В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Анализ использования различных типов орбит, в частности низких круговых полярных орбит, для создания глобальных систем связи и передачи данных на основе многоспутниковых группировок представлен в ряде публикаций [1]. Реализованы две системы с использованием полярных орбит: система персональной спутниковой связи Iridium и спутниковая система передачи данных “Гонец”. Сегодня особый интерес представляют новые сверхинформативные глобальные системы LEO-HTS, поскольку их эффективность оценивается как более высокая даже по сравнению с системами HTS на ГСО [2]. При этом системы LEO-HTS (в отличие от систем HTS) обеспечивают глобальность обслуживания, а задержка при распространении сигнала в 30 раз меньше, чем при использовании спутника на ГСО. Однако переход к практической реализации систем LEO-HTS требует предварительного анализа целого ряда проблем. Напомним, что еще в середине 1990-х гг. были предприняты попытки создания подобных систем [3, 4]. Наиболее известна система Teledesic [5].
Все проекты середины 1990-х гг. [4], подобные современным проектам LEO-HTS, не увенчались успехом. В качестве одной из причин инвесторы современных систем LEO-HTS отмечают высокую стоимость создания предыдущих систем (например, стоимость системы Teledesic примерно $9 млрд при эквивалентной стоимости одного спутника примерно $10 млн, по исходному проекту $7–8 млн [5]) и абонентского сегмента (https://www.linkedin.com/ pulse/can-spacex-succeed-leo-constella-tion-phil-thomas). Предполагалось, что стоимость самого простого абонентского терминала Teledesic буде т составлять $1 тыс. (http:// www.slideshare.net/abinas1/ teledesic-14096612).
В процессе проектирования этих систем были начаты работы по решению проблем ЭМС, но с закрытием проектов эти работы были прекращены. Хотя в регламенте радиосвязи появились нормы на допустимые уровни плотности потока помех (статья 22 РР).
В 2015 г. инвесторы новых систем LEO-HTS заявили, что стоимость производства спутников LEO-HTS сегодня можно снизить в 20 раз (т.е. стоимость отдельного спутника $500 тыс. и ниже), а стоимость абонентского терминала планируется в пределах $100–300 для системы SpaceX и $250 для системы OneWeb [6].
Столь рекордное снижение стоимости спутников планируется за счет серийности их производства. Так, компания OneWeb в апреле 2015 г. объявила о планах создания своего завода для серийного производства спутников (http://oneweb.world/press-re-leases/2016/oneweb-satellites-unveils-the-worlds-largest-high-volume-satel-lite-manufacturing-facility).
Надежды на снижение стоимости абонентских терминалов тоже связаны с серийностью производства фазированных антенных решеток для абонентских терминалов. Причем снижение стоимости абонентского терминала до $100–300 по заявлениям инвесторов является одним из наиболее существенных факторов для коммерческого успеха проектов LEO-HTS.
В [7] представлен анализ параметров систем OneWeb и SpaceX с целью оценки реализуемости фазированных антенных решеток абонентских терминалов. Результаты этого анализа показывают, что для системы OneWeb себестоимость антенной системы абонентского терминала составит $7700 тыс. (ФАР передающая 18х18см, АФАР приемная 36х36 см), а для системы SpaceX примерно $750 (ФАР передающая 13х13 см, АФАР приемная 22х22 см). Эти данные показывают, что заявленная стоимость абонентского терминала $100–300 недостижима в обозримой перспективе.
Такой вывод косвенно подтверждают и сообщения компаний Kymeta, Phasor и C-Com Satellite Systems Inc., которые стремятся создать фазированные антенные решетки для абонентских терминалов систем GEO и LEO-HTS в Ku и Ka-диапазонах.
Начиная примерно с 2013 г. идет активный поиск технологических решений реализации ФАР и АФАР для систем спутниковой связи в Ku и Ka-диапазонах, но по состоянию на 2016 г. реальные образцы, отвечающие заявлениям инвесторов систем LEO-HTS, не представлены. В основном сообщения касаются перспектив создания относительно дорогих фазированных антенных решеток абонентских терминалов коллективного пользования для подвижных средств. Компания NSR прогнозирует, что рынок таких фазированных антенных решеток к 2025 г. достигнет годовых продаж в объеме $710 млн. Однако сведений о создании ФАР (АФАР), приемлемых для индивидуальных абонентских терминалов, пока нет. Например, в докладе [8] на конференции IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology в 2016 г. упоминается, что компания Kymeta разрабатывает антенны типа ФАР с электронным управлением лучом, цена которой для приемо-передающего режима не менее $2 тыс. ($1 тыс. за антенну). Планы выхода на рынок у компании намечены на 2017 г. (ранее планировался 2015 г.)
Спутники LEO-HTS создают помеху для земных станций, работающих в сетях FSS и BSS. Системы на основе спутников на негеостационарных орбитах всегда вторичны по отношению в системам на основе ГСО спутников.
В ряде публикаций [7, 9–11] отмечены проблемы обеспечения ЭМС между системами LEO-HTS (OneWeb в частности) с системами, работающими со спутниками на ГСО. Особо значима эта проблема в диапазоне частот Ku. Нормы на допустимые помехи для защищаемых земных станций систем связи и вещания установлены регламентом радиосвязи в ст. 22. После многих критических замечаний и запросов в FCC ряда компаний о том, что спутники OneWeb и SpaceX создадут значительные помехи для станций приема информации с геостационарных спутников (выше норм, допустимых в регламенте радиосвязи), компания OneWeb предложила решить эту задачу путем подворота спутников по тангажу в период их пролета в экваториальной зоне. До момента подлета спутника к экваториальной зоне космический аппарат переориентируется по тангажу примерно на 10 град. с целью обеспечения необходимого угла α (см. рис. 1).
Затем после пролета экватора спутники подворачиваются по тангажу в противоположную сторону. В момент пересечения плоскости экватора все лучи спутника выключаются. В пределах экваториального пояса (от 15 град. с.ш. до 15 град. ю.ш.) можно допустить частичное выключение лучей, что требует дополнительного моделирования. Такое решение принято, поскольку каждый спутник OneWeb формирует фиксированную неуправляемую группировку из 16 лучей. Решение о состоятельности этого способа обеспечения ЭМС между системой OneWeb и системами, работающими со спутниками связи и вещания на ГСО, будет принято комиссией FCC во второй половине 2017 г. (в ноябре 2016 г. был последний срок принятия претензий): https://apps.fcc.gov/ edocs_pub-lic/attachmatch/DOC-341034A1.pdf).
Очевидно, что и для систем, проектируемых на основе спутников на высокоэллиптических орбитах, проблема ЭМС не менее актуальна. Но задача усложняется многочисленностью типов орбит и изменением углового направления приемной антенны абонентского терминала, на который воздействует помеха.
Эквивалентная спектральная плотность ЭИИМ помехи, создаваемой спутником LEO-HTS, в фиксированный момент времени
Wi= Kri Pi Gt(θi) / 4πHi2
Kri = Gr(φi) / Gr max – коэффициент пространственной селекции помехи за счет приемной антенны; θi = θi (t) угол между осевым излучением луча LEO-HTS и направлением на приемную станцию спутника ВЭО;
φi =φi (t) угол между направлением приемной станции на спутник ВЭО и направлением на спутник LEO-HTS; Gt(θi) - коэффициент усиления абонентского луча спутника LEO-HTS; Pi – спектральная плотность мощности передатчика абонентского луча спутника LEO-HTS в нормированной полосе частот; Hi = Hi[t,(ψ; λ)] – наклонная дальность между спутником LEO-HTS и приемной станцией, работающей со спутником ВЭО; Gr(φi) - коэффициент усиления антенны приемной станции, работающей со спутником ВЭО, в направлении на спутник LEO-HTS; G r max – коэффициент усиления антенны в максимуме приемной станции, работающей со спутником ВЭО; (ψ; λ) - географические координаты (широта, долгота) размещения приемной станции, работающей со спутником ВЭО; i – номер спутника LEO-HTS; t – текущее время без учета задержек распространения сигналов на линиях LEO-HTS и ВЭО. Результат оценки уровня помехи в Ku-диапазоне, создаваемой спутником OneWeb, для земных станций приема информации со спутника на орбите типа “Тундра” показан на рис. 2.
Параметры спутника OneWeb и приемной земной станции, работающей со спутником на орбите “Тундра” (приняты примерные значения на основе данных [12]), представлены в таблице 1).
Огибающая диаграммы направленности иллюстрируется на рис. 3 для приемной антенны эквивалентного размера 0,4 м на частоте 12 ГГц (рек. S.1428 (для FSS) и BO.1443 (для BSS)).
На рис. 2 показаны оценки уровня сигнала (С), принимаемого на абонентской линии ВЭО-Земля и уровня помехи (I), генерируемой спутником OneWeb. Помеха даже от одного спутника OneWeb на 12,6 дБ превышает уровень принимаемого сигнала, т.е. I/C = +12,6 дБ. Очевидно, что в таких условиях прием информации со спутника ВЭО невозможен. Для обеспечения приема следует снизить помеху примерно на 22 дБ, т.е. соотношение должно быть I/C < - 10 дБ. В этом случае снижение С/N на приеме может быть приемлемым, примерно не более 0,3 дБ. Однако, как следует из рис. 3, это достигается, если угол между осевым излучением луча OneWeb и направлением на приемную станцию (антенна 0,4 м) спутника ВЭО будут более 6 град., т.е.θi > 6 град. для достижения Kri = Gr(cpi) / Gr max = 22 дБ. Учитывая многочисленность спутников, которые имеют угловой разнос в орбитальной плоскости и разнос в пространстве орбитальных плоскостей примерно 10 угловых градусов, выполнить это условие в любой момент времени невозможно. Практически постоянно для любой широты и долготы приемной станции, работающей с ВЭО, будет наблюдаться минимум одни спутник OneWeb в угловом конусе при вершине 12 град. А в угловом конусе при вершине 25,5 град., т.е. для углов сканирования приемной антенны (слежение за спутниками на орбите “Тундра”), всегда будет находиться четыре спутника OneWeb (значение помех будет немногим больше, чем от одного спутника). Естественно, можно увеличивать пространственную селекцию за счет увеличения размера приемной антенны, но это резко снижает привлекательность систем на основе орбит ВЭО.
Естественно, что для всестороннего анализа ЭМС системы LEO-HTS (OneWeb в частности) и систем ВЭО необходимо многократное моделирование различных ситуаций в зависимости от географических координат приемной станции, размера ее антенны и возможных изменениях энергетики радиолиний (за счет погодных условий и различных вариантов загрузки спутника).
1. Одной из существенных проблем при реализации систем на основе LEO-HTS является отсутствие эффективных технологических решений создания дешевых ФАР (АФАР) с электронным сканированием луча. Причем в обозримой перспективе пока нет оснований надеяться на решение этой задачи применительно к абонентским терминалам систем спутниковой связи в Ku- и Ka-диапазонах. Но исследовательские работы в этом направлении необходимы.
2. Упрощенный анализ проблем ЭМС систем LEO-HTS показывает, что нет адекватных решений, которые позволяют использовать эти системы с иными спутниковыми сетями в совместных полосах радиочастот. Например, создание системы OneWeb (как любой иной подобной системы) практически закроет возможность реализации систем на основе спутников ВЭО в диапазоне частот 10,7–12,7 ГГц. Учитывая, что в Федеральной космической программе России рассматривается несколько перспективных проектов с использованием орбит ВЭО (“Экспресс РВ”, “Полярная Звезда”, в том числе при реализации проектов для Арктики [13–15]), проблема ЭМС с проектируемыми системами LEO-HTS в Ku/Ka/Q/V-диапазонах наиболее актуальна именно для России и требует международного обсуждения на уровне ITU-R.
Литература:
Опубликовано: Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание"-2017
Посещений: 3636
Автор
| |||
В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
