Повышение эффективности радиолинии космических аппаратов дистанционного зондирования Земли

Полный текст

Введение Во многих случаях, при передаче спутниковой информации дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) на наземные станции приема-обра- ботки информации (НСПОИ) через высокоскоростную радиолинию (ВРЛ) (рис. 1) поддерживаются постоянными такие параметры, как: несущая частота, модуляция, битовый поток, поляризация и др. [1]. Это приводит к передаче информационных потоков на всем участке сброса данных КА - НСПОИ с повышенным значением энергетики на бит передаваемого потока данных (табл. 1), что делает передачу информации ДЗЗ энергетически менее эффективной. Вместе с тем, с учетом возрастающего количества спутников ДЗЗ в космической группировке, прорабатываются вопросы оптимизации наземной инфраструктуры приема данных ДЗЗ, увеличения пропускной способности радиоли- нии передачи данных по линии космические аппараты - наземные станции приема-обработки космической информации дистанционного зондирования Земли [2-4]. Целью настоящей работы является получение оценок энергетической избыточности в ВРЛ и выработки стратегии приема информации с космических аппаратов (КА) спутникового мониторинга Земли на основе изменения параметров радиолинии КА - НСПОИ, и получение критерия эффективности использования ВРЛ КАНСПОИ при передаче данных спутникового мониторинга на наземные станции (НСПОИ). 1. Оценки энергетической избыточности ВРЛ КА7НСПОИ С появлением расширенных стандартов передачи информационных потоков (типа DVB-S2Х)1 [2; 4-16] появилась возможность переключать во время работы ВРЛ ее параметры для передачи увеличенного (уменьшенного) потока данных (напри- 1 ГОСТ Р 56456-2015. Телевидение вещательное цифровое. Интегрированный приемник-декодер системы спутникового цифрового вещания второго поколения (DVB-S2). Основные параметры. Технические требования. Национальный стандарт Российской Федерации. М.: Стандартинформ, 2015. 8 с. Вестник РУДН. Серия: Инженерные исследования. 2023. Т. 24. № 4. С. 295-304 мер, переключение параметра созвездия модуляции, коэффициента помехозащищенного LDPC кодирования и др. (рис. 2, табл. 3). Это позволяет снизить энергетические затраты на передачу бита данных и повысить общий информационный поток данных с КА на НСПОИ. При оптимизации различных параметров радиолинии (табл. 3) суммарный выигрыш в передаче данных в ВРЛ КА - НСПОИ может достигать фактически следующего порядка: 900 КПД = = 9 ≈ 10 = 1 порядок, 100 где сокращение «КПД» подразумевает коэффициент полезного действия; mbps - сокращение «мегабит в секунду» - поток данных в радиолинии КА - НСПОИ. Увеличение скорости передачи данных может быть достигнуто за счет увеличения количества пунктов приема данных, оптимизации их пространственного распределения (с учетом большой протяженности территории страны), а также за счет переключения параметров радиолинии (модуляция, глубина помехозащищенного кодирования и т.п.), что и обсуждается в настоящей работе. Повышение скорости передачи данных с КА на НСПОИ может быть достигнуто для наземных станций с различными энергетическими возмож- ностями (радиус зеркала, наличие системы автосопровождения и других параметров). Рис. 1. Сеансы сброса информации с КА ДЗЗ на НСПОИ Figure 1. Sessions of transmitting of information from Remote Sensing Satellites to Ground Stations Таблица 1 Энергетический запас в радиолинии при передаче данных с КА ДЗЗ № п/п Высота орбиты МКА H , км Максимальная наклонная дальность Lmax , км Минимальная наклонная дальность Lmin , км Максимальный избыток энергии в ВРЛ при передаче данных на НСПОИ ΔE , дБ 1 500 2573 500 14,2 2 700 3067 700 12,8 3 1000 3707 1000 11,4 где Lmin =AB H2 2 = , Lmax =AB0 2 = (R H+ )2 -R2 . Table 1 Energy reserve in the radio line during data transmission from Remote Sensing Satellites No. Orbit height of RSS H , km Maximum slant range of Lmax , km Minimum slant range of Lmin , km The maximum excess of energy in VHSR orbit height to GS ΔE , dB 1 500 2573 500 14.2 2 700 3067 700 12.8 3 1000 3707 1000 11.4 where Lmin =AB H2 2 = , Lmax =AB0 2 = (R H+ )2 -R2 . Таблица 2 Время ( t ) нахождения КА ДЗЗ в зоне радиовидимости НСПОИ № п/п Высота орбиты КА, H , км Период обращения T КА, мин / сек Время в зоне радиовидимости t , мин Время в зоне радиовидимости t , сек 1 500 94,44 / 5666 11,53 692 2 700 98,59 / 5915 14,08 844 3 1000 104,93 / 6296 17,60 1056 Table 2 Time (t ) of finding RSS in the zone of radio visibility of GS No. Height orbits of RSS, H , km Period RSS, T , minutes/sec Time in zone of radio visibility t , minutes Time in zone of radio visibility t , sec 1 500 94.44 / 5666 11.53 692 2 700 98.59 / 5915 14.08 844 3 1000 104.93 / 6296 17.60 1056 а б в г Рис. 2. Созвездия модуляций DVBS2X данных КА ДЗЗ: а - QPSK; б - 8PSK; в - 16APSK; г - 32APSK Figure 2. DVBS2 Modulation Constellation VHSR information of the remote sensing satellites: а - QPSK; б - 8PSK; в - 16APSK; г - 32APSK Вестник РУДН. Серия: Инженерные исследования. 2023. Т. 24. № 4. С. 295-304 Таблица 3 / Table 3 Режимы ВРЛ (DVB7S2) сброса информации с КА на НСПОИ [2] The VHSR (DVB7S2) modes of dumping of information from RSS to Ground Stations [2] № п/п No. Модуляция / Modulation Глубина LDPC кодирования / Depth of LDPC encoding Информационный поток ВРЛ / VRL information bit7rate (mbps) Полезная информация / Useful information (mbps) Базовый уровень отличий, дБ / Basic level differences, dB Отличия между соседними уровнями, | ΔE |, дБ / Differences between adjacent levels | ΔE |, dB 1 QPSK 1/4 400 100 -2,35 - 2 QPSK 1/3 400 133 -1,24 1,11 3 QPSK 2/5 400 160 -0,30 0,96 4 QPSK 1/2 400 200 1,00 0,70 5 QPSK 3/5 400 240 2,23 1,23 6 QPSK 2/3 400 267 3,10 0,87 7 QPSK 3/4 400 300 4,03 0,93 8 QPSK 4/5 400 320 4,68 0,65 9 QPSK 5/6 400 333 5,18 0,50 10 QPSK 8/9 400 356 6,20 1,02 11 QPSK 9/10 400 360 6,42 0,22 12 8PSK 3/5 600 360 5,50 0,98 13 8PSK 2/3 600 400 6,62 1,12 14 8PSK 3/4 600 450 7,91 1,29 15 8PSK 5/6 600 500 9,35 1,44 16 8PSK 8/9 600 533 10,69 1,34 17 8PSK 9/10 600 540 10,98 1,29 18 16APSK 2/3 800 533 8,97 2,01 19 16APSK 3/4 800 600 10,21 1,24 20 16APSK 4/5 800 640 11,03 0,82 21 16APSK 5/6 800 667 11,61 0,58 22 16APSK 8/9 800 711 12,89 1,28 23 16APSK 9/10 800 720 13,13 0,24 24 32APSK 3/4 1000 750 12,73 0,40 25 32APSK 4/5 1000 800 13,64 0,81 26 32APSK 5/6 1000 833 14,28 0,64 27 32APSK 8/9 1000 889 15,69 1,41 28 32APSK 9/10 1000 900 16,05 0,36 Таблица 4 Угол наблюдения КА ( ) с НСПОИ для различных наклонных дальностей L H/L, км 500 550 600 700 750 800 1000 500 90о 64,4о 55,0о 43,4о 40,5о 37,7о 26,2о 700 x x x 90о 67,8о 59,4о 41,3о 1000 x x x x x x 90о H/L, км 1050 1100 1500 2000 2573 3067 3707 500 24,9о 23,6о 13,2о 5,9о 0о х х 700 39,4о 37,4о 22,0о 12,3о 6,4о 0о х 1000 70,9о 63,4о 37,0о 22,5о 14,6о 6,4о 0о Table 4 The observation angle of RSS (α) from Ground Stations for different slant ranges of L H/L, км 500 550 600 700 750 800 1000 500 90о 64.4о 55.0о 43.4о 40.5о 37.7о 26.2о 700 X x x 90о 67.8о 59.4о 41.3о 1000 X x x x x x 90о H/L, км 1050 1100 1500 2000 2573 3067 3707 500 24.9о 23.6о 13.2о 5.9о 0о х х 700 39.4о 37.4о 22.0о 12.3о 6.4о 0о х 1000 70.9о 63.4о 37.0о 22.5о 14.6о 6.4о 0о В расчетах использованы: - период T обращения спутника на орбите Земли: T = 2π = 2π(R H+ ) (3/2 G M⋅ )-1/2 , ω - время t нахождения КА в зоне радиовидимости: = 2 arccos( /( + )) ⋅ /(2π), а также следующие значения переменных: = 6371 км, = 500, 700, 1000 км, = 5,98 ⋅ 10 кг, = 6,67 ⋅ 10 ⋅ м /кг . В течение времени нахождения КА в зоне радиовидимости НСПОИ (см. табл. 2) можно неоднократно предусмотреть переключение с режима на режим ВРЛ КА, что позволяет достигнуть многократного увеличения общего объема в потоке передачи данных с КА на НСПОИ. При теоретически возможном переходе на соседний режим передачи данных (переход на уровень 0,5-1,5 дБ) суммарный выигрыш в увеличении потока передаваемых данных может достигнуть 2,0-2,5 раза. Однако на практике, учитывая флуктуационный характер распределения уровня сигнала во время его передачи на НСПОИ, переключение обеспечивается в меньшем числе переходов (при достижении запаса 3-5 дБ), что приводит к выигрышу в передаче данных только в 1,5-2,0 раза. 2. Эффективность использования радиолинии КА7НСПОИ Приведем оценки эффективности использования параметров радиолинии при передаче информационных потоков от КА до НСПОИ. Расстояние до КА от различных его положений на орбите (L1,L L L L2,Δ = -1 2) рассчитывается следующим образом (см. обозначения на рис. 3, а): здесь α - угол места, α = (π/2) - (φ + ), где = 2 arcsin( cos α /( + )) ⋅ /(2π). ( + ) = + + 2 ∙ ∙ ∙ sin α , ( + ) = + + 2 ∙ ∙ ∙ sin α откуда: L L12 - 22 = 2⋅ R L⋅( 2 ⋅sin α2 - L1 ⋅sin α1), в котором L2 определяется из необходимого дополнительного накопленного запаcа энергетики для осуществления переключения на следующий уровень конфигурирования параметров ВРЛ: Δ =E 20lg(L L1 / 2) при значениях Δ =E 3L5 ∂Б, и следующая точка орбиты с заданным по отношению к предыдущему определяется: sinα2 = ((L12 - L22) / (2⋅R L)+ 1 ⋅sinα1) / L2. Время движения КА по орбите между (α , α ) (соответственно между (φ , φ )) составляет = ( /(2π)) ⋅ (φ - φ ), Вестник РУДН. Серия: Инженерные исследования. 2023. Т. 24. № 4. С. 295-304 где взаимосвязь углов φ и α следующая (см. табл. 4) из ΔOAB1 2 : откуда = arcsin( cos /( + ) φ = - (α + γ ), = 1, 2. Расчеты выполнены для sin α = (( + ) - + )/(2 ⋅ ⋅ ) при R = 6371 км. а б Рис. 3. Фрагмент половины (A0 - A1 - A2) траектории КА в зоне радиовидимости НСПОИ (положение точки B2): а - схема обозначений, б - компьютерное моделирование Figure 3. Fragment of half ( - A1 - A2) of the spacecraft trajectory in the radio visibility zone of the Ground Station (point B2): a - notation scheme, б - computer modeling 3. Результаты моделирования Иллюстрация эффекта увеличения энергетической эффективности радиолинии при передаче информации с КА ДЗЗ на НСПОИ представлена на рис. 4. Точка N соответствует расположению на- земной станции (НСПОИ), = = 6371 км - радиус Земли, траектория движения КА - суть A-B-D-F-Z-… , В - точка входа в зону радиовидимости КА со стороны НСПОИ. Для простоты в модельном представлении зоны движения КА до кульминации (Z) разбиты на n = 3 равноугловые сектора: BOD, DOF, FOZ (O - центр Земли). Движение КА в каждом из секторов происходит с неизменными параметрами радиолинии. В начале каждого из секторов (точки B, D, F,…) параметры ВРЛ настроены на достаточный в энергетическом плане режим для передачи данных. Рис. 4. Движение КА ДЗЗ в зоне радиовидимости НСПОИ (N) с переключением параметров ВРЛ для повыше ния ее энергетической эффективности Ω(n H, ) Figure 4. The movement of the remote sensing satellites in the radio visibility zone of the Ground Stations (N) with switching of the parameters of the VHSR to increase its energy efficiency Ω(n H, ) Вследствие уменьшения на восходящей части траектории движения расстояния L от наземной станции до космического аппарата появляется возможность в конце сектора произвести переключение режимов работы радиолинии на более высокоскоростной режим передачи данных пропорционально отношению (L L0 / 1)2, где L0 суть BN, а L1 - соответствующее расстояние от НСПОИ до концов секторов DN, FN, ZN, … . Области BCD, DEF, FGZ - иллюстрируют избыток затрачиваемой энергии при передаче данных с КА на НСПОИ. В предельном случае можно представить непрерывное переключение скорости ВРЛ передачи данных и получить зна- чительный количественный эффект в повышении эффективности работы ВРЛ. Оценки произведены для кульминационного витка по отношению к стартовой точке, совпадающей c появлением КА в зоне радиовидимости НСПОИ. В качестве оценки энергетической эффективности ВРЛ выбран параметр Ω(n H, ) : Ω(,) ( , φ)/ ( , φ)) = ℑ(φ) φ где ℑ(φ) = ( ( , φ)/ ( , φ)) , ( , φ)) = ( + ) + - - 2 ⋅ ⋅ ( + ) ⋅ cos( φ), а секторальный угол (φ) равняется углам BOD, DOF, FOZ, … . В частном случае, когда в качестве стартовой точки взята точка входа в зону радиовидимости НСПОИ, значение ( , φ) представляется в упрощенном виде: (,φ) = ( ) = ( ) = = ( + ) - . Отметим, что секторальные углы следует отсчитывать привязанными к вершине O (центр Земли) вследствие равномерного движения КА по орбите вокруг Земли и упрощения процедуры интегрирования при вычислении параметра эффективности Ω(n H, ) . В табл. 5 представлены расчетные параметры секторов движения КА в зоне радиовидимости НСПОИ при двукратном (n = 3) переключении параметров ВРЛ. Смоделированные параметры эффективности ВРЛ для характерных высот H = 500, 700, 1000 км работы КА ДЗЗ представлены в табл. 6. Таблица 5 / Table 5 Параметры секторов движения КА в зоне радиовидимости НСПОИ Parameters of sectors of the movement RSS in zone of radio visibility of GS № п/п No. Орбита КА ДЗЗ / Orbit of RSS H, км 500, км 700, км 1000, км 1 Участок BD / BD site φBOZ 22,0° 25,7° 30,2° LBN 2573 км 3067 км 3707 км 2 Участок DF / DF site φDOZ 14,7° 17,1° 20,1° LDN 1761 км 2119 км 2596 км 3 Участок FZ / FZ site φFOZ 7,3° 8,6° 10,1° LFN 983 км 1223 км 1564 км 4 Повышение энергоэффективности ВРЛ / Increase of energy efficiency of VHSR Ω(n H, ) (n = 3) 3,33 3,13 2,89 Таблица 6 / Table 6 Повышение энергетической эффективности ВРЛ: Ω(n H, ) Increase of power efficiency of VHSR: Ω(n H, ) № п/п / No. Высота H, км, cекторов переключений: / Height H, km, sectors of switchings: 500 700 1000 1 (n = 1) 1,00 1,00 1,00 2 (n = 2) 2,28 2,21 2,11 3 (n = 3) 3,33 3,13 2,89 4 (n = 5) 4,66 4,18 3,68 5 (n = 10) 5,91 5,09 4,32 6 (n = 100→∞) 7,06 5,91 4,90 Вестник РУДН. Серия: Инженерные исследования. 2023. Т. 24. № 4. С. 295-304 В действительности, значения Ω(n H, ) могут оказаться ниже, если в качестве стартовой точки движения КА выбрать точку с ненулевым углом места (α), ответственную за параметр Ω( , ). Кроме того, реальные расчеты выполняются с учетом трехмерности траекторий движения КА в околоземном пространстве (см. рис. 1), это приводит к появлению незначительных форм-факто- ров - поправок порядка единицы. Заключение Следует отметить что конкретный расчет энергетической эффективности Ω(n H, ) , выполненный с реальными параметрами НСПОИ и ВРЛ, позволяет сформировать технологию подготовки данных для передачи информации с КА на НСПОИ. Расчеты с энергетическими запасами Δ = 1 ⋯ 5дБ между соседними точками переключения режимов работы ВРЛ приводят к возможному количеству переключения режимов работы ВРЛ от 15 до 3 для траекторий КА в окрестности НСПОИ, близкими к зенитному положению кульминационных точек (см. также рис. 2, б).

Об авторах

Кирилл Владимирович Алаторцев

Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)

Автор, ответственный за переписку.
Email: alatortsev.kv@mail.ru
ORCID iD: 0009-0001-8920-045X

студент факультета аэрокосмических технологий

Долгопрудный, Российская Федерация

Владимир Леонидович Алаторцев

Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)

Email: vova.alatortcev.60@mail.ru
ORCID iD: 0009-0003-6001-1692

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Долгопрудный, Российская Федерация

Список литературы