Регистрация / Вход
Прислать материал

14.575.21.0082

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.575.21.0082
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Название доклада
Исследование и разработка системы связи и управления робототехническими средствами для применения в составе орбитальных и напланетных робототехнических комплексов
Докладчик
Бахтин Александр Алекандрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта является разработка, моделирование и макетирование новых технических решений в области создания специального оборудования для надежного обеспечения сверхвысокоскоростной (до 2000 Мбит/c) передачи больших объемов информации от высокопроизводительных космических аппаратов радиолокации и дистанционного зондирования Земли в режиме реального времени.
Основные задачи проекта - оценка уровня разработок, в том числе международного, в области ПНИ; проведение теоретических исследований; разработка методов повышения скорости передачи информации в радиолиниях Космос-Земля; разработка макета сверхвысокоскоростной радиолинии передачи информации; лабораторные испытания макета; обобщение и оценка достигнутых результатов исследования.
Актуальность и новизна исследования
В настоящее время перед разработчиками систем связи ставится задача повышения пропускной способности спутниковых радиолиний. На существующих космических аппаратах (КА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) для передачи целевой информации используется радиолиния Х-диапазона в полосе частот 8025…8400 МГц. Однако в связи с повышением разрешающей способности и полосы обзора современного оборудования спутников ДЗЗ требуются новые научно-технические решения, позволяющие обеспечить сверхвысокие (до 2 Гбит/с) скорости передачи информации по радиолинии «Космос-Земля».
Наблюдая тенденцию развития радиолиний целевой информации КА ДЗЗ детального наблюдения, можно сделать вывод о следующем наиболее вероятном сценарии дальнейшего развития этого направления: в ближайшем будущем продолжится использование Х-диапазона радиочастот и достижение в нем скорости 1000 Мбит/с. Дальнейшее развитие высокоскоростных радиолиний переместится в К-диапазон радиочастот, где для КА ДЗЗ выделен диапазон 25500…27000 МГц с полосой 1500 МГц. Однако, недостаточная экспериментальная изученность свойств атмосферы для различных регионов Земли, дефицит ЭРИ для этого диапазона, а также более жесткие требования к исполнению бортовой и наземной аппаратуры (в частности к точности изготовления зеркальной системы бортовых и наземных антенн, а также к точности их наведения) временно сдерживают освоение этого перспективного диапазона радиочастот.
В ПНИ исследованы методы модернизации известных решений, применяемых в X-диапазоне рабочих частот, основанные на использования частотного разнесения каналов и предложены методы повышения спектральной эффективности используемых сигнально-кодовых конструкций.
Описание исследования

Исходные данные, определенные в техническом задании (битовая скорость не менее R = 2000 Мбит/с и полоса не более 375 МГц), однозначно определяют спектральную эффективность используемой сигнально-кодовой конструкции – не менее 10,6 бит/с/Гц (по отношению к итоговой полосе радиосигнала). В результате аналитического обзора современных отечественных и иностранных аналогов было показано, что широко используемые в настоящее время типы модуляции не удовлетворяют поставленному критерию. Также установлено, что применение методов модуляции высоких порядков, таких как 64QAM или 64APSK, неприемлемо из-за значительного диапазона вариаций амплитуды комплексной огибающей. Это ограничение, в свою очередь, определяется значениями точки компрессии и интермодуляционных искажений третьего порядка усилителей мощности, работающих в диапазоне 8000...8400 МГц.  В результате проведенного исследования был предложен новый метод модуляции, для которого были выполнены теоретические расчеты энергочастотных параметров и статистическое моделирование, в том числе и для разных типов каналов, а также различных искажений и неидеальностей, возникающих при изготовлении и работе аппаратной части.

Так как данное решение должно быть реализовано в радиационно-стойких микросхемах, использующихся в бортовой аппаратуре спутников ДЗЗ, то основным критерием при выборе помехоустойчивого кода на основе анализа применяемых в настоящее время кодов была сложность процедуры декодирования. В результате, ориентируясь на предлагаемый Международным Консультативным Комитетом по космическим системам передачи данных (CCSDS) код RS(256,239), было предложено использовать код RS(256,244), что позволило повысить частотную эффективность итоговой сигнально-кодовой конструкции (СКК) без снижения помехоустойчивости. Для всей СКК также был проведен расчет и статистическое моделирование, а также создано на языке Verilog описание приемопередатчика для прошивки ПЛИС блока цифровой обработки сигнала (ЦОС) в составе разработанного макета сверхвысокоскоростной радиолинии передачи информации.

В ходе исследования было выполнено обобщение предложенного метода модуляции для различных вариантов объема созвездий каждого из каналов и вариаций амплитуды группового сигнала. Благодаря квадратурной схеме модуляции и демодуляции при 8 уровнях амплитуды сигнала ФМ-32 в канале 1 и 16 уровнях сигнала АИМ в канале 2, этот метод  модуляции обеспечивает частотную эффективность в выходной полосе частот до 32 бит/с/Гц, что в настоящее время недостижимо ни одним из известных методов модуляции. При этом расход энергии на бит асимптотически равен минимальному значению, определяемому границей Шеннона.

К дополнительным достоинствам нового предлагаемого метода квадратурной дискретной модуляции относится его высокая структурная отказоустойчивость и достоверная работа при инверсии восстановленной несущей.

Разработанная в среде Matlab/Simulink модель приемника разработанной СКК обеспечивает все необходимые типы синхронизации, канальную фильтрацию, демодуляцию обоих каналов передачи данных, декодирование помехоустойчивого кода и буферацию в буфер типа «очередь». Проведенное дополнительное тестирование блоков интерполяции и тактовой синхронизации показало работоспособность предложенных решений. Также разработан метод цикловой синхронизации для пакетной передачи данных.

ПО приемопередатчика выполнено по идеологии программно-определяемого радио, но допускает кросс-платформенную имплементацию в другом аппаратном исполнении. Это означает, что проект с минимальными изменениями может быть перенесен на любую другую ПЛИС с тактовой частотой ПЛИС свыше 250 МГц, что позволит использовать весь частотный ресурс в X-диапазоне частот.

Также в ходе выполнения ПНИ была проанализирована возможность использования частотного разнесения каналов для повышения пропускной способности радиолинии Космос – Земля спутниковой службы исследования Земли. Исследована четырехканальная схема передачи информации на основе известных решений и радиационно стойкой элементной базы, применяемых в X-диапазоне рабочих частот. Предложенная схема позволяет вести передачу в K-диапазоне, обеспечивая значительное повышение пропускной способности при неизменном качестве передачи и удовлетворении требованиям электромагнитной совместимости.

Результаты исследования

Результатом проекта являются технические решения, позволяющие существенно повысить пропускную способность радиолиний Космос-Земля. Лучшие зарубежные спутники ДЗЗ имеют скорость передачи данных в обратном канале 700-800 Мбит/с, в то время как отечественные – около 300 Мбит/с. При этом оптическая и сенсорная часть российских систем ДЗЗ не уступают зарубежным, а с учетом возрастающих запросов к разрешению снимков ДЗЗ именно радиолиния передачи данных со спутника становится сдерживающим фактором развития российских систем. Итогом работы является практическая реализация и оценка методов, обеспечивающих сверхвысокоскоростную передачу данных в радиолинии Космос-Земля с учетом особенностей применения (условия распространения, ограничение на массогабаритные характеристики и т.д.).

Предложен новый тип модуляции – ФМ16+АИМ4, имеющий высокую спектральную эффективность (до 12 бит/с/Гц при передаче с одной боковой полосой), близкий к единице пик-фактор (вариация амплитуды огибающей не более 1%) и низкую сложность модуляции/демодуляции. Реализован приемопередатчик с сигнально-кодовой конструкцией на основе описанной модуляции и помехоустойчивого кода Рида-Соломона RS(256,244).

Разработан макет, состоящий из блока ЦОС в виде платы ML605 на базе ПЛИС семейства Virtex-6 и блока АЦП/ЦАП FMC110 (частота следования выборок 1 гигавыборка/с), модулятора ADRF6720, демодулятора ADRF6820, плат  фильтрации и усиления на промежуточной частоте, модулей СВЧ передатчика, имитатора среды распространения.  

Макет в тестовой полосе позволяет достигнуть значение спектральной эффективности 11,43 бит/с/Гц, а достигаемая скорость передачи данных составляет 616 Мбит/с, что соответствует скорости передачи информации 2464 Мбит/с при использовании четырехканальной схемы передачи для K-диапазона рабочих частот, предложенной в ходе разработки, и подразумевающей использование четырех отдельных ПЛИС для формирования информационного сигнала во всей полосе. Значение вероятности возникновения битовой ошибки 10е-6 достигается при работе макета радиолинии при отношении сигнал к шуму на бит в канале связи Eb/N0=30 дБ. Значения вероятности блоковой ошибки равное 10е-5 достигается при работе макета радиолинии при отношении сигнал к шуму на бит в канале связи Eb/N0 = 31,5 дБ. Работа макета радиолинии с вероятностью битовой ошибки равной 10е-9 достигается при значении Eb/N0=32 дБ, что является основным опорным параметром канала связи, при котором достигаются требуемые характеристики работы. Рассчитанное теоретически значение Eb/N0 составило 26 дБ, таким образом, потери на реализацию равны 6 дБ и вызваны джиттером синхронизации, ограниченной разрядностью АЦП, особенностям схемы тактирования использованной ПЛИС, а также допущениями при создании макета, такими как отсутствие цифровых схемы коррекции квадратурных ветвей и компенсации смещения АЦП. Использование ASIC вместо ПЛИС и дополнение приемопередатчика схемами самокалибровки позволит значительно уменьшить эти потери.

Практическая значимость исследования
Предложенные технические решения в области модуляции и сигнально-кодовых конструкций на ее основе значительно превосходят применяемые в настоящее время методы, рекомендованные Комитетом по космической связи CCSDS. Применение такой СКК позволит наращивать разрешающую способность спутников ДЗЗ, кроме того, она может быть использована для цифрового телевещания и в спутниках отслеживания телеметрии и ретрансляции данных, аналогичных зарубежной системе TDRSS.
Применение четырехканальной схемы передачи информации на основе известных решений и радиационно стойкой элементной базы, применяемых в X-диапазоне рабочих частот, позволяет вести передачу в K-диапазоне, обеспечивая значительное повышение пропускной способности при неизменном качестве передачи и удовлетворении требованиям электромагнитной совместимости.