В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Борис
ЮрийВ последнее время все более актуальной задачей в Российской Федерации становится обеспечение устойчивой спутниковой связи в высокоширотных и труднодоступных районах Крайнего Севера и Арктики. Принят целый ряд директивных документов по развитию Арктической зоны [1–3], в которых задача обеспечения надежной связи отмечается как одна из важнейших.
Существующие российские системы спутниковой связи преимущественно базируются на использовании космических аппаратов (КА) на геостационарной орбите (ГСО). При всех ее бесспорных преимуществах ГСО не обеспечивает обслуживание территорий выше 76–78 град. с.ш. Данная задача может быть решена с использованием негеостационарных систем со спутниками на низких и средних круговых или на высокоэллиптических орбитах [4–6].
В последние 2–3 года объявлено о начале разработки доброго десятка систем на негеостационарных орбитах, в том числе OneWeb, SpaceX, Telesat LEO, LeoSat и др. [7]. Основная идея инициаторов проектов – обеспечить глобальное покрытие, высокую пропускную способность и работу с большими углами места путем запуска на круговые орбиты с наклонением, близким к 90 град., значительного числа (от десятков до тысяч) сравнительно небольших и недорогих спутников. При этом капитальные затраты на создание системы оцениваются в лучшем случае в несколько миллиардов долларов.
Два наиболее спорных момента в этих проектах – обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) с ГСО-системами и достижение экономической эффективности. Статья 22 Регламента радиосвязи предусматривает, что “негеостационарные спутниковые системы не должны создавать неприемлемых помех геостационарным спутниковым сетям фиксированной спутниковой и радиовещательной служб”. В то же время предложенные методы предотвращения помех от низколетящих спутников геостационарным пока в достаточной степени не апробированы. Более того, существующие процедуры частотной координации делают просто физически невозможным достижение согласования за разумный срок в 2–3 года с сотней действующих и 2 тыс. заявленных затронутых сетей. Здесь требуется серьезная работа в рамках Международного союза электросвязи.
В части оценки экономической эффективности многоспутниковых систем мнения экспертов серьезно расходятся [8, 9], многие эксперты полагают, что реальная потребность в емкости низкоорбитальных систем будет значительно меньше, чем необходимо для их окупаемости [10–12]. Особенно очевиден этот аспект для России, где весь объем рынка ШПД, существующего и даже перспективного, много меньше, чем минимально необходимый для окупаемости доход многоспутниковой системы [13]. Очевидно также, что в глобальном масштабе у российской системы не найдется потенциальной клиентуры, способной возместить недостающий доход. Таким образом, создание отечественной глобальной системы связи со спутниками на низких орбитах в обозримое время экономически неоправданно.
Система связи со спутниками на высокоэллиптической орбите (ВЭО) способна с успехом решать задачи обеспечения связью Арктической зоны и ряд других важных государственных задач, при этом капитальные затраты на создание системы в разы ниже, чем для многоспутниковых систем, а ЭМС с геостационарными системами гарантированно обеспечивается без принятия каких-либо дополнительных мер. Определенным недостатком систем на ВЭО можно считать их несовместимость с глобальными многоспутниковыми системами в одной и той же полосе частот [14]. При большом числе спутников они постоянно будут попадать в луч земной станции ВЭО-системы и создавать серьезные помехи. Регламент радиосвязи не защищает одну негеостационарную систему от другой.
Наиболее известны два варианта ВЭО – орбиты типа “Молния” и типа “Тундра” [15]. Первая орбита – 12-часовая с высотой апогея порядка 40 тыс. км и наклонением около 63 град. – широко использовалась в 60–70-х гг. прошлого века в СССР спутниками связи “Молния-1”, затем “Молния-3”. Орбита “Тундра” с периодом обращения 24 часа менее изучена, известно о ее использовании американской системой спутникового непосредственного звукового вещания Sirius.
Классическая трасса КА на ВЭО 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. Рабочим участком орбиты является период прохождения малой петли восьмерки. В таблице 1 приведены в качестве примера возможные наборы параметров для обоих типов орбит [15], обеспечивающие такой режим работы, а на рис. 1 показаны соответствующие трассы движения КА.
Для орбиты “Молния” рабочий участок составляет шесть часов, так что четырехспутниковая система с разносом орбит по долготе в 90 град. обеспечивает возможность организации круглосуточной связи.
При этом каждый спутник проходит за сутки два витка и формирует один рабочий участок в Восточном полушарии (этот виток называется основным), в другой – в Западном (сопряженный виток). На орбите “Тундра” спутник проходит рабочий участок за восемь часов, поэтому достаточно трех спутников, разнесенных по долготе на 120 град. Важным преимуществом орбиты типа “Тундра” является возможность обеспечения 15-летнего срока активного существования (САС) КА.
На орбите типа “Молния” из-за пересечения космическим аппаратом радиационных поясов Земли вблизи перигея не удается добиться САС более 7–10 лет. Орбита “Тундра” выгодна также с точки зрения меньшего числа КА в группировке и меньшей величины доплеровского смещения. В работах [16, 17] рассмотрены некоторые варианты построения системы связи на орбите “Тундра”. Преимуществами орбиты “Молния” можно считать лучшую освоенность, более высокую энергетику радиолинии (благодаря меньшей высоте апогейной области), меньшие энергетические затраты при выведении КА на орбиту (масса, выводимая однотипной ракетой-носителем, на 70% больше, чем на орбиту “Тундра”). Наличие сопряженного витка дает еще одно преимущество, которое может стать решающим при выборе типа орбиты, – возможность значительного расширения зоны покрытия и практически удвоения пропускной способности системы связи. Исследуем этот аспект подробнее. Для этого сначала рассмотрим особенности формирования зоны покрытия с ВЭО.
Особенностью движения КА по ВЭО является видимый поворот земной поверхности по отношению к спутнику, вызванный суточным вращением Земли. Более того, и сам спутник должен постоянно поворачиваться таким образом, чтобы обеспечивалось наилучшее освещение солнечных батарей (вращение батарей вокруг одной оси, применяемое на ГСО, здесь оказывается недостаточным). В результате зона покрытия, сформированная, например, в точке апогея, будет постоянно смещаться по поверхности Земли (см. рис. 2), и для ее удержания на заданной территории пришлось бы постоянно разворачивать и перенацеливать бортовые антенны, что конструктивно трудновыполнимо. На практике используют два решения – антенны с круговой диаграммой направленности (ДН), нацеливаемые в ту же точку, куда нацеливается ось Z спутника, либо многолучевые антенны. В последнем случае поддержание зоны покрытия достигается постоянным независимым перенацеливанием парциальных лучей или переключением сигналов из луча в луч по мере разворота КА относительно земной поверхности.
Данная особенность в значительной степени определяет и выбор диапазона частот для организации связи. В Арктической зоне более уместным было бы использование С-диапазона, менее чувствительного к налипанию снега и льда на рабочей поверхности зеркала и к неточности наведения антенн земных станций. Однако сформировать достаточно узкие лучи для построения многолучевой системы при ограниченных размерах бортовых антенн не удается. А применение круговой ДН, охватывающей всю российскую территорию, включая Арктическую зону, приводит к чрезвычайно низкой энергетике радиолинии, сравнимой с энергетикой глобальной зоны обслуживания – ЭИИМ не более 36 дБВт и добротность минус 9 дБ/К. Переход в Ku-диапазон позволяет решить данную проблему. На рис. 3 красным цветом показан пример построения зоны покрытия территории РФ в виде 12 лучей с угловым размером 2,75 x 2,75 град. (точка входа/выхода на рабочем участке). При движении спутника на рабочем участке орбиты направление лучей должно изменяться, поэтому конструкция КА должна предусматривать подстройку направления излучения бортовых антенн (изменением положения зеркала или облучающей системы для зеркальных антенн либо управлением лучами в случае использования АФАР).
Данный угловой размер луча позволяет обеспечить в зоне луча при разумной мощности бортового передатчика ЭИИМ не менее 54 дБВт, что достаточно для передачи в полосе ствола 54 МГц цифрового потока со скоростью 80 Мбит/с на антенну диаметром 60–70 см. Добротность борта также оказывается довольно высокой, порядка 6,5 дБ/К. Эксплуатацию антенны такого диаметра нетрудно обеспечить и в Арктической зоне, закрыв ее защитным куполом. Небольшой размер антенны абонентского терминала в совокупности с большими углами места (не менее 40 град. из любой точки территории России, см. рис. 4) позволяет рекомендовать описываемую систему со спутниками на ВЭО в первую очередь для организации связи с подвижными объектами. Потребителями спутниковых услуг могут стать транспортные средства – поезда, самолеты, морские суда, курсирующие по Северному морскому пути, легковые и грузовые автомобили, междугородные автобусы.
Упомянутое выше расширение зоны покрытия связано с использованием емкости КА, находящегося на сопряженном витке, для обслуживания Арктической зоны Российской Федерации (контуры синего цвета на рис. 3). Параметры обслуживания в этой зоне сопоставимы с параметрами основной зоны (углы места спутника не менее 40 град., ЭИИМ не менее 54 дБВт). Большим удобством предлагаемого варианта является также возможность размещения центральной станции для работы на сопряженном витке в Московском регионе – угол места спутника составит 29 град. в апогее и 23 град. в точке входа/выхода на рабочий участок, что вполне приемлемо.
Следует оговориться, что данный анализ проведен для идеализированной орбиты “Молния” без учета ее баллистической устойчивости в течение САС. Он может служить только иллюстрацией возможности использования емкости КА, находящегося на сопряженном витке. Полный анализ с учетом поведения орбитальной группировки в ходе эксплуатации, проведения необходимых коррекций орбиты, поворота корпуса КА для лучшего освещения солнечных батарей должен стать предметом конкретного проектирования.
Таким образом, показана возможность расширения зоны покрытия системы связи на орбите “Молния” и соответствующего увеличения пропускной способности системы путем подключения к работе КА, находящегося на сопряженном витке.
Литература
Опубликовано: Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание"-2018
Посещений: 2813
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
