В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
АлександрAleksandre Akimov
Chief specialist, CSRI of economics informatics and management systems
Виталий Vitaly Poleshchuk
head of Department, CSRI of economics informatics and management systems
Денис
Denis Shevchuk
Independent expert
Космическая отрасль в России переживает нелучшие времена [1]. В том числе это отражается на состоянии космических проектов в области создания систем связи. Несмотря на то что еще в конце ХХ в. были созданы такие системы подвижной космической связи, как Iridium, Orbcomm, Globalstar, Turaya, в России подобных систем так и не было создано. В силу экономических проблем, постигших Iridium, Orbcomm, Globalstar, эйфория начала периода создания низкоорбитальных космических систем подвижной связи сменилась скептическим отношением [2]. Однако несмотря на череду банкротств, ни одна из перечисленных выше систем связи не была выведена из эксплуатации. Более того, в концепцию применения были внесены изменения и в результате продолжаются проекты Iridium NEXT и Globalstar-2, которые предусматривают интеграцию задач дистанционного зондирования земли (ДЗЗ) и спутниковой связи.
Нельзя сказать, что в России совсем ничего не делалось в этом направлении. Сегодня известны проекты “Арктика", “Енисей", “Гонец". Работы по этим проектам представляют некий “космический долгострой", а технические и экономические параметры этих систем требуют серьезного анализа и обоснования.
Проект космической многоцелевой системы “Арктика" появился в 2008 г. Он предусматривает несколько компонентов. Это “Арктика-М" – два аппарата метеорологического наблюдения на высокой эллиптической орбите (ВЭО), “Арктика-Р" – два аппарата радиолокационного мониторинга ледовой и экологической обстановки на низких круговых полярных орбитах, “Арктика-МС" – система подвижной связи и телерадиовещания в арктической зоне в составе четырех спутников. Достоверных технических параметров пока не опубликовано. Однако очевидно, что целевая группировка спутников “Арктика-МС" должна быть реализована на основе негеостационарных спутников (хотя можно использовать и действующие сегодня геостационарные, но для ограниченного применения).
В период с 24 июля по 28 августа 2012 г. Федеральным космическим агентством был объявлен открытый конкурс на создание космического комплекса “Енисей-А1" для экспериментальной летной отработки и квалификации новых технологий и средств спутниковой связи и ретрансляции, модуля служебных систем. Шифр: ОКР “Енисей-А1".
Конкурс выиграло ОАО “ИСС им. М.Ф. Решетнева" [4]. Проект по замыслу Роскосмоса предусматривает разработку российского геостационарного спутника подвижной связи по типу зарубежных, созданных в 1990-х гг. Техническое задание предполагает наличие бортового ретрансляционного комплекса (БРТК) в S/Ku-диапазоне (табл. 1) для задач подвижной спутниковой связи (ПСС).
В качестве абонентских терминалов предусмотрено использовать малогабаритные терминалы типа “трубка в руке” (ЭИИМ до 4–6 дБВт, G/T <-21 дБ/K) и терминалы для подвижных средств (ЭИИМ до 10 дБВт, G/T <-16 дБ/K).
Заданием установлено, что скорость спутниковых каналов будет от 1,2 до 64 кбит/c для передачи данных и телефонии, а в мультимедийном режиме будет обеспечен прием информации на скорости 128–256 кбит/с. Как и в уже ставших традиционными решениях при реализации геостационарных спутников подвижной связи (например, Turaya и ACeS), здесь предполагается использовать крупногабаритную трансформируемую антенну с рефлектором диаметром до 18 м [5]. Спутник планируется вывести в точку 95 Е, что позволяет охватить большую часть территории России. Очевидно, как и в аналогичных спутниках, рабочая зона должна формироваться с использованием многолучевой антенны в S-диапазоне.
Для полноты картины необходимо отметить и наличие в России низкоорбитальной спутниковой системы “Гонец”, целевая задача которой – передача данных в режиме электронной почты [7]. В настоящее время на орбиту выводятся КА “Гонец-М" и разрабатывается проект развития системы на основе КА “Гонец-М1". Сегодня эта система не может конкурировать со своим зарубежным аналогом – системой Orbcomm.
Однако надежды на улучшение ситуации с системой “Гонец" могут быть связаны с создаваемой в настоящее время космической платформой “Экспресс 500" [6]. В отличие от КА “Гонец-М" новый космический аппарат “Гонец-М1" будет обладать системой трехосной стабилизации, ориентируемыми на солнце панелями солнечных батарей и многолучевой бортовой антенной системой абонентского диапазона 0,3/0,4 ГГц. Эти технические решения позволят существенно повысить энерговооруженность космического аппарата и соответственно обеспечить работу абонентских терминалов мобильного исполнения. Это означает, что абонентский терминал с ненаправленной антенной и мощностью излучения порядка 2 Вт, обеспечит скорости передачи на линии “вверх" от 2,4 до 32 кбит/с в зависимости от выделяемого абоненту ресурса и помеховой обстановки [8]. На линии “вниз” энерговооруженность космического аппарата и выделенная для работы в абонентском диапазоне полоса частот при частотном плане, обеспечивающем внутрисистемную электромагнитную совместимость, позволит достигнуть скорость в групповом потоке до 256 кбит/с.
Однако только доработки платформы космического аппарата недостаточно для обеспечения ее конкурентоспособности, поскольку технические решения, используемые в бортовом ретрансляционном комплексе, не соответствуют современному технологическому уровню. В частности, унаследованная структура системы обмена данных (СОД) не предусматривает прямого взаимодействия с современными цифровыми сетями.
Логическая структура СОД на физическом и канальном уровне была построена на обработке временных интервалов, определяемых фиксированно, только для орбиты высотой 1500 км. Например, это не позволило реализовать интересные технические предложения, связанные с размещением бортового ретранслятора на КА, находящихся на средневысотных эллиптических орбитах с высотой апогея 12 000 км [8].
Кроме этого, выделенный в настоящее время радиочастотный ресурс диапазона 0,3/0,4 ГГц рассчитан на орбитальную группировку, насчитывающую только 24 КА “Гонец-М". В то же время гарантированный уровень 100%-ной доступности КА орбитальной группировки системы “Гонец-Д1M" для территории Российской Федерации достигается при 36 КА. Соответственно при не полностью развернутой орбитальной группировке будут иметь место значительные задержки в доставке сообщений [10].
Представленные выше краткие сведения о российских проектах подвижной спутниковой связи показывают, что единой осознанной технической политики в этой области нет. Задачи не увязаны между собой и базируются на представлениях и заделах 20-летней давности. Особенно неприятно, что это относится к новым проектам, таким как “Арктика-МС” и “Енисей-А1”, которые еще только предстоит реализовать во втором десятилетии XXI в. Кроме того, эти системы, обладая потенциальной возможностью иметь международное применение, проектируются исключительно как национальные.
В этой связи представляется актуальным рассмотреть возможность реализации задач подвижной и фиксированной спутниковой связи и вещания с использованием группировок КА на орбитах типа “Тундра”.
Основное достоинство орбит типа “Тундра” проявляется в северных широтах. Такие орбиты относятся к высоким слабоэллиптическим геосинхронным орбитам, где минимизировано влияние радиационных поясов Земли и срок активного существования спутников может быть не менее, чем у современных геостационарных спутников, то есть до 15 лет и более [12]. Идея построения спутниковой системы связи на основе геосинхронных наклонных орбит с периодом обращения 24 ч основана на том, что траектория движения КА относительно системы координат, связанной с Землей, представляет собой пространственную фигуру, напоминающую восьмерку (рис. 2).
В том случае когда орбита КА является не круговой, а несколько эллиптической, положением узла этой восьмерки и размерами одной из ее петель можно управлять. За счет подбора соответствующих параметров орбиты можно реализовать конвейерное движение КА, при котором осуществляется синхронное вхождение нового КА в рабочую область трассы орбиты с одновременным выходом из нее уже работавшего в этой области КА. При этом эллиптические высокие геосинхронные орбиты с наклонением около 63,4 град. позволяют наземным абонентам обеспечить наблюдение КА при больших углах возвышения над горизонтом, что особенно важно для подвижных абонентов. Для территории РФ можно выбрать орбитальные параметры, обеспечивающие наилучшие условия работы абонентов [9].
Цикл, обусловленный входом/выходом КА в рабочую часть трассы, заключается в том, что восходящий КА включает бортовой ретранслятор, а нисходящий КА его выключает в момент наибольшего сближения. Этим достигается минимизация взаимных наложений проекций лучей на земную поверхность для разных КА. Получается, что в каждый момент времени работает единственный включенный КА, который циклически перемещается по верхней петле трассы. Алгоритм включения/выключения в простейшем случае задается в виде правила: КА включен, если широта его подспутниковой точки находится севернее, чем 51,37 град. c.ш. Несмотря на простоту, это правило обеспечивает достаточную точность моделирования.
Пространственное положение орбит обеспечивает прохождение спутниками апогея в самой северной точке рабочей части трассы и симметрию движения КА до и после момента прохождения апогея. Поэтому в моменты начала и окончания работы КА его высота над поверхностью Земли будет меньше, чем в другие моменты времени на рабочем участке трассы.
В первом приближении зоны радиовидимости КА, вычисленные в моменты начала и окончания рабочего участка, будут по размеру наименьшими на протяжении рабочего цикла. Для обслуживания всей видимой части территории России и большинства других стран достаточно ограничиться углом обзора Земли примерно 11 град., что соответствует минимальному углу места в рабочей зоне на земле – 38 град. Длительность рабочего участка КА составляет почти 8 ч. Высота КА в момент входа его в рабочий участок и выхода из него – примерно 46 085,8 км. Высота КА в апогее составляет примерно 50 455 км. Наклонная дальность на край зоны в апогее составит 52 670 км. Наклонная дальность на край зоны в момент начала/конца рабочего участка будет равна 48 240 км.
Поэтому задержка, связанная с распространением радиоволн от абонента до КА и от КА до земной станции сопряжения, составит максимум 350 = 2х175 мс при вариации примерно 20 мс и находится на грани приемлемого уровня, диктуемого необходимостью сопряжения с сетями общего пользования.
Однако в связи с тем что при движении КА границы зоны радиовидимости меняют свое положение, то есть форма рабочей зоны изменяется, приходится ставить задачу определения на поверхности Земли области, где гарантированно будут выполняться условия радиовидимости.
Синими линиями (рис. 2) показаны изолинии, отражающие изменение зоны радиовидимости при движении спутника на рабочем участке трассы.
Самая внутренняя изолиния соответствует минимальной площади зоны для угла места не менее 38 град. и включает 100% территории России. Зеленая кривая показывает трассу движения КА по орбите “Тундра”. Выполнение подробных оценок для анализа результатов выполнялось с использованием геоинформационной системы MAPINFO.
Более наглядно изменение зоны радиовидимости может быть представлено в сферической проекции (рис. 3 и 4). Синим выделена гарантированная зона для угла места 38 град., а также показаны изменения границ в момент начала сеанса связи (начало рабочего участка) и в апогее.
Площадь и границы гарантированной зоны формируются пересечением зон радиовидимости в момент начала/конца рабочего участка и мгновенной зоны в момент прохождения КА апогея орбиты. Следовательно, зона гарантированной доступности слегка сплюснута в направлении север-юг.
Аналогичные вычисления можно провести для любого наперед заданного угла видимости рабочего КА. На рис. 5 показан набор зон гарантированной радиовидимости для углов места 38 ,45, 55 и 65 град.
Например, при движении КА по рабочему участку траектории бортовая антенна с лучом, имеющим раскрыв 11 град. по уровню 3 дБ, будет полностью закрывать всю территорию РФ как в момент начала сеанса, так и тем более в момент прохождения космическим аппаратом положения апогея. При этом энергетика радиолинии будет изменяться вдоль границы гарантированной рабочей зоны, но это изменение будет заведомо менее 3 дБ. Однако очевидно, что усиление такой антенны не позволит достичь приемлемого энергетического потенциала радиолинии (на границе гарантированной зоны усиление не более 23 дБ). Не вдаваясь в подробности энергетического расчета, можно утверждать, что усиление антенны следует увеличить минимум на два порядка, то есть на 20 дБ. Достичь этого результата возможно только с использованием бортовой многолучевой антенны, лучи которой сконцентрированы в телесном угле 11 град.
Например, чтобы заполнить сектор обзора 11 град. при условии расположения лучей по правилам формирования гексагональной сетки, понадобится 19 лучей шириной 3 град., 37 лучей шириной 2 град. и 61 луч шириной 1,5 град. В момент начала сеанса связи с КА укладка лучей многолучевой антенны (МЛА) обеспечит пересечение линий равного коэффициента направленного действия (КНД) для всех соседних лучей в одной точке и плотное заполнение зоны обзора. Крайние лучи будут пересекаться с линией визирования угла места 38 град.
Влияние суточного вращения Земли приведет к тому, что лучи будут “ползать” в пределах гарантированной рабочей зоны при движении спутника на рабочем участке трассы. Для наглядности на рис. 6 показано изменение положение мгновенной рабочей зоны одного луча, вызванное движением спутника по орбите.
Для многолучевой антенны этот процесс иллюстрируется на рис. 7, где показано положение лучей бортовой МЛА с шириной луча 1,5 град. относительно территории РФ для момента начала, середины и окончания рабочего участка орбиты (61 луч, территория России выделена красным). Крестиком в сером круге помечены лучи, не освещающие территорию РФ в течение всего рабочего сеанса. Из 61 всего 30 лучей покрывают территорию РФ, и только 6 лучей будут работать постоянно на протяжении всего рабочего сеанса. Поскольку длительность рабочего участка составляет 8 ч, Земля за это время повернется на угол 120 град. Это означает, что за время длительности рабочего участка земные абоненты могут несколько раз переходить из луча в луч. В момент начала сеанса связи с вновь пришедшим космическим аппаратом также будет наблюдаться скачок, связанный с переключением абонентов на новый луч нового космического аппарата. Учитывая, что лучи должны быть развязаны по частоте, поляризации и пространству, это создает проблему поддержания связи при переходе абонента из луча в луч.
Для реализации бортовой многолучевой антенны абонентского диапазона можно рассматривать разработанную в ОАО “ИСС им. М.Ф. Решетнева" [11] параболическую антенну зонтичного типа с размером раскрыва 6–18 м (рис. 8).
Таким образом, рассматривая проекты по созданию систем “Арктика-МС", “Енисей", “Гонец-Д1М", можно отметить, что при их проектировании и развитии отсутствует единый системный подход.
Особый интерес для реализации связных систем, обслуживающих северные территории, представляют системы, реализованные на основе космического сегмента на орбитах типа “Тундра”. При этом необходимо использовать технологию многолучевого формирования рабочей зоны, что требует решения ряда научно-технических задач. Например, создание эффективных многолучевых гибридных зеркальных антенн в S-диапазоне (по этой тематике в СССР был очень большой научно-технический задел); организация обработки информации на борту для обеспечения связи “абонент – абонент”.
Особо следует отметить, что спутники “Гонец-Д1М", по сути, являются спутниками с обработкой информации на борту и могут рассматриваться как хороший задел для создания подобных систем с обработкой и коммутацией информации, но уже с использованием возможностей современной техники. Например, если в программном обеспечении формирования сигналов в системе “Гонец” исключать жесткую привязку к высоте размещения бортового ретранслятора, то этот задел может быть использован и на орбите “Тундра".
Следует подчеркнуть, что все спутниковые системы, подобные рассматриваемым, имеют интернациональный характер. Соответственно при проектировании российских систем целесообразна их реализация с учетом международных задач, а в идеале – проектирование и реализация на международной основе.
В заключение авторы выражают глубокую благодарность коллективу редакции и председателю редакционного совета В.Р. Анпилогову за замечания и предложения, внесенные в ходе работы над статьей.
Литература
Опубликовано: Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание"-2014
Посещений: 12358
Статьи по теме
Автор
| |||
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
