2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................ 4
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПРИНЦИПЫ СИСТЕМЫ КОСПАС-
САРСАТ ................................................................................................................. 7
1.1 Основные принципы и элементы системы КОСПАС-САРСАТ .............. 10
1.1.1 Принцип работы системы ..................................................................... 10
1.1.2 Аварийные радиобуи ............................................................................. 11
1.1.3 Низкоорбитальная Спутниковая Система Поиска и Спасания
(НССПС, LEOSAR) ......................................................................................... 13
1.1.4 Геостационарная Система Поиска и Спасания (ГССПС, GEOSAR) 15
1.1.5 Среднеорбитальная Спутниковая Система Поиска и Спасания
СССПС (MEOSAR) ......................................................................................... 16
1.1.6 Координационные Центры Системы КЦС (MCC) ............................. 18
1.2 Российский сегмент системы КОСПАС-САРСАТ .................................... 20
1.2.1 Российский наземный сегмент низкоорбитальной спутниковой
системы поиска и спасания (НССПС) .......................................................... 20
1.2.2 Российский наземный сегмент геостационарной спутниковой
системы поиска и спасания (ГССПС) ........................................................... 21
1.2.3 Российский наземный сегмент среднеорбитальной спутниковой
системы поиска и спасания (СССПС) ........................................................... 22
1.2.4 Планы развития российского наземного сегмента системы
КОСПАС-САРСАТ ......................................................................................... 23
1.3 Результаты работы системы КОСПАС-САРСАТ ...................................... 24
ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ПРИЕМО-
ПЕРЕДАЮЩИХ СТАНЦИЙ ............................................................................. 31
2.1 Понятия и принципы построения приемо-передающих станций ............ 32
2.2 Строение и типы приемо-передающих станций ........................................ 34
2.2.1 Информационно-измерительный комплекс ППС ............................... 35
2.2.2 Комплекс обработки и выдачи информации ППС ............................. 37
3
2.2.3 Специальное программное обеспечение ППС .................................... 41
2.3 Особенности построения приемо-передающих станций, обслуживающих
низкоорбитальные и среднеорбитальные спутниковые группировки. ......... 44
ГЛАВА 3. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА
ОБРАБОТКИ ВХОДЯЩЕЙ ИНФОРМАЦИИ ОТ СТАНЦИИ ПРИЕМА
ДАННЫХ С КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ................................................ 47
3.1 Техническое обеспечение задачи ................................................................ 48
3.1.1 Анализ и обоснование выбора аппаратно-программных средств. ... 48
3.1.2 Взаимодействия составных частей и информационных потоков в
системе ............................................................................................................. 50
3.1.3 Функции и назначение отдельных аппаратных компонентов ........... 53
3.2 Программное обеспечение задачи ............................................................... 59
3.2.1 Формализация требований к ПО .......................................................... 59
3.2.2 Структурная схема разрабатываемых приложений ........................... 60
3.3 Контрольный пример реализации проекта и его описание ...................... 63
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................... 70
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ........................................... 73
ПРИЛОЖЕНИЕ А ............................................................................................... 79
ПРИЛОЖЕНИЕ Б ................................................................................................ 80
ПРИЛОЖЕНИЕ В ............................................................................................... 81
ПРИЛОЖЕНИЕ Г ................................................................................................ 82
ПРИЛОЖЕНИЕ Д ............................................................................................... 83
ПРИЛОЖЕНИЕ Е ................................................................................................ 86
4
ВВЕДЕНИЕ
Одной из характерных особенностей современного общества является
активное сотрудничество стран в области торговли, науки и культуры, что
привело к расширению перевозок грузов и пассажиров на всех видах
транспорта.
Обеспечение безопасности судов, самолетов, обслуживающего их
персонала, пассажиров, а также индивидуальных путешественников и
организованных туристических групп – одна из важнейших задач, решению
которой уделяется постоянное внимание как на международном, так и на
национальном уровнях. Развитие международной системы КОСПАС-САРСАТ
способствует решению проблем обеспечения безопасности транспортных
перевозок. С 1982 года при помощи системы КОСПАС-САРСАТ спасено более
40 тыс. человек.
В настоящее время продолжается активное совершенствование системы,
планируются к введению в эксплуатацию новые сегменты космических
аппаратов и новое поколение аварийных радиобуев, которые, несомненно,
будут способствовать увеличению ежегодно успешно проводимых
спасательных операций.
Обоснование выбора темы исследования обуславливается тем, что на
предприятии АО «Российские космические системы» создаются и
эксплуатируются наземные станции российского сегмента системы КОСПАС-
САРСАТ, расположены несколько экспериментальных наземных станций, а
также предприятие активно участвует в международном сотрудничестве по
разработке нового поколения станций и стандартов системы.
Объектом исследования выпускной квалификационной работы
является «международная спутниковая поисково-спасательная система
КОСПАС-САРСАТ», а предметом исследования – приемо-передающие
станции, как элементы наземного сегмента системы КОСПАС-САРСАТ.
5
Целью данной работы является исследование и разработка аппаратно -
программного комплекса автоматизации процессов по обработке входящей
информации от станций приема с космических аппаратов системы КОСПАС-
САРСАТ, преобразования данных в соответствии с международными
стандартами, а также по передаче готовых сообщений в международный
координационно - вычислительный центр (МКВЦ).
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
1) описать основные понятия предметной области;
2) проанализировать существующие разработки и сформулировать
задачу;
3) описать техническое обеспечение для решения поставленной задачи;
4) описать программное обеспечение для решения поставленной задачи;
5) описать контрольный пример реализации проекта.
Практическая значимость работы состоит в создании автоматической
станции сбора, обработки, хранения и безопасной передачи информации,
которую можно применять и в других подразделениях предприятия.
Теоретическая – в наработке научно-технологического потенциала в виде
сданной в архив спроектированной документации для использования
в потенциальных разработках предприятия.
Результатом работы является создание в единой сети разработанных
приемо-передающих станций российского сегмента системы КОСПАС-
САРСАТ аппаратно-программного комплекса, решающего задачи по
обработке, хранению и выдаче целевой информации в международный
координационно-вычислительный центр.
При написании выпускной квалификационной работы использовались
научные труды следующих авторов: А.И. Балашова [6], В.И. Рогальского [15],
Ю.М. Урличича [18], А.С. Селиванова [16], Д. В Антонова [1] и других. Общий
объем фактического материала составляет 72 страницы, 33 рисунка, 12 таблиц
и 6 приложений.
6
Выпускная квалификационная работа состоит из Введения, трех глав,
Заключения, Приложений, Списка использованной литературы.
В первой части описываются основные понятия и принципы системы
КОСПАС-САРСАТ, технологии взаимодействия элементов аппаратно-
программных комплексов, результаты работы системы, а также описывается
предприятие АО «Российские космические системы».
Вторая часть работы раскрывает основные понятия и принципы
организации приемо-передающих станций, их строение и типы. В этой части
показаны особенности построения приемо-передающих станций,
обслуживающих низкоорбитальные, среднеорбитальные и геостационарные
спутниковые группировки.
В третьей части сформулированы основные принципы проектирования
информационных систем обработки входящей информации, раскрывается
техническое и программное обеспечение задачи. В этой части описывается
разработка аппаратно-программного комплекса, автоматизации процессов по
обработке входящей информации от станций приема с космических аппаратов
системы КОСПАС-САРСАТ, преобразования данных в соответствии с
международными стандартами, и по передаче готовых сообщений в
международный координационно-вычислительный центр, а также описание
контрольного примера реализации проекта.
7
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПРИНЦИПЫ
СИСТЕМЫ КОСПАС-САРСАТ
Название КОСПАС-САРСАТ является акронимом: КОСПАС –
Космическая Система Поиска Аварийных Судов, САРСАТ от английского
SARSAT – Search And Rescue Satellite Aided Tracking. Целью международной
программы КОСПАС-САРСАТ является оповещение всех относящихся
к поисково-спасательным операциям организаций о зафиксированных авариях
и определении местоположения терпящих бедствие на суше, в море и в
воздушном пространстве.
Программа начала свою историю с подписания в Москве 24 мая 1977 г.
межправительственного соглашения между СССР и США о сотрудничестве
в исследовании космического пространства в мирных целях. Первый
Меморандум о Взаимопонимании между Канадой, Францией, СССР и США
был подготовлен в Оттаве в 1979 г. (рисунок 1) и подписан в Ленинграде
в ноябре 1979 г. [15].
Рисунок 1 - Подготовка Меморандума о Взаимопонимании
Первоначально для определения координат сработавших аварийных
радиобуев использовались 4 низкоорбитальных спутника: 2 спутника КОСПАС
8
и 2 спутника SARSAT. Этот сегмент КОСПАС-САРСАТ получил название
низкоорбитальной спутниковой системы поиска и спасания (НССПС,
LEOSAR). Первый спутник НССПС КОСПАС-1 (Космос-1383) был запущен 30
июня 1982 г., его испытания начались 1 сентября 1982 г. [18]
Первое спасение в системе КОСПАС-САРСАТ произошло 10 сентября
1982 г. с помощью космического аппарата (КА) КОСПАС-1. Легкомоторный
самолет потерпел крушение в Канаде в лесах провинции Британская Колумбия
(рисунок 2), находящиеся в самолете люди, два пилота и один пассажир, смогли
выжить, однако оба пилота были ранены. С помощью предоставленных
КОСПАС-САРСАТ координат крушения, уже через несколько часов к месту
аварии прибыл вертолет поисково-спасательных служб, все три человека были
спасены. Обычно на подобную операцию уходило несколько дней времени с
участием десятков самолетов и вертолетов [16].
Рисунок 2 - Фото потерпевшего крушение легкомоторного самолета
НССПС предоставляет возможность независимого от глобальных
навигационных спутниковых систем (ГНСС) определения координат
сработавшего АРБ на основе измерений доплеровского смещения частоты.
Особенности орбитальной группировки НССПС (4 спутника на приполярных
9
низких орбитах с высотой 800 – 1000 км) обеспечивает пролет одного из КА
над местом произошедшей аварии и последующей передачей полученных
измерений на наземные станции в течение 1-2 часов [33].
Стремясь уменьшить время доставки аварийной информации после
активации АРБ, в 1998 г. Советом КОСПАС-САРСАТ было принято решение о
разработке Геостационарной Спутниковой Системы Поиска и Спасания
(ГССПС). Ретрансляторы сигналов аварийных радиобуев были установлены на
геостационарных КА – американских GOES, европейских MSG, индийских
INSAT и российских Электро-Л и Луч-5. Введение в эксплуатацию ГСПСС
позволило сократить время доставки информации об активации АРБ до 5
минут. Однако, поскольку геостационарный спутник практически неподвижен
относительно земной поверхности, в измерениях частоты отсутствует
доплеровский сдвиг, а значит, отсутствует возможность независимого
определения координат АРБ. Информация о месте аварии может быть получена
только из цифрового сообщения радиобуя (некоторые АРБ способны
определять свои координаты с помощью встроенного приемника ГНСС и
кодировать их в цифровом сообщении посылки), что, однако, возможно не
всегда и не для всех типов АРБ. К другому недостатку ГСПСС следует отнести
тот факт, что полярные шапки (области севернее 75 градусов С.Ш. и южнее 75
градусов Ю.Ш.) не видны геостационарными КА.
Таким образом, ГССПС является полезным дополнением НССПС,
однако, все же, две эти системы не могут обеспечить определения координат
для всех типов АРБ без задержек в несколько часов [31].
На данный момент в рамках программы КОСПАС-САРСАТ штатно
работают две системы: НССПС и ГССПС, аварийные данные предоставляются
на безвозмездной и бесдискриминационной основе в глобальном масштабе. За
время своей эксплуатации КОСПАС САРСАТ зарекомендовал себя как
надежный поставщик данных о происходящих авариях, особенно в дальнем
море и труднодоступных районах суши, где отсутствуют другие виды связи.
10
Всего, начиная с 1982 года, благодаря системе КОСПАС-САРСАТ было
спасено более 41000 человеческих жизней [28].
Вышеуказанные недостатки НССПС и ГССПС побудили сообщество
КОСПАС-САРСАТ к совершенствованию системы поиска и спасания.
В настоящее время завершается процесс коренной модернизации системы
КОСПАС-САРСАТ, состоящий во внедрении среднеорбитального сегмента, в
котором используются ретрансляторы сигналов АРБ, установленные на КА
глобальных навигационных систем – российской ГЛОНАСС, американской
GPS и европейской Galileo, с высотой орбит от 19000 до 23000 км.
Сформированный таким образом среднеорбитальный сегмент КОСПАС-
САРСАТ получил название Среднеорбитальной Спутниковой Системы Поиска
и Спасания (СССПС).
При полностью развернутом космическом и наземном сегменте СССПС
должна полностью заменить НССПС и ГССПС, при этом будет значительно
увеличена надежность и оперативность (не более 5 минут после активации
АРБ) предоставления аварийных данных в ПСС для всех типов АРБ (в том
числе для тех, которые не оборудованы приемником ГНСС), т.е. СССПС
способна определять координаты АРБ в том числе и независимым от ГНСС
способом. Объявление полной эксплуатационной готовности СССПС
запланировано на 2020 г [6].
1.1 Основные принципы и элементы системы КОСПАС-САРСАТ
1.1.1 Принцип работы системы
Принцип работы системы схематично представлен на рисунке 3.
В случае бедствия (например, на самолете, корабле или просто попавший
в беду человек) активируется аварийный радиобуй, который излучает сигнал на
частоте 406 МГц. Этот сигнал принимается на одном или нескольких спутниках
и затем сразу же или через некоторое время (зависит от типа спутника)
передается на наземную станцию, где происходит выделение сообщений АРБ,
расшифровка цифрового сообщения и определения координат бедствия. Эта
информация передается в координационный центр системы (КЦС), из которого
11
аварийная информация перенаправляется в нужную поисково-спасательную
службу, где бы в мире она не находилась.
Рисунок 3 - Принцип работы системы
Стоит отметить различие целей КОСПАС-САРСАТ и ГНСС
(ГЛОНАСС, GPS, Galileo). В ГНСС целью потребителя является определение
собственных координат. Целью КОСПАС САРСАТ является предоставление
координат терпящего бедствия в поисково-спасательные службы [45].
1.1.2 Аварийные радиобуи
Потребительскую аппаратуру КОСПАС-САРСАТ составляют аварийные
радиобуи (АРБ). Существует множество типов морских, воздушных и
персональных АРБ, которые специально разработаны для разных нужд
(рисунок 4). Например, морские АРБ спроектированы так, чтобы они не тонули
после аварии судна. В случае возникновения аварийной ситуации АРБ может
быть активирован автоматически или вручную.
Хотя есть большое количество типов радиобуев, каждый АРБ обязан
удовлетворять минимальным характеристикам, описанным в документе C/S
T.001. Здесь приведены некоторые из этих характеристик:
1) Частота сигнала должна лежать в выделенном диапазоне
406.01 - 406.09 МГц;
2) Мощность сигнала при углах места 0…60 градусов должна составлять
не менее 5 Вт (37 дБВт);