CC BY
7ЭЛЕКТРОННЫЕ И РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
УДК 519.248, 621.384.3
Методика оценивания эффективности функционирования квантово-оптических средств в составе распределенной наземной сети
Закутаев А.А., Емельянов А.В., Широбоков В.В.
Аннотация. Постановка задачи: в статье на основе анализа особенностей функционирования наземных квантово-оптических средств и выбранного показателя предложена методика оценивания эффективности функционирования распределенной наземной сети квантово-оптических средств в условиях облачности. Целью работы является разработка методики оценивания эффективности функционирования квантово-оптических средств в составе распределенной наземной сети. Используемые методы: в статье применены известные общенаучные методы системного анализа, теории эффективности целенаправленных процессов и линейной оптимизации. Новизна: совершенствование научно-методического аппарата оценивания эффективности процессов функционирования наземных квантово-оптических средств с учетом распределения облачных образований в районе их расположения. Результат заключается в разработке новой методики, позволяющей оценить результативность передачи данных на борт космического аппарата в зависимости от временных интервалов его видимости. Практическая значимость состоит в возможности программной реализации предлагаемой методики и её использования при формировании требований к существующим и перспективным наземным квантово-оптических средств.
Ключевые слова: квантово-оптическая система, эффективность, передача энергии, распределенная сеть.
Актуальность
Одним из важных направлений исследований в области освоения и использования околоземного космического пространства является повышение эффективности космических систем связи и передачи данных [1]. Возрастающие требования к пропускной способности привели к значительному усложнению их организационной структуры. В связи с этим все более острым становится вопрос выбора оптимальной конфигурации каналов связи за счет перераспределения потоков данных между различными наземными и орбитальными элементами системы [2, 3].
Неблагоприятным фактором, влияющим на эффективность передачи информации наземными квантово-оптическими средствами (КОС) на борт космического аппарата (КА), является атмосфера Земли. В настоящее время известно большое количество способов повышения помехоустойчивости оптических линий связи [4]. Вместе с тем, возможность передачи данных при наличии на трассе распространения излучения таких атмосферных образований, как облака, практически отсутствует. Одним из решений данной проблемы является планирование применения КОС на основе оценивания распределения облачности в районах их расположения. Достижения в области разработки и создания метеорологических комплексов в настоящее время позволяют получать указанные оценки и осуществлять прогнозирование метеообстановки в локальных областях [5-7]. Таким образом, поиск способов оценивания эффективности КОС в составе рассредоточенных наземных сетей передачи данных с учетом оценок состояния атмосферы и прогноза ее развития, является актуальной задачей.
Постановка задачи
Возможность передачи данных с борта КА прежде всего определяется наличием условий его прямой видимости для наземного пункта. Поскольку даже при отсутствии облачных, аэрозольных и других видов образований атмосфера обладает свойством
ослабления оптического излучения, то в общем случае для наземного КОС область, в которой возможна передача данных, будет меньше области прямой видимости и может быть представлена полусферой, ограниченной определенным углом места а [8]. Тогда участок траектории КА, на котором возможна передача данных, в двумерной плоскости будет определяться углом между оптической осью КОС, направленной в зенит, и линией, направленной на ближайшую к КОС точку траектории КА.
Очевидно, что высота орбиты КА значительно превосходит высоту слоя атмосферы, в пределах которого располагаются облачные образования. Исходя из этого при равномерной дискретизации по времени, их проекции на трассу полета КА будут отличаться по размерам на различных участках траектории, поскольку его угловая скорость относительно точки стояния КОС будет различной (рис. 1).
Для малых интервалов времени может быть введено допущение о линейности как участка траектории полета КА, так и плоскости расположения облачного образования. Исходя из этого их плоскости могут считаться параллельными. С учетом указанного допущения, размер проекции облачных образований на трассу полета КА в соответствии с теоремой о подобии треугольников ОХпУп и ОХ'пУ'п может быть рассчитан как:
х у Ох Оу
пу п - ---- п _ у п
х у Ох Оу
п п п п
где О - точка стояния КОС.
Поскольку значение объема передаваемой информации не зависит от длины участка траектории КА, а определяется только временным интервалом сеанса, то показатель эффективности КОС Qкoc может быть определен как отношение интервала времени Тпот, на котором потенциально была возможна передача данных, к суммарному интервалу времени Тфакт, в течении которого на трассе оптического излучения отсутствовали облачные образования:
Т ^ ^факт 1
еКОС = ^=1=п—, (1)
^КОС гр т7
Тпот Тпот
где ¿факт г - длительность /-го интервала времени, в течение которого на трассе распространения оптического излучения отсутствовали облачные образования.
Разработка методики оценивания эффективности функционирования распределенной наземной сети квантово-оптических средств
Для расчета указанных в выражении (1) временных интервалов на первом этапе методики формируются следующие исходные данные: - параметры траектории КА (О,1, ю, а, е, и);
- координаты точки стояния КОС, например, в геоцентрической системе координат окос = (хкос, укос, ^кос);
- минимальное значение угла места а, при котором возможна передача данных;
- координаты начал и концов сечений облачных образований относительно траектории КА |(хг 1, у 1, Хг 2, уг 2), (Х(+1) 1, У(+1) 1, Х(Ш) 2, У(1+1) 2), ..., (Хп 1, Уп 1, Хп 2, Уп 2)}.
Для применения предложенной методики также следует учесть допущение, заключающееся в том, что эффективность передачи данных не зависит от длины атмосферной трассы распространения оптического излучения в пределах заданных значений угла места. Правомерность введения данного допущения обоснована возможностью обеспечения компенсации потерь сигнала при его прохождении через атмосферу за счет повышения мощности выходного излучения КОС.
Анализ характеристик современных КОС показал, что минимальное значение угла места а, при котором целесообразно осуществление сеанса работы, составляет порядка 30° [9]. При указанном значении угла проекция границ зоны на поверхность Земли, в пределах которой возможна передача данных на низкоорбитальный КА, представляет собой окружность с радиусом порядка 150.200 км.
Проведенный обзор в области создания метеорологических комплексов позволяет сделать вывод, что современные отечественные образцы могут обеспечивать получение данных о состоянии облачности и прогнозировать ее развитие на необходимых дальностях с требуемыми точностными характеристиками [5-7]. Так, например, метеорологический радиолокационный комплекс ближней зоны (МРЛК БЗ) «Монокль» (табл. 1) позволяет получать координатную информацию об облачных образованиях на дальности порядка 150 км, а на основе данных о скорости и направлении ветра прогнозировать их перемещение на несколько часов (рис. 2) [10]. Наличие 2.3 метеокомплексов представленного класса позволит полностью покрыть район расположения распределенной группировки наземных КОС.
Таблица 1 - Основные технические характеристики МРЛК БЗ «Монокль»
№ п/п Наименование характеристики Значение
1 Дальность обнаружения опасных метеоявлений, км 150
Зона обзора, град:
2 по азимуту 0-360
по углу места 1-90
3 Точность измерения дальности высоты, м не хуже 100
4 Точность измерения углов, град не хуже 1
5 Точность измерения скорости, м/с не хуже 1
6 Оперативность обновления информации о характеристиках облачности, мин 10
Рис. 2. Графическое представление возможностей по получению и визуализации метеорологической информацией в районе расположения МРЛК БЗ «Монокль»: а) облачность; б) скорость ветра
Таким образом, можно сделать вывод, что вопрос обеспечения необходимыми исходными данными наземного КОС о состоянии облачных образований и прогнозе их развития принципиально может быть решен за счет использования современных метеорологических комплексов.
На втором этапе методики на основе исходных данных осуществляется формирование множества возможных вариантов передачи данных по линиям «Космос-Космос» и «Космос-Земля».
На третьем этапе методики производится расчет выбранных ранее показателей эффективности функционирования КОС в составе распределенной сети. С точки зрения особенностей предлагаемого подхода порядок расчета временных интервалов ¿ф акт г не изменится даже при наличии нескольких КОС в области, в которой возможна передача данных, а расчет показателя Qкoc должен быть проведен для каждого КОС и каждого КА.
Особый интерес здесь представляет задача, когда через зону возможной передачи данных распределенной сети КОС предполагается пролет нескольких КА. Схематично данный случай может быть представлен в виде двумерной проекции трасс пролета КА и зон передачи данных КА на плоскость, расположенную по касательной к центру района расположения КОС (рис. 3).
Рис. 3. Схематичное представление пересечения проекций трасс пролета КА и зон возможной передачи данных распределенной сети КОС произвольного состава
Исходя из того, что данные могут быть перераспределены как до передачи на Землю между КА по линиям «Космос-Космос», так и после между наземными пунктами приема [10], расчет показателей Qкoc должен быть осуществлен методом полного перебора возможных вариантов передачи данных: для каждого КОС в отношении каждого КА.
Результаты, полученные по итогам расчета, могут быть представлены в виде табл. 2.
Таблица 2 - Пример результатов расчета показателей эффективности КОС при произвольном составе их распределенной наземной сети и КА
Номер КОС Номер КА
КА-1 КА-2 КА-М
КОС-1 Qkoc 1 1 Qkoc 1 2 Qkoc 1 м
КОС-2 Qkoc 2 1 Qkoc 2 2 Qkoc 2 м
КОС-Я Qkoc я 1 Qkoc я 2 Qkoc я м
На четвертом этапе методики формируется оптимальная конфигурация каналов передачи данных «Космос-Космос» и «Космос-Земля» по выбранному на этапе 3 критерию. При этом выбор наилучшего варианта в самом простом случае осуществлен путем перебора и поиска его максимального значения Qкoc тах.
Исходные данные
По параметрам траектории КА
(П, i, ш, a, e, u)
По минимальному углу места КОС а
По координатам сечений атмосферных образований
{(Xi 1, yi i, Xi 2, yi 2), (X(i+i) 1, y(i+1) b x(i+1) 2, y(i+1) 2), (x„ 1, yn 1, xn 2, Уп 2)}
5Z
Формирование множества возможных вариантов конфигурации сети передачи данных по линиям «космос-космос» и «космос-земля»
_Р. = {СЬсосдм}_
о
Расчет показателей эффективности функционирования распределенной сети КОС
Интервалы времени, на которых была возможна передача данных
^ПОТ
Интервалы времени фактической видимости
ТфАКТ
Показатель эффективности функционирования КОС
0КОС
Формирование оптимальной конфигурации сети передачи данных по критерию максимума показателя эффективности функционирования КОС QКoc тах
Рис. 4. Общая схема методики оценивания эффективности функционирования
В зависимости от целевой задачи и перечня имеющихся ограничений, критерии выбора наилучшей «стратегии» передачи данных могут отличаться.
Выводы
В статье на основе анализа особенностей функционирования и выбранного показателя предложена методика оценивания эффективности наземных КОС в составе распределенной наземной группировки, осуществляющих передачу данных на борт КА с учетом распределения облачных образований в районе их расположения. Определен перечень допущений и исходных данных необходимых для применения методики. Степень её унификации позволяет осуществлять оценку эффективности для произвольного количества КОС и КА.
При необходимости разработанный подход может быть применен для решения обратной задачи - поиска оптимального расположения наземных КОС для организации наиболее эффективной системы передачи данных.
Полученные результаты также могут быть использованы для ряда других систем, функционирование которых связано решением задачи по передаче данных на борт космического аппарата по средствам оптического излучения сквозь атмосферу Земли. Например, системы топогеодезического назначения, а также перспективные систем «подзарядки» аккумуляторных батарей КА.
Литература
1. Дмитриев А.Л. Оптические системы передачи информации. Учеб. пособ. - СПб.: СПбГУИТМО, 2007. 96 с.
2. Михайлов Р.Л. Модели и алгоритмы маршрутизации в транспортной наземно-космической сети связи военного назначения // Системы управления, связи и безопасности. 2015. № 3. С. 52-82.
3. Закутаев А.А., Емельянов А.В., Лесив А.Б. Способ оценивания эффективности квантово-оптических средств в составе распределенной наземной сети // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 6. С. 108-113.
4. Алишев Я.В. Предельная пропускная способность и потенциальная помехоустойчивость оптических сетей и систем телекоммуникаций // Доклады БГУИР. Минск: Белорусский ГУИР. 2004. № 2. С. 44-56.
5. Восканян К.Л., Кузнецов А.Д., Сероухова О.С. Автоматические метеорологические станции: в 2 т. / Ч. 1. Тактико-технические характеристики: уч. пособ. СПб.: РГГМУ, 2016. 170 с.
6. Ref. B211184RU-A©Vaisala Метеорологические станции для метеорологического применения. 2013. 8 с.
7. Модернизация метеорологической и актинометрической сетей Росгидромета: итоги и перспективы [Электронный ресурс] URL: http://irkugms.ucoz.ru/ news/modernizacija_meteorologicheskoj_i_aktinometricheskoj_setej_rosgidrometa_itogi_i_perspektivy/201 3-09-18-869 (дата обращения: 03.04.2017).
8. Живицкий И.В. Адаптивное слежение за воздушно-космическими объектами в наземных лазерных локаторах с управлением излучаемым полем // Дисс. на соиск. уч. степ. к.т.н. СПб.: ГУАП. 2007. 176 с.
9. Оружие и технологии России: энциклопедия. XXI век / под ред. С.Б. Иванова. М.: Издат. дом «Оружие и технологии», 2005. Т. XI: Оптико-электронные системы и лазерная техника. 719 с.
10. Безуглов А.А., Галаева К.И., Детков А.Н. Метеорологический радиолокационный комплекс обеспечения безопасности полётов авиации в различных климатических зонах // Общеросс. науч.-техн. журнал «Полёт». М.: Машиностроение-Полет. 2017. № 3-4. С. 46 - 50.
References
1. Dmitriev A.L. Optical information transmission systems. Textbook. help. St. Petersburg: SPbGUITMO, 2007. 96 s. (in Russian).
2. Mikhailov R.L. Models and routing algorithms in the transport ground-space communications network for military purposes. Control, communication and security systems. 2015. No. 3. Pp. 52-82 (in Russian).
3. Zakutaev A.A., Emelyanov A.V., Lesiv A.B. A method for evaluating the effectiveness of quantum optical means as part of a distributed terrestrial network. Proceedings of the Tula State University. Technical sciences. 2021. No. 6. Pp. 108-113 (in Russian).
4. Alishev Ya.V. Limiting bandwidth and potential interference resistance of optical networks and telecommunication systems. Reports of the BSUIR. Minsk: Belorussian GUIR. 2004. No. 2. Pp. 44-56 (in Russian).
5. Voskanyan K.L., Kuznetsov A.D., Seroukhova O.S. Automatic meteorological stations: in 2 t. h. 1. Tactical and technical characteristics: uch. posob. SPb.: RGGMU, 2016. 170 s. (in Russian).
6. Ref. B211184RU-A©Vaisala Meteorological stations for meteorological applications. 2013. 8 s. (in Russian).
7. Modernization of meteorological and actinometric networks of Roshydromet: results and prospects [Electronic resource] URL: http://irkugms.ucoz.ru / news/modernizacija_meteorologicheskoj_i_aktinometricheskoj_setej_rosgidrometa_itogi_i_perspektivy/201 3-09-18-869 (accessed 03.04.2017) (in Russian).
8. Zhivitsky I.V. Adaptive tracking of aerospace objects in ground-based laser locators with radiated field control. Diss. for the degree. step. Candidate of Technical Sciences St. Petersburg.: GUAP. 2007. 176 s. (in Russian).
9. Weapons and technologies of Russia: encyclopedia. XXI century. Edited by S.B. Ivanov. Moscow. Izdat. house "Weapons and Technologies", 2005. Vol. XI: Optoelectronic systems and laser technology. 719 s. (in Russian).
10. Bezuglov A.A., Galaeva K.I., Detkov A.N. Meteorological radar complex for aviation flight safety in various climatic zones. Obscheross. nauch.-tehn. magazine "Flight". M.: Mechanical engineering-Flight. 2017. No. 3-4. Pp. 46-50 (in Russian).
Статья поступила 15 ноября 2021 г.
Информация об авторах
Закутаев Александр Александрович - Начальник лаборатории военного института (научно-исследовательского) Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского. Область научных интересов: методы оценивания эффективности функционирования и совершенствования программно-алгоритмического обеспечения оптико-электронных и квантово-оптических средств. Тел. +7 952 355 22 92. E-mail: zakutaev.a@gmail.com.
Емельянов Александр Владимирович - Кандидат технических наук, начальник лаборатории военного института (научно-исследовательского) Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского. Область научных интересов: методы оценивания эффективности функционирования и совершенствования программно-алгоритмического обеспечения оптико-электронных и квантово-оптических средств. Тел. +7 911 283 65 95. E-mail: slash1@inbox.ru.
Широбоков Владислав Владимирович - Кандидат технических наук. Заведующий лаборатории военного института (научно-исследовательского) Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского. Научные интересы: методы оценки эффективности функционирования и совершенствования программного и алгоритмического обеспечения оптоэлектронных и квантовых оптических средств. Тел. +7 981 761 28 41. E-mail: 17126vlad@gmail.com.
Адрес: 197198, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Ждановская, д. 13.
Methodology for evaluating the efficiency of the functioning of quantum-optical devices as part of a
distributed terrestrial network
A.A. Zakutaev, A.V. Emelyanov, V.V. Shirobokov
Annotation. Purpose is to develop a methodology for evaluating the effectiveness of the functioning of the ground-based quantum-optical means (QOM) as part of a distributed terrestrial network. Methods: the article uses well-known general scientific methods of system analysis, the theory of the effectiveness of targeted processes and linear optimization. Novelty: improvement of the scientific and methodological apparatus for evaluating the effectiveness of the processes of functioning of the ground-based QOM, taking into account the distribution of cloud formations in the area of their location. The result is the development of a new methodology that allows evaluating the effectiveness of data transmission to the spacecraft depending on the time intervals of its visibility. Practical relevance lies in the possibility of program implementation of the proposed methodology and its use in the formation of requirements for existing and promising land-based scythes.
Keywords: quantum optical system, efficiency, energy transfer, distributed network.
Information about Authors
Alexandr Alexandrovich Zakutaev - Head of the Laboratory of the Military Institute (Research) of Military Space Academy of Mozhaisky. Research interests: methods for evaluating the efficiency of functioning and improving software and algorithmic support of optoelectronic and quantum optical means. Phone: +7 952 355 22 92. E-mail: zakutaev.a@gmail.com.
Alexandr Vladimirovich Emelyanov - Candidate of Technical Sciences, Head of the Laboratory of the Military Institute (Research) of Military Space Academy of Mozhaisky. Research interests: methods for evaluating the efficiency of functioning and improving software and algorithmic support of optoelectronic and quantum optical means. Phone: +7 911 283 65 95. E-mail: slash1@inbox.ru.
Vladislav Vladimirovich Shirobokov - Candidate of Technical Sciences, Head of the Laboratory of the Military Institute (Research) of Military Space Academy of Mozhaisky. Research interests: methods for evaluating the efficiency of functioning and improving software and algorithmic support of optoelectronic and quantum optical means. Phone: +7 981 761 28 41. E-mail: 17126vlad@gmail.com.
Address: 197198, Russia, Saint-Petersburg, Zhdanovskaya st., 13.
Для цитирования: Закутаев А.А., Емельянов А.В., Широбоков В.В. Методика оценивания эффективности функционирования квантово-оптических средств в составе распределенной наземной сети // Техника средств связи. 2021. № 4 (156). С. 44-50.
For citation: Zakutaev A.A., Emelyanov A.V., Shirobokov V.V. Methodology for evaluating the efficiency of the functioning of quantum-optical devices as part of a distributed terrestrial network. Means of communication equipment. 2021. No 4 (156). Pp. 44-50 (in Russian).
