CC BY
100
УДК 621-391
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПСЕВДОКОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ Д.Г. Доматырко, В.П. Литвиненко
Приводится анализ достоинств и недостатков современных спутниковых систем связи, делается упор на экономические показатели вывода аппарата на орбиту, предлагается дополнительный вариант спутникам в виде псевдоспутников, выполняющих целевые задачи, описывается моделирующий программный комплекс для псевдоспутников
Ключевые слова: псевдоспутник, дополнение к космическим аппаратам, целевые задачи, моделирование
Спутниковая связь - один из видов радиосвязи, основанный на использовании искусственных спутников Земли в качестве ретрансляторов. Спутниковая связь осуществляется между земными станциями, которые могут быть как стационарными, так и подвижными.
Однако помимо всех достоинств спутниковой связи (глобальная зона радиовидимости и радиопокрытия, возможность использования устойчивой связи на отдаленных от крупных городов территориях, высокая скорость передачи данных и т.д.) спутниковые системы связи также имеют ряд недостатков:
1. Слабая помехозащищенность. Огромные расстояния между земными станциями и спутником являются причиной того, что отношение сигнал/шум на приемнике весьма мало (гораздо меньше, чем для большинства радиорелейных линий связи). Для того, чтобы в этих условиях обеспечить приемлемую вероятность ошибки, приходится использовать большие антенны, малошумящие элементы и сложные помехоустойчивые коды. Особенно остро эта проблема стоит в системах подвижной связи, так как в них есть ограничение на размер антенны и, как правило, на мощность передатчика.
2. Влияние атмосферы. На качество спутниковой связи оказывают сильное влияние эффекты в тропосфере и ионосфере. Поглощение сигнала атмосферой находится в зависимости от его частоты. Максимумы поглощения приходятся на 22,3 ГГц (резонанс водяных паров) и 60 ГГц (резонанс кислорода). В целом, поглощение существенно сказывается на распространении сигналов с частотой выше 10 ГГц (то есть, начиная с Ки-диа
пазона). Кроме поглощения, при распространении радиоволн в атмосфере присутствует эффект замирания.
Причина этого - разница в коэффициентах преломления разных слоев атмосферы. Эффекты в ионосфере обусловлены флуктуациями распределения свободных электронов. К ионосферным эффектам, влияющим на распространение радиоволн, относят мерцание, поглощение, задержку распространения, дисперсию, изменение частоты, вращение
Доматырко Дмитрий Геннадьевич - РКК «Энергия» им. С.П. Королева, аспирант, тел. 8-919-244-11-76 Литвиненко Владимир Петрович - ВГТУ, доцент, тел. (473) 271-44-57
плоскости поляризации. Все эти эффекты ослабляются с увеличением частоты. Для сигналов с частотами, большими 10 ГГц, их влияние невелико. В таблице представлена зависимость затухания сигнала в ионосфере от частоты.
Зависимость затухания сигнала в ионосфере от частоты
Эффект 100 МГц 300 МГц 1 ГГц 3 ГГц 10 ГГц
Вращение плоскости поляризации 30 оборотов 3,3 оборота 108° 12" 1,1"
Дополнительная задержка сигнала 25 мс 2.8 мс 0,25 мс 28 не 2.5 не
Поглощение в ионосфере (на полюсе) 5 дБ 1.1 ДБ 0.05 дБ 0,006 дБ 0.0005 дБ
Поглощение в ионосфере (в средних широтах) <1 дБ 0.1 дБ <0.01 дБ <0,001 дБ <0.0001 дБ
Сигналы с относительно низкой частотой (Ь-диапазон и частично С-диапазон) страдают от ионосферного мерцания, возникающего из-за неоднородностей в ионосфере. Результатом этого мерцания является постоянно меняющаяся мощность сигнала.
3. Задержка распространения сигнала. Проблема задержки распространения сигнала затрагивает все спутниковые системы связи. Наибольшей задержкой обладают системы, использующие спутниковый ретранслятор на геостационарной орбите. В этом случае задержка, обусловленная конечностью скорости распространения радиоволн, составляет примерно 250 мс, а с учетом мультиплексирования, коммутации и задержек обработки сигнала общая задержка может составлять до 400 мс.
Задержка распространения наиболее нежелательна в приложениях реального времени, например, в телефонной связи. При этом, если время распространения сигнала по спутниковому каналу связи составляет 250 мс, разница во времени между репликами абонентов не может быть меньше 500 мс.
В некоторых системах (например, в системах У8ЛТ, использующих топологию «звезда») сигнал дважды передается через спутниковый канал связи (от терминала к центральному узлу, и от центрального узла к другому терминалу). В этом случае общая задержка удваивается.
4. Влияние солнечной интерференции. При приближении Солнца к оси спутника радиосигнал, принимаемый со спутника наземной станцией, искажается в результате интерференции.
5. Экономические затраты. Они связаны главным образом с выводом космического аппарата (КА) на орбиту на дорогостоящем ракетоносителе, а
также затраты, связанные с восполнением КА для поддержания срока активного существования (САС) на этапе жизненного цикла.
В качестве дополнения к существующим КА возможен вариант производства и запуска беспилотного летательного аппарата (псевдо КА), выполняющего возложенные на него целевые задачи. К ним можно отнести:
1. Оценка состояния объектов на территориях, наиболее подверженных рискам, получение информации о состоянии объекта и инфраструктуры при угрозе и возникновении ЧС.
2. Мониторинг паводковой обстановки.
3. Мониторинг лесопожарной обстановки.
4. Мониторинг аварийных разливов нефтепродуктов на суше и акваториях.
5. Слежение за состоянием дел в акваториях РФ: браконьерством, пиратством, нефтезагрязнени-ем.
6. Контроль за состоянием ледников в горных районах, мониторинг ледовой обстановки для обеспечения морских операций (проводка караванов судов, нефтегазодобыча на шельфе и т.д.)
Высокая оперативность поступления информации о чрезвычайной ситуации обеспечивается численностью псевдо КА, входящих в группировку, наличием GPS - навигатора и GPS - приемника на борту, а также наземными терминалами-
ретрансляторами информации как между псевдо КА напрямую, так и по линии «псевдо КА - наземный терминал - псевдо КА - наземный терминал» и т.д.
На рис. 1 показан интерфейс моделирующего комплекса псевдо КА, написанный на языке высокого уровня Borland Delphi.
Рис. 1. Моделирующий комплекс для псевдо
КА
Данный комплекс позволяет по вводимым исходным данным (высота передающей антенны, высота приемной антенны, частота излучаемого сигнала, коэффициент усиления передающей и приемной антенн, мощность передатчика) рассчитать энергетические параметры радиолинии (мощность сигнала в точке приема, плотность потока мощности в точке приема, напряженность поля в точке приема) и неэнергетические (дальность прямой видимости, даль-
ность радиовидимости, длина волны излучения в пересчете от частоты).
При расчете использовались следующие аналитические выражения:
P.
P • G • G Я
1 сиг _ прд 1 2 л
сиг_ прм
где Рс
сиг _ прм
[4-п ■ R ]2
мощность сигнала в точке приема;
(1)
p.
сиг прд — мощность излучаемого сигнала;
01 — КУ передающей антенны;
02 — КУ приемной антенны;
Я — длина волны излучаемого сигнала;
Я — расстояние между передатчиком и приемником.
^ V60- Р„ прд ' КИП
Е, -------------------------------R-, (2)
где КИП — коэффициент использования поверхно-
сти;
E m — напряженность поля в точке приема.
ППМ -
E
(3)
240- п
где ППМ — плотность потока мощности радиосигнала в точке приема.
Затухание на радиолинии Ь зависит от частоты используемого радиосигнала и расстояния между приемником и передатчиком и определяется выражением (4)
Ь = 20 - 1о§[4 - п - Я- /] —10 - [1о§(С1) + 1о§(С2)]
(4)
Моделирующий комплекс позволяет рассчитывать по исходным введенным требованиям (данным) энергетические характеристики радиолинии и выводить следующие графические зависимости:
- зависимость мощности сигнала в точке приема от расстояния между передающим и приемным устройствами (единицы измерения по оси ОУ представляют собой количество раз, в которое затухает сигнал на данном расстоянии по сравнению с уровнем излученного сигнала от расстояния оси ОХ);
- зависимость затухания сигнала от частоты передатчика при максимальном расстоянии между передатчиком и приемником - расстоянии радиовидимости устройствами;
Япрям _ вид [км]= 357 - (л/н1Н + л/ Н2 [м] ^ (5)
где Я
прям _ вид
расстояние прямой видимости.
R радив* [км]- 3.57-(VHH + V И [м]),
где R
радиовид
расстояние радиовидимости.
2
Расстояние радиовидимости несколько больше расстояния прямой видимости вследствие распространения сигнала по дополнительному лучу за счет рефракции тропосферы.
- зависимость поглощения (затухания) радиосигнала с увеличением расстояния на фиксированной частоте передатчика;
- зависимость поглощения сигнала в атмосфере для диапазона частот 1-40 ГГц с учетом того, что сигнал передается на максимальное расстояние -расстояние радиовидимости объекта.
На рис. 2 покажем зависимость мощности сигнала в точке приема от расстояния до приемного
устройства при Рсиг _ прд = 1 Вт, 01 = 20 дБ (КУ для всех антенн указываются в децибелах по мощности), 02 = 30 дБ, Н1 = Н2 = 18 км, Г = 5 ГГц.
Зависимость мощности сигнала в точке приема от расстояния
1 0,1 0,01 0,001 0,0001 0,00001
200 400 600 800 1 000
Рис. 2. Зависимость мощности сигнала в точке приема от расстояния до приемника (Вт(км))
На рис. 3 и 4 соответственно покажем зависимости величины затухания сигнала от расстояния
Г = 5 ГГц) и от частоты ( Ярадиовид = 1000 КМ).
На рис. 5 покажем диаграмму направленности (ДН) фазированной антенной решетки (ФАР) при числе элементов решетки 100 и расстоянии между ними 0.15 м.
Зависимость величины затухания сигнала
в точке приема от расстояния
220
210 1 1 1
200 ■ f---\ 1 т -j
190
180 i i 7 ".
170
200 400 600 800 1 0 00
Рис. 3. Зависимость величины затухания сигнала в точке приема от расстояния (дБ(км))
Рис. 4. Зависимость величины затухания сигнала в точке приема от частоты (дБ(ГГц))
Диаграмма направленности антенны
80- 60- 40- 20-
кАЛЛ/ V
-20 -10 0 10 20
Рис. 5. Диаграмма направленности ФАР Литература
1. Вальвачев А.Н., Сурков К.А., Сурков Д.А., Че-тырько Д.М. Программирование на языке Бе1рЫ. М.: Радио и связь, 2005.
Открытое акционерное общество «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени
С.П. Королева» (г. Королёв)
Воронежский государственный технический университет
PROSPECTS OF DEVELOPMENT OF PSEUDO-SPACE VEHICLES AND MODELLING OF THEIR EFFICIENCY
D.G. Domatyrko, V.P. Litvinenko
The analysis of merits and demerits of modem satellite communication systems is resulted, the emphasis on economic indicators of a conclusion of the device into an orbit becomes, the additional variant is offered to companions in the form of the pseudo-companions, carrying out target a problem, the modelling program complex for pseudo-companions is described
Key words: the pseudo-companion, addition to space vehicles, target problems, modelling
