АНАЛИЗ ПРОЦЕССА РАСЧЁТА ПАРАМЕТРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС РАДИОЛИНИИ «КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ – ЗЕМНАЯ СТАНЦИЯ»

ANALYSIS OF THE PROCESS OF CALCULATION OF PARAMETERS, AFFECTING ENERGY BALANCE RADIO LINKS "SPACE VEHICLE - EARTH STATION"

Anton Piskunov

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

Russia, Orenburg

Tatyana Zubkova

scientific adviser, Doctor of Technical Sciences, professor, Orenburg state University,

Russia, Orenburg

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена вопросу применения математического аппарата нечёткой логики с целью автоматизации подбора оптимальных параметров, определяющих величину энергетического запаса радиолинии «космический аппарат – земная станция».

ABSTRACT

The article is devoted to the application of the mathematical apparatus of fuzzy logic in order to automate the selection of optimal parameters that determine the magnitude of the energy reserve of the radio link "spacecraft - earth station".

Ключевые слова: расчёт энергетического бюджета радиолинии, орбитальный спутник, радиоканал «земная станция – космический аппарат».

Keywords: calculation of the energy budget of a radio link, orbital satellite, radio channel "earth station - spacecraft".

Обеспечение надёжно работающей радиолинии между земной станцией и космическим аппаратом является важным аспектом, позволяющим осуществлять радионаблюдение и управление полётом космического аппарата, передавать результаты работы аппаратуры, параметры полёта, данные научных наблюдений и т.п. Радиолиния характеризуется энергетическим запасом (энергетическим балансом). Точный расчёт энергетического запаса необходим для того, чтобы избежать коррекции требований к бортовой и наземной аппаратуре на всех этапах разработки космических систем и комплексов [1, с.66].

Применение средств автоматизации информационных процессов позволит не только определить необходимые для стабильной работы параметры радиолинии, но и подобрать их оптимальным образом для получения наиболее выгодной величины её энергетического запаса. Для достижения указанной цели можно использовать математический аппарат нечёткой логики.

На данный момент существует большое количество программ, основанных на использовании принципов нечёткой логики и нечётких множеств и активно применяющихся в различных областях деятельности человека [2, с.114].

К примеру, пакет CubiCalc позволяет пользователю строить нечёткие модели с помощью нечёткого редактора, обеспечивая ввод, вывод и изменение значений лингвистических переменных, а также нечётких множеств и правил. Программа оснащена нечётким словарём и редактируемой базой данных, используется для решения задач динамического управления в финансовом планировании, сравнительно-оценочных задач, при моделировании предметных областей с качественно меняющимися параметрами.

С помощью программы FuziCalc фирмы FuziWare можно проводить быстрые вычисления при принятии решений, возникающих, например, в разных областях бизнеса. Данный пакет предоставляет большое количество стандартных функций, которые можно использовать при анализе финансовой и хозяйственной деятельности.

Среда FuzzyTECH используется для разработки нечётких экспертных систем, обеспечивает широкие возможности создания входных и выходных переменных, функций принадлежностей и правил.

Несмотря на то, что данный список можно продолжить, следует отметить, что приложения, совмещающего в себе работу на принципах нечётких множеств и одновременно избавляющего бы пользователя от ввода набора правил, необходимых для оптимального подбора параметров указанной радиолинии, обнаружено не было. Можно сделать вывод о необходимости разработки программного средства, которое требовало бы только ввода численных значений определяющих параметров радиолинии и величины их погрешности, рассчитывало промежуточные величины и выдавало конечную величину энергетического запаса, оптимально подобранную в рамках указанных погрешностей параметров.

В результате системного анализа процесса расчёта параметров, влияющих на энергетический баланс радиолинии «космический аппарат – земная станция», был выявлен ряд проблем между требованием практики и состоянием теории. Так как расчёты энергетического запаса радиолинии, эквивалентной шумовой температуры системы и механизмов, определяющих ослабление сигнала на трассе между антеннами передатчика и приёмника, требуют учёта большого количества переменных и связей между ними.

Отсюда предметом исследования становятся методы расчёта параметров, влияющих на распространение радиосигнала в естественных радиотрассах. Эти обстоятельства определяют цель исследования: обеспечение надёжной радиосвязи между земной станцией и космическим аппаратом на земной орбите.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач научного характера:

• провести системный анализ процесса прохождения радиосигнала от земной станции к космическому аппарату;
• разработать теоретическую модель прохождения радиосигнала через слои атмосферы и безвоздушное пространство;
• разработать методы расчёта основных параметров, необходимых для обеспечения радиолинии “космический аппарат – земная станция” с учётом выбранной модели;
• разработать средство автоматизации расчёта параметров указанной радиолинии;
• провести экспериментальные исследования разработанного программного средства и оценить его эффективность.

На распространение радиосигнала в естественных радиотрассах влияет большое количество параметров и физических явлений, которые необходимо рассчитать и проанализировать для того, чтобы передать информацию с нужной скоростью и с удовлетворительной вероятностью битовой ошибки [3, с. 43].

1. Расчёт энергетического баланса радиолинии

Движение космического аппарата осуществляется в космическом пространстве по заданной орбите. Определению подлежат максимальная и минимальная дальности между аппаратом и станцией, и углы места, под которыми спутник можно наблюдать со станции. Необходимо учитывать все возможное граничные случаи для определения изменений плотности потока мощности в створе приёмной антенны и формирования требований к динамическому диапазону приёмника.

Прием сигнала производится на земной станции, высота расположения которой может равняться нулю (станция на поверхности Земли) или какой-либо постоянной величине. Также необходимо проанализировать влияние атмосферы на параметры радиосигнала – данное влияние зависит от величины расположения станции над уровнем моря.

2. Расчет эквивалентной шумовой температуры системы

Для расчета величины энергетического запаса радиолинии нужно вычислить общую мощность создаваемых различными источниками шумов на входе приёмного устройства.

Эквивалентную шумовую температуру системы можно рассчитать по формуле 1:

,                                 (1)

где T_А — шумовая температура антенны, K;

F — коэффициент шума приемника МШУ;

L_прм — потери в СВЧ-тракте от выхода антенны до выхода МШУ.

3. Потери радиолинии

При распространении радиоволн по естественным радиотрассам на характеристики радиосигнала оказывает влияние окружающая среда. Существует несколько механизмов, определяющих величину ослабления сигнала между антенной передатчика и антенной приемника. Кроме потерь в свободном пространстве, радиоволна также испытывает: потери при распространении через атмосферу, потери из-за ошибки наведения антенны, поляризационные потери, потери на обтекателе антенны и прочее [4, с. 18].

Общие потери L в радиолинии рассчитываются согласно формуле 2:

,                                (2)

где L_пр — потери в свободном пространстве;

At — общее суммарное ослабление радиосигналов в атмосфере;

L_пол — поляризационные потери;

L_навпрд , L_навпрм — потери, вызванные ошибками наведения передающей и приемной антенн;

L_пп — прочие потери, вызванные межсимвольной интерференцией, помехами соседнего канала, потерями, связанными с ограничением полосы (так как все системы используют в передатчике фильтры для передачи энергии в ограниченной или выделенной полосах, подобная фильтрация уменьшает общее количество передаваемой энергии, что приводит к ослаблению) и т. д., дБ.

Приведённые выше этапы расчёта энергетического баланса отражают только общие направления анализа – каждый этап содержит значительное количество величин, которые необходимо задать с допустимой погрешностью, и переменных, связанных конкретными выражениями с заданными величинами. Требуется установить все связи между величинами и переменными, строго, без погрешностей, рассчитать энергетический баланс радиолинии, и только затем связать величины правилами нечёткой логики.

Список литературы:

1. Ерохин Г. А., Мандель В. И., Нестеркин Ю. А., Струков А. П. Методика расчета энергетического запаса радиолинии «космический аппарат – станция» // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. Радиотехника и космическая связь. 2018. Т. 5. № 1. С. 65–74.
2. Козлов Анатолий Васильевич, Тамер Ольга Салихьяновна. Программные средства для работы с нечёткими знаниями // Вестник ВУиТ. 2011. №17.
3. Елеферов С. Расчёт линий спутниковой связи - основные понятия и формулы: учеб. пособие / С. Елеферов. - М.: Дубна, 2008.
4. Данные о распространении радиоволн, необходимые для определения помех между станциями, находящимися в космосе и на поверхности Земли : МСЭ-R P.619-3. – Женева, 2018. – 33 с.