В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Валентин
Андрей
Юрий
ИгорьЗа последние несколько лет опубликовано значительное количество информации о перспективах создания низкоорбитальных систем спутникового широкополосного доступа (ШПД) [1–2], основой которых являются многоспутниковые группировки. Такие группировки планируются из сотен и даже тысяч небольших спутников класса “микро” в диапазонах Ku, Ka, Q/V фиксированной спутниковой службы (ФСС). Эти системы получили обозначение LEO-HTS, поскольку повторяют идеологию многолучевого формирования рабочей зоны, свойственную геостационарным спутникам HTS.
Очевидно, что создание микроспутников, развертывание и поддержание многоспутниковой группировки в рабочем состоянии требует решения многочисленных научно-технических задач. Но существуют две проблемы, которые остаются вне активного обсуждения, и решение их пока неизвестно. Первая проблема связана с созданием удобных и дешевых абонентских терминалов, оснащенных сканирующими антеннами [3, 4]. Вторая – это обеспечение электромагнитной совместимости проектируемых систем LEO-HTS между собой и с иными спутниковыми системами ФСС, в том числе уже действующими [5–8]. Ее решение для исключения помех приемным станциям, действующим геостационарным спутникам связи и вещания обеспечивается изменением пространственной ориентации с последующим выключением спутников LEO-HTS в моменты прохождении экваториальной зоны [5–7].
Однако вопросы ЭМС между проектируемыми спутниковыми системами LEO-HTS и проектируемыми спутниковыми системами на иных орбитах (MEO/HEO-HTS) пока не имеют однозначного ответа. Кроме того, нет адекватного аппарата моделирования таких ситуаций, одобренного международной организацией ITU.
Наиболее рекламируемой сегодня системой LEO-HTS является система OneWeb. В [5, 6] уже отмечалось, что имеется серьезная проблема обеспечения совместной работы абонентов в Ku-диапазоне системы OneWeb и системы “Экспресс-РВ”, использующей орбиты типа “Тундра” (при моделировании не учитывались особенности многолучевого формирования рабочей зоны) и “Молния”[8]. В данной статье рассматривается проблема воздействия помех, создаваемых спутниками системы LEO-HTS, на приемные абонентские терминалы спутниковой системы HEO-HTS с учетом особенностей формирования многолучевой рабочей зоны. Моделирование конфликтной ситуации в радиочастотном спектре выполнено с учетом предполагаемого баллистического построения системы OneWeb (LEO-HTS) и системы “Экспресс-РВ” (HEO-HTS), использующей орбиты типа “Молния”.
В системах LEO-HTS формируются многолучевые рабочие зоны. Причем в каждом луче используется часть общей полосы радиочастот, выделенной системе, но идентичная поляризация во всех лучах (например, абоненты принимают сигналы на правой поляризации, а передают на левой во всех лучах, или наоборот). В системах HEO-HTS также формируются многолучевые рабочие зоны. Причем параметры спутниковой группировки обычно стремятся выбрать такими, чтобы наблюдался эффект квазигеостационарности [9], который в идеале позволяет применять абонентские терминалы с небольшими антеннами без сканирования луча или с минимальными углами сканирования. При этом поляризационный план спутника HEO-HTS может предусматривать и левую, и правую поляризацию абонентских лучей. Но очевидно, что для обеспечения развязки абонентских лучей LEO-HTS и HEO-HTS они должны быть ортогональны (развязка лучей в этом случае бесконечно большая). Однако идеальная круговая поляризация недостижима. В дальнейшем следует принять наихудшее значение коэффициента эллиптичности и борта, и земли. Например, при коэффициенте эллиптичности в пределах 0,7–0,8 развязка ортогональных сигналов с эллиптической поляризацией [10] составит Ап = 12,3–16,2 дБ (ориентация поляризационных эллипсов изменяется при движении спутника по орбите, от частоты и погодных условий, поэтому принят наихудший случай – совпадение больших осей поляризационных эллипсов). Но, кроме того, имеет место существенное снижение коэффициента эллиптичности в угловых направлениях, отличных от осевого направления излучения.
По данным [11] существенное уменьшение коэффициента эллиптичности наблюдается за пределами ширины диаграммы направленности. В максимумах первых двух боковых лепестков коэффициент эллиптичности снижается в 1,2 раза для неосесимметричных антенн. Соответственно, ориентироваться на уровень поляризационной развязки более Ап = 10–12дБ нет оснований. С целью исключения неоднозначности получаемых при моделировании отношений полезного сигнала к помехе (С/I) за счет изменения поляризационных параметров примем, что поляризационной развязки лучей нет, но затем учтем ее в итоговом бюджете.
В табл.1 представлены принятые радиотехнические параметры абонентских лучей, а в табл. 2 – баллистические параметры спутниковых группировок.
На рис. 1 представлен типовой сценарий возникновения помех, обусловленных совместной работой двух систем. Как видно из рисунка, на вход демодулятора абонентской станции сети “Экспресс-РВ” будет поступать не только излучение сигнала (С), но и суммарное помеховое излучение (I) от всех ближайших спутников системы OneWeb.
Каждый спутник OneWeb формирует 16 пространственно разнесенных в направлении “север/юг” лучей, причем два ближайших к местной вертикали (МВ) луча смещены относительно МВ на 1,6 град. Все последующие лучи имеют фиксированный угловой разнос между собой в 3,1 град.[12].
Полосы частот лучей спутника OneWeb чередуются таким образом, что частоты повторяются два раза. Частотно-территориальный план спутника OneWeb представлен на рис. 2. Соответственно, на приемный терминал спутника “Экспресс-РВ” будут одновременно воздействовать два луча спутника OneWeb. Каждая такая пара лучей имеет свое пространственное положение, которое будет зеркально меняться для восходящих и нисходящих спутников OneWeb.
Исследуемым параметром является отношение полезного сигнала (С), принимаемого абонентской станцией “Экспресс-РВ”, к помехе (I), создаваемой двумя лучами спутников OneWeb с совпадающими по частотам лучами, но без учета поляризационной развязки.
В качестве модели диаграммы направленности антенн абонентских станций использовалась модель, представленная в Рекомендации МСЭ-R S.1428.
Моделирование работы системы “Экспресс РВ” показывает, что границы сканирования луча антенн абонентских терминалов в зависимости от их географического положения варьируется в небольших пределах и не выходят за 12 град. х 2 град. (рис. 3). Это справедливо как для основного, так и для сопряженного витков (рис. 3). Однако большая ось этого углового эллипса имеет значительное изменение наклона. Таким образом, приемная абонентская антенна без сканирования может иметь усиление не более примерно 30 дБ, а размер ее апертуры примерно 61х11 см. Сканирование в одной плоскости +/-6 град. допустимо для антенн с диаметром раскрыва до 0,9–1 м, т.е. максимальное усиление примерно до 38дБ.
Пересечение спутником OneWeb областей положения КА “Экспресс-РВ” может приводить к возникновению наиболее сильных помех (рис. 4), поскольку приемные антенны ориентированы в эти области. Лучи OneWeb создают зоны помех.
На рис. 5 иллюстрируется положение и изменение этих зон для двух лучей, принятых при моделировании, на примере шестерки спутников OneWeb. Уровень помех в значительной степени зависит от географического расположения абонентской станции “Экспресс-РВ” и стратегии выключения смежных спутников OneWeb, поэтому выявить общие закономерности проблематично.
Количественная зависимость C/I также зависит от расположения приемного абонентского терминала и размеров его антенны. Для анализа ЭМС между системами “Экспресс-РВ” и OneWeb было проведено моделирование совместной работы двух систем. Контроль уровней сигналов и помех осуществлялся в трех характерных точках: “Северная” (80 град. с.ш., 75 град. в.д.), “Центральная” (60 град. с.ш., 75 град. в.д.), “Западная” (60 град. с.ш., 30 град. в.д.). Взаимное положение трассы спутника “Экспресс-РВ” и контрольных точек представлено на рис. 6.
Результаты в виде зависимости Р от отношения C/I для антенн с разным диаметром представлены на рис. 7. Под Р понимается доля времени (%) на шестичасовом интервале (временной интервал моделирования), в течение которого значение С/I ниже заданного уровня.
Качественный вид помех, воздействующих на приемные абонентские терминалы с антенной 0,35 м системы “Экспресс-РВ” на шестичасовом интервале, показывается на рис. 8 для контрольной точки “Северная”. Каждый график иллюстрирует характер помех на разных частотах, соответствующих конкретным парам лучей спутника OneWeb. Из восьми пар лучей спутника OneWeb, использующих одинаковые частоты, на рис. 8 представлены результаты моделирования только для четырех. На рис. 8а и 8б изображена работа пар лучей (1 и 9) и (8 и 16). В этой конфигурации лучи 1 и 16 отклонены на угол 23,5 град. от местной вертикали в северном и южном направлениях соответственно, а лучи 8 и 9 – на 1,6 град. от местной вертикали.
На рис. 8в и 8г. представлена работа пар лучей (4 и 12) и (5 и 13). В этой конфигурации 4-й и 13-й лучи отклонены на угол 14,1 град. от местной вертикали в северном и южном направлениях соответственно, а лучи 5 и 12 – на 11 град. от местной вертикали.
Если принять, что указанная конфигурация лучей соответствует движению спутника в нисходящем потоке, то через некоторое время ситуация изменится на противоположную, поскольку в контрольной точке движение спутников уже будет в восходящем потоке. В этом случае спутник как бы развернется на 180 град. относительно оси местной вертикали. При этом из-за несимметричности угловых смещений лучей одного номинала частоты относительно местной вертикали картина помех может сильно измениться. В частности, на рис. 8 хорошо видно, что разные пары лучей, имеющие разные угловые разносы, по-разному воздействуют на приемник абонентской станции. Например, на рис. 8а видно, что при положении абонентской станции системы “Экспресс-РВ” в точке “Северная” угловая дискриминация между электрическими осями абонентской станции и луча проходящего над ней спутника OneWeb минимальна, что приводит к существенному падению отношения C/I. При этом для любой точки в пределах зоны обслуживания системы “Экспресс-РВ” помеха формируется только одним из лучей спутника OneWeb, в то время как второй луч практически не оказывает существенного воздействия.
Значения C/I, представленные на рис. 8, не учитывают дополнительную поляризационную развязку Aпол. В итоге для оценки допустимого порогового C/N (ограничивает выбор сигнально-кодовых конструкций) можно использовать соотношение С/N < C/I + Апол -12,2 дБ, которое следует из рекомендации S.741.
Разработанная баллистическая модель позволяет анализировать негеостационарные многоспутниковые системы типа LEO/MEO/HEO-HTS, оценить требования к абонентским терминалам и обеспечению их электромагнитной совместимости.
На примере проектных параметров системы “Экспресс-РВ” (орбиты типа “Молния”) показано, что приемные абонентские терминалы могут иметь антенны без сканирования, если их ширина ДН не менее 12 град. х 2 град., что соответствует максимальному размеру антенны примерно 0,61х0,11 м (эквивалентная круглая антенна 0,35 м) на частоте 11 ГГц.
Представленные оценки показывают, что значение C/I существенно зависит от географического положения приемной антенны и ее размера. Чем больше размер антенны, тем меньше временной интервал воздействия помех, но достичь высоких значений коэффициента готовности каналов невозможно.
Оценки C/I для приемного абонентского термина “Экспресс-РВ”, расположенного на территории России, в том числе в Арктическом регионе, иллюстрируют наличие существенного воздействия помех от спутников OneWeb, даже с учетом поляризационной развязки, снижающей их уровень на величину Апол. Парирование помех частично возможно за счет применения в системе “Экспресс-РВ” сигнально-кодовых конструкций, которые имеют низкое пороговое значение С/N.
Литература:
Работа выполнена при финансовой поддержке
Министерства науки и высшего образования РФ
(договор № 03.G25.31.0269) в рамках реализации
постановления Правительства РФ № 218
Опубликовано: Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание"-2019
Посещений: 1426
Автор
| |||
Автор
| |||
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
