Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

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

Надежность космического сегмента систем массового обслуживания типа VSAT

Валентин
Анпилогов
к.т.н., ЗАО "ВИСАТ-ТЕЛ"
Александр
Афонин
аспирант МАИ

С путниковые системы массового обслуживания типа VSAT (например, действующие системы Wildblue, HughesNet, TooWay) предполагают наличие множества абонентов. Часто такие системы определяют как спутниковые системы широкополосного доступа (ШПД). Каждый спутник должен обеспечить надежную работу нескольких сотен тысяч и даже миллионов абонентских станций, поэтому проблемы надежности спутника в данном случае являются более острыми, чем для обычных спутниковых систем связи. В этом отношении требование к надежности работы системы спутникового ШПД во многом идентично аналогичному требованию для систем спутниковой     радиовещательной службы РСС.

Анализ показывает, что подавляющее большинство систем РСС организованы с учетом резервирования космического сегмента (Astra, DirecTV и т.д.). Имеющиеся отдельные частные примеры систем РСС без космического резервирования следует рассматривать как исключение из правил (например, российская система на основе спутника "Бонум-1").

Естественно, что еще при проектировании спутника закладывается максимум возможностей резервирования всех его жизненно важных систем и приборов. В конечном счете цель одна – обеспечить максимально возможный срок службы. Однако понятие “срок службы спутника" – это не совсем корректное определение. Дело в том, что спутник состоит из двух модулей – модуля служебных систем, то есть космической платформы, и модуля полезной нагрузки. Космические платформы выпускаются специализированными компаниями и обладают типовыми параметрами. Одними из наиболее показательных параметров являются мощность электропитания, масса, выделяемые для модуля полезной нагрузки и гарантированный срок сохранения маневренности космических платформ на орбите.

Модуль полезной нагрузки – это интеллектуальная “начинка", построение и состав которой зависят от функциональных задач, которые определяет заказчик. Построение этого модуля почти всегда уникально. Даже при реализации полезной нагрузки для однотипной функциональной задачи всегда имеются нюансы, хотя основные блоки могут быть типовыми. Основным показателем полезной нагрузки наряду с ее техническими параметрами является гарантированный срок службы. Часто он определяется как вероятность отказа определенного числа стволов за указанное время.

Таким образом, гарантированный срок службы спутника есть сложная функция, зависящая как минимум от двух основных составляющих. Часто в просторечии называют сроки службы 15 и даже 18 лет, но что за этим стоит на самом деле, как правило, не раскрывается. Для пояснения и примера приведены данные для спутников Intelsat (см. табл.).


Сохранение маневренности спутника всегда превышает его средний срок активного существования (САС). Причем под понятием САС часто понимаются различные сроки и различные критерии их определения, которые, как правило, в общедоступной технической литературе упоминаются очень редко. Например, для спутников Intelsat средний САС исчисляется из условия возможности (вероятности) отказа одного ствола в каждом из лучей. Если посчитать все лучи и все стволы спутника серии Intelsat-7, то получится, что допускается отказ примерно 25% стволов за 10,9 года.

Для сравнения – полезная нагрузка российских спутников “Горизонт" нарабатывала без отказа стволов до 10 лет, и все основные отказы спутника и ограничения срока его работы были связаны в подавляющем большинстве случаев с отказами и ограниченным ресурсом космической платформы (ее подсистем), а не полезной нагрузки.

Схемотехническое резервирование

Схемотехническое резервирование при построении полезной нагрузки современного спутника связи обеспечивается путем создания “плавающего резерва" отдельных приборов и ствола в целом. Принцип, который здесь соблюдается, сводится к тому, что для N активных стволов (приборов) имеется M резервных. Причем всегда M менее N. Этим достигается, с одной стороны, более глубокое резервирование, с другой – экономия массы. Следует отметить, что на спутниках 1970-х гг. использовался другой принцип – для каждого активного ствола имелся свой резервный. В этом случае M = N, что невыгодно как по параметрам надежности, так и с точки зрения экономии массы полезной нагрузки. Необходимо отметить, по-видимому, существенную особенность “плавающего резервирования" – возможность более четко выявить случайные отказы и отказы систематического характера, а также возможность прогнозировать отказы в процессе работы спутника на орбите.

Системное резервирование – общие подходы

Если схемотехническое резервирование определяет надежность функционирования спутника, то системное резервирование определяет безотказность работы всей сети. В зависимости от построения космической группировки имеется несколько вариантов реализации системного резервирования.

Так, в системе Intelsat предусмотрена опережающая замена спутников в соответствии с прогнозом возможных  отказов.  В  результате таких прогнозов принимается решение о замещении аппаратов новыми спутниками или перемещении их из одной позиции геостационарной орбиты в другую, например, в позицию с менее напряженным трафиком.

Такие масштабные перемещения спутников возможны только благодаря соблюдению правила идентичности и преемственности частотного плана работы стволов для спутников старых и новых серий.

В системе Inmarsat принят несколько иной подход. Здесь предусмотрено использование действующих спутников в соседних позициях даже без перевода в штатные рабочие позиции. Это обеспечивается за счет специфики системы подвижной спутниковой службы – все наземные абоненты имеют антенны с широкой диаграммой направленности, а береговые станции оснащены автоматическими системами наведения. Соответственно переход на спутник, расположенный в другой (но близкой) позиции, практически не ощутим для множества наземных абонентов.

Резервирование спутников, обеспечивающих вещание, осуществляется за счет их кластерного расположения в выделенной точке геостационарной орбиты. Например, организация SES создала мощный кластер спутников серии Astra в позиции 19,2 град. в.д. Причем спутники имеют избыточный частотный ресурс, частично перекрывающий по полосе частот друг друга с целью взаимного резервирования. Аналогичный по идее кластер спутников создан и организацией Eutelsat. Например, в позиции 13 град. в.д. расположено пять спутников серии Hot Bird. Создание кластера спутников приводит к тому, что в случае отказа ствола или даже спутника работа системы вещания не прерывается.

Оценка надежности и восполнения космического сегмента РСС-ВСД

Основным параметром, определяющим срок службы аппаратуры, является интенсивность отказов λ, которая в общем случае зависит от временного фактора λ(t). Типичная временная зависимость частоты отказов приведена на рис. 1, которую часто определяют как кривую Вейбулла.


В период времени 1 происходит выявление подавляющего большинства отказов, связанных с производственными и конструктивными недоработками в аппаратуре. Этот период связан с наземной отработкой и испытаниями бортовой аппаратуры. Период времени 2 определяет основной период штатной работы спутника связи, а временной период 3 определяет работу спутника за пределами его срока службы.

Ярким примером в области массовых спутниковых систем типа VSAT является запуск спутника ViaSat-1 для наращивания емкости действующей сети Wildblue на территории США и Канады.

Численно интенсивность отказов λ определяется частотой отказов за интервал времени (часов). На этапе штатной эксплуатации принимается экспоненциальное распределение вероятности безотказной работы. Соответственно вероятность безотказной работы R(t) на временном интервале от 0 до t определяется интенсивностью отказов:


Если частота отказов постоянна:


Величина временного интервала T – это время наработки на отказ (время работы до появления первого отказа), который связан с вероятностью безотказной работы:


Если λ постоянна во времени (рис. 1, область 2), то имеет место простое соотношение:


При этом функция плотности вероятности отказа:


Максимальный срок службы спутника связи можно определить временным интервалом U, который определяют как расчетный срок активного существования – расчетный САС. В пределах расчетного САС обеспечивается поддержание его стабилизации на орбите. По истечении времени U (лет) запас топлива на борту спутника равен нулю, и вероятность его работы (использования по целевому назначению) также сводится к нулю. Соответственно всегда T<U.   Эта  ситуация  иллюстрируется рис. 2, на котором отсчет времени t = 0 соответствует началу штатной эксплуатации.


Среднее время безотказной службы спутника определим как средний или гарантированный САС, который может быть представлен в виде:

 

Откуда следует простое соотношение для оценки среднего САС спутника (mean mission duration -MMD):

Отношение т/T следует интерпретировать как вероятность отказа спутника в период максимального срока службы спутника U, то есть в период САС. Значение т зависит от величины T, которая, в свою очередь, зависит от λ. На рис. 3 представлена расчетная зависимость т при принятом значении U.


Вычислив среднее время (т) безотказной работы спутника связи, можно определить число спутников S = L/т, которые должны находиться на орбите в заданный период L (лет) поддержания работоспособности спутниковой сети. Поскольку успешный запуск спутника имеет конечную вероятность p (например, для РН “Протон" в различных модификациях - выше 0,96), то в результате можно записать следующее соотношение для оценки необходимого числа спутников n = S/p:


Применительно к системам массового спутникового обслуживания анализ полученных данных показывает, что при расчетном САС (design lifetime) спутника 15-20 лет, равным принятому сроку работоспособности сети L, следует предусматривать запуск дополнительного (второго) спутника примерно через 9-11 лет после начала штатной эксплуатации первого спутника. Этот результат следует учитывать при определении экономической эффективности (в частности, сроков окупаемости) и стратегии наращивания пропускной способности спутниковой системы массового обслуживания.

Ярким примером в области массовых спутниковых систем типа VSAT является запуск спутника ViaSat-1 для наращивания емкости действующей сети Wildblue на территории США и Канады.

Опубликовано: Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание"-2012
Посещений: 9796

Статьи по теме

  Автор

Анпилогов Валентин Романович

Анпилогов Валентин Романович

Зам.ген.директора ЗАО "Висат-Теп"

Всего статей:  56

  Автор

Александр Афонин

Александр Афонин

аспирант МАИ

Всего статей:  4

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