Спутниковые системы наблюдения и связи Тема 8. Многоспутниковые

связи. Лазерные космические системы связи
дтн, снс Клюшников В.Ю.
(ЦНИИ

машиностроения)

Кафедра 611Б «Системный анализ и проектирование космических систем»

геостационарной орбите
1
В чем бизнес-идея больших спутниковых группировок на низкой орбите? 
1)

Количество точек стояния спутников на геостационарной орбите (ГСО) ограничено (чтобы спутники не мешали друг другу, они не могут стоять ближе, чем на расстоянии 2).
2) Основной недостаток спутниковой связи с использованием ГСО – спутниковая задержка: сигнал от абонентского терминала до спутника идет не меньше 300 миллисекунд и столько же обратно.
3) Большое расстояние от Земли до ГСО сильно ослабляет сигнал и скорость в спутниковом канале: чем ближе спутник к поверхности планеты, тем меньший размер антенны и мощность передатчика можно использовать в абонентском терминале (или при тех же размерах терминала значительно увеличить скорость передачи данных).
4) Сигнал с геостационарных спутников не виден на полюсах Земли. Практически связь выше полярного круга при работе с ГСО неэффективна.
5) При стремительном развитии интернета и интернета вещей ресурса спутников на ГСО не хватит для всех потенциальных абонентов, и необходимо увеличить предложение емкости.

High Throughput Satellite (HTS) - высокопроизводительный спутник, спутник, производительность которого во много раз превышает производительность традиционных спутников, при одинаковом объеме выделенных спутнику частот. Производительность HTS-спутников достигается за счет:
- повторного использования частот (frequency reuse);
- использования большого набора высокоэнергетичных узконаправленных лучей;
- снижения стоимости передачи бита информации, независимо от спектральной емкости.

TELEDESIC (США)

Удалось привлечь 18 компаний по всему миру,

вложивших суммарно около 4 млрд долл. В феврале 1998 года на ракете-носителе Pegasus-XL был запущен прототип спутника системы Teledesic - Teledesic T1. Однако 01.10.2002 г. работы по созданию спутниковой системы Teledesic были официально приостановлены. Причины неудачи проекта системы Teledesic:
- активная экспансия сетей сотовой связи, которая оказалась дешевле, компактнее и доступнее спутниковой;
- отложенный запуск сервиса, не достаточное внимание дилеров к продвижению будущего продукта;
- банкротство аналогичных фирм Iridium (66 спутников) и Globalstar (48 спутников);
- проблемы с дешевым развертыванием спутниковой системы (провал варианта с выведением КА Teledesic на российских конверсионных РН SS-18 по цене 7 млн. долл. за пуск, стоимость спутника – 10 млн. долл.);
- ошибки управления (отсутствие единого мнения внутри управленческого аппарата, финансовая инерция и неспособность принять волевое решение об отмене проекта и др.).

2

В рамках системы Teledesic вся земная поверхность условно делится на фиксированные участки (~20 000) размером 160х160 км, каждый из которых в свою очередь состоит из 9 сот. Один спутник может одновременно обслуживать до 64 больших участков (то есть 576 малых) с поддержкой до 128 тыс. базовых каналов на одну соту. Реальное число обслуживаемых участков зависит от положения спутника на орбите. Фактически, он работает с наземными терминалами, попадающими в зону его передающего луча. Каждый спутник сможет обмениваться данными по каналам межспутниковой связи ISL (Intersatellite Links, ISL) с 8-ю ближайшими соседями.

в эксплуатацию 1 ноября 1998 года. Группировка КА состояла из

66 основных и 6 резервных спутников. Однако через 9 месяцев, - 13 августа 1999 года, - компания Iridium Communications начала процедуру банкротства.
Сервис был снова запущен в 2001 году вновь созданной компанией Iridium Satellite LLC, принадлежавшей группе частных инвесторов. Несмотря на оценку спутников, оборудования и собственности Iridium в 6 млрд. долл. инвесторы приобрели компанию за 25 млн. долл.

Сигнал, поступивший с телефонной трубки на ближайший спутник, передается на наземную базовую станцию, которая проверяет право использования услуг системы и вновь направляет сигнал на ближайший спутник Iridium.
Сигнал, полученный от наземной базовой станции, по каналам межспутниковой связи передается абоненту, который может находиться в любом месте Земли.

Сегмент управления системой включает три основных элемента: четыре узла телеметрии, слежения и управления (TTAC), расположенными в Аризоне и на Аляске (США), в Йеллонайфе и Иквалуите (Канада), сеть эксплуатационной поддержки и оперативный центр спутниковой сети (SNOC), расположенный в Вирджинии (США), со шлюзами в Аризоне и на Гавайях.

3

использование пропускной способности.
Передача голосовых данных повышенного качества.
Услуги спутникового

вещания и сетевого сервиса.
Услуги диапазонов Ka-band.
Частные сетевые станции сопряжения.
Новое поколение спутников полностью совместимо со спутниками первого поколения.

Аппараты Iridium NEXT также будут нести дополнительную полезную нагрузку для Aireon, Inc., которая получает данные системы ADS-B (англ. Automatic Dependent Surveillance-Broadcast – автоматическое зависимое наблюдение-вещание, используемое летчиками и авиадиспетчерами для управления воздушным движением) и сервиса FlightAware – для использования авиакомпаниями.

Iridium NEXT сохранит существующую «ячеистую» архитектуру орбитальной группы из 66 взаимосвязанных низкоорбитальных спутников, обеспечивая высокое качество передачи голоса и данных на всей поверхности планеты с покрытием океанов, линий воздушного сообщения и полярных широт.
В космосе каждый спутник Iridium NEXT взаимосвязан с 4-мя другими (с 2-мя в той же орбитальной плоскости и 2-мя в соседних плоскостях), образуя при этом единую динамическую ретрансляторную сеть с маршрутизацией трафика между спутниками, которая обеспечивает непрерывность соединения с сетью в любой точке Земли.
Эта уникальная конфигурация без промежуточного приземления сигнала на наземные станции защищает соединения, делая их не подверженными таким стихийным бедствиям как ураганы, цунами и землетрясения, от которых всегда в первую очередь страдает наземная инфраструктура.

1 – аппаратура AireonSM (глобальное слежение за воздушными судами)
2 – панель солнечной батареи
3 – антенна межспутниковой связи (Ka-даипазон)
4 – антенна основной нагрузки (L-диапазон)
5 антенны фидерного тракта (Ka-диапазон)

4

в 1991 году как совместное предприятие корпораций Loral и Qualcomm.

24 марта 1994 года два спонсора объявили о формировании ТОО Globalstar с финансовым участием восьми других компаний, в том числе Alcatel, AirTouch, Deutsche Aerospace, Hyundai и Vodafone. В 2000 г. началась коммерческая эксплуатация 48 спутников и 4 резервных в Северной Америке, Европе и Бразилии. В феврале 2002 г. компании-операторы подали добровольные ходатайства в о банкротстве. После реструктуризации в 2004 г. была образована фирма Globalstar, Inc. В 2007 Globalstar запустила восемь дополнительных запасных спутников первого поколения в космос.

К 2007 г. выявилась проблема деградация усилителя S-диапазона вследствие прохождения спутников через Бразильскую магнитную аномалию на высоте орбиты 1414 км

Наземный сегмент   включает центр управления наземной сетью (GOCC) , центр управления орбитальным сегментом (SOCC) , сеть национальных и региональных станций сопряжения. Станции сопряжения являются важнейшей составной частью системы спутниковой связи Globalstar . С помощью них предоставляются надежные телекоммуникационные услуги связи для абонентов по всей зоне обслуживания.
Станции сопряжения осуществляют соединение абонентов  через спутники со стационарными и сотовыми сетями телефонной связи. Т.е. они являются пунктами соединения между спутниковой системой связи Globalstar и существующими наземными сетями. Станции сопряжения содержат центры коммутации с базами данных , обеспечивают регистрацию и доступ абонентов к сети.

5

(среднеорбитальная) HTS-система
O3b – космическая группировка коммуникационных спутников компании “O3b Networks”,

для обеспечения высокоскоростного недорогого доступа в интернет и услуг мобильной связи. Спутники разрабатывались на заказ компанией “Thales Alenia Space”.
В апреле 2016 года O3b Networks продала контрольный пакет акций спутниковому оператору SES (Société Européenne des Satellites, Люксембург).
Главное достоинство O3b – малая задержка сигнала по сравнению с геостационарными спутниками (по оценкам экспертов SES до 20% международного рынка передачи данных для систем правительственной, мобильной и корпоративной связи сильно зависит от степени задержки сигнала).

SES планирует нарастить группировку до глобальной системы O3b mPOWER следующего поколения. В сентябре 2017-го компания заключила контракт с американской корпорацией Boeing на строительство первых 7 сверхмощных спутников этой системы. После запуска в 2021-ом они  должны покрыть 80 % поверхности Земли. Аппараты обеспечат около 10 террабит общей пропускной способности.
В гарантированную зону радиовидимости (ГЗРВ) группировки (угол места 20 град) входят 7 станций сопряжения

Сравнение орбиты O3b с орбитой ГСО
•в 4.8 раза ближе к Земле по сравнению с ГСО (высота орбиты 8,062 км)
• более низкая стоимость запуска, несколько спутников на один запуск
•на 13 дБ ниже потери распространения по сравнению с ГСО
• улучшение бюджета радиолинии
•в 20 раз ниже требования к мощности по сравнению с ГСО, основываясь на снижении потерь распространения
• меньшие по размеру спутники, меньше вес солнечных панелей, батарей и т.д.
•Задержка менее 150 мс (туда-обратно)
• становятся возможными большее количество услуг и применений
•Использует следящие земные станции
• Предназначены для определенных типов фиксированных и всех подвижных применений
• Антенны с электронным перенацеливаемым лучем находятся в разработке

6

глобальном масштабе
2.Циркулярная передача сообщений группам пользователей
3.Передача данных ГЛОНАСС/GPS местоположения объектов
4.Передача

телеметрической информации с контролируемых объектов в центры мониторинга

7

Communications Commission.

ранее- WorldVu)

28 февраля 2017 был опубликован сенсационный пресс

релиз о предполагаемом слиянии OneWEB и Intelsat – второго спутникового оператора в мире. Слияние пока блокируется советом акционеров Intelsat.
Дата первого запуска тестового ИСЗ: начало 2019 года с десятью тестовыми ИСЗ, собранными на заводе Airbas в Тулузе, на борту ракеты "Союз", стартующей с космодрома Куру.

9

Дата первого запуска: 2 тестовых ИСЗ (Early Bird) –

2019 год, развертывание сети с 2021 по 2022 год. По последним данным, по финансовым соображениям запуск тестовых ИСЗ отменен и заменен наземными испытаниями.

10

LeoSat имеет самую вменяемую бизнес-модель, ориентируется на транснациональные компании (видимо, в первую очередь нефтегазовые) и предлагает им создать корпоративную сеть в космосе, полностью независимую от местных операторов и, в силу минимума гейтвеев и отсутствия точек входа в публичный интернет, максимально кибербезопасную. Для этого LeoSat пошел на очень мощные каналы межспутниковой связи, что сильно усложняет конструкцию ИСЗ. Система сможет обслуживать полярные области – Арктику и Антарктику.

(Канада)
Тестовый ИСЗ LEO Vantage 1 (SSTL), массой 168 кг,

запущенный 12.01.2018 индийской РН PSLV-XL на орбиту 494 км × 506 км, 97.56°.

11

Инженерные решения, используемые в Telesat LEO на данный момент являются самыми технологически продвинутыми и эффективными: независимый анализ, проведенный учеными MIT (Massachusetts Institute of Technology) показали, что Telesat LEO будет располагать в 4 раза большей пропускной способностью чем система StarLink (Space Х) и в 10 раз больше чем OneWEB.
В ноябре 2018 года Telesat выиграл грант в размере 117 млн. долл. от DARPA по созданию разведывательной группировки на основе существующих модулей/платформ связных низкоорбитальных гражданских ИСЗ (до 90 единиц) путем оснащения их дополнительной целевой нагрузкой. За счет серийности производства гражданских ИСЗ ожидается значительное снижение стоимости разведывательной группировки. Программа получила название BlackJack.

Первые два тестовых спутника – Microsat-2a и Microsat-2b – были

успешно запущены 22.02.2018 г. ракетой носителем F9 как попутная нагрузка. Впоследствии они были переименованы в TinTin A и TinTin В

12

Цель проекта Starlink —создание дешёвого и высокопроизводительного спутникового интернет-канала связи и технических передатчиков для приёма и передачи сигнала с Земли и орбиты.
Разработка проекта началась в 2015 году. В прошлом году были успешно запущены тестовые прототипы спутников. К 2017 году SpaceX представила нормативные документы для запуска в общей сложности почти 12000 спутников на орбиту Земли к середине 2020-х гг. Первичное использование спутников намечено в период 2019-2020 гг.
SpaceX также планирует продавать спутники системы Starlink для исследовательских и научных целей.

(США)
13
Каждый спутник системы будет формировать лучи, соответствующие диаметрам сот

от 8 до 11 км на поверхности Земли в пределах общей площади покрытия КА. Системные шлюзы NGSO будут работать в том же V-диапазоне, что и земные терминалы. Эти шлюзы будут использовать как частотную, так и  поляризационную селекцию сигналов (с режимами LHCP и RHCP). Кроме того, антенные сайты шлюзов доступа могут содержать более одной антенны, тем самым обеспечивая одновременный доступ к множеству спутников NGSO, видимых со шлюза.

Спутниковый сегмент 5G компании Boeing

в системе определяет уровень начальных инвестиций, - не менее 3

млрд. долл. Но скорее всего инвестиции в создание орбитальной группировки и наземное оборудование должны будут превышены в несколько раз (именно так и произошло при создании более простых систем Iridium (77 спутников) и Globalstar (52 спутника); конечные инвестиции в эти системы превзошли плановые в 6-7 раз).

2. Себестоимость антенной системы абонентского терминала (результаты анализа):
- для системы OneWeb - 7700 долл. (ФАР передающая 18х18см, АФАР приемная 36х36 см);
- для системы SpaceX - 750 долл. (ФАР передающая 13х13 см, АФАР приемная 22х22 см).
Заявленная стоимость абонентского терминала 100–300 долл. недостижима в обозримой перспективе. Компания Kymeta разрабатывает антенны типа ФАР с электронным управлением лучом, цена которой для приемо-передающего режима не менее 2 тыс. долл. (1 тыс. долл. за антенну).

систем передачи данных
Рабочие высоты низкоорбитальных спутниковых систем связи лежат в

диапазоне от 700 км до примерно 1600 км. Нижнее значение ограничено торможением в остаточной атмосфере, верхнее – радиационными поясами.

Внутренний (протонный) радиационный пояс - в области орбит высотой от 2 до 6,5 тыс. Внешний (электронный) пояс - в области высот примерно от 13 до 42 тыс. км. На высотах от 19 до 22 тыс. км формируется третий пояс.

Оценка засоренности низких орбит

Из распределения высот перигея видно, что число КО наиболее интенсивно увеличивалось в диапазоне высот 600-900 км. В высотном слое от 700 до 900 км число каталогизированных КО выросло за 6 лет в 2,5 раза.

Пути решения проблемы

Закончившие активное функционирование низкоорбитальные объекты должны быть уведены на орбиту с расчетной продолжительностью пассивного баллистического существования не более 25 лет (Рекомендации МККМ), ГОСТ ГОСТ Р 52925-2018).

Аэродинамическое устройство увода КА с рабочей орбиты по технологии Gossamer Orbit Lowering Device (США):
а – уводимый с орбиты космический аппарат; б - надувной баллон.

связи на геостационарной и высокоэллиптических орбитах (по В.Р.Анпилогову)
16
Низкоорбитальные спутники связи

и передачи данных создадут помехи для земных станций (выше норм, определенных в регламенте радиосвязи). Особо значима эта проблема в диапазоне частот Ku (12,5-18 ГГц).

Проблема ЭМС для систем на ГСО

Проблема ЭМС для систем на ВЭО

Способ решения проблемы
Ккомпания OneWeb предложила решить эту задачу путем подворота спутников по тангажу в период их пролета в экваториальной зоне. До момента подлета спутника к экваториальной зоне КА переориентируется по тангажу примерно на 10 град. с целью обеспечения необходимого угла α. После пролета экватора спутники подворачиваются по тангажу в противоположную сторону. В момент пересечения плоскости экватора все лучи спутника выключаются. Однако операторы геостационарных систем не согласились с этим решением компании OneWeb.

Результат оценки уровня помехи в Ku-диапазоне, создаваемой спутником OneWeb, для земных станций приема информации со спутника на орбите типа «Тундра»

Помеха даже от одного спутника OneWeb на 12,6 дБ превышает уровень принимаемого сигнала: I/C = +12,6 дБ. В таких условиях прием информации со спутника ВЭО невозможен.
Для обеспечения приема следует снизить помеху примерно на 22 дБ: I/C < - 10 дБ. Это достигается, если угол между осевым излучением луча OneWeb и направлением на приемную станцию (антенна 0,4 м) спутника ВЭО будут более 6 град., т.е.θi > 6 град. Однако из-за большого числа спутников выполнить это условие в любой момент времени невозможно.
Проблема ЭМС между собственными спутниками на НОО не имеет приемлемого решения также в арктических широтах.

стандарт 5G
Ключевые технологии для реализации сетей сотовой связи 5G:
Технология 5G

предполагает использование крайне высокочастотного, сложно модулированного сигнала частотой до 90 ГГц, цифровые антенные фазированные решетки и более плотную сеть базовых станций (с частотой 200-300 метров). Реализация сетей 5G означает постоянное воздействие КВЧ-излучений на человека.

17

1. Технология Massive MIMO (Massive Multiple-Input-Multiple-Output) – метод пространственного кодирования сигнала, позволяющий увеличить полосу пропускания канала и скорость передачи трафика. Для передачи данных используются две и более цифровые антенные решетки и такое же количество антенных решеток для приёма. Передающие и приёмные антенны разнесены настолько, чтобы достичь минимального взаимного влияния друг на друга между соседними антеннами.


2. Технология beamforming - автоматическое формирование луча диаграммы направленности в сторону абонента.

3. Технология N-OFDM - вид частотного мультиплексирования (Non-Orthogonal Frequency Division Multiplexing - неортогональное мультиплексирование с разделением частот). Отсутствие жесткой привязки частот поднесущих к максимумам АЧХ синтезированных с помощью БПФ частотных фильтров создает предпосылки для повышения помехозащищенности радиолиний передачи данных.

В 2011 году Международное агентство по изучению рака, входящее во Всемирную организацию здравоохранения, классифицировало радиочастотное излучение как потенциальный канцероген.
Международное общество «Врачи за охрану окружающей среды» и его отделения в 27 странах призывают остановить развитие сетей 5G с их радиочастотным излучением. Медики называют 5-е поколение сотовых технологий грандиозным экспериментом над здоровьем человека.

Механизм воздействия миллиметровых волн на живые объекты затрагивает фундаментальные аспекты их гомеостаза. Резонансная зависимость выявленных эффектов указывает на специфическую особенность взаимодействия живых систем с излучением миллиметрового диапазона и глубинную природу данного явления. Однако до настоящего времени не сформирована общепринятая научная точка зрения на физическую природу механизма взаимодействия КВЧ-излучения с биологическими объектами.

управления:

1. Автономно решаемые задачи:
- непрерывный телеметрический и обобщенный тестовый контроль

БКУ и функционирования бортовых систем;
- непрерывный контроль решения навигационных задач на борту по информации контрольных станций и функционирования навигационно-временного комплекса;
- метрологическое обеспечение согласования единиц измерения в системе;
- вычисление положения земной системы координат и относительной спутниковой;
- моделирование функционирования бортовых систем, подготовка программных решений целевых задач.

2. Неавтономно решаемые задачи:
- поиск неисправностей и восстановление бортовых комплексов;
- целевое программирование бортовых систем;
- совмещение решения целевых задач и задач управления;
- закладка новых программ и новых алгоритмов управления.

Командно-программное управление КА – это реализация запланированных операций КА наземным комплексом управления с использованием командной радиолинии и бортового комплекса управления КА. Под операциями в данном случае нужно понимать совокупность управляющих воздействий на КА, «объединённых единым замыслом и направленных на достижение заданной цели».

Управление полетом КА

Обобщенная схема радиотехнической приемо-передающей системы

КИП - командно-измерительный пункт
ССПД - система связи и передачи данных
ЦПН - центр планирования наблюдений
НС - наземная станция
КИС - командно-измерительная система

КА которых связаны межспутниковыми радиолиниями, позволит управлять всей орбитальной группировкой

в режиме квазиреального времени. Таким образом, орбитальная группировка будет представлять собой цифровую сеть передачи данных, каждый КА которой будет выступать в роли спутника-ретранслятора для передачи информации управления на любые КА, а также в роли объекта управления.

19

Проблема управления крупномасштабными группировками космических аппаратов (>100) не решена !

Перспективная наземная инфраструктура управления многоспутниковой орбитальной группировкой на основе использования интернет-портала с защищенными каналами удаленного доступа (предложения АО «РТИ»)

Наземный комплекс управления:
•Единая сеть спутниковых станций
•Информационная инфраструктура обеспечения коллективного доступа к управлению и целевой информации
Баллистический центр – задачи:
• Одновременное обслуживание большого числа спутников
• Унифицированный управляемый доступ к спутникам большого количества пользователей
• Баллистическая координация спутников
• Прогнозирование опасных сближений

Управление полетом космических аппаратов одной орбитальной группировки с применением межспутниковых радиолиний (предложения АО «РКС»)

Орбитальный сегмент схемы организации связи с КА через 4 геостационарных спутника-ретранслятора

Сетевая архитектура сети управления полетом орбитальной группировки

Laser Light Communication сообщила о начале работ по созданию полностью

оптической космической системы связи, включающей в себя от 8 до 12 КА, расположенных на экваториальной орбите высотой 10000км. Скорость передачи информации в системе - 200Гбит/с, как между КА, так и между КА и наземными пунктами. Вывод первых КА должен состояться в 2019-2021 гг.

Характеристики наземного сегмента:
- число шлюзовых станций: 48 - 96;
- интеграция спутниковой и наземной лазерной сети;
- доступность канала - от 20% до 99% в зависимости от местности и числа станций сопряжения.
Недостаток - влияние облаков и турбулентности атмосферы.

Структура ОГ системы Laser Light

Мгновенная зона видимости системы (угол места=20 град)

цифровизации всех сторон повседневной жизни информационно-коммуникационные ресурсы и технико-экономические характеристики

существующих геостационарных спутниковых систем связи перестают удовлетворять требованиям потенциальных абонентов. Конкуренцию существующим спутниковым системам связи все больше составляют наземные и воздушные системы связи и передачи данных, в частности, основанные на стратосферных псевдоспутниках и аэростатических платформах. Необходимо увеличение скорости передачи данных, существенное снижение задержки приема-передачи сигнала от абонентского терминала до спутника и обратно на Землю, уменьшение размеров антенн и снижение мощности и габаритов передатчиков, глобальный охват трафиком, включая полярные области и малонаселенные регионы.
2. Предоставить всем абонентам, независимо от места и времени, сверхскоростные каналы широкополосного абонентского доступа, конкурентоспособные с наземными сетями, позволяет новый класс спутниковых группировок передачи данных, состоящих из сотен космических аппаратов на низкой орбите (высотой от 500 до 1600 км). Такие низкоорбитальные системы связи отличаются малой задержкой сигнала (на орбите ~ 1000 км, задержка равна 15..20 мс) и глобальностью трафика. В настоящее время создается около 20 таких систем.
3. К проблемам создания низкоорбитальных систем космических аппаратов широкополосной связи, не имеющих в настоящее время эффективных решений относятся:
- высокий уровень начальных инвестиций и высокая себестоимость абонентских терминалов, большие расходы на поддержание и обновление спутниковых группировок;
- рост загрязненности низких орбит фрагментами «космического мусора» и вероятности наступления каскадного эффекта (многие учёные считают, что в областях низких орбит для некоторых классов космического мусора каскадный эффект уже начался);
- отсутствие адекватных решений проблем электромагнитной совместимости предлагаемых систем с другими спутниковыми сетями в совместных полосах радиочастот, что особенно актуально для России (в ФКП России рассматривается несколько перспективных проектов с использованием орбит ВЭО, - «Экспресс РВ», «Полярная Звезда», в том числе при реализации проектов для Арктики);
- проблема эффективного управления большими орбитальными группировками космических аппаратов;
- проблема электромагнитной безопасности низкоорбитальных группировок космических аппаратов передачи данных, использующих стандарт 5G.
4. Радикальным решением перечисленных проблем является развитие оптических (лазерных) космических систем передачи данных.

22