Features of the implementation of the satellite communication system in the highly elliptical orbit “Express-RV”

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Постоянный рост объемов передаваемых данных приводит к необходимости увеличения телекоммуникационной инфраструктуры. Во всем мире, в том числе в России, ведутся интенсивные научно-исследовательские работы в области систем связи [1–3]. Для России, около 80 % территории которой не имеет покрытия сотовыми сетями, потенциал спутниковых систем связи, а также целесообразность и экономическая эффективность их применения дополнительно повышаются.

В ответ на растущий спрос на спутниковую связь в России ведутся работы по созданию нескольких спутниковых группировок нового поколения на негеостационарных орбитах: «Экспресс-РВ», «Скиф», «Марафон-IoT», «Рассвет». Спутниковая система «Экспресс-РВ», предназначенная для предоставления стационарным и подвижным абонентам на территории России и Северного морского пути доступа в Интернет, имеет особую значимость. Согласно оценкам, до 90 % северных территорий России не имеет покрытия сотовыми и спутниковыми сетями. В контексте технологического суверенитета страны ее разработка является важной задачей.

Данная статья посвящена основным особенностям реализации спутниковой системы «Экспресс-РВ». Ключевой особенностью системы является многолучевая полезная нагрузка Ku-диапазона, которая решает задачи многолучевого покрытия зоны обслуживания и прямой ретрансляции. Многолучевая полезная нагрузка определяет требования ко всей спутниковой группировке, поэтому в работе особое внимание уделено ее описанию. Другой важной особенностью спутниковой системы является выбор стандартов DVB-S2X и DVB-RCS2 для проектирования модемного оборудования. Для определения режимов работы в прямом и обратном канале из всех имеющихся в стандартах произведен расчет энергетического бюджета радиолинии. При условии выполнения процедуры синхронизации на приемной стороне установлена возможность квазибезошибочного приема радиокадров стандартов DVB-S2X и DVB-RCS2. На основании полученных значений определены виды модуляции, которые будут использоваться в системе связи в прямом и обратном канале.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ «ЭКСПРЕСС-РВ»

В связи с требованием на покрытие высоких широт при проектировании спутниковой системы выбраны высокоэллиптические орбиты (ВЭО) типа «Молния» [4; 5]. Параметры орбиты представлены в табл. 1.

 

Таблица 1

Параметры ВЭО «Молния»

Большая полуось, км	26554
Эксцентриситет	0,722
Наклонение, º	62,8
Число космических аппаратов (КА)	4
Период обращения, ч	≈ 12
Долгота восходящего узла, º	67,7/157,7/247,7/337,7
Аргумент в перигее, º	270
Длительность рабочего участка орбиты (РУО), ч	6

 

Система «Экспресс-РВ» включает четыре космических аппарата (КА), орбитальные плоскости которых разнесены на 90° по долготе. Период обращения КА составляет примерно 12 ч, из которых рабочему участку орбиты соответствует район ±3 ч от апогея. В момент, когда КА покидает рабочий участок орбиты, происходит переключение на следующий аппарат, обращающийся в смежной плоскости. Параметры орбиты выбраны таким образом, что на протяжении всего рабочего участка орбиты положение подспутниковой точки изменяется слабо. За счет этого на рабочем участке орбиты обеспечивается квазигеостационарный режим.

За сутки каждый КА проходит два витка: основной и сопряженный. При работе на основном витке, с которого обслуживается территория России, наземная трасса орбиты находится над восточным полушарием. При функционировании на сопряженном витке, предназначенном для покрытия арктических территорий, проекция орбиты оставляет след на западном полушарии (рис. 1).

 

Рис. 1. Наземная трасса ВЭО
Fig. 1. HEO ground track

 

Углы места абонентов, обслуживаемых с основного витка, принимают значения от 40º на краях зоны обслуживания до 90º в подспутниковой точке (рис. 2). Таким образом, для всей территории РФ углы места, как один из факторов, определяющих условия связи абонентов, остаются достаточно высокими.

 

Рис. 2. Углы места абонентов, обслуживаемых с основного витка, из точки апогея
Fig. 2. Elevation angles of subscribers served from the main turn from the apogee

 

Система состоит из наземного и космического сегмента. Наземный сегмент представлен центром спутниковой связи (ЦСС) и абонентскими терминалами (АТ). Основными элементами ЦСС являются антенный пост, радиочастотное и модемное оборудование, система управления связью, центр управления системой, контрольно-измерительный комплекс. В состав АТ входит рефлектор, облучатель, система наведения, трансивер и модем. Космический сегмент состоит из платформы спутникового аппарата и полезной нагрузки. Полезная нагрузка состоит из приемных и передающих антенн и электронного оборудования между ними, обеспечивающего однократное преобразование частоты и усиление сигнала (прямая ретрансляция).

Полезная нагрузка включает оборудование Ku- и L/C-диапазона. Полезная нагрузка L/C-диапазона предназначается для формирования квазиглобальной зоны покрытия при помощи одного луча с основного и одного с сопряженного витка. На рис. 3, а, б показана квазиглобальная зона покрытия лучами шириной 12,5°.

 

Рис. 3. Квазиглобальная зона обслуживания полезной нагрузки L/C-диапазона
Fig. 3. Quasi-global coverage area of the L/C-band payload

 

МНОГОЛУЧЕВОЕ ПОКРЫТИЕ ЗОНЫ ОБСЛУЖИВАНИЯ

Одним из современных трендов развития спутниковых систем является переход к разработке группировок с повышенной пропускной способностью (High Throughput Satellite, HTS) [6; 7]. Это становится возможно благодаря многолучевому покрытию зоны обслуживания, позволяющему повысить пропускную способность системы путем повторного использования частот в разных лучах и обеспечить выигрыш в энергетике радиолинии за счет большего коэффициента направленного действия антенн. Повторное использование частот позволяет увеличить число каналов и, в конечном счете, общую пропускную способность системы без расширения диапазона рабочих частот. Рассматриваемая система, строго говоря, не может быть отнесена к системам с повышенной пропускной способностью, так как имеет коэффициент повторного использования частот 11/6, однако ее разработка является важным этапом по переходу к таким системам.

На рис. 4 представлена зона покрытия, формируемая полезной нагрузкой Ku-диапазона при нахождении КА в точке апогея.

 

Рис. 4. Зона покрытия полезной нагрузки Ku-диапазона из апогея
Fig. 4. Coverage area of the Ku-band payload from the apogee

 

Из рис. 4 видно, что покрытие заданной территории обеспечивается одиннадцатью лучами шириной 2,2° при работе на основном (синий цвет) и на сопряженном (желтый цвет) витке орбиты.

Покрытие зоны обслуживания несколькими остронаправленными лучами вместо одного луча обеспечивает значительный выигрыш в коэффициенте усиления передающей антенны КА. Это позволяет существенно уменьшить размер антенны абонентского терминала.

Для реализации многолучевого покрытия выбран Ku-диапазон частот. Ослабление сигнала с частотой в 14 ГГц при прохождении через атмосферу показано на рис. 5 для всех возможных углов места на основном витке.

 

Рис. 5. Ослабление сигнала в атмосфере
Fig. 5. Signal attenuation in the atmosphere

 

Ослабление рассчитано в соответствии с рекомендациями международного союза электросвязи [8]. Суммарное ослабление сигнала состоит из ослабления в дожде, в облаках, на атмосферных газах и из-за тропосферных мерцаний. Вероятность превышения ослабления сигнала относительно используемого значения для каждого фактора затухания сигнала из рекомендации [8] принята равной 1 %. Из рис. 5 видно, что основной вклад в ослабление сигнала в Ku-диапазоне вносят осадки и даже при очень сильном дожде интенсивностью 60 мм/ч ослабление сигнала в атмосфере составляет немногим более 1,4 дБ.

АРХИТЕКТУРА СЕТИ

Работа спутниковой системы основана на топологии «звезда», принцип действия которой поясняется на рис. 6.

В прямом канале спутниковой системы предусмотрено временное разделение абонентов (TDMA), при котором передача информации абонентам внутри каждого луча выполняется на одной несущей. Для реализации физического уровня модемного оборудования прямого канала выбран стандарт DVB-S2X. В обратном канале используется частотно-временное разделение абонентов (MF-TDMA). Обработка сигналов в обратном канале реализуется по стандарту DVB-RCS2. Возможность использования стандартов DVB-S2X и DVB-RCS2 в негеостационарных системах неоднократно обсуждалась [9–13]. Канальный уровень модемного оборудования реализуется по протоколам GSE и RLE в прямом и обратном канале соответственно. Символьная скорость в прямом и обратном канале составляет 0,7–54 и 0,1–8 Мсимв/с.

 

Рис. 6. Топология сети «звезда»
Fig. 6. Star network topology

 

Структура полезной нагрузки прямого и обратного канала

Полезная нагрузка Ku-диапазона включает одиннадцать прямых (без учета дополнительных) и одиннадцать обратных каналов, а также один радиомаяк, по сигналу которого отслеживается движение КА по орбите. Рассмотрим упрощенную схему прямых каналов полезной нагрузки Ku-диапазона, представленную на рис. 7.

 

Рис. 7. Упрощенная функциональная схема прямых каналов полезной нагрузки Ku-диапазона
Fig. 7. Simplified functional diagram of Ku-band payload forward channels

 

На упрощенной функциональной схеме не показаны резервные элементы, обеспечивающие функционирование полезной нагрузки в случае отказа основных элементов, цепи их включения, дополнительные каналы, строящиеся на резервных элементах, и оборудование маяка.

Групповой сигнал, сформированный в модемном оборудовании, излучается антенной центра спутниковой связи. Излученный сигнал имеет левую и правую круговую поляризацию. Сигнал с ортогональными поляризациями регистрируется фидерной спутниковой антенной, функционирующей в режиме приема. Сигнал с выходных портов антенны пропускается через волноводный полосовой фильтр, предназначенный для фильтрации внеполосного излучения, и далее поступает на вход приемника. В приемнике обеспечивается предварительное усиление и однократное преобразование частоты сигнала, необходимое для изоляции нисходящей и восходящей линии.

Сигнал с выхода приемника поступает на входной мультиплексор, представляющий собой набор полосовых фильтров. Во входном мультиплексоре из всего диапазона частот выделяются каналы полосами 70 МГц, которые усиливаются в линеаризованном усилителе мощности на лампе бегущей волны (ЛУЛБВ). Для разделения соседних каналов предусмотрены защитные полосы шириной 16 МГц.

Усиленный сигнал пропускается через выходной фильтр. Фильтрация необходима для устранения паразитных эффектов, возникающих в усилителе высокой мощности и оказывающих на сигнал негативное влияние. Примером такого эффекта являются кратные гармоники в спектре сигнала, генерируемые нелинейными элементами. На заключительном этапе сигналы полосой 70 МГц излучаются антеннами с параболическим рефлектором в направлении заданных точек прицеливания.

Согласно требованиям, предусмотрено резервирование активного ретрансляционного оборудования, отказ которого ведет к потере функциональности транспондера: приемники, ЛУЛБВ, антенны и цепи их включения. Резервирование пассивного ретрансляционного оборудования (фильтры и мультиплексоры) не предусмотрено, так как его отказ маловероятен.

Для увеличения скорости передачи данных в трех транспондерах предусмотрены три дополнительных канала, работа которых основана на дополнительном приемнике и резервных ЛУЛБВ. Для объединения трех дополнительных каналов с тремя основными после выходного фильтра устанавливается выходной мультиплексор. Для управления подключением дополнительных каналов и отдельных резервных элементов в случае отказа основных используется кольцо резервирования, работа которого регулируется многопозиционными переключателями.

Далее рассмотрим упрощенную схему полезной нагрузки обратных каналов Ku-диапазона, представленную на рис. 8.

 

Рис. 8. Упрощенная функциональная схема обратных каналов полезной нагрузки Ku-диапазона
Fig. 8. Simplified functional diagram of Ku-band payload return channels

 

В обратных каналах абонентские терминалы, рассредоточенные по всей зоне покрытия из одиннадцати областей, излучают сигналы в направлении космического аппарата. Сигналы принимаются соответствующими одиннадцатью абонентскими антеннами на борту космического аппарата. Сигнал с выхода антенны пропускается через полосовой волноводный фильтр, в котором выделяется общий диапазон рабочих частот обратных каналов в восходящей линии и одновременно осуществляется фильтрация внеполосного излучения. Ширина полосы одного канала составляет 36 или 54 МГц.

Далее сигнал поступает на вход приемника, в котором выполняется усиление сигнала и однократное преобразование частоты. На следующем этапе преобразования в мультиплексоре пять или шесть соседних каналов объединяются в групповой сигнал. Результирующий сигнал усиливается при помощи линеаризованного усилителя высокой мощности.

Далее групповой сигнал пропускается через волноводный фильтр для устранения влияния негативных эффектов, возникающих при усилении: интермодуляционные продукты и кратные гармоники. На заключительном этапе сигналы с левой и правой круговой поляризацией поступают на порты фидерной антенны.

Аналогично прямым, в обратных каналах в случае отказа основного активного ретрансляционного оборудования предусмотрено его резервирование. Для управления подключением отдельных резервных элементов используется кольцо резервирования, работа которого основана на многопозиционных переключателях.

 

Рис. 9. Доплеровское смещение на линии «вверх» и суммарное доплеровское смещение
Fig. 9. Doppler shift on the uplink and total doppler shift

 

Высокоэллиптическая орбита характеризуется сильным доплеровским смещением. Поэтому исходные полосы частот оборудования полезной нагрузки расширены на величину максимального доплеровского сдвига в восходящих линиях прямых и обратных каналов. На рис. 9 показана временная зависимость доплеровского смещения на рабочем участке орбиты (для линии «вверх» и общего). Доплеровское смещение рассчитано для частот передачи 14 ГГц по линии «вверх» и 11 ГГц – «вниз».

Оценка соотношения сигнал / шум в прямом канале

Прямая ретрансляция сигнала и большая длина радиотрассы накладывают жесткие ограничения на энергетический бюджет радиолинии, в особенности в обратном канале, поэтому далее приводится расчет отношения сигнал / шум в системе.

Расчет энергетического бюджета радиолинии произведен для точки апогея (наихудший случай) и для терминала абонента с диаметром параболического рефлектора равным 0,6, 0,9 и 1,2 м. Параметры расчета энергетического бюджета радиолинии в прямом канале представлены в табл. 2.

 

Таблица 2

Параметры расчета энергетики радиолинии в прямом канале

	Параметр	Значение
Общие параметры	Интенсивность дождя, мм/ч	60
	Ширина полосы, МГц	70
	Фактор скругления	0,2
Восходящий канал	ЭИИМ антенны ЦСС, дБВт	67,1
	Частота, ГГц	13
	Ослабление свободного пространства, дБ	206,7
	Ослабление в атмосфере, дБ	0,96
Транспондер КА	Коэффициент усиления (КУ) приемной антенны КА, дБи	37,1
	Усиление сигнала до уровня мощности, Вт	150
	Шумовая температура транспондера КА, К	476,81
	Отношение сигнал/шум на стороне КА, дБ	19,91
	КУ передающей антенны КА, дБи	32,85
Нисходящий канал	Частота, ГГц	11
	Ослабление свободного пространства, дБ	205,5
	Ослабление в атмосфере, дБ	0,83
	Диаметр антенны абонента, м	0,6/0,9/1,2
	КПД антенны абонента	0,5
	Шумовая температура абонентского терминала, К	226
	Угол места, °	60
	Отношение сигнал/шум на стороне абонента, дБ	8,53/11,68/13,7
	Es/N0, дБ	9,32/12,47/14,49
	G/T, дБ/К	9,92/13,06/15,08

 

Для расчета отношения сигнал / шум мощность сигнала, зарегистрированного антенной абонента, вычисляется как

$P_{Sub}=EIR{P}_{GS}-FSP{L}_U-L_U^{Atm}+G_{Sat}^{Rx}+G_{Sat}^{Rep}+G_{Sat}^{Tx}-FSP{L}_D-L_D^{Atm}+G_{Sub}^{Rx}$ (дБВт),              (1)

где $EIR{P}_{GS}$ – ЭИИМ антенны ЦСС, $FSP{L}_U$ и $FSP{L}_D$ – ослабление сигнала в восходящей и нисходящей линии; $L_U^{Atm}$ и $L_D^{Atm}$ – ослабление в атмосфере; $G_{Sat}^{Rx}$ и $G_{Sat}^{Tx}$ – КУ приемной и передающей антенн КА;  – КУ антенны абонента;  – КУ при ретрансляции на борту КА.

При расчете энергетического бюджета радиолинии используется шумовая температура $T^{\Sigma }$, приведенная ко входу абонентского терминала:

$T^{\Sigma }=T_{Sub}+T_{Sat}\cdot {10}^{\frac{G_u}{10}},$                                                                                                  (2)

где $T_{Sub}$ – шумовая температура абонентского терминала; $T_{Sat}$ – шумовая температура КА; $G_u$ –  коэффициент приведения шумовой температуры, который вычисляется как

$G_u=G_{Sat}^{Tx}+G_{Sat}^{Rep}-FSP{L}_D-L_D^{Atm}+G_{Sub}^{Rx}$ (дБ),                                                (3)

Отношение сигнал / шум $SN{R}_{Sub}$ на стороне абонента рассчитывается следующим образом:

$SN{R}_{Sub}=P_{Sub}-10Lo{g}_{10}\left(kB{T}^{\Sigma }\right),$                                                                                 (4)

где B – ширина полосы; k – постоянная Больцмана.

Отсюда отношение энергии символа к спектральной плотности шума равно [14]

$\frac{E_S}{N_0}=$$SN{R}_{Sub}+10Lo{g}_{10}\left(1+\alpha \right),$                                                                                     (5)

где α – фактор скругления формирующего фильтра; $\frac{E_S}{N_0}$ – отношение энергии символа к спектральной плотности шума.

Данные производительности стандарта DVB-S2X представлены в [14] для различных комбинаций кодовой скорости и вида модуляции (рассматриваются данные, соответствующие линейному режиму работы бортового усилителя). Результаты производительности соответствуют случаю идеальной синхронизации и отсутствию фазового шума. Таким образом, в [14] для каждого режима работы определена величина $\frac{E_S}{N_0}$, при которой достигается заданный уровень вероятности пакетной ошибки $FER={10}^{-5}$ (квазибезошибочный прием).

Рассчитанные значения $\frac{E_S}{N_0}$ позволяют работать с типами модуляции BPSK, QPSK, 8PSK, 8APSK без ограничений. Для абонентского терминала с антенной диаметром 0,6 м для нескольких кодовых скоростей в режимах с модуляцией 16APSK величина $\frac{E_S}{N_0}$ в стандарте превышает расчетное значение и не обеспечивает целевую величину пакетной ошибки из стандарта. Например, согласно стандарту, в режиме работы с модуляцией 16APSK и кодовой скоростью 13/18 для нормального кадра квазибезошибочный прием обеспечивается при $\frac{E_S}{N_0}$= 9,71 дБ.

Необходимо заметить, по стандарту DVB-S2X передача сигнала абонентам внутри каждого луча выполняется на одной несущей (временное разделение абонентов, TDMA). Для работы каждому абоненту выделяется временной слот радиокадра, формируемого в соответствии с определенным режимом передачи. Поскольку режим передачи в пределах одного радиокадра остается постоянным, то он будет выбираться по абоненту, находящемуся в наиболее неблагоприятных условиях связи, т. е. имеющему наименьшую величину $\frac{E_S}{N_0}$. Это нивелирует выгоду от использования антенн с различным диаметром апертуры в прямом канале и является серьезной неэффективностью всей системы.

Одним из преимуществ DVB-S2X по сравнению с DVB-S2 являются расширенные возможности в области высоких значений отношения сигнал / шум [15; 16]. Так, при отношении сигнал / шум равном 20 дБ алгоритмы расширенной версии стандарта (DVB-S2X) дают выигрыш спектральной эффективности 51 % по сравнению с DVB-S2. Оценка отношения сигнал / шум показала, что значительная часть улучшений алгоритмов расширенной версии стандарта (DVB-S2X) оказывается неиспользованной в рассматриваемом наихудшем сценарии связи, что является еще одним недостатком системы. С другой стороны, базовый сценарий работы системы будет характеризоваться несколько большим отношением сигнал / шум, чем наихудший.

Оценка соотношения сигнал / шум в обратном канале

Аналогично рассчитывается отношение сигнал /шум в обратном канале. Параметры расчета представлены в табл. 3.

 

Таблица 3

Параметры расчета энергетики радиолинии в обратном канале

	Параметр	Значение
Общие параметры	Интенсивность дождя, мм/ч	60
	Ширина полосы, МГц	2,4
	Фактор скругления	0,2
Восходящий канал	ЭИИМ антенны абонента, дБВт	44/47,5/50
	Частота, ГГц	14
	Ослабление свободного пространства, дБ	208
	Ослабление в атмосфере, дБ	1,14
Транспондер КА	КУ приемной антенны КА, дБи	33,15
	Усиление сигнала до уровня мощности, Вт	150
	Шумовая температура транспондера КА, К	478,5
	Отношение сигнал / шум на стороне КА, дБ	6,01/9,51/12,01
	КУ передающей антенны КА, дБи	35,97
Нисходящий канал	Частота, ГГц	11
	Ослабление свободного пространства, дБ	205,5
	Ослабление в атмосфере, дБ	0,64
	Диаметр антенны ЦСС, м	7,5
	КПД антенны ЦСС	0,8
	Шумовая температура ЦСС, К	179
	Угол места, °	60
	Отношение сигнал / шум, дБ	6,01/9,51/12,01
	Es/N0, дБ	6,8/10,3/12,8

 

Данные о производительности стандарта DVB-RCS2 представлены в спецификации [17]. Рассчитанные значения $\frac{E_S}{N_0}$ позволяют абоненту с антенной диаметром 0,6 м работать в режимах с QPSK- и BPSK-модуляцией, однако для поддержки других типов модуляции величина $\frac{E_S}{N_0}$ оказывается недостаточной. Несколько большая принимаемая мощность абонентом с антенной диаметром 0,9 м позволяет обеспечить работу с частью режимов с модуляцией 8PSK, 1,2 м – задействовать часть режимов с модуляцией 16QAM. Таким образом, подтверждена возможность работы системы связи в обратном канале, однако отсутствие возможности работы в области высоких значений $\frac{E_S}{N_0}$ является недостатком, ограничивающим максимальную символьную скорость в обратном канале.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе рассмотрена спутниковая система «Экспресс-РВ», являющаяся первым шагом в разработке систем HTS в России. Ключевой особенностью является многолучевая полезная нагрузка Ku-диапазона, предназначенная для покрытия зоны обслуживания остронаправленными лучами, поэтому она рассмотрена наиболее подробно.

Произведен расчет энергетического бюджета радиолинии в прямом и обратном канале, позволивший оценить отношение  в системе связи. По результатам оценки сделан вывод о работоспособности системы. Для обратного канала для 3 типов абонентских терминалов определены виды модуляции из стандарта DVB-RCS2, которые будут фактически использоваться в системе. Для прямого канала установлено, что режим передачи выбирается по абоненту, находящемуся в наиболее неблагоприятных условиях связи (в наихудшем случае величина  равна 9,32 дБ). Следовательно, выигрыш от использования антенн с бóльшим диаметром апертуры отсутствует, что говорит о серьезной неэффективности. Кроме того, весомые возможности DVB-S2X по работе в области высоких значений отношения  оказываются не задействованными.

About the authors

Vyacheslav F. Zharinov

Tomsk State University; JSC “Information Satellite Systems” Academician M. F. Reshetnev Company”

Author for correspondence.
Email: jarinov.slava@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0000-8472-7159

Postgraduate student, engineer

Russian Federation, 36, Lenin Av., Tomsk, 634050; 52, Lenin St., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972

Oleg G. Ponomarev

Tomsk State University; JSC “Information Satellite Systems” Academician M. F. Reshetnev Company”

Email: oleg.ponommarev@gmail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9872-9902

Ph.D., Associate Professor

Russian Federation, 36, Lenin Av., Tomsk, 634050; 52, Lenin St., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972

Igor V. Bobkov

JSC “Information Satellite Systems” Academician M. F. Reshetnev Company”

Email: jarinov.slava@yandex.ru

Engineer

Russian Federation, 52, Lenin St., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972

References

Supplementary files