В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
В статье рассматривается техническая возможность организации системы подвижной связи на территории Российской Федерации со спутников на высокой эллиптической орбите. Обслуживаемая территория покрывается 12 узкими лучами шириной 1,7х1,7 град., антенна абонентской станции может иметь размер 0,4–0,6 м, при этом пропускная способность системы составит около 1 Гбит/с. Пользователями системы могли бы стать пассажиры различных транспортных средств – автомобилей, поездов, речных и морских судов, самолетов, перемещающихся в пределах российской территории
The article discusses the technical possibility of organizing a mobile communication system in the Russian Federation from satellites in high elliptical orbit. Service area covered by 12 narrow 1,7x1,7 deg beams, the customer’s antenna may have a size of 0,4–0,6 m, the total throughput will be about 1 Gbit / s. Users of that system could be passengers of different vehicles – cars, trains, river and sea vessels and aircraft traveling across Russian territory.
Существующие российские системы спутниковой связи преимущественно базируются на использовании космических аппаратов (КА) на геостационарной орбите (ГСО). При всех ее бесспорных преимуществах ГСО обладает и двумя заметными недостатками:
Обе задачи решаются с помощью аппаратов на высокой эллиптической орбите (ВЭО), например типа “Молния" или “Тундра". С этих орбит обеспечивается полное покрытие всего арктического полярного бассейна до берегов Канады, а угол места из любой точки Российской Федерации (Калининград, Сочи, Анадырь) оказывается не ниже 45 град. (рис. 1) [1].
Эта особенность ВЭО позволяет создать систему подвижной связи, в которой затенение направления на ИСЗ окружающими предметами при перемещении наземного терминала будет сказываться в значительно меньшей степени, чем при работе через геостационарный спутник.
Из двух используемых сегодня в спутниковой связи геосинхронных эллиптических орбит – “Молния" с периодом обращения 12 ч и “Тундра" с периодом обращения 24 ч – следует выбрать орбиту “Тундра" как обеспечивающую пятнадцатилетний срок активного существования КА. Орбита типа “Молния" с периодом обращения 12 ч не обеспечивает срок активного существования 15 лет из-за пересечения космическим аппаратом радиационных поясов Земли во время прохождения орбиты вблизи точки перигея [2].
Траектория движения КА на орбите типа “Тундра" в проекции на поверхность Земли имеет вид восьмерки. Изменяя параметры орбиты, можно организовать такое движение КА, при котором каждый следующий аппарат входит в точку узла этой восьмерки в тот момент, когда предыдущий ее покидает, так что для земных станций обеспечивается непрерывность связи. Известно, что орбита с эксцентриситетом 0,27 обеспечивает прохождение спутником малой петли “восьмерки" за 8 ч, так что трехспутниковая орбитальная система предоставляет возможность организации круглосуточной связи.
Для целей подвижной спутниковой связи (ПСС) традиционно используются дециметровые диапазоны волн (L- и S-диапазоны), где возможно применение ненаправленных или слабонаправленных абонентских антенн. В L-диапазоне регламентом радиосвязи для этой цели выделена полоса частот шириной 34 МГц: 1626,5–1660,5 МГц на линии “Земля – космос" и 1525–1559 МГц на линии “космос – Земля". Весь выделенный участок сегодня интенсивно используется существующими системами ПСС. Все частоты распределены между действующими операторами на основе многостороннего соглашения. Добиться выделения каких-либо частот для негеостационарной системы ПСС с полуглобальным покрытием не представляется возможным. Сказанное в равной мере относится и к S-диапазону, где также возможно применение слабонаправленных антенн.
Очевидное для си стем подвижной связи требование применения для абонентского терминала приемопередающей антенны небольших размеров может быть выполнено и в более высокочастотных диапазонах, если обеспечивается достаточно высокая плотность потока мощности в зоне обслуживания. Например, для приема высокоскоростного потока 60 Мбит/с на антенну диаметром 0,4 м требуется ЭИИМ по зоне не менее 54 дБВт. Такое значение ЭИИМ типично для Ku-диапазона, поэтому реализацию системы подвижной связи проще осуществить именно в данном диапазоне.
Необходимо отметить, однако, что в Ku-диапазоне пространственная избирательность антенн значительно выше, чем, например, в L-диапазоне, поэтому даже антенна диаметром 0,4 м в фиксированном положении не обеспечит прием сигнала со спутника при его движении по орбите во время 8-часового сеанса, и тем более если изменяется положение самой антенны в процессе движения транспортного средства, на котором она установлена. Как показывает расчет, видимое с земли перемещение КА по орбите типа “Тундра" за время сеанса в зависимости от географического местоположения может достигать 8–10 град., в то же время ширина диаграммы направленности антенны диаметром 0,4 м по уровню половинной мощности составляет всего 4,5 град. Из сказанного ясно, что необходима периодическая подстройка направления излучения антенны в процессе работы.
Для покрытия всей территории России одним лучом с ЭИИМ 54 дБВт потребовалась бы мощность передатчика более 700 Вт, что нереально, поэтому целесообразно применить многолучевое покрытие. На рис. 2 показан пример покрытия территории РФ лучами шириной 1,7х1,7 град. из точки апогея. При движении спутника в рабочем секторе орбиты положение лучей будет изменяться, поэтому конструкция КА должна предусматривать подстройку направления излучения бортовых антенн (изменением положения зеркала, или облучающей системы для зеркальных антенн, или управлением лучами в случае использования АФАР).
Число стволов, которые можно разместить на аппарате, определяется имеющимся частотным ресурсом и возможностями платформы. Суммарная полоса частот в наиболее широко используемых участках А (13,75–14,0/12,5–12,75 ГГц), В (14,25–14,5/10,95–11,2 ГГц) и D (14,0–14,25/11,45–11,7 ГГц) Ku-диапазона составляет 750 МГц. Если использовать поляризационное разделение, доступная полоса удваивается. Однако в проектируемой системе для упрощения и удешевления наземного оборудования предлагается не использовать поляризационное разделение и работать только на одной поляризации – левой или правой круговой. В этом случае имеющаяся полоса частот 750 МГц позволяет разместить 18 стволов с шириной полосы ствола 36 МГц либо 12 стволов с полосой ствола 54 МГц. Для трансляции сигналов в прямом направлении – от центральной станции к периферийным – предлагается использовать 12 стволов с полосой пропускания 36 МГц, по одному стволу на луч, размещаемых в участках A и D Ku-диапазона. Передатчики мощностью 100 Вт, работающие в режиме насыщения, обеспечат возможность приема сигналов на терминалы с антенной 0,4–0,6 м (в табл. 1 показан запас энергетики в дБ). Пропускная способность каждого ствола составит примерно 60 Мбит/с. Если ограничиться меньшей пропускной способностью, можно применить более мощное кодирование и уменьшить таким образом размеры антенны абонентского терминала.
В обратном канале предлагается задействовать 3 ствола с полосой пропускания 54 МГц, по одному стволу на 4 луча, размещаемые в участке В. Пропускная способность ствола составит порядка 90 Мбит/с (175 несущих с информационной скоростью 512 кбит/с либо 43 несущие со скоростью 2,048 Мбит/с). Соотношение скоростей в прямом и обратном каналах составит 2,7:1, что в целом соответствует сложившейся практике доступа в Интернет.
Результаты энергетического расчета обратного канала приведены в табл. 2. Как и следовало ожидать, требуемая мощность передатчика периферийной станции зависит от размера антенны, скорости передачи и затухания в атмосфере и в практически полезных случаях может составлять от 2–3 до 15–20 Вт.
Частотный план ретранслятора для подвижной связи показан на рис. 3.
Ключевой задачей для реализации системы является разработка достаточно простой и недорогой антенны для абонентской станции с управляемым лучом диаграммы направленности. На рынке имеется достаточное число моделей антенных систем для подвижных объектов с электромеханическим приводом, обеспечивающих необходимые параметры слежения, однако такие системы дороги (от $30 000) и не могут быть рекомендованы для массового использования. Желательна разработка упрощенной системы, допускающей пониженную точность слежения, по возможности полностью электронной и приемлемой по цене для большинства потенциальных пользователей.
Литература
Опубликовано: Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание"-2014
Посещений: 5107
Статьи по теме
Автор
| |||
В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
