оперативной памяти 11. Аппаратура НКУ содержит приемо-передающую антенну НКУ 12, передатчик НКУ 13, формирователь командного сигнала 14, приемник НКУ 15, дешифратор 16, формирователь команд 17 и регистратор телеметрической информации 18.
Работает устройство следующим образом.
Рассмотрим случай работы командной системы КА при отсутствии помехи. Команда формируется в блоке 17 НКУ. Командный радиосигнал с помощью передатчика НКУ 13 и приемо-передающей антенны НКУ 12 передается на борт КА. Радиосигнал, переносящий команду с НКУ, принимается приемо-передающей антенной КА 7. В линейном тракте приемника сигналов командной радиолинии 8 выполняются традиционные процедуры - сигнал усиливается, переносится на промежуточную частоту, фильтруется, но не демодулируется. Поэтому на выходе линейного тракта приемника 8 имеет место последовательность радиоимпульсов на промежуточной частоте. Сигнал компенсации, при отсутствии помехи, не формируется в блоке 4, поэтому сигнал на выходе узла вычитания 9 повторяет сигнал с выхода линейного тракта приемника 8. Битовая командная последовательность после демодуляции в блоке 10 заносится в блок оперативной памяти 11 и по окончании команды, а также при условии отсутствия запрещающего сигнала с выхода блока определения модуля 5 последовательность из блока оперативной памяти 11 будет передана в дешифратор команд 3. Команды с выходов 2…m дешифратора 3 поступают на исполнительные узлы и системы КА. С выхода 1 дешифратора 3 на коммутатор телеметрической информации 2 поступает сигнал о принятой и расшифрованной команде. Этот сигнал через передатчик телеметрической информации 1 и приемо-передающую антенну КА 7 передается на НКУ в качестве квитанции успешной передачи команды, которая после прохождения приемника НКУ 15 и дешифратора 16 регистрируется в блоке 18 регистратора телеметрической информации.
Момент паузы определяется в блоке синхронизации 6. Метод определения паузы зависит от режима работы НКУ. Возможны два основных варианта: когда между командами передается последовательность чередующихся «0» и «1» (режим «холостого хода») и когда между командами ничего не передается (режим «несущая»).
В случае если НКУ на время между командами находится в режиме «несущая», то определение паузы происходит по отсутствию сигнала достоверности, формируемым демодулятором 10 только в момент приема данных.
В случае если в перерывах между командами НКУ находится в режиме «холостого хода», тогда паузой считается момент времени Тn после принятия синхрослова команды. Время Tn=N/R, где N - максимальное количество передаваемых символов в одной команде, R - скорость передачи данных, симв./сек. С другой стороны время оценки сигнала в момент паузы должно быть ограничено темпом выдачи командной информации. Появление в момент паузы некоторого сигнала позволяет выявить факт постановки помехи. Производится это следующим образом. Напряжение на выходе блока определения модуля 5 отслеживает характер огибающей принимаемого радиосигнала во время паузы в командном сигнале. Это напряжение сравнивается с порогом с целью исключения срабатывания блока 5 под влиянием шумов. При отсутствии помехи во время паузы напряжение с выхода блока 5 принимает значение, близкое к нулю Вольт. Этот момент определяется в блоке синхронизации 6. В этом случае производится перенос команды из блока оперативной памяти 11 в дешифратор команд 3.
В случае появления помехи принятая команда, искаженная помехой, также записывается в блок оперативной памяти 11. Однако в блоке определения модуля в паузе командного сигнала выявляется наличие сигнала помехи по ненулевому значению напряжения на выходе блока 5. В результате этого с выхода блока 5 поступает сигнал, по которому:
- Запрещается передача искаженного командного сигнала, записанного в блок оперативной памяти 11, в дешифратор команд 3;
- По входу n+1 коммутатора телеметрической информации 2 формируется сигнал, передаваемый через передатчик телеметрической информации 1 и приемо-передающую антенну КА 7 на НКУ в качестве сообщения об информационной атаке на КА узкополосной помехой. Важным аспектом передачи данного сигнала является то, что он включается в состав штатного телеметрического кадра и передается вместе с ним. Это значительно усложняет постановщику помехи определить результативность собственных действий, по постановке помехи;
- Получение НКУ сообщения об информационной атаке на КА узкополосной помехой должно вызвать прекращение передачи команд с НКУ на КА до момента получения от КА сообщения о компенсации помехи;
- На КА запускается формирователь сигнала компенсации 4. Производится измерение параметров сигнала помехи, присутствующего на выходе линейного тракта приемника сигналов командной радиолинии 8, поскольку командный сигнал отсутствует. На основании измеренных параметров формируется сигнал компенсации в блоке 4, в результате чего напряжение на выходе узла вычитания 9 становится близким нулю Вольт, т.е. помеха компенсируется и канал передачи команд приходит в рабочее состояние;
- По окончании процесса компенсации по входу n+1 коммутатора телеметрической информации 2 формируется сигнал, передаваемый через передатчик телеметрической информации 1 и приемо-передающую антенну КА 7 на НКУ в качестве сообщения о компенсации помехи. Передача команд может быть продолжена.
При снятии сигнала помехи постановщиком помехи процедуры повторяются.
Предлагаемое техническое решение не накладывает ограничений на принцип и алгоритм работы блока синхронизации 6, блока определения модуля 5 и формирователя сигнала компенсации 4.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволит решить поставленную задачу защиты командно-телеметрической системы управления космического аппарата от узкополосной помехи.
Командно-телеметрическая система космического аппарата, состоящая из бортовой аппаратуры командно-телеметрической системы КА, содержащей последовательно соединенные дешифратор команд командной радиолинии, выходы команд 2…m которого соединены с исполнительными узлами космического аппарата (КА), коммутатор телеметрической информации, входы 2…n которого соединены с выходами датчиков, передатчик телеметрической информации, приемо-передающую антенну КА, линейный тракт приемника сигналов командной радиолинии, вход которого соединен с приемо-передающей антенной КА, и демодулятор, а также из наземного комплекса управления (НКУ), содержащего последовательно соединенные передатчик НКУ, приемо-передающую антенну НКУ, приемник НКУ, дешифратор и формирователь команд, а также регистратор телеметрической информации, отличающаяся тем, что дополнительно введены в бортовую аппаратуру командно-телеметрической системы КА узел вычитания, формирователь компенсирующего сигнала, блок определения модуля, блок синхронизации, блок оперативной памяти и блок формирователя командного сигнала, первый вход узла вычитания соединен с выходом линейного тракта приемника сигналов командной радиолинии, а второй вход соединен с выходом формирователя компенсирующего сигнала, выход узла вычитания соединен со входом демодулятора, а также с первым входом блока определения модуля, второй вход блока определения модуля соединен с выходом блока синхронизации, выход блока определения модуля соединен со вторым входом блока оперативной памяти, а также со вторым входом блока формирования компенсирующего сигнала и с n+1 входом коммутатора телеметрической информации, первый вход блока формирования компенсирующего сигнала соединен с выходом линейного тракта приемника сигналов командной радиолинии, выход демодулятора соединен с первым входом блока оперативной памяти и со входом блока синхронизации, выход блока оперативной памяти соединен со входом дешифратора, а в аппаратуру НКУ дополнительно введен формирователь командного сигнала, соединенный с выходом формирователя команд и со входом передатчика НКУ.
