CC BY
216
ЗАДЕРЖКИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СИГНАЛОВ В СЕТЯХ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ
DOI 10.24411/2072-8735-2018-10265
Алешин Виктор Сергеевич,
МТУСИ, Москва, Россия, abc082012@yandex.ru
Догаев Станислав Георгиевич,
МТУСИ, Москва, Россия, sdogaev@mail.ru
Ключевые слова: сети спутниковой связи, космический аппарат, земная станция, орбитальная группировка, спутниковая радиолиния, задержка передачи сообщений, задержка распространения сигнала, наклонная дальность, угол места.
Проводится теоретическое сравнение спутниковых сетей связи на основе различных орбитальных группировок по критерию суммарного времени задержки распространения сигналов в космическом и наземном сегментах сетей. Для корректного сравнения предложено использовать средневзвешенное значение времени распространения радиосигнала, учитывающее зависимость численности земных станций от наклонной дальности от спутника. Приведены соответствующие зависимости среднего времени распространения сигнала в радиолиниях спутниковой связи для разных высот орбитальных группировок от заданного минимального угла места видимости спутника.
Сравнение проводилось применительно к различным вариантам построения негеостационарной сети спутниковой связи в интересах Российской Федерации, в том числе: на высокоэллиптической орбите ("Молния") с апогеем около 40 тыс. км, а также на средней и низких круговых орбитах высотой 8000, 1400, 780 и 600 км. При этом предусматривалось размещение всех земных шлюзовых станций только на территории материковой части России. Показано, что уменьшение высоты орбитальной группировки спутников более чем в 50 раз (с соответствующим увеличением числа спутников в 10-20 раз) приводит к уменьшению среднего времени распространения сигналов в сети спутниковой связи всего в 4-5 раз.
Таким образом, опровергается распространённое мнение, что задержки в передаче сообщений существенны только для геостационарной, высокоэллиптической, в меньшей степени для средней, но не для низких орбит. На конкретных примерах показано, что данное утверждение справедливо только для радиолиний спутниковой связи, но не для сетей, включающих в себя как многоспутниковый орбитальный, так и наземный сегменты.
Информация об авторах:
Алешин Виктор Сергеевич, к.т.н., с.н.с., ведущий научный сотрудник МТУСИ, Москва, Россия Догаев Станислав Георгиевич, к.т.н., начальник научного отдела МТУСИ, Москва, Россия
Для цитирования:
Алешин В.С., Догаев С.Г. Задержки распространения сигналов в сетях спутниковой связи // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2019. Том 13. №5. С. 4-11.
For citation:
Aleshin V.S., Dogaev S.G. (2019) Signals propagation delays in satellite communication networks. T-Comm, vol. 13, no.5, pр. 4-11.
(in Russian)
T-Comm ^м 13. #5-2019
Введение
Одним из основных критериев качества спутниковой связи являются задержки передачи сообщений, обусловленные, в основном, значительным временем распространения радиосигнала между земными станциями (ЗС)1 и космическими аппаратами {К*А). О™ задержки осложняют, а, зачастую, делают невозможными не только речевую связь в диалоговом режиме, но и передачу данных (ПД). В частности, многие протоколы ПД, особенно протоколы с подтверждением приёма пакетов, такие как широко распространённые протоколы Х.25 и TCP-IP, сильно снижают пропускную способность канала с задержками. Задержки также крайне критичны для систем дистанционного управления беспилотными транспортными средствами и многих других практических приложений.
Распрос1ранено мнение, что задержки передачи сообщений существенны только для геостационарной орбиты (ГСО), высокоэллиптнческой орбиты (ВЭО), а меньшей степени для средне высотных спутников, но не для низких орбит. Однако, как будет показано ниже, это утверждение справедливо только для радиолинии спутниковой связи; в сетях спутниковой связи (СеСС) ситуация несколько иная.
Быстрые изменения задержек во время сеансов связи, присущие именно нюкоорбнтальным спутниковым группировкам, приводят не только к возникновению 'эффекта Доплера, существенно затрудняющему приём радиосигналов. Они также резко снижают эффективность работы большинства телекоммуникационных протоколов, в первую очередь высокопроизводительных синхронных протоколов радиодоступа, таких как, например, S-ALOHA [3|, Примерно так же, как задержка распространения радиосигнала, меняется и его затухание в спутниковой радиолинии, что наряду с другими негативными факторами, превращают её в низкокачественную линию связи с явно выраженными переменными параметрами.
Основные соотношения и зависимости
В спутниковой радиолинии время распространения сигнала t зависит от высоты орбиты h над поверхностью земли и текущего угла места наблюдения КА е ЗС а (далее «угол места») (рис. 1). Оно равно / = L/C, где с - скорость света в вакууме, a L - наклонная дальность, то есть текущее расстояние между КА и ЗС. По теореме синусов:
£ = (/?,+/i)sin//coscr; при 0 <а < л! 2, (1)
где R}~ радиус земного шара, а у- геоцентрический
угол, образуемый двумя прямыми, проведенными из центра Земли к точкам размещения ЗС и подспутниковой точке (ПСТ) на сё поверхности [2]:
h
у = arccos((cosa) / (--И)) - or; (2)
1 Под ЗС здесь понимаются не только стационарные, но н подвижные станции спутниковой связи наземного, морского и воздушного базирования, а также абонентские терминалы.
а - arctg((cos у———) / sin у. (3)
R-. + /)
Рис. 1. Схема расположения КА на околоземной орбите относительно земной станции
Характерные зависимости времени распространения сигнала и спутниковых радиолиниях на участке между ЗС и КА от угла места для разных высот круговых орбит над поверхностью Земли показаны на рис. 2. Справа указаны примеры спутниковых систем связи и навигации, спроектированные для этих высот: Yatiny [5j; действующие Indium-Next (США) и «Гонец-Д1 М» (Россия) [2]; «СКИФ» (Россия) [61 и ОЗЬ (Великобритания) [4, 6]; Глонасс (Россия) и GPS (США).
10 20 30 "10 50 60 70 ВО 90 Угол места и,
Рис, 2. Зависимости времени распространения сигнала в спутниковых радиолиниях между ЗС и КА от уг ла места
Как видно из приведенных выше зависимостей, время распространения сигнала в радиолиниях инзкоорпиталь-ных спутниковых систем сильно зависит от угла места: от 2-х до 6,5 мс (более чем в зри раза для орбиты высотой 600 км над поверхностью Земли); от 5-ти до 12,0 мс (более чем в два раза для орбиты высотой в 1,5 тыс. км). Этот эффект уменьшается по мере увеличения высоты орбиты К А.
Однако, для сравнения вариантов построения СеСС этого недостаточно, поскольку не учитываются дополнительные задержки в сетях, в том числе в их наземных сегментах, а также тот факт, что чем больше удаление от ПСТ, а, следовательно, и наклонная дальность, тем больше ЗС находится на этом удалении. Поэтому для корректного сравнения следует использовать не среднее арифметическое, а средневзвешенное значение задержки времени распространения сигнала. Далее именно оно будет подразумеваться под средним значением.
Все системы спутниковой связи характеризуются минимальным углом места а: • при котором они ещё нормально функционируют. Этот угол зависит от высоты размещения антенны ЗС, рельефа местности, где она находится, наличия затеняющих её объектов и других факторов. С другой стороны, минимальный угол места определяется числом КЛ на орбите - чем больше К А, тем больше и , что, кстати, выгодно и по «энергетическим соображениям» - чем он больше, тем надёжнее связь [4].
Если принять вполне очевидное для данного исследования допущение о равномерном распределении ЗС по поверхности Земли, то число ЗС, находящихся на разном удалении от ИСТ, прямо пропорционально радиусу г окружности, описываемой лучом наклонной дальности на поверхности земного шара для того или иного угла места, Следовательно, среднее (средневзвешенное) значение задержки распространения сигнала в спутниковой радиолинии между КА и ЗС определяется в виде:
Г = - \ Ца)р{а)с!а=~ \ Цу)р{у)с}у, (4)
с * с 1
«.л »
где р(а) и р{у) - плотности вероятностей нахождения ЗС в ¡цаклОНЯОН дальности от К А при угле места а или геоцентрическом угле у, а К™ — максимальный геоцентрический угол, соответствующий заданному минимальному углу места (Йт)п~
Поскольку площадь поверхности сегмента сектора сферы 5 =2тгЯ\(\ -соз/), то вероятность нахождения земной станции на поверхности такого сегмента равна Р{^) = (1-созу)/(1-со5/пт), а плотность распределения этой вероятности р(у) — .
Подставляя её, а также выражения (1) и (3) в (4), получим:
Л.+А *
( =■
йпг;'
с(1 -соб/^} I сое(«(/))
<1у =
тпч
I
биг/
с(1 со;3/т[.л) о сод(агс1ц((соа^--^^у)/$1п/))
■Ну.
Учитывая, что ео5(агс1§х) = 1 / л/1 + *
I =.-
у, II + ((С£®)?-
Дз
л, + Н
УвШ/)2 с1у.
Зависимости средиих значений времени распространения сигнала между КА и ЗС от минимального угла места апЛп~ 10°...80°, полученные методом численного
интегрирования по данной формуле, для нескольких высот круговых орбит показаны на рис. 3 сплошными линиями (ось ординат в логарифмическом масштабе).
Как видно из графиков, при достижении минимального угла места в 40...50° дальнейшее его увеличение уже не даёт существенного сокращения времени задержки распространения сигнала в спутниковой радиол и нии; это необходимо учитывать при проектирован и и СеСС.
61.00 МС
32.00
16,00
8.00
2,00
1.00
Зысош орбиты; 8000 км
'— 1400 КМ
1 _
- «С* 780 км
■ 600 км [ 1
4,00 ^ —^^^-
10
го
эо 40 50 ее
М кким шя. ний угол места (гр ял.)
70
30
Рис. 3. Зависимости средних значений времени распространения сигнала между ЗС и КА от минимального угла места
Зона обслуживания, формируемая одним К А на поверхности Земли, представляет собой круг, радиус которого косвенно (через геоцентрический угол) зависит от минимального угла места и высоты орбиты:
г = Я.1*тгтк-
Непосредственная ретрансляция сигнала через один спутник возможна только для ЗС, находящихся в пределах обслуживаемой этим К А зоны. Для организации Спутниковой связи на обширных территориях, а тем более по всему земному шару, то есть в глобальном масштабе. необходимо создание орбитальной группировки (ОГ) КЛ, образующей орбитальный сегмент СеСС. При этом для низко- и сред невысотных ОГ спутники должны быть расположены на круговых орбитах в нескольких орбитальных плоскостях (ОП) с наклонением последних к плоскости экватора близком к полярному (что необходимо для обслуживания высокоширотных территорий земного шара). Это особенно важно для такой северной страны, как Россия.
Низкие круговые орбиты
В качестве примера на рис. 7 приведена схема построения низкоорбитальной СеСС е межспутниковым и линиями, образованными только в ОП, иллюстрирующая распределение средних -задержек распространения сигнала на всех участках сети (карта восточного полушария Земли показана в равнопромежупютой цилиндрической проекции).
При высоте орбиты в 1400 км и минимальном угле места 10" для организации связи в глобальной масштабе О Г должна состоять из 6-ти ОП по 8 К Л в каждой плоскости (всего 48 КА). При этом расстояние между соседними КА на одной орбите в градусной мере составляет ровно 45°, протяжённость каждой МСЛ - около 6 тыс. км, а время распространения радиосигнала по ней, определяемое формулой (5), - /мсл = 20 мс.
Протяжённость России (с учётом Арктического региона) в градусной мере по меридиану 48° я.д.. проходящему через самую южную её точку — 41° е.иц составляет ДЧ'|П = 45° — столько же, сколько и расстояние между
соседними КА на орбите. Следовательно, при передаче сообщений в пределах России сигналы по МСЛ будут ретранслироваться ¡te более чем через I ...2 КА, что займёт от 0 до 20 мс, в среднем fMCJtрф ~ 10 мс; в глобальном масштабе, как следует из рис. 5, — через t ...5 KA, к среднем , ~40 мс. Увеличение числа КА на каж-
дой орбите, как видно из рис. 5, приведет только к небольшому росту зтнх значений.
Северное но широте и весьма протяжённое но долготе положение России позволяют развернуть весь наземный сегмент СеСС в пределах её материковой территории. Это обусловлено тем, что, по мере приближения к полюсам, расстояние между соседними орбитами (как и между меридианами) сокращается пропорционально косинусу широты места тш •
Шлюзовые станции могут быть размещены, как показано на рис. 7, всего в трёх точках, например, в Подмосковье (56° с.un, 37,5° в.д.) - LLIC1, в районах Красноярска (56° с.ш.. 93° в.д.) - LUC2 и Хабаровска (48,5° с.ш., 135° в.д,} - LUC3 (в относительной близости от узлов магистральных сетей «Ростелекома» и других российских операторов связи). При этом расстояние но долготе между крайними западной - 111С1 и восточной - ШСЗ станциями составит дуд = 135 - 37,5 = 97,5°.
Как видно из рис, 6 и соотношений (2) и (3), при минимальном угле места а - =10° эти ШС обеспечивают
- ел
непрерывное сопровождение хотя бы одного К А на каждой из 6-ти орбит данной ОГ. При этом каждая ШС может обслуживать дне смежные орбиты, для чего должна быть оснащена как минимум четырьмя антенными постами с узконаправленными следящими антеннами, непрерывно сопровождающими К А, находящие в зоне её радиовидимости.
Протяжённости кабельных магистралей как между Москвой и Красноярском, так и между Красноярском и Хабаровском составляют немногим более 4 тыс, км. Учитывая, что длины оп тических волокон за счёт их скру тки на 1...5% больше длин самих кабелей BOJIC, а скорость распространения света в кварцевом стекле, в 1,5 раза меньше, чем в вакууме, можно считать, что задержка распространения сигнала на каждом участке между соседними ШС (lllCl—UICí, 11 1С2-ШСз) составит в среднем
'воле = 25 МС-
Время распространения радиосигнала между КА и ЗС, как и между КА и ШС, зависит от их текущего взаимного расположения и для ormiii - 10" не превышает !2 мс; среднее время задержки в экваториальной области t as 9 мс, в средних широтах /,ш « 8 мс.
При оценке времени задержки распространения сигнала в СеСС следует различать случаи передачи сообщении в какой-либо центр обработки данных (ЦОД), расположенный, например, ¡з московском регионе, где находится LIlCi, и между двумя случайно выбранными ЗС.
Как н в орбитальном сегменте СеСС, задержка распространения сигнала, передаваемого по территории российского региона в ЦОД или в другую ШС но ВОЛ С наземного сегмента сети, зависит от конкрет ных условий и колеблется в пределах от нескольких единиц до 50 мс; В среднем она может быть принята равной 25 мс. Среднее время задержки распространения сигнала в данной СеСС при передаче информации в ЦОД в пределах территории России составит:
h РФ = 21т+ТМСП?Ф +'W= 51 МС' *6>
а из произвольной точки земного шара -
5 Гл = ~m + V;I Гл + %алс = 82 мс- <7>
При Оценке величины задержки распространения сигнала При обмене сообщениями между двумя произвольно расположенными ЗС следует учитывать, находятся ли они в зоне обслуживания КА одной или разных орбит, В первом случае, как видно из рис. 7 задержка складывается из среднего времени распространения на участках ЗС-КА и КА-ЗС, а также между КА, находящимися на одной орбите; во втором - она, естественно, удваивается и добавляется средняя задержка в наземном сегменте сети.
Вероятность обслуживания взаимодействующих между собой ЗС спутниками, находящимися на одной орбите, обратно пропорционально числу орбитальных плоскостей.. Следовательно:
\ и* - + \КЛ ,Ф ) + 0-ф(4тш + 2Тмсл м, + W )* (8)
Для рассматриваемого примера Р=1/6. а /, № — 68 мс.
При передаче сообщений в масштабах всего земного шара за счёт увеличения числа переприёмов между КА средняя задержка возрастёт до 127 мс.
Орйнгальм ми и I" . кос I и
Рис. 7, Пример схемы построения низкоорбитальной СеСС
Аналогичные расчёты проведены и для ОГ из 96 КА (8 ОП, по 12 КА в каждой) на высоте 600 км. При этом учитывался тот факт, что при указанной высоте ОГ для непрерывного отслеживания всех 8-ми орбит необходимо добавить еще две ШС на западе (например, в Калининградской обл.) и на востоке России (Камчатка). Протяжённость соединяющей их ВОЛС возрастёт примерно на 20%, а усреднённая задержка распространения сигналов по ней -до 30 мс.
Результаты расчётов приведены ниже в табл. 1. Из них, в частности, следует, что даже при двукратном увеличении КА в ОГ и таком же уменьшении высоты её орбит время задержки распространения сигнала по СеСС сокращается в среднем не более чем на 10.. 12 %. Это объясняется тем, что значительную долю времени занимает передача информации по наземному сегменту СеСС (как с целью доведения её до конечного потребителя, так и для связи между собой КА на разных орбитах); для глобальной зоны обслуживания превалируют составляющие задержки, обусловленные передачей сигналов между КА.
Очевидно, что это явление сохранится и при дальнейшем умощнении ОГ до сотен и тысяч К А - увеличение минимального угла места видимости спутников приведёт к некоторому снижению средней задержки (до определённого предела) только на участке ЗС-КА, но повысит её значение в межспутниковой связи. Таким образом, умошнение ОГ низкоорбитальных СеСС с целью уменьшения задержек распространения не даст ожидаемых результатов и достаточно бесперспективно.
Средняя круговая орбита
Для средневысотных орбит зона обслуживания поверхности Земли каждым КА при том же угле места намного больше. Например, при высоте орбиты около 8 тыс. км, характерной для вышеупомянутого российского проекта «СКИФ» [6], диаметр зоны обслуживания при а = 10° превышает 10 тыс. км. Орбитальная группировка всего из 2-х ОП, расположенных под углом 90° (по 5 К А в каждой плоскости) позволит обеспечить гарантированное покрытие не только территории России, но и всего земного шара. При этом, как показывают расчёты, минимальный угол места может быть увеличен до 30°, что крайне важно для обеспечения хорошего энергетического баланса радиолиний между К А и «землёй» (особенно для радиолиний ШС, для которых требуется особо высокая пропускная способность).
В наземном сегменте для такой СеСС понадобится всего одна ШС, расположенная на севере материковой части России, например, в районе г. Мурманска (69° с.ш.), которая будет обеспечивать связь между КА, в том числе на двух разных орбитах. Протяжённость ВОЛС от неё до ЦОД в московском регионе составит около 2 тыс. км, а время распространения сигнала Тд(ш- и
Юме.
Среднее значение времени распространения радиосигнала на участках ЗС-КА и ШС-КА / ~ /Г| ^30 мс; а
между КА на одной орбите - /мсл = 56 мс.
Формулы (5)—(8) И др. позволяют оценить средние значения задержек распространения сигнала в такой СеСС. Результаты расчётов, приведенные в табл. 1, наглядно показывают, что увеличение высоты орбит более чем в ¡3 раз с одновременным сокращением почти в 10 раз числа КА в ОГ приводит к росту среднего времени распространения сигналов в СеСС всего в 1,5...2 раза.
Вмсокоэллиптическая орбита
Время распространения сигнала между ЗС и К А в радиолиниях спутниковых систем на ВЭО [ 11 мало зависит от угла места. Например, для геосинхронных 12-часовых ВЭО типа «Молния», «Кентавр» [4] (40 тыс. км в апогее, с рабочим участком орбиты в пределах ± 3-х часов от апогея) и 24-часовых типа «Тундра» (47 тыс. км в апогее) оно равно 140... 160 мс (в обоих случаях разница составляет немногим более 10%).
Если высота К А над поверхностью Земли на рабочем участке ВЭО «Молния» меняется примерно на 25% от значения апогея |8|, то, учитывая неравномерную скорость перемещения КА на рабочем участке орбите, среднее значение времени распространения сигнала в радиолинии ЗС-КА будет несколько меньшим и при минимальном угле места около 30° составит 130 мс.
Поскольку зона радиовидимости Земли со спутника-ретранслятора на такой орбите весьма обширна, то СеСС с ретрансляторами на этих орбитах позволяют организовать передачу сигнала на значительных территориях (например, в Арктическом регионе для ВЭО [7]) всего
«в один скачок», т.е. через блин спутник-ретранслятор. При этом средняя задержка распространения сигнала между двумя ЗС достигнет 260 мс.
Результаты расчётов
Сводные, округлённые для наглядности результаты расчётов приведены в табл. 1.
Таблица I
Средние значения задержек распространения сигналов
в спутниковых сетях связи (мс)
Зона обслуживания РФ Глобальная
Н¥6№км,ОГ(8* 12) = 96КА, атш = 10°
В наземном сегменте сети 30,0
Па участках ЗС КА, ШС - КА 4,0 5,0
Между соседними К А 12,0
Число переприёмов между К А 1,0 (0...2) 3,0
При передаче данных в ПОЛ 50 75
При связи между двумя 'ЗС 65 115
А = 1400 км, ОГ (6 * 8) = 48 КА, атт - 10 °
В наземном сег менте сети 25,0
11а участках ЗС - КА, ШС - КА 8,0 9,0
Между соседними К А 20,0
Число вере приёмов между КА 0.5 (Ö...1) 2,0
11рн передаче данных в ЦОД 50 80
При связи между двумя ЗС 70 125
h = 8000 км, ОГ (2 * SJ = 10 КА, а - = зо ° ' * ПИТ1
В Казенном сегменте сети 10,0
На участках ЗС - КА, ШС - КА 30
Между соседними К А 56,0
Число пере приёмов между К А 0,5 (0...1) 1,0
При передаче данных а ЦОД 100 125
11ри связи между двумя ЗС 130 175
ВЭО, ОГ (4* 1) = 4 КА, атт = 30 0
На участках ЗС - КА, ШС - КА 130,0 -
При передаче данных в ЦОД и связи между Двумя ЗС 260,0 -
Заключение
Для корректного сравнения СеСС, построенных на базе разных орбитальных группировок, по критерию времени задержки передачи сообщений следует учитывать задержки распространения сигналов в межспутниковых линиях связи и наземном сегменте сети и использовать средневзвешенное значение времени задержки
рас пространен! гя радиосигнала между спутниками связи и земными станциями.
Уменьшение высоты орбитальной группировки спутников не приводит к пропорциональному сокращению среднего времени распространения сигналов в сети спутниковой связи. Наращивание численности спутников в ннзкоорбитальпых СеСС с целью уменьшения задержек распространения не даст ожидаемых результатов и достаточно бесперспективно.
Средние задержки распространения сигналов в СеСС на базе ВЭО всего лишь в 2.5...5 раз превышают аналогичные значения задержек в многое пуп ш ков ых ннзкоорбитальпых СеСС, что, на фоне несоизмеримых затрат на создание и эксплуатацию последних, не может считаться их серьёзным преимуществом.
Литература
!. Камнев Е.Ф. Адолиц Л,И,. Акимов A.A. и др. Системы спутниковой связи с эллиптическими орбитами, разнесением ветвей и адаптивной обработкой. М.: Глобсатком, 2004. 724 с.
2. Пемировсккй М.С., Лакшин В.А., Аронов Д.А, Псионы построения систем спутниковой связи / Под рел. д.т.н., проф. М.С.Немпровского. М.; Горячая линия - Телеком. 2016. 432 с.
3. Мальцев Г.Н.. Цветков A"JO., Родионов A.B., Акмолов А, Ф., Ефимов С.N.. Косаревич Д.В.. Викторов Е.А. Концепция построения разновыштноЙ многоспутниковой системы связи с мобильными абонентами // Труды Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского, бы пуск № 630 / под ред. ММ. Пенькова. СПб.: BKA им, А.Ф. Можайского, 2011. С. 5-10.
4. Акимов A.A., Гриценко A.A., Степанов A.A., Чазов В. В. Особенности построения и эксплуатации орбитальных группировок систем спутниковой связи // Технологии и средства свянь 2015, № 6-2, специальный выпуск «Спутниковая связь и вешание - 2016». С. 72-87.
5. Аштчогов В. Шишлов А.. ЭйОус А. Анализ систем LEO-HTS и реализуемости фазированных антенных решеток для абонентских терминалов // Технологии и средства связи. 2015, № 6-2, специальный выпуск «Спутниковая связь и вещание -2016». С. ! 4-26.
6. Ер и не н ко A.A. Спутниковые системы класса HTS // Connect. 2017. №4, С. 120-126.
7. Жуков С.Е., Шадрин А.Г., Нездоровий ИВ. Применение системы спутниковой связи специального назначения в Арктической зоне Н Электросвязью 2016ю №12. С. KS-23.
8. Локшин Б.А. «Экс пресс-1>В» - перспективная система связи со спутниками на высоко-эллиптических орбитах // Технологии и средства связи. 2(1 IS. № 6-2, специальный выпуск «Спутникивая связь и вешание - 2019», С. 62-71.
T-Comm Том 13. #5-2019
SIGNALS PROPAGATION DELAYS IN SATELLITE COMMUNICATION NETWORKS
Victor S. Aleshin, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia,
abc082012@yandex.ru
Stanislav G. Dogaev, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia,
sdogaev@mail.ru
Abstract
A theoretical comparison of satellite communication networks built on the basis of different orbital groupings is carried out by the criterion of the total delay time of signals propagation in the space and ground segments of networks. For correct comparison, it is proposed to use the weighted average time of propagation, taking into account the number of earth stations located at different distances from the satellite. The corresponding dependences of the average time of signal propagation in the satellite communication radiolines for different heights of orbital groupings on the given minimum angle of the satellite visibility are given. The comparison was made with respect to various options for the construction of a non-geostationary satellite communication network in the interests of the Russian Federation, including: in a high-elliptical orbit ("Molniya") with an apogee of about 40 thousand km, as well as in medium and low circular orbits with a height of 8000, 1400, 780 and 600 km. At the same time, all the earth stations were planned to be located only on the territory of Russia. It is shown that the decrease in the height of the orbital grouping of satellites by more than 50 times (with a corresponding increase in the number of satellites) leads to a decrease in the average time of propagation of signals in the satellite communication network only 4...5 times. Thus, the widespread view that delays in the transmission of messages are significant only for geostationary, high-elliptical, to a lesser extent for medium, but not for low orbits is refuted. Specific examples show that this is true only for links of satellite, but not for communication networks that include both multi-satellite orbital and terrestrial segments.
Keywords: satellite communication networks, spacecraft, ground station, orbital grouping, satellite radio communication, message delay, propagation delay, inclined range, seat angle.
References
1. Kamnev V.E. and other (2009). Satellite communication systems. Moscow, Globcatcom, 724 p. (in Russian)
2. Nemirovsky M.S., Lokshin B.A., Aronov D.A. (2016). Basics of building satellite communication systems. Moscow: Gorjachaja linija -Telecom, 432 p. (in Russian)
3. Tsvetkov K.Y., Rodionov A.V., Akmolov A.F., Efimov S.N., Viktorov E.A. (2011). Concept of communication network formation with mobile subscribers based by multitude of satellites on miscellaneous height: ballistic construction. Works of Military-space academy of the name A.F. Mozhasyskiy, no. 630, pp. 5-10. (in Russian)
4. Akimov A.A., Gritsenko A.A., Stеpanov A.A., Chazov V.V. (2015). Features of construction and operation of the orbital constellation of satellite communications systems. Technologies and means of communication. Special issue "Satellite communication and broadcasting-2016", no. 6-2, pp. 72-87. (in Russian)
5. Anpilogov V., Shishlov A., Eydus A. (2015). Analysis LEO-HTS systems and feasibility of phased array antennas for the subscriber terminals. Technologies and means of communication. Special issue "Satellite communication and broadcasting-2016", no. 6-2, pp. 14-26. (in Russian)
6. Gritsenko A.A. (2017). HTS class satellite systems. Connect, no. 4, pp. 120-126. (in Russian)
7. Zhukov S. E., Shadrin A. G., Nezdorovin N. (2016). In. Application of special purpose satellite communication system in the Arctic zone. Electrosvyaz, no. 12, pp. 18-23. (in Russian)
8. Lokshin B.A. (2018) "Express-RV" as a forward-looking communications system with satellites in highly elliptical
orbits. Technologies and means of communication. Special issue "Satellite communication and broadcasting-2019", no. 6-2, pp. 62-71. (in Russian)
Information about authors:
Victor S. Aleshin, Ph.D, senior scientific researcher, leading scientific employee of MTUCI, Moscow, Russia Stanislav G. Dogaev, Ph.D, head of research department of MTUCI, Moscow, Russia
