Estimation of availability decline due to atmospheric effect on satellite-to-earth optical communication link

Full Text

В условиях возрастающих требований к оперативности и объемам информации, доставляемым с космических аппаратов (КА) дистанционного зондирования Земли на наземные пункты приема информации (НППИ), перспективным является использование КА-ретрансляторов, расположенных на геостационарной орбите, работающих в оптическом диапазоне длин волн. Использование именно оптического диапазона позволяет решить проблему электромагнитной совместимости космических аппаратов, обеспечивает высокую скрытность передачи информации, а современные технологии позволяют реализовать скорости передачи данных до нескольких Тбит/с при сравнительно низких энергомассовых характеристиках бортовой аппаратуры. Прохождение трасс через земную атмосферу накладывает ряд ограничений на функционирование линий связи оптического диапазона. Одним из факторов является облачность, естественным образом ограничивающая распространение оптических волн. В данной работе рассмотрена возможность парирования указанных ограничений путём расположения нескольких НППИ в наиболее выгодных с метеорологической точки зрения местоположениях, облачность в которых наименее взаимокоррелирована. При этом предполагается, что в ходе сеанса работы КА-ре-транслятор устанавливает связь только с тем НППИ, для которого на данный момент реализуются наилучшие метеоусловия. 90 Авиационная и ракетно-космическая техника Методика расчетов. Для проведения оценок выбрано 60 географических пунктов, соответствующих расположению существующих метеостанций, наиболее полно удовлетворяющих критериям: - расположение пункта на территории РФ; - равномерное разнесение пунктов по долготе; - максимально высокое расположение пункта над уровнем моря; - расположение пункта максимально близко к экватору. На рис. 1 представлены точки положения пунктов на карте. Южное (с учетом расположения на территории РФ) расположение пунктов позволяет обеспечить наилучшие значения углов места, а возвышение над уровнем моря сокращает путь оптического сигнала в наиболее плотных слоях атмосферы. Оценки ограничения готовности (ОГ) на линию связи КА-НППИ проведены для вариантов расположения выборки трех-семи НППИ в выбранных географических пунктах. Для обеспечения рабочих углов места при работе КА со всеми пунктами, входящими в выборку, введено дополнительное ограничение: пункты, входящие в выборку, должны быть разнесены по долготе не более чем на 50°. В табл. 1 приведён фрагмент вида исходных метеоданных для одного из пунктов (г. Владикавказ) [1], где N - облачность (1 балл соответствует перекрытию 10 % неба облаками); VV - метеорологическая дальность видимости, км; временной интервал между двумя смежными записями - 3 ч. С учетом ограничений, накладываемых атмосферными явлениями, готовность канала связи может быть рассчитана как [2] 40 60 80 100 120 140 160 180 40 60 80 100 120 140 160 180 Рис. 1. Расположение выбранных географических пунктов на карте 91 P = Pt ■ D , где Pt - значение готовности, определяемое техническими и эксплуатационными характеристиками КА и наземной инфраструктуры; D - ОГ со стороны метеоусловий. Таблица 1 Фрагмент исходных метеоданных для г. Владикавказа Дата, UTC Время, UTC N VV 2011-01-01 00:00 10 1 2011-01-01 03:00 10 1 2011-01-01 06:00 10 4 2011-01-01 09:00 10 1 2011-01-01 12:00 10 1 Для каждого момента времени, соответствующего проведению измерений метеостанций, определено ОГ для выборки наземных пунктов: Dj = Max(dj,d2, ..., dj), где Max - оператор выбора максимального значения; d1,d2, ..., dj - ОГ для каждой станции, входящей в выборку, определяемое следующим образом: Ґ100 -10 ■ N,, VV > 3, d, =\ 1 1 у 0,VV < 3, где Nj - значение облачности в текущий момент времени; VV - значение метеорологической дальности видимости, используемое для учета таких явлений, как туман, смог и т. п. [3; 4]. Результаты и их обсуждение. Результаты оценок для выборок, на которых достигается наилучшее значение ОГ, приведены в табл. 2. Вестник СибГАУ. № 2(54). 2014 Таблица 2 Результаты расчета ограничения готовности для выборок наземных пунктов Количество пунктов в выборке Ограничение готовности Состав выборки Координаты Индекс соответствующей метеостанции Населенный пункт (51°48'N 107°26'E) 30823 Улан-Удэ 3 0,83 (49°50'N 118°23'E) 30978 Кайластуй (48°31'N 135°10'E) 31735 Хабаровск (50°22'N 106°27'E) 30925 Кяхта 4 0 87 (49°50'N 118°23'E) 30978 Кайластуй (49°37'N 128°39'E) 31587 Поярково (48°31'N 135°10'E 31735 Хабаровск (51°48'N 107°26'E) 30823 Улан-Удэ (51°07'N 114°33'E) 30859 Агинское 5 0,90 (49°50'N 118°23'E) 30978 Кайластуй (49°37'N 128°39'E) 31587 Поярково (48°31'N 135°10'E) 31735 Хабаровск (51°48'N 107°26'E) 30823 Улан-Удэ (51°07'N 114°33'E) 30859 Агинское 6 0 91 (50°22'N 106°27'E) 30925 Кяхта и (49°50'N 118°23'E) 30978 Кайластуй (49°37'N 128°39'E) 31587 Поярково (48°31'N 135°10'E) 31735 Хабаровск (51°48'N 107°26'E) 30823 Улан-Удэ (51°07'N 114°33'E) 30859 Агинское (50°22'N 106°27'E) 30925 Кяхта 7 0,92 (49°50'N 118°23'E) 30978 Кайластуй (49°37'N 128°39'E) 31587 Поярково (49°25'N 130°05'E) 31594 Архара (48°31'N 135°10'E) 31735 Хабаровск Авиационная и ракетно-космическая техника Рис. 4. Расположение выборки № 5 на карте (7 станций, ОГ = 0,92) Как видно из табл. 2, при применении уже пяти наземных станций достижимо значение ОГ более 90. На рис. 2-4 представлено расположение станций на карте. Серым закрашена область, в которой обеспечиваются значения углов места не менее 30° при точке стояния геостационарного КА 120° в. д. С учетом метеоусловий, при применении пяти НППИ (из которых с КА сеанс связи осуществляет только одна станция) и технической готовности средств связи 0,95 достижимо значение коэффициента готовности всего тракта КА-НППИ 0,85. Проведенные оценки показывают, что применение разнесенных географически приемных пунктов позволяет достичь коэффициентов готовности канала связи в рамках требований, предъявляемых к современным космическим системам.

About the authors

Alexander Vladimirovich Vasilenko

JSC “Information Satellite System” named after academician M.F. Reshetnev”

Email: a.v.vasilenko@mail.ru
engineer

Valentin Borisovich Kashkin

Siberian Federal University

Email: rtcvbk@rambler.ru
Doctor of Engineering Science, Professor

References

Supplementary files