Определение архитектуры системы связи, исходя из геометрии взаимного положения космических аппаратов и наземных станций

Базовые варианты архитектуры систем связи определяются геометрическими факторами, которые формируются орбитами космических аппаратов и наземных станций, приведены на рисунке 13-2. В таблице 13-2 представлены основные преимущества и недостатки каждого из базовых вариантов архитектуры систем связи.

А. Передача данных с промежуточным накоплением

Подписи на рисунке: 1 – прием и запоминание информации; 2 – передача информации.

В. Система связи на основе геостационарных космических аппаратов

С. Система связи на основе космических аппаратов типа «Молния»

D. Система связи на основе геостационарных космических аппаратов с использованием межспутниковых линий связи

Е. Система связи на основе низкоорбитальных космических аппаратов с использованием межспутниковых линий связи

Рис. 13-2. Типовые варианты архитектуры систем связи, используемые для выполнения различных требований космических проектов

Основные особенности каждого варианта архитектуры системы связи систематизированы в таблице 13-2.

Сравнительные характеристики пяти вариантов архитектуры систем связи

Архитектура	Преимущества архитектуры	Недостатки архитектуры
А. Низкая околоземная орбита, один космический аппарат, передача данных с промежуточным хранением	· Низкая стоимость выведения на орбиту · Низкая стоимость космического аппарата · При ненулевом наклонении плоскости орбиты в зону обслуживания попадают полярные регионы Земли	· Большое время доступа к переданному сообщению и задержки в передаче данных (могут достигать нескольких часов)
В. Геостационарная	· Не требует переключения между космическими аппаратами · Часто не требует слежения антенны наземной станции за космическим аппаратом	· Высокая стоимость выведения на орбиту · Высокая стоимость космического аппарата · Необходимо поддержание параметров орбиты · Задержки во времени распространения сигнала · В зону обслуживания не попадают полярные регионы Земли
С. Орбита типа «Молния»	· Обеспечивает обслуживание полярных регионов Земли · Низкая стоимость выведения на орбиту в расчете на один космический аппарат	· Требует нескольких космических аппаратов для непрерывного обслуживания одного полушария · Требует наведения антенны и переключения между космическими аппаратами · Более сложное управление системой связи · Необходимо поддержание параметров орбиты
D. Геостационарная с межспутниковыми линиями связи	· Обеспечивает связь на большом расстоянии без необходимости наземной ретранслирующей станции · Уменьшает задержки во времени распространения сигнала · Не требуются наземные станции за границей: - повышается безопасность связи - снижается стоимость создания и эксплуатации системы	· Большая сложность и стоимость космического аппарата · Необходимо поддержание параметров орбиты · Затраты на создание и запуск спутника-ретранслятора · В зону обслуживания не попадают полярные регионы Земли
Е. Система низкоорбитальных космических аппаратов с межспутниковыми линиями связи	· Высокая надежность за счет большого количества путей передачи данных · Меньшая чувствительность к помехам за счет ограничения зоны видимости Земли · Меньшая мощность бортового передатчика за счет меньшей высоты орбиты · Низкая стоимость выведения на орбиту в расчете на один космический аппарат · При ненулевом наклонении плоскости орбиты в зону обслуживания попадают полярные регионы Земли	· Сложный регламент доступа к каналам связи (наведение антенны, частота, время) · Сложное динамическое управление орбитальной группировкой космических аппаратов и системой связи в целом · Для обеспечения высокой доступности каналов связи требует большого количества космических аппарат

Передача данных с промежуточным накоплением (рисунок 13-2А). Архитектура передачи информации через космический аппарат была внедрена в 1960 году, когда Армия США запустила космический аппарат Courier (подробнее см. в книге Mottley [1960]). В этой конфигурации космический аппарат, обращаясь вокруг Земли по низкой (высота до 1000 км) орбите, принимает информацию с Земли и сохраняет ее в бортовом запоминающем устройстве. Когда космический аппарат, двигаясь по орбите, входит в зону видимости приемной наземной станции, он передает на Землю ранее запомненную информацию. Рассматриваемая архитектура системы связи позволяет использовать недорогие ракеты-носители благодаря малой высоте орбиты космического аппарата. Стоимость самого космического аппарата в этом случае также ниже, чем в других вариантах, поскольку может использоваться более широкая диаграмма направленности бортовой антенны, обеспечивающей освещение всей видимой части Земли, что уменьшает размер антенны и ослабляет требования к качеству стабилизации космического аппарата. Обычно в рассматриваемом варианте системы связи не предъявляются требования по поддержанию параметров орбиты космического аппарата. Принципиальным недостатком архитектуры передачи данных с промежуточным накоплением является большое время доступа и большие задержки в передаче сообщений, достигающие нескольких часов, и определяемые временем ожидания входа космического аппарата в зону видимости наземной приемной станции пользователя системы связи.

Система связи на геостационарной орбите (рисунок 13-2В). Практически все системы спутников-ретрансляторов и многих метеорологических космических аппаратов используют именно эту архитектуру системы связи. Рассматриваемая архитектура предполагает выведение космического аппарата на орбиту высотой 35786 км и наклонением, близким к нулевому. Период обращения космического аппарата на такой орбите в точности равен периоду собственного вращения Земли, поэтому космический аппарат является практически неподвижным с точки зрения наблюдателя, находящегося на поверхности Земли (подробнее этот вопрос рассмотрен в разделе 6.1, Глава 6). Архитектура системы связи с использованием космического аппарата на геостационарной орбите обеспечивает снижение стоимости наземной станции, поскольку для нее предъявляются небольшие требования по управлению наведением антенны на космический аппарат, или антенна вообще является неподвижной. Такая стационарная система связи существенно проще с точки зрения ее организации, контроля и управления по сравнению с динамической системой связи, использующей нестационарные (относительно наблюдателя, находящегося на поверхности Земли) космические аппараты. Она не требует переключений с одного космического аппарата на другой, поскольку космический аппарат постоянно находится в зоне видимости наземной станции. Принципиальными недостатками архитектуры системы связи с использованием космического аппарата на геостационарной орбите является то, что она не обеспечивает обслуживание потребителей, находящихся далее 70° широты от экватора, и то, что стоимость выведения космического аппарата на геостационарную орбиту весьма велика. Кроме этого, время задержки распространения радиосигнала с наземной станции до космического аппарата на геостационарной орбите достигает 0.25 секунды, что в некоторых случаях может создавать проблемы (например, отраженные сигналы, протоколы подтверждения приема) в спутниковой системе связи.

Система связи типа «Молния» (рисунок 13-2С). В космической программе России такая архитектура используется для обслуживания северных регионов. Космические аппараты выводятся на высокоэллиптическую орбиту высотой в апогее 40000 км, в перигее 500 км с углом наклонения к плоскости экватора, равным 63.4° (подробнее этот вопрос рассмотрен в разделе 6.1, Глава 6). Апогей орбиты космических аппаратов системы находится над Северным полюсом, что обеспечивает обслуживание северных широт. Период орбиты космического аппарата равен 12 часам, но, из-за большого эксцентриситета орбиты, до 8 часов из них космический аппарат находится над северным полушарием Земли. Система включает два или больше космических аппаратов, обращающихся по разным плоскостям так, что, по меньшей мере, один из них постоянно находится в зоне видимости северных регионов (независимо от долготы). К сожалению, орбита космического аппарата типа «Молния» требует постоянного наведения антенны наземной станции и переключения станции с одного космического аппарата на другой по мере их входа и выхода в зону видимости наземной станции.

Система связи на геостационарной орбите с использованием межспутниковых линий связи (рисунок 13-2D). Рассматриваемая архитектура предполагает использование космического аппарата на геостационарной орбите для ретрансляции данных между наземной станцией и другим космическим аппаратом, также находящимся на геостационарной орбите. Использование спутника-ретранслятора более предпочтительно, чем организация канала связи для двойной переретрансляции сигнала с использованием двух рядом расположенных наземных станций (например, как показано на рисунке 13-2В для классической системы связи на геостационарной орбите). Дело в том, что наземные ретранслирующие станции часто должны размещаться на территории иностранных государств, что повышает стоимость создания и эксплуатации системы связи, понижает ее безопасность и живучесть. Очевидным недостатком рассматриваемой архитектуры системы связи является необходимость использования дополнительного спутника-ретранслятора и соответствующих линий межспутниковой связи, что повышает сложность системы связи, стоимость ее создания и эксплуатации, понижает ее надежность.

Система связи на низкой околоземной орбите с использованием межспутниковых линий связи (рисунок 13-2Е). Рассматриваемая архитектура предполагает использование двадцати или более космических аппаратов на низких (высотой от 500 км до 3000 км) околоземных орбитах с организацией межспутниковых линий связи между аппаратами. Система разбивает входящие цифровые сообщения на пакеты длиной от нескольких сотен до нескольких тысяч бит каждый, добавляет к каждому пакету заголовок, содержащий время по единой шкале системы и адрес места назначения пакета, и затем передает его в виде короткой пачки импульсов. Пакеты могут доставляться к месту назначения разными маршрутами с разным временем распространения радиосигнала, в зависимости от взаимного положения космического аппарата и наземной станции в момент передачи сообщения. Принимающая наземная станция должна рассортировать и переупорядочить принятые пакеты в заданной их заголовками последовательности с целью восстановления исходного сообщения. Поскольку в системе одновременно доступно множество альтернативных маршрутов передачи пакетов, такая архитектура имеет высокую живучесть. Использование низких околоземных орбит также повышает устойчивость к воздействию радиопомех земного происхождения, поскольку бортовая приемная антенна космического аппарата видит только небольшую часть поверхности Земли. Наконец, мощность наземного радиопередатчика на лини «вверх» может быть, учитывая меньшую дальность от наземной станции до космического аппарата, меньше, что понижает вероятность несанкционированного приема. С другой стороны, рассматриваемая архитектура требует сложной синхронизации сети связи сложного управления ею, поскольку космические аппараты непрерывно перемещаются относительно наземных станций системы. Кроме того, в данном случае необходимо поддержание параметров орбит космических аппаратов, поскольку в противном случае они, в результате дрейфа, могут собираться в группы, оставляя при этом необслуживаемые зоны на поверхности Земли, что может привести к возникновению существенных перерывов в предоставлении услуг связи потребителям.

Для удовлетворения требований конкретных космических проектов могут использоваться и другие варианты архитектуры системы связи. Например, в работе Chapell [1977] была предложена гибридная архитектура, сочетающая преимущества применения космических аппаратов как на низких околоземных, так и на геостационарной орбите. В работе Lee [1988] проведено сравнение трех вариантов архитектуры системы спутниковой связи, которая должна обслуживать континентальную часть Соединенных Штатов Америки. Предложенные архитектуры включали четыре космических аппарата на геостационарной орбите, которые в одном варианте работали независимо, в другой – соединялись методом двойной ретрансляции сигнала через наземные станции-ретрансляторы, а в третьем – соединялись межспутниковыми линиями связи.