АВТОМАТИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ РАДИОЛИНИЙ ДЛЯ СВЯЗИ С ЛУННЫМ МОДУЛЕМ

AUTOMATION OF INFORMATION PROCESSES FOR CONTROLLING THE PARAMETERS OF RADIO LINES FOR COMMUNICATION WITH THE LUNAR MODULE

Margarita Kolchugina

student Department of Computer Engineering and Automated Systems Software, Orenburg state University,

Russia, Orenburg

Igor Schudro

scientific adviser, Candidate of Technical Sciences, associate professor, Orenburg state University,

Russia, Orenburg

АННОТАЦИЯ

В статье приведена методика расчета бюджета радиолинии космической системы ретрансляции для лунного модуля c учетом потерь на линии и показаны полученные результаты расчета, на основании которых сделан вывод о необходимости автоматизации процесса настройки параметров приемо-передающих устройств для улучшения качества передачи информации на окололунную орбиту.

ABSTRACT

The article presents a model for calculating the budget of the radio link of the space relay system for the lunar module, taking into account the losses on the line, and the results of the calculation are obtained, on the basis of which it is concluded that it is necessary to automate the process of setting the parameters of transceivers to improve the quality of information transmission to the circumlunar orbit.

Ключевые слова: энергетический расчет бюджета радиолинии; спутниковая связь; радиолиния «Земля-Луна»; окололунная орбита; лунный модуль; космическая система ретрансляции информации; освоение Луны; системный анализ; потери сигнала; запас в радиолинии.

Keywords: energy calculation of the radio line budget; satellite communications; Earth-Moon radio line; lunar orbit; lunar module; space information relay system; lunar exploration; system analysis; signal loss; reserve in the radio line.

Чтобы начать осваивать космическое пространство, в первую очередь необходимо установить устойчивую связь с естественным спутником Земли, что позволит активно использовать для выхода в космос все возможности, которые нам может предоставить Луна.

В целях эффективного продвижения на новый уровень космической системы ретрансляции необходимо автоматизировать процесс расчёта энергетического бюджета радиолинии. В результате расчёта можно получить максимальные разрешённые потери в радиолинии. Расчёт допустимых потерь зависит от большого количества параметров приемо-передающих устройств, вследствие чего возникают трудности расчета.

Внедрение специального программного обеспечения позволит повысить эффективность анализа энергетического баланса в радиолинии «Земля-Луна» с учётом потерь при распространении сигнала и с учётом изменения характеристик земной станции и космических аппаратов.

В настоящее время существует небольшое количество платформ, позволяющих проводить расчёты энергетики радиолинии. В частности, на отечественных предприятиях ракетно-космической промышленности используется зарубежный программный пакет «Satellite Tool Kit».

Satellite Tool Kit (STK) – это платформа для анализа и визуализации сложных систем в контексте миссии, которая используется для анализа орбиты, расчетов доступа и для систем связи, радаров, межпланетных миссий и предотвращения столкновения на орбите.

У данного программного пакета существуют следующие недостатки:

• поддерживается только на английском языке;
• сложность использования;
• излишний функционал, нагружающий систему;
• нет возможности проводить расчет энергетического бюджета с изменением параметров;
• официально не поставляется на территорию РФ (возможно использование только в образовательных целях).

Системный анализ информационных процессов настройки параметров приемо-передающих устройств с последующей адаптацией к потерям на радиолинии и изменяющимся условиям распространения сигнала для связи с лунным модулем выявил ряд противоречий между требованием практики и состоянием теории, основными из которых стали противоречия между настройкой параметров для распространения сигнала с учетом суммарных потерь для оптимального соотношения скорости передачи и запаса в радиолинии, и необходимостью настройки параметров радиолинии под исходные требования.

Отсюда предметом исследования становятся методы настройки параметров приемо-передающих устройств для выбора оптимальной радиолинии связи с лунным модулем. Эти обстоятельства определяют цель исследования: обеспечение устойчивой связи Земли с лунным модулем на окололунной орбите с учетом потерь на радиолинии и изменяющимися условиями распространения сигнала.

Для достижения поставленной цели необходимо провести системный анализ проблемы связи с лунным модулем на окололунной орбите с учетом потерь и изменений условий распространения сигнала.

Специфика спутниковой связи заключается в большой протяженности между космическими аппаратами и земными станциями, и в значительных ослаблениях радиосигналов на этих трассах. [1, с. 397]

В связи с значительным расстоянием между Землей и Луной (среднее расстояние составляет 384 тыс. км) и возрастающим в результате этого количеством космических аппаратов, необходимых для обеспечения связи, возможности расчета энергетического бюджета усложняются. Также сложности появляются при необходимости учитывать потери при распространениях сигнала, а на большом расстоянии они значительно увеличиваются. Параметры приемно-передающих устройств необходимо настраивать таким образом, чтобы бюджет радиолинии оставался оптимальным, и при этом имелась наилучшая скорость передачи данных на окололунную орбиту. Важной частью проектирования космической системы ретрансляции является анализ бюджета каналов распространения радиосигналов между приемо-передающими устройствами.

Методика расчета бюджета радиолинии космической системы ретрансляции состоит из следующих шагов.

1. Построение сигнально-кодовой конструкции (определение символьной скорости, полосы частот, выделяемой для сигналов в полосе транспондера и полосы частот, занимаемой сигналом).

2. Определение затухания сигнала на линии (вычисление расстояния от земной станции до спутника, угол места антенны передающей земной станцией, и потери в радиолинии, включающие потери в передающем и приёмном трактах, поляризационные потери, потери из-за поглощения в атмосферных газах и осадках, потери из-за неточности наведения антенн). [4, с. 52]

Важную роль в расчете бюджета радиолинии играет влияние окружающей среды на характеристики радиосигнала при распространении. Как сказано выше, помимо потерь в свободном пространстве, радиоволна испытывает дополнительные потери: потери при распространении через атмосферу, потери из-за ошибки наведения антенны и др. [3, с. 69]

1) Потери из-за ошибок наведения антенны ;

2) Потери в свободном пространстве ;

3) Потери сигнала в осадках ;

4) Суммарные потери сигнала в атмосфере ;

где  - постоянная составляющая таких потерь в невозмущенной атмосфере (условиях чистого неба);

 - затухание сигнала в гидрометеорах (дожде), зависящее от интенсивности осадков, размера зоны их выпадения и распределения осадков по зоне. [2, с.16]

5) Суммарные потери :

3.  Определение параметров радиолинии (расчет величины эквивалентной изотропной излучаемой мощности (ЭИИМ) космического аппарата, коэффициента усиления и добротности антенны).

4. Расчет шумов, излучаемых транспондером (вычисление спектральной плотности теплового шума).

5. Расчет энергетического баланса спутниковой линии связи (вычисление отношения сигнал/шум).

Данный расчет необходимо также повторить для каждой радиолинии «Земля-Луна» и «Луна-Земля», т.е. 6 раз (согласно схеме, приведенной на рисунке 1).

ЗС – земная станция; СР – спутник-ретранслятор; ЛСР – лунный спутник-ретранслятор; ЛМ – лунный модуль

Рисунок 1. Космическая система ретрансляции для лунного модуля с использованием точки либрации L1.

После проведения расчета необходимо выбрать наиболее выгодную скорость передачи информации с запасом в радиолинии.

На рисунке 2 представлена гистограмма соотношения скорости передачи данных и полученного запаса радиолинии в ходе расчета по приведенной выше методике для космической системы ретрансляции информации на лунный модуль, представленной на рисунке 1.

При рассмотренных скоростях передачи данных 4, 8, 10, 20, 30 и 40 Мбит/c, наиболее оптимальной для использования будет являться скорость 30 Мбит/c с запасом в 1,48 дБ. Т.к. при скорости 40 Мбит/c практически отсутствует запас в радиолинии (0,23 дБ).

Рисунок 2. Гистограмма соотношения скорости передачи данных и полученного запаса в радиолинии.

Для решения проблемы настройки параметров радиолинии с учетом потерь и изменяющихся условий распространения сигнала предлагается добавление нейронной сети. На рисунке 3 отображена контекстная диаграмма в нотации IDEF0, в которой отражены инструменты и ресурсы, с помощью которых реализуется процесс автоматизации настройки параметров приемо-передающих устройств для связи с лунным модулем.

Рисунок 3. Контекстная диаграмма в нотации IDEF0

Список литературы:

1. Батенев В.А., Болотов Г.В., Быков В.Л. Спутниковая связь и вещание: Справочник. М.: Радио и связь, 1997. – 528 с.
2. Елеферов С. Расчет линий спутниковой связи. Основные понятия и формулы. Дубна, 2008. – 53 с.
3. Ерохин Г.А., Мандель В.И., Нестёркин Ю.А., Струков А.П. Методика расчета энергетического запаса радиолинии «космический аппарат – станция». // РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ – 2018. – №5 – С. 65-74.
4. Мухин В.А., Чеботарев В.Е. Использование космических систем ретрансляции для информационной поддержки космических миссий // Вестник НПО им. С.А. Лавочкина, – 2021. – №2 – С. 46-53.