Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание"-2023

ней научились бороться. Есть и дру- гая проблема. В большинстве низко- орбитальных систем спутниковой связи делается ставка на примене- ние для АТ [4–19] активных фази- рованных решеток (АФАР) с элек- трическим сканированием луча. АФАР AT позволяют за счет элек- трического сканирования направ- лять луч на КА сопровождать его, в том числе при установке АТ на транспортном средстве. Аналогично АФАР на борту КА позволяет на- править луч в заданную локальную зону на Земле для обслуживания АТ и обеспечивать быстрое его про- странственное перенацеливание в рабочей зоне КА (например, как это происходит в системе Starlink, что определяется как технология Beam Hopping [20]). Но изменение рас- стояния между КА и АТ приводит к существенному изменению плотно- сти потока мощности (ППМ) и на Земле, и в районе КА. Это может привести к превышению спектраль- ной ППМ относительно допусти- мого уровня, нормируемого в Регла- менте радиосвязи, или к проблемам ЭМС на линии АТ – КА [21]. Кроме того, нерационально тра- тится и энергия, потребляемая АФАР КА, и энергия, потребляемая АФАР АТ. Как следствие, возни- кает проблема тепловыделения АФАР КА и тепловыделения АФАР АТ. Причем и то, и другое является очень существенным фактором при эксплуатации и КА, и АТ. Напри- мер, по нашим оценкам, в АТ Star- link не удалось преодолеть про- блему перегрева АФАР в новой мо- дификации АТ [6, 7]. Кроме того, при максимальном от- клонении луча АФАР от осевого на- правления его усиление снижается на 3–4 дБ. Таким образом, в сово- купности изменение уровня сигнала за счет наклонной дальности радио- линии увеличивается. Соответ- ственно, при максимальной наклон- ной дальности следует компенсиро- вать совокупные потери при распро- странении сигнала в радиолинии. Но при минимальной наклонной дальности и нахождении КА в зе- ните относительно АТ получается избыточность энергетики радиоли- нии, что, в свою очередь, приводит к избыточности потребления и теп- ловыделения АФАР. Для минимизации потребления и, следовательно, тепловыделения АФАР АТ (и АФАР КА) может быть использован метод динамиче- ского изменения напряжения пита- ния выходных усилителей мощно- сти (УМ) каналов передающей ре- шетки (известный метод повыше- ния эффективности УМ Envelope Tracking [22, 23]). Однако в со- временных АФАР используются либо УМ, встроенные в микро- схемы аналогового диаграммофор- мирования лучей, либо отдельные монолитные интегральные схемы СВЧ (MMIC). В обоих случаях рабочий диапазон изменения на- пряжения питания таких УМ весьма невелик (около 10%), в от- личие от усилителей на дискрет- ных транзисторах, и недостаточен для эффективного управления по- требляемой мощностью. Кроме того, для предотвращения суще- ственных искажений линейности амплитудной и равномерности фазоамплитудной характеристики УМ, возникающей вследствие из- менения его питающих напряже- ний в большом диапазоне, требу- ется внесение предыскажений [24], что уже само по себе является не- тривиальной задачей для многока- нальной АФАР. Поэтому намного более простым (и не менее эффективным) способом минимизировать потребление АФАР КА и АФАР АТ является выключение (включение) каналов передающей и приемной АФАР в зависимости от изменения рас- стояния между АТ и КА (или КА и АТ) с учетом снижения усиления луча при его отклонении от осевого направления. Цель настоящей работы – опреде- лить закон выключения (включе- ния) каналов АФАР АТ по мере движения КА вдоль орбиты с целью минимизации ее энергопотребления. Аналогичный закон включения (вы- ключения) каналов АФАР КА будет рассмотрен в следующей статье. Д вижение низкоорбитальных спутников связи При движении негеостационарного КА по круговой орбите вокруг Земли изменяются его координаты, задаваемые, например, углами сфе- рической системы θ , ϕ относи- тельно АТ и расстоянием R от АТ до КА (наклонная дальность). Наи- большие изменения углового поло- жения КА и расстояния до него со- ответствуют случаю, когда положе- ние АТ совпадает с плоскостью ор- биты КА, как показано на рис. 1. В этом случае угловое положение КА относительно АТ задается одним углом, например углом сферической системы координат θ , или углом места видимости КА из географиче- ской точки размещения АТ ( β = 90 – θ , где θ = γ + α ). Зависимость наклонной дальности R( β ) от угла места видимости КА определяется взаимным положением АТ и КА и определяется из следую- щих тригонометрических уравнений: R( β ) = (Re+h)sin γ /cos β , где sin γ = cos ( β + α ), (1) α = arcsin[cos β· R е /(R е +h)], где R е = 6371 км – радиус Земли; h – высота орбиты КА над Землей, км. Зависимости расстояния R( β ) для нескольких значений высоты ор- биты показаны на рис. 2. Например, при минимальном значе- нии угла места луча АT β = 30° и h в пределах 300–1500 км значение R( β )/h изменяется в пределах от 1,88 до 1,62, что соответствует из- менению энергетики радиолинии 5,5 дБ для орбиты 300 км и 4,2 дБ для орбиты 1500 км. При движении луча АФАР АТ к зе- ниту и луча АФАР КА к надиру це- лесообразно выключать часть кана- лов передающей и приемной АФАР. Особенно важно это условие для пе- редающей АФАР КА, поскольку до- стижение заданной энергетики при максимальной наклонной дальности 27 2023 СПУТНИКОВАЯ СВЯЗЬ И ВЕЩАНИЕ В заимное расположение КА и АТ Рис. 1