Перечень признаков, по которым различаются системы, можно было бы продолжить, но и этого достаточно, чтобы оценить, насколько широк спектр параметров, от выбора которых зависит создание оптимальной для решения конкретных задач системы.
Наиболее простыми являются системы связи между абонентами только в зоне радиовидимости одного КА и системы с переносом информации (типа "электронная почта"), а наиболее сложными системы для обеспечения непрерывной связи в глобальном или региональном масштабах. Они требуют сплошного покрытия обслуживаемой территории зонами радиовидимости КА и, следовательно, создания группировок КА определенной структуры, обеспечения связности системы, т.е. объединения зон радиовидимости КА в единое целое, выбора способов минимизации длины маршрута (числа ретрансляций) при организации связи между любыми точками на обслуживаемой территории, оценки времени ожидания канала и его существования в течение определенного времени и т.д.
Стоимость разработки и создания космического сегмента составляет, как правило, большую часть стоимости разработки всей системы связи, поэтому выбору группировки КА и ее параметров необходимо уделять первостепенное внимание.
Оценим параметры группировок КА на круговых орбитах, обеспечивающих не менее, чем однократное покрытие зонами радиовидимости КА всей обслуживаемой территории, причем, рассматривать будем только группировки с фиксированным положением КА на орбитах. На выбор высоты орбиты влияет ряд факторов. Чем больше высота, тем меньше количество КА требуется для обслуживания заданной территории, меньше динамика изменений параметров каналов связи при движении КА по орбитам, но, с другой стороны, требуется большая энергетика радиолиний, что особенно сложно при использовании в системе портативных абонентских станций, усложняется космический аппарат - необходимо повышать его энергопотребление, применять многолучевые антенны с большим количеством лучей, усложнять управление и т.п., что приводит к увеличению его сложности и массы, а следовательно, и стоимости разработки, изготовления и запуска. На выбор наклонения орбиты влияет, в первую очередь, размер и расположение обслуживаемой территории на земной поверхности. Так, для стран СНГ и прилегающих к ним территории ограничением по широте и долготе наиболее предпочтительными можно считать три варианта систем связи:
Кроме высоты и наклонения орбит КА, на количество КА в группировке влияет ее структура. Различают два вида структур: симметричную, при которой положение каждого КА в группировке одинаково по отношению к другим КА, и несимметричную, когда это условие не соблюдается. Примером симметричной структуры группировки является структура, при которой каждый КА размещается на отдельной орбите с соответствующим выбором долгот восходящих узлов. Примером несимметричной - когда на каждой орбите размещается несколько КА. Особенностью такой группировки является наличие "шва", где КА на соседних орбитах движутся в противоположных направлениях.
На рис.2.а в качестве примера приведены результаты расчета количества КА в низкоорбитальных группировках в зависимости от высоты орбиты. При следующих условиях:
Анализ этих зависимостей показывает, что для глобальных систем связи наиболее выгодными с точки зрения минимизации количества КА оказываются группировки на полярных (90°) и близких к ней (83°; 74°) орбитах, а для обслуживания широтного пояса 35°,..70° - группировки с КА на орбитах с наклонением 63°. Естественно, что при других координатах обслуживаемых территорий и наивыгоднейшие наклонения также могут быть другими.
Что касается структуры группировки, то для глобальных систем более выгодными являются несимметричные структуры, а для систем с обслуживанием широтного пояса- симметричные.
Из рис. 2 видно, например, что при глобальном охвате территории Земли на высоте1 000 км при несимметричной структуре с наклонением 90° в группировке должно быть 60 КА, а при симметричной структуре с наклонением 74° - 67 КА; для высоты 1600 км - соответственно 35 и 38 КА. Для систем с обслуживанием широтного пояса 35... 70° в группировке с симметричной структурой при высоте орбиты 1000 км и наклонением 63° должно быть 40 КА, а с несимметричной структурой и наклонением 90° - 50 КА; при высоте орбиты 1600 км - соответственно 28 и 21 КА. Таким образом, правильный выбор структуры группировки и наклонения орбиты дает весьма существенную экономию в необходимом количестве КА для систем связи различного назначения, учитывая высокую стоимость вывода каждого КА, на орбиту, его обслуживания и замены при выходе из строя.
При использовании в системе многоспутниковой орбитальной группировки (ОГ) одной из главных задач является обеспечение надежности ее работы, что невозможно без поддержания группировки в полном составе с достаточно высокой вероятностью.
Состояние же ОГ существенно зависит от случайных факторов - момента выхода из строя спутников, времени их замены работоспособными КА и т.д. Поэтому изменение состояния ОГ может быть представлено в виде случайного процесса.
В некоторый момент времени ОГ может находиться в одном из Nка состояний, каждое из которых характеризуется наличием n работоспособных КА, где п принимает значения от 1 до Nка (Nкa - полное количество КА в ОГ). Переход ОГ из одного состояния в другое происходит в произвольный момент времени под действием двух потоков событий.
Первый поток - поток отказов или выходов из строя КА переводит ОГ из состояния с большим числом работоспособных спутников в состояние с их меньшим количеством. Второй - поток замены вышедших из строя КА работоспособными, наоборот, переводит ОГ в состояние с большим количеством КА. В первом приближении их можно рассматривать как простейшие пуассоновские потоки с показательными законами распределения интервалов времени между двумя последовательными событиями. Тогда поведение ОГ может быть описано марковским случайным процессом с дискретными состояниями и непрерывным временем, который характеризуется непрерывной однородной цепью Маркова, поскольку плотности вероятностей переходов из одного состояния в другое не зависят от времени.
Для оценки структурной надежности системы представляют интерес значения вероятностей состояний в установившемся режиме для полностью развернутой системы, т.е. предельные вероятности,
Нахождение группировки в том или ином составе зависит, главным образом, от двух факторов - надежностных характеристик КА и выбранной стратегии восполнения группировки. Возможны различные варианты стратегии восполнения. Рассмотрим два наиболее распространенных варианта.
Один из них заключается в том, что решение о запуске нового спутника принимается только после выхода из строя находящегося на орбите KA, a интенсивность процесса восполнения определяется производительностью стартового комплекса и не зависит от количества КА, подлежащих замене .
Другой вариант состоит в том, что вышедший из строя спутник заменяется на КА из числа резервных, которые находятся в каждой орбитальной плоскости. Решение о запуске нового КА принимается только тогда, когда запас резервных спутников в какой-либо плоскости уменьшается до некоторого заранее определенного предельного уровня. Очевидно, что время замены спутника во втором варианте гораздо меньше, чем в первом, но это требует дополнительных расходов.
В обоих случаях процесс изменения состояний ОГ будет представлять собой наиболее типичный вариант непрерывного марковского процесса, называемого процессом "гибели и размножения". Вероятности нахождения ОГ в состоянии с работоспособными КА будут зависеть от двух параметров - среднего времени безотказной работы спутника и среднего времени замены вышедшего из строя КА работоспособным.
На рис. 3 представлена зависимость вероятности Рцс нахождения ОГ в неполном составе от общего количества КА в группировке Nка при среднем времени работы Траб.ср., равном 7 и 5 годам,
при среднем времени замены Тзам.ср., равном 30 и 1 суткам, соответствующим двум указанным стратегиям восполнения группировки.
Приведенные данные показывают, что уменьшить вероятность нахождения ОГ в неполном составе можно за счет сокращения числа спутников в группировке, увеличения среднего срока активного существования КА (графики 1а и 2а) или, более кардинально, применения стратегии восполнения группировки с использованием резервных спутников на орбитах (графики 2а и 26), Так, например, при Тзам.ср. = 30 сут и Мка >= 40 в группировке практически всегда будет отсутствовать хотя бы один КА. При использовании же в группировке резервных, спутников (Тзам.ср.= 1 сут) вероятность отсутствия КА в группировке будет не более 10-2 ч.
На рис. 3 представлено уменьшение числа КА в группировке, увеличение срока активного существования космических аппаратов необходимо и для снижения затрат на развертывание и поддержание ОГ в работоспособном состоянии, что составляет основную статью расходов в спутниковых системах.
Применение стратегии восполнения группировки с использованием резервных КА предполагает размещение определенного числа запасных спутников в каждой орбитальной плоскости. Для сокращения их общего числа необходимо выбирать ОГ с минимальным числом орбитальных плоскостей. Этим условиям удовлетворяют группировки с несимметричной структурой.
На рис.4 представлена зависимость числа спутников, необходимых для обеспечения глобального покрытия среднеорбитальной группировкой с высотой орбиты 10360 км, от минимального угла места антенны абонентских станций jmin при трех значениях наклонения орбиты 82, 73 и 63° (из-за небольших различий зависимости для наклонений 82 и 73° представлены одним графиком).
Из рис. 4 видно, что важным фактором, влияющим на выбор ОГ, является минимальный угол места антенны абонентской станции, под которым допускается их работа выданной системе. Чем он больше, тем меньше окружающие предметы и рельеф местности мешает проведению сеансов связи, хотя это и достигается увеличением числа КА в группировке. Для стационарных станций, местоположение которых может быть Выбрано заранее, этот угол может составлять 1... 10°, для мобильных же станций часто бывает невозможной работа под углами к горизонту менее 30...40°.
Приведенные данные показывают также, что наименьшее число КА в ОГ несимметричной структуры достигается при большем наклонении, причем уменьшение наклонения позволяет увеличить кратность покрытия обслуживаемой территории зонами радиовидимости КА на средних широтах, где это необходимо в большей степени. Поэтому оптимальным для РФ является выбор наклонения 73°. Рассмотрим в качестве Примера некоторые характеристики системы, построенной на базе группировки из 24 КА, расположенных в трех орбитальных плоскостях, с высотой орбиты 10360 км и наклонением 73°, обеспечивающей глобальный обзор при минимальном угле места антенны абонентских ЗС 35°. Для поддержания такой группировки в полном составе необходимо по крайней мере три резервных КА по одному в каждой плоскости.
Данная группировка позволяет абонентским станциям работать при минимальных углах места 35°. На рис.5 представлены плотности вероятности рабочих углов места антенны АС, расположенных на средних широтах. Приведенные данные показывают, что реально станции значительную часть времени работают под углами существенно большими, чем 35°.
При увеличении высоты орбиты возрастает период обращения спутников вокруг Земли, что приводит к снижению скорости перемещения зоны КА по земной поверхности и увеличению продолжительности существования маршрутов, которая в данной системе в среднем составляет 40 мин.
Характеристики связи в многоспутниковых системах существенным образом зависят от расстояния между абонентами.
На рис.6 показана зависимость средних значений числа ретрансляций L и длительности
существования маршрутов Т от расстояния R между абонентами. Под ретрансляцией в данном случае понимается передача сигнала от одной станции к другой через спутник, в зоне которого они находятся.
Из представленных данных видно, что с увеличением расстояния число ретрансляций возрастает, а длительность существования маршрутов снижается, хотя и в меньшей степени.
Следует отметить, что с увеличением числа ретрансляций возрастает время задержки сигнала. Это не имеет существенного значения при передаче различного рода данных, но для дуплексной телефонной связи при большом числе ретрансляций задержка может превысить допустимую по норме МСЭ (390 мс), хотя вероятность этого невелика.
предыдущая | начало | следующая страница | глоссарий
