В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Александр
ВиталийВ процессе технического проектирования систем спутниковой связи широко используются методы анализа пространственной доступности космических аппаратов (КА) для абонентов системы. Они позволяют построить зоны обслуживания и планировать размещение абонентов системы, гарантирующее предоставление им качественных услуг связи. Для КА, находящихся на геостационарной орбите, задача построения зон обслуживания была решена достаточно давно и подробно [1]. Пространственная доступность геостационарных КА была исследована в [2], а в работе [3] задача была решена для низкоорбитальной системы связи “Сигнал". Аналогичная методика анализа зон обслуживания низкоорбитальных систем связи использовалась в работах [4, 5].
Однако существенным ограничением метода анализа, использованного в работах [2, 3, 4, 5], является то, что полученные в них результаты дают представление только о мгновенной пространственной доступности космических аппаратов для абонентов системы связи. Этот недостаток сильно сказывается в низкоорбитальных системах, КА которых быстро двигаются по орбитам, что не позволяет достоверно гарантировать непрерывную длительность радиоконтакта абонентов с созвездием КА. Произведем оценку качества взаимодействия ОГ КА с абонентами, учитывая требования к длительности радиоконтакта.
Для примера рассмотрим низкоорбитальную систему связи “Гонец", КА которой обеспечивают обработку заявок на обслуживание, поступающих от абонентов, и переносят принятые сообщения в сеть земных станций в соответствии с заданной дисциплиной обслуживания абонентов. Поэтому с точки зрения теории телетрафика [6] спутники “Гонец" необходимо рассматривать как набор подвижных узлов сети массового обслуживания, дополняющий земные узловые станции. В совокупности спутники и земные узловые станции образуют сеть массового обслуживания.
Предположим, что сеть мало насыщена абонентами, и не возникает ситуация отказа в обслуживании, связанная с полной занятостью КА. Тогда система, состоящая из КА и узловых земных станций, будет характеризоваться рядом показателей качества обслуживания, таких как:
В ходе работ по созданию системы “Гонец" рассматривались различные варианты построения орбитальной группировки. Учитывались требования технического задания и конструктивные ограничения, связанные с применением в используемых космических аппаратах магнитной системы ориентации и гравитационной стабилизации [7, 8].
В результате был выбран класс орбит с наклонением 82,5 град., обусловленным используемой в космическом аппарате системой магнитной ориентации. Высота круговой орбиты составила 1500 км. Шаг разнесения орбитальных плоскостей по долготе восходящего угла составляет угол около 45 град. [7, 8]. Формат орбитальной группировки в итоге задан в виде 4 плоскостей по 6 спутников в каждой [8]. Для этих исходных данных была выполнена реконструкция орбитальной группировки, включающая синтез начальных условий, и проведен расчет движения всех 24 спутников с дискретностью 1 минута.
Имитационный эксперимент предусматривал определение числа событий, заключающихся в том, что для наблюдателей, расположенных в узлах мерной географической сетки на поверхности Земли, детектировалось возникновение созвездий спутников с углами места не меньше 10 град.
Дополнительно проводилось обнаружение событий, заключающихся в отсутствии спутников, видимых под углами больше 10 град., и анализировалась относительная частота их возникновений. На последнем этапе проводилось усреднение результатов по всем долготам мерной сетки и строились графики соответствующих распределений.
В системе “Гонец" предусмотрено два режима организации связи. В первом режиме, который условно назовем Online, взаимодействие абонентов с земными узловыми стационарными станциями (ЗУСС) организовано через спутник, находящийся в состоянии непосредственного радиоконтакта с ЗУСС. В этом режиме спутник образует локальную зону ответственности системы связи.
Во втором режиме, с условным названием Offline, работа абонентов организована через спутники, которые не находятся в состоянии непосредственного радиоконтакта с ЗУСС. В этом режиме сообщения от абонентов записываются в его бортовое запоминающее устройство и хранятся в нем до тех пор, пока они не будут доставлены на ЗУСС. При этом образуется глобальная зона ответственности системы. Сообщения, адресованные абонентам, находящимся в глобальной зоне ответственности, сначала тем или иным способом поступают на ЗУСС, а затем переносятся в бортовом запоминающем устройстве спутника к абонентам.
Таким образом, координаты расположения ЗУСС будут существенно сказываться на вероятностно-временных характеристиках системы.
На рис. 1 показана зависимость коэффициента пространственной радиодоступности созвездий КА в зависимости от широты расположения земных станций (кривая красного цвета соответствует созвездию из одного КА, зеленая из 2, синяя из 3, желтая из 4. Созвездия более высокой кратности чем 4 никогда не реализуются).
Для системы связи “Гонец" рассматривалось несколько вариантов касающихся количества и размещения ЗУСС.
С помощью графиков рис. 1 можно понять, насколько часто над ЗУСС будет реализовываться ситуация полного отсутствия видимости спутников, доступных под углами места больше 10 град. Также можно понять, насколько часто будут появляться созвездия, состоящие из одного и нескольких спутников, доступных для ЗУСС.
График на рис. 2 показывает максимальную длительность ситуации отсутствия КА над одной из ЗУСС, которая составляет для рассматриваемого их расположения время 4 ÷ 6 мин.
Из рис. 3 видно, что средняя длительность отсутствия КА не превышает 2 мин.
Например, если расположить ЗУСС на широте 70 град. с.ш. (примерная широта расположения г. Тикси), с помощью графиков рис. 1, 2, 3 определим, что для нее доступность КА в любой момент времени равна 100%. Это, безусловно, будет положительно сказываться на вероятностно-временных характеристиках системы в целом при условии, что ЗУСС можно обеспечить эффективной привязкой к земной сети связи общего пользования, позволяющей ей обмениваться данными с другими ЗУСС.
Эффективность взаимодействия одиночного КА с ЗУСС можно иллюстрировать с помощью графика на рис. 4.
На графике дана зависимость среднестатистического времени радиоконтакта одиночного КА с земными станциями от широты их расположения.
Для оценки качества взаимодействия космического и земного сегментов будем использовать коэффициент оперативной готовности. В соответствии с ГОСТ 27.002– 2009 [9], коэффициент оперативной готовности (Operating instantaneous availability) представляет собой вероятность того, что изделие в данный момент времени t1 находится в работоспособном состоянии и, начиная с этого момента, выполнит требуемую функцию при данных условиях в интервале времени (t1, t2).
Соответственно, для абонентов таким изделием является система связи. Необходимым условием того, что КА в состоянии оказать услугу, заключающуюся в приеме от абонента (передачи абоненту) короткого сообщения является то, что абонент будет иметь сеанс связи с КА длительностью не меньше чем интервал [t1, t2]. В данном случае не предполагается разбивка сообщения на составные части. Именно по этому признаку будем называть сообщение коротким, то есть не требующим разбивки на части. Именно такая услуга заявлена в перечне услуг системы “Гонец”. В случае, когда отсутствует конкуренция абонентов за право доступа к ресурсам КА, можно считать, что условие радиоконтакта будет достаточным для возможности оказания такой услуги абоненту. Учитывая, что максимально возможное время радиоконтакта с КА с высотой орбиты 1500 км составляет около 17 мин., можно задать длительность короткого сообщения в пределах от 1 до 17 мин. Соответственно, вероятность контакта абонента со спутником, обеспечивающим сеанс связи длительностью хотя бы 1 мин, будет максимальна, а вероятность наличия над абонентом спутника, обеспечивающего длительность сеанса связи 17 мин., минимальна. На рис. 5 показано, как меняется размер общей области зон радиовидимости, гарантирующей абонентам, находящимся внутри нее, непрерывный радиоконтакт с КА (высота орбиты 1500 км, наклонение 83,5 град.) на протяжении 1,5, 10 и 15 мин.
Для множества мерных точек, покрывающего поверхность Земли, можно получить оценку двумерного (по широте и долготе) распределения вероятности того, что абоненты, находящиеся в узлах мерной сетки, попадут в область гарантированной по времени радиовидимости одного и того же спутника. Статистика перекрытия таких зон при заданной кратности дает оценку двумерного распределения коэффициента оперативной готовности орбитальной группировки при условии, что ЗУСС видит как минимум один спутник. Проведенные расчеты для орбитальной группировки показывают, что требование гарантированного времени радиоконтакта абонента со спутником в течение хотя бы 1 мин не сильно ограничивает размер зон видимости на поверхности Земли (рис. 6). Поэтому можно считать, что результаты, полученные в иных источниках с использованием мгновенных зон, будут справедливы в предположении, что для абонентов гарантируется радиоконтакт со спутником в течение хотя бы 1 мин.
Распределение зон, гарантирующих длительную непрерывную радиовидимость в течение большего чем 1 мин времени принципиально изменяют ситуацию. Например, на рис. 7 и 8 приведены данные для интервалов 5 и 15 мин.
Из рисунков видно, что повышение требований к оперативной готовности космического сегмента до 5 мин заметно сокращает область покрытия поверхности Земли. При требовании непрерывной радиовидимости в течении 15 мин. происходит почти полная деградация покрытия.
Видимо, интервал времени 5 мин. можно принять за основу для получения распределения коэффициента оперативной готовности как заведомо меньший максимального времени радиовидимости.
Двумерное картографическое распределение коэффициента операторской готовности характеризующее способность КА в ОГ поддерживать непрерывный радиоконтакт с земными станциями в течении не менее 5 мин. показано на рис. 9.
Полученные результаты позволяют заключить, что при полностью развернутой орбитальной группировке из 24 спутников абоненты системы могут с высокой степенью вероятности рассчитывать на 5-минутные сеансы связи. Следует отметить, что полученные данные практически полностью повторяют зависимости для доступности созвездия спутников (рис. 1), что естественно, поскольку интервал времени 5 мин. более чем в три раза меньше потенциально возможного времени радиоконтакта.
Анализ доступности КА системы связи, учитывающий не только структуру орбитальной группировки, но и схему организации связи, и конкретное место расположения ЗУСС необходимо провести отдельно. Для этого рассмотрим области на поверхности Земли вокруг ЗУСС, где могут находиться абоненты при работе системы в режиме “On-line". Полученные выше результаты говорят о том, что для орбитальной группировки из 24 КА на широте расположения ЗУСС (55 град. с.ш.) мгновенная доступность примерно равна 97–98%, а частота случаев отсутствия КА около 2–3%. Поэтому процесс работы абонентов будет характеризоваться периодическим отсутствием над абонентами КА находящихся в состоянии радиоконтакта с ЗУСС. Зададим максимально приемлемое время ожидания таких КА, например величиной 15 мин. Тогда проводя процесс имитационного моделирования и учитывая логическое правило, ограничивающее доступность для абонентов только теми КА, которые находятся в состоянии радиоконтакта с ЗУСС, расположенными в Москве, Железногорске и Комсомольске на Амуре получим соответствующие зоны ответственности показанные на рис. 10. При этом внутри зон будет гарантировано в 100% случаев доступность КА находящихся в состоянии радиоконтакта с ЗУСС, учитывая что время ожидания подлета таких КА к абонентам никогда не превысит 15 мин.
Необходимо отметить, что при выбранном расположении ЗУСС в Москве, Железногорске и Комсомольске на Амуре, как правило один КА будет одновременно доступен двум ЗУСС, одна из которых с высокой долей вероятности (90%) будет расположена в Железногорске.
Имитационное моделирование низкоорбитальной системы спутниковой связи позволяет провести анализ различных ситуаций и параметров. В данном случае моделирование выполнено на примере системы “Гонец" для оценки пространственной доступности и оперативной готовности космического сегмента системы.
В результате анализа полученных результатов видно, что спроектированная система “Гонец", включающая 24 космических аппарата и три ЗУСС, расположенных равномерно по территории Российской Федерации, будет обладать следующими характеристиками:
Литература
Опубликовано: Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание"-2015
Посещений: 6100
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
