Space integrated network: routed inter-satellite network primary modeling results

全文:

Введение

В настоящее время приоритетным направлением развития миссий малых космических аппаратов (МКА) является формирование низкоорбитальных группировок, выполняющих функций связи. Как правило, такие группировки должны обеспечивать глобальное покрытие и сервисы передачи данных космос-Земля через наземные базовые станции (НС). Перспективными проектами в России, представляющими такую концепцию, на текущий момент, являются: глобальная низкоорбитальная многоспутниковая система передачи данных «Марафон IoT» [1], а также низкоорбитальная спутниковая группировка связи от «Бюро 1440» [2].

Следующим закономерным этапом развития подобных систем, сопряженным с внедрением радиосистем 5G и 6G, представляется обеспечение непосредственного маршрутизируемого межспутникового взаимодействия внутри группировки [3; 4].

В свою очередь, СибГУ им. М.Ф. Решетнева ведет активную деятельность по разработке и эксплуатации МКА в рамках проекта «Space-π». На сегодняшний день запущены и успешно эксплуатируются два МКА типа CubeSat: ReshUCube-1 [5] и ReshUCube-2. А в 2024 году планируется одновременный запуск группировки МКА, состоящей из одного аппарата формата 3U и трех аппаратов формата 1U. Основной целью планируемой миссии является отработка технологии интегрированной космической сети: сетевых функций на линиях космос-Земля и космос-космос (межспутник).

Ранее были описаны архитектурные и технические решения, принятые в рамках миссии аппарата-демонстратора ReshUCube-2 [3]. В общем смысле, был предложен сетевой стек, основанный на технологиях LoRa (Long Range), стандартах 6LoWPAN (IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks) и TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol), который, в перспективе, позволит организовать маршрутизируемую IPv6 сеть с использованием, к примеру, протокола RPL (Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks). Планируется, что данные решения лягут в основу предложенной технологии и будущей космической миссии ReshUCube-3.

Целью данной работы является демонстрация первых результатов, полученных в рамках имитационного моделирования системы межспутниковой связи с учетом орбитальных параметров и параметров каналов связи, приближенных к исходным данным планируемой космической миссии ReshUCube-3.

Постановка задач моделирования

Ключевыми задачами работы являются:

• определение максимальной дистанции между МКА и наземной станцией (центром управления полетами, ЦУП);
• определение максимальной дистанции между МКА, на которой возможно поддержание непрерывного канала связи;
• определение среднесуточной продолжительности сеансов связи (активности канала связи) между отдельным МКА и НС;
• определение среднесуточной продолжительности сеансов связи между группировкой МКА и НС с учетом всех возможных маршрутов с промежуточными узлами-МКА в зависимости от межспутниковой дистанции.

Глобальной задачей при этом является верификация модели. В том случае, если модель является репрезентативной, дальнейшие результаты моделирования могут быть использованы в процессе проектирования и эксплуатации группировки, а также смежных задачах.

Входные данные

Достоверно определить орбитальные параметры спутниковой группировки до момента запуска не представляется возможным. Точными параметрами орбиты, коэффициентами ускорения, торможения и т.д., в данном рассмотрении, можно пренебречь. В связи с этим, за основу были взяты параметры TLE (Two-Line Element set) четырех уже запущенных аппаратов «СтратоСат ТК-1-А», «СтратоСат ТК-1-Б», «СтратоСат ТК-1-В» и «СтратоСат ТК-1-Г». 11 июля 2023 г. данные спутники одновременно вышли из транспортного контейнера на орбите, что наиболее близко отражает принцип разделения, планируемый в рамках миссии ReshUCube-3.

Расположение ЦУП было задано следующими координатами: 56.0121° с.ш., 92.97465° в.д. (что соответствует расположению ЦУП СибГУ им. М.Ф. Решетнева).

В качестве антенной системы каждого из четырех моделей МКА определена модель дипольной антенны, рассчитанной на 435 МГц. Подобная система предусмотрена антенным модулем, который был разработан для аппаратов миссии ReshUCube-3.

В качестве приемно-передающей системы модели ЦУП определена модель Гауссовской антенны с диаметром 0,5 м и коэффициентом эффективности диафрагмы 0,65. Модель похожа на параболическую антенну с погрешностью около -6 дБ относительно точки обзора.

Параметры приемников и передатчиков заданы на основе значений, приведенных в работах [7; 8], а также исходных данных планируемой миссии (часть из которых приведена в работе [6]). Отметим также, что приведенные параметры заданы пессимистично.

Так, для приемников МКА установлены следующие параметры: системные потери – 5 дБ; потери перед приемником – 3 дБ; отношение коэффициента усиления антенны к температуре шума – 25 дБ/К; минимальное отношение энергии сигнала на бит к энергетической спектральной плотности шума – 6,5 дБ.

Для приемника ЦУП: системные потери – 5 дБ; потери перед приемником – 3 дБ; отношение коэффициента усиления антенны к температуре шума – 20 дБ/К; минимальное отношение энергии сигнала на бит к энергетической спектральной плотности шума – 6,5 дБ.

Для передатчиков МКА: системные потери – 5 дБ; частота – 435 МГц; битрейт – 5,47 кбит/с; мощность – 0 дБВт.

Для передатчика ЦУП: системные потери – 5 дБ; частота – 435 МГц; битрейт – 5,47 кбит/с; мощность – 10 дБВт.

Важно отметить, что МКА ориентированы в надир для получения оптимального позиционирования диаграммы направленности антенной системы.

Как было упомянуто ранее, некоторые виды моделирования включают в себя моделирование маршрутов. Под «маршрутом», в данном случае, подразумевается прямой канал связи между НС (Ground Station, GS) и целевым узлом (Satellite 3, Sat3) или составной – через промежуточные узлы (Satellite 0-3, Sat0-3). Маршрут считается действительным, если каждый из составных каналов удовлетворяет условию моделируемой радиовидимости. Все возможные вариации маршрутов показаны на рисунке 1.

Рисунок 1. Моделируемые маршруты

Результаты моделирования

Первым важным результатом имитационного моделирования является динамическая визуальная симуляция, представленная на рисунке 2. Здесь, в зависимости от текущего модельного времени, можно наблюдать траекторию орбиты МКА, диаграммы направленности антенных систем МКА и ЦУП и отображение каналов связи в случае соблюдения условия радиовидимости. Все это позволяет дать визуальную оценку релевантности модели.

Рисунок 2. Визуальная симуляция

Переходя к основным задачам моделирования, приведем результаты суточного моделирования канала связи между Sat3 и GS.

На рисунке 3 представлен график дистанции между Sat3 и GS в периоды времени, когда канал между ними активен, а также сопутствующие значения энергии сигнала на бит к энергетической спектральной плотности шума (Eb/N0). Можно заметить, что канал активен только в тот момент, когда значение Eb/N0 превышает пороговое (6,5 дБ). При этом значение максимальной достигнутой дистанции составило 2 727 290 м.

Рисунок 3. Дистанция между Sat3 и GS по отношению к Eb/N0

На рисунке 4 представлен тот же график дистанции, но по отношению к углу возвышения между Sat3 и GS. Стоит отметить, что значение угла принимает абсолютные значения: за сутки угол принимает пиковые значения 15 раз, половину из которых Sat3 находится на обратной стороне Земли. Также наблюдаются случаи, когда Sat3 и GS находятся в зоне прямой радиовидимости под острыми углами, однако энергетики сигнала недостаточно для того, чтобы образовать действительный канал связи.

Рисунок 4. Дистанция между Sat3 и GS по отношению к углу возвышения

Следующим этапом моделирования является определение максимальной дистанции между Sat0 и Sat1 в момент времени, когда канал между ними прерывается.

На рисунке 5 представлен график дистанции между Sat0 и Sat1, а также значение Eb/N0 (по аналогии с рисунком 3). Значение максимальной достигнутой дистанции до прерывания канала составило 2 132 929 м. Значение Eb/N0 при этом убывает линейно по отношению к увеличению межспутниковой дистанции.

Рисунок 5. Дистанция между Sat0 и Sat1 по отношению к Eb/N0

На рисунке 6 представлен тот же график дистанции, но по отношению к углу возвышения между Sat0 и Sat1 (по аналогии с рисунком 4). Аналогичным образом наблюдается линейная зависимость между дистанцией и углом.

Рисунок 6. Дистанция между Sat0 и Sat1 по отношению к углу возвышения

Финальным этапом моделирования, в текущем рассмотрении, является определение процента активного использования каналов (среднесуточной продолжительности сеансов связи) в случае прямого канала между Sat3 и GS, а также в случае использования всех описанных ранее маршрутов.

Для того, чтобы определить влияние межспутниковой дистанции на эффективность использования каналов, было рассчитано 365 дней модельного времени. За это время МКА несколько раз «разлетаются» и «сближаются» в случае, если отсутствуют активные механизмы удержания в группировке.

Кроме того, было взято 12 месячных отсчетов, которые показывают процент активности канала от общего времени моделирования. Эти отсчеты были взяты для случая, когда используются все возможные маршруты, а также случая с единственным прямым маршрутом Sat3-GS. Результат моделирования приведен на рисунке 7.

Рисунок 7. Процент активного использования каналов в зависимости от межспутниковой дистанции

Моделирование показало, что в случае с прямым маршрутом процент активности канала в месяц остается близок к среднему значению 1,4267% в течение года,. что составляет, в среднем, около 20 мин/сутки.

В случае же, когда рассматриваются все возможные маршруты, процент активности зависит от межспутникового расстояния. Среднее значение в год составляет 3,6551% (т.е. около 52 мин/сутки). Пиковое же значение достигается тогда, когда межспутниковое расстояние близко к максимальному (около 2000 км) и составляет 4,4883% (около 64 мин/сутки).

Заключение

В рамках работы была разработана модель межспутниковой сети, основанная на входных данных планируемой миссии ReshUCube-3. Ключевые результаты моделирования: определение максимальной дистанции космос-космос и космос-Земля, а также эффективности покрытия с учетом активных маршрутов.

Стоит отметить, что некоторые результаты моделирования сопоставимы с объективными показателями, полученными в рамках активных миссий со схожей спецификой (например, [9; 10]). Тем не менее, миссия ReshUCube-3 послужит инструментом для предметной верификации и уточнения модели.

Предложенная модель может быть полезна при проектировании антенных систем и приемо-передающих систем МКА и НС, отладки протоколов маршрутизации и других сетевых функций, а также в сопутствующих задачах управления группировкой и др. На этапе эксплуатации уточненная модель может служить в качестве цифрового двойника для реальной системы.

В будущих работах планируется провести более подробную оценку влияния переменных параметров, эффекта Доплера, задержек распространения и т.д. На следующем этапе планируется ввести детализацию модели в разрезе физических технологий передачи (модуляции, кодирования и др.), а также используемых сетевых протоколов и технологий.

作者简介

Nikita Kustov

编辑信件的主要联系方式.
Email: kustovnd@sibsau.ru

Assistant of Information Technology Security Department

参考

补充文件

附件文件

动作

1. JATS XML

下载

2. Figure 1. Simulated routes

下载 (173KB)

索引源数据

3. Figure 2. Visual simulation

下载 (137KB)

索引源数据

4. Figure 3. Distance between Sat3 and GS in relation to Eb/N0

下载 (303KB)

索引源数据

5. Figure 4. Distance between Sat3 and GS in relation to elevation angle

下载 (397KB)

索引源数据

6. Figure 5. Distance between Sat0 and Sat1 in relation to Eb/N0

下载 (196KB)

索引源数据

7. Figure 6. Distance between Sat0 and Sat1 with respect to elevation angle

下载 (255KB)

索引源数据

8. Figure 7. Percentage of active channel use depending on the inter-satellite distance

下载 (380KB)

索引源数据