Универсальный комплекс имитационного моделирования спутниковых систем "СатСтат"

Универсальный комплекс имитационного моделирования спутниковых систем "СагОат"

Аджемов С.С.,

начальник НИЛ48, НИЧ МТУСИ Кучумов А.А.,

зав. лабораторией НИЛ 4804, НИЧ МТУСИ

Учитывая значительные затраты на создание и поддержание в работоспособном состоянии спутниковых систем различного назначения, важное значение приобретает имитационное моделирование спутниковых систем какдо, так и после начала их развертывания.

К задачам имитационного моделирования можно отнести расчеты:

— орбитального движения космических аппаратов;

— зон видимости и обслуживания спутниковых систем;

— изменяющейся топологии сети спутниковых систем связи;

— различных характеристик спутниковых сетей связи с учетом и без учета наземного сегмента и т.п.

С целью решения этих и подобных задач был разработан комплекс имитационного моделирования спутниковых систем.

Моделирование орбитального движения

космических аппаратов

Для моделирования орбитального движения космических аппаратов целесообразно использовать два вида алгоритмов. Первый из них — это алгоритмы на основе законов Кеплера, порождающие в общем случае эллиптические орбиты. Данных вид алгоритмов целесообразно использовать при проектировании новых спутниковых систем с целью изучения их теоретических свойств. Для изучения действующих систем лучше подходят алгоритмы семейств SGP и SDP. Преимущества данных алгоритмов заключаются как в более высокой точности, так и в доступности начальных данных для основных существующих орбитальных группировок. Более точные методы расчета орбитального дви-

жения не получили широкого распространения из-за сложности получения начальных данных и необходимости их периодического обновления с целью учета коррекции орбит космических аппаратов.

При задании начальных параметров орбитального движения для алгоритмов на основе законов Кеплера удобно задавать параметры сразу для всей спутниковой группировки. Это возможно из-за того, что в большинстве спутниковых систем используемые спутники образуют несколько орбитальных плоскостей с одинаковым количеством спутников в каждой из них. При этом орбитальные плоскости разнесены на одинаковые углы и имеют одинаковый наклон.

Например, для системы спутниковой связи Iridium планировались следующие характеристики:

• количество орбитальных плоскостей: 6;

• количество спутников в одной орбитальной плоскости: 11;

• угол наклона орбитальной плоскости: 86,4;

• эксцентриситет орбиты: 0.02;

• угол между орбитальными плоскостями: 31.6;

• угол между плоскостями, образующими "шов": 22.

Результаты расчетов теоретического созвездия Iridium и расчетов по алгоритмам SGP на основе реальных данных показывают значительное расхождение в результатах. В частности, видно, что различные спутники весьма приблизительно находятся в одной орбитальной плоскости.

Управление и ориентация спутников,

антенн и лучей

Для имитационного моделирования спутниковых сетей связи необходим учет пара-

t А

Рис. 1. Система Iridium. Расчет орбит исходя из законов Кеплера и планируемой структуры созвездия

Рис. 2. Система Iridium. Реальное созвездие

метров бортовой аппаратуры. Кроме обычных параметров диаграмм направленности антенных систем в спутниковых системах связи используются различные алгоритмы управления бортовой аппаратурой, а также различные алгоритмы ориентации антенн или отдельных лучей. Например, приемопередающая аппаратура спутников типа "Молния" отключается при удалении от точки апогея на расстояние соответствующее длительности половины сеанса связи* (обычно используются 8 или 6 часовые сеансы связи). В низкоорбитальных системах связи, использующих полярные орбиты, бортовая аппаратура отключается при пересечении подспутниковой точкой определенной широты. В других спутниковых системах бортовая аппаратура может считаться работающей только при условии наличия связи с базовой станцией.

Ориентация приемо-передающих антенн космических аппаратов также может меняться по различным законом. Спутник может быть стабилизирован только относительно двух осей координат и вращаться относительно третей. Антенны или отдельные лучи (в случае многолучевых антенн) могут ориентироваться на заданные точки земной поверхности. Более того ориентацией спутника в целом или ориентацией отдельных антенн можно эффективно управлять**. В

связи с этим возникает ряд задач связанных с построением алгоритмов эффективного управления для обеспечения обслуживания отдельных районов земной поверхности.

Для учета этих и других вариантов управления бортовой аппаратурой в комплексе имитационного моделирования предусмотрены понятия алгоритмов управления и ориентации, а так же реализованы все вышеописанные алгоритмы.

Области видимости

Свойства и потенциальные возможности практически любой спутниковой системы определяются в основном характеристиками областей видимости спутников системы. Например, для систем спутниковой навигации обязательным требованием является видимость не менее 4-х спутников созвездия. При этом само понятие видимости можно расширить, включив в него требование не только видимости спутника с заданной точки земной поверхности, но и дополнительное требование работы его приемопередающей аппаратуры в данный момент. Последнее актуально в основном для систем спутниковой связи.

Для систем типа "Молния" интересными являются зоны гарантированной видимости, т.е. области земной поверхности в которых

спутник находится над горизонтом в течении всего сеанса связи. Пример такой области показан на рис. 5. В процессе изучения было также выяснено, что область гарантированной видимости для спутников типа "Молния" не может быть рассчитана пересечением областей видимости спутника в начале, в апогее и в конце рабочего сеанса.

Расчет параметров бортовой аппаратуры

Поскольку сужение диаграммы направленности антенны приводит к более экономному расходу мощности, то определенный интерес представляет расчет параметров диаграммы направленности антенн, достаточных для покрытия определенной территории. Для выполнения расчетов был использован следующий алгоритм:

1. Пользователь задает контур на поверхности Земли, ограничивающий территорию, которая должна попадать в зону обслуживания.

2. Задается ориентация антенной системы спутника на заданную точку (приблизительно совпадающую с центром зоны обслуживания).

3. Для каждой точки рабочей части орбиты контур заданный в пункте 1 проецируется на плоскость, перпендикулярную оси ориентации антенны. Используется цент-

* Точнее будет сказать, что в целях имитационного моделирования спутниковой системы связи можно считать бортовую аппаратуру спутника выключенной.

** В случае когда такое управление не приводит к изменения орбитальной плоскости, в которой движется спутник.

Рис. 4. Расчет вероятности доступности навигации в система ГЛОНАСС за один час. Навигация считается доступной при условии видимости не менее 4-х спутников под углом не менее 7 градусов к горизонту

ральная проекция с центром в месте расположения спутника.

4. Для полученных точек строится минимальный эллипс, в который они попадают. Данный эллипс характеризует оптимальные раскрывы антенны и ее ориентацию в данной точке орбиты.

5. Далее среди всех эллипсов выбираем эллипс с максимальными полуосями и получаем таким образом минимальный раскрыв антенны, достаточный для перекрытия требуемой зоны обслуживания в любой точке рабочей части орбиты.

6. Из характеристик ориентации эллипсов получаем требования по ориентации антенной системы спутника.

Как видно, данный алгоритм легко адаптировать для случая, когда ориентация антенной системы не изменяется в течение всего сеанса.

Расчет параметров наземной аппаратуры

Для геосинхронных и высокоэллиптических орбит важное значение имеет перемещение спутника по небосводу в течение сеанса связи. На основании параметров движения спутника определяется ширина диаграммы направленности антенны и/или на-

личие отсутствие системы отслеживания перемещений спутника.

Комплекс имитационного моделирования спутниковых систем предоставляет следующие варианты получения этой информации:

1. Для заданной точки земной поверхности может быть построена кривая перемещения спутника по небосводу в течение заданного периода времени.

2. Для всей поверхности Земли могут быть рассчитаны углы перемещения спутника по небосклону в течении рабочей части витка.

Режимы отображения информации

Для удобного и адекватного отображения различной информации, относящейся к имитируемым спутниковым системам, в комплексе моделирования предусмотрено несколько разных режимов отображения и сохранения информации. Спутниковая система может быть изображена в двумерном и трехмерном видах, а также в виде с Земли. В последнем случае отображается орбитальное движение спутников с точки зрения наблюдателя, находящегося в определенной точке Земной поверхности.

Отметим, что при трехмерном отображении информации интерес представляет отображение в двух различных системах коор-ди-

нат. Одна система координат инерциаль-ная, в которой Земля вращается вокруг своей оси, а вторая — это система координат в которой Земля неподвижна.

Для сохранения информации используются два формата данных. Первый из них представляет собой двоичный файл, обеспечивающий высокую скорость загрузки больших объемов данных. Второй содержит информацию в формате XML и может быть использован для передачи данных в другие программы обработки. Кроме этого, пользователь может написать программу, использующую встроенный в комплекс моделирования интерпретируемый язык, и вывести данные в любом удобном ему формате.

Имитационное моделирование спутниковых телекоммуникационных систем

Комплекс имитационного моделирования может также использоваться для моделирования сетей передачи данных. В последнее время особую актуальность получило моделирование сетей передачи данных с коммутацией пакетов. В данном случае необходимо учитывать следующие параметры:

1. Пропускная способность линий связи (спутник-абонент, абонент-спутник, базо-

Рис. 6. Зона гарантированной видимости спутника типа "Молния" на 8-ми часовом рабочем сеансе

вая станция-спутник, спутник-базовая станция, спутник-спутник).

2. Моделирование межспутниковых связей (при необходимости) в алгоритмах маршрутизации пакетов.

3. Различные протоколы доступа абонентов к спутниковым систем.

4. Различные протоколы передачи данных.

Комплекс имитационного моделирования позволяет полностью смоделировать процесс передачи информации в спутниковой телекоммуникационной системе и вычислить по крайней мере следующие параметры:

• средняя задержка передачи информации между абонентами;

• средняя задержка передачи информации в зависимости от расстояния между абонентами;

• процент потерянных пакетов данных в случае перегрузки сети;

• средняя пропускная способность сети.

В процессе работы системы имитационного моделирования генерируется файл, содержащий информацию о каждом прошедшем в системе связи пакете данных. На основании этого файла можно производить дальнейшую статистическую обработку.

В качестве примера результатов работы системы моделирования сети передачи данных приведем диаграмму рассеивания задержки прихода пакетов, в зависимости от расстояния, для системы спутниковой связи Iridium. При проведении моделирования было отправлено 10 000 различных одиночных пакетов (пакеты ping), в результате чего была получена следующая диаграмма рассеивания.

Программная архитектура комплекса

Универсальный комплекс "СатСтат" разрабатывался с целью создания среды моделирования спутниковых систем. Поэтому комплекс предоставляет большое количество сервисных функций для расчета орбит, областей видимости, мощности излучения антенных систем. При этом комплекс обладает легко расширяемой архитектурой, что позволяет простым универсальным образом добавлять в него новые алгоритмы расчета орбит, алгоритмы управления и ориентации, диаграммы направленности антенн и т.п.

Основным достоинством комплекса "СатСтат" является значительное упрощение реализации новых задач моделирования спутниковых систем за счет предоставления унифицированной программной среды для их разработки.