"Экспресс-РВ" – система связи со спутниками на высокоэллиптических орбитах. Ч.1⁠⁠

Осторожно, длиннопост и сложнотекст) 

В статье рассматриваются различные аспекты создания системы спутниковой связи “Экспресс-РВ” со спутниками на ВЭО. Предложен вариант орбитального построения, обеспечивающий возможность обслуживания всей территории России, включая Арктическую зону. Подтверждена техническая реализуемость космического аппарата, оценена пропускная способность системы. Обсуждаются перспективы появления на рынке недорогих антенн с электронным управлением лучом.

Автор: Борис Локшин Начальник отдела перспективных системных разработок ФГУП “Космическая связь”, к.т.н.

Актуальной задачей в Российской Федерации является обеспечение устойчивой спутниковой связи в высокоширотных и труднодоступных районах Крайнего Севера и Арктики. Этот вопрос подробно исследован в работе [1], где показано, что наиболее экономичный и приемлемый с точки зрения электромагнитной совместимости (ЭМС) способ – использование спутников на высокоэллиптических орбитах.

Геостационарная орбита (ГСО) при всех ее несомненных преимуществах имеет два серьезных недостатка: с нее не обеспечивается обслуживание территорий выше 76–78 град. с.ш. и малы углы видимости спутника с российской территории, что затрудняет организацию связи с подвижными объектами.

Негеостационарные системы со спутниками на средних и низких круговых орбитах, также способные решить задачу связи в Арктике, требуют значительных капитальных вложений, исчисляемых многими миллиардами долларов США (особенно низкоорбитальные системы), при этом вероятность возврата затраченных средств крайне невелика. Также не вполне понятно, как обеспечить ЭМС с ГСО-системами. Система связи со спутниками на ВЭО способна с успехом решить задачи обеспечения связью Арктической зоны, связи с подвижными объектами и ряд других важных государственных задач. При этом капитальные затраты на создание системы в разы ниже, чем для низкоорбитальных систем, а ЭМС с геостационарными системами гарантированно обеспечивается без принятия каких-либо дополнительных мер.

Государственное предприятие “Космическая связь” на протяжении ряда лет ведет проработку вопросов создания системы спутниковой связи (ССС) “Экспресс-РВ” с использованием КА на ВЭО. Система призвана решать задачи обеспечения подвижной связи для государственных потребителей на всей территории России, включая Арктическую зону, организации сетей ШПД на подвижных платформах (самолеты, суда, железнодорожный транспорт, автомобили) также на всей российской территории, предоставления услуг фиксированной связи в Арктической зоне, где не работают геостационарные сети. Как возможная опция в системе может быть развернута сеть спутникового непосредственного звукового вещания (СНЗВ).

Потребность в фиксированной спутниковой связи обусловлена задачами обслуживания Северного морского пути, нуждами местного населения, созданием инфраструктуры в Арктической зоне для разработки полезных ископаемых и обеспечения защиты интересов России в Арктике. Для организации связи на территории удаленного населенного пункта, производственного предприятия, вахтового поселка устанавливается спутниковая станция VSAT, которая становится точкой доступа к удаленному информационному ресурсу. На участке от ЗС до непосредственного пользователя можно применять современные средства беспроводного доступа. Пользователями данной системы спутникового широкополосного доступа могли бы стать местные администрации, государственные структуры (МЧС, МВД, Минтранс, Минобороны, различные федеральные службы), корпоративные пользователи (геологоразведка, нефте- и газодобыча, телемедицина, дистанционное обучение), службы мониторинга в интересах различных ведомств.

По оценкам Европейского космического агентства, к 2020 г. в арктических регионах общая потребность систем спутниковой связи может составить 400 Мбит/с для широт выше 75 град. с.ш. и 4 Гбит/с для территории за полярным кругом, из которых 40–45% составляет емкость для российских задач.

Все большее развитие в мире получает связь в рамках ФСС с терминалами, размещенными на подвижных платформах. Для территории Российской Федерации ГСО, как отмечалось выше, не подходит для этой цели из-за низких углов места. Особенность ВЭО позволяет создать систему связи с подвижными объектами, в которой затенение направления на ИСЗ зданиями, сооружениями, придорожной растительностью будет сказываться в значительно меньшей степени. В системе “Экспресс-РВ” обеспечение связи с подвижными объектами является приоритетной задачей на сухопутной части территории Российской Федерации.

Ответственным этапом разработки системы “Экспресс-РВ” стал выбор типа орбиты. Наиболее известны два типа ВЭО: орбиты типа “Молния” и типа “Тундра” [2]. Первая орбита – 12-часовая с высотой апогея порядка 40 тыс. км и наклонением около 63 град. – широко использовалась в СССР спутниками “Молния”, откуда и получила свое название. Спутник на орбите “Молния” проходит за сутки два витка и формирует один рабочий участок в Восточном полушарии (этот виток называется основным), а другой – в Западном (сопряженный виток). Орбита “Тундра” с периодом обращения 24 ч менее освоена, известно об ее использовании американской системой непосредственного звукового вещания SiriusXM Radio. Преимуществом орбиты “Тундра” является возможность обеспечения 15-летнего срока активного существования (САС) КА, поскольку вся орбита находится выше радиационных поясов Земли. С другой стороны, вопросы баллистической устойчивости группировки на орбите “Тундра” изучены недостаточно и неясно, как поведет себя группировка при столь длительных сроках эксплуатации. На орбите типа “Молния” из-за пересечения радиационных поясов вблизи перигея затруднительно добиться САС более десяти лет.

Преимуществами орбиты “Молния” можно считать лучшую освоенность, более высокую энергетику радиолинии (благодаря меньшей высоте апогейной области), значительно меньшие энергетические затраты при выведении КА на орбиту. Но решающим преимуществом, определившим в нашем случае выбор орбиты “Молния”, является наличие сопряженного витка, что позволило значительно расширить зону покрытия и практически удвоить пропускную способность системы связи [1, 2].

Типовая трасса КА на ВЭО “Молния” содержит в апогейной области петлю (рис. 1), которая при соответствующем выборе параметров становится рабочим участком орбиты. Высота спутника над поверхностью Земли изменяется при прохождении рабочего участка от максимальной в апогее до минимальной в узле петли рабочего участка, который одновременно является концом рабочего участка (КРУ) для одного спутника и началом рабочего участка (НРУ) для следующего за ним.

Орбита Молния. Вид со спутника)

Синхронно включая и выключая спутники в этой точке, можно обеспечить круглосуточную работу с минимальным перенацеливанием антенн земных станций. В табл. 1 приведены в качестве примера возможные наборы параметров для обоих типов орбит [1], обеспечивающие такой режим работы.

В [1] показано, что доступными видами покрытия с ВЭО являются круговая зона с центром в точке, куда нацеливается ось Z спутника, либо многолучевая зона с индивидуальным перенацеливанием лучей или переключением сигналов из луча в луч по мере разворота КА относительно земной поверхности. Первый вариант применим для обслуживания сравнительно больших территорий в подспутниковой области, при этом энергетика радиолинии невысока. Для систем с высокой пропускной способностью предпочтителен вариант с многолучевой зоной.

Построение зоны покрытия в виде набора узких лучей определяет и выбор диапазона частот для организации связи. Сформировать такие лучи при ограниченных размерах бортовых антенн удается только в относительно высокочастотных Ku- или Ka-диапазонах. Для проектируемой системы по ряду соображений выбран Ku-диапазон.

Следующий важный этап проектирования – выбор числа лучей и энергетики радиолинии в направлении “КА – абонентская станция”. Эквивалентная изотропно-излучаемая мощность (ЭИИМ) радиолинии выбрана равной 54 дБВт на краю луча. Это значение, с одной стороны, не превышает разрешенного Регламентом радиосвязи верхнего значения (спектральная плотность мощности на 10 дБ ниже допустимой), с другой – типично для Ku-диапазона и вполне достаточно для работы с абонентской антенной размером 60–70 см, которая сегодня де-факто рассматривается в качестве стандарта для подвижных платформ. Принимая мощность бортового передатчика равной 150 Вт (наиболее часто применяемый номинал), получим для коэффициента усиления бортовой антенны значение ≈ 35 дБ, что соответствует угловым размерам луча 2,75 град.×2,75 град. В этом случае для покрытия сухопутной части российской территории с неравномерностью по полю 2 дБ достаточно 12 лучей (сплошные линии на рис. 2). Очевидно, число лучей надо выбирать для точки НРУ/КРУ, где размеры территории, охватываемой каждым лучом, минимальны. Высота указанной точки зависит от числа КА в системе.

Известны группировки на орбите “Молния” в составе двух, трех и четырех спутников [3]. В четырехспутниковой группировке спутники располагаются в четырех орбитальных плоскостях, разнесенных на 90 град., и проходят над одними и теми же наземными пунктами, то есть имеют общую трассу. Данная группировка называется изомаршрутной, и она очень удобна для организации связи. В такой группировке длительность рабочего участка составляет 6 ч, высота точки входа/выхода 30 тыс. км. Из точки апогея линейные размеры территории, покрываемой каждым лучом, увеличиваются в (39 300/30 000) ≈ 1,3 раза, лучи частично перекрываются (штриховые линии на рис. 2), но это перекрытие незначительно и не препятствует применению повторного использования частот в части лучей (далее будет показано, что повторное использование позволяет существенно увеличить пропускную способность системы). Сохраняется видимость КА на сопряженном витке с центральной станции в Московском регионе. Как показывает баллистический расчет, угол места с центральной станции в Московском регионе в течение десятилетнего САС не опустится ниже 14 град.

В трехспутниковой группировке с длительностью рабочего участка 8 ч также обеспечивается покрытие территории России и Арктической зоны с высокими углами места, но высота точки НРУ/КРУ снижается до 23 тыс. км. Для 12-лучевого покрытия угловые размеры каждого луча должны составлять уже 3,75 град.×3,75 град., из точки апогея линейный размер охватываемой каждым лучом территории возрастает в (39 300/23 000) ≈ 1,7 раза. Лучи будут в значительной степени перекрываться, и повторное использование частот станет невозможным (рис. 3). Расчет показывает, что защитное отношение на границах пар лучей с одинаковыми частотами составит от 0 до 6,5 дБ, что совершенно недостаточно. Работа со спутником на сопряженном витке из Московского региона также окажется невозможной.

Группировка из двух спутников не обеспечивает покрытие территории РФ при высоких углах места. С учетом сказанного для системы “Экспресс-РВ” выбрана типовая четырехспутниковая группировка с разносом орбитальных плоскостей 90 град.

Упомянутое выше расширение зоны покрытия связано с использованием емкости КА, находящегося на сопряженном витке, для обслуживания Арктической зоны Российской Федерации (рис. 4). Параметры обслуживания в этой зоне сопоставимы с параметрами основной зоны (углы места спутника не менее 40 град., ЭИИМ не менее 54 дБВт).

Космический сегмент Оценка требуемой пропускной способности, сделанная по результатам маркетинговых исследований, свидетельствует, что поставленная задача может решаться космическим аппаратом среднего класса. Наиболее подходящим для данного проекта представляется КА на базе геостационарных космических платформ российского производства, которые должны быть доработаны для условий работы на орбите типа “Молния”.

Новой задачей, которую предстоит решать российским специалистам, является обеспечение функционирования КА в течение длительного срока, не менее 10 лет. Работавшие ранее на ВЭО отечественные спутники имели более короткий срок активного существования и широконаправленные антенны, потому не требовали очень точной коррекции орбиты. В системе “Экспресс-РВ” поддержание постоянства параметров орбиты очень важно, это позволяет понизить требования к пределам перенацеливания абонентских антенн и обеспечить гарантированную видимость из Московского региона КА на рабочем участке сопряженного витка. Коррекции подлежат два ключевых параметра: высота перигея должна поддерживаться в пределах 1000 ± 10 км, а аргумент широты – в пределах 270 град. ± 0,1 град. Такая точность стала возможной благодаря использованию экономичных электрических двигателей коррекции.

В построении полезной нагрузки самый сложный момент – обеспечение индивидуального перенацеливания с высокой точностью 12 лучей бортовых антенн. В ходе проектирования рассматривались два варианта построения антенной системы: в виде нескольких АФАР и в виде 12 индивидуально перенацеливаемых зеркальных антенн. Первый вариант был отклонен из-за низкого КПД транзисторных усилителей в составе передающей АФАР: рассеиваемая мощность оказывалась недопустимо большой для средней платформы КА. Предварительно принято компоновочное решение с размещением зеркал антенн на площадках у боковых поверхностей корпуса аппарата, а облучателей – по краю корпуса. Перемещение луча обеспечивается небольшими поворотами зеркала, облучатель остается при этом неподвижным.

Массоэнергетический расчет показывает, что на аппарате среднего класса могут быть размещены до 19 передающих трактов для прямых каналов на линии “КА – абонент”, семь из них подключаются к лучам с 6-го по 12-й по схеме “канал на луч”, остальные 12 подключены к лучам 1–5 (по два-три канала на луч), нацеленным на более населенные территории с ожидаемо более высоким трафиком. Задачи подвижной связи для госпотребителей решают несколько стволов L-диапазона с квазиглобальными лучами, антенны которых размещаются на нижней поверхности аппарата.

Оценки показывают, что масса полезной нагрузки может составить 550–600 кг, мощность, выделяемая на полезную нагрузку, – до 8 кВт. Запуск КА возможен ракетоносителем “Союз-2.1б” с разгонным блоком “Фрегат” с космодрома Плесецк.

Частотное обеспечение проекта Система “Экспресс-РВ” предполагает работу как с фиксированными ЗС, так и со станциями, располагаемыми на подвижных объектах, поэтому из общей полосы частот Ku-диапазона 10,7–15 ГГц рассмотрим полосы, выделенные фиксированной спутниковой службе (ФСС) и подвижной спутниковой службе (ПСС).

Анализ Международной таблицы распределения частот из Регламента радиосвязи показал, что для использования в негеостационарной спутниковой системе (НГСС) фиксированной и подвижной спутниковым службам (ФСС и ПСС) в районе 1 распределены следующие полосы частот:

Все указанные полосы могут использоваться негеостационарными спутниковыми системами ФСС при условии выполнения координации с другими НГСС. Кроме того, данные системы не должны требовать защиты от геостационарных спутниковых систем (ГСС) и создавать им вредные помехи.

Полоса частот 14,0–14,5 ГГц может использоваться ПСС на вторичной основе.

Требования Таблицы распределения частот Российской Федерации в рассматриваемых полосах частот полностью соответствуют положениям Регламента Радиосвязи.

На основе ст. 21 и 22 Регламента был проведен анализ выполнения следующих ограничений в сторону проектируемой сети:

- ограничение внеосевой ЭИИМ земных станций в направлении горизонта;

- ограничение эквивалентной ППМ в сторону земных или космических станций геостационарных сетей.

Анализ показал, что все ограничения выполняются с большим запасом.

Отдельно должен рассматриваться вопрос совместимости создаваемой НГСС с другими негеостационарными сетями, и наиболее актуален вопрос совместимости с многоспутниковыми низкоорбитальными системами. Для общего случая проверки совместимости двух низкоорбитальных систем задача пока не имеет решения, даже МСЭ не располагает программным обеспечением для анализа данной ситуации. При рассмотрении совместимости системы на ВЭО с многоспутниковой системой задача несколько упрощается за счет использования ограниченных параметров ВЭО: небольшого числа КА, фиксированных углов наклонения орбиты, определенной высоты орбиты и т.д. Учитывая определенную схожесть ВЭО с ГСО, можно применить для анализа механизм, описанный в ст. 22 Регламента.

Среди более чем двух десятков заявленных низкоорбитальных систем имеются пять-шесть систем, планирующих использовать Ku-диапазон. Первая такая система, претендующая на предоставление услуг на рынке РФ, – британская OneWeb. В работе [4] предпринята попытка оценить долю времени, в течение которого помехи приему в системе “Экспресс-РВ” от данной системы превысят допустимую величину. Показано, что в зависимости от расположения земной станции в зоне обслуживания отсутствие помехи будет наблюдаться в пределах от 7 до 21% времени сеанса. Данный результат получен в предположении, что действие помехи сказывается во всей полосе частот, используемой КА OneWeb. Если учесть более узкую полосу частот, в которой работает на прием станция “Экспресс-РВ”, результат окажется более благоприятным. Вопрос требует дальнейшей проработки.

Основной вид поляризации в системах на высокоэллиптических орбитах – круговая, так как в процессе движения на рабочем участке КА поворачивается относительно земной станции и плоскость поляризации не остается неизменной, как на ГСО. Для упрощения конструкции КА и особенно земных станций поляризационное разделение на участке “КА – абонент” не применяется. Для линии вверх этого участка целесообразно выбрать полосу частот 14–14,5 ГГц, в которой разрешена работа подвижных средств. Как показано выше, в семи лучах с номерами с 6-го по 12-й возможно повторное использование частот, выделенных для первых пяти лучей, тогда число первичных частотных позиций оказывается равным 12, а полоса частот обратного канала – 36 МГц. Нетрудно подсчитать, что повторное использование частот позволяет повысить пропускную способность КА в Ku-диапазоне в 19/12 ≈ 1,6 раза. Для прямых абонентских каналов желательна полоса частот несколько большая, с учетом определенной асимметрии трафика. В проектируемой системе она выбрана равной 54 МГц, тогда прямые каналы займут суммарную полосу частот 750 МГц. Остальные участки имеющейся полосы частот могут быть заняты под фидерные линии, и здесь можно использовать поляризационное разделение. Расчет показывает, что доступной полосы частот Ku-диапазона достаточно для размещения как абонентских, так и фидерных линий, так что нет необходимости переходить в более высокочастотный диапазон.

В ходе предварительной проработки выбрано построение спутниковой сети “Экспресс-РВ” по топологии “звезда”, включающей центральную земную станцию (ЦС) и множество абонентских земных станций (АС). Схема “звезда” выбрана в предположении, что основным видом предоставляемой услуги будет доступ к централизованным информационным ресурсам, например к сети Интернет, а прямая связь между абонентами составит незначительную часть общей загрузки и может быть при необходимости организована двойным скачком через центральную станцию. Построение сети по типу “звезда” имеет важное преимущество – возможность работы выходных усилителей мощности стволов КА в режиме насыщения, что позволяет при прочих равных условиях в 1,4 раза уменьшить диаметр антенн абонентских станций.

Структура сети включает в каждом луче один широкополосный прямой канал и множество (по числу АС) обратных каналов. В прямых каналах применяется метод передачи на общей несущей с временным разделением, передача ведется в стандарте DVB-S2, включающем самые передовые методы модуляции и помехоустойчивого кодирования. В обратных каналах используется схема “один канал на несущей”, обеспечивающая минимизацию параметров АС. Целью энергетического расчета является определение пропускной способности каналов и расчет запасов по энергетике при различных уровнях осадков – основного фактора, определяющего величину затухания сигнала в радиолинии. Для упрощения анализа модель одновременных дождей на линиях вверх и вниз из рассмотрения исключается. Подробные методики расчетов детально описаны в соответствующих Рекомендациях МСЭ-Р [5, 6] и позволяют с высокой точностью определить характеристики проектируемой системы. Потребительские качества канала связи определяет коэффициент готовности Кг – вероятность застать канал готовым в заданный процент времени. Чем выше Кг, тем меньше возможные перерывы связи, но выше затраты на оборудование.

На сегодняшний день в России нет нормативных документов, регламентирующих величину Кг для спутниковых каналов в сетях широкополосного доступа. По аналогии с ранее рекомендованным для сетей непосредственного спутникового вещания значением Кг = 0,996 примем для проектируемой сети такое же значение КГ. Если Кгвв – коэффициент готовности линии вверх и Кгвн – коэффициент готовности линии вниз, то общий коэффициент готовности радиоканала по определению равен Кг = Кгвв × Кгвн. Из этого соотношения видно, что требуемый Кг = 0,996 может обеспечиваться при различных соотношениях Кгвв и Кгвн. Следует найти оптимальное соотношение, обеспечивающее поддержание высоких технологических показателей при приемлемых затратах на оборудование.

С точки зрения энергетики спутникового канала слабым звеном является абонентская станция, на которой должна быть маленькая антенна (не более 0,7 м) и маломощный передатчик (энергетические параметры центральной станции могут варьироваться в широких пределах соответствующим выбором диаметра антенны и мощности передатчика). Очевидно, в прямом канале величину Кгвн следует выбирать возможно более близкой к значению 0,996. В обратном канале близким к 0,996 должно выбираться значение Кгвв.

Выберем для прямого канала значение Кгвв = 0,9993, при котором энергетические потери не превышают 0,2 дБ, а требуемая ЭИИМ обеспечивается при мощности передатчика центральной станции менее 80 Вт на канал. Соответствующее значение Кгвн составит 0,9967. Аналогичным образом для обратного канала выберем Кгвн = 0,9997, при котором прием обеспечивается на антенну 7 м, для Кгвв расчет дает значение 0,9963. Исходя из выбранных значений Кгвв и Кгвн, по методикам МСЭ можно определить дополнительное затухание в радиолиниях из-за дождей. В качестве примера на рис. 5 приведены рассчитанные для Москвы зависимости затухания в дожде А от Кг на двух частотах – передачи и приема. Далее полученные величины затуханий используются для расчета энергетики радиолинии.

Оценочные расчеты были проведены для нескольких точек на территории России. Как и следовало ожидать, наибольшие величины затуханий получены для городов Сочи и Владивостока, расположенных в районах с самой высокой интенсивностью осадков. Результаты расчетов также различаются для точек апогея и входа/выхода на рабочий участок из-за различия высоты орбиты в этих точках. В табл. 2 приведены результаты расчета для Сочи с антенной АС диаметром 0,7 м и КИП = 0,6 (обычная зеркальная антенна).

Можно видеть, что пропускная способность прямого канала составляет около 110 Мбит/с на канал 54 МГц в условиях ясного неба и чуть более 100 Мбит/с при дожде, для обратных каналов пропускная способность порядка 60 Мбит/с на канал 36 МГц. Как показано далее, на сегодняшний день отсутствуют антенны с электронным сканированием луча и с параметрами, аналогичными зеркальным антеннам.

Близкие по габаритам антенны, реализующие требуемые характеристики автосопровождения, имеют значения КИП порядка 0,2 (Kymeta, hiSky). С учетом этого обстоятельства были проведены расчеты для некой условной антенны с КИП = 0,2, результаты приведены в табл. 3. Как и следовало ожидать, существенно снизилась пропускная способность обоих каналов.

До настоящего времени в медиасообществе нет единого мнения о необходимости организации в стране спутникового непосредственного звукового вещания (СНЗВ). С одной стороны, практически прекратилось вещание в ДВ-, СВ-, КВ-диапазонах, которое можно было принимать на портативные карманные приемники, осталось только вещание в УКВ-диапазоне в крупных городах. Большинство потенциальных слушателей желали бы восстановить сеть вещания, чтобы иметь возможность принимать радиопрограммы, выезжая, например, за пределы города на автомобиле. С другой стороны, отсутствуют недорогие технологии, которые позволили бы принимать сигналы со спутника на карманный приемник на больших территориях. А прием в автомобиле, как показал опыт американской системы вещания SiriusXM Radio, требует значительных капитальных затрат на создание спутникового сегмента и большой организационной работы по интеграции абонентского терминала в серийно выпускаемые автомобили. В работе [7] нами показано, что для России такая система слишком дорога и не окупается за срок жизни спутников в силу недостаточного платежеспособного спроса населения.

В качестве альтернативы в [8, 9] был предложен другой, значительно более экономичный путь организации СНЗВ, базирующийся на использовании хорошо освоенного Ku-диапазона и спутников на ВЭО. Этот способ предполагается реализовать в системе “Экспресс-РВ” в качестве опции, активировать которую можно уже в процессе эксплуатации системы. Вещательные сигналы могут передаваться в семи из 12 лучей Ku-диапазона, нацеленных на наиболее населенные участки российской территории (лучи 1, 2, 3, 5, 7, 9, 10 на рис. 2). Для трансляции возможно использовать семь стволов, которые в штатном режиме подключены в качестве дополнительных к лучам 1–5, увеличивая пропускную способность связной части системы. При переходе в режим вещания выходы соответствующих передатчиков вместо широкополосных мультиплексоров подключаются к узкополосным фильтрам, подсоединенным к упомянутым семи лучам. Сокращение полосы частот сигнала до 7–8 МГц обеспечивает повышение энергетического потенциала, необходимое для работы на малую антенну. Скорости цифрового потока 7–10 Мбит/с достаточно для передачи 150 звуковых программ высокого качества или 100 звуковых программ и трех–четырех программ низкоскоростного телевидения для небольших дисплеев, других низкоскоростных циркулярных каналов.

Конец 1 части.

Первоисточник