В статье рассматривается высотная платформа, парящая в стратосфере с телекоммуникационным оборудованием, которое обеспечивает большое покрытие территории и надежное качество связи. Проводится анализ энергетического расчета канала стратосферной широкополосной связи.
Ключевые слова: стратосферная широкополосная связь, космический аппарат, затухание энергии, мощность сигнала.
Пользователям интернета необходимы и мобильность, и широкополосный доступ, и большой спектр функциональных приложений. Решения на основе беспроводных систем доступа к всемирной паутине получают все большее распространение. При этом государственные структуры и корпорации, в первую очередь, работающие над системами глобального наблюдения и навигации, уже испытывают острую нехватку телекоммуникационных емкостей для передачи данных.
В основу стратосферной широкополосной связи входит использование высотных платформ, действующих в самых верхних слоях атмосферы, практически на нижней границе космоса. По замыслу Высотная платформа, крупный гелиевый аппарат от 100000 до 500000 м 3 с большими солнечными батареями на спине, которая должна висеть в одной точке на высоте 22 км, удерживая себя электромоторами от сноса в сторону, и нести под брюхом телекоммуникационное оборудование, способное обеспечить зону покрытия около 200 000 км 2 , диаметром 500 км для различных типов телефонных и компьютерных сетей [1]. Использование высотных стратосферных платформ-дирижаблей (СД) позволяет обеспечить связь в труднодоступных и малонаселенных районах.
Целью разработки СД является — универсальность, чтобы СД можно было использовать сразу во многих областях таких как, например:
— акционерные предприятия;
— программное обеспечение для малого и домашнего офиса, малого и среднего предприятия;
— информационные службы;
— правительство;
— военная связь;
— выделенная линия передачи данных с высокой скоростью «точка точка»;
— беспроводная локальная сеть WLAN;
— работники удаленного доступа;
— телефония, голос через IP (Voice over IP);
— Internet и внутрикорпоративный Интернет (Intranet);
— радиотелевизионное вещание;
— развлечения и игры;
— дистанционное обучение;
— телемедицина;
— коммуникация аварийных служб;
— коммуникация для бедствующих объектов (землетрясение, наводнение).
В качестве полезной нагрузки массой 2 т на борту будут находиться станции беспроводного доступа в Интернет. На платформах наряду с комплексом телекоммуникационного оборудования будут установлены лазерные передатчики: они обеспечат передачу данных от одного СД к другому (Рисунок 1) со скоростью несколько гигабит в секунду, а также позволят обмениваться данными с космическими аппаратами [2].
Рис. 1. Структурная схема организации каналов связи
Благодаря возможностям реализованным таким образом беспроводной сети телекоммуникационный сервис получит большую мобильность.
Преимущества СД перед низкоорбитальными, а тем более геостационарными спутниками — небольшая высота полета. Это значит, что:
а) передаваемый на землю сигнал распределяется на небольшой территории и его мощность у поверхности достаточно велика;
б) для передачи сигнала от пользователя на СД требуется более простая и компактная аппаратура;
в) задержка сигнала приемлемо мала для предоставления услуг реального времени;
г) аппаратуру, установленную на СД, сравнительно легко поменять или отремонтировать. Для этого достаточно посадить дирижабль на землю, на что уходит всего несколько часов при самых минимальных затратах;
д) СД экологически чист. Технология использования солнечной энергии и других источников без вредных выбросов в атмосферу делает СД дружественным к окружающей среде. По завершении эксплуатации воздухоплавательные комплексы утилизируются, как обычная авиационная техника, практически без отходов. Отслужившие же свой срок спутники, как правило, превращаются в зачастую опасный космический мусор.
Еще одно преимущество систем связи, размещаемых в стратосфере, — хорошая защищенность аппаратуры от действия космических излучений и практически не попадают под влияние погоды.
Типовой канал связи обеспечит скорость передачи от 64 кбит/с до 2,048 Мбит/c для мобильных и до 155 Мбит/c для стационарных пользователей. При этом задержка сигнала составит не более 0,5 мс (против 250 мс для геостационарных спутников), что важно, например, для услуг реального времени (обычной и IP-телефонии, видеоконференций). Сигнал будет передаваться на частоте около 47 ГГц в полосе шириной 600 МГц. Если быть более точным, то диапазон 47,2–47,5 ГГц будет использоваться для каналов «стратостат-земля», а 47,9–48,2 ГГц — для каналов «земля-стратостат» [2].
При известной частоте канала, элементов тракта и приемника мощность сигнала на входе приемника /1/:
где Р пер — эффективная мощность на выходе передатчика; η пер — коэффициент передачи передатчика волнового тракта; η пр — коэффициент передачи приемника волнового тракта; G пер — коэффициент усиления передающей антенны; G пр — коэффициент усиления принимающей антенны; λ — длинна волны; d — наклонная дальность; L доп — дополнительные потери.
Далее рассчитывается наклонная дальность от СД до Земли для различных значений r по формуле:
Рис. 2. Распределение значений r
Длинна волны находится по формуле:
где с=3*10 8 м/с, f=47,3 ГГц
Затухание энергии в свободном пространстве:
Таблица 1
Результат расчетов мощности сигнала на входе приемника
|
№ |
λ, м |
r, м |
b, м |
d, м |
G пр , дБ |
G пер , дБ |
η пр , дБ |
η пр , дБ |
L, дБ |
P пер , дБ |
P пр , дБ |
|
1 |
0,01 |
22000 |
0 |
22000 |
10 |
8 |
0,9 |
0,8 |
14,9 |
21 |
-12,9 |
|
2 |
0,01 |
22000 |
41700 |
47000 |
10 |
8 |
0,9 |
0,8 |
15,5 |
21 |
-13,6 |
|
3 |
0,01 |
22000 |
83300 |
86000 |
10 |
8 |
0,9 |
0,8 |
16,1 |
21 |
-14,2 |
|
4 |
0,01 |
22000 |
125000 |
127000 |
10 |
8 |
0,9 |
0,8 |
16,4 |
21 |
-14,5 |
|
5 |
0,01 |
22000 |
166700 |
168000 |
10 |
8 |
0,9 |
0,8 |
16,6 |
21 |
-14,8 |
|
6 |
0,01 |
22000 |
208400 |
210000 |
10 |
8 |
0,9 |
0,8 |
16,8 |
21 |
-14,9 |
|
7 |
0,01 |
22000 |
250000 |
250000 |
10 |
8 |
0,9 |
0,8 |
16,9 |
21 |
-15,1 |
Рис. 3. Зависимость мощности от наклонной дальности (Земля — стратостат)
После выведенных измерений (Рисунок 3), для оптимального использования мощностей, необходимо использовать антенны с различными мощностями в зависимости от наклона дальности. Каждая антенна на СД “светящая” на определенную территорию будет с заданной мощностью, чтобы обеспечить достаточную мощность для приемника, расположенного на Земле.
Разработана примерная схема расположения антенн на СД под разным углом, а также распределения зон покрытия каждой антенны, обеспечивающей работу в сотах с 49 приемо-передающими антеннами (Рисунок 4).
После выведенных измерений (Рисунок 3), для оптимального использования мощностей, необходимо использовать антенны с различными мощностями в зависимости от наклона дальности [3]. Каждая антенна на СД “светящая” на определенную территорию будет с заданной мощностью, чтобы обеспечить достаточную мощность для приемника расположенного на Земле.
Разработана примерная схема расположения антенн на СД под разным углом, а также распределения зон покрытия каждой антенны, обеспечивающей работу в сотах с 49 приемо-передающими антеннами (Рисунок 4).
Рис. 4. Распределение мощности каждой антенны расположенной на платформе
Вывод: Вэпоху информационной революции всевозможные телекоммуникационные проекты оказываются в центре внимания. Оптимальным решением является стратосферные платформы на дирижабельной основе. Аэростатные комплексы удовлетворяют требованиям геостационарности (возможность продолжительного нахождения над одной точкой земной поверхности) и обладают рядом неоспоримых преимуществ, в числе которых относительно оперативное дистанционное управление и возможность ремонта и переоснащения.
Литература:
- А. М. Сомов А. М., С. Ф. Корнев Спутниковые системы связи,– М.: Горячая линия- Телеком, 2012. с 29;
- Л. К. Андрусевич, А. А. Ищук, К. А. Лайко. Антенны и распространение радиоволн: учебник для вузов, Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006.-396с.
- А. В. Курангышев, А. В. Дедушкин, А. В. Казначеев. Текст: непосредственный//Молодой ученый, Особенности распространения радиоволн на космических линиях связи. 2016, № 3(107), с.133–135.
