Регистрация / Вход
Прислать материал

Технологии создания высокоскоростных помехозащищенных спутниковых систем связи, основанных на использовании методов пространственной селекции и увеличения спектральной эффективности сигналов

Номер контракта: 14.577.21.0155

Руководитель: Карцан Игорь Николаевич

Должность руководителя: начальник студенческого центра управления полетами

Докладчик: Дмитриев Дмитрий Дмитриевич, Ответственный исполнитель

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева"
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
спутниковые системы связи, гибридно-зеркальные антенны, контурная зона обслуживания, пространственная фильтрация помех, канал связи, высокоскоростные спутниковые сети, алгоритмы синхронизации с использованием кода, адаптивная модуляция, адаптивное кодирование, ортогональный многостанционный доступ с частотным разделением каналов, цифровая обработка сигналов

Цель проекта:
Проект направлен на решение актуальной народнохозяйственной проблемы повышения помехоустойчивости и скорости информационных потоков спутниковых систем связи, из которой вытекают научные задачи, подлежащие решению в ходе выполняемых работ: - исследование и разработка эффективных методов и средств пространственной селекции в спутниковых системах связи, оснащенных многолучевыми антеннами на основе гибридно-зеркальных антенн (ГЗА); - расширение пропускной способности спутниковых систем связи (ССС) за счет увеличения спектральной эффективности применяемых сигналов. Цель выполнения ПНИЭР – разработка и расчетно-экспериментальные исследования методов пространственной селекции в многолучевых гибридно-зеркальных антенных системах, пространственного разделения и повышения спектральной эффективности сигналов для повышения помехоустойчивости, доступности отечественных систем спутниковой связи.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения ПНИЭР планируется получение следующих основных научно-технических результатов:
а) методы повышения помехоустойчивости и доступности отечественных систем спутниковой связи, основанные на применении многолучевых гибридно-зеркальных антенных систем, в том числе:
- метод синтеза амплитудно-фазового распределения гибридно-зеркальной антенны, обеспечивающего формирование контурной зоны обслуживания и провалов диаграммы направленности в направлении не менее чем на три источника помехового сигнала;
- метод определения направления на источник помехи без использования дополнительных антенн;
- метод передачи данных с уплотнением частотного диапазона на основе перспективных методов модуляции сигналов.
б) компьютерные модели функциональной адаптации многолучевых гибридно-зеркальных антенных систем в условиях помеховой обстановки, в том числе:
- компьютерная модель системы адаптивного формирования амплитудно-фазового распределения многолучевой гибридно-зеркальной антенны, обеспечивающей реализацию разработанных методов формирования контурной зоны обслуживания и провалов диаграммы направленности в направлении не менее чем на три источника помехового сигнала;
- компьютерная модель системы определения направления на источник помехи и пространственного подавления помех.
в) макет адаптивной многолучевой гибридно-зеркальной антенны.
Методы повышения помехоустойчивости и доступности отечественных систем спутниковой связи, основанные на применении многолучевых гибридно-зеркальных антенных систем, а также разработанные на их основе компьютерные модели должны обеспечивать:
- формирования провалов в диаграмме направленности до минус 45–50 дБ при снижении уровня полезного сигнала не более чем на 1 дБ при угловом разносе сигнала и помехи не менее чем на 15% от ширины главного лепестка диаграммы направленности;
- уменьшение времени адаптации к помеховой обстановке на 25% относительно классических алгоритмов адаптации с учетом быстродействия современных фазовращателей;
- подавление помех в направлении боковых лепестков диаграммы направленности за счет дополнительного синтеза диаграммы направленности антенны для центральных лучей без усложнения алгоритма расчета и без применения дополнительных антенн;
- существенное (на 15-20 Мбит/с) увеличение скорости доступа абонента к услугам сети.
Компьютерная модель системы адаптивного формирования амплитудно-фазового распределения многолучевой гибридно-зеркальной антенны предназначена для имитации формирования контурной зоны обслуживания и провалов диаграммы направленности в направлении не менее чем на три источника помехового сигнала;
Компьютерная модель системы определения направления на источник помехи и пространственного подавления помех предназначена для имитации работы не менее трех источников помех, определения направление на них и подавления принятых помеховых сигналов пространственными методами.
Макет многолучевой гибридно-зеркальной антенны предназначен для отработки технических решений по повышению помехоустойчивости и доступности отечественных систем спутниковой связи.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
С использованием результатов, полученных при выполнении проекта, планируется создание перспективных систем спутниковой связи, обладающих улучшенными показателями пропускной способности, помехоустойчивсоти и доступности. Создание указанных систем на базе гибридно-зеркальных антенн, использующих разработанные в ходе ПНИЭР методы, позволит существенно улучшить потребительские свойства ССС: возможность предоставлять потребителям каналы связи из любой точки мира в очень короткое время, в том числе и в условиях сложной электромагнитной обстановки. Подобная система спутниковой связи позволит обеспечить покрытие требуемой зоны обслуживания набором узких лучей, что позволяет создать диаграмму направленности, четко совпадающая с зоной обслуживания системы, а также гибко перераспределяется мощность в пределах данной зоны обслуживания. Кроме того, использование многолучевой ДН позволяет многократно использовать частотный ресурс за счет пространственной развязки между лучами. Совместное использование пространственного разделения частотного ресурса и методов повышения спектральной эффективности спутниковых систем связи позволит создавать высокоскоростные,
помехоустойчивые и менее дорогостоящие системы за счет экономии частотного ресурса.
Научная значимость работы заключается в развитии методов пространственной фильтрации для их применения в адаптивных многолучевых гибридно-зеркальных антеннах в спутниковых системах связи.
Практическая значимость состоит в том, что применение разработанных методов позволяет создавать помехоустойчивые спутниковые системы связи с возможностью гибкого управления трафиком за счет перераспределения лучей ДН в пределах ЗО.
Реализация проекта направлена на решение задачи обеспечения доступа государственного и частного секторов экономики, органов государственного управления и населения к широкому спектру широкополосных информационных и мультимедийных услуг, предоставляемых спутниковыми системами связи, в том числе в труднодоступных районах и в условиях сложной электромагнитной обстановки
В ходе выполнения ПНИЭР будет решена актуальная научная задача – разработка методов адаптации к помеховой обстановке МЛА на основе ГЗА. Указанные методы являются дальнейшим развитием методов пространственной фильтрации для их применения в адаптивных многолучевых ГЗА в спутниковых системах связи. Планируемые результаты ПНИЭР позволят создать отечественную систему спутниковой связи, которая по своим характеристикам пропускной способности и доступности вплотную приблизится к ведущим зарубежным системам спутниковой связи, таким как Thuraya, INMARSAT, а по степени помехоустойчивости и возможностям адаптации и превзойдет их.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты выполнения ПНИЭР могут быть использованы при разработке перспективной единой системы спутниковой связи (ССС) третьего поколения (ЕССС-3). Разрабатываемые методы повышения помехоустойчивости и доступности отечественных ССС, основанные на применении многолучевых гибридно-зеркальных антенных систем, предназначены для использования при создании широкополосных помехоустойчивых ССС.
Предполагаемое внедрение (промышленное освоение) полученных результатов ПНИЭР – промышленное освоение в АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева» производства адаптивных многолучевых гибридно-зеркальных антенн для разработки перспективных отечественных КА связи на их основе. Уменьшение количества элементов ФАР в ГЗА приведет к существенному уменьшению стоимости антенной системы КА (в 4 раза) и ее массы (в 2 раза).
Результаты проекта могут быть востребованы АО «Научно-производственное предприятие «Радиосвязь», АО «Информационные спутниковые системы им. акад. М.Ф. Решетнева», другими научными и производственными организациями, и использованы для проведения ОКР, направленных на создание нового поколения отечественных ССС, обеспечивающих предоставление потребителям каналов связи из любой точки мира в условиях сложной электромагнитной обстановки. Реализация результатов проекта окажет существенное влияние на повышение потребительских свойств и конкурентоспособности отечественных спутниковых систем связи.
Разработанные в ходе ПНИЭР методы повышения помехоустойчивости и доступности отечественных ССС, основанные на применении многолучевых гибридно-зеркальных антенных систем позволят обеспечить:
- уменьшение времени адаптации к помеховой обстановке на 25% относительно классических алгоритмов адаптации;
- высокую помехоустойчивость ССС за счет подавления помех на 45–50 дБ;
- увеличение доступности ССС за счет гибкого управления диаграммой направленности и перераспределения за счет этого ресурсов космического аппарата в зависимости от времени суток на территории России, плотности населения и других причин;
- существенное (на 15-20 Мбит/с) увеличение скорости доступа абонента к услугам сети;
- уменьшение массы (до двух раз) бортовой антенной системы по сравнению с ФАР с аналогичными характеристикам.

Текущие результаты проекта:
1. Проведен обзор и анализ научно-технической, нормативной, методической литературы по проблеме повышения помехоустойчивости и доступности для потребителей отечественных систем спутниковой связи. В обзоре использовано 58 научно-информационных источников, из них 40 – за 2009…2014 годы.
2. Проведен анализ основных перспектив развития современных систем спутниковой связи. Проведенный анализ применения адаптивных многолучевых антенн в российских и зарубежных спутниковых систем связи показал, что они активно применяются, при этом основной упор производится на увеличение их функциональных возможностей, снижение массогабаритных показателей и показателей энергопотребления.
3. Проведены сравнительная оценка эффективности существующих принципов, методов и средств в области создания помехозащищенных спутниковых средств связи с использованием адаптивных антенн на борту космического аппарата и выбор оптимальных технических решений основаны на материалах обзора и анализа научно-технической литературы, а также результатов патентных исследований. Произведен обоснованный выбор в пользу адаптивной гибридно-зеркальной многолучевой антенны, как имеющей меньшие массогабаритные показатели, более простую аппаратную реализацию и меньшую стоимость по сравнению с адаптивными фазированными антенными решетками.
4. Произведен обоснованный выбор в пользу адаптивной гибридно-зеркальной многолучевой антенны, как имеющей меньшие массогабаритные показатели, более простую аппаратную реализацию и меньшую стоимость по сравнению с АФАР.
5. Рассмотрены различные схемы построения многолучевых ГЗА, произведен расчет характеристик антенны. Определена схема построения облучателя ГЗА в виде правильной гексагональной антенной решетки. Многолучевой режим работы ГЗА реализован работой облучателя по кластерному типу. Разработаны базовые положения адаптации адаптивных многолучевых антенн как методов повышения помехоустойчивости и доступности отечественных систем спутниковой связи, основанных на применении многолучевых гибридно-зеркальных антенных систем. Проработаны различные алгоритмы адаптации, определены их преимущества и недостатки.
6. Разработан метод синтеза амплитудно-фазового распределения гибридно-зеркальной антенны, обеспечивающего формирование контурной зоны обслуживания и провалов диаграммы направленности в направлении не менее чем на три источника помехового сигнала. Разработанный метод обеспечивает формирование провалов в диаграмме направленности до минус 45–50 дБ при снижении уровня полезного сигнала не более 1 дБ при угловом разносе сигнала и помехи не менее чем на 0,15 от ширины ДН в главном лепестке ДН. При положении помехи в направлении боковых лепестков снижение полезного сигнала не происходит. Кроме того, разработанный метод обеспечивает ускоренную адаптацию к помеховой обстановке, заключающуюся в выборе из предварительно рассчитанных вариантов амплитудного распределения антенной решетки наиболее близкого к оптимальному в основном лепестке диаграммы направленности. Время адаптации уменьшается на 25% с учетом быстродействия современных фазовращателей, скорость работы которых сопоставима с временем работы адаптивных алгоритмов. Для ускорения расчета амплитудно-фазового распределения целевая функция была ограничена набором точек, задаваемых программно, что позволяет уменьшить время синтеза в 5 раз по сравнению с классическим градиентным методом.
7. Метод определения направления на источник помехи без использования дополнительных антенн позволяет осуществлять подавление помех в направлении боковых лепестков диаграммы направленности за счет дополнительного синтеза диаграммы направленности антенны для центральных лучей без усложнения алгоритма расчета и без применения дополнительных антенн. Применение системы «целей», расположенных по гексагональной структуре, представляет возможность в большинстве случаев находить направление на источник помехи. Разработанные методы адаптации гибридно-зеркальной антенны позволяют подавлять 1 помеху в пределах центрального лепестка диаграммы направленности и до 3–4 помех в пределах боковых лепестков диаграммы направленности антенны. При этом сохраняется уровень сигнала в остальной зоне обслуживания при подавлении 4 помех одновременно.
8. Разработан метод передачи данных с уплотнением частотного диапазона на основе перспективных методов модуляции сигналов. Для обеспечения наилучшего соотношения энергетического и частотного ресурсов спутникового ствола выбрана комбинация модуляции ФМ-4 и каскадного кодирования – сверточный код и код Рида-Соломона, что позволяет обеспечить высокую пропускную способность канала связи на уровне 20…22 Мбит/с, при этом вероятность ошибки сохраняется на уровне 10–5…10–6.
9. Разработана эскизная конструкторская документация для изготовления макета адаптивной многолучевой гибридно-зеркальной антенны, которая содержит данные для его разработки, изготовления, контроля и эксплуатации.
10. Разработана компьютерная модель системы адаптивного формирования амплитудно-фазового распределения многолучевой гибридно-зеркальной антенны, обеспечивающей реализацию разработанных методов формирования контурной зоны обслуживания и провалов диаграммы направленности в направлении не менее чем на три источника помехового сигнала.
11. Разработана компьютерная модель системы определения направления на источник помехи и пространственного подавления помех.
12. Проведено имитационное моделирование функциональной адаптации многолучевых гибридно-зеркальных антенных систем в условиях помеховой обстановки.
13. Разработано специальное программное обеспечение блока адаптации, входящего в состав макета адаптивной многолучевой гибридно-зеркальной антенны.
Опубликованы статьи в изданиях, индексируемых Scopus:
1. Spatial Filtering Algorithms in Adaptive Multi-Beam Hybrid Reflector Antennas / V.N. Tyapkin, I.N. Kartsan, D.D. Dmitriev, A.E. Goncharov // 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). – Proceedings. DOI: 10.1109/SIBCON.2015.7147244
2. Adaptation algorithms for satellite communication systems equipped with hybrid reflector antennas / I.N. Kartsan, P.V. Zelenkov, V.N. Tyapkin, D.D. Dmitriev, A.E. Goncharov // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 94 (2015). 012010 doi:10.1088/1757-899X/94/1/012010
3. Phase methods for measuring the spatial orientation of objects using satellite navigation equipment / Yu.L. Fateev, D.D. Dmitriev, V.N. Tyapkin, I.N. Kartsan, A.E. Goncharov // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 94 (2015). 012022 doi:10.1088/1757-899X/94/1/012022