УПРАВЛЕНИЕ НИЗКООРБИТАЛЬНЫМИ ГРУППИРОВКАМИ ЧЕРЕЗ СПУТНИК-РЕТРАНСЛЯТОР. ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

АННОТАЦИЯ

В статье описаны ключевые преимущества и недостатки управления низкоорбитальными группировками космических аппаратов с использованием спутника-ретранслятора.

Ключевые слова: управление низкоорбитальными группировками, спутник-ретранслятор.

Управление низкоорбитальными группировками через спутник-ретранслятор (СР) – метод, в котором специальные спутники, находящиеся на геостационарной орбите, принимают сигналы от наземной станции ретрансляции командно-измерительной системы и передают их на низкоорбитальные космические аппараты. Данный метод обладает следующими ключевыми преимуществами:

1. Снижение зависимости от наземной инфраструктуры. Достаточно одной наземной станции ретрансляции командно‑измерительной системы (НСР КИС): СР принимает сигналы от неё и распределяет между низкоорбитальными КА. Это сокращает число требуемых наземных станций и упрощает логистику.
2. Глобальное покрытие и непрерывность связи. Геостационарный СР «видит» большую часть земной поверхности и может поддерживать связь с низкоорбитальными КА вне зон видимости наземных станций. Это устраняет «мёртвые зоны» и обеспечивает почти круглосуточное управление группировкой.
3. Упрощённое планирование сеансов связи. Не нужно ждать, когда низкоорбитальный КА окажется в зоне радиовидимости конкретной наземной станции. Команды передаются через СР в любой момент, что ускоряет реакцию на нештатные ситуации и динамику миссии.
4. Масштабируемость для крупных группировок. Один СР может обслуживать десятки и сотни низкоорбитальных КА, распределяя трафик и координируя обмен данными. Это особенно важно для мегасозвездий (сотни/тысячи спутников), где прямое управление потребовало бы развёртывания множества наземных станций.
5. Унификация наземного сегмента. Наземные станции работают по единому интерфейсу с СР, а не с каждым отдельным КА. Это снижает сложность программного и аппаратного обеспечения НСР КИС и упрощает модернизацию системы.
6. Возможность ретрансляции межспутниковых данных. СР может выступать узлом для передачи данных между низкоорбитальными КА, объединяя их в единую сеть. Это полезно для распределённых миссий (например, дистанционного зондирования или связи).
7. Резервирование и отказоустойчивость. При выходе из строя наземной станции или нарушении её связи с КА, СР может временно брать на себя функции ретрансляции данных от других источников (например, резервных НСР КИС или смежных СР).
8. Поддержка разнородных группировок. Метод позволяет управлять КА разных типов (связи, ДЗЗ, навигации) через единый канал ретрансляции, снижая фрагментацию наземной инфраструктуры.
9. Оптимизация частотного ресурса. СР может агрегировать и маршрутизировать трафик, уменьшая перегрузку наземных каналов и позволяя эффективнее использовать выделенные полосы частот.
10. Интеграция с международными системами. Пример: российская МКСР «Луч» обеспечивает взаимодействие с МКС, транспортными кораблями и другими КА, демонстрируя возможность кросс‑системной координации через СР.

Наряду с преимуществами метод управления через спутник-ретранслятор демонстрирует следующие недостатки:

1. Ограниченная пропускная способность ретранслятора. Геостационарные СР (например, типа «Луч») имеют узкую полосу пропускания. Это жёстко лимитирует объём передаваемых данных и число одновременно управляемых КА. При росте группировки метод плохо масштабируется.
2. Зависимость от надёжности СР. Выход из строя спутника‑ретранслятора приводит к полной потере связи со всеми КА, управляемыми через него. Требуется резервирование СР для повышения устойчивости системы.
3. Дополнительные задержки сигнала. Из‑за большой дальности до геостационарной орбиты (≈36 000 км) возникает задержка распространения радиоволн:

Это критично для задач, требующих оперативного реагирования.

4. Сложность координации. Необходимо синхронизировать работу:

• наземной станции ретрансляции (НСР КИС);
• спутника‑ретранслятора;
• множества низкоорбитальных КА с разными параметрами движения.

5. Энергетические затраты. Для уверенного приёма сигнала на геостационарной орбите требуются:

• мощные передатчики на Земле;
• крупноапертурные антенны на СР;
• точное наведение лучей.

Это увеличивает стоимость инфраструктуры.

6. Зональные ограничения.

• полярные районы (широта >81°) недоступны для геостационарных СР из‑за геометрии орбиты.
• в густозастроенных зонах сигнал может затеняться зданиями, если угол места антенны <5°.

7. Потери сигнала. На трассе длиной 39 000-42 000 км затухание может превышать 200 дБ из-за расстояния, атмосферных эффектов, поляризационных потерь, неидеального наведения антенн.
8. Ограниченная поддержка многостанционного доступа. Существующие СР (типа «Луч») не рассчитаны на одновременное управление большим числом КА в режиме МСД (многостанционного доступа). Требуется модернизация аппаратуры.
9. Стоимость эксплуатации. Поддержание геостационарного СР (выведение, коррекция орбиты, замена) обходится дороже, чем использование низкоорбитальных ретрансляторов.
10. Уязвимость к помехам. При плотной группировке КА возрастает риск перекрестных помех, а также влияния сторонних источников на общих частотных диапазонах.

Таким образом метод оптимален для управления небольшими низкоорбитальными группировками (например, 10-30 КА), где важны централизованность управления, снижение числа наземных станций, непрерывность связи. Однако для крупных группировок (сотни и более КА) метод становится неэффективным из-за узких каналов ретрансляции, значительных задержек, высокой стоимости инфраструктуры. В таких случаях предпочтительны гибридные схемы (сочетание прямого управления и ретрансляции) или спутниковые сети с межспутниковой связью.

Список литературы:

1. Минаков Е. П., Привалов А. Е., Бугайченко П.Ю. Модель оценивания эффективности управления многоспутниковыми орбитальными системами // Труды МАИ, 2022, № 125.
2. Дудко А. Н., Кучеров Б. А., Смолоковский А. В., Литвиненко А. О., Донсков А. В. Методический подход к формированию наземного контура управления многоспутниковой группировкой // Космическая техника и технологии, 2023, № 4.
3. Пантенков Д. Г., Гусаров Н.В., Ломакин А. А. Обзор современного состояния орбитальных группировок космических аппаратов дистанционного зондирования Земли и космических ретрансляторов. Обзорная статья // Изв. вузов. Электроника, 2022, т. 27, № 1. С. 120149.
4. Потюпкин А.Ю., Пантелеймонов И.Н., Волков С. А. Управление многоспутниковыми орбитальными группировками // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы, т. 7, № 3. С. 61–70.
5. Жодзишский А. И., Красков В. В., Леонов М. С., Рябогин Н. В. Оценка пропускной способности спутников-ретрансляторов типа «Луч» для управления низкоорбитальными КА в S-диапазоне частот // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы, 2024, т. 11, № 2. С. 60–70.