АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НИЗКООРБИТАЛЬНОГО СПУТНИКА ДЛЯ РАДИОМОНИТОРИНГА

АННОТАЦИЯ

Радиомониторинг радиочастотного спектра  является одним из основных способов оценки его загрузки для решения задач перспективного управления радиочастотным спектром в интересах развития новых радиотехнологий. В данной работе приведен анализ покрытия спутникового радиомониторинга на базе одного низкоорбитального МКА для выполнения функции и задач радиомониторинга. Наземный центр обработки информации может осуществлять связь со спутником  только тогда, когда спутник находится в зоне видимости. Продолжительность сеанса связи определяется  промежутком времени, который ограничивается зоной видимости при пролете  низкоорбитального МКА  над Землей. Зона покрытия спутника определяется как область Земли, где спутник виден под минимальным заданным углом возвышения и  зависит от параметров орбиты спутника.

ABSTRACT

Radio monitoring of the radio frequency spectrum is one of the main ways to evaluate its load for solving the problems of promising radio frequency spectrum control in the interests of developing new radio technologies. This paper provides an analysis of the coverage of satellite radio monitoring based on one low-orbit low-space vehicle for performing the function and tasks of radio monitoring. The terrestrial information center can communicate with the satellite only when the satellite is in sight. The duration of the communication session is determined by the time interval, which is limited by the visibility zone when the low-orbit low-space vehicle flies over the Earth. The coverage area of the satellite is defined as the area of the Earth where the satellite is visible at the minimum specified elevation angle and depends on the parameters of the orbit of the satellite.

Ключевые слова: радиомониторинг; низкоорбитальный МКА; радиоэлектронное средство; радиочастотный спектр; Казахстан.

Keywords: radio monitoring; low-orbit low-space vehicle; radioelectronic space; radio frequency spectrum; Kazakhstan.

Растущее в настоящее время число используемых источников радиоизлучения значительно усложняют электромагнитную обстановку в условиях дефицита радиочастотного спектра и требуют совершенствования функции и механизмов радиоконтроля.  Мониторинг радиочастотного спектра (радиомониторинг) является составной частью радиоконтроля, который заключается в сборе, обработке, анализе и хранении информации о состоянии радиочастотного спектра и выявлении правил его использования. Контроль радиочастотного спектра представляет вид радиоконтроля, заключающийся в измерении параметров и характеристик объектов радиоконтроля, их сравнении с установленными нормативными требованиями и установлении факта нарушения установленного порядка и правил использования радиочастотного спектра, т т.е. постоянный контроль использования радиочастотного спектра (РЧС) [1-3]. В Республике Казахстан эти функции осуществляются службой радиомониторинга только на базе наземных систем радиоконтроля [4]. Для осуществления работ по мониторингу РЧС и радиоэлектронных средств задействованы только 24 стационарных радиоконтрольных пунктов (СРКП) и 14 передвижных измерительно-пеленгационных комплексов (ПИПК), оборудованных специальным радиооборудованием (Основное радиоконтрольное оборудование российских производителей – компаний ЗАО «ИРКОС» и ООО «СДЦ». Дополнительное измерительное оборудование мировых производителей Agilent, Anritsu, Rohde&Schwarz и др. При этом работа по мониторингу РЧС и РЭС осуществляется только на базе наземных систем радиоконтроля. Наземные системы имеют ряд недостатков, например, ограниченная зона радиомониторинга, недостаточное количество радиоконтрольных пунктов по всей территории страны, трудоемкость проведения процедур радиоконтроля в сложных климатических условиях и в условиях сложного рельефа местности. Также следует отметить недостаточную  автоматизацию процессов  радиомониторинга. Эти недостатки присущи для Республики Казахстан, территория которой простирается с запада на восток на 3 тыс. км и с севера на юг - на 1600 км (общая площадь 2724,9 тыс. км).

Поэтому в настоящее время необходимо  предпринимать действия по совершенствованию систем и сетей  радиоконтроля. В рамках существующих наземных средств радиомониторинга невозможно качественно выполнять функции и задачи  радиоконтроля. Одним из направлений повышения эффективности системы радиомониторинга использования радиочастотного спектра является исследование возможности использования низкоорбитальных малых космических аппаратов в качестве станций радиоконтроля. В [5]  работе был выполнен  анализ энергетического бюджета радиолиний, который показал возможность применения низкоорбитальных малых космических аппаратов для осуществления радиомониторинга. Также в работе [6] рассмотрен и разработан метод определения координат источника радиоизлучения, который можно использовать на начальных этапах разработки системы радиомониторинга на базе одного малого космического аппарата.

Спутниковые низкоорбитальные системы обладают рядом преимуществ:  высокая оперативность, глобальный обзор и полный охват территории [7-10]. В связи с этим на сегодняшний день развитие таких систем радиоконтроля является актуальным. В качестве примера можно привести американскую компанию HawkEye 360, которая  запустила  орбитальные группировки МКА радиоэлектронного наблюдения, предназначенных для выполнения функции и задач  радиоконтроля [11] .

Область радиомониторинга (ОРМ) территории Республики  Казахстан находится в диапазоне значении северной широты от φ = 40° до φ = 56° (среднее значение  ОРМ  φ = 48°). Выполнение  функций радиомониторинга на начальном этапе желательно проводить на базе одного низкоорбитального МКА, т.к. это является наиболее привлекательным с экономической точки зрения.  При проектировании системы радиомониторинга на базе одного низкоорбитального МКА необходимо выбрать параметры орбиты. Для этого предлагается рассмотреть круговую полярную орбиту (наклонение i = 83º), и высоту орбиты МКА h  = 650 км. Зона покрытия одного спутника представляет собой круговую область (рисунок 1) на поверхности Земли, на которой виден спутник. На рисунке 2 приведена траектория движения одного низкоорбитального МКА над территорией РК за сутки с изображением зоны радиовидимости спутника. Зона покрытия спутника на Земле зависит от параметров орбиты. При этом земная станция обработки информации радиомониторинга может осуществлять связь со спутником только тогда, когда наземная станция находится в зоне покрытия (след спутника), как показано на рисунке 3.Продолжительность видимости и, следовательно, продолжительность составляет несколько минут, поскольку спутник движутся над землей с большой скоростью. Вместе со спутником перемещается и след от него и, следовательно, теряется связь с МКА (рисунок 4).

Для определения радиуса круговой орбиты Ro требуется вычислить радиус эллипсоида (линейное расстояние от центра масс Земли до поверхности), зависящий от широты:

 м,        (1)

где:

a = 6378136 м — экваториальный радиус Земли; 

b = 6356751 м — полярный радиус Земли [12].

Далее определим ряд параметров орбиты МКА:

Радиус круговой орбиты МКА:

 м.                                   (2)

Линейную скорость движения МКА.                    

  м/с                                    (3)

где:  M = 5,98*10²⁴ кг масса Земли и гравитационная постоянная

G = 6,6743*10^-11 м³*кг^-1*с^-2 [13].

Время одного витка МКА определяется как

 мин                         (4)

Время нахождения МКА над территорией Республики Казахстан:

  мин                             (5)

На рисунке 5 и 6 приведена траектория движения МКА над территорией РК, и можно увидеть влияние вращения Земли. Из-за вращения Земли расстояние между витками составит 24,52 градусов (около 2700 км).

Таким образом, анализ бюджета радиолинии [5] показал возможность использования низкоорбитального МКА для радиомониторинга использования радиочастотного спектра. Учитывая технические, экономические и технологические потенциалы страны в области космических технологий, а также большую территорию страны представляет интерес использование искусственных спутников Земли для радиомониторинга в масштабах страны и даже целых регионов Земли. Поэтому для повышения эффективности системы радиомониторинга на больших территориях является целесообразным применение низкоорбитального МКА в качестве станции радиоконтроля.

Выводы: Одним из направлений повышения эффективности системы радиомониторинга использования радиочастотного спектра является применение низкоорбитальных малых космических аппаратов в качестве станций радиоконтроля. Для развития системы радиомониторинга в Республике Казахстан необходимо разработать программу создания спутниковой системы радиомониторинга.

Список литературы:

1. Handbook on Spectrum Monitoring. (2011). Geneva, Electronic Publication.
2. Rembovsky, A.M., Ashikhmin, A.V., Kozmin V.A., Smolskiy S.M. (2018). Radio Monitoring: Automated Systems and Their Components Springer. 486 p.
3. Официальный сайт РГП «Государственная радиочастотная служба» Министерство цифрового развития, инноваций и аэрокосмической промышленности Республики Казахстан. URL: https://rfs.gov.kz  (дата обращения 20.03.2020г)
4. Закон Республики Казахстан от 5 июля 2004 года N 567 «О связи»
5. Айтмагамбетов А.З., Кулакаева А.Е., Кожахметова Б.А., Жаксылық А.Ж. Оценка  энергетического бюджета для системы радиомониторинга на базе низкоорбитальных спутников. Вестник АУЭС. № 4 (47). 2019. Стр 88
6. Aitmagambetov, A.Z., Butuzov, Yu.A., Kulakayeva, A.E. The principle of determination of coordinates (width and  longitude) radio-frequency radiation source . Certificate about deposition of object of intellectual property. Registration № 2784, 2016.
7. Ram S. Jakhu, Joseph N. Pelton. "Small Satellites and Their Regulation", Springer - 2014, 90 p.
8. Oliver Montenbruck, Eberhard Gill. "Satellite Orbits Models, Methods, and Applications", Springer - 2000, 384 p.
9. S. T. Goh, S. A. Zekavat, O. Abdelkhalik. "LEO Satellite Formation for SSP: Energy and Doppler Analysis", IEEE Transactions on aerospace and electronic systems VOL. 51, NO. 1 January 2015.
10. Joe J. Khalife; Zaher M. Kassas. "Receiver design for doppler positioningwith LEO satellites". ICASSP 2019 - 2019 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP) 12-17 May 2019
11. Официальный сайт компании HawkEye 360. URL: https://www.he360.com. (дата обращения 11.10.2020г)
12. Параметры Земли 1990 года (ПЗ-90.11). (2014). Справочный документ. Военно-топографическое управление Генерального штаба Вооруженных сил Российской Федерации. 52 с. (in Russian).
13. CODATA Recommended values of the fundamental physical constants (2019): 2018 NIST SP 961.