Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Анализ систем LEO-HTS и реализуемости фазированных антенных решеток для абонентских терминаловAnalysis LEO-HTS systems and feasibility of phased array antennas for the subscriber terminals

Представлены результаты анализа систем LEO-HTS на основе предполагаемых технических данных и сообщений в прессе. Получены оценки параметров и себестоимости фазированных решеток абонентских терминалов, предполагаемых для использования в системах OneWeb и SpaceX. Показано, что на уровне современных технологий достичь ценовых показателей, заявленных инвесторами этих проектов для абонентских терминалов (ниже $300), невозможно. Cнижение цены абонентского терминала для системы SpaceX прогнозировать можно, но это требует серьезных капиталовложений. Однако предварительно должны быть решены проблемы ЭМС систем LEO-HTS.

The paper presents the results of the analysis of LEO-HTS systems based on alleged technical data and media reports. Technical parameters and cost of phased arrays are estimated for subscriber terminals intended for OneWeb and SpaceX systems. It is shown that the price of the user terminals (below $300) announced by investors of these projects not achievable at the level of modern technology.Itis possible to predict some cost reduction for the user terminal of SpaceX system, but it requires significant investments.However, previously need to be resolved the problem of EMC systems LEO-HTS.

Валентин
Анпилогов
Заместитель генерального директора ЗАО “ВИСАТ-ТЕЛ", к.т.н., доцент
Valentin Anpilogov Deputy General Director JSC “VSAT-TEL", Ph.D., associate professor
Александр
Шишлов
Начальник отдела ПАО “Радиофизика", к.т.н., доцент
Alexandr Shishlov Head of Department OJSC “Radiofizika", Ph.D., associate professor
Александр
Эйдус
Генеральный директор ЗАО “ВИСАТ-ТЕЛ", к.т.н., доцент
Alexandr Eydus General Director JSC “VSAT-TEL", Ph.D., associate professor
Ключевые слова:
LEO-HTS, спутниковые созвездия, фазированная антенная решетка, антенны с электрическим сканированием
Keywords:
constellation, phased array, electrically scanning antennas

В период 2012– 2015 гг. в прессе опубликовано множество сообщений о начале разработки многоспутниковых низкоорбитальных систем в Ku- и Ka-диапазонах, которые обозначают LEO-HTS. Их спутниковые группировки исчисляются сотнями и даже тысячами малых спутников связи с высокой пропускной способностью. Только в период с ноября 2014 г. по ноябрь 2015 г. в ITU заявлено 20 спутниковых сетей с общей численностью в сотни тысяч спутников на негеостационарных орбитах LEO/MEO/HEO [1, 2]. Особый интерес к таким системам, судя по заявлениям их инвесторов, связан с возможностью достижения высоких технико-экономических показателей. Действительно, из публикаций предварительных данных о системах LEO-HTS можно сделать вывод, что себестоимость их ресурса сравнима с будущими геостационарными системами HTS или ниже [3]. Уверенность инвесторов в востребованности спутникового ресурса основывается на активном росте сотовых сетей 4G и прогнозах активного развития 5G. Кроме того, заявлено о прямом подключении индивидуальных абонентов как о второй основной целевой задаче.

Следует отметить, что в начале 2000-х гг. были известны проекты Teledesic (Ka), SkyBridge (Ku) и др., подобные современным проектам LEO-HTS. Но ни один из этих проектов не дошел до практической реализации.

Инвесторам современных проектов LEO-HTS часто задают вопрос, чем современные проекты лучше систем Teledesic и SkyBridge? Ответ всегда примерно одинаковый – сегодня технологии спутниковой связи продвинулись вперед. Масса спутников может быть снижена в несколько раз при большем потенциале их пропускной способности. Производство спутников предполагается на основе их серийности. Это позволяет достичь стоимости $500 тыс. за спутник и ниже. Стоимость услуг по запуску спутников снижается. В результате эквивалентная себестоимость Мбит/с ожидается существенно ниже, чем в системах Teledesic и SkyBridge.

Но одним из основных аргументов в пользу перспективности новых систем LEO-HTS, который отмечают инвесторы, является достижение (видимо, к моменту запуска спутников в 2018–2020 гг.) предельно низких ценовых параметров абонентских спутниковых терминалов (примерно $100–300 в системе SpaceX, [4, 10]). Причем в качестве антенн с электрическим сканированием луча в абонентских терминалах планируется использовать активные фазированные антенные решетки (АФАР).

Естественно, возникает вопрос о реализуемости абонентских терминалов, снабженных АФАР с требуемыми техническими и ценовыми параметрами, как минимум в Ku-диапазоне частот.

Анализ многочисленных публикаций в области фазированных антенных решеток показал, что нет ни одной публикации, в которой содержались бы сведения, достаточные для того, чтобы оценить их реализуемость применительно к данной задаче. Более того, по состоянию на ноябрь 2015 г. нет ни одной публикации, которая раскрывает техническое существо заявленных систем LEO-HTS для однозначного определения требований к фазированным решеткам абонентских терминалов. В известных сообщениях и публикациях приводятся общие данные [1–5], которые не позволяют однозначно оценить конкретные технические параметры. Параметры системы OneWeb частично раскрыты в публикации [6]. В ней на основе предполагаемых параметров OneWeb представлен анализ ЭМС системы OneWeb c системами BSS. Результаты этого анализа кратко отражены и в [1]. Но следует учитывать, что в процессе продвижения проектов системные параметры быстро трансформируются [7].

Некоторые общие параметры систем LEO-HTS по состоянию на ноябрь 2015 г. приведены в табл. 1. Как следует из [5, 8, 9], емкость систем LEO-HTS чрезвычайно велика (достигает десятков Тбит/с) при рекордных заявленных показателях себестоимости передачи единицы информации.


Прогнозы развития рынка, связанного с системами LEO-HTS, сегодня оптимистические [9]. Однако для оценки достоверности этих прогнозов необходимо оценить проблемы утилизации этой емкости. В частности, необходима оценка реализуемости абонентского терминала и его ценовых параметров. Только при достижении приемлемой цены абонентского терминала $100–300 [4, 10] можно рассчитывать на массовость спроса. Причем основные затраты связаны с фазированной антенной решеткой абонентского терминала. Для оценки реализуемости сканирующей антенны на основе фазированной антенной решетки предварительно необходимо провести системный анализ с целью формализации примерного облика системы LEO-HTS. Затем сформировать исходные требования к фазированной антенной решетке абонентского терминала и определить ее облик.

Системные параметры LEO-HTS

Как уже отмечалось, заявленные сегодня системы LEO-HTS имеют космический сегмент, состоящий из множества спутников. Окончательные параметры космического сегмента пока не публикуются, а общие публикуемые данные следует рассматривать только как сугубо предварительные (меняются по мере продвижения проекта). Наиболее многочисленные группировки спутников LEO-HTS заявлены в проектах SpaceX и OneWeb (см. табл. 1). Общий вид спутника OneWeb иллюстрируется на рис. 1.


Общие расчетные соотношения для определения структуры орбитального сегмента LEO-HTS аналогичны соотношениям, используемым для низкоорбитальных систем MSS [11].

Число спутников, угловой сектор обслуживания и сектор сканирования

Увеличение количества спутников в составе космической группировки приводит к некоторым техническим особенностям системы, а именно: чем больше спутников на орбите, тем меньший рабочий угол места можно назначить. На рис. 2 представлена схема формирования рабочей зоны спутника связи.


Для обеспечения непрерывной глобальной рабочей зоны число требуемых спутников зависит от принятого рабочего угла места Θ (см. рис. 2) и определяется известным соотношением

где p – число орбитальных плоскостей, q – число спутников в одной орбитальной плоскости

 

Re - радиус Земли (6371 км), h – высота орбиты спутника. Немаловажным фактором является то, что в системах LEO-HTS наклонная дальность заметно влияет на энергетику радиолиний и изменение запаздывания сигналов от рабочего угла места

На рис. 3 иллюстрируется оценка требуемого числа спутников при высоте орбиты 1200 км (примерно соответствует SpaceX и OneWeb по данным 2015 г.) при однократном охвате поверхности Земли.


Рис. 4 иллюстрирует угловую зону (сектор) обслуживания в зависимости от принятого рабочего угла места. Анализ данных рис. 3 и 4 показывает, что увеличение числа спутников в составе орбитальной группировки позволяет увеличивать рабочий угол места абонентской станции. Соответственно, это уменьшает требуемый угол сканирования фазированной антенной решетки абонентского терминала. Одновременно сокращается и угловая зона обслуживания, создаваемая спутником (см. рис. 4).


На основе данных рис. 4 можно оценить угол сканирования (примерно) антенной решетки абонентского терминала: OneWeb

Спутник должен обслуживать относительно большую угловую зону (по сравнению со спутниками на ГСО). Соответственно, для достижения требуемой энергетики радиолиний и заданной пропускной способности должна использоваться бортовая многолучевая антенна.

OneWeb

На рис. 5 [6] в качестве примера приведена проектная рабочая зона спутника OneWeb, которая подтверждает оценку величины 2а, следующую из данных рис. 4.


Бортовая антенна при таких угловых параметрах лучей может быть выполнена в виде многолучевой фазированной антенной решетки (ширина лучей LEO-HTS больше, чем в системах HTS, более чем на порядок).


В Ku-диапазоне доступная рабочая полоса частот 500 МГц. В данном случае не допускается использовать развязку по поляризации между лучами, и в каждом луче можно использовать не более 125 МГц (четыре частотных литеры или больше). Учитывая, что группы лучей соседних спутников могут пересекаться, число частотных литер может быть и больше. В данном случае примем, что частотная литера – 125 МГц (четыре частотные литеры) или 62,5 МГц (восемь частотных литер). Однако на рис. 5 иллюстрируется формирование рабочей зоны OneWeb (пример из четырех спутников). Каждый спутник имеет 16 абонентских лучей, но смежные зоны пересекаются. Таким образом, для исключения взаимного влияния лучей полосу частот следует принять 62,5 МГц.

SpaceX

Как следует из данных рис. 4 в системе SpaceX угловая рабочая зона спутника меньше (примерно в 2 раза), чем в системе OneWeb.

Предполагается, что в системе SpaceX рабочая зона формируется более узкими лучами. Можно предположить, что рабочая зона каждого луча имеет угловой сектор примерно 5 град. В рамках этих предположений антенна спутника формирует в рабочей зоне минимум 36 лучей с полосой частот до 125 МГц (возможен вариант увеличения числа лучей и/или уменьшения полосы частот в луче до 62,5 МГц).

Емкость спутников

Для анализа энергетики радиолиний и оценки емкости спутника необходимо иметь исходные технические данные. Эти данные, по состоянию на ноябрь 2015 г., неизвестны, а отрывочные сведения, публикуемые в прессе, разнородны и противоречивы. Соответсвенно, анализировались несколько вариантов. Один из наиболее вероятных вариантов представлен в итоговой табл. 11. Моделирование предполагает итерационный многовариантный процесс с учетом граничных условий. В качестве граничных условий выступают параметры и сведения о OneWeb и SpaceX, которые являются относительно достоверными. Для упрощения задачи принято, что энергетика радиолиний “Центральная станция – КА" и “КА – Центральная станция" существенно выше энергетики абонентских радиолиний. Максимально достижимая сигнально-кодовая конструкция принята 16 QPSK, 3/4 (в соответствии со стандартом DVB-S2).

В обратных каналах с целью минимизации передающей антенны абонентского терминала по размеру и потребляемой мощности можно предположить, что основной сигнально-кодовой конструкцией следует принять QPSK, 3/4, LDPC.

Следует учитывать возникновение значительных межлучевых помех (соседние спутники), поэтому далее оценки проводятся для полосы луча 62,5 МГц, то есть используется 8 литер. Ориентировочная емкость в этом случае приведена в табл. 11. Очевидно, что это максимальная емкость спутников (можно предположить, что не менее 90% времени такие значения емкости спутников могут быть достигнуты) при условии, что абонентский сегмент состоит только из небольших индивидуальных абонентских терминалов. Следует отметить, что эти терминалы могут применяться и для коллективного доступа (сопряжение с точкой доступа Wi-Fi или фемтосот 4G/5G). Кроме того, в системе предусмотрено использование и более мощных терминалов, рассчитанных на организацию транспортных каналов для сетей 4G, а возможно, и 5G. С учетом принятого упрощения значение емкости спутника в табл. 11 следует рассматривать в качестве нижней границы. Предполагаемые параметры абонентских терминалов, принятых при оценке емкости спутников, анализируются ниже.

Фазированная антенная решетка абонентского терминала

Полученные значения сектора сканирования (4) и усиления (направленности) луча антенны абонентского терминала позволяют определить минимальное количество независимо управляемых каналов при выполнении антенны в виде АФАР (ФАР) [28]. Однако в данном случае усиление антенны абонентского терминала заранее неизвестно. Поэтому в процессе моделирования одновременно выполнялся энергетический анализ системы LEO-HTS и устанавливалась взаимосвязь комплексных системных параметров и параметров антенны абонентского терминала. При полученных углах сканирования (4) в составе фазированной решетки используются слабо направленные излучатели. Каждый излучатель образует свой активный управляемый канал, если реализуется АФАР. Если реализуется пассивная ФАР, то каждый канал содержит делители и дискретные фазовращатели.

Исходя из оценки сектора сканирования, целесообразная ширина диаграммы направленности отдельного излучателя фазированной решетки с учетом снижения усиления на границе сектора сканирования

2ΔΘxi и 2ΔΘyi - ширина ДН по уровню - 3 дБ для отдельного излучателя решетки.

В дальнейшем для упрощения примем 2ΔΘxi = 2ΔΘyi = 2ΔΘi.

Примерное значение усиления отдельного излучателя можно определить по формуле

где 2ΔΘi ≥ 36 град. для SpaceX, 2ΔΘi ≥ 74 град. для OneWeb, Соответственно, для условий сканирования луча, предполагаемых в системах SpaceX и OneWeb, следует выбирать излучатели АФАР абонентского терминала с усилением:

  • Di ≤13 дБ для SpaceX;
  • Di ≤ 7 дБ для OneWeb.

Число элементов в решетке (М) связано с углом сканирования

где 2Θx, 2Θy – угловой сектор сканирования в ортогональных плоскостях, 2ΔΘx, 2ΔΘy – ширина диаграммы направленности антенны в ортогональных плоскостях. В данном случае примем 2ΔΘx = 2ΔΘy ≈ 2ΔΘo.

Исходя из этих предпосылок с учетом принятых выше данных для спутников OneWeb и SpaceX, на рис. 6–9 представлена оценка достижимых скоростей потоков в радиолиниях и показана взаимосвязь с размерами и числом элементов АФАР. Аналогичные оценки можно выполнить и для пассивных ФАР (здесь они не приведены), но в этом случае за счет потерь в элементах приемной решетки и увеличения тепловых шумов потенциальная емкость спутников не будет реализована на линии “вниз". Емкость прямых каналов снизится примерно в 5–6 раз.


Исходя из принятых сигнально-кодовых конструкций и предполагаемых радиотехнических параметров спутников OneWeb и SpaceX, можно оценить размеры фазированных антенных решеток абонентского терминала (соответственно, и минимальное число элементов M (7)). Результаты такой оценки представлены на рис. 6–9 в предположении отсутствия энергетических запасов.

Проблемы ЭМС

Проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) систем LEO-HTS и существующих систем FSS и BSS с использованием геостационарных спутников является чрезвычайно болезненной [6, 12–16]. Системы LEO-HTS могут использоваться в Ku-диапазоне только на вторичной основе. Кроме того, уже отмечаются будущие проблемы ЭМС между системами LEO-HTS [17]. Стимулом для начала анализа ЭМС LEO-HTS послужила заявка в FCC о желании SpaceX запустить два экспериментальных спутника MicroSat-1a и MicroSat-1b в 2016 г.[12].


Проблема исходит из международных норм и ограничений для негеостационарных спутников (дополнительно отметим, что ряд норм нельзя признать корректными, так как они были приняты для систем LEO-HTS начала 2000-х гг., что сегодня запутывает ситуацию еще больше [6]) в Ku- и Ka-диапазонах.

Уровень плотности потока мощности, создаваемый спутниками НГСО и ГСО, ограничен нормативно в Регламенте радиосвязи (РР) и зависит от угла места, под которым виден спутник. В данном случае эти ограничения (кратко представлены в табл. 3–5) не зависят от угла места, так как не предусмотрена работа с низкими углами места (подробные данные см. РР, табл. 21-4).


Эти данные позволяют оценить допустимые энергетические потенциалы радиолиний и оценить проблемы электромагнитной совместимости систем LEO-HTS с иными системами. Из параметров, представленных в табл. 3, следует, что спутники на низких круговых орбитах потенциально могут иметь более высокую энергетику (примерно на 11 дБ, если не принимать во внимание энергетические возможности спутника на НГСО), чем реально существующие сегодня спутники на ГСО. Однако чтобы реализовать эту энергетику, предварительно следует оценить целый ряд условий.


Например, можно сделать вывод, что при заданных параметрах спутников OneWeb и SpaceX ограничения (табл. 3) выполняются. При этом параметры передающих терминалов не создают проблем в части выполнения ограничений уровня помех, указанных в табл. 4, в направлении спутников на ГСО (впрочем, как и любых высокоэллиптических орбит).


Основная проблема связана с обеспечением ограничений, кратко отмеченных в табл. 5 (подробно в РР, таблица 22-1А, D).


Действительно, если не принимать никаких мер, то уровень помех, создаваемых спутниками LEO-HTS, может существенно превысить указанные значения. В частности, системы OneWeb и SpaceX создают уровень плотности потока мощности в направлении приемных станций, работающих со спутниками на ГСО, на порядкок более высокий, чем допускает в Регламент радиосвязи. На рис. 10 представлена оценка превышения уровня спектральной плотности потока мощности, которые создают спутники OneWeb и SpaceX в зоне установки приемных земных станций при совпадающих диапазонах частот для уровня ограничения - 146 дБВт/м2 в полосе 1 МГц и относительно реального уровня приемного сигнала (табл. 3). Эти превышения действуют периодически и в основном наблюдаются в зоне экваториальных широт. Эта проблема отмечена и в [6], где дана оценка, что при использовании приемных терминалов с антенной 0,6 м совокупное время их неприемлемого поражения помехами за год составит 78,6 минут в день (эквивалентно вероятности готовности канала 0,945). Из табл. 5 следует, что при учете временных % превышение еще более сильное (примерно еще +20 дБ), чем на рис. 10.


С целью исправить эту ситуацию, например в системе OneWeb, предлагается всю группу лучей увести на угол F от исходного надира. Это позволяет создать гарантированный угол F между направлением приемных станций на ГСО и направлением на спутник НГСО. Причем предлагается осуществлять эту операцию за счет периодического подворота всего спутника в начале процесса прохождения экваториальной зоны. Но пока ответа нет на следующие вопросы: реализуем ли такой сценарий c подворотом спутника? Возможно ли достичь приемлемого уровня боковых лепестков у бортовой многолучевой антенны? Очевидно, что проблема ЭМС LEO-HTS требует дополнительных исследований.

О ценовых параметрах АФАР

В системах связи сканирующая антенна обычно выполняется в виде отдельных приемной и передающей АФАР (ФАР). Объясняется это тем, что в противном случае требуется в каждом приемном канале АФАР установить фильтры для подавления сигналов передающих каналов, их излучений на частотах приема и внеполосных излучений, что резко усложнило бы конструкцию. Себестоимость АФАР (ФАР) при серийном производстве (без учета настроек и полных измерений параметров) запишем в виде отдельных составляющих (без учета процессора, реализующего алгоритм наведения луча):

для приемной

δ – стоимость излучающего полотна, $/см2;
Δ – стоимость конструкции, сборки, проверки;
φ - стоимость фазовращателя;
Mr – количество приемных каналов;
Mt – количество передающих каналов;
Аr – стоимость приемного модуля (как минимум, включает в свой состав МШУ);
Аt – стоимость передающего модуля (как минимум, включает в свой состав УМ).

По условиям задачи требуется получить суммарную себестоимость Ca = Car + Cat < $300. Однозначная оценка параметров, входящих в (8), очевидно, невыполнима. Причиной этого является то, что АФАР до настоящего времени практически не используются для систем связи в диапазонах частот выше C-диапазона, и отсутствуют статистические ценовые параметры. Однако научные исследования в этой области ведутся непрерывно уже не одно десятилетие. Наибольшее распространение АФАР различных типов получили в радиолокационных системах самого разного назначения. В этой области технологии АФАР продвинулись существенно по сравнению с АФАР для систем связи. При этом ряд элементов АФАР для систем связи и АФАР для радиолокационных систем имеют много общего. Но следует отметить, что прямое использование данных о радиолокационных ФАР и АФАР для систем связи неприемлемо.

Кроме того, определенные успехи в практическом применении пассивных ФАР имеются и в области спутникового вещания в Ku-диапазоне.

О ценовых параметрах радиолокационных АФАР

Зачастую представление о высоких ценовых параметрах АФАР базируется на данных о радиолокационных системах. Например, по данным компании “Исток" (2006 г.), цена АФАР складывается из цены элементной базы, цены конструкции, сборки, настройки и испытаний АФАР (рис. 11). Примерно можно считать, что элементная база составляет 63–73% от стоимости модуля АФАР с выходной мощностью более 1 Вт. Причем уже в 2005 г. была достигнута цена модуля $310 (X-диапазон), то есть за 2 года цена снижена почти в 2 раза (рис. 11). В данном случае с учетом серийности АФАР можно ожидать, что доля стоимости элементной базы при серийном производстве будет возрастать до 80–85% от общей цены.


Косвенно подтверждают эти данные сведения (табл. 6) о ценовых составляющих АФАР радиолокационной станции морского базирования [18] (в стоимость АФАР включены цифро-аналоговые преобразователи).


Высокая цена канала АФАР следует и из данных, приведенных в статье [23] о стоимости условного 1 м2 полотна пассивной и активной ФАР. Данные [23] относятся к радиолокационным станциям с высокой мощностью излучения (мощность примерно 2 кВт).

Представленный краткий обзор показывает, что опыт разработки и ценовые оценки мощных радиолокационных АФАР следует очень критично использовать при анализе достижимых ценовых параметров АФАР для систем связи. По крайне мере, некорректны прямые ссылки о высоких ценовых параметрах АФАР для систем связи на основе данных о радиолокационных АФАР.

Кроме того, можно предположить ощутимый прогресс в части снижения стоимости АФАР. За три года цена элементной базы снизилась примерно в 2 раза (рис. 11).

О ценовых параметрах антенных решеток для приема ТВ

Применение фазированных решеток для приема спутникового ТВ не получило активного развития. Однако примеры реализации таких антенн известны и дают дополнительные сведения для наших оценок. Например, еще в конце 1990-х гг. компания Matsushima Electriv Works предложила на рынке приемные пассивные антенные решетки в диапазоне Ku [20]. Исходя из данных [20], можно дать нормированную оценку стоимости излучающего полотна (без фазовращателей). Это значение примерно составляет δ = $ 0,021 за 1 см2 излучающего полотна.

Сегодня такие антенны выпускает, например, компания Selfsat. Наиболее простая антенна размером 54,7х27,4 см стоит 94 евро (включая LNB). За вычетом стоимости LNB (примерно 20 евро) можно дать оценку увеличения себестоимости, связанной с самой конструкцией антенны и диаграммообразующим устройством. Увеличение цены за счет конструкции и диаграммообразующего устройства составляет Δ = $50 для небольших антенн (менее 0,6 м) при серийном производстве. В результате для фазированной антенной решетки применительно к абонентскому терминалу LEO-HTS (приемной или передающей) стоимость излучающего полотна с учетом конструкции примем

,

где Сп = Спr + Спt – стоимость излучающего полотна вместе с конструкцией, $.

В (9) принято, что стоимость конструкции Δ равномерно разделена между приемной и передающей АФАР (ФАР), поскольку они объединены в абонентском терминале в единую конструкцию.

О ценовых параметрах фазовращателей

Основным элементом, который присутствует в любой традиционной фазированной антенной решетке (не рассматриваются цифровые АФАР или антенные решетки, заявленные компанией Kymeta [21, 22]) любого назначения, является дискретный фазовращатель. В [23] представлены сведения о ценовых параметрах пассивных ФАР, используемых в крупных РЛС (излучаемая мощность более 2 кВт). Особенностью в данном случае является условие достаточно высокой мощности и минимально возможных потерь. Каналы выполнены с использованием ферритовых фазовращателей и PIN-диодных фазовращателей.

Как следует из этих данных, цена ферритового фазовращателя в диапазоне Ku/Ka составляет не менее $15–20, а цена фазовращателей на PIN-диодах существенно выше (табл. 7). Дополнительные ценовые параметры приведены в исследовательских отчетах компаний США [24] по разработке фазовращетелей на основе сегнетодиэлектриков и фазовращателей типа MEMS (табл. 8). Примерно 10 лет ряд организаций и компаний США (US Army CERDEC, US Army Research Laboratory, US Army AMRDEC, Agile RF, Inc., Raytheon Space & Airborne Systems) проводили исследования по созданию и серийному производству сегнетоэлектрических и MEMS-фазовращателей применительно к использованию в АФАР. По данным [24], достигнуто снижение цены фазовращателя с $50 до $10. Общие затраты на НИОКР, включая технологическую подготовку производства, составили $134 млн. При этом производственные мощности превосходят потребности в 10 раз. Отмечено, что фазовращатели MEMS получились с достаточно низкими потерями, что позволило их применить в пассивных ФАР. Работы продолжаются в рамках военных программ США (Warfighter Information Network – Tactical (WIN-T) и Future Combat Systems (FCS). Эти данные уже могут быть приняты во внимание при оценке достижимых ценовых параметров АФАР для систем связи.


Как следует из данных табл. 7, наиболее перспективным является применение MEMS. Этот вывод подтверждается и данными [25], где представлено описание АФАР Х-диапазона (10 ГГц) и анализ элементной базы для ее реализации. В частности, представлено сравнение вариантов реализации фазовращателей (4 бит) и дана оценка их стоимости (табл. 8).


Как следует из этих данных [25], MEMS-фазовращатели наиболее выгодны по техническим параметрам (в том числе имеют практически нулевое потребление энергии) и стоимостным параметрам. Следует отметить, что MEMS-фазовращатели подробно рассмотрены в [26], где отмечено, что они могут применяться до 20 ГГц при сохранении хороших технических параметров.

Оценовых параметрах активного канала

В [27] представлены многочисленные варианты реализации АФАР применительно к задачам радиолокации, но есть сведения и о АФАР для систем связи. На основе данных [27] можно сделать вывод, что наиболее перспективным направлением в технологии АФАР для систем связи являются MMIC на основе SiGe. В табл. 9 приведена стоимость канала (приемо-передающего модуля) АФАР в зависимости от мощности передающего устройства. При этом отмечено, что при минимальной мощности в перспективе достижима стоимость $1 за канал, выполненный на основе SiGe. Проблемой пока остается достижение хороших шумовых параметров. В [27] представлено множество примеров экспериментальной реализации АФАР и ее элементов в диапазонах X, Ku, Ka, Q, W, в том числе некоторые примеры относятся к системам связи. Причем для приемного модуля отмечено, что в перспективе достижима цена $1.


Для создания передающей АФАР применительно к LEO-HTS мощность излучения достаточна в пределах 0,03 < P < 0,1 на канал. Таким образом, есть основания для предположений, что в перспективе можно получить предельно низкие ценовые параметры активных модулей.

Себестоимость антенной решетки

Учитывая данные, представленные на рис. 6–9, можно примерно оценить размеры антенной решетки абонентского терминала. Исходя из этих данных и результатов анализа ценовых параметров элементов АФАР (ФАР), можно составить представление о достижимости себестоимости абонентского терминала, заявленной инвесторами проектов OneWeb и SpaceX. Очевидно, что если приемная и передающая решетки выполнены в виде АФАР, то говорить о достижении себестоимости в $300 [7, 10] пока нет оснований. С целью минимизации цены целесообразно передающую антенную решетку выполнить в виде пассивной ФАР с использованием MEMS-фазовращателей.

Для численной оценки приняты параметры антенной решетки, представленные в табл. 10, исходя из предположения, что в каждом луче полоса частот 62,5 МГц (минимизация межлучевых помех).


Учитывая данные рис. 12, полученные на основании (9) при условии, что приемный модуль стоит $2, а стоимость фазовращателя – $10 (например, MEMS), общая себестоимость антенной решетки в системе OneWeb примерно в 20–30 раз выше заявленной себестоимости абонентского терминала. Очевидно, что в данном случае выгоднее перейти на конструкцию, в которой сканирование осуществляется по углу места, а по азимуту сканирование обеспечивается механическим поворотом антенной системы.


Полученная оценка применительно к системе SpaceX выше заявленной инвесторами минимум в 3 раза. Можно ожидать, что в будущем при крупносерийном производстве себестоимость фазовращателей и канала в целом снизится. Если цена фазовращателя снизится с $10 до $2, то в этом случае для антенной решетки абонентского терминала системы SpaceX цена может быть достигнута немного ниже $300.

Итоги

Системный анализ показывает, что с увеличением числа спутников LEO-HTS в космическом сегменте системы можно достичь емкости системы, исчисляемой десятками Тбит/с. Утилизировать эту емкость инвесторы планируют в том числе за счет индивидуальных абонентов. В случае, если в абонентском сегменте используются только индивидуальные терминалы, то емкость спутника заметно ниже, чем заявляемая инвесторами (табл. 11). Однако общая емкость системы остается соизмеримой с емкостью ВОЛС.


Особой проблемой является практическая реализация абонентского терминала, и ключевым элементом этой проблемы является АФАР (ФАР).

Себестоимость абонентского терминала, исходя из современных технологических возможностей, высокая. Значительно выше, чем заявляют инвесторы проектов OneWeb и SрaceX. Основной вклад в ценовые показатели вносит себестоимость фазированных антенных решеток. Себестоимость антенной системы абонентского терминала, выполненной на основе фазированных решеток на современном уровне, не может быть достигнута ниже $300. Для достижения показателей, заявленных инвесторами, необходимо либо увеличивать число спутников в составе космической группировки, либо стремиться создать канальные модули (фазовращатели + усилительные элементы) по цене $1–2 за канал. Однако решение этих технологических задач должно предваряться адекватными решениями проблемы ЭМС систем LEO-HTS с действующими и планируемыми спутниковыми и наземными системами связи и вещания.

Авторы выражают благодарность директору по развитию бизнеса Sofia Connect господину Christian Frhr. von der Ropp за помощь в обзоре информационных материалов.

Литература

  1. HENRI Y.RECENT NON-GEOSTATIONARY (NGSO) SYSTEMS, International Telecommunication Union, Workshop on the Efficient Use of the Orbit/Spectrum Resource 2015.
  2. Selding P. Sings of a Satellite Internet Gold Rush in Burst of ITU Filing, SpaceNews, 23.07.2015, http://spacenews.com/signs-of-satellite-internet-gold-rush.
  3. Анпилогов В.Р. Эффективность низкоорбитальных систем спутниковой связи на основе малых космических аппаратов // Технологии и средства связи, 2015. № 4. С. 62–67: http://www.tssonline.ru/arti-cles2/sputnik/effektivnost-nizkoor-bitalnyh-sistem-sputnikovoy-svyazi-na-osnove-malyh-kosmicheskih-appa-ratov.
  4. Selding P., SpaceX to Build 4000 Broadband Satellite in Siettle, Space-News, 19.01.2015 http://space-news.com/spacex-opening-seattle-plant-to-build-4000-broadband-satel-lites.
  5. P. Butani, GEO-HTS is here today but… Is LEO-HTS the future? Satcom Post, January 20, 2015 http://satcompost.com/geo-hts-is-here-today-but-is-leo-hts-the-future.
  6. P. Selding, OneWeb Get (Slide) Decked by Competitor of CASBAA, SpaceNews, 28.10.2015 http://space-news.com/oneweb-gets-slide-decked-by-competitor-at-casbaa.
  7. SpaceX and OneWeb internet satellite comparison, http://forum.nasaspaceflight.com/index.php?topic=36590.0.
  8. Brent Prokosh LEO HTS: The Silver Bullet to Bridge the Digital Divide? Satellite Executive Briefing, March 2015, 26–27.
  9. Blaine Curcio, Future Satellite Applications and Services in Brazil and Worldwide 2nd Annual Seminar on Spectrum Management–Brasilia, 17 September 2015. http://www.anatel.gov.br/Portal/documentos/sala_imprensa/17-9-2015–14h53min56s-Apres_1_1a-Ana-tel_PPT_v17_September_FINAL .
  10. L. CORDEIRO, OneWeb aposta em terminal de US$ 250 para conec-tar o planeta, Converge Comuni-cações, 15.10.2015. http://convergecom.com.br/tele-time/15/10/2015/oneweb-aposta-em-terminal-de-us-250-para-conectar-o-planeta.
  11. S. Cakaj, B. Kamo, A. Lala, A. Rakipi. The Coverage Analysis for Low Earth Orbiting Satellites at Low Elevation , International Journal of Advanced Computer Science and Applications, Vol. 5, No. 6, 2014, p. 6– 10, www.ijacsa.thesai.org.
  12. B. Selding, Intelsat Asks FCC To Block SpaceX Experimental Satellite Launch – SpaceNews, 22.07.2015, http://spacenews.com/intelsat-asks-fcc-to-block-spacex-ex-perimental-satellite-launch/ #sthash.jUoSfJgx.dpuf .
  13. Caleb Henry, Intelsat Tempers Down Disagreement Over SpaceX’s Experimental SmallSats, Via Satellite 07-29-2015.
  14. Broadband and Encouraging Innovation through Establishment of an Air-Ground Mobile Broadband Secondary Service for Passengers Aboard Aircraft in the 14.0–14.5 GHz Band; GN Docket No. 13-114, RM-11640.
  15. Letter from Henry Goldberg and Joseph Godles, Counsel for SpaceX, to Marlene Dortch, Secretary, FCC, GN-Docket No. 13-114, RM-11640 (July 30, 2015) (“SpaceX Ex Parte Notice").
  16. M. Kirby, SpaceX flags concerns over next gen ATG service; Gogo hits back, Runway Girl Network, 31.08.2015.
  17. Электронный ресурс FCC, https://apps.fcc.gov/oetcf/els/re-ports/ViewExhibitReport.cfm?id_file_num=0356-EX-PL-2015&applica-tion_seq=66082.
  18. Ashok K. Agrawal, Bruce A. Kopp, Mark H. Luesse, and Kenneth W. O’Haver, Active Phased Array Antenna Development for Modern Shipboard Radar Systems, JOHNS HOPKINS APL TECHNICAL DIGEST, VOLUME 22, NUMBER 4 (2001), p.600-613.
  19. Ребров С.И. Приоритетные направления развития электронной СВЧ техники, Электронная техника, сер. 1, СВЧ-техника, вып. 1 (500), 2009. С. 83–91.
  20. Парнес С. Фазированные антенные решетки в системах спутникового телевидения // Теле-Спут-ник. – 1997. Август. С. 58–60.
  21. Анпилогов В.Р. О фазированных антенных решетках Ka-диапа-зона на основе метаматериала // Технологии и средства связи.– 2013. – № 5. – С. 66–67.
  22. Слюсар В. Перспективные технологии антенных решеток мобильных терминалов спутниковой связи // Технологии и средства связи.– 2014. –№4. – С. 64–68.
  23. Толкачев А.А., Егоров Е.Н., Шишлов А.В. О некоторых тенденциях развития радиолокационных и связных систем // Радиотехника. – 2006. – № 4. – С. 5–11.
  24. http://www.armymantech.com/SucessStories/PhaseShifter.pdf .
  25. Kviatkofsky, ELECTRONICALLY SCANNED ARRAYS USING MICRO ELECTRO MECHANICAL SWITCH (MEMS) TECHNOLOGY memtronics.com›files/PAPER_RAD9 9a1.pdf.
  26. Kagan Topalli, Özlem Aydin Civi, Simsek Demir, Sencer Koc, Tayfun Akin, A Monolithic Phased Array Using 3-bit Distributed RF MEMS Phase Shifters, IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 56, NO. 2, FEBRUARY 2008, p. 270– 277.
  27. G. M. Rebeiz, Advances in SiGe BiCMOS Technology with Chip-Scale Phased Array Applications, IEEE Phased Array Symposium Short Course, October 2013.
  28. Вендик О.Г. Парнес М.Д. Антенны с электрическим канирова-нием. Введени в теорию. –2001. С. 252.

Опубликовано: Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание"-2016
Посещений: 4585


  Автор
Анпилогов Валентин Романович

Анпилогов Валентин Романович

Зам.ген.директора ЗАО "Висат-Теп"

Всего статей:  52


  Автор
Александр Шишлов

Александр Шишлов

Начальник отдела ОАО “Радиофизика", к.т.н.

Всего статей:  2


  Автор
Александр Эйдус

Александр Эйдус

Генеральный директор ЗАО “ВИСАТ-ТЕЛ", к.т.н., доцент

Всего статей:  27

В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций