Расчет радиолинии селенодезического спутника

/

t

расчет радиолинии селенодезического

спутника

Проведена оценка параметров радиотехнического комплекса селенодезического спутника, решающего задачи измерений дальности до селенодезического пункта активным и пассивным методами, высоты орбиты, информационной связи с наземным пунктом. Для измерительной радиолинии, используемой для селенодезической привязки сети из пассивных радиоотражателей, выбрана форма пассивного радиоотражателя и его геометрические характеристики. Сформированы обобщенные требования к радиотехническому комплексу селенодезического спутника.

Ключевые слова: селенодезический пункт, пассивный радиоотражатель,

селенодезический спутник.

V. E. Chebotarev, O. B. Gritsan

JCS «Academician M. F. Reshetnev» Information Satellite Systems»,

Zheleznogorsk, Russia

radiolink calculation for selenodesy

satellite

Parameter assessment is done for radio complex of selenodesy satellite designed for measuring the orbit altitude and the distance to selenodesy station using active and passive methods, as well as for communication with ground station. The form of passive radio reflector and its geometry characteristics were chosen for measuring radio link to be used for selenodesy reference composed of passive

radio reflector network.

Key words: selenodesy station, passive radio reflector, selenodesy satellite.

На этапе освоения Луны потребуется создание на постоянной основе окололунной спутниковой системы длительного функционирования, решающей задачи обеспечения связью и навигацией мобильных транспортных средств на поверхности Луны и вблизи ее, с соответствующим, упреждающим размещением на поверхности Луны триангуляционной сети измерительных пунктов для решения задач баллистического обеспечения (селенодезической сети) [1]. Задача создания триангуляционной селенодезической сети предполагает использование специального селенодезического спутника (СДС) для орга-

низации координатной привязки селенодези-ческого пункта (СДП) к лунной системе координат [2].

Согласно разработанным принципам построения триангуляционной селенодези-ческой сети [3] на селенодезическом спутнике должен быть размещен радиотехнический комплекс, решающий следующие задачи:

• запросные измерения наклонной дальности до СДП по пассивной и активной схемам;

• запросные измерения высоты орбиты;

• измерения орбиты и информационный обмен с наземными средствами радиосвязи.

© Чеботарев В. Е., Грицан О. Б., 2014

ИССЛЕДОВАНИЯ

КО—

М_Ш ИССЛЕ)

Нлу

Ж г

№ 4 (10) октябрь-декабрь 2014

10

ГРАДА

1. Радиоизмерительная система с пассивными уголковыми радиоотражателями

Реализация пассивной схемы радиоизмерений предполагает использование спутникового радиолокатора (СРЛ) и множества пассивных уголковых радиоотражателей (УРО). Расчёты радиотехнических параметров системы проведем для случая функционирования космических аппаратов на окололунных круговых орбитах в следующем порядке: выбор формы уголковых радиоотражателей, формирование требований к пороговой мощности отраженного сигнала, расчет параметров спутникового радиолокатора [2].

Выбор формы уголковых

радиоотражателей

Пассивное радиоотражение возможно от плоской пластины, двухгранного и трёхгранного уголкового радиоотражателя. Плоская пластина эффективна только при нормальном падении радиосигнала, а двухгранный УРО - только при нахождении СРЛ в плоскости, перпендикулярной линии пересечения поверхностей отражателя. Трёхгранное УРО даёт хорошее отражение в ограниченном диапазоне углов падения приходящего радиосигнала.

Ниже приведена формула расчёта эффективной площади рассеяния треугольного

УРО [2; 4; 5]

^УО -

4па

В диапазонах частот 5-15 ГГц, используемой для СРЛ, шумы, создаваемые различными источниками, имеют аддитивный характер, что позволяет определить эквивалентную шумовую температуру всей приёмной системы с учётом внутренних и внешних шумов Тъ ~ 435 К и суммарную мощность шума РШ = ЬТЪ - минус 202 дБВт/Гц [2; 6; 10; 12].

Используя выбранное соотношение сигнал/шум и полученную суммарную мощность шумов, рассчитаем необходимую пороговую мощность сигнала на входе приёмника для диапазона: РП = минус (175-189) дБВт/Гц.

Расчет параметров спутникового

радиолокатора

Расчёт мощности сигнала на входе приёмника проведём по следующей формуле [2; 4; 5]:

РС

_ рпрд ' ^ ' ^"уо

где R - расстояние от СРЛ до УРО; РПРД -мощность передатчика СРЛ; О - коэффициент усиления антенны СРЛ.

Диаметр параболической антенны 0А, ширина луча по уровню половинной мощности ф0 5 и максимальный коэффициент усиления антенны О рассчитываются по известным формулам [7; 9; 10]:

Фо,5

60^;

ь=-; /

G = Ки

Щ

\2

где а4 - длина ребра; X2 - длина волны.

Формирование требований к пороговой мощности отраженного сигнала

Пороговая мощность сигнала на входе приёмника определяется из условия обеспечения требуемого соотношения сигнал/шум РС/РШ (дБ) и уровня шумов на входе приемника! РШ (дБ) [6; 9; 10]:

Рс

Приведенное в работе [2] соотношение сигнал/шум для вероятности обнаружения 0,9 и вероятности ложной тревоги 10-5 составляет 12,7 дБ. Для навигационных радиолиний соотношение сигнал/шум находится в диапазоне 22-27 дБ в зависимости от требуемой точности измерений [8].

где X - длина волны радиосигнала; с - скорость света; /- частота радиосигнала; КИ -коэффициент использования поверхности антенны, КИ = 0,5-0,7.

Решая совместно уравнения (1)-(4), получим рабочую формулу для выбора геометрических характеристик СРЛ и УРО:

DA

• а =

1,486 R

\ 1/4 *

прд ^ 2 и

РП слабо

Анализ полученного соотношения выявил следующие особенности:

1) энергетические параметры РПРД влияют на геометрические параметры;

2) между парами геометрических параметров

•а и X- R отмечается линейная зависимость;

3) повышение частоты радиосигнала (уменьшение X) приводит к снижению произведения параметров БА-а.

Расчет радиолинии селенодезического спутника

Для принятых значений РП = -(175-189) дБВт/Гц, ^ = 0,5, R = 5,593406 м (максимальная дальность) и номинального значения рд = 1000 Вт уравнение (5) может быть приведено к следующему виду:

DA •а = А • X

( р0 ^ПРД

V РпрД у

1/4

= I,

А = 39,4-88,1.

Расчетные значения геометрических размеров антенны СРЛ по формуле (6) для X = 0,027 м (11 ГГц) при различных величинах .РПРд и а приведены в табл. 1.

При выборе диаметра антенны необходимо учитывать ограничения на ширину диаграммы направленности антенны, исходя из возможности обеспечения точности ориентации луча ЛфСОС = 0,3ф05. Для ожидаемой точности ориентации луча АфСОС = 0,15° получаем ограничение на ширину диаграммы Ф05 > 0,5° (см. ф-лу (4)), что соответствует ограничению на диаметр антенны ПА < 3,24 м (X = 0,027 м) и на размер ребра УРО а > 1,0 м.

Корректный выбор параметров СРЛ может быть завершен в процессе проектирования спутника исходя из условия минимизации затрат массы и электроэнергии с учетом скважной работы передатчика СРЛ (скважность 15-20). В общем случае при а = 1,0 м необходимо отдать предпочтение максимально допустимому значению диаметра антенны СРЛ около 2,3 м, что соответствует пиковой излучаемой мощности 500 Вт и средней излучаемой мощности 25 Вт.

Оценим возможность использования наземного локатора для работы с СВП. В соответствии с формулой (5) соотношения диаметров антенн спутникового и земного локаторов составят БНСС / ПА = 38 при тех же мощностях излучаемого сигнала и для частоты

11 ГГц и размере ребра УРО а > 1,0 м. Так, для РПРд = 1000 Вт диаметр наземной антенны должен составлять > 70 м.

2. Радиовысотомер

Рассматриваемый в разделе 2 спутниковый радиолокатор может быть применен в качестве радиовысотомера. Для расчета возможности его применения воспользуемся методом подобия, путем сравнения с разработанным аналогом для околоземных орбит.

Полагая, что свойства отражающей поверхности те же и отсутствуют потери в атмосфере (3 дБ), а радиовысотомер отличается только величиной излучаемой мощности, диаметром антенны и применяется на другой высоте, получим следующее уравнение [11]:

Р = Р

^ПРД

прд

С В V

^А V ВА )

'н *

V н о)

•0,25.

В уравнении (7) характеристики аналога примем следующие: -Р0ПРД = 5 Вт, Б0А = 1,26 м, Н0 = 1000 км. Тогда для проектируемого высотомера, принимая Н = 4260 км, получим уравнение связи излучаемой мощности Р и диаметра антенны Б

ПРД

А

Р = 45

1 прд ^

' 1,26 V

V Аа J

Результаты расчета представлены в табл. 2.

Таблица 2

0,26 0,5 1,0 2,0 3,0

^ Вт 533 144 36 9 4

Анализ данных табл. 2 позволяет сделать заключение о возможности использования СРЛ в режиме измерения высоты орбиты.

11

Таблица 1

^ Вт 1000 500 250 100

м 2,2-4,8 2,6-5,6 3,0-6,8 3,8-8,4 а = 0,5 м

1,1-2,4 1,3-2,8 1,5-3,4 1,9-4,2 а=1,0 м

0,7-1,6 0,8-1,9 1,0-2,3 1,3-2,8 а=1,5 м

Примечание: меньшее значение диаметра соответствует соотношению сигнал/шум 12,7 дБ.

ИССЛЕДОВАНИЯ

КО—

М_Ш ИССЛЕ)

Нлу

Ж г

№ 4 (10) октябрь-декабрь 2014

12

ГРАДА

3. Радиоизмерительная система с активными радиоотражателями

Использование на СДП активного ретранслятора приводит к необходимости реализации на нем антенной системы, обеспечивающей прием и передачу радиосигнала в верхней полусфере. Для Ки-диапазона возможно реализовать диаграмму шириной ±70° с усилением не хуже минус 4 дБ на частотах 11-14 ГГц [7; 10].

Для расчета параметров радиолинии активного ретранслятора используем обобщенную систему уравнений линии связи [7; 10; 12]:

- радиолиния СДС - СДП:

РСДС • ^и • • ^Сдп = ь1  рп •l6R ;

радиолиния СДП - СДС:

РСДП • КИ • Г)А • ^СДП = Ь2 • РП 16к2'

1 1 1

—+— = 1,

ь Ь2

ь -1

КИ - DСДС - ^СДП

Р - ь

ГСДС~ и\

V У

Ъ2 1,33 1,5 2,0 3,0 4,0

Ъ1 4,03 3,00 2,00 1,50 1,33

Рд^ Вт 0,48 0,36 0,24 0,18 0,16

РСДП, Вт 0,16 0,18 0,24 0,36 0,48

Анализ приведенных данных табл. 3 позволяет сделать заключение о возможности реализации активного СДП с малым значением излучаемой мощности (РСДП - 0,2 Вт) при нежестких требованиях к спутниковому локатору по размеру антенны (ВА = 0,26 м) и излучаемой мощности (РСДС - 0,5 Вт).

СДС

4. Информационно-измерительная связь СДС с наземной станцией

Для данной задачи воспользуемся результатами расчета информационной радиолинии Ки-диапазона между наземной станцией связи и базовой лунной станцией связи [13].

Результаты расчетов в приложении к радиокомплексу СДС представлены в табл. 4.

Таблица 4 Основные параметры станций связи

где Ъх и Ъ2 - коэффициенты усиления шума, Ъ > 1, Ъ2 > 1.

Совместное решение уравнений (9-11) позволит получить связь параметров радиолинии для СДП и СДС:

Р = Рш^ Р = Ь1 • Рп-16 R2

СДП _ г , > СДС -

-.

№ п/п Наименование параметра Значение Примечания

1 Наземная станция связи

- диаметр антенны, м - мощно с ть передатчика на частоте /14, Вт 5 10 /14 = 14 ГГц

2 СДС

- диаметр антенны, м - мощность передатчика на частоте /11, Вт 0,26 15 /п = 11 ГГц

3 Максимальная пропускная способность, кбит/с 512

4 Пороговый энергопотенциал С/Ы0, дБ 65,1

Подставляя в формулу (12) данные, приведенные в разделе 1 (РП = -175 дБВт, R = 5,593-106 м, КИ = 0,5), а также всдц = 0,4, получим следующую упрощенную зависимость:

/ \2 0,09

Расчетные данные по формулам (12-13) для минимального размера ВА = 0,26 м приведены в табл. 3.

Таблица 3

5. Формирование универсального радиотехнического комплекса СДС

Для выбора проектного облика радиотехнического комплекса СДС проведем анализ его характеристик при решении различных задач.

Приведенные в табл. 5 данные позволяют выработать обобщенные требования к радиотехническому комплексу СДС, обеспечивающему работу в различных режимах:

• диаметр антенны 2,3-2,8 м;

• излучаемая мощность 500 Вт (имп), 25 Вт (ср);

• точность слежения 0,15°;

• пороговый энергопотенциал 65,1 дБ.

Расчет радиолинии селенодезического спутника

Таблица 5

№ Наименование Диаметр антенны, м Излучаемая мощность Примечание

1 Радиолокация с пассивным ответом 2,3-2,8 1,8-2,4 500 (имп), 25(ср) 1000 (имп), 50 (ср) а = 1 м f = 11 ГГц

2 Радиолокация с активным ответом 0,26 0,5 (непр) °СДП = -4 дБ р = 0,16 Вт СПРД = 11 ГГц /ПРМ = I4 ГГц

3 Радиосвязь с наземным пунктом 0,26 15 (непр) ^НСС = 5 м РНСС = I0 Вт /РД = 11 ГГц /ПРМ = I4 ГГц

4 Радиовысотомер 0,26 3,0 1060 (имп), 50 (ср) 8 (имп), 0,4 (ср) /прд = 11ГГц

13

Библиографические ссылки

1. Чеботарев В. Е., Шмаков Д. Н., Анжина В. А. Концепция лунной системы спутниковой связи // Исследования наукограда. 2014. № 1(7). С. 26-31.

2. Спутниковая радиоизмерительная система с уголковыми радиоотражателями / В. Е. Чеботарев, О. Б. Грицан [и др.] ; Международная сибирская конференция по управлению и связи. Красноярск,

2013. С. 40-44.

3. Чеботарев В. Е., Звонарь В. Д., Грицан О. Б., Внуков А. А. Концепция построения триангуляционной селенодезической сети // Исследования наукограда.

2014. № 2(8). С. 15-21.

4. Сосулин Ю. Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации : учеб. пособие для вузов. М. : Радио и связь, 1992. 303 с.: ил.

5. Радиоэлектронные системы / Я. Д. Ширман [и др.]. М. : Радиотехника, 2007. 512 с.

6. Скляр Бернард. Цифровая связь. Теоретическое и практическое применение : пер. с англ. 2-е изд., испр. М. : Издательский дом «Вильямс», 2003. 1104 с. : Парал. тит. англ.

7. Чеботарев В. Е., Косенко В. Е. Основы проектирования космических аппаратов информационного обеспечения : учеб. пособие / Сиб. гос. аэрокосм. ун-т. Красноярск, 2011. 488 с., [24] с ил.

8. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / В. С. Шебшаевич, П. П. Дмитриев, Н. В. Иван-цев [и др.] ; под ред. В. С. Шебшаевича. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Радио и связь, 1993. 408 с.

9. Камнев В. Е., Черкасов В. В., Чечин Г. В. Спутниковые сети связи : учеб. пособие. М. : Альпина Паблишер, 2004. 536 с.: ил.

10. Кресснер Г. Н., Михаелс Д. В. Введение в системы космической связи. М. : Связь, 1967. 392 с.

11. Жуковский А. П., Оноприенко Е. И., Чижов В. И. Теоретические основы радиовысотометрии / под ред. А. П. Жуковского. М. : Сов. радио, 1979. 320 с.

12. Основы технического проектирования систем связи через ИСЗ / А. Д. Фортушенко, Г. Б. Аскенази, В. Л. Быков, О. С. Крапотин. М. : Связь, 1970. 331 с.

13. Расчет энергетики радиолинии «Земля - Луна» / В. Е. Чеботарев, О. Б. Грицан, В. А. Анжина [и др.] // Исследования наукограда. 2014. № 2(8). С. 10-14.

Статья поступила в редакцию 20.05.2014 г.