Расчёт энергетики радиолинии «Земля–луна» Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396: 523.164

+

КОСМОНАВТИКА

В. Е. Чеботарев, О. Б. Грицан, А. М. Бадертдинов,

В. А. Анжина

ОАО «Информационные спутниковые системы» им. акад. М. Ф. Решетнёва»,

г. Железногорск, Красноярский край, Россия

расчёт энергетики радиолинии

«земля-луна»

Рассматривается радиоканал между базовой лунной станцией связи и наземной станцией связи. Формируются требования к ширине диаграммы направленности антенной системы базовой лунной станции в зависимости от используемых средств слежения. На основании анализа номенклатуры наземных станций спутниковой связи определяются частотный план, структура и скорости передаваемой информации. Проводится расчёт радиолинии и выбор основных характеристик аппаратуры базовой лунной станции наземной станции

связи и их антенных систем.

Ключевые слова: спутниковая связь, базовая лунная станция связи, наземная станция связи, параметры радиолинии, антенная система.

V. E. Chebotarev, O. B. Gritsan, A. M. Badertdinov,

V. A. Anzhina

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

Zheleznogorsk, Russia

earth-moon link budget

It is studied the radio link between base lunar communication station and ground link station. Requirements for base lunar station antenna beamwidth

are formulated depending on used tracking means. Based on analysis of existing ground link stations the frequency plan as well as data structure and rates were defined. Radio link calculation and basic characteristics selection were performed for equipment of base lunar station, ground link station and their antenna systems.

Key words: satellite communication, base lunar communication station, ground link station, radio link parameters, antenna system.

В концепции лунной системы спутниковой связи базовая лунная станция связи (БЛСС) должна размещаться на видимой с Земли стороне Луны в зоне, обеспечивающей непрерывную связь с Землёй при наличии либрации Луны по долготе (7,9°) и широте (6,9°) [1].

Таким образом, антенная система БЛСС для связи с наземной станцией может быть ре-

1 © Чеботарев В. Е., Грицан О. Б., Бадертдинов А. М., Анжина В. А., 2014

ализована без системы слежения, если ширина диаграммы будет превышать сумму составляющих: по либрации (2х7,9°), угловому размеру Земли (2,05°) и погрешности установки (2х1,0°), то есть не менее 20°.

Если антенную систему БЛСС оснастить двухстепенным поворотным устройством: по углу места и азимуту, то ширина диаграммы антенны может быть сужена. Так, при компенсации только либраций Луны за счёт организации слежения антенн ширина

ИССЛЕДОВАНИЯ

КО—

II ИССЛЕ]

ПАУ

Ж г

№ 3 (9) июль-сентябрь 2014

ГРАДА

22

диаграммы антенны должна быть не менее 5°. Если учитывать изменения углового положения наземной станции в системе координат БЛСС, обусловленных вращением Земли, то ширину диаграммы антенны БЛСС можно далее сужать до разумного предела.

Для условий безатмосферной Луны в радиолинии «Луна-Земля» целесообразно применить Ки-частотный диапазон (11/14 ГГц), используемый в коммерческих спутниковых сетях связи. Преимущества этого частотного диапазона очевидны: распространённая элементная база, малые диаметры приёмопередающих антенн (в сравнении с С- и Х-диапазонами) при достаточно высоких коэффициентах усиления. Также в этом случае желательно использовать протокол DVB-S2, широко распространённый в коммерческой спутниковой связи, с сигнально-кодовой конструкцией QPSK+LDPC и необходимым отношением энергии бита к спектральной плотности мощности шума (Еь/Ы0 = 8 дБ) [2-6].

В этом случае расчет порогового энергопотенциала (С/Лг0)пор проводится по следующей формуле [2]:

«)пор = + 10 0)

где V - пропускная способность, бит/с; Еь/Ы0 -отношение энергии бита к спектральной плотности мощности шума, дБ.

Для случая с максимальной пропускной способностью (V = 512 кбит/с) получаем

(С/^)пор = 65,1 дБ.

Исходя из выбранного частотного диапазона радиолинии и ограничений на ширину диаграммы сформулируем требования к усилению антенны и её геометрическим размерам.

Диаметр параболической антенны D ширина луча по уровню половинной мощности ф0 5 и максимальный коэффициент усиления антенны О рассчитываются по следующим формулам [3; 4; 6; 7]:

Л2

60-X . с О к ф05 = ——; х = —; О = к

D

А

Г

И

ПО

А

X

требуемой ширины диаграммы направленности для максимальной рабочей частоты. Расчетные значения антенны БЛСС для различных значений ф0 5 приведены в табл. 1.

Таблица 1

Расчётные значения антенны БЛСС на приём

Ширина диаграммы, град 20 10 5 3

Частота, ГГц 14 14 14 14

Длина волны, м 0,0214 0,0214 0,0214 0,0214

Диаметр антенны, м 0,064 0,128 0,256 0,428

Коэффициент усиления, дБ 17,3 23,3 29,3 33,7

Базовое уравнение для расчета радиолинии может быть представлено следующим образом [2; 3]:

Е-

(С / Юпор =

Т

Ь • Ь • к

Е = Р ^ •

прд ^прд'

ь =

(4 ппу

(3)

где к - постоянная Больцмана, равная 1,38-10"23 Вт/КТц; Р - передаваемая мощность; D - расстояние между передающей и приёмной станциями; Е - эффективная изотропная излучающая мощность; О , О -

А 3 прм прд

коэффициенты усиления антенн приёмника и передатчика; Ьсв - затухание энергии при распространении сигнала в свободном пространстве; L - потери в радиоканале (складываются из потерь в атмосфере, потерь в гидрометеорах и для принятого частотного диапазона не превышают 5 дБ).

Используем уравнения (2) и (3) для расчета параметров радиолинии «Луна-Земля» (длина волны X = 0,0273 м, частота У = 11 ГГц) и радиолинии «Земля-Луна» (длина волны Х14 = 0,0214 м, частота У14 = 14 ГГц).

В результате получим систему двух уравнений, в которых общими являются диаметры антенн БЛСС и наземной станции связи: - радиолиния «Луна-Земля»:

( ~ \2

(2)

• Ка

•Г)2 •Г)2

1' ттг ' .

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

При одновременном использовании антенны БЛСС на приём и передачу диаметр антенны выбирается из условия обеспечения

= (С/Л0о)пор ^ к •Т,(4£))2; - радиролиния «Земля-Луна»:

(4)

РНСС ' —

( п >

^14 у

■ П2 -Л2 -

^Нтт БЛТ _

ч

-(С/^-^-Г^П)2

(5)

В. Е. Чеботарев, О. Б. Грицан, А. М. Бадертдинов, В. А. Анжина

Расчёт энергетики радиолинии «Земля-Луна»

Из совместного решения уравнений (4) и (5) получаем соотношение между мощностями передатчиков, пропорциональное квадрату отношения длин волн:

Л2

Р

БЛС

Р

НСС

= 1,63.

(6)

Наличие функциональной связи (уравнение 6) уменьшает количество выбираемых независимых параметров до двух: ЕНСС, РБЛС (РНСС) в зависимости от предлагаемых вариантов ширины диаграммы антенны БЛСС и эквивалентных им диаметров

—БЛС.

Расчетные данные параметров радиолинии для случая — = 384 400 км приведены в табл. 2.

Таблица 2

Требуемый диаметр антенны наземной станции связи

Мощность Диаметр антенны наземной станции связи,м

передатчика БЛСС, Вт БЛСС -0,06 БЛСС -0,13 БЛСС -0,26 БЛСС -0,43

5 29,2 14,6 7,3 4,4

10 20,6 10,3 5,2 3,1

15 16,8 8,4 4,2 2,5

20 14,6 7,3 3,6 2,2

25 13,0 6,5 3,3 2,0

30 11,9 6,0 3,0 1,8

Рблс (Рнсс ), ^нсс для каждого дискретного значения диаметра антенны БЛСС.

В настоящее время много фирм, в том числе отечественных, предлагают станции спутниковой связи с различными характеристиками антенн и приемопередатчиков. В данном случае в качестве антенны наземной станции связи предлагается использовать антенну диаметром 5,0 м с системой двухстепенного слежения (ЗАО «Сатис-ТЛ-94») и наземный передатчик с мощностью 10 Вт (ОАО «НПП «Радиосвязь»). Для БЛСС предлагается применить антенну диаметром 0,26 м с системой двухстепенного слежения и передатчик с мощностью 15 Вт (табл. 3).

Таблица 3 Основные параметры станций связи

№ Наименование параметра Значение Примечания

1 Наземная станция связи

- диаметр антенны, м 5

- мощность передатчика на частоте Й4 , Вт 10

2 БЛСС

- диаметр антенны, м 0,26

- мощность передатчика на частоте Й1, Вт 15

3 Максимальная пропускная способность, кбит/с 512

На основании данных табл. 2 построены графики (рис. 1), позволяющие осуществить плавный выбор параметров:

Приведённый в настоящей статье расчёт энергетики радиолинии показывает возможность организации скоростной линии связи «Луна-Земля-Луна» с приемлемыми характеристиками оборудования для БЛСС и наземной станции связи. В последующих расчетах

23

Онсс, м

20

15 _

10

5

5

Рнсс, Вт 20

15

10

лс, Вт

10

15

20

25

30

Рис. 1. Зависимость диаметра антенны наземной станции от мощности передатчика БЛСС при различных диаметрах антенны БЛСС

0

ИССЛЕДОВАНИЯ

КО—

II ИССЛЕ]

ПАУ

Ж г

№ 3 (9) июль-сентябрь 2014

ГРАДА

24

необходимо предусмотреть обоснованные запасы по параметрам оборудования с перспективой повышения пропускной способности радиоканала «Луна-Земля».

Библиографические ссылки

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

2. 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.

3. Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь : пер. с англ. / под ред. В. В. Маркова. М. : Связь, 1979. 592 с., ил.

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

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

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

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.

Статья поступила в редакцию 20.05.2014 г.