Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование и разработка методов построения сверхвысокоскоростных радиолиний передачи информации в канале Космос-Земля

Докладчик: Бахтин Александр Александрович

Должность: Доцент кафедры "Телекоммуникационные системы" Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МИЭТ», заведующий кафедрой

Цель проекта:
Получение значимых научных результатов, обеспечивающих технологию создания сверхвысокоскоростных радиолиний передачи информации в канале Космос-Земля для высокопроизводительных космических аппаратов радиолакации и дистанционного зондирования Земли

Основные планируемые результаты проекта:
1. Принципы построения сверхвысокоскоростной радиолинии передачи информации КА - Земля;
2. Алгоритмы обеспечения сверхвысокоскоростной радиосвязи Космос - Земля;
3. Прототип сверхвысокоскоростной радиолинии передачи информации ;
4. Конструкторская документация (КД) на прототип сверхвысокоскоростной радиолинии передачи информации ;
5. Программное обеспечение цифровой части сверхвысокоскоростной радиолинии передачи информации;
6. Методика тестирования прототипа сверхвысокоскоростной радиолинии передачи информации;
7. Результаты экспериментальных исследований прототипа сверхвысокоскоростной радиолинии передачи информации ;
8. Предложения по разработке радиационно-стойкой отечественной элементной базы для создания компактных сверхвысокоскоростной радиолинии передачи информации;
9. Проект технического задания на ОКР «Разработка приёмопередающей аппаратуры для сверхвысокоскоростной радиолинии КА - Земля».
Решение поставленных задач возможно при использование приборов имитирующих элементы радиолинии высокоскоростной передачи данных предполагается создать на основе современной микроэлектронной элементной базы, а также результатов 1 и 2 этапа ПНИ. Все элементы, входящие в прототип радиолинии передачи информации, должны быть согласованы между собой. Предполагается, что разбиение общего потока на несколько каналов допускается только в ВЧ части информационного тракта. При этом число каналов должно быть минимальным.
Результатом анализа теоретического подхода к созданию сверхвысокоскоростных радиолинии передачи информации будет выработка методических подходов к построению радиолинии Космос-Земля для применения в народном хозяйстве.
Результатом патентного поиска будут документы или сведения по одному или нескольким признакам из патентных документов или информации, при этом осуществляется процесс поиска из перечня документов только тех, которые соответствуют методам построения сверхвысокоскоростных радиолиний Космос-Земля.
Патентный поиск будет осуществляется посредством Интернет поисковых систем и запросов в
специализированные организации. Выполняться поиск будет автоматизировано или вручную с
использованием соответствующего программного обеспечения, а так же с привлечением экспертов.
Для оценки результатов поиска создаются определенные правила-критерии соответствия, основанные на ТЗ и сформулированы в рамках анализа теоретического подхода построения радиолиний космос-земля. Среди основных целей патентного поиска: проверка уникальности метода, поиск изобретателей или компании, получивших патенты на изобретения в области космической связи, поиск актуальной информации в исследуемой области, поиск патентов на изобретения в смежных областях, определение состояния исследований в интересующем технологическом поле, поиск потенциальных лицензиаров.
Патентный поиск является трудоёмким, но необходимым мероприятием.
В рамках ПНИ ожидается получение следующих научно-технических результатов:
- методические подходы по созданию программно-аппаратного комплекса (ПАК) приема и информации для широкого круга пользователей;
- методы, алгоритмы, программы построения сверхвысокоскоростной радиолинии;
- предложения и рекомендации по использованию разработанного научно-технического задела;
- проект технического задания на проведение ОКР.
Предложения по построения линий связи Космос-Земля.
Разработанный перечень базовых технологий построения сверхвысокоскоростных радиолиний космос-Земля в интересах создания аппаратуры приема и передачи.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Работа направлена на совершенствование порядка создания, производства и эксплуатации (применения) космических систем и комплексов, а также уточнению государственных стандартов и разработке технических регламентов в области ракетно-космической техники. Решение одной из основных проблем, оказывающих негативное влияние на реализацию космических программ развития отечественной ракетно-космической техники, - её обеспечение сверхвысокоскоростной радиолинии Космос-Земля. В рамках ПНИ проводится анализ радиационно-стойкой электронной компонентной базы и вырабатываются требования для неё.
Ожидаемые результат ПНИ могут применяться:
• в космическом ракетном комплекс «Ангара-А5», для обеспечения эффективной эксплуатация космодромов Плесецк и Байконур;
• обеспечение устойчивой связи с ракетоносителем в момент старта и до вывода полезной нагрузки на орбиту с космодрома «Восточный»;
• обеспечение необходимый состав орбитальной группировки КА, обновленный космическими аппаратами ДЗЗ с расширенными функциональными возможностями;
• создания научно-технического задела по перспективным образцам для ракетно-космической техники;
• разработаны новые конкурентоспособные производственные технологии, технологии спутниковой связи, дистанционного зондирования Земли, навигационного обеспечения, поиска и спасания терпящих бедствие, мониторинга чрезвычайных ситуаций, слежения и мониторинга подвижных объектов с использованием космической автоматической идентификационной системы и персональных радиобуев;
• модернизации и переоснащена ракетно-космическая промышленность, что обеспечит увеличение объёма производства по сравнению с 2011 годом более чем в 2 раза.
В области фундаментальных космических исследований Результаты ПНИ позволят преодолеть сложившееся отставание от ведущих космических держав в этой области и обеспечить выход российской науки на ведущие позиции в основных направлениях наук о космосе, а в долгосрочной перспективе – стать одним из мировых лидеров в исследованиях Вселенной.
В рамках фундаментальных исследований планируется провести работы по созданию:
• создание трёх космических обсерваторий - «Спектр-УФ», «Спектр-М» («Миллиметрон») и «Гамма-400» для проведения исследований астрофизических объектов в различных диапазонах электромагнитного спектра и гамма-излучения в диапазоне высоких энергий;
• развёртывание программы по углублённому изучению Луны - осуществление миссий орбитального аппарата «Луна-Глоб», посадочных аппаратов «Луна-Ресурс» (этапы 1 и 2), а также миссии по доставке на Землю образцов лунного грунта для детального изучения;
• развитие целого класса новых технологий – технологий межпланетных полётов и напланетной деятельности человека;
• создание перспективной пилотируемой транспортной системы, способной обеспечить полёты человека к Луне.
Результаты ПНИ позволят создать сверхвысокоскоростные радиолинии обеспечивающие передачу сверхбольших объемов информации на Землю в режиме реального времени, что на сегодняшний день не могут обеспечить современные системы связи, отечественные и зарубежные.
Успешное выполнение мероприятий ПНИ будет способствовать развитию и использованию отечественной космической техники в интересах социально-экономической сферы, расширению присутствия России на мировом космическом рынке, решению амбициозных задач исследования и освоения космического пространства, обеспечению гарантированного доступа России в космическое пространство со своей территории, сохранению ведущих позиций в пилотируемых полетах.

Текущие результаты проекта:
На основании анализа нормативной базы в области распространения радиоволн были определены
основные руководящие документы. При разработке высокоскоростной радиолинии Космос-Земля
необходимо придерживаться требований, установленных Регламентом радиосвязи, а также
рекомендаций Международного союза электросвязи МСЭ-R: P.311-14, P.341-5, P.372-11, P.525-2,
P.531-12, P.532-1, P.581-2, P.618-11, P.676-10, P.678-2, P.681-7, P.834-6, P.835-5, P.836-5, P.837-6,
P.838-3, P.839-4, P.840-6, P.1239-3, P.1815-1, также рекомендаций CCSDS, например, RADIO
FREQUENCY AND MODULATION SYSTEMS— PART 1. EARTH STATIONS AND SPACECRAFT.
RECOMMENDED STANDARD CCSDS 401.0-B BLUE BOOK October 2014 и др.
В космических системах дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) изображения поверхности
Земли, получаемые на низкоорбитальных космических аппаратов (КА), накапливаются в
бортовом запоминающем устройстве и при пролете наземного пункта передаются на Землю по
высокоскоростной радиолинии Космос - Земля. Время видимости наземного пункта приема
информации с КА не превышает 10 – 12 минут, и объем передаваемой информации
ограничивается скоростью передачи информации радиолинии Космос - Земля. В настоящее время
скорость передачи информации по радиолиниям Х-диапазона частот равна 300 Мбит/с.
Повышение разрешающей способности аппаратуры КА ДЗЗ и желание увеличить полосу обзора
Земли требуют значительного увеличения скоростей передачи информации по радиолинии.
Ставится задача увеличения скорости передачи информации по радиолинии Х-диапазона частот
до 1 Гбит/с, а при переходе к Ка-диапазону частот обеспечивать скорости передачи информации 1
Гбит/с, 2 Гбит/с и 3 Гбит/с, т.е. ставится задача увеличения скоростей передачи информации по
радиолиниям «Космос-Земля» на порядок. Это – непростая задача и требует проведения ряда НИР
и ОКР.
В Х-диапазоне частот для спутниковой службы исследования Земли в России предлагается
использование полосы частот от 8,025 ГГц до 8,4 ГГц с шириной полосы частот Δf = 375 МГц. В
Ка-диапазоне частот выделяется полоса частот от 25,5 ГГц до 27 ГГц, с шириной полосы частот 1,5
ГГц, что точно в четыре раза больше ширины полосы частот Х-диапазона частот, что предполагает
в Ка-диапазоне частот возможность увеличить скорость передачи информации в четыре раза по
отношению к Х-диапазону частот.
В качестве первой грубой оценки показаны достижимые скорости передачи по радиолинии при
использовании методов модуляции с пик-фактором сигнала близким к единице (ФМ-2, ФМ-4 и
ФМ-8): от 300 до 900 Мбит/c в Х-диапазоне частот и от 1,2 до 3,6 Гбит/c в Ка-диапазоне частот (от
1 до 3 Гбит/c для скорости помехоустойчивого кода 7/8).
Спектр излучаемого радиосигнала должен обеспечивать минимальную ЭИИМ вне выделенной
полосы частот Δf данной спутниковой службы. Рассматривается возможность применения
многочастотного сигнала с ортогональным частотным уплотнением каналов, при котором
информация передается по большому числу параллельных частотных каналов. При этом
обеспечивается результирующая скорость передачи информации на 25% выше по сравнению с
одночастотным сигналом. Недостатком с ортогональным частотным уплотнением каналов
является значительный пик-фактор сигнала, что потребует решения для борьбы с ним. Рассчитаны
характеристики методов модуляции и максимально достижимые скорости передачи информации
за счет сигнально-кодовых конструкций: для ФМ-2, ФМ-4, ФМ-8 от 375 до 1125 Мбит/c в Х-
диапазоне частот (скорость передачи в полосе 375 МГц) и от 1,5 до 4,5 Гбит/c в Ка-диапазоне
частот (скорость передачи в полосе 1,5 ГГц); для КАМ-16, КАМ-32, КАМ-64: от 1500 до 2250
Мбит/c в Х-диапазоне частот и от 6 до 9 Гбит/c в Ка-диапазоне частот.
Еще одним способом увеличения объема передаваемой информации в условиях радиолинии
Космос – Земля может быть использование модемов с изменяющейся скоростью передачи
информации. При движении КА от края зоны видимости к ее центру дальность связи от
максимальной величины r = 2330 км может измениться до величины r = 600 км в надире, что
приводит к увеличению энергетического потенциала до 12 дБ и более за счет уменьшения потерь
сигнала при его распространении уменьшения шумовой температуры приемной системы, что
может быть использовано для повышения скорости передачи информации путем перехода к
созвездиям сигнальных точек с большим числом. Например, пусть на краю зоны видимости КА
используется ФМ-4 с R=2R0 и h2=10,3 дБ. Тогда в надире может использоваться КАМ-64 со
скоростью 6R0 (требует увеличения энергетики радиолинии на 8,7 дБ). При этом средняя скорость
передачи информации будет равна 4R0, что в 2 раза больше, чем скорость передачи информации
на краю зоны видимости КА.
Расчеты характеристик космической и наземной станций радиолиний X-диапазона частот
показывают, что на одной поляризации достижимы скорости передачи информации вплоть до 1
Гбит/c. Более высокие скорости передачи информации вплоть до 3 Гбит/c реализуются только при
использовании двух ортогональных поляризаций сигнала. Возможно дальнейшее некоторое
повышение скорости передачи информации за счет адаптивных модемов, в которых при
уменьшении дальности связи при полете КА, адаптивно увеличивается скорость передачи
информации.
Аналогичные расчеты для Ка-диапазона частот показывают, что при дожде энергопотенциал
радиолинии Ka-диапазона частот будет превышать энергопотенциал радиолинии X-диапазона
частот при одинаковых скоростях передачи информации на 6,7дБ, что достаточно для увеличения
пропускной способности радиолиний Ka-диапазона частот в 4 раза (6 дБ) по сравнению с
радиолиниями X-диапазона частот. Таким образом, оставляя апертуры антенн наземной станции
такими же, можно все скорости передачи информации увеличить в 4 раза при условии
реализуемости двухполяризационной работы радиолиний.
Возможности X-диапазона частот далеко не исчерпаны и при использовании
двухполяризационной передачи сигналов возможно создание радиолиний по скоростям передачи
информации вплоть до 3Гбит/с.
В Ka-диапазоне частот существуют объективные возможности дальнейшего увеличения скоростей
передачи информации по относительно малых апертурах антенн наземных станций. Следует
заключить, что Ka-диапазон частот является по своим принципиальным возможностям более
перспективным диапазоном частот по сравнению с X-диапазоном частот.