CC BY
10
УДК 681.7.013; 621.391.812.61 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-6-108-113
СПОСОБ ОЦЕНИВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ КВАНТОВО-ОПТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ В СОСТАВЕ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ НАЗЕМНОЙ СЕТИ
А.А. Закутаев, А.В. Емельянов, А.Б. Лесив
Проведен анализ особенностей функционирования наземных квантово-оптических средств передачи данных по линии «земля-космос». Предложен способ оценивания их эффективности в составе распределенной наземной группировки, осуществляющих передачу данных на борт КА, с учетом распределения облачных образований в районе их расположения. Рассмотрены вопросы применения предложенного способа для произвольного состава распределённой наземной группировки квантово-оптических средств и космических систем.
Ключевые слова: квантово-оптическая система, эффективность, передача энергии, распределенная сеть.
Одним из важных направлений исследований в области освоения и использования околоземного космического пространства является передача энергии на борт космического аппарат (КА). Указанное направление связано с решением ряда прикладных задач, одной из которых 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]. Неблагоприятным фактором, влияющим на эффективность передачи информации наземными квантово-оптическими средствами (КОС) на борт КА, является атмосфера Земли. В настоящее время известно большое количество способов повышения помехоустойчивости оптических линий связи [3]. 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 [4-6]. 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.
Выбор показателя эффективности функционирования КОС. 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 возможно их функционирование, будет меньше области прямой видимости и может быть представлена полусферой, ограниченной определенным углом места а [7]. 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).
Рис. 1. Схема формирования участков траектории КА, перекрываемых облачными образованиями
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 указанных допущений, размер проекции облачных образований на трассу полета КА исходя из подобия треугольников Охпуп и Ох'пу'п может быть рассчитан как:
Х'пУ'п = ОХп = ОУ'п , ХпУп Охп ОУп '
где О - точка стояния КОС.
Поскольку значение объема передаваемой информации не зависит от длины участка траектории КА, а определяется только временным интервалом сеанса, то эффективность КОС Qкoc может быть определена как отношение интервала времени -пот, на котором потенциально была возможна передача данных, к суммарному интервалу времени Тфакт, в течении которого на трассе оптического излучения отсутствовали облачные образования:
— ^ ¿факт г
Qкoc = =^-. (!)
- пот - пот
где ¿факт г - длительность г-ого интервала времени, в течении которого на трассе распространения оптического излучения отсутствовали облачные образования.
Для расчета указанных в выражении (1) интервалов необходимо наличие следующих исходных данных:
- параметры траектории КА (О, г, Ю, а, е, и);
- координаты точки стояния КОС, например, в геоцентрической системе координат Окос = (Хкос, Укос, Zкoc);
- минимальное значение угла места а, при котором возможна передача
данных;
- координаты начал и концов сечений облачных образований относительно траектории КА {(Хг 1, Уг 1, Хг 2, Уг 2), (Хг+1 1, Уг+1 1, Хг+1 2, Уг+1 2), ..., (Хп 1, Уп 1, Хп 2, Уп 2)}.
Для применения предложенного способа 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° [8]. При указанном значении угла проекция границ зоны на поверхность Зем-
109
ли, 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 [4-6]. Так, например, мобильный 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 период до нескольких часов (рис. 2) [9]. Наличие 2-х 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
2 Зона обзора, град: по азимуту по углу места 0-360 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
б
Рис. 2. Графическое представление возможностей по получению и визуализации метеорологической информации в районе расположения МРЛК БЗ «Монокль»: а — облачность; б — скорость ветра
110
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.
Предложения по порядку оценивания эффективности функционирования КОС в составе наземной распределенной сети
На основе результатов исследований, представленных выше, рассмотрим задачу оценивания эффективности функционирования КОС в составе наземной распределенной сети. С точки зрения особенностей предлагаемого подхода порядок расчета временных интервалов ¿факт i не изменится даже при наличии нескольких КОС в области, в которой возможна передача данных. При этом расчет показателя Qkoc должен быть проведен для каждого КОС, а выбор наилучшего варианта осуществлен путем перебора и поиска его максимального значения Qkoc max.
Особый интерес 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, расчет показателей Qкoc должен быть осуществлен методом полного перебора возможных вариантов передачи данных: для каждого КОС в отношении каждого КА.
Результаты, полученный по итогам расчета, могут быть представлены в виде
табл. 2.
Таблица 2
Пример результатов расчета эффективности КОС при произвольном составе __их распределенной наземной сети и КС_
Номер КОС Номер КА
КА-1 КА-2 КА-M
КОС-1 Qkoc 1 1 Qkoc 1 2 Qkoc 1 m
КОС-2 Qkoc 2 1 Qkoc 2 2 Qkoc 2 m
КОС-R Qkoc r 1 Qkoc r 2 Qkoc r m
В зависимости от целевой задачи и перечня имеющихся ограничений, критерии выбора наилучшей «стратегии» передачи данных могут отличаться.
Заключение. Предложен способ оценивания эффективности как 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 использования вышеуказанного способа. Степень его 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 при проведении исследований по оцениванию эффективности применения наземных КОС в составе систем, функционирование которых связано с доставкой энергии на борт космических аппаратов, например, перспективных систем «подзарядки» аккумуляторных батарей.
Список литературы
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 назем-но-космической сети связи военного назначения // Системы управления, связи и безопасности. 2015. № 3. С. 52 - 82.
3. Алишев Я.В. Предельная пропускная способность и потенциальная помехоустойчивость оптических сетей и систем телекоммуникаций // Доклады БГУИР. Минск: Белорусский ГУИР. 2004. № 2. С. 44 - 56.
4. 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.
5. Ref. B211184RU-A©Vaisala Метеорологические станции для метеорологического применения. 2013. 8 с.
6. «Модернизация метеорологической и актинометрической сетей Росгидромета: итоги и перспективы» [Электронный ресурс] URL: http://irkugms.ucoz.ru/ news/ modernizacija_meteorologicheskoi_i_aktinometricheskoi_setei_rosgidrometa_itogi_i_perspe ktivy/2013-09-18-869 (дата обращения: 03.04.2017).
7. 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.
8. 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.
9. 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.
Закутаев Александр Александрович, начальник лаборатории Военного института (научно-исследовательского), zakutaev.a@,mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Емельянов Александр Владимирович, начальник лаборатории Военного института (научно-исследовательского), slash1@inbox.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Лесин Андрей Богданович, магистр, 228lesiv@gmail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
METHOD FOR ESTIMATING THE EFFICIENCY OF A QUANTUM-OPTICAL MEDIUM IN THE COMPOSITION OF A DISTRIBUTED GROUND NETWORK
А.А. Zakutaev, A.V. Emelyanov, A.B. Lesiv
The analysis of the features of the functioning of ground-based quantum-optical data transmission facilities along the "earth-to-space" line. Method for estimating the efficiency of quantum optical systems in the composition of a distributed ground network. A method is proposed for evaluating the efficiency of ground-based quantum optical system as part of a distributed ground constellation that transmit data to the spacecraft, taking into account the distribution of cloud formations in the area of their location. The issues of application of the proposed method for an arbitrary composition of the ground constellation of quantum optical systems and space systems are considered.
Key words: quantum optical system, efficiency, power transmission, distributed network.
Zakutaev Alexander Alexandrovich, head of laboratory of Military institute (research), zakutaev.aamail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy of Mozhaisky,
Emelyanov Alexander Vladimirovich, head of laboratory of Military institute (research), slashla inbox.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy of Mozhaisky,
Lesiv Andrey Bogdanovich, master, 228lesiv@gmail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy of Mozhaisky
УДК 681.23 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-6-113-119
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ЗОНД ДЛЯ ТОМОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Е.Е. Майоров, А.А. Сорокин, В.П. Пушкина, С.В. Удахина, В.Б. Коцкович, А.В. Арефьев
Исследуется возможность использования автоматизированного низкокогерентного оптического зонда в исследовании инородных тел в подповерхностном слое кожного покрова человека in vivo. Показаны актуальность и перспективность применения, автоматизированного низкокогерентного оптического зонда, так как измерения можно проводить с высокой точностью. В работе определен объект исследования (область шеи с повреждением и без повреждения), а также приведена оптическая схема автоматизированного оптического зонда. Получены результаты исследований в мягких биотканях человека in vivo на глубине до 0,5 мм с разрешением 10 мкм. Представленные распределения коэффициента отражения K по глубине кожного покрова получены в результате усреднения измерений в 2000 точках поверхности участка кожи диаметром 4 - 5 мм.
Ключевые слова: оптический зонд, длина когерентности, томография, источник белого света, интерферометр Майкельсона, коэффициент отражения.
В настоящее время автоматизированные оптические методы и средства измерений представляют огромный интерес для промышленности, науки, а также экологии, биологии и медицины [1, 2]. Автоматизированные оптические приборы и системы, основанные на методе геометрической оптики (микроскопы, рефрактометры и т.д.), успешно применяются в медицине для решения разного рода задач [3, 4].
113
