СПОСОБ УСТАНОВЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ИЗОТРОПНО ИЗЛУЧАЕМОЙ МОЩНОСТИ ПЕРЕДАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА НА НИЗКОЙ КРУГОВОЙ ОРБИТЕ ДЛЯ СВЯЗИ СО СПУТНИКОМ-РЕТРАНСЛЯТОРОМ НА ВЫСОКОЙ КРУГОВОЙ ОРБИТЕ, ОСНАЩЕННЫМ ПРИЕМНОЙ АНТЕННОЙ С УЗКИМ УПРАВЛЯЕМЫМ ЛУЧОМ
METHOD OF ESTABLISHING OPTIMUM VALUE OF EQUIVALENT ISOTROPICALLY EMITTED POWER OF TRANSMITTING SYSTEM OF SPACECRAFT ON LOW CIRCULAR ORBIT FOR COMMUNICATION WITH RETRANSMISSION SATELLITE ON HIGH CIRCULAR ORBIT EQUIPPED WITH RECEIVING ANTENNA WITH NARROW CONTROLLED BEAM

Изобретение относится к космическим системам ретрансляции информации между абонентскими станциями, в роли которых выступают низкоорбитальные космические аппараты (КА), и центрами управления и приема сообщений с использованием высокоорбитальных, преимущественно геостационарных спутников-ретрансляторов (CP).
Способ установления значения эквивалентной изотропно излучаемой мощности (ЭИИМ) передающей системы абонентских станций космических систем связи и передачи данных изложен, например, в справочнике Спутниковая связь и вещание: Справочник. - 3-е изд., перераб. и доп. / В.А. Бартенев, Г.В. Болотов, В.Л. Быков и др; под. ред. Л.Я. Кантора. - М.: Радио и связь, 1997. - с. 149-154 [1] и в сборнике задач Теплякова И.М. Телекоммуникационные системы: Сборник задач: Учебное пособие - М: ИП «РадиоСофт», 2008. - с. 116-118. По совокупности используемых параметров радиолинии способ, описанный в [1], выбран в качестве прототипа. В соответствии с данным способом ЭИИМ КА устанавливается определением:
б
o
- отношения энергии бита к спектральной плотности шума Е/N в радиолинии связи между абонентской станцией и CP, исходя из требования к коэффициенту битовой ошибки для выбранной сигнально-кодовой структуры;
- длины волны несущей λ и скорости передачи информации R;
- коэффициента усиления приемной антенны CP, например, по оси диаграммы направленности ,
- дополнительных потерь в радиолинии L;
- протяженности радиолинии D;
- шумовой температуры приемной системы CP ;
и вычислением по формуле:
где k - постоянная Больцмана.
a
Входящие в выражение (1) суммарные потери сигнала для спутниковой радиолинии связи с земным абонентом, в общем случае, включают в себя потери на распространение в свободном пространстве (первый сомножитель указанного выражения), зависящие от протяженности радиолинии D, и дополнительные потери L, содержащие потери в атмосферных газах L и гидрометеорах , а также потери из-за несогласованности поляризаций передающей и приемной антенн .
А
Для удобства анализа такие виды потерь, как потери в фидерных трактах и из-за ошибок наведения передающей и приемной антенн здесь и далее будут считаться учтенными в значениях ЭИИМ,  и .
СР
Протяженность спутниковой радиолинии D при связи с земным абонентом зависит от радиуса орбиты CP R и угла места связи β (Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь. Пер. с англ. / Под ред. В.В. Маркова - М.: Связь, 1979. - с. 144):
З
где R - радиус Земли.
Потери в атмосферных газах могут быть представлены как:
o
где  и  - коэффициенты погонного поглощения в кислороде и парах воды, соответственно, h - высота земного абонента над уровнем моря.
Потери в гидрометеорах  зависят от коэффициента погонного поглощения в них  и эквивалентной длины пути сигнала в зоне присутствия гидрометеоров :
где F(ε) - коэффициент, учитывающий неравномерность пространственного распределения интенсивности гидрометеоров, a  - эквивалентная толщина зоны присутствия гидрометеоров [1, с. 155-156].
n
Потери из-за несогласованности поляризаций передающей и приемной антенн L зависят от значений коэффициента эллиптичности антенн и угла между соответствующими полуосями эллипсов поляризации передающей и приемной антенн ψ. Значение последнего определяется выражением:
где  - частота несущей сигнала [1, с. 167-169].
Таким образом, на основании анализа выражений (1÷5) можно сделать вывод о том, что перечисленные выше составляющие суммарных потерь сигнала при связи земного абонента с CP имеют четко выраженную зависимость от угла места β следствием которой является рост указанных потерь с уменьшением данного угла.
Поэтому при расчете спутниковых линий связи с земными абонентами, когда находящиеся в зоне обслуживания спутниковой антенны абоненты должны работать при различных (или изменяющихся в процессе эксплуатации) углах места, выбирают такое значение ЭИИМ земного абонента, при котором необходимые скорость и качество передачи информации обеспечивались бы даже при минимальном значении угла места β, т.е. при наихудших во всех отношениях для земных абонентов условиях связи. Т.е., выбор значения ЭИИМ земного абонента осуществляется по принципу «гарантированного результата» (Вентцель Е.С.Исследование операций: задачи, принципы, методология. - 2-е изд. стер. - М.: Наука. Гл. ред. физ. - мат. лит., 1988 - с. 39).
Недостатком рассмотренного способа является то, что он разработан применительно к радиолиниям спутниковой связи с земными абонентами и в нем не учитываются особенности связи между низкоорбитальным КА и высокоорбитальным CP (межспутниковой связи). Это приводит, как будет показано ниже, к завышенной оценке ЭИИМ КА, необходимой для передачи информации с заданной скоростью и качеством.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа, обеспечивающего установление минимально необходимых параметров передающей системы низкоорбитального КА за счет учета особенностей передачи информации по межспутниковой линии (МСЛ) на высокоорбитальный СР.
б
o
З
СР
Поставленная цель достигается тем, что в способе установления оптимального значения эквивалентной изотропно излучаемой мощности передающей системы космического аппарата на низкой круговой орбите для связи со спутником-ретранслятором на высокой круговой орбите, оснащенным приемной антенной с узким управляемым лучом, при котором задают значения энергопотенциала межспутниковой линии как отношения энергии бита Е к спектральной плотности шумов N на выходе приемной системы спутника-ретранслятора, исходя из требований к скорости передачи данных и к коэффициенту битовой ошибки для выбранной сигнально-кодовой структуры, а также длины волны λ, скорости передачи информации R и коэффициента осевого усиления приемной антенны спутника-ретранслятора , определяют дополнительные потери в межспутниковой линии L, связанные, например, с рассогласованием эллипсов поляризации передающей антенны космического аппарата и приемной антенны спутника-ретранслятора, ошибками взаимного наведения указанных антенн, протяженность межспутниковой линии D и шумовую температуру приемной системы спутника-ретранслятора , вычисляют эквивалентную изотропно излучаемую мощность космического аппарата, как , где k - постоянная Больцмана, согласно изобретению значения протяженности межспутниковой линии и шумовой температуры приемной системы спутника-ретранслятора вычисляют для порогового значения угла отклонения линии визирования «космический аппарат - спутник-ретранслятор» от направления «СР - центр Земли» , где R - радиус Земли, R - радиус орбиты CP, h - минимально допустимая высота прохождения межспутниковой линии над поверхностью Земли.
Сущность предполагаемого изобретения поясняется фиг. 1÷4, где:
- на фиг. 1 приведены геометрические построения для определения зависимости протяженности МСЛ от угла отклонения линии визирования «КА - СР» от направления «СР - центр Земли» δ;
- на фиг. 2 представлены возможные варианты ориентации приемной антенны СР при организации МСЛ;
- на фиг. 3 приведены графики зависимости протяженности МСЛ и шумовой температуры приемной системы СР от угла отклонения δ;
- на фиг. 4 приведены графики, иллюстрирующие характер зависимости ЭИИМ КА от угла отклонения δ при различных подходах к установлению данного параметра.
На фиг. 1÷4 введены следующие обозначения:
1 - земной шар;
2 - сфера возможных положений КА;
3 - диаграмма направленности приемной антенны СР;
4 - место размещения КА на сфере его возможных положений;
5 - тепловое излучение Земли.
З
КА
Принципиальным отличием МСЛ от линии связи «земная станция - СР» является то, что она проходит вне земной атмосферы и ее протяженность, а значит и потери в свободном пространстве, зависят не от угла места β, а от угла δ, характеризующего отклонение линии визирования «КА - СР» от направления «СР - центр Земли». Для определения этой зависимости обратимся к фиг. 1 (верхний чертеж), на которой показаны проекции земного шара 1 (окружность радиусом R) и сферы возможных положений КА 2 (окружность радиусом R). Точка А является местом нахождения СР, а точка В - произвольным местом нахождения КА, соответственно линия АВ обозначает МСЛ.
В соответствии с теоремой косинусов можно записать:
где θ - вспомогательный центральный угол, который исходя из представленных геометрических построений равен:
После подстановки (7) в (6) и проведения соответствующих преобразований, получим следующее квадратное уравнение:
решением которого является:
Проанализируем полученный результат с помощью нижнего чертежа на фиг. 1, представляющего собой видоизменение верхнего чертежа, на котором проиллюстрированы различные случаи определения значений протяженности МСЛ.
1
СР
KА
2
СР
KА
Рассмотрим случай 1, когда угол δ равен нулю и направление МСЛ совпадает с линией АЕ. В соответствии с (9) для δ=0 с математической точки зрения существуют два решения уравнения (8), или два значения протяженности МСЛ: D=R+R (линия АЕ) и D=R-R (линия AD).
С физической точки зрения связь с КА в точке Е невозможна, поскольку МСЛ блокируется Землей. Данная ситуация будет сохраняться до тех пор, пока МСЛ не будет проходить на некоторой высоте над поверхностью Земли h, на которой МСЛ не блокируется Землей и радиосигналы не поглощаются земной атмосферой. Например, по результатам экспериментов с установлением лазерной связи между японским низкоорбитальным КА OICETS и европейским геостационарным CP ARTEMIS было определено, что на высотах свыше 50 км над Землей влиянием атмосферы можно пренебречь (Y. Takayama et al. Observation of atmospheric influence on OICETS inter-orbit laser communication demonstrations. // Free-Space Laser Communication Technologies VII, Proc. of SPIE Vol. 6709, 67091B, 2007). Как следует из нижнего чертежа на фиг. 1, это отклонение МСЛ от направления на центр Земли соответствует пороговому значению , равному
Т.е., для значений δ, лежащих в пределах от 0 до , уравнение (9) имеет только одно решение:
макс
Случай 2 соответствует ситуации, когда МСЛ проходит по касательной к сфере возможных положений КА (КА в этом случае находится в точке F). Для этого случая у уравнения (8) для протяженности МСЛ D, соответствующей максимальному углу отклонения δ, равному
существует одно единственное решение:
макс
Наконец, для значений δ, лежащих в пределах <δ<δ, уравнение (8) имеет два действительных решения, соответствующих протяженности МСЛ до «ближнего» КА (линия AG) и до «дальнего» КА (линия АН), которые соответственно равны:
и
Другим изменяющимся в пространстве параметром МСЛ является шумовая температура приемной системы СР.
Полная эквивалентная шумовая температура приемной системы, состоящей из антенны, фидерного тракта и малошумящего усилителя (МШУ), пересчитанная ко входу МШУ, может быть описана следующим выражением [1, с. 172]:
A
o
МШУ
ф
где T - эквивалентная шумовая температура антенны; T - абсолютная температура окружающей среды; Е - эквивалентная шумовая температура собственно МШУ, обусловленная его внутренними шумами; η - коэффициент передачи фидерного тракта.
А
Температура антенны Т определяется интегралом по полному телесному углу Ω=4π [1, с. 173]:
я
где Т(ϕ,θ) и G(ϕ,θ) - соответственно яркостная температура излучения и коэффициент усиления антенны в сферических координатах ϕ и θ. Поскольку в дальнейшем речь пойдет о приемной антенне СР, и центром упомянутой сферической системы координат будет точка расположения СР, то одна из угловых сферических координат (θ) станет при дальнейшем анализе эквивалентом рассмотренного ранее угла отклонения оси приемной антенны СР от направления на центр Земли δ.
На фиг. 2 показаны два варианта ориентации диаграммы направленности (ДН) 3 приемной антенны СР при осуществлении связи с КА при нахождении его в различных точках 4 на сфере возможных положений 2 в условиях теплового излучения Земли 5 в направлении СР.
макс
В варианте, показанном на верхнем чертеже фиг. 2, ДН 3 приемной антенны СР ориентирована на центр Земли и ее тепловое излучение 5 воздействует как по главному лепестку ДН 3, так и по боковым. Поэтому в данном случае приемная антенна СР будет характеризоваться максимальной шумовой температурой. По мере отклонения оси ДН 3 от направления на центр (т.е., с увеличением угла δ) главный лепесток будет постепенно выходить за пределы земного диска, и воздействие теплового излучения Земли 5 теперь будет восприниматься приемной антенной СР в основном по боковым лепесткам и, возможно, по главному лепестку ДН 3 при относительно низких уровнях усиления (нижний чертеж на фиг. 2). При отклонении оси ДН 3 на угол δ по главному лепестку будет воздействовать в основном тепловое излучение космических источников, характеризующееся существенно меньшим уровнем, чем излучение Земли, что вызвано их большей удаленностью и значительно меньшими угловыми размерами.
Так, если яркостная температура Земли составляет примерно 290 К, то максимальная яркостная температура космического фона на частотах порядка 2 ГГц не превышает 6 К и постепенно снижается с ростом частоты [1, с. 175, 178].
Итак, в ходе проведенного анализа составляющих уравнения (1), определяющего ЭИИМ передающей системы абонентской станции, установлено, что для МСЛ, использующей приемную антенну СР с узким и управляемым лучом, в указанном уравнении имеются параметры, зависящие от угла δ: шумовая температура приемной системы СР  и протяженность МСЛ D.
Преобразуем выражение (1) применительно к ЭИИМ КА, выделив составляющие, зависящие от угла δ:
С учетом того, что все составляющие в правой части выражения (18), кроме D и , являются постоянными величинами, можно записать:
где
На фиг. 3 приведены графики зависимости протяженности МСЛ D (верхний чертеж) и температуры приемной системы СР  от угла отклонения δ (нижний чертеж).
СР
KА
макс
График функции D(δ) построен применительно к СР на геостационарной орбите радиусом R=42164 км, КА на круговой орбите радиусом R=8378 км и минимальной высоте прохождения радиолуча над поверхностью Земли h=100 км. Это соответствует значениям =8,8° и δ=11,5°, вычисленным по формулам (10) и (12). При этом для δ<8,8° приведены значения D для «ближних» КА, рассчитанные по формуле (14), а для δ≥8,8° - значения D для «дальних» КА, рассчитанные по формуле (15).
График функции (δ) построен для приемной системы геостационарного CP S-диапазона с антенной, формирующей луч шириной около 3° по уровню половинной мощности. Данные для этого графика могут быть получены как расчетным, так и экспериментальным путем.
КА
КА
Поскольку характер зависимости параметров  и D от δ для значений δ<8,8° является прямо противоположным, это дает основание предполагать наличие экстремума у функции ЭИИМ(δ). Для подтверждения данного предположения рассмотрим характер изменения произведения  (а значит и ЭИИМ) в зависимости от угла δ. В таблице 1 для этой цели приведены значения:
-  и D(δ), на основании которых построены графики, представленные на фиг. 3;
-  ( - var) для изменяющейся от угла δ шумовой температуры антенны;
-  (=const) в предположении, что шумовая температура антенны остается неизменной, например максимальной, принятой для δ=0, как это делается при расчетах для наихудших условий связи.
2
Обе величины  (при Т - var и =const) представлены в логарифмическом масштабе () и имеют размерность дБ⋅К⋅км. Для простоты сопоставления указанных величин в таблице 1 приведены также нормированные их значения:
- Δ1 - нормированное значение  при  - var;
- Δ2 - нормированное значение  при =const.
КА
КА
КА
Графики зависимости Δ1 и Δ2 от δ представлены на фиг .4. Из этих графиков следует, что при значении угла δ равном 8,8°, которое для рассматриваемого случая было определено выше как , произведение  и, следовательно, функция ЭИИМ(δ) имеют максимум, т.е. расчет ЭИИМ необходимо производить при значениях  и D для угла δ=. Тем самым гарантируется, что при установленном по результатам вышеприведенного расчета значении ЭИИМ заданные качество и скорость передачи информации в направлении КА - СР будут обеспечиваться во всем диапазоне рабочих углов δ.
КА
Сравнение указанных графиков зависимости Δ1 и Δ2 от δ также показывает, что учет изменения шумовой температуры приемной антенны СР на направлениях МСЛ вне земного диска (график Δ1) позволяет получить выигрыш в значении ЭИИМ в 0,8 дБ по отношению к случаю, если бы такой учет не производился (график Δ2).
Таким образом, использование предлагаемого способа обеспечивает минимизацию энергетических затрат низкоорбитального КА, необходимых для передачи единицы информации на высокоорбитальный СР.
По результатам проведенного авторами анализа известной патентной и научно-технической литературы не обнаружена совокупность признаков, эквивалентных (или совпадающих) с признаками данного предполагаемого изобретения, поэтому заявители склонны считать техническое решение отвечающим критерию «новизна».
Предложенный автором способ в настоящее время используется при задании параметров низкоорбитальных абонентов космических систем ретрансляции информации от объектов ракетно-космической техники.