Актуальные вопросы применения геосинхронных эллиптических орбит для обслуживания территории Российской Федерации

Задача предоставления современных услуг связи и вещания для наземных абонентов на всей территории Российской Федерации не может быть решена без использования спутников-ретрансляторов на высоких эллиптических орбитах. В статье выделен ряд проблемных вопросов, подлежащих решению в ходе создания перспективных систем спутниковой персональной связи и непосредственного вещания с использованием орбит этого типа.

В последние годы в нашей стране наблюдается повышение интереса к исследованиям в области использования высокоэллиптических орбит (ВЭО) и появляется ряд новых предложений по её применению для спутниковых систем связи различного назначения [1]. Данный интерес можно объяснить совокупностью нескольких факторов:

• –    невозможность обслуживания приполярных территорий с геостационарной орбиты (ГСО) и её перегруженность вследствие имеющихся природных ограничений;

• –    возобновление исследовательской активности в приполярных районах;

• –    благоприятные условия, сложившиеся к настоящему моменту вследствие развития ряда ключевых – космических, электронных, телекоммуникационных – технологий;

• –    потребность в создании единого информационного пространства на всей территории России и приграничных областях.

Как известно, изначально системы космической связи, построенные с использованием ВЭО типа «Молния», применялись в системе телевизионного вещания «Орбита», для которой на территории СССР была создана обширная сеть станций с антеннами диаметром 12 м, оснащённых системами слежения за космическими аппаратами (КА) [2].

Анализ работ на эту тему показывает, что, несмотря на имеющийся в нашей стране опыт использования орбитальной группировки «Молния», отсутствует практический задел по созданию спутниковых систем, предназначенных для предоставления высококачественных услуг персональной связи и непосредственного телерадиовещания. Спецификой спутниковых систем этого типа является обслуживание высокомобильных абонентов на обширной территории, что обусловливает необходимость использования в абонентском терминале малогабаритной ненаправленной антенны [2, 3].

При создании спутниковых систем на ВЭО, предназначенных для предоставления мобильных услуг, на первое место выходят проблемы, связанные с обеспечением максимальной зоны радиовидимости [4] и поддержанием необходимой энергетики в трассах распространения сигнала на расстояниях 40 000 км.

Также важный аспект данного типа систем – это подверженность каналов связи воздействию общих и многолучевых замираний при распространении сигналов на участках радиолинии из-за наличия многократных отражений и изменения взаимного положения земной станции относительно спутника-ретранслятора.

Сопутствующим фактором, дополнительно осложняющим приём радиосигнала, можно считать изменение частоты принимаемого сигнала вследствие эффекта Доплера, возникающего по причине перемещения КА относительно абонента.

Как правило, в описании предлагаемых отечественных спутниковых систем на ВЭО в качестве примера приводят успешную реализацию системы радиовещания Sirius, предоставляющей услуги на территории Северной Америки [5, 6]. Однако не принимается во внимание, что успех данной системы состоялся благодаря достижению основной цели – предоставление доступной и качественной услуги максимальному количеству населения на обслуживаемой территории. Причём доступность в данном случае следует считать ключевой составляющей, которая обеспечивается простым в применении и недорогим абонентским оборудованием, а также приемлемой абонентской платой за потребляемый контент. Качественная же составляющая должна обеспечиваться реализацией максимально возможного энергетического по-– 347 – тенциала радиолинии и организации вещания с многоуровневыми комбинациями способов доставки и обработки сигнала.

Успешное функционирование на протяжении уже более десятка лет систем непосредственного радиовещания Sirius и XM-Radio в США подтверждает правильность такого подхода – решения только одной возложенной на систему задачи, но выполняемой этой системой максимально эффективно. Для службы спутникового непосредственного радиовещания любые попытки сделать систему многозадачной, и поэтому в чём-то компромиссной, приведут к неминуемому снижению интереса со стороны потенциальных потребителей вследствие усложнения приёмной части абонентского оборудования [7].

Таким образом, можно выделить несколько первоочередных научно-технических задач, подлежащих решению в процессе создания систем спутниковой персональной связи и непосредственного радиовещания с использованием ВЭО:

• 1.    Обеспечение больших значений углов места радиовидимости КА, позволяющих обеспечить уверенный круглосуточный приём на всей области обслуживания. Данная задача должна решаться путём выбора оптимальных параметров орбиты и количества КА.

• 2.    Необходимость создания достаточно высокого уровня плотности потока мощности у поверхности Земли и вблизи КА (в случае персональной связи). Здесь выдвигаются максимальные требования к излучаемой мощности, которая имеет ограничения, обусловленные энергетическими возможностями бортового оборудования КА и терминала абонента. Эти возможности в первую очередь определяются системой электропитания, а также эффективностью передающей аппаратуры и антенной системы. Очевидно, что для систем персональной связи задача должна решаться с применением многолучевых крупноаппертурных бортовых антенн [8, 9], а для систем вещания решением должно послужить использование контурных антенн с наведением.

При обслуживании обширной территории Российской Федерации и прилегающих областей задачи обеспечения достаточных значений углов места и уровня плотности потока мощности, при ограниченных возможностях бортовых систем КА, становятся особенно трудновыполнимыми. Решением данной проблемы может послужить построение спутниковой системы на базе двух независимых орбитальных группировок (ОГ) типа «Тундра» [10] с использованием в каждой не менее трёх спутников-ретрансляторов. Предполагается, что каждая из ОГ предназначена для работы в западной и восточной зонах обслуживания РФ. При таком варианте построения системы практически на всей территории РФ обеспечивается значение углов места не менее 60°, что создает высокую вероятность приёма сигнала, особенно в местах со сложным рельефом местности.

Несмотря на необходимость использования двух дополнительных КА, по сравнению с вариантом ОГ типа «Молния», несомненными достоинствами такого подхода являются:

• –    возможность реализации потребительских характеристик системы на высоком качественном уровне, близком к зарубежным аналогам вследствие увеличения, по меньшей мере в два раза, энергетического потенциала в обслуживаемой зоне;

• –    возможность поэтапного ввода системы в эксплуатацию;

• –    возможность организации разделения вещания с учётом разных часовых поясов и региональных особенностей;

• –    снижение вероятности общей неработоспособности системы по причине выхода из строя одного КА.

• 3.    Разработка эффективных методов борьбы с общими и многолучевыми замираниями для повышения надёжности и достоверности передачи сообщений. Решению данной задачи могут способствовать следующие меры:

• –    использование сложных помехоустойчивых сигналов с применением высокоэффективных кодов;

• –    различные виды разнесения сигналов по приёму и передаче по параметрам времени, частоте, пространству, поляризация или их комбинации;

• –    поиск оптимальных методов и алгоритмов приёма, адаптированных к каналам с переменными параметрами, учитывающих наличие как общих, так и многолучевых замираний. При выборе способа построения приёмного устройства в заданных условиях потребуется конкретизация и соответствующая модификация существующих моделей каналов с переменными параметрами.