Спутниковая связь (SATCOM) является одним из столпов современного мира, с приложениями, включая глобальную систему позиционирования (GPS) и глобальную навигационную спутниковую систему (GNSS), навигацию, космические исследования, телекоммуникации, доступ в Интернет и мониторинг погоды.

Наряду с самим спутником наземные станции имеют решающее значение для индустрии SATCOM. Они передают и принимают данные на спутник и со спутника, обрабатывают информацию и применяют ее для различных целей в зависимости от приложения. Поэтому очень важно обеспечить эффективную и надежную связь между спутниками и наземными станциями, что может оказаться затруднительным при использовании обычных антенн.

Технологии фазированных решеток предназначены для преодоления этих проблем, обеспечивая более контролируемую и сфокусированную электромагнитную связь за счет использования деструктивных и конструктивных помех. Их можно с помощью электроники направить в разные стороны без физического перемещения антенн. Однако для правильной работы фазированные решетки требуют интеграции с высокопроизводительными программно-определяемыми радиостанциями (SDR).

Обычный способ фокусировки электромагнитного луча состоит в том, что механическое оборудование перемещает рефлекторные антенны к одному спутнику, работающему на одной частоте, что часто слишком просто для сложных систем SATCOM. Это особенно актуально для созвездий, где одновременно требуются данные с нескольких спутников.

Новые методы формирования диаграммы направленности, реализованные с помощью фазированных антенных решеток и SDR, становятся все более популярными. По сравнению с большими рефлекторами они предлагают более низкую стоимость, меньше обслуживания, более высокий уровень гибкости и модульности, а также более эффективное использование электромагнитного спектра. Кроме того, наземные станции на основе SDR могут одновременно отслеживать несколько спутников, работающих на разных частотах и схемах модуляции, что, в свою очередь, значительно сокращает необходимое количество наземных станций.

В этой статье обсуждаются основные принципы работы наземных станций, преимущества новых фазированных антенных решеток для SATCOM, их основные проблемы и решения, которые системы на основе SDR предоставляют для этих приложений.

 

Наземные станции

 Наземные станции (GS) — это наземные объекты или установки, которые связываются с космическими аппаратами с использованием радиочастот, выступая в качестве посредника между земным приложением и развернутым спутником. Этот термин также охватывает прием электромагнитных волн от астрономических источников, но в этой статье мы сосредоточимся на спутниковых приложениях.

Связь между GS и спутником обычно осуществляется в диапазонах сверхвысоких частот (СВЧ) и крайне высоких частот (КВЧ), включая микроволны, через параболические антенны. Общая радиоструктура устаревших GS состоит из параболического отражателя, рупора, волновода и радиочастотного приемопередатчика, в котором реализованы SDR. В некоторых системах также может использоваться сферический обтекатель для защиты и сокрытия радиокомпонентов.

Параболическая антенна отражает все электромагнитные волны, идущие от спутника, в единую конфокальную точку, где установлена рупорная антенна. Рупор соединен с волноводом, который направляет сигнал на малошумящий блок (LNB), который преобразует сигнал до приемлемого уровня для этапов обработки сигнала. GS отвечает не только за восходящую/нисходящую передачу данных, но также выполняет основные спутниковые процедуры, такие как отслеживание, телеметрия и управление (TT&C).

Обычный подход к приему сигналов на GS состоит в использовании большой параболической антенны, механически управляемой для отслеживания направления спутника. Эти антенные системы чрезвычайно дороги и медленны в развертывании, а также навсегда ограничены местом, где они установлены. Более того, этот подход применим только для одного спутника, работающего в определенной полосе частот, так как его сложно экстраполировать на группировки спутников, не строя несколько параболических антенн.

В настоящее время индустрия SATCOM занимается поиском более гибких и эффективных антенных решений, чтобы удовлетворить сдвиг парадигмы современных систем GS в сторону облачных инфраструктур. Эти инфраструктуры в основном представляют собой сети наземных станций с реконфигурируемым распределением ресурсов, работающим под управлением планировщика для одновременного предоставления услуг сотням спутников и приложений без какой-либо модификации оборудования. Ожидается, что для обеспечения качества обслуживания алгоритмы искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения (МО) будут играть важную роль в управлении сетью GS.

Кроме того, фазированные антенные решетки все чаще становятся лучшей альтернативой параболическим решениям. Они обеспечивают лучшую поддержку нескольких одновременных антенн и фокусировки сигнала без больших и дорогих механических систем управления, используя методы формирования луча и управления лучом.

 

Преодоление препятствий при переходе на работу с несколькими спутниками

 Тем не менее, необходимо решить несколько технологических проблем, чтобы обеспечить смену парадигмы в индустрии SATCOM. Во-первых, полоса пропускания приемопередатчиков GS должна быть рассчитана на работу с постоянно увеличивающейся полосой пропускания и частотами современных схем связи. Системы GS также должны обеспечивать решения с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO) для поддержки сотен или даже тысяч одновременных космических аппаратов в группировках наноспутников, которые становятся все более популярными.

Системы MIMO представляют собой еще один желательный вариант для мониторинга других группировок спутников и космического мусора перед запуском спутников, которые, как ожидается, значительно возрастут по мере расширения SATCOM. Чтобы должным образом управлять огромными объемами данных MIMO, система GS должна работать с жесткой синхронизацией по времени, чтобы гарантировать точность и надежность информации. Технологические требования для решения этих проблем включают высокопроизводительную систему обработки сигналов, высокоскоростные оптические каналы связи между GS и антенны с электронным управлением для радиочастотной связи.

Одной из основных проблем в технологии GS является необходимость решения очень крупномасштабных развертываний наноспутников, которые быстро становятся тенденцией в интернет-индустрии вслед за такими компаниями, как SpaceX и OneWeb. Эти группировки наноспутников потребуют крупной земной инфраструктуры с миллионами небольших и дешевых GS по всему миру, которые легко и быстро развертываются.

Большие параболические антенны очень трудно масштабировать на этом уровне, поэтому для отслеживания, контроля, управления и связи с этими спутниковыми группировками необходимы антенны с электронным управлением. Одной из основных проблем антенн с электронным управлением является радиосистема. Он должен предоставлять большие наборы каналов MIMO с независимыми конфигурациями и жесткой синхронизацией, чего обычно невозможно добиться, используя только устаревшие устройства.

Антенны с фазированной решеткой являются ярким примером антенн с электронным управлением. Фазированная решетка состоит из набора пространственно распределенных антенн, которые используют методы управления лучом для управления и реконфигурации своей диаграммы направленности без необходимости использования механических систем позиционирования (рис. 1). Они используют конструктивную и деструктивную интерференцию наложения одной или нескольких антенн для усиления сигнала в определенном направлении и ослабления его в нежелательных местах, так что решетка действует как одна большая антенна с реконфигурируемой направленностью.

Рис. 1. Показан пример электронного управления лучом с использованием MIMO SDR и антенных решеток с подключением к хост-системе с помощью оптоволоконной линии связи

 

Основным преимуществом фазированных антенных решеток, помимо возможности указывать на определенные места без механического перемещения, является их способность одновременно связываться с несколькими спутниками на разных частотах, что очень желательно в приложениях наноспутников. Для управления этими массивами требуются высококачественные приемопередатчики MIMO с возможностью тщательного независимого управления амплитудой и фазой каждого канала. Поэтому радиочастотные станции на основе SDR становятся первостепенными для фазированных антенных решеток.

Использование фазированных решеток в инфраструктуре наземных станций дает несколько преимуществ:

  • Они обеспечивают пространственную фильтрацию, устраняя сигналы из нежелательных мест и усиливая их в одном направлении. Направление и форма диаграммы определяются наложением отдельных вкладов антенн, которыми можно управлять с помощью устройств MIMO.
  • Фазированные решетки увеличивают усиление мощности в нужном направлении, обеспечивая большую дальность и надежность для приемника независимо от его положения. Поскольку они улучшают коэффициент передачи, они также повышают радиочастотную чувствительность, поскольку отношение сигнал/шум у фазированных антенных решеток лучше, чем у решений с одной антенной.
  • Наконец, устранение механического движения обеспечивает гораздо более быстрое управление по сравнению с механическим вращением в параболических антеннах — процесс управления в фазированных антенных решетках определяется только электрическими сигналами, которые могут изменяться за миллисекунды, что желательно, чтобы не отставать от быстрых низкоорбитальных (LEO) спутников, которые могут развивать скорость до 7,6 км/с. Кроме того, поскольку скорость управления легко определяется, один и тот же GS может работать со спутниками на низкой околоземной орбите, на средней околоземной орбите (MEO) и на геостационарной околоземной орбите (GEO).

 

Источник: www.mwrf.com