CC BY
46
ТЕХНИЧЕСКИЕ И ИНЖЕНЕРНЫЕ НАУКИ
«НАУКА. ИННОВАЦИИ. ТЕХНОЛОГИИ», №1, 2013
удк 621.371.3: А. Ф. Чипига [A.F. Chipiga]
621.396.96
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ НА УЧАСТКЕ КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ - ЗЕМЛЯ ПРИ РАБОТЕ
НА ПОНИЖЕННЫХ ЧАСТОТАХ
Analysis of opportunities for practical implementation of satellite communications on site spacecraft-earth at work at reduced frequencies
В статье рассчитаны энергетические показатели передающей системы космического аппарата при работе системы спутниковой связи на пониженных частотах диапазона 60-80 МГц.
Calculate the energy performance of the transmission system of the spacecraft when the system of satellite communications at low frequency ranges of 60-80 MHz.
Ключевые слова: спутниковая связь, пониженная частота, отношение сигнал / шум, множитель ослабления волны, поглощение в ионосфере, мощность бортового передатчика.
Key words: satellite, under frequency, signal/noise attenuation factors wave absorption in the ionosphere, on-board transmitter power.
Введение.
Обеспечение высокого качества систем спутниковой связи (ССС), т. е. помехоустойчивости связи, при неограниченных дальностях и обширных зонах покрытия, является основным их достоинством. Однако это преимущество с точки зрения обеспечения информационной безопасности определяет один из основных недостатков: доступность электромагнитного излучения искусственного спутника Земли для систем радиоразведки несанкционированных пользователей. Условие обеспечения энергетической скрытности (ЭСк) ССС при ведении радиоперехвата (РПХ) выполняется, если фактическое отношение сигнал/шум (С/Ш) на входе приемника (ПРМ) РПХ будет меньше допустимого (hp < к2дап р) или коэффициент энергетической скрытности больше единицы (уЭС = h2non р / hp > 1).
Постановка проблемы.
Для разрешения проблемы в настоящее время разработаны:
- математические модели ионосферы и трансионосферного канала связи с учетом поглощения волны на пониженных частотах ССС [1, 2];
- математические модели ионосферы и трансионосферного канала связи с учетом одновременного поглощения и многолучевого распространения волны на пониженных частотах ССС [3, 4, 6];
- методика прогнозирования помехоустойчивости ССС на пониженных частотах с учетом поглощения волны и многолучевого ее распространения [7];
- методика прогнозирования помехоустойчивости ССС на пониженных частотах с учетом поглощения волны и ее многолучевого распространения при использовании пространственно-разнесенного приема на несколько (п > 4) антенн [8, 9];
- методика оценки коэффициента энергетической скрытности ССС при использовании пониженных частот и пространственно-разнесенного приема [10].
Полученные результаты свидетельствуют о принципиальной возможности разрешения возникшей проблемы. Однако техническая реализация может быть затруднена либо из-за массогабаритных показателей передающей системы, либо из-за необходимости излучения большой мощности передатчика, расположенного на космическом аппарате.
Разрешение проблемы.
Способ обеспечения очень высокого коэффициента энергетической скрытности (уЭС > дБ) ССС при близком размещении ПРМ РПХ за счет понижения несущей частоты до / = 60...80 МГц и применения пространственно-разнесенного приема сигналов на несколько антенн (п > 4) известен [2, 3].
Результаты анализа помехоустойчивости таких ССС показали [2], что достижение вероятности ошибочного приема информационных символов (Рош) не хуже допустимого значения РОШ < РОШ доп = 10-5 возможно при условии, что на выходе каждой ветви разнесения (т. е. входе каждого ПРМ) реализуется энергетическое отношение сигнал / шум к2 = 60 (т. е. 18 дБ). При этом реализовать такое отношение С/Ш при снижении f0 с 1 ГГц до 80...60 МГц возможно за счет одновременного уменьшения скорости передачи (в 13...70 раз) и увеличения диаметра параболической приемной антенны (в 4...2 раза).
Однако в диапазоне f0 = 50...100 МГц используются другие типы антенн (спиральные, волновой канал и т. п.), а снижение скорости передачи в ССС нежелательно. Поэтому целесообразно определить иные пути достижения к2 = 60. Для этого представляется необходимым разработать методику энергетического расчета спутниковой радиолинии космический аппарат (КА) — земная станция (ЗС) при использовании в ССС пониженных частот (/0 = 50...100 МГц) для выявления возможностей практической реализации предложенного способа на космическом аппарате.
Целью статьи является оценка возможностей практической реализации ССС на участке космический аппарат — земная станция при работе на пониженных частотах для получения заданного значения энергетической скрытности.
Для достижения поставленной цели сначала проанализируем выражение для реализуемого энергетического отношения С/Ш на входе ПРМ ССС, которое в случае передачи простых сигналов (т. е. с базой Б:1 = Т ДГ0 = 1, где Т и — длительность и ширина спектра сигналов) можно записать в виде [1]
(1)
Здесь Ег = Рг Т — энергия принимаемого сигнала с мощностью Рг
и длительностью Тц'.
N0 = Ро / Д^0 — спектральная плотность мощности Р0 шума (помех) на входе ПРМ в полосе сигнала ДF0 ;
Р( — мощность сигнала на выходе передатчика (ПРД);
0,г — коэффициенты усиления (КУ) передающей (0 и приемной (г) антенн;
Ц,г— коэффициенты полезного действия (КПД) фидеров передающей (^ и приемной (г) антенн;
Ж)2 = Л.0 / 4 жz0 — множитель ослабления волны с длиной Х0 в свободном пространстве на расстоянии z0;
Жп2 < 1 — коэффициент поглощения энергии волны в ионосфере.
Известно [11] несколько типов методик энергетического расчета спутниковых радиолиний на традиционных частотах /0 ~ 0...10 ГГц. Наиболее известной является методика 1-го типа, которая сводится к анализу выполнения условия превышения к2 > к2доп реализуемого отношения С/Ш на входе ПРМ ССС (к2 ) над минимально необходимым (допустимым) значением (к2доп = 10...20 дБ) при заданных параметрах передатчика (Р), антенн (0(,Щ( и 0(,Цг) и высоте орбиты космического аппарата (Яка). Согласно
[11] условие к2 > к2доп выполняется при традиционных значениях несущих частот f0 ~ 0...10 ГГц и типовых параметра существующих ССС (с высотой
орбиты Нка- 40 тыс. км): Р - 20 Вт; Ог - 20 дБ; Ог - 40 дБ; п - -0,5 дБ, Ж02
- -200 дБ; Жп2 - 0,1 дБ; Р0- -150 дБ.
Методика 2-го типа сводится к определению технических параметров средств радиосвязи (мощности передатчика Р или КУ приемной антенны Ог) при заданном КУ передающей антенны (О,) и отношении С/Ш на входе ПРМ ССС (И2 = И2зад ) с известной высотой орбиты космического аппарата (Нка).
Для достижения поставленной цели необходимо разработать методику энергетического расчета спутниковой радиолинии 2-го типа для диапазона пониженных частот /0 - 50...100 МГц. В соответствии с формулой (1) она сводится к следующим этапам:
1. На основе анализа помеховой обстановки в точке приема определить мощность шума на входе ПРМ (Р0 ).
2. Определить дальность связи z0 и множитель ослабления поля в свободном пространстве Ж0.
3. Определить множитель ослабления на трассе Жт.
4. При заданных значениях ряда параметров (например, О ,
и И2зад = 18 дБ) определить мощность ПРД КА Р г (при фиксированном Ог ) или коэффициент усиления приемной антенны ЗС Ог (при фиксированной Р ).
Рассмотрим подробнее содержание этих этапов.
1. Анализ помеховой обстановки в точке приема для радиолинии КА
ЗС на частоте /0 - 50...100 МГц показывает, что полная (суммарная) эквивалентная шумовая температура приемной системы (ТЕ) определяется шу-
мовыми температурами индустриальных помех (ТИ), космического пространства (ТК) и приемника ТПРМ = [Т0 (Ы— 1)]. Поэтому мощность шума на входе ПРМ описывается выражением вида
где кБ — постоянная Больцмана;
Т0 = 290°;
N — коэффициент шума приемника.
2. Множитель ослабления поля в свободном пространстве Ж0 зависит от дальности спутниковой связи, которая определяется по формуле [11]:
где ^з = 6 370 км — радиус Земли;
у — угол, проведенный из центра Земли, между направлениями на ЗС и КА.
Для ориентировочных расчетов можно считать, что для геостационарных (Нка = 36 000 км) и высокоэллиптических (Нка = 40 000 км) КА справедливо соотношение Нка >> Яз, при котором z0 - Нка . Поэтому множитель ослабления поля в свободном пространстве Ж0 при дальности спутниковой связи z0 - Нка определяется по формуле
(4)
Анализ графиков на рисунке 1, построенных согласно (4), позволяет сделать следующие выводы:
а) переход ССС с традиционных частот (/0 -г 1 ГГц) на пониженные частоты (/о = 50 + 100 МГц) позволяет уменьшить множитель ослабления волн в свободном пространстве W02 примерно на 25 дБ при любой высоте орбиты КА;
б) переход от высокоэллиптических Нка - 40 000 км) и геостационарных (Нка - 36 000 км) орбит КА к средневысотным (Нка - 10 000 км) и низковысотным (Нка - 1 000 км) позволяет дополнительно уменьшить W02 на 15 дБ и 36 дБ соответственно.
3. Анализ множителя ослабления на трассе (Wm2) распространения радиоволн (РРВ) от КА до ЗС показывает [11], что при использовании обычных частот /0 = 1...30 ГГц он определяется поглощением в тропосфере W2 - Жп2Тр)), а при использовании пониженных частот (/0 = 50^ 100 МГц) — поглощением в ионосфере (W2 - W2).
Поглощение радиоволн в ионосфере WП оценивается по графику (рис. 2), приведенному в [2]. В диапазоне 60...100 МГц множитель W2 даже в случае низких углов возвышения приемной антенны (ß = 5°) не превышает значения 5,4 дБ.
4. Мощность бортового ретранслятора Рх (Вт) при фиксированном КУ приемной антенны (Gr ) определяется согласно (1, 2) по формуле:
(5)
Коэффициент усиления антенны ЗС при фиксированной мощности ПРД КА (Р^ определяется согласно (6) как
Мо2
Рис. 1. Зависимость множителя ослабления в свободном пространстве от высоты КА и частоты волны (Д = 50 МГц...1 ГГц).
Рис. 2. Зависимость множителя поглощения ионосферы от несущей частоты и угла возвышения приемной антенны.
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА МОЩНОСТИ БОРТОВОГО ПРД КА
Нка(км) а, аг Т*к») Ре (Вт) да,2 да>2 Р (Вт)
4104 10 31,6 2853 4 ■ 10-19 0,45 10-16 2614
1 0 дБ 1 5 дБ 4 4 ,6 д—Б - 1 84 дБ - 3 , 5 д—Б - 1 60 дБ 3 4 ,—2 д—Б
104 10 31,6 2853 4 ■ 10-19 0,45 1,6 ■ 10-15 163,4
1 0 дБ 1 5 дБ 4 4 ,6 д—Б - 1 84 дБ - 3 , 5 д—Б - 1 4 8 дБ 2 2 , 1 д—Б
103 10 31,6 2853 4 ■ 10-19 0,45 1,6 ■ 10-13 1,63
1 0 дБ 1 5 дБ 4 4 ,6 д—Б - 1 84 дБ - 3 , 5 д—Б - 1 2 8 дБ 2 ,1 д—Б
Приведем пример расчета мощности ПРД КА (Р^ на пониженной частоте согласно (1-5) при следующих исходных данных: 1) несущая частота / = 60 МГц; 2) коэффициент усиления передающей антенны КА О ( = 10 дБ (антенна «волновой канал» длиной ЬА ~ 8 м); 3) коэффициент усиления приемной антенны ЗС Ог = 15 дБ (фазированная антенная решетка (ФАР) из четырех антенн «волновой канал» длиной ЬА ~ 8 м, расстояние между антеннами д.А ~ 2,5 м); 4) КПД волноводного тракта п = 0,9; 5) высота орбиты КА — Яка = 40000 км, 10 000 км и 1 000 км; 6) полоса пропускания приемника В = 40000 Гц; 7) коэффициент шума приемника N = 15; 8) требуемое отношение сигнал/шум на входе приемника к2зад = 18 дБ; 9) КПД антенно-фидерного тракта на приеме цг = 0,5.
Результаты расчета Р ( согласно (5) представлены в таблице.
Ее анализ показывает, что для достижения требуемого отношения С/Ш (к2зад = 18 дБ) при работе ССС на пониженной частоте /0 = 60 МГц и использовании типовых для диапазона метровых волн (МВ) антенн «волновой канал» (одиночной на КА и счетверенной на ЗС) с коэффициентами усиления (КУ) Ог = 10 дБ и О ( = 15 дБ необходимо использовать бортовые ПРД с очень малой мощностью излучения Р í = 1,63 Вт для низковысотного КА (Нка ~ 1 000 км), средней мощности Р ( = 163,4 Вт для средневысотных КА (Нка ~ 10 000 км) и большой мощности Р ( = 2614 Вт для высокоэллиптических (Яка ~ 40 000 км) КА.
Отсюда следует, что применение в диапазоне пониженных частот (/о = 60 ^ 70 МГц) передающей и приемной антенн типа «волновой канал» с КУ, ограниченными значениями О { < 10 дБ и О { < 15 дБ (при которых их массогабаритные показатели остаются относительно небольшими: ЬА ~ 8 м), позволяет реализовать требуемое (1) отношение С/Ш на входе ПРМ ЗС к2зад = 18 дБ при использовании КА с низкими и средними орбитами. В этих случаях требуются ПРД с мощностями Р ( = 1,63 Вт и Р ( = 163,4 Вт, которые легко реализуются в диапазоне МВ. При использовании высокоорбитальных КА
требуются бортовые ПРД с мощностью Рі = 2 614 Вт. Такие мощности излучения бортовых ПРД в диапазоне МВ без существенного роста массогабаритных показателей принципиально возможно реализовать за счет применения транзисторов с использованием методов сложения мощностей.
Выводы.
Таким образом, разработана методика энергетического расчета радиолинии КА - ЗС на пониженных частотах </0 = 60 ^ 70 МГц) согласно выражениям (1-6). Результаты этой методики указывают на то, что по сравнению с традиционным диапазоном частот (/0 ~ 1...10 ГГц) имеют место следующие особенности: 1) увеличение мощности шума на входе ПРМ ЗС (и Р0) на величину порядка 30 дБ из-за повышения шумовых температур, обусловленных индустриальными (Ти) и космическими (Тк) помехами; 2) незначительное увеличение поглощения сигнала в ионосфере Жп2 (на несколько дБ); 3) уменьшение ослабления сигнала в свободном пространстве Жо2 на 25 дБ при любой высоте орбиты КА.
Отсюда следует, что при переходе ССС в диапазон пониженных частот увеличение мощности шума и ионосферного поглощения в значительной мере компенсируется уменьшением ослабления в свободном пространстве и возможностью реализации в диапазоне МВ мощности ПРД КА Pt ~ 103 Вт. Эти факторы определяют возможность практической реализации требуемого отношения С/Ш на входе ПРМ И2 = 60 (18 дБ) ССС, использующих пониженные частоты.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сенокосова А. В., Солчатов М. Э., Стрекалов А. В., Чипига А. Ф. Математическая модель ионосферы для оценки поглощения радиоволн в системах космической связи // Инфокоммуникационные технологии. 2006. Т. 4. № 1. С. 77-82.
2. Чипига А. Ф., Сенокосова А. В. Защита информации в системах космической связи за счет изменения условий распространения радиоволн // Космические исследования. 2007. Т. 45. № 1. С. 59-66.
3. Чипига А. Ф., Сенокосова А. В. Способ обеспечения энергетической скрытности систем спутниковой связи // Космические исследования. 2009. Т. 47. № 5. С. 428-433.
4. Пашинцев В. П., Чипига А. Ф., Сенокосова А. В., Дагаев Э. Х. Качественный анализ процесса распространения радиоволн через ионосферу с учетом поглощения и многолучевости принимаемого сигнала // Вестник Северо-Кавказского государственно технического университета. 2010. № 4(25). С. 103-108.
5. Чипига А. Ф. Оценка влияния поглощающих свойств ионосферы и ее неоднородностей на среднюю энергию сигнала на входе приемника спутниковой связи [текст] / А. Ф. Чипига, В. А. Шевченко, А. В. Сенокосова, Э. Х. Дагаев // Вестник Северо-Кавказского государственно технического университета. 2011. № 1 (25). С. 24-32.
6. Чипига А. Ф., Шевченко В. А., Сенокосова А. В., Дагаев Э. Х. Математи-
ческая модель трансионосферного канала с учетом поглощения и многолучевости принимаемого сигнала // Вестник Северо-Кавказского государственно технического университета. 2011. № 1(25). С. 32-40.
7. Чипига А. Ф., Сенокосова А. В. Метод защиты конфиденциальной информации в перспективных системах космической связи // Материалы I Международной НТК «Инфотелекоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании». Ставрополь: СевКавГТУ, 2004, С. 213-214.
8. Чипига А. Ф., Сенокосова А. В. Системный анализ возможности построения новой математической модели космического канала связи // Материалы I Международной НКТ «Инфотелекоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании». Ставрополь: СевКавГТУ, 2004. С. 217-218.
9. Чипига А. Ф., Сенокосова А. В., Алексеев Д. В., Бессмертный Ю. М., Барышев А. Н. Повышение помехозащищенности систем спутниковой связи за счет понижения несущей частоты и разнесенного приема // Сборник трудов Международной НПК «Информационные технологии в образовании, науке и производстве». Ч. 2. Серпухов, 2010. С. 346-348.
10. Пашинцев В. П., Чипига А. Ф., Сенокосова А. В., Дагаев Э. Х. Метод оценки энергетической скрытности систем спутниковой связи с пониженной частотой // Сборник трудов XVI Международной НТК «Радиолокация, навигация связь». Т. 3. Воронеж, 2010. С. 2414-2421.
11. Мешалкин В. А., Сосунов Б. В. Основы энергетического расчета радиоканалов. Л.: ВАС, 1991. 110 с.
ОБ АВТОРЕ
Чипига Александр Федорович, ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», кандидат технических наук, профессор, директор Института информационных технологий и телекоммуникаций. [email protected].
Chipiga Alexander Fedorovich, candidate of Engineering Sciences, professor, director of The Institute of Information Technologies and Telecommunications, North-Caucasus Federal University. [email protected].
