Формулировка целей и задач. Анализ требований к КА.

Основными целевыми задачами космического сегмента ССС является периодическое обеспечение непрерывной связью:

· фиксированных пользователей (или абонентов) с их известным расположением на земной поверхности;

· заданной зоны обслуживания на земной поверхности с произвольным расположением пользователей (или абонентов);

· заданной зоны обслуживания на земной поверхности с произвольным расположением пользователей и фиксированными абонентами, расположенными вне заданной зоны.

Задачи, определяемые пользователями (или абонентами), включают перечень требований к типу и качеству передаваемой (или получаемой) информации:

- телефония, теле- и радиовещание, передача данных, пейджинговая связь и т.д.;

- вероятность ошибочного приема (или передачи) информации;

- объем информации в течение заданного времени;

- диапазон рабочих частот при приеме (или передаче) информации и т.д.

Необходимо отметить, что наземные станции пользователей (абонентов), в зависимости от выполняемых функций, представляются в основном тремя типами:

· телевизионного вещания – приема и передачи изображения, звукового сопровождения и вещания, а также преобразования и распределения сигналов по абонентам;

· телефонии и передачи данных – приема и передачи различных видов информации (данных, речевых сообщений, факса, телекса) в цифровом виде (обычно со скоростью передачи информации £ 2 Мбод) в режимах работы на прием информации (симплексный режим) или на прием и передачу (дуплексный режим); этот тип наиболее часто применяется в частных и деловых спутниковых сетях;

· подвижной спутниковой связи – для организации обмена информацией между абонентами наземных сетей связи и подвижными терминалами (самолеты, морские и речные суда, железнодорожные поезда и другие объекты); в зависимости от функционального назначения станции представляются тремя типами: абонентскими (подвижные терминалы пользователей), стационарными и управления сетью; типовой комплекс услуг: дуплексная и симплексная телефонная связь потребителей, передача данных, факс, телекс.

В зависимости от вида предоставляемых услуг, требований различных групп пользователей к оперативности связи и от взаимного расположения абонентов возможны следующие варианты взаимосвязи между абонентами:

- связь в режиме реального времени, если абоненты находятся в зоне радиовидимости одного КА. При передаче речевых сигналов задержка определяется только временем распространения сигнала и обработки сообщения на КА и наземной станции сопряжения;

-ретрансляция через наземные станции сопряжения, расположенные в зоне радиовидимости двух КА одновременно;

-межспутниковая связь, если абоненты находятся в зоне радиовидимости разных КА;

-перенос информации на борту КА (электронный " почтовый ящик"), при котором образуется виртуальный канал между абонентами, расположенными в разных географических регионах.

Предположим, что целью КС является ретрансляция сигналов между ЗС (периодическое обеспечение непрерывной связью фиксированных пользователей (или абонентов) с их известным расположением на земной поверхности).

Решение целевой задачи (ретрансляция сигналов между ЗС) осуществляется бортовыми ретрансляционными комплексами спутников связи (БРТК) совместно с наземным комплексом приема и передачи информации. Остальные подсистемы КС обеспечивают функционирование БРТК КА.

От характеристик БРТК зависит выполнение ряда требований к КС, определяющих требуемый объем и качество ретранслируемой информации, а также эффективность системы в целом.

Качество и объем ретранслируемой БРТК информации зависит как от характеристик аппаратуры, так и от внешних условий (состояния атмосферы, дальности радиосвязи и др.). Влияние атмосферы проявляется в виде ослабления (поглощения) радиоволн, искривлении радиосигнала, появления дополнительных помех из-за шумов атмосферы и др. Причем, количественная оценка дополнительных потерь при прохождении сигнала определяется, в основном, рабочей частотой. Чем больше частота, тем выше потери, при этом отношение сигнал/шум снижается, а, следовательно, и снижается качество передаваемой информации.

Такие характеристики БРТК, как добротность приемных устройств и эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ), габариты антенн, которые в свою очередь влияют на добротность и ЭИИМ, определяют как качество передаваемой информации и её объем, так и на стоимость ЗС и системы в целом. Добротность приемного устройства – отношения усиления приемной антенны (в децибелах на частоте приема) к суммарной шумовой температуре устройства (в децибелах относительно 1К). ЭИИМ – произведение мощности передатчика на усиление антенны (в полосе частот передачи) относительно изотропной антенны.

Внешняя среда объекта исследования – совокупность тех компонентов КС и её внешней среды, которые существенно влияют на выполнение требований к системе, но структуру и параметры которых не представляется возможным менять. Граница между объектом исследования и внешней средой заранее не очевидна. Возникает задача отграничения объекта исследования. Рассмотрим это на следующих примерах.

Внешняя среда по отношению к КС проявляется в виде:

· источников индустриальных помех, транспорта, линий электропередачи, излучающих установок различного характера (медицинских, технических и др.);

· помех от радиорелейных линий, использующих те же полосы частот, и ЗС других спутниковых систем;

· помех от пролетающих в зоне связи воздушных судов в результате отражения от них сигналов удаленных радиорелейных и спутниковых ЗС;

· соблюдения норм на излучение, создаваемое как КА, так и ЗС в окружающей среде (соблюдение биологической зоны);

· поглощения радиосигнала в атмосфере, рефракции и деполяризации сигналов и др.;

· помех в виде излучения космоса, Солнца и планет;

· воздействия внешних возмущений (на КА и ОС КА), обусловленных нецентральностью гравитационного поля Земли, притяжения Луны и Солнца, атмосферой, световым давлением.

В этих условиях правильный и точный учет влияния всех факторов позволяет обеспечить космическим сегментом системы связи выполнение своих функций и в то же время исключить изменение энергетических запасов, приводящее к неоправданному усложнению таких компонентов как БРТК КА и аппаратуры ЗС. Если районы размещения и координаты ЗС заданы (т.е. их нельзя изменить), то они будут отнесены как компоненты системы к внешней среде объекта исследования. Если в системе используются существующие подсистемы (и их компоненты) НРТК, НКУ, а также ЗС различных типов НКППИ и параметры аппаратуры ЗС изменить нельзя, то совокупность этих подсистем также можно отнести к внешней среде.

Итак, в результате анализа системы связи получаем, что внешней средой объекта исследования (в данном случае это КА или несколько КА (или ОК)) являются:

-помехи различного типа и происхождения;

-гравитационные поля Земли, Луны, Солнца, а также атмосфера Земли, световое давление;

-НКППИ с компонентами (ЗС различного типа и назначения);

-НРТК с компонентами (РН, СК, ТК, ИК);

-НКУ с компонентами (КИК, ССПД, ЦУП).

Если параметры ЗС (диаметр антенн, мощность передатчиков и др.) НКППИ создаются заново (т.е. есть возможность изменять их параметры с целью достижения экономического эффекта от реализации КС), то из списка элементов внешней среды ЗС исключаются и переводятся в объект исследования (к ОК добавляются ЗС приема и передачи информации).

Рассмотрим подробнее некоторые из факторов внешней среды (поглощение энергии сигнала в атмосфере, потери из-за рефракции и неточности наведения антенн, фазовые эффекты в атмосфере, потери из-за несогласованности поляризаций антенн и др.) и дадим им количественное определение.

Поглощение радиоволн в атмосфере количественно определяется коэффициентом . В диапазонах частот основное поглощение определяется тропосферой, точнее, газами тропосферы – кислородом и водяными парами, дождем и прочими гидрометеорами (остальные газы тропосферы оказывают меньшее влияние). Это поглощение представляет собой как бы постоянную составляющую потерь, имеющих место в течение 100% времени.

Оценка затухания в гидрометеорах определяется коэффициентом и зависит от их вида (дождь, снег, туман) и интенсивности, размеров зоны их выпадения и распределения нтенсивности по зоне, а также от распределения размеров их частиц. Эти факторы влияют на коэффициент погонного поглощения и эквивалентную длину сигнала , а . Потери имеют случайный характер и определяются для заданной климатической зоны. Потери (из-за наведения антенны) также имеют случайный характер и их можно определить по формуле , где - угловое отклонение оси главного лепестка диаграммы направленности (ДН) от истинного направления, - ширина диаграммы направленности антенны.

Значения потерь из-за несогласованности поляризаций антенн в основном зависят от коэффициентов эллиптичности и поляризации передающей и приемной антенн.

Суммарное значение дополнительных потерь по радиолинии связи определяется в виде

.

Перечень требований к КА связи (несмотря на различие их типов) является общим для КА данного класса. На практике часть этих требований может задаваться заказчиком, а часть предложена разработчиками на основе имеющихся в их распоряжении технических средств.

1.Требования к зоне обслуживания. Ранее приводилось понятие зоны обслуживания системы. Зона обслуживания КА – это совокупность (объединение) зон обслуживания БРТК. КА должен обеспечивать ретрансляцию сигналов между ЗС в заданной зоне обслуживания – территории, на которой могут располагаться ЗС или непосредственно те географические точки, где должны располагаться конкретные ЗС. Это знание географических координат предоставляет возможность использовать отдельные узкие лучи, направленные на конкретные ЗС. Это позволит улучшить энергетику системы и ее экономические показатели. Возможна организация интегрального и зонального обслуживания. Интегральное обслуживание – вся область обслуживания “освещается” единой бортовой антенной (приемной или предающей). Зональное обслуживание сводится к разделению всей области обслуживания на несколько парциальных зон и раздельному обслуживанию этих зон. Выполнение требований по зоне обслуживания, заданной координатами ЗС и районами ЗС , определяется выбором количеством лучей БРТК КА и шириной лучей диаграмм направленности передающих антенн БРТК .

2.Требования к пропускной способности каналов связи. Необходимый объем ретранслируемой информации должен быть разделен на две группы сообщений: дуплексные каналы и каналы циркуляционного характера. Пропускная способность (ПС) КА – объединение пропускных способностей входящих в БРТК каналов связи. Пропускная способность КА зависит в некоторой степени от воздействия помех, создаваемых другими системами. При увеличении числа спутников роль этих помех возрастает. Пропускная способность может быть ограничена или максимальна. Ретрансляция сигналов с требуемой пропускной способностью зависит от параметров БРТК и ЗС: мощности передатчика , усиления антенны на прием и передачу , полной эквивалентной шумовой температуры приемников , ширины полосы пропускания приемников , дополнительных потерь по радиолинии связи , рабочей частоты на прием и передачу, дальности связи , количества бортовых передатчиков , приемных и передающих антенн. является в основном функцией и определяется влиянием атмосферы. Усиление передающей бортовой антенны определяется параметром . Для разработанных и перспективных КА полоса пропускания варьируется в диапазоне 36…120 (240) МГц (по данным анализа КА связи).

3.Требования к зоне покрытия. Для определения зоны покрытия рассмотрим понятие зоны видимости КА связи – поверхность Земли, с которой КА виден под углом места больше некоторого минимального допустимого значения в течение заданной длительности сеанса связи. Зона покрытия – часть зоны видимости, в которой обеспечиваются необходимые энергетические соотношения на линии связи при определенных параметрах ЗС. Если диаграммы направленности (ДН) бортовых антенн на прием и передачу достаточно широки, чтобы охватить всю видимую с КА часть Земли, то зона покрытия совпадает с зоной видимости. В данном случае имеем глобальную зону покрытия. Для улучшения энергетики линий связи необходимо создавать зоны покрытия малого размера, максимально приближенные к границам зоны обслуживания. Нестабильность положения КА связи на орбите и неточность наведения бортовых антенн приводят к превышению зоны покрытия над зоной обслуживания. Это ухудшает энергетику КА связи и снижает его экономические показатели.

4.Требования к режиму работы бортового ретранслятора КА связи. Различают два режима: односигнальный (к одному ретранслятору имеет доступ одна ЗС на заданном интервале времени) и многостанционный – когда несколько ЗС одновременно обращаются к одному стволу спутникового ретранслятора и передают через этот ствол свои сигналы. Многостанционный доступ (МД) представляет собой специфическую особенность спутниковой связи, выгодно отличающего его от других видов связи. МД применяют потому, что обычно оказывается неэкономичным создавать число стволов на КА равное числу ЗС в системе. Применяют МД с разделением сигналов по частоте (МДЧР), форме (например, МДКР) и времени (МДВР). Любой способ МД приводит к потере пропускной способности ствола до 3…6 дБ, хотя в наиболее совершенных системах с МДВР – не превышают 0.5…2 дБ. Эффективность МД принято оценивать по степени использования пропускной способности ретранслятора в зависимости от числа сигналов и характеризуется показателем :

,

где – пропускная способность ствола ретранслятора в односигнальном режиме, – пропускная способность, реализуемая -ой ЗС в части общего ствола, – монотонно убывающая функция числа передаваемых сигналов.

Если бортовой ретранслятор обеспечивает на радиолинии ЗС – КА работу в режиме МДЧР, а на радиолинии КА – ЗС в режиме МДВР, то это улучшает показатели линии спутниковой связи: при МДВР ствол работает в режиме максимальной мощности (оптимально расходуется энергия), а МДЧР обеспечивает использование ЗС с малой мощностью передатчиков (экономия энергоресурсов).

5.Требования к качеству ретранслируемой информации (в особенности к отношению сигнал/шум или к достоверности для дискретных сообщений). Качество ретранслируемой абоненту информации зависит от ряда факторов:

· параметров бортового ретрансляционного комплекса (БРТК) и ЗС (добротности, ЭИИМ, эквивалентных шумовых значений полосы приемника, температуры антенны, температуры собственно приемника, коэффициентов передачи антенно-фидерных трактов и др.);

· условий по радиолиниям связи, обусловленных в основном влиянием атмосферы (проявляется в виде ослабления (поглощения) радиоволн, рефракции (искривление радиосигнала), фазовой дисперсии сигнала (эффект Фарадея), изменения формы и вращения плоскости поляризации радиоволн, появление помех из-за шумов атмосферы и др.);

· случайных возмущений орбитальной структуры спутников связи (отклонение орбитальных параметров спутника от расчетных, отказы бортовых систем и спутника в целом).

Выполнение требований по качеству информации может представляться в виде вероятности ошибочного приема двоичных сигналов . Обычно задается с высокой достоверностью ().

6.Требования к стоимости КА. Стоимость КА определяется затратами на его создание и эксплуатацию. Обработка статистических данных показывает, что стоимость создания современных многоствольных КА связи для решения социально-экономических задач составляет 100…200 млн. долларов США. Обычно ставится задача, чтобы стоимость была ограничена или минимальна.

7.Требования ко времени функционирования КА. Определяется задачами, стоящими перед КА. Обычно время функционирования не менее 6…7 лет и не более 20…25 лет. Увеличение времени функционирования более 25 лет нецелесообразно из-за “старения” элементной базы, появления за это время новых технических решений и т.д. Это требование определяет необходимый объем резервного оборудования на ЗС и на КА связи, а следовательно, необходимое число КА для обеспечения необходимой пропускной способности системы связи. Определяет также необходимость и число резервных КА, как выводимых на орбиту, так и хранящихся на Земле. Время функционирования КА – время наработки до отказа КА целиком либо допустимого числа стволов БРТК, определяемое с высокой вероятностью (обычно 0, 9 и более). Например, значение вероятности безотказной работы современных БРТК составляет 0.94 в течение 12 лет времени активного функционирования, благодаря высокой надежности элементов, гибкой и разветвленной схеме резервирования. Время функционирования должно быть максимально или не ниже заданного.

8.Требования к экономической эффективности КА. Это требование характеризует вклад системы в надсистему. Экономическая эффективность связана с доходом и затратами на нее в надсистеме. Требование к ней может быть задано либо в виде ограничения, когда она должна быть не ниже заданной или максимальна.

Модель цели представляется в виде списка требований к критериям:

· К зоне обслуживания: район обеспечения связью , количество абонентов с передвижными терминалами , географические координаты фиксированных абонентов и их количество ;

· К пропускной способности: ;

· К зоне покрытия: ;

· К режиму работы БРТК: односигнальный режим или многостанционный доступ;

· К качеству ретранслируемой информации: ;

· К стоимости: ;

· К времени функционирования: ;

· К экономической эффективности: .