CC BY
42Российской Федерации от 17 июня 2008 г. № 877-[Текст] - URL:
https://mintrans.gov.ru/documents/1/1010?ysclid=la52 q43we6182816371
6 ОАО «РЖД» запустит CRM-систему для работы с грузоотправителями до конца 2020 года [Текст] -URL: https://company. rzd. ru/ru/9354/page/10406
7 «На Куйбышевской железной дороге запущен в промышленную эксплуатацию проект «Цифровой приемосдатчик» [Текст] - URL: https://kbsh.rzd.ru/ru/3673/page/104069
8 Гулый И.М. Цифровой приемосдатчик — технология приема вагонов к перевозке, внедряемая в рамках Стратегии Цифровой Трансформации Российских Железных Дорог [Текст] - URL: https://ecsn.ru/files/pdf/202206/202206_65.pdf
УДК 629.056.8
9 А.А. Калушин, В.И. Солдаткин. Особенности взаимодействия станций примыкания ОАО «РЖД» и путей необщего пользования российских НПЗ. Наука и образование транспорту: материалы XI Международной научно-практической конференции (2018, Самара). Международная научно-практическая конференция «Наука и образование транспорту», 2018 г. Том 1 [Текст] / редкол.: Д.В. Железнов [и др.] - Самара: СамГУПС, 2018. - С. 86-91.
10 Калушин А.А. Перевозочный процесс опасных грузов в условиях цифровизации взаимодействия с грузоотправителями. Наука и образование транспорту: материалы XV Международной научно-практической конференции 10-11 ноября 2022 г. Том 1 [Текст] -Самара: СамГУПС 2022. - С. 154-156
СПОСОБ КОНСТРУКТИВНОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ И РАЗЛОЖЕНИЯ АНТЕНН АФАР ДЛЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ (КА) НИЗКООРБИТАЛЬНЫХ СИСТЕМ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ (НССС) ПРИ ОПТИМИЗАЦИИ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И МАССА - ГАБАРИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК.
Рысин А.В.
АНО «НТИЦ «Техком» г.Москва, радиоинженер Бойкачев В.Н. АНО «НТИЦ «Техком» г.Москва, директор кандидат технических наук Наянов А.М. АНО «НТИЦ «Техком» г.Москва, нач.сектора
A METHOD FOR THE CONSTRUCTIVE ARRANGEMENT AND DECOMPOSITION OF ANTENNAS (APAA) FOR MULTIFUNCTIONAL USE IN SPACECRAFT OF LOW-ORBIT SATELLITE COMMUNICATION SYSTEMS (LOSCS) WHILE OPTIMIZING RADIO ENGINEERING PARAMETERS AND MASS-DIMENSIONAL CHARACTERISTICS.
Rysin A.,
ANO "STRC" Technical Committee"
Moscow, radio engineer Boykachev V., ANO "STRC" Technical Committee"
Moscow, director,
candidate of technical sciences NayanovA
ANO "STRC" Technical Committee"
Moscow, head of the sector DOI: 10.31618/nas.2413-5291.2023.1.88.726
АННОТАЦИЯ
На современном этапе развития космических систем остро стоит вопрос о засорённости космоса спутниками различного назначения. Причём количество спутников возрастает громадными темпами. Так в системе Starlink предполагается использовать до 12000 спутников. В данной статье на основе анализа характеристик известных систем предлагается многофункциональное использование спутников при их оптимальном количестве за счёт нового способа конструктивного расположения и разложения активных фазированных антенных решёток (АФАР).
ANNOTATION
At the present stage of the development of space systems, the issue of space contamination by satellites for various purposes is acute. Moreover, the number of satellites is increasing at an enormous pace. Thus, up to 12,000 satellites are supposed to be used in the Starlink system. In this article, based on the analysis of the characteristics of known systems, the multifunctional use of satellites with their optimal number is proposed due to a new method of constructive arrangement and decomposition of active phased antenna arrays.
Ключевые слова: радиосвязь, панели АФАР, радиовысотомер, локатор бокового обзора, межспутниковая связь, Internet, КА HCCC.
Keywords: radio communication, panels of active phased antenna arrays, radio altimeter, side-view locator, inter-satellite communication, Internet, spacecraft of low-orbit satellite communication systems.
Понятно, что суть нового способа и устройства относится к формированию действий, которые в сумме дают многофункциональное использование КА с улучшением тактико-технических и радиотехнических характеристик, с получением экономического выигрыша, которые раньше никем не предлагались. При этом в силу того, что разрыв между коэффициентами усиления антенн для связи и для работы в режимах локатора бокового обзора составляет 20 дБ и было использовано компромиссное решение за счёт складывающейся конструкции панелей антенн с коэффициентом усиления каждой в 30 дБ под обтекателем ракеты с раскрывом в космосе. Соответственно потребовалось оптимизировать и
радиотехнические параметры с учётом допустимых размеров антенн. Это и позволило совместить в одном КА многофункциональные режимы с оптимизацией размеров антенн с учётом несущих частот, полосы пропускания, веса и улучшением радио и тактико-технических характеристик.
Современная тенденция развития
спутниковых систем для радиосвязи, навигации, радиовысотомеров, локаторов бокового обзора в конструктивном исполнении антенн идёт по пути использования расположения антенн на одном плоском основании (панели). Например, это было использовано в системе космической радиосвязи Globalstar [1] (рисунок 1).
Сцтпртпбйп-н: 1994|гипх19$1 mm х 93Й mm Deep
Рисунок 1. Расположение антенн Globalstar на плоском основании (панели).
Этот подход также был продолжен в системе спутниковой связи OneWeb [2] (рисунок 2).
Рисунок 2. Расположение щелевых фазированных антенных решёток OneWeb находится внизу конструкции.
Такой же вариант расположения антенн был выбран и для 81агИпк [3] (рисунок 3).
Рисунок 3. Расположение антенн в спутнике Starlink.
Понятно, что данное расположение антенн приводит к необходимости увеличивать группировку спутников с ростом экономических затрат и приводит к засорённости космоса.
Здесь для того, чтобы обслуживать большой радиус пятна на Земле требуется управление лучом антенной фазированной решётки (АФАР) с довольно большим отклонением луча, что снижает энергетический потенциал. Однако известно и
другое конструктивное расположение антенн в спутниках Iridium [4], где обеспечивается довольно большой охват пятна обслуживания пользователей на Земле с использованием трёх панелей, в каждой из которых находится по две фазированной антенной решётки, расположенных под одним углом, одна над другой, что связано с сокращением энергетических потерь при обслуживании пятна на Земле большого радиуса.
Рисунок 4. КА Iridium.
Так, космический аппарат (КА) Iridium летает на высоте 780 км и имеет на 3 панелях 6 антенн, работающих на приём и передачу с использованием режима разделения во времени и разделением каналов по частоте с формированием в каждой антенне до 8 лучей одновременно. Общая потребляемая мощность 1,4 кВт. Размер одной панели 1860 мм*860 мм*40 мм с использованием
106 элементов АФАР (активная фазированная антенная решётка) в L-диапазоне 1616-1626,5 МГц. Коэффициент использования площади антенны составляет Кисп = 0,707 при отклонении луча на 45 градусов от нормали к апертуре антенны. В реальности при обзоре 120 градусов угол отклонения луча от нормали составляет ±60 градусов и коэффициент использования будет 0.5 и
менее. При этом, общая средняя выходная мощность на передачу, с учётом скважности Q = 2, составляет 8 Вт*48 лучей/2 = 192 Вт. Для формирования многолучевой системы с использованием всей площади одной и той же антенны была применена диаграммо - образующая схема Батлера, что хоть и обеспечивало широкий сектор обзора при узких лучах разной частоты, но сужало общую полосу пропускания антенны (это исключает многофункциональное применение) и требовало использования многочастотного режима. Кроме того, для обслуживания одновременно большого количества абонентов (в Iridium это более 1100 пользователей одновременно) требуется большое количество параллельных каналов при приёме и передаче, а это связано с использованием линейного режима класса «А» [5], как при приёме, так и при передаче. Но, при передаче в линейном режиме коэффициент полезного действия (к.п.д.) в многочастотном режиме, например, в системе Globalstar составляет 30% (по теории 48%) и соответственно это требует источник питания в 640 Вт. В одночастотном режиме класса «В» по теории
к.п.д. составляет 78%, но по отношению к к.п.д., полученному на практике для многочастотного режима, будем считать улучшение к.п.д. в одночастотном режиме в (78%/48%)=1,625 раза (48,75%), и здесь тогда требуется источник питания в 394 Вт. Кроме того, обеспечить линейный режим работы на приём при обработке большого количества входных сигналов на основе аналого-цифрового преобразования достаточно сложно, требуется многоразрядный АЦП для исключения подавления слабого сигнала более сильным сигналом, а это связано с энергетическими затратами и требуется высокая тактовая частота дискретизации. Поэтому в системах связи типа Iridium и Globalstar используется компромиссное решение и одновременно с многочастотным режимом вводят временное разделение, что позволяет при учёте раздельного режима приёма-передачи обслужить в 4 раза больше абонентов. В этом случае количество одновременно обслуживаемых абонентов равно 48*4=192 за счёт разделения во времени (Рисунок 5).
Рисунок 5. - Формат МДВР-кадра «Iridium» (UL1-UL4 - восходящие каналы, DL1-D4 - нисходящие каналы)
Но, чтобы получить приемлемое количество луче до 6 одновременно работающих параллельно абонентов, более чем тысяча, в Iridium частотных канала, рисунок 6. предусматривается и частотное разделение в одном
Рисунок 6. Частотный план системы «Iridium»
Отметим, что для Globalstar таких параллельных каналов 13. В этом случае для Iridium мы имеем 48*4*6=1152 абонента, обслуживаемых одновременно. И это означает, что с учётом частотного разделения выделяемая мощность на
пользователя равна 8/6= 1,3 Вт. Кроме того, мы не учитываем, что в Iridium используется 4 канала управления от КА до абонента для символьной и частотной синхронизации, что связано с тем, что нет когерентной обработки с наличием ФАПЧ
(фазовая автоподстройка частоты) на каждый частотный канал. Это конечно упрощает подстройку, так как необходимая частота пользователя выставляется на основе сигнала управления (пилот-сигнала) с необходимым пересчётом по частоте, но ухудшает отношение сигнал/шум. Исходя из такого количества пользователей повтор опроса осуществляется через 90 млсек, при этом отрезок времени на приём и передачу составляет по 8,28 млсек по четыре переключения, а сигнал преамбулы 20,32 млсек (Simplex), что связано с использованием дополнительно отдельно каналов управления для синхронизации из-за сложной обработки QPSK. С учётом передачи и приёма информации в 50 кбит/сек в сжатом виде имеем 414 бит за 90 млсек (в реальности 3,45 кбит/сек в обоих направлениях). Соответственно за 1 сек получаем 4,6 кбит/сек для одного пользователя из 1100. Отметим также, что может использоваться 7-8 слотов передачи, и 7-8 слотов приема, и это позволяет либо уменьшить количество одновременных абонентов с разделением по частоте, но с увеличением мощности на канал 8/3= 2,6 Вт, вместо 1.3 Вт, либо здесь используется скорость передачи в 2,3 кбит/сек на абонента с увеличением общего количества обслуживаемых абонентов. При такой обработке переход к временному разделению вместо частотного разделения даёт небольшое преимущество в сокращении параллельных каналов обработки, но без повышения чувствительности в отношении сигнал/шум. Для Iridium номинальная импульсная мощность передатчика мобильного устройства абонента составляет в импульсе 7 Вт при скважности 10,9 и потоке информации 50 кбит/сек. В итоге средняя мощность будет порядка 0,64 Вт. Понятно, что мы имеем разницу в мощности между передатчиком
АФАР и передатчиком мобильного устройства при наличии одной и той же радиолинии. Для передатчика АФАР хватает 1,3 Вт, а для мобильного устройства абонента требуется 7 Вт в импульсе. Однако это связано с тем, что видимо мощность для лучей КА Iridium имеет регулировку в зависимости от направления, а диаграмма направленности антенны мобильного устройства не может быть равномерная во всех направлениях и абонент не знает, где находится спутник с которым осуществляется связь, и чтобы обеспечить устойчивый приём, и заложена величина мощности в импульсе 7 Вт. Кроме того, есть причины рассмотренные ниже. Собственно, указанная проблема решается в современных спутниковых системах, таких как One Web и Starlink за счёт навигационных данных, когда луч антенны абонента направляется непосредственно на спутник. Отметим, что мощность излучения одной АФАР с учётом многолучевой диаграммо-образующей схемы (ДОС) Батлера составляет 16 дБВт (39,8 Вт). Таким образом, при изначальном передатчике в 8 Вт на каждый из 8 лучей, что составляет 64 Вт, потери в ДОС и из-за разветвления равны 64 Вт/40 Вт=1,6 раза, и это без учёта потерь связанных с отклонением луча каждой панели до ±60 градусов. Кроме того, надо учитывать, что использование одновременно на приём N=8 лучей приводит к увеличению шумов в N1/2=(8)'2=2,8 раза и с учётом потерь в ДОС, а они связаны с потерями и на микро полосковое разветвление, имеем 1,6*2,8=4,48 раз ухудшение чувствительности приёмника КА, что, кстати, и оправдывает использование абонентом мощности в 7 Вт, так как из-за потерь получается эквивалентное значение 1,56 Вт. Максимальный коэффициент усиления одной антенны АФАР при Кп=0,7 составляет
G = 4хп xS/(Á2) хКп = 217 (23,4 дБ), где: S = 930ммх860мм; А=0,18 м.
нагруженных на
В реальности конечно меньше и определяется числом элементов многолучевой антенной решётки (МЛАР) умноженным на коэффициент усиления одного элемента. В данном случае один излучатель (патч) имеет коэффициент усиления 4,127 раз (6,16 дБ). Коэффициент усиления одного элемента на практике обычно рассчитывается в присутствии
остальных элементов эквивалентную нагрузку.
Величину угла луча антенны по уровню 0,5 можно вычислить по формуле а = (35500/в)1/2 = 12,8 град [6]. Соответственно лучи имеют жёсткое закрепление за сектором обзора, что и даёт пятно на земле, рисунок 7.
Рисунок 7. Сектор пятна обслуживания многолучевой системы Iridium одного КА.
Отметим следующие недостатки
использования конструкции антенн для систем Iridium, Globalstar:
Диаграммо - образующая схема Батлера (для Globalstar это схема Бласса) хоть и обеспечивает многолучевой режим для одновременного обзора и обслуживания всего пятна на Земле, но при этом даёт энергетические потери и сужает диапазон частот (для Iridium это 1616 МГц - 1626,5 МГц, для КА Globalstar в режиме приёма 1610 МГц - 1626,5 МГц, в режиме передачи 2483,5 МГц - 2500 МГц). Полоса пропускания антенн в 10,5 МГц -16,5 МГц исключает использование режима Internet, режима навигации, использование в качестве радиовысотомера и локатора бокового обзора, где требуется полоса пропускания порядка 225-300 МГц. Иными словами КА НССС с многолучевой схемой через частотное разделение дают обслуживание большого количества пользователей в режиме телефонного разговора (ТЛФ) с исключением многофункционального режима. При этом, чтобы увеличить поток информации в многолучевом режиме по схеме Батлера или Бласса в системах Starlink и One Web были вынуждены перейти на диапазон частот превышающий 10 ГГц, чтобы расширить полосу пропускания для потока информации.
Использование многолучевой схемы в одновременном многочастотном режиме излучения исключает возможность повышения к.п.д. в 1,625 раза по энергетическому потенциалу за счёт использования одночастотного режима класса «В», вместо линейного многочастотного режима класса «А» [6].
Расположение панелей на КА НССС Iridium таково, что каждая панель имеет сектор обзора в 120о при двух АФАР на одной панели, что требует в зависимости от несущей частоты отклонения лучей на ±60о от нормали панели по азимуту. Это при больших углах отклонения в 60 градусов приводит к снижению энергетического потенциала в 2 раза. Понятно, что управление лучом в зависимости от частоты и даёт вариант узкополосной системы при данных несущих частотах.
Расположение АФАР в Iridium в одной панели (полотне) одного над другим под одним и тем же углом места от нормали панели позволяет расположить АФАР под обтекателем ракеты диаметром порядка 1 метра (ширина панели АФАР 860 мм при длине 1860 мм), однако плоское расположение двух АФАР на одной панели (полотне) также не обеспечивает преимуществ в коэффициенте усиления в направлении пользователей расположенных по углу места и азимуту, так как углы отклонения от нормали совпадают, и при этом при отклонении луча падает эффективная поверхность антенны. При этом исключается вариант использования всего полотна из двух антенн для формирования более узкого луча с повышением энергетического потенциала, так как здесь жёсткая привязка угла отклонения от частоты, нет синфазного режима, и есть
ограничение, связанное с необходимостью формирования одновременно 48 лучей.
Конструктивное решение расположения АФАР на панелях в Iridium и сам принцип работы не позволяет изменять коэффициент усиления антенн за счёт изменения количества синфазно излучающих элементов (патч) и использовать складывающуюся конструкцию с уменьшением масса - габаритных характеристик.
Отсутствует возможность использования увеличения коэффициента усиления
энергетического потенциала за счёт усилителей мощности и излучателей АФАР всех панелей при работе, например, в режиме радиовысотомера, локатора бокового обзора в разложенном виде общего плоского варианта, так как конструкция антенн под обтекателем ракеты и в космосе одна и та же. К такому плоскому виду может потребоваться переход и при необходимости увеличения количества обслуживаемых пользователей за счёт дополнительных КА на новых орбитах.
При большом количестве пользователей в многолучевой схеме, из-за привязки лучей к определённому участку местности по углам расположения, энергетический потенциал может упасть в два раза из-за попадания местоположения пользователя на край диаграммы направленности луча. То есть, многолучевая схема с многочастотным режимом разбивки для пользователей не даёт возможности направить луч непосредственно на пользователя, чего можно достичь при последовательном разделении во времени с учётом углового местоположения абонента.
Отсутствует возможность перехода в другую полосу частот при наличии мешающих воздействий с сужением луча и попаданием источника помех в ноль бокового лепестка диаграммы направленности, а также нет возможности увеличения потока информации как в Internet. Работа средств радиоэлектронной борьбы РЭБ на пилот-сигналах исключает работу систем типа Iridium, Globalstar.
Чтобы убрать указанные недостатки при наличии приемлемых масса -габаритных характеристик с увеличением коэффициента усиления, с обеспечением при этом увеличения количества пользователей или потока информации, а также с целью обеспечения многофункционального режима, надо:
Отказаться от многолучевого варианта с наличием диаграммо - образующих схем с использованием узкой полосы пропускания как недопустимого варианта для
многофункционального применения из-за узкой полосы пропускания.
Поднять несущую частоту с переходом из L -диапазона (1,6 ГГц) в S - диапазон (2,7 ГГц), что позволяет увеличить полосу пропускания до 300 МГц, а это необходимо для многофункционального использования, хоть и может привести к сокращению габаритных размеров в 1,6875 раза
при том же коэффициенте усиления. При этом в варианте, который рассматривается ниже, потери в 2,85 раза, из-за перехода на более малую длину волны, компенсируются за счёт отказа от диаграммо - образующей схемы ( в 1,6 раза), увеличением мощности в 1,625 раз, за счёт использования одночастотного режима обслуживания при тех же энергетических потерях, и увеличением общей площади полотна антенны под обтекателем (по сравнению с Iridium (1,2 м/0,93 м)2=1,665), что необходимо для
многофункционального применения. Это даст по сравнению с системой Iridium общий выигрыш в 1,5 раза.
Для использования одночастотного режима, надо применить временное разделение обслуживания абонентов в лучах. Тогда, сочетание временного разделения с изменением направления по углам, в сторону конкретных абонентов будет происходить на максимуме диаграммы направленности. Это позволяет, при последовательном обслуживании во времени абонентов получить выигрыш по сравнению с вариантом многочастотного формирования лучей АФАР и поднять коэффициент усиления антенны с использованием той же площади антенны с переходом к более высокой несущей частоте.
Переход к более высокой несущей частоте расширяет полосу пропускания антенны и даёт возможность многократного использования диапазона частот без мешающих воздействий на другие радиоэлектронные средства из-за отстройки по несущей частоте с возможностью попадания в область наименьшего излучения по уровню бокового лепестка.
Необходимо использовать сокращение сектора углового обзора каждой антенны для увеличения её эффективной площади, как при приёме, так и при передаче, а для этого необходимо увеличить количество антенн по углам обзора.
Следует применить раскладывающуюся в космосе конструкцию антенн для уменьшения размеров в сложенном виде, по примеру солнечных панелей, но с гибким регулированием расположения антенн для многофункционального использования.
Определить такое количество антенн, чтобы их количество при приемлемых масса - габаритных характеристиках обеспечивало функции и характеристики не хуже уже существующих радиосистем.
Получить такой коэффициент усиления антенн с количеством приёмо-передающих модулей, который бы обеспечивал использование энергосберегающего одночастотного режима класса «В», а не многочастотного режима класса «А».
Определить такое количество подАФАР в одном полотне АФАР, чтобы была возможность сохранить необходимый режим работы ранее существующих систем связи с улучшением радиотехнических характеристик при
многофункциональном применении.
Выбрать дальность работы с использованием оптимального количества КА с улучшением технико-экономических показателей, для применения в многофункциональных режимах. Например, в качестве локатора бокового обзора требуется высота полёта от 515 км до 650 км (ИСЗ Космос-1500).
Как уже отмечалось и будет показано ниже, из-за необходимости расширить полосу пропускания антенны, требуется переход из диапазона 1,6 ГГц в диапазон 2,7 ГГц. Это сокращает размеры антенны по площади в (1,6875)2 =2,85 раз при том же коэффициенте усиления. Если допустить, что в одном квадратном полотне АФАР, таких антенн будет четыре, то это позволяет поднять коэффициент усиления общей антенны из 4-х в 4 раза (в Iridium прямоугольное полотно с двумя антеннами). В итоге мы получим увеличение длины стороны по сравнению с шириной полотна Iridium 2/1,6875=1,185 раз, то есть имеем (0,93 м х1,185)=1,1 м. Это вполне приемлемые размеры для образования одного парциального луча, но у Iridium таких парциальных лучей 48, и понятно, что в плоском варианте мы получим немыслимые размеры, которые не уместятся под обтекатель ракеты. Даже в сложенном виде мы будем иметь 48x0,04 м=1,92 м при толщине одного полотна в 4 см. При этом проблема будет и в том, чтобы предусмотреть конструкцию разложения такого полотна, которое в плоском виде будет иметь размеры квадрата с длиной 26,4 метра. Отсюда получить выигрыш, с одной стороны, невозможно без складывающейся конструкции антенн под обтекателем ракеты, а с другой стороны, количество антенн должно обеспечивать оптимальное конструктивное решение, связанное с расположением антенн, их наклоном, повышением коэффициента усиления в сочетании со специальным индивидуальным обслуживанием каждого абонента. При этом желательно использовать временное разделение для одночастотного энергосберегающего режима класса «В», с выставлением узкого луча в нужном направлении на пользователя по данным от навигационной системы (можно и за счёт углового сканирования узким лучом с целью определения местоположения абонента). Соответственно, конструкция антенн должна быть с использованием излучателей на основе патч-антенн как в системе Iridium. Это позволяет использовать планарное размещение плат (параллельно плоскости антенны) при толщине не более 4 см, вместо «слотового» перпендикулярного размещения плат к плоскости антенны в случае волноводно-щелевых антенн (например, для локатора бокового обзора TerraSAR-X [7] с толщиной 15 см). При этом патч допускает использование любой поляризации сигнала, что важно для многофункционального режима. Необходимо отметить, что толщина в 4 см в полотне Iridium связана с диаграммо-образующей схемой Батлера, при её отсутствии толщина будет ещё меньше.
Проведём оценку оптимальной несущей частоты антенны с получением максимальной эффективной площади антенны, где ограничение сверху касается использования планарного размещения плат, а ограничение снизу связано с обеспечением необходимой полосы пропускания антенн на основе патч (излучателя) порядка 300 МГц для многофункционального режима
использования КА и размера полотен АФАР при размещении их под обтекателем ракеты.
Так, для учёта влияния среды необходимо с КА принимать навигационные сигналы с разнесением порядка более 200 МГц по несущим частотам. Например, для связи в [8] используется диапазон 2,35 ГГц - 2,55 ГГц (это полоса 200 МГц) с коэффициентом усиления порядка 14,5 дБ при КСВН<1,2, рисунок 8.
Рисунок 8. Антенна из 4-х элементов патч, моделирование это сплошные линии, штриховые линии это экспериментальные с шириной диаграммы направленности в 34 градуса.
Отметим, что эти значения в [8] соответствуют несущим частотам передатчика системы НССС Globalstar 2,4835 ГГц - 2,5 ГГц, но здесь в Globalstar есть сужение полосы пропускания из-за диаграммо - образующей схемы по схеме Бласса. Напомним, что для системы «Цикада» [9] этот разнос частот составляет 250 МГц (несущие частоты 150 МГц и 400 МГц). Поэтому для более точной оценки влияния среды распространяющегося сигнала желательно переходить на диапазон 2,7 ГГц - 3 ГГц с увеличением полосы пропускания, либо использовать иные способы по расширению диапазона. Как известно патч-антенна простейшей конструкции узкополосная (<5%) [10], но специальные технические решения позволяют расширить рабочую полосу частот до 50% и более или строить многодиапазонные антенны. Ширина полосы пропускания патч-антенны сильно зависит от расстояния между лепестком и металлической поверхностью играющей роль «земли». Чем ближе лепесток к «земле», тем меньше энергии излучается и больше запасается в ёмкости и индуктивности и тем выше добротность антенны. Грубо полосу пропускания антенны можно оценить по формуле:
Sf/fres =Z0X d/(2 х Rrad X W). (1)
Где d - расстояние от лепестка до земли, W -ширина лепестка (обычно половина длины волны),
Z0 - импеданс воздушного промежутка между лепестком и землёй, Rrad - сопротивление излучения антенны, Относительная полоса пропускания антенны линейно зависит от её толщины. Характерное значение импеданса воздушного промежутка 377 Ом, а сопротивление излучения 150 Ом, что позволяет упростить формулу:
Sf/fres = 1,2 X d/W. (2)
Для квадратного лепестка на 3 ГГц, W будет 5 см. Толщина антенны в d=0,5 см (это обычное соотношение, которое берётся между квадратом лепестка и толщиной антенны, что видно по полосе пропускания антенны, используемой в [8], которая даже меньше {d/W = 0,2 [ГГц]/(1,2 X 2,4[ГГц]) = 0,07}) даст относительную ширину полосы пропускания 12%. Отсюда имеем полосу 360 МГц при 3 ГГц.. Напомним, что для ГЛОНАСС разнос частот между несущими частотами L1 и L2 составляет 356 МГц (для GPS порядка 347 МГц). Таким образом, проблема исключения влияния среды решается даже простым переходом в диапазон 3 ГГц. При такой частоте ещё допустимо планарное (параллельное) размещение плат по полотну антенны, в то время как при больших частотах уже требуется слотовое (перпендикулярное к полотну антенны) размещение плат, что даёт увеличение габаритных
характеристик. Однако для антенны [8] мы также можем довести полосу пропускания до 360 МГц, если возьмём соотношение d/W = 0,36 [ГГц]/ (1,2 х 2,4[ГГц]) = 0,125, при этом толщина патч будет порядка 0,78 см. Это в 5 раз меньше, чем толщина панели Iridium. Как будет показано ниже, это может быть необходимо при использовании диапазона от 2,4 ГГц до 2,7 ГГц. Понятно, что мы имеем выбор несущих частот в диапазоне от 2,35 ГГц до 3 ГГц. И преимущественный выбор будет
зависеть от размещения антенны под обтекателем ракеты и общего веса КА. Так, размеры антенны по варианту [8] при наличии в такой конструкции антенны 256 патч, что повышает коэффициент усиления антенны типа [8] (диапазон 2,35 ГГц - 2,55 ГГц) по сравнению с антенной Iridium в (256 патч/53 патч)=4,8 раз, составят I = 165 [мм] х 8 = 1,32м (рисунок 9).
Рисунок 9. Вид АФАР в 3D.
Однако, это может потребовать для некоторых типов ракет специальный новый обтекатель, что может быть нежелательно, хотя размеры антенн КА вЬЬа^ат составляют 1,994 м*1,961 м*0,936 м, и так как запуски таких аппаратов осуществляются нашими ракетами, то размеры антенн с квадратом площади 1,32 м*1,32 м вполне допустимы. Отметим, что при взятии за элемент в качестве прототипа антенну [8] при наличии 256 патч, мы должны были бы получить коэффициент усиления 1965,376 (32,9 дБ), и это позволяет уменьшить размеры антенны при использовании диэлектрического наполнителя пространства между лепестком и «землёй», за счёт уменьшения при этом коэффициента усиления до 30 дБ. Можно
также перейти в более высокий диапазон несущих частот в районе 2,7 ГГц - 3 ГГц. В этом случае размер антенны при 2,7 ГГц сокращается до 11 = 165 [мм] х 8 х 2,4[ГГц]/2,7[ГГц] = 1,17м. Это, практически совпадает с тем размером, который мы вычислили на основе разницы частот выше при сравнении с площадью антенны Iridium. Кроме того, в АНО «НТИЦ «Техком» г.Москва была создана панель предлагаемой антенны с размерами 1,2 [м]х1,2[м], в полосе частот 2,7-2,9 ГГц и проведены испытания, которые дали коэффициент усиления антенны порядка 30 дБ при ширине диаграммы направленности около 6 градусов, рисунок 10.
Рисунок 10. Испытания АФАР проведённые в безэховой камере при относительных единицах измерения.
Такой размер антенны умещается под существующие обтекатели большинства ракет для космических запусков. Надо отметить, что под обтекателем ракеты по рисунку 1 располагаются антенны для Globalstar размерами 1,994 м*1,961 м*0,936м, что требует диаметр обтекателя под 2 метра.
Мы исходим из многофункционального режима использования КА НССС, с исключением ухудшения радиотехнических характеристик, поэтому конструкция антенн и их расположение должны выполнять функции, в том числе и такой системы как Iridium. А это означает, что конструкция антенн должна предусматривать одновременное излучение и приём по 48 лучам как в Iridium (по крайней мере, на первом этапе вхождения в связь абонентом с использованием одночастотного режима) без ухудшения радиотехнических характеристик. Кроме того, можно обеспечить с помощью предлагаемой конструкции и межспутниковую связь, которая есть в Iridium, желательно с круговым вхождением в связь по азимуту с другими КА НССС при минимальном угле отклонения луча от нормали не более ±15о. Так, в системе Iridium есть межспутниковая связь на частоте 23,18 ГГЦ -23,38 ГГц с полосой 200 МГц. Всего каждый КА, для осуществления межбортовой связи, имеет 4 антенны и 4 тракта радиоэлектронного оборудования. В качестве антенн применены щелевые антенные решетки с усилением 36 дБ, управление диаграммой направленности каждой из антенн осуществляется по азимуту в пределах ±5о. Понятно, что такие углы отклонения 4 антенн в ±5о не обеспечивают режим межспутниковой связи по
всем углам (±5° X 4 = ±20°), что сокращает время возможной связи и требует повышения скорости передачи информации. При этом, план частот предусматривает размещение в полосе 200 МГц 8-ми отдельных частотных полос для исключения взаимных помех между каналами. Скорость передачи в каждой линии 25 Мбит/сек (общая скорость передачи информации 200 Мбит/сек). Есть также метод временного разделения каналов, структура кадра неизвестна.
Используя 15 полотен по 256 патч, мы можем получить 60 отдельных парциальных антенн по 64 патч, которые будут эквивалентны 6 антеннам Iridium, которые состоят из 53 патч. Оценим возможности обслуживания пользователей при дальности D=2500 км, высоте КА в 650 км, диаметре обслуживаемого пятна Dn=4852 км и частоте/=2,7 ГГц (Я = 0,111 м) с коэффициентом усиления для каждой антенны КА из четырёх в одном полотне (панели) G„pa=251 (24 дБ). Напомним, что для Iridium получилось 23,4 дБ. Ненаправленная антенна пользователя имеет 0прм=0ав=0,5 (-3 дБ), считаем, что мощность передатчика КА на один луч Рпрд =(8 Вт*1,6,25)=13 Вт с учётом повышения к.п.д. за счёт режима класса «В» в одночастотном режиме, и выбираем отношение сигнал/шум q=20 (вероятность ошибки для ФКМ сигнала 10-5-10-6 [11], для Iridium в разговорном (телефонном) режиме (ТЛФ) это 10-310-4), при шумовой температуре Тш=600 К, соответственно в формуле к - постоянная Больцмана. Необходимая полоса частот мобильного устройства для возможного приёма кодового сигнала навигации (потока информации) вычисляется по формуле:
(3)
Рирм = Рпрд X СпрЛ X GUVM X Х2/[(4 хп)2 xqxkxTmxD2] = = 13х 251 X 0,5 X (0,111)2/[(4 X n)2 X 20 X 1,38 X 10-23 X 600 X (2,5 X 106)2] = 0,123 МГц.
Теперь вычислим аналогичную полосу пропускания исходя из параметров системы Iridium. При высоте 780 км и диаметре пятна 5185,6 км мы имеем наклонную дальность 2673 км. Потери из-за схемы Батлера составляют 1,6 раза, что даёт выходную мощность в 5 Вт (отметим, что в некоторых обзорах по системе Iridium
предполагается суммарная мощность передатчиков КА в 120 Вт [12], что при 48 лучах составляет 2,5 Вт на луч), частота /и =1,6 ГГц (Хи = 0,1875 м), остальные параметры считаем аналогичными. Отсюда имеем:
F = Р
прми прди
Х Gnpdu Х GnPM хЛи 2/[(4 хя)2 х q х к х Тш xDu ] =
= 5 х 251 х 0,5 х (0,1875)2 /[(4 х я)2 х 20 х 1,38 х 10-23 х 600 х (2,673 х 106)2] = 0,19 МГц.
->6\2п
(4 )
Это лучше, чем для случая предлагаемого варианта в 1,5 раза и это связано с меньшей площадью антенны для отдельного парциального луча. Если исходить из мощности 2,5 Вт по [12], то преимуществ у Iridium нет. Кроме того расчёты проводились без учёта многочастотного режима для обслуживания 1100 пользователей. При 8 последовательных слотах и 3-х параллельных каналах по частоте мы получим полосу в 0,063
МГц. Напомним, что для Iridium скорость передачи информации составляет 50 кБит/сек, то есть наши расчёты соответствуют реальным значениям. Соответственно, мы не учитываем тот факт, что у нас лучи на абонента выставляются независимо от частоты и практически на максимум диаграммы направленности, а в случае Iridium абонент может попадать на край ширины диаграммы направленности, что снижает чувствительность в 2
раза. Кроме того при наличии 15 полотен АФАР с делением на 4 подАФАР, мы имеем 60 лучей, из которых 2 подАФАР в каждом полотне АФАР могут быть синфазно объединены при обзоре в зоне максимальной дальности. В этом случае энергетический потенциал такой общей антенны за счёт увеличения коэффициента усиления антенны и мощности может быть увеличен в 4 раза при необходимости. И это означает, что в дальней зоне мы имеем преимущество в 2,67 раза по сравнению с Iridium. Отметим, что вариант работы на 48 лучей, одновременно, будет использоваться только для передачи сигнала от КА и приём сигнала от абонента на КА в начальный момент вхождения в связь в одночастотном режиме. Далее будет использоваться последовательный способ обслуживания во времени по угловым секторам расположения абонентов в виде слотов, что позволяет нам использовать всё полотно АФАР или его половину для формирования узкого луча в нужном направлении на каждого из последовательно обслуживаемых пользователей с учётом необходимой мощности по дальности и сужением луча. То есть, парциальные антенны, в дальней зоне могут объединяться с соответствующими другими ближайшими парциальными антеннами и даже панелями антенн, что позволяет повысить энергетический потенциал, особенно при большой дальности, в 4-16 раз, и можно довести полосу пропускания до 0,492 МГц -1,97 МГц, что лучше, чем в системе Iridium. Мощность в импульсе также можно регулировать до необходимой величины с учётом дальности до абонента. Таким образом, преимущество предлагаемой конструкции заключается в том, что мы можем поднять как коэффициент усиления антенны в нужном направлении, так и мощность за счёт правильного распределения с учётом
При этом общий поток от 12 антенн из 60-ти выделяемых для межспутниковой связи составит 98,35 Мбит/сек. Это конечно меньше, чем скорость передачи в 200 Мбит/сек, однако, если учесть передачу по межспутниковой связи в режиме приём-передача от 6000 пользователей одновременно (для Iridium это 1100 пользователей), то в этом случае скорость передачи информации на одного пользователя при скважности 2 будет равняться 8,19 кбит/сек (для Iridium 4,6 кбит/сек), что вполне достаточно при межспутниковой связи по азимуту по всем 360о. Теперь рассмотрим вариант применения межспутниковой связи в случае объединения попарно двух подАФАР (рисунок 11) на каждом полотне при приёме и передаче в дальней зоне. С увеличением при этом мощности в два раза, мы получим энергетический потенциал в 8 раз выше (с учётом объединения двух парциальных антенн при приёме и передаче), что
дальности до абонента. Отсюда проигрыш в площади одной парциальной антенны при переходе на более высокую частоту компенсируется отказом от диаграммо - образующей схемы, с выставлением луча непосредственно на абонента, использованием повышения мощности излучения в зависимости от дальности и переходом на последовательный одночастотный вариант обслуживания абонентов с учётом уже площади большей, чем площадь одной парциальной антенны в 2-4 раза.
Напомним, что для Iridium полоса пропускания составляет 50 кГц, что даёт 50 кбит/сек при битовой ошибке 2*10-2 при отношении сигнал/помеха 6,1 дБ (q=4,07 раза) [12]. Таким образом, даже при использовании одного парциального луча с количеством 64 патч в полотне предлагаемой АФАР мы будем иметь как минимум аналогичные характеристики по полосе пропускания в режиме «дозвона» класса «В», в котором, кстати, не требуется скорость передачи информации даже 2,3 кбит/сек, так как фактически используется режим смс-сообщений.
Теперь вычислим полосу пропускания для межспутниковой связи при расстоянии между спутниками Dn=4852 км, частоте / =2,7 ГГц (Я = 0,111 м), при коэффициенте усиления приёмной и передающей антенны Опрм=С= GVd=251 (24 дБ), при мощности передатчика КА на один луч Рпрд =13 Вт с учётом повышения к.п.д. за счёт режима класса «В» в одночастотном режиме и отношении сигнал/шум q=20 (вероятность ошибки для ФКМ сигнала 10-5-10-6 [11]), шумовой температуре Тш=600 К, к - постоянная Больцмана. Необходимая полоса частот устройства КА для возможного приёма кодового сигнала навигации (потока информации) вычисляется по формуле:
(5)
обеспечит возможность передачи 65,52 Мбит/сек. Этот режим мы можем реализовать при той же полосе частот в 38 МГц в режиме QPSK одновременно по 6 направлениям, и это даст общий поток в 393,12 Мбит/сек, а это уже больше, чем поток в 200 Мбит/сек при энергопотреблении 320 Вт. Однако, и это не предел. Если использовать всё полотно на приём и на передачу при межспутниковой связи, то мы получим энергетический выигрыш в 4*4*4=64 раза по сравнению с вариантом по формуле (5) с возможной полосой пропускания в 524 МГц. Реализация такого потока возможна, но при наличии многочастотного варианта при передаче параллельно на 4-5 каналах с разделением по частоте в режиме QAM, а это снижает к.п.д. до 30%. Соответственно при 3-х направлениях мы будем иметь энергетические потери 3*52 Вт/0,3=520 Вт при потоке 3*524 Мбит/сек=1572 Мбит/сек. При
Рпрмка = Рпрд XG2X Х2/[(4 Xn)2XqXkXTulX Dn2] =
= 13X 2512 X (0,111)2/[(4 X и)2 X 20 X 1,38 X 10-23 X 600 X (4,852 X 106)2] = 8,19 МГц.
этом на режим связи с абонентами при 48 лучах будет потребление в одночастотном режиме (48*13 Вт)/(2*0,3*1,625)=640 Вт при скважности Q=2. В сумме получается 1,16 кВт, а это энергопотребление меньше, чем у Iridium (1,4 кВт). При скважности 2 мы будем иметь межспутниковую связь с потоком 786 Мбит/сек. Собственно такой поток можно использовать и для передачи данных от Internet и от локатора бокового обзора.
Таким образом, при многофункциональном использовании предлагаемой конструкции, мы на передачу должны иметь для обслуживания подспутникового пятна 48 лучей, которые могут
объединяться при необходимости, и ещё можем иметь дополнительно 12 лучей для реализации межспутниковой связи. Иными словами мы за счёт предлагаемой конструкции можем с учётом межспутниковой связи, причём с гораздо лучшими радиотехническими параметрами, передавать информацию от локатора бокового обзора, радиовысотомера и Internet. В этом случае общее количество лучей равняется 60-ти, с учётом разбиения каждого полотна (панели) АФАР на 4 секционных АФАР с коэффициентом усиления в 24 дБ по рисунку 11, мы будем иметь 15 полотен (панелей) АФАР.
ФАПЧ 4
ФАТ ГЧ 5-8
ФАПЧ 3
Рисунок 11. Расположение 4-х секционных АФАР (подАФАР) с наличием фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и малоразмерных программно-логических интегральных схем (ПЛИС) для изменения
положения луча при работе устройства по способу в режиме Iridium при 60 лучах одновременно с разбиением полотна антенны на 4 зоны по 64 элемента ПАТЧ (всего 256 активных элемента в полотне
АФАР).
При этом возможно иметь вариант АФАР сравнении с КА НССС Iridium, но позволяет взять
всего полотна, вариант по два подАФАР в разной комбинации, вариант 3 -х подАФАР и 1 подАФАР в разной комбинации, и вариант 4-х подАФАР с регулированием коэффициента усиления. Следует отметить, что минимальный выбор количества подАФАР в полотне связан с выполнением функций аналогичных системе Iridium без ухудшения характеристик по количеству обслуживаемых абонентов и чувствительности, а также соответствует многочастотному режиму связи со шлюзовой станцией. Максимальное количество подАФАР ограничивается ростом энергетических потерь из-за обработки сигнала, связанное с добавлением на каждую подАФАР АЦП, ЦАП, ПЛИС, балансного модулятора и демодулятора, что и определило выбор в 4 подАФАР. Отсюда вывод: способ складывающейся конструкции антенн с размещением под обтекателем космической ракеты в виде 15 полотен АФАР с возможным разбиением каждого полотна на 4 подАФАР с коэффициентом усиления равным лучу АФАР системы Iridium, не только не ухудшает характеристики предлагаемого КА НССС в
ещё дополнительно функцию межспутниковой связи, и расширить полосу пропускания до 300 МГц. Надо отметить, что использование 4-х подАФАР в одном полотне с одним угловым наклоном определяется необходимостью передачи большого потока информации с разделением по частоте при связи с наземными пунктами (шлюзовые станции), где обеспечивается необходимый энергетический потенциал и главный фактор - это скорость передачи данных. Полоса в 3 00 МГц позволяет отстраиваться от других радиоэлектронных средств и не мешать им в этом диапазоне частот. Кроме того, появляется возможность повышения энергетического потенциала в нужном направлении и в нужное время в (4[усиление антенн
подАФАР]*4[мощность в луче подАФАР]*)=16 раз по сравнению с вариантом системы Iridium, и использовать гибкое изменение мощности в зависимости от дальности до пользователя с увеличением количества пользователей при применении одночастотного режима излучения (режим класса «В») с увеличением коэффициента
полезного действия. Иными словами наше устройство имеет лучшую адаптацию к случаю неравномерного распределения абонентов по поверхности Земли. Таким образом, с учётом размеров Globalstar, мы сохраняем режимы работы КА НССС Iridium с размещением складывающейся конструкции антенн с возможной длиной стороны антенны от 1 м до 1,9 м (диапазон несущих частот
от 1,7 ГГц до 3,2 ГГц) под обтекателем корпуса ракеты. При этом конечно оптимум достигается с учётом общего веса КА и получением полосы пропускания для антенны в 300 МГц в многофункциональном режиме при 60 лучах и 15 полотен АФАР с появлением дополнительных преимуществ. В разложенном виде мы будем иметь вид по рисунку 12.
Рисунок 12. АФАР S- диапазона. Вид со стороны электронных блоков. 1 - на этом рисунке весь АФАР представлен для наглядности в одну плоскость; 2 - весь АФАР состоит из 15 одинаковых плоских полотен подАФАР (пА1^пА15); 3 - каждое полотно имеет геометрические размеры в соответствии с учётом длины волны; 4 -ШЛямоугольник обозначает механическую петлю (шарнир, элемент крепления, поворота и фиксации
каждого полотна подАФАР);
Соответственно предлагаемая конструкция имеет сложенный вид при запуске с раскрытием общей апертуры в космосе. Если обеспечить такое раскрытие в виде общего плоского полотна, то при обеспечении фазовой синхронизации по всем 15-ти полотнам можно получить общий коэффициент
усиления антенны порядка 251x4x15 = 15060 (41,8д£). Такой коэффициент усиления сравним с коэффициентом усиления радиовысотомеров [13], приведённых в таблице 1.
Технические характеристики современных спутниковых радиовысотомеров
Параметр Seasat-A Geosat-A ТЬрех Poseidon ERS MOS-2 Poseidon 2 & 3 (Jason-1,2)
Средняя высота орбиты,км 800 800 1300 1300 800 570 1336
Несущая частота, ГГц 13,5 13,5 13,5//5,3 13,65 13,5 19,8 13,6(Ku)/5,3(C)
Импульсная мощность, кВт 2 0,02 0,02 0,02 0,05 1,2 0,02/0,03
Длительность импульса, мкс 3,2 102,4 102,4 102,4 20 3,2 105,6
Полоса модуляции, МГц 320 320 320 320 330/82,5 320 320/100-320
Частота повторения, КГц 1,02 1,02 4/1 1,7 1,0 1,0 1,68-1,8/0,3-0,45
Ширина ДНА, град. 1,6 2,1 1,1/3,4 1.1 1,3 1,5 1,3/3,4
Точность (высота), м 0,1 0,04 0,035 0,1 0,1/0,4 0,1 0,025—0,035
Точность (волны), м 1,Б±10% 1,0±10% 0,4±10 % 0,5+10% 0,5±10% - 0,3±10%
Потребляемая мощность, Вт 165 130 70 70 - - 70
Масса, кг 94 86.6 - 40 - - 68 with antenna
Так в соответствии с [6] при ширине диаграммы направленности по азимуту а и ширине диаграммы направленности по углу места р мы будем иметь коэффициент усиления антенны С по формуле:
G « 35500/(а х £).
(6)
Отсюда при ширине диаграммы направленности в 1,6 градуса по азимуту и углу места (Seasat-A), мы имеем коэффициент усиления радиовысотомера Gp=13867 (41,4 дБ). Таким образом, нам желательно иметь не фиксированный раскрыв в виде «гармошки» для замещения функций системы Iridium, а допустить раскрыв с изменением расположения полотен в зависимости от требуемого режима работы для увеличения общего коэффициента усиления антенны при
синфазном излучении. Однако, если сравнивать предлагаемый вариант с радиовысотомером типа 8еаБа1-А, то функция радиовысотомера не требует полного разложения антенн предлагаемого КА в общую плоскость. Здесь будет достаточно использовать для функций радиовысотомера одно нижнее полотно.
Действительно, при мощности
радиовысотомера 8еаБа1-А Рр=2 кВт, ширине ДНА АФАР 1,6° ^=13867 или 41,4 дБ), /р =13,5 ГГц(Яр = 0,022221 м), вычислим необходимую полосу пропускания ¥р для разрешения объектов размером а = 1м2, при дальности Бр=800 км, скважности 2р=306, отношении сигнал/шум д=20 (вероятность ошибки для ФКМ сигнала 10-5-10-6 , шумовой температуре Тш=600 К, к - постоянная Больцмана:
Fp = Рр х Ср2 х Яр2 х ст/[(4 х я)2 х Qp х q х к х Гш х Др4] =
= 2000 х 138672 х (0,022221)2 х 1/[(4 х х 306 х 20 х 1,38 х 10-23 х 600 х (0,8
(7)
х 106)4] =
= 0,0579Гц.
Это означает, что получается узкополосная система, и это требует накопления импульсов.
Для нашего варианта при мощности Рр1 = 256 х 7Вт = 1792Вт при дальности БР1=650 км,
ширине ДНА АФАР 6° с усилением GP1=986 раз (29,93 дБ), р =2,7 ГГц (Яр1 = 0,111 м), при той же скважности и другими такими же параметрами имеем полосу пропускания:
Fpi = Ppi x Gpi2 x Api2 x a/[(4 xn)2 x QpX q x к хТшх Dpi4] = (8)
= 1792 x 9862 x (0,111)2 x l/[(4 x n)2 x 3 06 x 20 x 1,38 x 10-23 x 600 x (0,65 x 106)4]
= 0,015 Гц.
Это означает, что в предлагаемом варианте мы при 1,792 кВт в импульсе имеем проигрыш в 3,8 раза по сравнению с Seasat-A. Однако, если скважность для предлагаемой конструкции будет равна Qpi=306/3,8=80,5 (это вполне допустимо, так как скважность в других радиовысотомерах может доходить и до Q=3, а предлагаемая скважность в 7,4 раза лучше, чем скважность для мобильного устройства Iridium в Q/=10,9), то характеристики по полосе пропускания будут одинаковы и равны 0,0579 Гц. При этом, средняя мощность на нижнее полотно будет 22,27 Вт, при допустимой средней мощности на полотно АФАР в режиме Iridium 13 Вт*4/2=26 Вт. Однако, если обеспечить режим синхронизации по несущей частоте и фазам элементов патч, для 3-х нижних полотен КА, то мы даже можем поднять коэффициент усиления общей антенны состоящей из 3-х полотен с учётом того, что два соседних крайних полотна имеют отклонение от горизонтали среднего полотна ±30° и с сокращением их площади в 0,866 раз. В этом случае общая площадь антенны и коэффициент усиления возрастёт 2*0,866+1=2,732 раза с получением общей ширины диаграммы направленности 2,1961°*6°, при этом мощность от трёх АФАР возрастёт в 3 раза. Отсюда при скважности Q^306 получим выигрыш в 2,15 раз, а при скважности Qp1=80,5 имеем полосу пропускания при работе в варианте нашей конструкции 0,4745 Гц, что лучше варианта Seasat-A. в 8,196 раза. Это позволит увеличить чувствительность во столько же раз. Таким образом, мы даже в варианте «гармошки» можем использовать режим радиовысотомера с улучшенными характеристиками, не прибегая к конструктивным изменениям.
Рассмотрим теперь вариант возможности предлагаемого устройства антенн АФАР КА НССС в режиме локатора бокового обзора TerraSAR-X. У
него высота орбиты 514,8 км и масса 1209 кг, отклонение нормали к плоскости АФАР от надира 33,8°. Иными словами от горизонтальной поверхности Земли отклонение 33,8°. Для АФАР угол сканирования по углу места ±20°, а по азимуту ±0,75°. Время работы составляет 10 минут за один виток при потребляемой мощности 800 Вт. Интервал повторной съёмки составляет 2,5 суток. Для связи в Теп^АЯ-Х используется высокоскоростная линия передачи Х - диапазон 300 Мбит/сек. При этом для АФАР размерами 4784 м х 754 мм х 150 мм используются 12 панелей по 32 излучающих волноводно-щелевых элемента с вертикальной и горизонтальной поляризацией (всего 384 элемента с приёмопередающими модулями по 6-7 Вт с переключением на вертикальную и горизонтальную поляризацию с суммарной мощностью излучения с учётом потерь 2260 Вт). Ширина ДНА АФАР при равномерном распределении поля по раскрыву составляет 0,33° по азимуту и 2,3° по углу места (усиление 46772 раз или 46,7 дБ), это в 3 (4,9 дБ) раза выше, чем в случае полного раскрыва АФАР полотен в плоском предлагаемом варианте по рисунку 12. Однако, вычислим необходимую полосу пропускания ¥л для разрешения объектов размером в а = 1 м2 для Тегга8АЯ-Х, при коэффициенте усиления антенны Оя=46,7 дБ (46772 раз), при дальности Д,=916 км (если исходить из угла отклонения луча по углу места в 20 градусов от нормали к полотну), частоте /л =9,6 ГГц (Ял = 0,03125 м), при мощности передатчика в импульсе Рл = 7 Вт х 384 = 2688 Вт, скважности Qл=6,66, отношении сигнал/шум д=20 (вероятность ошибки для ФКМ сигнала 10-5-10-6 , шумовой температуре Тш=600 К, к - постоянная Больцмана. Вычисление проведём по формуле:
FR = PRx GR2 x Лл2 x а/[(4 x и)2 x QR x q x к x Тш x DR4] = (9)
= 2688 x 467722 x (0,03125)2 x 1/[(4 x n)2 x 6,66 x 20 x 1,38 x 10-23 x 600 x (0,9 1 6 x 106)4] = 46,8 Гц.
Для предлагаемого варианта, при дальности Д,=916 км, частоте /л1 =2,7 ГГц (Ял1 = 0,111 м), при той же общей мощности передатчика в импульсе Рл = 0,7 х 3840 = 2688 Вт, коэффициенте
усиления G = 251 x 4 x 15 = 15060 (41,8дБ), скважности Q„=6,66, полоса пропускания составит:
= PRxG2 x Лл12 x а/[(4 xn)2 xQRxqxkxTulx DR4] = (10)
= 2688 x 150602 x (0,1111)2 x 1/[(4 x n)2 x 6,66 x 20 x 1,38 x 10-23 x 600 x (0,9 1 6 x 106)4] = 61,3 Гц.
То есть, фактически для разрешения объекта в 1м2 предлагаемый вариант конструкции антенн в виде общей плоской антенны, при тех же параметрах мощности и дальности не уступает варианту TerraSAR-X. Кроме того, на каждый излучатель в антеннах у нас приходится всего 0,7 Вт, что позволяет нам в соответствующие короткие промежутки времени для обзора необходимых участков местности повысить мощность в 10 раз с возможным увеличением дальности до объектов до
Характеристики перспективных СБ
При удельной мощности 293 Вт/м2, при половине антенн освещённых солнцем (7 антенн*1,44 м2), мы получим энергетическую прибавку в 2953 Вт. Напомним, что для работы Тегга8АЯ-Х в течении 10 минут за один виток требуется 800 Вт.
Однако при ведении боевых действий необходимо дистанционное зондирование Земли в непрерывном режиме во времени, особенно в зоне непосредственного соприкосновения. В этом случае можно применить зондирование, когда КА передаёт сигналы зондирования, а приём сигнала зондирования осуществляется на антенну ЛА или аэростата в режиме барражирования в зоне фронта
1628 км. Дополнительная энергия для этого может быть взята при использовании поверхности 14-ти полотен антенн с обратной стороны для солнечных панелей. Собственно и для работы в режиме радиовысотомера за счёт добавочных солнечных батарей мы также имеем преимущество в возможности повышения мощности.
Ниже, в таблице 2 приведены характеристики солнечных батарей (СБ) [14].
Таблица 2.
[15]. При этом привязка по местности осуществляется по данным навигации и работа только на приём обеспечивает скрытность. В этом случае общая дальность от КА до зоны зондирования может достигать порядка Блз=2500 км, что соизмеримо с зоной полного покрытия, а от ЛА (аэростата) до зоны зондирования Ош=25 км. Для нашего варианта при мощности Рр1 = 256 х 7Вт = 1792Вт, ширине ДНА АФАР 6° с усилением Ор1=986 раз (29,93 дБ) при приёме на ЛА (или аэростате) и передаче от КА необходимую полосу пропускания можно вычислить по формуле:
Параметр ЗресИо1аЬ (перспективный уровень) ФЭП АЖПЯ каркас ОАО «РКК «Энергия нм. С.П. Королева» ФЭП AZUR каркас ОАО «ИСС им академика МФ Решетнева» ФЭП AZUR, каркас НПО нм. С.А. Лавочкина, онпп «Технология»
КПД ФЭП, % 28.2я.. ..29.5 29.1 31
Удельная пасса ФЭП, кг/м! 0.732 0.732 (0.453**)
Удельная мощность на начало САС по ФЭП, Вт/м2 330 (366) 356 360 381
Удельная мощность на 15 лет САС по ФЭП, Вт/м2 260 (290) 279 272 293
Удельная масса БФ; кг/м2 1.75 1.60 1.5...1.6 1.33. .1.40 (-1.0**)
Удельная масса каркаса, кг/м2 0.6...0.8* >1.0 0.7 0.4...0.5
Удельная масса СБ (БФ+каркас), кг/м" 2.35...2.55 >2 6 2.2. .2.3 1.73...1.90 (<1.5")
Удельная масса СБ (БФ+каркас), кг/кВг 8.1...8.8 - 7.58...7.93 5.1
Примечания: Характеристики даны без учета массы узлов раскрытия, зачековки н транзитных кабелей "-ориентировочное значение **-в случае применения ФЭП толщиной 80 мкм
^ла = х Сз1
х Ял12 х ст/[(4 х х х q х к х Гш х Длз2 х Дла2] =
(11)
= 1792 х 9862 х (0,1111)2 х 1/[(4 х л)2 х 6,66 х 20 х 1,38 х 10-23 х 600 х (2,5 х 106)2
(2,5 х 104)2] = 38,46 Гц.
х
Данный режим обеспечивает дистанционное зондирование Земли с аналогичным накоплением зондирующих импульсов по мере перемещения КА по орбите при средней мощности излучения 271,5 Вт. При этом, режим разнесения передачи и приёма при зондировании Земли позволяет работать с накоплением импульсов зондирования в течение нескольких минут при использовании одномоментно одного полотна АФАР на КА со сменой полотен для выставления в одно и то же место по мере движения КА в варианте реального масштаба времени. Это повышает отношение сигнал/шум за счёт накопления сигнала (по сравнению с TerraSAR-X нам требуется повысить накопление всего в 1,2 раза). Надо отметить, что в США провели эксперимент с применением сигналов GPS для дистанционного зондирования Земли с разнесением приёмника и передатчика, но при этом получалась низкая разрешающая способность из-за низкой скорости фазовой манипуляции, которая должна быть не менее 150 Мбит/сек. Однако с учётом того, что время распространения сигнала зависит от частоты и имеет значение 3-4 метров, можно повысить разрешающую способность до необходимой величины используя при ФКМ сигнале в 40-50 Мбит/сек несущие частоты в пределах полосы пропускания антенны порядка 300 МГц с наложением и суммированием рельефа местности от сигналов разных несущих частот. Сочетание
передаваемых ФКМ - сигнала и ЛЧМ сигнала, вместе или последовательно, а также использование нескольких точек приёма сигнала, также улучшит разрешающую способность.
Теперь покажем преимущество предлагаемого варианта для режима Internet по сравнению с вариантом OneWeb.
Мы видим, что последние несколько лет на рынке спутниковой связи особое внимание уделяется системам, реализуемым на основе многолучевых низкоорбитальных спутников. Среди этих проектов выделяется проект LEO-HTS OneWeb. Здесь предполагается высота орбиты 1200 км и многосигнальный режим со скоростью потоков информации в режиме TDMA(FDMA) от 1,2 до 20 Мбит/сек.
В [16] указано, что граница зоны обслуживания одного спутника OneWeb определяется минимальным углом места абонентского терминала в 55 град. Это соответствует видимости Земли со спутника конуса с углом раскрыва 57,7 град. Диаметр зоны радиовидимости спутника с Земли в этом случае составляет примерно 1400 км. Используются Ku -диапазон (10,7-18 ГГц) и Ka - диапазон (26,5-40 ГГц). Антенна Ku-диапазона формирует близкую к квадрату 48*48 град. угловую зону обслуживания по уровню усиления - 3 дБ от максимума, состоящую из 16 абонентских лучей, Рисунок 13.
Рисунок 13. Расположение лучей спутника OneWeb.
Из рисунка 13 видно, что при весе самого спутника в 147,7 кг, антенный блок должен иметь простейшую конструкцию, что достигается как видно из рисунка 2 использованием щелевой антенной решётки с управлением лучом за счёт несущей частоты (можно предположить, что
используется схема Бласса, как в 01оЪаМаг с 16-ю лучами).
Предполагается, что абонентские терминалы в системе OneWeb будут иметь размер антенн 0,30,75 м. Ширина ДН-антенны 0,3 м по приёму составляет примерно 6 град., а по передаче
примерно 7,5 град. по уровню - 3 дБ. Естественно, что на абонентский терминал, расположенный в зоне пересечения лучей, будут воздействовать помехи от своих спутников, а множество таких терминалов будет генерировать помехи для спутников в соседних орбитальных плоскостях. Этот процесс будет усиливаться по мере удаления от экватора.
Система OneWeb заявлена как система, предоставляющая услуги на глобальной основе. В техническом плане это означает, что в любой момент времени в любой точке поверхности Земли для наземного абонента должен быть доступен хотя бы один спутник системы, который, в свою очередь, имеет доступ к наземной станции сопряжения.
Так как в системе не используются межспутниковые линии связи, то для обеспечения "глобальности" зоны обслуживания потребуется развернуть достаточно большое число шлюзов. Проведём энергетический расчёт по системе связи OneWeb, так как компания собирается развернуть на орбите сеть из 600 аппаратов.
После развёртывания сети компания планирует начать предоставление услуг высокоскоростного доступа в сеть в глобальном масштабе на частотах Ки - диапазон (10,7-18 ГГц) и Ка - диапазон (26,5-40 ГГц).
При расчёте учтём, что антенна Ки-диапазона формирует близкую к квадрату 48*48 град. угловую зону обслуживания по уровню усиления -3 дБ от максимума, состоящую из 16 абонентских лучей (собственно зона обслуживания спутника OneWeb аналогична зоне обслуживания спутника 01оЬаМаг с разницей в диапазоне частот и коэффициенте усиления). Диаметр зоны
радиовидимости спутника с Земли в этом случае составляет примерно 1400 км. Высота 1200 км. Без учёта защитных частотных интервалов емкость одного спутника OneWeb составляет 3600 МГц для прямых каналов и 2000 МГц для обратных каналов, т.е. в сумме ДО = 5600 МГц. Требуемая полоса на один парциальный луч 3600 МГц/16=225 МГц. В режиме ОР8К это позволит передать 450 Мбит/сек. При 16 парциальных лучах это составит 3,6 Гбит/сек. Общий объём составит 3,6 Гбит/сек*600 спутников=2160 Гбит/сек.
Учтём также, что абонентские терминалы в системе OneWeb будут иметь размер антенн 0,30,75 м. Ширина ДН-антенны 0,3 м по приёму составляет примерно 6 градусов, а по передаче примерно 7,5 град. по уровню - 3 дБ.
Считаем, что длина волны Ло=0,01875 м. (1,875 см) - 16 ГГц.
Коэффициент усиления приёмной
(передающей) антенны спутника:
Опрос = 35500/(48х48/16)=246,53 (23,9 дБ).
Коэффициент усиления приёмной антенны абонента:
Опрмаб =35500/(6x6)= 986,11 (29,93дБ).
Коэффициент усиления передающей антенны абонента:
Опроаб = 35500/(7,5x7,5)= 631,1 (28 дБ).
Мощность передатчика спутника:
Рпрдсп= 5 Вт, на один парциальный луч из 16.
Постоянная Больцмана к = 1,38*10-23 (тепловой шум).
Шумовая температура Т = 600 (по Кельвину).
Отношение сигнал/ шум д=20.
Максимальная дальность Бо =1389км.
Полоса пропускания для потока информации вычисляется по формуле:
(12)
^прмо — ^прдсп Х ^прдо Х ^прмаб Х ^oVK4 Х п)2 X q X fc X Гш X Д,2] — = 5 х 246,53 X 986,1 X (0,01875)2/[(4 X л:)2 X 20 X 1,38 X 10-23 X 600 X (1,389 X 106)2]
— 8,49 МГц.
Для длины волны с частотой в 10,7 ГГц (Ло1=0,028 м) имеем:
^прмо = -Рпрдсп Х Спрдо Х Спрмаб Х ^о12/[(4 Х п)2 X ^ X ^ X 7Ш X Д,2] = (13)
= 5 х 246,53 X 986,1 X (0,028)2/[(4 X л:)2 X 20 X 1,38 X 10-23 X 600 X (1,389 X 106)2] = = 18,9 МГц.
Приведённый нами расчёт близок к заявленной скорости потока информации в 20 Мбит/сек на один частотный канал, однако чтобы получить необходимый поток информации в 3,6 Гбит/сек на один парциальный луч требуется иметь как минимум от 11 до 12 параллельных частотных каналов на один луч из 16, что соответствует полосе в 225 МГц. В этом случае мощность излучения на один луч должна составлять как минимум 55 Вт. Отсюда следуют выводы:
1) Приведённый расчёт убедительно показывает, что спутники OneWeb для обеспечения
работы в указанном выше режиме должны иметь мощность в 11-12 раз выше при 11-12 частотных параллельных каналах в многопользовательском режиме (176 пользователей на КА с потоком в 20 Мбит/сек), и составлять в одном луче как минимум 55 Вт (без учёта поглощения в среде), что в итоге составит 880 Вт с учётом 16 лучей (требуется источник питания с учётом к.п.д. 30% в 2,93 кВт). Такой непрерывной мощности нет в спутниках Iridium (192 Вт), или Globalstar (409,5 Вт), но масса КА Iridium 689 кг, а масса КА Globarstar 550 кг. Наибольшую мощность потребления в 800 Вт при
работе в 10 минут за виток даёт только TerraSAR-X при массе 1290 кг, и эта масса, очевидно, связана с аккумуляторными батареями. При этом Iridium имеет массу 689 кг и высоту орбиты 780 км. С учётом разницы мощности в 2 раза и высот почти в 2 раза, масса спутников OneWeb не может быть меньше 689 кг для достижения заявленного потока информации. Это никак не соответствует заявленным характеристикам по массе 147,7 кг или здесь должны быть некие новые солнечные батареи с очень высоким к.п.д., а также аккумуляторные батареи или другие накопители энергии с малым весом. Для Starlink масса составляет 240 кг с учётом того, что предполагается запустить 12000 спутников. Эти данные для диапазона Ku.
2) Если подставим в формулу расчёта длину волны Хмах=0,001171875 м Ка - диапазона, то характеристики будут ещё хуже, что даст уменьшение полосы с 19 МГц до 7,5 МГц, и это приводит к существенному снижению скорости обмена информацией. Именно поэтому для Internet количество спутников Starlink в проекте Илона Маска в 20 раз больше, чем спутников OneWeb, и такое количество связано с необходимостью также межспутниковой связи с передачей большого объёма информации. При этом OneWeb не имеет межспутниковой связи.
3) Заявленное расстояние между опорными станциями (из данных OneWeb) составляет 2500 км, однако, на основании пятна на Земле приведённого выше это расстояние должно быть 1400 км или надо иметь антенну с большой апертурой при приёме на Земле.
Таким образом, попытка обеспечить снижение веса спутника до 147,7 кг при увеличении потока информации по сравнению с Iridium и Globalstar с переходом в диапазон Ка и Ku при увеличении также числа базовых станций и коэффициента усиления антенны абонента не даст результата, так как увеличение скорости передачи информации и выигрыш за счёт коэффициента усиления антенны абонента не компенсируют друг друга в силу того, что ухудшение характеристик связано с переходом в Ка и Ku диапазон с сокращением площади антенн. Отсюда передача информации будет происходить при потоке информации как минимум в 10 раз меньше заявленной, то есть 1-2 Мбит/сек на один частотный канал в случае множества пользователей.
Сравним теперь вариант OneWeb с использованием варианта на основе предлагаемой конструкции. Соответственно в связи с этим стоит вопрос: «Каким образом можно достичь характеристик заявленных OneWeb и при этом обеспечить приемлемое количество спутников с соответствующими массогабаритными
характеристиками?».
Проведём расчёты полосы пропускания для предлагаемого варианта конструкции при этом будем полагать, что изменилась только значение длины волны Ло2=0,111 м. (11,1 см) - 2,7 ГГц, так как у нас при 60 лучах коэффициент усиления каждого луча составляет 24 дБ (251 раз) с увеличением площади антенны. Отсюда будем иметь полосу пропускания по формуле:
^Лрмо - -Рпрдсп Х ^прдо Х ^прмаб Х ^о22/[(4 Х п)2 х Q1 х х 7Ш х Д,2] - (14)
= 5 х 251 х 986,1 X (0,111)2/[(4 x л:)2 X 20 X 1,38 X 10-23 X 600 X (1,389 X 106)2] -- 302 МГц.
С учётом того, что мы рассчитываем в режиме БР8К передавать 38 Мбит/сек, то мы имеем энергетический запас в 7,9 раза (9 дБ). Используя этот энергетический выигрыш мы можем снизить требования к приёмной антенне абонента на 9 дБ, что соответствует приёмной антенне в Опрмаб = 126
^прмо = ^прмаб Х ^о22/[(4 Х п) х Кп]
(21 дБ) вместо 986,1 (29,93 дБ). Вычислим необходимую площадь приёмной антенны абонента по формуле, которую мы использовали для оценки коэффициента усиления антенны Iridium при Кп=0,7:
- 126,76 х (0,11)2/[(4 х л') х 0,7] - 0,177 м2. (15)
Это соответствует стороне квадрата длинной 0,42 м. Напомним, что абонентские терминалы в системе OneWeb будут иметь размер антенн диаметром 0,3-0,75 м. То есть, площади антенн абонентов OneWeb и предлагаемой конструкции соизмеримы, коэффициенты усиления антенн изменены таким образом, что у нас коэффициент усиления антенны КА выше, а выигрыш связан с увеличением длины волны. При этом одновременный поток от 60 лучей составит 2,28 ГГбит/сек, а общая мощность излучения в непрерывном режиме составит 300 Вт, что не превышает мощности излучения КА НССС Iridium и Globalstar также в непрерывном режиме. Иными
словами, мы используем увеличение площади антенн в космосе из-за увеличения длины волны, что при прочих равных условиях позволяет добиться потока на одного абонента в 38 Мбит/сек вместо 19 Мбит/сек. При использовании площади антенны абонента со стороной 0,75 метра, мы будем иметь коэффициент усиления антенны абонента в 3,16 раз больше при 0прмаб1=400,8 (26 дБ). Это означает, что мы можем использовать для передачи не режим BPSK, а режим QAM с трёхкратным увеличением потока информации до 114 Мбит/сек на одного абонента из шестидесяти. В этом случае на один КА будет приходиться поток информации 6,84 Гбит/сек, или 3,42 Гбит/сек на
передачу при 60 абонентах по 114 Мбит/сек. При приёме сигналов на КА от абонентов мы можем использовать многоканальный приём с разнесением по частоте по 8-ми каналом (8 ФАПЧ) в диапазоне полосы пропускания 304 МГц (для OneWeb это 225 МГц). В этом случае при приёме на КА по 15 антеннам при 8-ми каналах и при сигнале QAM с наличием 114 Мбит/сек мы получим поток 13,68 Гбит/сек (при скважности 2 поток на приём составит 6,84 Гбит/сек). В общей сумме при скважности 2 мы будем иметь поток 10,26 Гбит/сек. Если исходить из характеристик КА OneWeb на приём в 2 Гбит/сек, а на передачу 3,6 Гбит/сек с учётом обслуживания такого же количества пользователей, то мы можем изменить параметры по скважности, и на приём иметь скважность Q^=6,84 с приёмом 2 Гбит/сек, а на передачу мы будем иметь скважность Qпер=1/(1-1/Qпр)=1,17 и передавать 5,84 Гбит/сек. Отсюда можно выделить 2,24 Гбит на межспутниковую связь при 3,6 Гбит/сек на передачу и 2 Гбит/сек на приём как у OneWeb. Понятно, что поток на приём в 2 Гбит/сек может передаваться через межспутниковую связь. Таким образом, мы полностью сохраняем возможности OneWeb, но при этом у нас есть ещё и межспутниковая связь. Однако мы должны обслуживать подспутниковое пятно с дальностью не 1389 км, а с дальностью 2500 км, что требует повышения мощности передатчика с 5 Вт до 16,2 Вт, то есть в 3,24 раза. В этом случае с использованием одночастотного режима в классе «В» (при передаче) мы можем обеспечить Internet в подспутниковом пятне при дальности в 2500 км в виде «гармошки», а не в плоском варианте с дальностью 1389 км. Таким образом, для передачи абонентам 3,6 Гбит/сек нам потребуется использование 36,98 лучей, а для межспутниковой связи 23,02 лучей, где остатки после запятой говорят о попеременном использовании во времени. Однако полоса пропускания информации по межспутниковой связи на дальности 4852 км при мощности 16,2 Вт в формуле (5) не будет превосходить 10 МГц. А это означает, что реальный поток по межспутниковой связи составит 196 Мбит/сек при использовании на передачу и приём парциальных антенн в 24 дБ. Однако поток может быть увеличен, если при приёме использовать антенну всего полотна в 30 дБ, а не подАФАР в 24 дБ. Тогда поток может быть повышен до 40 Мбит/сек от каждой из 4 передающих антенн с наличием 4 каналов разделённых по частоте в полосе 160 МГц. Это даст поток уже 786 Мбит/сек. Ясно, что, чтобы добиться необходимых 114 Мбит/сек на приём по межспутниковой связи надо либо поднять мощность передачи ещё 2,85 раз до 46,17 Вт, либо использовать синфазный приём не от одного полотна, а от 2 или 3 полотен с повышением коэффициента усиления общей приёмной антенны 2,85 раза (4,6 дБ) по аналогии как это предлагалось для повышения характеристик для радиовысотомера. В случае повышения мощности для межспутниковой связи, мощность потребления в импульсе для связи с абонентами при
использовании 36,98 лучей составит 599 Вт, при скважности QnW=1,17, и к.п.д. при одночастотном режиме имеем потребление от питания 1,05 кВт. А мощность потребления в импульсе для межспутниковой связи при использовании 23,02 лучей и 46,17 Вт на луч составит в сумме 1,063 кВт. С учётом скважности и к.п.д. для межспутниковой связи будем иметь потребление от питания 1,863 кВт. В сумме 2913 Вт, и эта величина превосходит мощность потребления в системе Iridium (1,4 кВт). Поэтому, предпочтителен вариант, аналогичный варианту радиовысотомера, где можно обеспечить режим синхронизации по несущей частоте и фазам элементов патч, для 3 -х полотен КА в режиме приёма. Тогда мы можем поднять коэффициент усиления общей приёмной антенны состоящей из 3-х полотен в 2,732 раза (поток будет 2,146 Гбит/сек) с учётом того, что два соседних крайних полотна имеют отклонение от среднего полотна ±30° с сокращением при этом их площади от нормали среднего полотна в 0,866 раз. В этом случае повышение мощности при передаче будет 16,9 Вт. При использовании 23,02 лучей общая мощность в импульсе составит 389 Вт, а при скважности 1,17 и к.п.д. для одночастотного режима мы будем иметь энергопотребление 682 Вт. Общее потребление на режим работы с абонентами и межспутниковую связь составит 1,732 кВт. Это означает, что выбранное расположение антенн позволяет снизить энергопотребление в 2 раза в режиме Internet по сравнению с OneWeb и обеспечить при этом межспутниковую связь. Однако это больше потребления в системе Iridium (1,4 кВт), поэтому при этом желательно использовать дополнительные солнечные батареи, которые мы предполагаем располагать на обратной стороне 14 АФАР. Понятно, что если использовать межспутниковую связь на 2 Гбит/сек в делении на приём и передачу по 1 Гбит/сек, то энергопотребление сократится до 1,391 кВт, что сравнимо с энергопотреблением Iridium.
Для приёма на КА используется абонентский терминал с коэффициентом усиления Опрмаб1 =400,8 (26 дБ). Чтобы получить необходимый энергетический потенциал на частоте 2,7 ГГц нам потребуется 101 патч с общей импульсной мощностью 54 Вт, что при скважности Q^=6,84 энергопотребление в одночастотном режиме с к.п.д в одночастотном режиме составит 16 Вт. Понятно, что наши расчёты в предлагаемой конструкции для режима OneWeb по энергопотреблению проведены исходя из максимальной дальности в 2500 км. Однако реальная дальность изменяется от 650 км до 2500 км в зависимости от местоположения абонента, а это при регулировке мощности в зависимости от дальности позволит снизить энергопотребление. Ещё одно преимущество предлагаемой конструкции заключается в возможности (при необходимости) увеличить поток информации на одного абонента в 4 раза с использованием излучения от четырёх антенн по 24 дБ с разнесением несущих частот в полосе 304 МГц, но с уменьшением в 4 раза количества
обслуживаемых абонентов с 60-ти до 15 абонентов. В этом случае на одного абонента из 15-ти будет приходиться поток 456 Мбит/сек при приёме абонентом 4-х несущих частот, и эта величина больше, чем поток информации для связи в Тегга8АЯ-Х в 300 Мбит/сек в 1,52 раза. Соответственно вместо 600 КА с выводом их на орбиту 1200 км нам потребуется всего 98 КА с выводом на орбиту в 650 км. Отсюда экономическая эффективность предлагаемого метода по сравнению с системой OneWeb по критерию вес, количество КА и затраты на вывод на нужную высоту полёта будет выше 600 КА х 147,7кг х 1200км/[(98 КА х 689кг х 650км] = 2,42раза. Система 81агИпк будет иметь 12000 КА, с весом 227 кг и высотой полёта 550 км. В этом
случае экономическая эффективность от предлагаемого конструктивного решения по сравнению с системой 81агИпк, по тем же параметрам, будет лучше в 34 раза
Соответственно, теперь надо определить такое положение 15 полотен АФАР в раскладывающемся виде, при котором мы имели бы зону обслуживания по азимуту 360 градусов, а по углу места ±750относительно нормали от основной панели расположенной горизонтально к Земле с минимальными отклонениями лучей от нормали к каждому полотну. Понятно, что для обеспечения по углу места ±750с угловым изменением луча в каждом полотне ±150, оптимальным будет угловое расположение полотен по рисунку 14 (30о х 5полотен = 150о).
Рис. 14. Сечение для показа углов места для антенн по середине, «гармошка» ленты Б. - обозначает механическую петлю (шарнир, элемент крепления, поворота и фиксации каждого
полотна А ФАР)
Предположить другой раскрыв, при обозначенном оптимальном количестве лучей АФАР с использованием в ленте 5 полотен (панелей) не представляется возможным. Чтобы обеспечить отсутствие затенения со стороны
полотен ленты А и С, для реализации режима работы по принципу Iridium, их необходимо расположить вверх по углу места относительно нижнего полотна на 60 градусов, как это показано на рисунке 15.
Рисунок 15. Сечение для показа углов места по боковым антеннам (лента А и С)
В итоге для реализации работы в режиме межспутниковой связи мы имеем расположение Iridium с использованием 12 секционных АФАР для полотен антенн по рисунку 16.
Таким образом, мы показали преимущество предлагаемой конструкции при использовании её для межспутниковой связи, связи в режиме Iridium, связи Internet, в качестве радиовысотомера и локатора бокового обзора. Однако, это не все преимущества, что даёт предлагаемая система, в [17,18] показано как в предлагаемой конструкции за счёт новой обработки сигнала можно обеспечить метод навигации для каждого абонента с использованием одного КА и с увеличением количества пользователей на один КА в телефонном режиме до 6000 (4,6 кбит/сек на пользователя) -12000 (2,3 кбит/сек на пользователя) абонентов (Iridium имеет 1100 пользователей на один КА). Кроме того показан вариант использования режима локатора бокового обзора без разнесения приёма и передачи даже в конструкции «гармошки» с учётом синфазности от разных полотен АФАР. Далее, по стоимости группировка в 98 спутников связи дешевле, чем группировка в 24 спутника системы ГЛОНАСС, так как вес одного спутника системы ГЛОНАСС - К
составляет 935 кг (вес GPS-IIF 2170 кг, но с радиационной защитой). У предлагаемого варианта вес одного спутника в самом худшем случае, если ориентироваться на вес спутника Iridium не более 689 кг (вес спутника Globalstar - 550 кг). При этом для запуска спутника ГЛОНАСС требуется потратить топлива больше как минимум в 19000 км/650 км =29,2 раза. Отсюда по стоимости новая группировка ГЛОНАСС в 24 спутника будет превосходить стоимость от предлагаемой группировки в 98 КА как минимум в (24 (КА) х 935 кг х 29,2)/(98 (КА) х 689 кг) = 9,7раза. При этом, система ГЛОНАСС не имеет возможности к самоокупаемости, так как производство навигаторов захватили зарубежные фирмы и абоненты получают информацию по навигации бесплатно. С весом спутника Globalstar -550 кг при высоте 1400 км при использовании 48 КА с обслуживанием одновременно 2500 пользователей, мы имеем экономическую эффективность предлагаемой конструкции
48КА х 550кг х 1400км х 6000 пользователей/[(98КА х 689кг х 650км х 2500пользователей] =
= 2,02раза.
Экономическая эффективность от предлагаемой конструкции по сравнению с Iridium по тем же параметрам составит 4,4 раза. При сравнении локатора бокового обзора TerraSAR-X с вариантом конструкции предлагаемого устройства необходимо учесть, что КА TerraSAR-X весит 1209 кг, при высоте полёта 514,8 км и максимальной дальности зоны обслуживания 916 км. Предлагаемый вариант имеет вес 689 кг, высоту полёта 650 км и максимальная дальность зоны обслуживания может доходить до 1628 км-2500 км. Отсюда мы имеем экономическую эффективность
предлагаемого варианта в 1209кг х 514,8км х 1628км/[(689кг Х 650км Х 916км] = 2,47раз.
Кроме того, так как у нас 98 КА, то это позволяет делать повторный обзор участка не через 2,5 суток, а через каждые 2,5 х 24часа х 60минут х 916км/[(98КАкг х 1628км] = 21минуту, для чего соответствующий КА может заранее переводиться в состояние плоского общего полотна на время обзора (при увеличении времени обзора одного участка с кратковременным повышением мощности разложение в плоский вид может не потребоваться). Это важно для контроля
территории в глубине страны противника. Кроме того при разнесении приёма и передачи в режиме зондирования Земли мы будем иметь картину в реальном масштабе времени при обеспечении скрытности точек приёма информации, а это для разведки в прифронтовой зоне имеет первостепенное значение. Следовательно, мало того, что предлагаемая конструкция даёт унификацию КА различного назначения, она имеет экономическое и техническое преимущество по сравнению с такими системами как Iridium, Globalstar, OneWeb, Starlink, ГЛОНАСС, TerraSAR-X, Seasat-A.
При этом определение местоположения может быть с разрешением менее одного метра, и связь между КА и абонентом с анализом радиолокационной обстановки в месте пролёта позволяет формировать кодирование с работой КА
в диапазоне предлагаемых несущих частот на уровне шумов и отстройкой для исключения помех другим радиоэлектронным средствам. Это снимает требование по разрешению от государственного комитета по радиочастотам (ГКРЧ), если ещё учесть, что 4 августа 2021 года Госкомиссия по радиочастотам (ГКРЧ) продлила на 10 лет МТС, «МегаФон», «Билайн» и Tele2 разрешение на использование частот 700 МГц, 800 МГц и 2,5-2,7 ГГц для сотовых сетей четвертого поколения (LTE), которое истекало 8 сентября 2021 года [19], но при условии, что операторы связи будут строить новые базовые станции только на базе оборудования, включенного в реестр российской электронной продукции, причём там должно быть установлено ПО из реестра российского программного обеспечения. Данные по частотам приведены ниже в таблице 3.
Таблица 3.
Оператор Режим Диапазон (band) Частоты, Ml м
Скартел FOD 7 2500—2530 / 2620—2650
FDD 20 847—854.5 / 806—813.5
МегаФон FDD 7 2530—2540 /2650—2660
Т t • С • 38 2570—2595
Вымпелком FDD 20 854,5-862 / 813,5-821
( KU 7 2550—2560 / 2670—2680
FDD 20 839,5-847 / 798,5—806
МТС F ПО 7 2540—2550 / 2660—2670
TDD 38 2595—2620
Ростелеком f on 20 832—839,5 / 791—798,5
FDD 7 2560—2570 / 2680—2690
Основа Телеком TDD 40 2300—2400
Понятно, что у указанных фирм нет ни одной своей разработки по обработке радиосигнала, унификации, а также нет новых предложений по конструкции. Кроме того, того невозможно поставить вышки в океане, а также они не нужны в тайге и пустыне. Уязвимость вышек обнаружилась и при ведении боевых действий. Предлагаемая конструкция может быть сопряжена в городах по диапазону с устройствами указанных фирм и нам нет необходимости работать там, где уже есть покрытие от устройств указанных фирм. Использование нами диапазона от 2,4 ГГц - 2,7 ГГц позволит расширить возможности по приёму потока информации даже для мобильных устройств Globalstar, так как приём сигналов от мобильных устройств на КА предполагаемой конструкции возможен и в L-диапазоне 1,6 ГГц, что достигается соответствующим подбором фаз для каждого элемента патч. Дополнительно, есть возможность использования данной конструкции расположения антенн для постановки направленных помех системе GPS в режиме ретрансляции сигналов со спутников GPS, закрывая тем самым нужную область, что не даст беспилотным летательным аппаратам (БПЛА) ориентирования на местности.
Таким образом, предлагаемая конструкция имеет следующие преимущества:
1) Гибкое разложение панелей 15 полотен АФАР (рисунок 9) по рисункам 12,14-16 с
разбиением каждого полотна АФАР на 4 подАФАР по рисунку 11, с параметрами антенны как у антенны Iridium, позволяет использовать КА НССС в многофункциональном режиме с унификацией узлов в различных режимах связи, навигации, радиовысотомера, межспутниковой связи, а также в качестве локатора бокового обзора с улучшением характеристик по сравнению с зарубежными аналогами.
2) За счёт разложения полотен антенн появилась возможность использования стороны обращённой к солнцу в качестве солнечной панели, что также улучшает энергетические характеристики КА.
3) При варианте многофункционального использования КА НССС появилась возможность сократить количество КА в группировке до оптимума с уменьшением засорённости космоса.
4) Совмещение режимов навигации и связи позволяет обеспечить скрытность работы устройства на уровне шумов с отсутствием помех другим устройствам, работающим в этом диапазоне.
5) Появилась возможность оплачивать услуги навигации непосредственно по запросу о местоположении.
Таким образом, существующие варианты КА, для обеспечения Internet, пошли по пути увеличения значения несущих частот с
расширением полосы пропускания для многочастотного режима (для OneWeb это полоса в 225 МГц) с увеличением энергетического потенциала за счёт коэффициента усиления антенн абонентов при приемлемых размерах, а также было увеличено количества КА в группировке. При этом вариант многофункционального использования вообще не рассматривался. В предлагаемой конструкции несущая частота выбиралась исходя из полосы пропускания для Internet и использования в многофункциональном режиме для целей навигации, локатора бокового обзора и радиовысотомера. Здесь, чтобы сохранить количество КА близкое к количеству КА в Iridium с обслуживанием аналогичных подспутниковых пятен и наличием полосы пропускания в 300 МГц потребовалось отказаться от многочастотного и многолучевого варианта за счёт диаграммо-образующих схем Батлера и Бласса, что повышало потери в 1,6 раза. При этом, чтобы обеспечить многолучевой вариант, с наличием аналогичных характеристик по обслуживанию абонентов и наличием приемлемых размеров антенн под обтекателем ракеты, была выбрана раскладывающаяся конструкция антенн в космосе. В этом случае мы имеем возрастание количества антенн в 2,5 раза с 6-ти до 15, но при этом используется гибкий подход установки луча в направлении на абонента за счёт последовательного обслуживания во времени абонентов с переходом на более высокую несущую частоту, что повышает коэффициент усиления антенны и позволяет заменить многочастотный режим на одночастотный с улучшением к.п.д в 1,625 раз. Действительно, нет необходимости иметь луч в том направлении, где в данный момент времени не осуществляется приём и передача. Так как таких последовательных во времени слотов в Iridium от четырёх до восьми, то в 15 направлениях при 15 полотнах АФАР нам необходимо направить луч в соответствующие 4-8 направлений с разнесением во времени. Это будет эквивалентно 60-120 лучам одновременно. Напомним, что в Iridium диаграммо-образующая схема формирует одновременно 8 лучей, но необходимость восьми слотов, дающих последовательный приём и передачу во времени приводит к бесполезности применения многолучевой схемы Батлера. Так 8 последовательных слотов с учётом перехода на несущую частоту в 2 раза выше приведёт к увеличению коэффициента усиления антенны в 4 раза при той же площади антенны, и это позволит уже использовать не 8 последовательных слотов, а 32. При этом, так как в Iridium в одной АФАР из шести при 8 лучах разделённых по частоте требуется 64 Вт по 8 Вт в импульсе на один луч, то мы можем поднять мощность излучения в одной луче предлагаемой конструкции также в 8 раз, и увеличить при этом количество последовательных слотов также в 8 раз до 256. В этом случае на одного абонента будет приходится 130 мксек. Соответственно при наличии 15 полотен АФАР мы будем обслуживать 3840 абонентов. Если исходить
из 4 последовательных слотов вместо 8-ми, то всё равно мы будем иметь обслуживание 1920 абонентов вместо 1100 как в Iridium. Кроме того, обслуживание абонентов при передаче сигналов от КА будет идти в одночастотном режиме без потерь на диаграммо - образующую схему Батлера, и общий выигрыш в 1,6*1,625=2,6 раз позволяет компенсировать проигрыш в 2,5 раза от увеличения количества антенн. Понятно, что дальнейшее увеличение количества полотен антенн больше 15 уже не будет оптимальным с точки зрения энергопотребления и веса, а меньшее количество ухудшает характеристики по чувствительности из-за уменьшения используемой площади антенн в дальней зоне обзора с уменьшением количества обслуживаемых абонентов и не позволяет достичь характеристик для многофункционального применения. Кроме того, деление полотна на 4 подАФАР позволяет обеспечить увеличение потока информации с объектами на Земле (шлюзовые станции), когда нет требований к энергопотенциалу. При этом мы ещё конечно не учитывали преимущество от использования направленной антенны абонента в 5 дБ (3раза). Отметим, что при приёме сигналов на КА от абонентов, можно использовать 8 ФАПЧ параллельно по 8 каналам, без увеличения мощности для передатчиков абонентов в 8 раз за счёт увеличения времени приёма. При этом время на один последовательный слот при передаче сигнала от абонента на КА будет равен 1 млсек. Это позволяет уменьшить среднюю мощность передатчика абонента в 8 раз до 80 млВт. Надо отметить, что последовательный режим обслуживания по угловым направлениям не сказывается на режиме первоначального «дозвона», так как перед звонком устройство абонента входит в режим ожидания первоначального запросного сигнала от КА, который повторяется каждые 1 -5 секунд (время вхождения в связь для Globalstar 10 секунд), и здесь может использоваться луч сразу по 60-ти направлениям с меньшим коэффициентом усиления, но, с временем излучения на одной частоте в 4 раза больше с кодовой определённой последовательностью. После получения этого сигнала даётся ответный кодовый сигнал в течение 8 - 9 млсек (это время прохождения 2500 км). Надо отметить, что у нас на одном полотне находится 20 быстродействующих программно-логических интегральных схем (ПЛИС), которые способны выделять по два кодовых сигнала одновременно и это означает, что мы можем принимать в один момент времени до 40 звонков. При 15 АФАР в КА количество одновременно принимаемых звонков возрастает до 600. Это практически половина всех абонентов обслуживаемых в Iridium в разговорном режиме. Таким образом, мы видим преимущество раскладывающейся предлагаемой конструкции по сравнению с конструкцией системы Iridium с получением улучшенных радиотехнических параметров. Раскладывающаяся конструкция позволяет также достичь коэффициента усиления
общей антенны КА сопоставимого с коэффициентами усиления локатора бокового обзора и радиовысотомера. Одновременно, раскладывающаяся конструкция позволила поднять коэффициент усиления антенны КА для связи в Internet в направлении на абонента, и тем самым уменьшить коэффициент усиления направленной антенны абонента с наличием приемлемых размеров (аналогичных антеннам абонентов OneWeb и Starlink). При этом понижение несущей частоты для антенн предлагаемой конструкции по сравнению с несущей частотой для Interenet в системах OneWeb и Starlink даёт преимущество в повышении чувствительности за счёт площади антенн КА при том же коэффициенте усиления. Соответственно уменьшается поглощение радиоволн в среде. Кроме того, широкий диапазон частот позволяет исключить мешающее воздействие на другие радиоэлектронные средства, работающие в данном диапазоне частот. Также появляется возможность отстройки от помех по боковым лепесткам.
Следовательно, проведённый анализ показывает, что предлагаемая конструкция превосходит все существующие аналоги и обеспечивает многофункциональный режим.
Литература:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Globalstar https://ru.wikipedia.org/wiki/OneWeb https://ru.wikipedia.org/wiki/Starlink https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D1%80 %D0%B8%D0%B4%D0%B8%D1%83%D0%BC_(% D0%BA%D0%BE%D1%81%D0%BC%D0%B8%D1 %87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B 9_%D0%B0%D0%BF%D0%BF%D0%B0%D1%80 %D0%B0%D1%82)
Мамонкин И.Г. Усилительные устройства. Учебное пособие для вузов.Изд.2-е, доп. и перераб. М.,» Связь»,1977, стр.235.
Бартон, Г. Вард. Справочник по радиолокационным измерениям. -М.: Сов. радио. 1976, стр.316.
http://terraview.ru/articles/11/terra-sar-x Дубровка Ф.Ф., Мартынюк С.Е. Полосковая антенная решётка с воздушным заполнением. Вюник Национального технiного ушверситету Украини «КПП» Серiя-Радiотенiка.
Радiоапаратобурудования. 2009, №38.
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D0%B8 %D0%BA%D0%B0%D0%B4%D0%B0_(%D1%81 %D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D 0%B0)
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B0 %D1%82%D1%87-
%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%B5%D0%BD% D0%BD%D0%B0
В.И. Тихонов. Статистическая радиотехника. -М.: Сов. радио. 1966,стр.473.
https ://sccs.intelgr.com/archive/2018-04/01-Makarenko.pdf?ysclid=lbnb4jijq8295855268
https://present5.com/precizionnaya-radiovysotometriya-iz-kosmosa-zadachi-reshaemye-precizionnym-
radiovysotomerom/?ysclid=l7y334fiot328583083
https://mai.ru/upload/iblock/eef/solnechnye-i-akkumulyatornye-batarei-oao-_saturn_-na-kosmicheskikh-apparatakh-s-elektronnymi-dvigatelyami.pdf?ysclid=lbep4x2a16589001425
Нгуен Ван
Куан,М.А.Маркелова,В.И.Веремьев. Анализ
возможности использования спутниковых сигналов подсвета для паасивной радиолокационной системы. Науч.журнал. «Вестник новгородского государственного университета» №4(116), (2019).стр.86-91. https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-vozmozhnosti-ispolzovaniya-sputnikovyh-signalov-podsveta-dlya-passivnoy-radiolokatsionnoy-sistemy/viewer
http ://lib.tssonline.ru/articles2/sputaik/analiz-mnogoluchevoy-rabochey-zony-sputnikov-oneweb
Рысин.А.В,Бойкачёв, В.Н,Наянов А.М. Способ быстрой фазовой автоподстройки частоты для оптимальной когерентной обработки
радиосигналов в низкоорбитальных спутниковых системах связи (НСС). Науч.журнал. «Sciences of Europe»(Praha,Czech Republic)/2021-.№80(2021) vol.1,p.52-70.
Рысин.А.В., Бойкачёв В.Н., Наянов А.М. «Евразийский союз учёных.» Серия: Технические и физико-математические науки. Том.1, №07 (100) (2022), стр.22.
https://www.vedomosti.ru/technology/articles/20 21/07/09/877491 -sotovih-operatorov-obyazhut-postroit-4g-v-
selah?utm_campaign=newspaper_9_7_2021&utm_me dium=email&utm source=vedomosti.
