Перспективы развития высокоскоростных радиолиний для КА ДЗЗ

Рассмотрены вопросы дальнейшего развития высокоскоростных радиолиний для КА ДЗЗ. Отмечается, что до настоящего времени основные работы были сосредоточены в Х-диапазоне частот, выделенном для систем ДЗЗ (8,025–8,4 ГГц). На данном направлении получены весьма хорошие результаты (более 2000 Мбит/с), но скорость передачи информации приближается к верхнему пределу для данной полосы частот. Для дальнейшего увеличения скорости радиолинии необходим переход в следующий выделенный для систем ДЗЗ Ка-диапазон частот (25,5–27,0 ГГц). Цель освоения Ка-диапазона – радиолиния со скоростью передачи не менее 10000 Мбит/с.
В настоящее время технические решения по созданию высокоскоростных радиолиний (ВРЛ) для КА ДЗЗ в основном сосредоточены в Х-диапазоне радиочастот (8,025…8,4 ГГц с шириной полосы 375 МГц). Следует отметить серьезные успехи на этом направлении. В начале нулевых годов была создана бортовая и наземная аппаратура, позволившая передавать информацию по двум частотным каналам со скоростью до 245 Мбит/с. Такими радиолиниями были оснащены КА ДЗЗ «Монитор-Э», «Сич-1М», «БелКА», «Метеор-М», «Канопус-В», «Кондор-Э» и др.
В 2008 году в рамках ОКР «Прием» и в 2009 году для КА ДЗЗ нового поколения «Метеор-М» №3 и «Метеор-МП» были начаты работы по созданию наземной и бортовой аппаратуры для радиолинии со скоростью передачи не менее 800 Мбит/с. К сожалению, были периоды, когда эти работы приостанавливались, но к настоящему времени созданы образцы аппаратуры, обеспечивающие передачу данных с частотой символов до 300 МГц и модуляцией до 32АФМ (5 бит на символ), что обеспечивает в разрешенной полосе частот транспортную скорость 1500 Мбит/с (информационная скорость не менее 1300 Мбит/с) [1]
Следующим важным этапом работ было решение задачи удвоения скорости передачи информации за счет передачи двух радиосигналов на одной несущей частоте, но с разными направлениями вращения круговой поляризации при коэффициенте эллиптичности, стремящемся к единице. Такая НИОКР была организована в АО «Российские космические системы» в инициативном порядке. По разработанной документации были изготовлены экспериментальные образцы антенн с двухканальными облучателями с правой и левой круговой поляризацией. Экспериментальная проверка подтвердила возможность одновременной передачи двух радиосигналов на одной несущей частоте при видах модуляции до 32АФМ [2]
Следующим этапом совершенствования высокоскоростных радиолиний стала разработка СТО ГК Роскосмос 1018-2019 «Аппаратура бортовая автоматических космических аппаратов // Информационное взаимодействие // Высокоскоростная радиолиния». Стандарт предусматривает виды модуляции до 64АФМ, помехоустойчивое кодирование и динамически изменяемые сигнально-кодовые конструкции (ДИСКК), которые позволяют адаптировать режим передачи к изменяющемуся в ходе сеанса (изменение наклонной дальности) энергетическому балансу радиолинии.
Все вышеперечисленные достижения реализуются сегодня в создаваемой АО «Российские космические системы» высокоскоростной радиолинии для КА ДЗЗ «Ресурс-ПМ», где при передаче двух радиосигналов на одной несущей частоте с правой и левой круговой поляризацией информационная скорость превысит 2000 Мбит/с.
Создание бортовой аппаратуры для будущих КА ДЗЗ предполагается на базе унифицированных модулей, создаваемых сегодня в рамках ОКР «ИБИС». Разработка базируется исключительно на отечественной элементной базе, на разработанных и утвержденных СТО ГК Роскосмос. Примеры приборов и блоков представлены.
Суммируя вышеперечисленное, можно сказать, что в Х-диапазоне мы практически подходим к «потолку» скорости и для её увеличения мы должны переместиться в Ка-диапазон (25,5…27,0 ГГц), где нам доступна полоса частот шириной 1500 МГц. Следует отметить, что используя блоки, созданные для Х-диапазона, мы путем переноса радиосигнала на более высокую частоту и увеличивая число частотных каналов можем достичь информационной скорости не менее 5000 Мбит/с .
На последующем этапе, создав антенные системы с необходимой поляризационной развязкой, можно ещё удвоить информационную скорость .
Отличием радиолинии Ка-диапазона от радиолинии Х-диапазона будет ее существенно большая зависимость от потерь при прохождении радиосигнала сквозь атмосферу Земли. Даже при отсутствии дождя потери в спокойной атмосфере [3] при угле места антенны земной станции 5° в Ка-диапазоне составят 6 дБ против 0,25 дБ в Х-диапазоне. В дожде потери могут превышать 20 дБ [3].
Расчеты показывают, что для передачи с орбиты 800 км данных со скоростью в канале 1500 Мбит/с требуется передатчик с выходной мощностью в линейном режиме не менее 12 Вт, бортовая антенна диаметром 0,4 м и земная антенна диаметром 4,8…7 м. И даже при этом, на низких углах места не обеспечиваются условия приема с максимальной скоростью.
При передаче с неизменной в сеансе связи скоростью пришлось бы либо ограничиться передачей с модуляцией 8ФМ, либо начинать сеанс связи при более высоких углах места антенны земной станции. Режим с ДИСКК позволяет начать передачу с модуляции 8ФМ, затем перейти на 16АФМ, затем на 32АФМ, а после прохождения максимального угла места по мере его снижения произвести переключение видов модуляции в обратном порядке. Радиолинии, создаваемые в соответствии с СТО ГК 1018-2019, обладают такими возможностями.
Создание ВРЛ Ка-диапазона с суммарной скоростью передачи полезной информации до 10 Гбит/с позволит решить проблему «узкого горла» для КА ДЗЗ с оптической и радиолокационной аппаратурой сверхвысокого разрешения.