CC BY
189
УДК 621-391
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕДАЧИ ПОЛЕЗНОЙ ИНФОРМАЦИИ В СПУТНИКОВЫХ РАДИОЛИНИЯХ ПРИ МНОГОЛУЧЕВОЙ СВЯЗИ Д.Г. Пантенков, В.П. Литвиненко
Предлагается вариант компьютерного моделирования в прикладном пакете Satellite Tool Kits 8.0 процесса передачи полезной информации в спутниковых радиолиниях при многолучевой связи, расчет скорости передачи информации и диаметра антенны наземной станции приема и обработки сигнала в зависимости от частоты, визуальное отображение результатов моделирование на карте в пределах территории Российской Федерации
Ключевые слова: многолучевая связь, спутниковая связь, компьютерное моделирование, скорость передачи данных, габариты антенны, зона покрытия, абонент, расчет спутниковой радиолинии
1 Общая характеристика.
В настоящее время подвижная спутниковая связь (ПСС) является, пожалуй, наиболее перспективным видом подвижной связи в силу ее основных преимуществ:
- глобальность районов покрытия одним космическим аппаратом (КА);
- обеспечение связью малонаселенных и труднодоступных территорий, на которых экономически нецелесообразно проектирование мобильных (радиорелейных) средств связи;
- непрерывность наблюдения абонента связи с космического аппарата (на высокой орбите);
- целевая нагрузка КА может быть самой разной, вследствие чего спутник может выполнять одновременно целый спектр задач, тем самым самоокупаясь и легендируясь при запуске на орбиту.
В состав подсистемы персональной спутниковой связи, как правило, входят:
- сеть абонентских малогабаритных мобильных и переносных земных станций связи, в том числе типа «трубка» (станции абонентского канала) в абонентской зоне обслуживания;
- ограниченное число стационарных и подвижных земных станций спутниковой связи (станции магистрального канала) в центральном районе страны;
- бортовой ретрансляционный комплекс (БРТК).
По расчетным данным, спутниковая система подвижной связи в номинальном режиме может обеспечивать следующие характеристики:
- речевой обмен между абонентами со
скоростью передачи от 4,8 кбит/с до 9,6 кбит/с;
- обмен данными (документированной
информацией, электронной корреспонденцией,
командно-сигнальной информацией) со скоростью до 384 кбит/с;
- передача видеопотока со скоростью от 64 кбит/с до 512 кбит/с при использовании одного космического аппарата связи.
Пантенков Дмитрий Геннадьевич - РКК «Энергия им. С.П. Королева», аспирант, тел. 8-926-109-23-95 Литвиненко Владимир Петрович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (473) 271-44-57
При организации спутниковой связи нередко возникает проблема передачи информации, связанная с малыми углами места земных станций по отношению к спутнику. Это накладывает энергетические ограничения из-за более высоких значений затуханий радиосигналов в атмосферных осадках, которые могут быть скомпенсированы повышенными значениями эквивалентной изотропно излучаемой мощности (ЭИИМ) сигналов и энергетической добротности приема (G/T) земных станций, в первую очередь, за счет увеличения диаметров антенн [1,2].
На рис.1 показана зона обслуживания магистрального канала, образованного лучом передающей антенны с шириной диаграммы направленности (ШДН) 5°х5° и обозначенными на ней крупными городами России от спутника на геостационарной орбите (точка стояния 85° в.д.), на рис.2 показана зона обслуживания магистрального канала, образованного лучом передающей антенны с ШДН 15°*15° от спутника на геостационарной орбите (точка стояния 85° в. д.).
Как возможный вариант построения, для дальнейших дополнительных проработок, на рисунке 3.9.3 показана зона покрытия территории Российской Федерации с позиции 85°в.д. лучом антенны с ШДН 11°х5°.
1 )l Зоны покрытия для круговых и эллиптическихдоаграмм ^
Settings Left Right Up Down PutBeam Zoomln Zoom Out Add Another ForPrint
і fc Зоны покрытия'даЩкруг;
Settings Left Right
PutBeam Zoom In Zoom Out Add Another For Print
Плотность потока мощности принимает свое максимальное значение непосредственно в центре зоны. На рис. 1,2,3 показаны контуры равного усиления: -1дБ, -2дБ, -3дБ соответственно при
удалении от центра зоны к ее краю.
В качестве антенной системы на борту космического аппарата связи выберем активную фазированную антенную решетку (АФАР), обладающую рядом преимуществ по сравнению с зеркальной антенной (в то же время имеющей свои, присущие лишь ей, отличительные особенности).
2 Моделирование ДН антенной системы на борту КА ПСС.
Для формирования контура (зоны) обслуживания с помощью активной фазированной антенной решетки представим ее аналитическую зависимость трехмерной диаграммы
направленности (ДН) - по азимуту и углу места одновременно.
1
M ■ N . (p ■ d x
sm|--------- ■X
I l
■z
(p ■ d, Sln( ^ Z
,(1)
где М — длина антенной решетки, м; N — ширина антенной решетки, м;
d — расстояние между элементами (единичными излучателями) в азимутальной плоскости, м; d — расстояние между элементами в угломестной плоскости, м;
1 — рабочая длина волны излучателя, м;
X = sin q • cos j — sin q0 • cos j 0; Z = sinq •sin j — sinq0 • sin j0;
q0,j0 — направление главного максимума лепестка диаграммы направленности, град.;
На рис. 4 представлен двумерный массив
излучателей из MxN элементов.
Построим согласно аналитической зависимости (1) диаграмму направленности активной фазированной антенной решетки на рис.5 для случая: МхЫ= 121x121 элемент, частота излучения равна Х=0,2 м (1,5 ГГц), d=0,5• X. При таком шаге дифракционные максимумы в решетке отсутствуют. Реальная (физическая) длина такой решетки составит 12x12 метров.
Рис. 5
Также отметим тот факт, что в случае, когда суммарный уровень мощности первых пяти боковых лепестков (с первого по пятый) превышает суммарный уровень мощности последующих пяти боковых лепестков (с шестого по десятый) на 10 дБ и более, то целесообразно ограничиться первыми пятью (погрешность не превысит 0,01 часть процента).
На рис. 6 представлена диаграмма
направленности АФАР в азимутальной плоскости (в силу симметрии решетка имеет аналогичную ДН и в угломестной плоскости).
Рис. 6
Если требуется найти ширину главного лепестка диаграммы направленности АФАР, а также уровень боковых лепестков (УБЛ), то достаточно приравнять к нулю выражение (1). Тогда после элементарных преобразований ширина главного лепестка 0 и боковые лепестки иБЬ соответственно равны
С \
0 = 2 • arcsin
UBL1 = arcsin
UBL 2 = arcsin
M •N •d •d
\\ x y
ö (
(2)
UBL
^M •N •dt 3^ 2
^M •N •d, •d] 4 • 2
^M •N •d t •d t
arcsin
\
ö ( arcsin
/
v
ö ( arcsin
/
V
^M •N •dt •d 2 • 2
^M •N •drd!
ö
3^ 2
^M •N •d, •d
UBL N = arcsin
(N +1) • 2
^M •N •d t •d
arcsin
/
N • 2
^M •N •drd1
3 Учет влияния боковых лепестков на формируемую диаграмму направленности антенной системы.
С использованием выражений (1), (2) и иБЬ, а также геометрических расчетов активной фазированной антенной решетки, получена модель зоны обслуживания одного луча антенной решетки (учитываются лишь первые 5 боковых лепестков, при этом учитываем, что спутник связи находится на геостационарной орбите). На рис. 7 отображена
зона обслуживания главного лепестка диаграммы направленности активной фазированной антенной решетки и зоны помех от боковых лепестков ДН. В добавлении на рис.7 показаны расстояния между зонами обслуживания и их радиусы.
’ О '
О
о
о
о„.
о о о о о
3^ <i 172 км Г 172 км Г~ п С 172 км 172 км f <н
нет 780 782 786 ті»
КМ к» км км KSt
о
о
о
о
Рис. 7
Основываясь на полученной модели зоны обслуживания одного луча диаграммы направленности АФАР, получены численные значения (рассчитанные программным способом по заданному в модели алгоритму) уровня боковых
лепестков иВЬ числ относительно максимума ДН
согласно выражению
( \
ливь (гр )/10
ивь.
= 10•lg £ioU
\ р
(3)
0
где иБЬ (5 ) — отношение уровня бокового лепестка,
создающего помеху 5 , к уровню главного лепестка
диаграммы направленности активной фазированной антенной решетки.
Результаты численного моделирования показывают, что уровень первого бокового лепестка в отношении к главному лепестку ДН АФАР не превышает 20 % по мощности.
4 Алгоритм расчета бюджета радиолинии для случая использования АФАР в качестве антенной системы КА ПСС на геостационарной орбите (ГСО).
Рассчитаем радиолинию подвижной спутниковой связи для случаев передачи сигнала от наземной станции к КА на ГСО и наоборот.
4.1 Расчет линии «вверх».
Мощность сигнала на входе приемника спутникового ретранслятора определяется формулой
= ЭИИМ3ем G
J т тп
Т • J
J-'TTD -І-/ „
UP
где
ЭИИМ
Зем
^ЦР
— эквивалентная
наземной
излучаемая мощность (терминала), дБВт;
0 КА — коэффициент усиления АФАР, дБ;
(4)
изотропно
станции
2
Ьир = Ьш(1 , К ) — затухание в свободном
пространстве, дБ (функция от наклонной дальности Я и длины излучаемой волны Х/частоты 1);
Ь — дополнительные потери мощности сигнала в
атмосфере, дБ (с учетом существования резонансных частот макропоглощения и рассеяния в парах воды и кислороде).
Затухание сигнала в свободном пространстве определяется аналитическим выражением вида
LUP =
4-к • f -R
d
(5)
где I — частота излучения сигнала, Г ц;
с = 3 • 108 — скорость света, м/с.
Шум на входе АФАР бортового ретранслятора определяется зависимостью вида
N ш = к • В • Тка , (6)
где I — константа Больцмана;
В — ширина полосы частот, занимаемая сигналом, Гц;
Тка — шумовая температура КА, безр.
Для модуляции, например, РР8К с
позиционностью алфавите сигнала М=4 полоса частот при скорости передачи данных 512 кбит/с равна 256 кГц.
Общее значение сигнал/шум на линии «вверх» определяется выражением вида
Г—'] = —^ . (7)
IN 0и— N ш
4.2 Расчет линии «вниз».
Мощность луча, передаваемая в луче КА на ГСО, определяется формулой
Р
DOWN
ЭИИМа -G Зем Т • 1
DOWN ь a
(8)
где
ЭИИМ КА — эквивалентная изотропно
излучаемая мощность космического аппарата на геостационарной орбите, дБВт;
G Зем — коэффициент усиления земной станции, дБ;
LDown = LDOwn (l, R ) — затухание в свободном пространстве, дБ (функция от наклонной дальности R и длины излучаемой волны Х/частоты f).
Шум на входе антенны наземной станции
N ш = k-B-Тзем. (9)
Для того, чтобы на линии «вниз» учесть влияние боковых лепестков на помехоустойчивость системы в целом, определяем мощность помехи от боковых лепестков антенной решетки КА по формуле
p = 1010 ■ log КА )+°,1 • UBL [ UBL _ 1 w
Общее значение сигнал/шум на линии «вниз» определяется выражением вида
' Р Л Р
Р ] Р- (11)
КА
N
'DOWN 11 Ш 1 1 UBL
В таком случае результирующее отношение сигнал/шум «Н» с учетом обеих линий передачи информации определяется соотношением:
4-1 f ТЛ \-1
H =
NT
-1
(12)
5 Моделирование зон радиовидимости и радиопокрытия в прикладном пакете моделирования Satellite Tool Kits 8.0.
Прикладное программное обеспечение Satellite Tool Kits, которое зачастую называют сокращенно STK, позволяет разработчикам и проектировщикам спутниковых систем связи, выполнять комплексный анализ наземного, морского, воздушного и космического пространства (области), выдавать интегрированные результаты в едином графическом интерфейсе.
При организации подвижной спутниковой связи зачастую формируется множество лучей с космического аппарата связи. Преимущества формирования множества лучей заключаются в следующем:
- более высокая скорость передачи данных;
- более низкие требования к антенным системам на Земле;
- более высокая помехозащищенность радиолинии;
- возможность динамического регулирования мощности сигнала в каждом луче, что приводит к рациональному использованию системы ПСС в целом.
На рис. 8 показаны зоны радиопокрытия с космического аппарата на геостационарной орбите (точка стояния 101°в.д.). ЭИИМ борта составляет 85 дБВт, что приводит к ППМ в центре зоны в -78 дБВт/м2. На рис.8 показано 8 контуров равного усиления с шагом 0,5 дБ (соответственно раскрыв антенной решетки изменяется от 1,0°х1,0° до 8°х8°).
(10)
Рис. 8
2
UP
DOWN
На рис.9 показана аналогичная ситуация зон радиопокрытия для спутника на
высокоэллиптической орбите (ВЭО).
Рис. 9
На рис.10,11 представлены расчетные данные для зон радиопокрытия КА на ГСО (точка стояния 101°в.д.). Рассматриваются два варианта передачи полезного сообщения: одним глобальным лучом и 32 зонными лучами. Соответствующие скорости передачи информации и габариты антенн в зависимости от используемой частоты представлены на рис. 10,11.
На рис.12 представлены расчетные данные для зон радиопокрытия КА на ВЭО (12-часовая орбита). Рассматриваются три варианта передачи полезного сообщения: одним глобальным лучом 5,0°х11,0°, одним лучом 5,0°х5,0°, несколькими зонными лучами (преимущественно охватываются крупные города в связи с большим количеством абонентов).
Рис. 10
Рис. 11
Рис. 12
Литература
1. Д.Г. Доматырко «Алгоритм оценки доступности абонента связи со спутника на высоких орбитах», Космическое приборостроение и информационные системы.// Сборник трудов молодых ученых. - М.:ОАО «Российские космические системы», 2011, с. 100-112.
2. Е. Ф. Иванкин (под редакцией А. Остапенко) «Информационные системы с апостериорной обработкой результатов наблюдений», издательство «Г орячая Линия -Телеком», 2008.
Открытое акционерное общество «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королева» (г. Москва)
Воронежский государственный технический университет
COMPUTER MODELLING OF TRANSFER OF USEFUL INFORMATION IN SATELLITE RADIO LINES AT MULTIBEAM COMMUNICATION
D.G. Pantenkov, V.P. Litvinenko
The option of computer modeling in an applied Satellite Tool Kits package 8.0 processes of transfer of useful information in satellite radio lines is offered at multibeam communication, calculation of speed of information transfer and diameter of the aerial of land station of reception and signal processing depending on frequency, visual display of results modeling on the card within the territory of the Russian Federation
Key words: multibeam communication, satellite communication, computer modeling, speed of data transmission, antenna dimensions, cover zone, subscriber
