Расчет линии передающего тракта наземной приемо-передающей станции для спутниковой системы связи с геостационарными ИСЗ



Статья посвящена расчету линии передающего тракта для наземной приемо-передающей станции, используемой в спутниковых системах связи с геостационарными искусственными земными спутниками. Основное внимание уделяется анализу параметров, необходимых для оптимального функционирования системы связи, а также методам и технологиям, используемым для расчета линии передачи. В статье представлены математические модели, позволяющие оценить эффективность передачи данных через наземные станции космических аппаратов, что является ключевым аспектом в разработке и обеспечении надежной связи в спутниковых системах. Полученные результаты могут быть полезны при проектировании и эксплуатации спутниковых систем связи, а также в области разработки новых технологий и улучшения существующих методов передачи данных.

Ключевые слова: связь, линия передающего тракта, спутниковая система связи, наземная приемо-передающая станция, технологии передачи данных, спутниковая связь, телекоммуникации, радиотехника, геостационарные искусственные земные спутники.

Введение

На фоне стремительной цифровизации России, поддерживаемой национальным проектом “Цифровая экономика”, запущенной в 2018 году и направленной на решение одной из задач по созданию устойчивой и безопасной информационно-телекоммуникационной инфраструктуры высокоскоростной передачи объёмов данных, доступной для всех организаций и домохозяйств. Так же отдельные пункты недавно опубликованного, 30 марта 2024 года, на официальном сайте Кремля перечня поручений по реализации Послания Президента Федеральному Собранию, а именно Пр-616, п.8 б) 6 — “возможность качественного высокоскоростного доступа к информационно-телекоммуникационной сети «Интернет» к 2030 году не менее 97 процентов домохозяйств, в том числе на основе сетей (инфраструктуры) спутниковой и мобильной связи” и Пр-616, п.10 п) — “направить в 2025–2030 годах бюджетные ассигнования федерального бюджета в размере не менее 116 млрд. рублей на создание спутниковой группировки для развития высокоскоростного доступа к информационно-телекоммуникационной сети «Интернет».” [1] Одной из проблем, замедляющих полное выполнение этого проекта является труднодоступные населенные пункты северных широт и дальнего востока Российской Федерации [2], остающиеся слабо обслуживаемыми, что усугубляет цифровую пропасть между регионами нашей страны в условиях реализации данного национального проекта.

В данной статье будет сфокусировано внимание на решении этой проблемы путем организации спутникового подключения к интернету в труднодоступных и отдаленных населенных пунктах этих регионов. Эти технологии подключения позволяют добиться стабильной и высокой по скорости передачи данных, где традиционные инфраструктурные решения неэффективны или невозможны для реализации и поддержания связи населенного пункта с соседними регионами.

Чтоб доказать эффективность внедрения технологий спутникового подключения к интернету будет проводится энергетический расчёт передающего канала спутниковой линии связи для населенного пункта Новый Порт [3] (координаты: 67.693806° с. ш., 72.896898° в. д.) в Ямальском районе, входящий в состав Ямало-Ненецкого автономного округа (см. рисунок 1).

Актуальность выбора темы “Расчет линии передающего тракта наземной приемо-передающей станции для спутниковой системы связи с геостационарными ИСЗ” для написания статьи может быть обусловлен следующими причинами:

1.Развитие цифровых и спутниковых технологий связи;

2.Фокус Правительства Российской Федерации на цифровизации экономики и общества;

3.Политика государства на заселение и освоение земель Северной Сибири и Дальнего Востока.

4.Повышение популярности удаленной работы среди IT -специалистов.

Рис. 1. Нахождение населенного пункта Новый Порт на карте

Анализ принципов построения наземных приемо-передающих станций для спутниковой системы связи

Построение наземных приемно-передающих станций для системы спутниковой связи предполагает несколько принципов. Вот некоторые ключевые из них [4]:

1. Станции должны быть стратегически расположены так, чтобы обеспечить прямую видимость спутников и свести к минимуму препятствия, такие как здания или деревья. Необходимо учитывать такие факторы, как местность, климат и близость к населенным пунктам.
2. Станциям требуются антенны с высоким коэффициентом усиления для эффективного приема и передачи сигнала. Параболические антенны обычно используются из-за их способности точно фокусировать и направлять сигналы.
3. Станции должны работать в пределах выделенных полос частот, чтобы избежать помех другим системам связи. Соблюдение международных правил и координация со спутниковыми операторами имеют важное значение.
4. Приемным станциям требуется сложное оборудование для демодуляции и декодирования спутниковых сигналов. Передающие станции должны модулировать и кодировать сигналы для передачи на спутники. Алгоритмы обработки сигналов и оборудование играют решающую роль в обеспечении надежной связи.
5. Бесперебойное электроснабжение имеет решающее значение для работы станции. Резервные источники питания, такие как дизель-генераторы или аккумуляторные системы, должны быть доступны для обеспечения непрерывной работы во время перебоев в подаче электроэнергии или чрезвычайных ситуаций.
6. Станциям требуются надежные сети для передачи и приема больших объемов данных. Волоконно-оптические кабели или высокоскоростные беспроводные линии связи могут использоваться для соединения станций и подключения к более широкой сети связи.
7. Должны быть приняты меры для защиты станций от несанкционированного доступа, физического повреждения и киберугроз. Механизмы шифрования и аутентификации помогают защитить конфиденциальную информацию и обеспечить безопасную связь.
8. Непрерывный мониторинг работы станции жизненно важен для обнаружения аномалий и оперативного устранения проблем. Регулярное техническое обслуживание и калибровка оборудования необходимы для поддержания оптимальной производительности и продления срока службы станции.

Успешное строительство наземных приемных и передающих станций для системы спутниковой связи зависит от всестороннего понимания этих принципов, а также соблюдения отраслевых стандартов и передового опыта.

Расчет передающего тракта наземной приемо-передающей станции для спутниковой системы связи с геостационарными ИСЗ [7, 12, 13]

Исходные данные

— Скорость передачи ЦС: ;

— Скорость кодирования: ;

— Коэффициент скругления спектра:

— Коэффициент ошибок: ;

— Вид модуляции — QPSK : ;

— Мощность приемника космической станции ;

— Полоса ствола:

;

— Параметры передающей Земной станции (ЗС) (Новый Порт, Ямало-Ненецкий АО):

• Широта:
• Долгота:

— Параметры приемной ЗС (деревня Сабурово, городской округ Щёлково, Московская область):

• Широта:
• Долгота:

— Параметры Космической станции (КС):

• Долгота:

— Диаметр антенны: ;

— Частота передачи с ЗС: ;

— Частота приема на ЗС: ;

— Коэффициент использования поверхности антенны:

;

— КПД фидера передающей ЗС: ;

— Потери в передающем фидере КС: ;

— Потери в приемном фидере КС: ;

— КПД фидера приемной ЗС: ;

— Параметры диаграммы направленности антенны СР:

• ;
• ;

—

: ;

— Коэффициент, учитывающий прием шумового излучения боковыми лепестками антенны: ;

— ЭШТ Земли с окружающей атмосферой при наблюдении с орбиты ИСЗ соответственно: ;

— ЭШТ Земли: ;

— Номер кривой ;

— Номер кривой

;

Расчет шумовой полосы частот, требуемого отношения несущая/шум и распределение ресурсов ретранслятора

На передающем конце СЛС (спутниковой линии связи) (на передающей ЗС) и на приемном конце (на приемной ЗС) происходит преобразование скорости передачи цифрового сигнала в соответствии с рис.2, где обозначено:

B _цс — скорость передачи одного информационного потока (задана в исходных данных);

B _вх — скорость передачи входного потока (в некоторых случаях B _вх = B _цс + B _сс ,

Где: B _сс — скорость передачи потока служебных сигналов);

B _к — скорость передачи цифрового потока на выходе помехоустойчивого кодера с учетом скорости кодирования R ( R задана в исходных данных);

B _рк — результирующая скорость передачи в радиоканале с учетом уровня модуляции.

Рис. 2. Преобразование скорости цифрового потока: а) на передаче; б) на приеме

(1)

, (2)

Где: М определяется по индексу многоуровневой модуляции, — квадратурной фазовой манипуляцией ( QPSK — Quadrature phase-shift keying ; 2 бита на 1 смену фазы). Таким образом, количество бит l , передаваемых одним перескоком фазы, является степенью, в которую возводится двойка при определении числа фаз, требующихся для передачи l -порядкового двоичного числа.

В случае использования модуляции 8 PSK — l =3, M =8; для 16 APSK — l = 4, M =16; для 32 APSK — l = 5, M =32.

Ширина спектра модулированного радиосигнала численно равна результирующей скорости передачи с учетом коэффициента скругления спектра, рассчитывается по формуле:

(3)

Где:

— коэффициент скругления спектра (задан в исходных данных).

С учетом необходимых при МДЧР (Многостанционный доступ с частотным разделением) защитных частотных интервалов полоса частот, требуемая шумовая полоса:

(4)

Где: (1,1 … 1,3) — коэффициент, характеризующий ширину защитного интервала.

Отношение энергии несущей, приходящейся на 1 бит цифрового сигнала к СПМ (Спектральная плотность мощности) шума . Значения h при использовании у модемов кодов LDPC ( Low-density parity-check codes — код с малой плотностью проверок на чётность) для R =1/2; 2/3; 3/4 и кодов TPC ( Turbo Product codes — турбокод-произведение) для R =7/8 приведено в таблице 2.

Таблица 2

Коэффициент ошибок K ош	h , дБ
	R = 1/2	R = 2/3	R = 3/4	R = 7/8
10 –6	1,7	2,1	2,7	4,0
10 –7	1,8	2,2	2,8	4,1
10 –8	1,9	2,3	2,9	4,2

Нужно учесть, что h — это отношение энергии бита к СПМ, а при модуляции каждый символ переносит несколько битов (количество битов зависит от значения l уровня модуляции), в децибелах . Получается, что допустимое значение:

(5)

На входе приёмной ЗС помимо полезного сигнала и теплового шума могут присутствовать также мешающие сигналы от других систем связи и интермодуляционные шумы, возникающие в передатчиках КС и ЗС, работающих в многосигнальном режиме. Дополнительные помехи могут быть учтены прибавкой к запаса дБ. Требуемое отношение:

(6)

Для дальнейших расчётов нужен пересчёт относительно и :

(7)

Где: подставляется в .

(8)

Где: — в Герцах.

Определить количество несущих, которые могут быть размещены в одном стволе ретранслятора КС:

(9)

Если все несущие одинаковы, их максимальное количество в одном стволе равно , (квадратные скобки означают взятие целой части результата). П _ств задано в исходных данных.

Мощность передатчика КС, отводимая одной несущей при МДЧР, пропорциональна занимаемой части полосы ствола:

(10)

Где: коэффициент недоиспользования выходной мощности ретранслятора в многосигнальном режиме.

Обычно дБ. Тогда:

(11)

Расчет основных геометрических соотношений на СЛС

Основные геометрические соотношения между ЗС, расположенной в точке А и КС, расположенной в точке S показаны на рисунке 3.

Рис. 3. Геометрические соотношения

Наклонная дальность (линия SA или d ) — расстояние между точкой расположения ЗС (точка А ) и точкой расположения спутника (точка S ) на рис.3. В нашем случае наклонная дальность лежит в данных ограничениях, так как ИСЗ находится на геостационарной орбите:

(12)

Для передающей ЗС:

(13)

Где: — разность долгот ЗС и КС.

Значения долгот КС и ЗС приведены в исходных данных;

— широта ЗС — приведена в исходных данных;

R = 6371 км — средний радиус Земли;

r = 42164 км — радиус ГСО.

— центральный угол — угол, образованный лучами, проведенными из центра Земли, между направлением на ЗС (линия ОА ) и направлением на подспутниковую точку Р (линия ОР ) на рис. 3.

(14)

— угол места (угол возвышения),

β — угол между касательной к земной поверхности и направлением на спутник (линия SA на рис. 8.):

(15)

Азимут A _з — угол, отсчитываемый в горизонтальной плоскости по часовой стрелке между направлением на Северный полюс ( N ) и проекцией направления на спутник, опущенной на плоскость, касательную к поверхности Земли.

Для ЗС, находящихся в северном полушарии:

(16)

В нашем случае , так как .

Для приемной ЗС:

(17)

Гдe: — разность долгот ЗС и КС.

(18)

(19)

Для ЗС, находящихся в северном полушарии:

(20)

В нашем случае , так как .

Расчет коэффициента усиления приемной и передающей антенн ЗС

Участок «вверх»:

Потери в передающем фидере ЗС:

(21)

Коэффициент усиления передающей антенны ЗС:

(22)

Где: для передающей ЗС м; c = 3∙10 ⁸ м/с;

Значение частоты на участке «вверх» f ₁ , ГГц, диаметра антенны d _a , коэффициента использования поверхности антенны K _исп приведено в исходных данных к этому;

Потери при распространении сигнала в свободном пространстве на участке «вверх»:

(23)

Где: d ₁ — наклонная дальность на участке ЗС _пер — КС, м.

(24)

Где: a _ф.п.зс — потери в передающем фидере ЗС, дБ;

Значение Р _п.зс приведено в исходных данных, Вт;

a _ф.кс.пр — потери в приемном фидере КС, дБ;

Значение a _ф.кс.пр приведено в исходных данных, дБ;

g _п.зс — коэффициент усиления передающей антенны ЗС, дБ.

Участок «вниз»:

Потери в приемном фидере ЗС:

(25)

Коэффициент усиления приемной антенны ЗС:

(26)

Где: для передающей ЗС м; c = 3∙10 ⁸ м/с;

Значение частоты на участке «вверх» f ₂ , ГГц;

Диаметра антенны d _a , коэффициента использования поверхности антенны K _исп приведено в исходных данных к этому;

Коэффициент усиления передающей антенны КС:

(27)

Где:

и подставляются в градусах. Значения и приведены в исходных данных;

Коэффициент усиления приемной антенны КС:

(28)

Потери при распространении сигнала в свободном пространстве на участке «вниз»:

(29)

Где: d ₁ — наклонная дальность на участке ЗС _пер — КС, м.

(30)

Где: a _ф.пр.зс — потери в приемном фидере ЗС, дБ;

значение P _1.кс рассчитано ранее, Вт;

a _ф.кс.п — потери в передающем фидере КС, дБ;

g _пр.зс — коэффициент усиления приемной антенны ЗС, дБ;

Частота f ₂ приведено в исходных данных, Гц;

g _п.кс — коэффициент усиления передающей антенны КС, дБ.

Расчет суммарной эффективной шумовой температуры приемной системы, добротности приемных КС и ЗС для двух участков СЛС

ЭШТ космического излучения определяется по рис. 4:

Рис. 4. Частотная зависимость шумовой температуры Галактики и Солнца

Участок «вверх»:	Участок «вниз»:
Так как для обоих участков частота приема с ЗС ( ) и передачи на ЗС ( ) больше, чем 6 ГГц, то . ЭШТ антенн приемной КС и ЗС соответственно:
; (31)	; (32)

- с учетом осадков, определяется по рис.5 (углы места и рассчитаны ранее):

Рис. 5. Зависимость шумовой температуры атмосферы (с учетом осадков) от частоты f и угла места β

; (33) Где: КПД приемного АФТ КС определяется как ; (35)	; (34) Где: КПД приемного АФТ ЗС определяется как ; (36)
, — ЭШТ приемника КС и ЗС соответственно, определяются на рис. 6 по номеру кривой:

Рис. 6. Шумовые характеристики температуры приемника Т _пр для различных типов малошумящих усилителей в зависимости от частоты f

На рисунке 6 нумерация кривых обозначает:

1 — диодный смеситель;

2 — усилитель на туннельном диоде;

3 — смеситель с восстановлением зеркального канала;

4 — усилитель на биполярном транзисторе;

5 — усилитель на полевом транзисторе;

6 — параметрический неохлаждаемый усилитель;

7 — параметрический охлаждаемый усилитель.

Добротность приемных КС и ЗС:
; (37)	; (38)

Расчет уровня мощности шумов на входе приемника КС/ЗС и результирующего значения отношения несущая-шум

Уровень мощности шума на входе приемника КС:

(39)

Где: — постоянная Больцмана.

Отношение несущая-шум на входе приемника КС:

(40)

Уровень мощности шума на входе приемника ЗС:

(41)

Отношение несущая-шум на входе приемника ЗС:

(42)

Результирующее отношение несущая-шум. Для этого полученные значения несущая-шум на участках “вверх” и “вниз” пересчитывают из децибел в разы:

(43)

(44)

Далее берут обратные величины и находят обратное результирующее отношение в разах:

(45)

Затем берут обратное значение и определяют результирующее отношение в децибелах:

(46)

Построение диаграммы уровней СЛС без учета дополнительных потерь для двух участков с указанными на ней уровнями мощности шумов на входе приемника КС/ЗС

Диаграмма уровней системы спутниковой связи показывает различные уровни или компоненты, задействованные в системе, включая физический уровень, уровень канала передачи данных, сетевой уровень, транспортный уровень и уровень приложений. Он иллюстрирует, как эти уровни взаимодействуют и взаимодействуют друг с другом для успешной передачи данных через спутниковую связь.

Диаграмма уровней, полученная по расчётам:

Рис. 7. Диаграмма уровней системы спутниковой связи

Условные обозначения точек графика на рисунке 7:

Таблица 2

Инициализация точек на рисунке 7

Точка	Обозначение	Значение, дБВт
B	Эффективная мощность на выходе передатчика ЗС	8,45
D	Точка В за вычетом коэффициент передачи (по мощности) волноводного тракта (КПД тракта)	7,79
E	Точка D с коэффициентом усиления передающей антенны относительно изотропного излучателя	49,21
F	Точка Е за вычетом потери при распространении сигнала в свободном пространстве на участке «вверх»	-158,18
G	Точка F с коэффициентом усиления приемной антенны КС	-120,39
H	Уровень мощности сигнала на входе приемника КС	-120,59
I	Уровень мощности сигнала на выходе передатчика КС	-8,342
J	Точка I с потерями в передающем фидере КС	-8,842
K	Точка J с коэффициентом усиления передающей антенны КС	28,95
L	Точка К за вычетом потерь при распространении сигнала в свободном пространстве на участке «вниз»	-177,78
M	Точка L с коэффициентом усиления приёмной антенны ЗС	-137,05
N	Уровень мощности сигнала на входе приемника ЗС	-139,13
Р ш . вх . кс	Уровень мощности шума на входе приемника КС	-145,649
Р ш . вх . зс	Уровень мощности шума на входе приемника ЗС	-151,858

Заключение

При расчете основных энергетических параметров, обеспечивающих требуемое качество передачи сигналов по спутниковой линии связи, было определено:

— Ослабление сигнала

, ,

— Суммарная шумовая температура передающего , приемного тракта ,

— Коэффициент усиления антенны ЗС , КС ,

— Мощность приемника КС , передатчика КС ,

— Мощность сигнала на входе ЗС ;

— Суммарная мощность шумов на входе КС , ЗС ,

— Результирующее отношение несущая-шум .

На основе этих параметров можно сделать вывод, что установка связи, используя земные станции и ГСР, находящийся на 90 восточной долготе с диаграммой направленности 1.5° x 3.5°, между поселком Новый Порт в Ямало-Ненецком автономном округе и деревней Сабурово в Щёлковском районе, теоретически возможна. Итоговое отношения сигнал-шум на входе приемника КС равняется 25 дБ, а на входе приемника ЗС — 12 дБ, что является благоприятным результатом для помехоустойчивого приемо-передачи сигналов, потому что радиолиния обеспечена дополнительным запасом на случай непредвиденных всплеском уровня шумов или помех. Так же данные расчеты подтверждают целесообразность фокусировки внимания правительством Российской Федерации на обеспечение спутниковой связью хозяйства и населенных пунктов крайнего севера и Дальнего востока. На практике главными проблемами будет разработка и массовое производство частных терминалов спутниковой связи, а также замена старой и формирование новой спутниковой группировки на ГСО или других орбитах для обеспечения должного качества связи для массового потребителя. С последним, на данный момент, есть хорошие новости — успешный запуск 11 апреля 2024 года российской тяжелой ракеты “Ангара-А5”.

Литература:

1. http://www.kremlin.ru/acts/assignments/orders/73759 — Перечень поручений по реализации Послания Президента Федеральному Собранию, 30 марта 2024 год.
2. https://digital.gov.ru/ru/activity/directions/1086/ — Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации “Обеспечение доступа в Интернет за счёт развития спутниковой связи”.
3. https://docs.cntd.ru/document/564189200 — Министерство Экономического Развития Российской Федерации, приказ от 27 декабря 2019 года, “Об утверждении Перечня отдаленных и труднодоступных территорий и сроков проведения в них Всероссийской переписи населения 2020 года”; Ямало-Ненецкий автономный округ, Ямальский муниципальный район, с. Новый Порт.
4. «Satellite Communications Systems Engineering» by Wilbur L. Pritchard, Robert A. Nelson, and Henri Samueli.
5. «Satellite Communication Systems Design» by P. A. Chatterton.
6. «Geostationary Satellites Collocation» by Dario Maggiorini and Marco Luise.
7. https://elib.bsu.by/bitstream/123456789/114395/1/Ablameiko-Saechnikov-Spiridonov.pdf — Пособие для студентов факультетов радиофизики и компьютерных технологий, механико-математического и географического, «спутниковые системы связи», С. В. Абламейко, В. А. Саечников, А. А. Спиридонов.
8. Аболиц, А. И. Системы спутниковой связи. Основы структурно-параметрической теории и эффективность / А. И. Аболиц. — М.: ИТИС, 2004. — 426с.: ил. A
9. Камнев, В. Е. Спутниковые сети связи: Учеб. пособие / В. Е. Камнев, В. В. Черкасов, Г. В. Чечин. — М.: «Альпина Паблишер», 2004. — 536 с.: ил.
10. Кантор, Л. Я. 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. — 528 с.: ил.
11. Кривицкий Б. Х. Справочник по Радиоэлектронным системам: В 2-х томах / Под ред. Б. Х. Кривицкого. — М.: Энергия, 1979. — 368 c.: ил.
12. https://studylib.ru/doc/2596161/proektirovanie-cifrovyh-sistem-sputnikovoj-svyazi — Учебное пособие «Проектирование цифровых систем спутниковой связи» — Московский технический университет связи и информатики, кафедра систем радиосвязи.
13. http://www.lib.krsu.edu.kg/uploads/files/public/8121.pdf