Оценка оперативности доставки информации по высокоскоростной радиолинии космических систем дистанционного зондирования земли

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оценка оперативности доставки информации по высокоскоростной радиолинии космических систем дистанционного зондирования земли

На этапе разработки требований к аппаратуре специального назначения космических аппаратов дистанционного зондирования Земли (КА ДЗЗ) и проектирования ВРЛ одной из важнейших задач является априорная оценка оперативности доставки информации космической системы (КС) ДЗЗ, от объективности которой зависят точность планирования работы бортовой аппаратуры ВРЛ и достоверность подтверждения тактико-технических характеристик системы.

Одним из основных показателей оперативности доставки информации КС ДЗЗ в режиме воспроизведения является время передачи информации на наземный пункт приема информации (НППИ) [1, 2], которое существенным образом зависит от пропускной способности радиолинии и вероятности битовой ошибки передачи информации.

Оценка времени передачи информации на НППИ осуществляется через пропускную способность радиолинии, определяемую формулой Шеннона [4], где в свою очередь не учитывается одна из основных характеристик передаваемого сигнала - объем канального кадра. Целью настоящей работы является решение указанной проблемы.

Целью работы является оценка времени передачи информации на НППИ по ВРЛ с учетом вероятности битовой ошибки передачи информации и объема канального кадра.

Модель высокоскоростной радиолинии предполагает следующее: радиолиния организуется с помощью наземной аппаратуры (НА) ВРЛ и бортовой аппаратуры (БА) ВРЛ, устанавливаемой на космическом аппарате дистанционного зондирования Земли (КА ДЗЗ) с линейными координатами движения центра масс в топоцентрической системе координат , и .

На вход БА ВРЛ поступают данные маршрутов съемки земной поверхности в цифровой форме объемом , которые затем подвергаются помехоустойчивому кодированию по методу Viterbi со скоростью r, мультиплексированию в канальные кадры объемом , записью в бортовое запоминающее устройство (БЗУ), фазовой манипуляции с индексом m и передаче на наземную аппаратуру ВРЛ. Также предполагается статистическая независимость бит в канальном кадре.

Оценка пропускной способности высокоскоростной радиолинии

В процессе наблюдения земной поверхности КА ДЗЗ передача информации осуществляется при нахождении космического аппарата в зоне радиовидимости НППИ, а за ее пределами накопление информации происходит в БЗУ. Пропускная способность канала ВРЛ, как правило, определяется необходимой шириной полосы пропускания и отношением сигнал/шум на входе приёмного устройства в соответствии с формулой Шеннона [4]:

радиолиния пропускной космический высокоскоростная

, (1)

где - ширина полосы пропускания приёмника НА ВРЛ; - мощность полезного сигнала на входе приёмника НА ВРЛ i-го НППИ в j-й момент времени; - мощность шума на входе оборудования НА ВРЛ i-го НППИ.

Учитывая основные энергетические соотношения для линий спутниковой связи [5, 6], величина может быть определена как:

, (2)

где - дальность от КА ДЗЗ до i-го НППИ; , и - линейные координаты движения центра масс КА в топоцентрической системе координат в -й момент времени, связанной с i-м НППИ; - дополнительное затухание энергии радиосигнала между КА и i- м НППИ в j-й момент времени; и - коэффициенты усиления антенны БА ВРЛ КА ДЗЗ на передачу и НА ВРЛ на приём соответственно; и - коэффициент передачи антенно-волноводного тракта БА ВРЛ КА и НА ВРЛ i-го НППИ; - скорость света.

Мощность шума на входе НА ВРЛ i-го НППИ можно рассчитать по формуле [6]:

, (3)

где Вт / Гц•град - постоянная Больцмана; - эквивалентная шумовая температура приёмной системы НА ВРЛ i - го НППИ в -й момент времени с учётом внутренних и внешних шумов; - эквивалентная (энергетическая) шумовая полоса приёмника.

Предполагается, что величина равна ширине спектра передаваемого сигнала и в соответствии с формулой [5], а также учитывая скорость блочного помехоустойчивого кодирования, может быть определена как:

, (4)

где R - скорость передачи информации между БА ВРЛ КА ДЗЗ и НА ВРЛ НППИ; r - скорость помехоустойчивого кодирования; m - индекс фазовой манипуляции сигнала.

Так как информация по радиолинии передается кадрами объемом с вероятностью битовой ошибки передачи p, а также учитывая выражение для достоверной передачи информации в кадре [7, 8], формула (4) примет следующий вид:

, (5)

Учитывая (2), (3), (4) и (5), выражение для пропускной способности (1) можно представить следующим образом:

.

Однако, учитывая тот факт, что пропускная способность определяет предельные возможности радиолинии, как в частотном, так и в энергетическом отношении, выражение (1) с учетом выражения (4) может быть уточнено:

, (6)

-

пороговое отношение сигнал/шум, при котором возможна синхронизация между передатчиком и приемником ВРЛ; - классическая оценка пропускной способности радиолинии.

Учитывая (5), выражение (6) окончательно примет следующий вид:

, (7)

где - оценка пропускной способности радиолинии с учетом объема информационных кадров.

Величина определяется вероятностью битовой ошибки передачи p в соответствии с таблицами для порогового отношения сигнал/шум [9] или по графикам кривых достоверности для разных методов помехоустойчивого кодирования [10].

Результаты исследований выражения (7) приведены на рис. 1 и рис. 2 для следующих параметров: =1024 байт; m=4; R=150 Мбит/с; вид помехоустойчивого кодирования - Витерби.

Рис. 1. Зависимость пропускной способности ВРЛ от вероятности битовой ошибки передаваемой информации при разных скоростях помехоустойчивого кодирования

Рис. 2. Зависимость пропускной способности C^K и C от вероятности битовой ошибки передаваемой информации при скорости помехоустойчивого кодирования r=1/2

Оценка времени передачи информации на наземный пункт приема информации

Время передачи информации на наземный пункт приема является частным показателем оперативности доставки информации космической системы, который можно определить через объем информации j-го маршрута съемки для передачи на i-й НППИ и пропускной способностью радиолинии, используя выражение (6):

, (8)

где - классическая оценка времени передачи информации по радиолинии; - объем информации j-го маршрута съемки для передачи на i-й НППИ.

Величина определяется скоростью бега изображения в фокальной плоскости телескопа и разрядностью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) на выходе системы приёма и преобразования информации в соответствии со следующим выражением:

, (9)

где K-скорость бега изображения в фокальной плоскости телескопа; L-длина фотозоны; w-разрядность АЦП; q-количество используемых фотозон целевой аппаратуры КА ДЗЗ; , - размеры элемента ПЗС-матрицы вдоль направления полёта КА ДЗЗ и перпендикулярно направлению полёта КА ДЗЗ соответственно; - длительность j-го маршрута съемки.

Учитывая (9), выражение (8) можно представить следующим образом:

. (10)

В связи с тем, что информация по радиолинии передается кадрами объемом с вероятностью битовой ошибки передачи p, а также используя (7), выражение (10) примет следующий вид:

, (11)

где - оценка времени передачи информации по радиолинии с учетом объема информационных кадров.

Точность оценки между величинами и можно определить следующим образом:

. (12)

Результаты исследований выражений (10), (11) и (12) приведены на рис. 3 и рис. 4 для следующих параметров: =1024 байт; R=150 Мбит/с; m=4; r=1/2; вид помехоустойчивого кодирования - Витерби.

Рис. 3. Зависимость величин и от вероятности битовой ошибки передаваемой информации

Рис. 4. Зависимость от вероятности ошибки передаваемой информации

Анализ графика на рис. 4 показывает, что в случае низконадежной радиолинии расчет времени передачи информации на НППИ по формуле (11) позволяет повысить точность ее оценки до 60% относительно оценки классическим способом по формуле (10) в связи с ростом потерь канальных кадров.

Уменьшение оценки пропускной способности С по сравнению с оценкой классическим способом C^K при увеличении параметра р сопровождается ростом оценки оперативности (рис. 3).

В связи с изложенным выше целесообразно сделать вывод о том, что оценку времени передачи информации на наземный пункт приема в случае надежной радиолинии с одинаковым успехом можно осуществлять как по формуле (10), так и по формуле (11), и в случае ненадежной радиолинии - по формуле (11).

Таким образом в работе получено математическое выражение для оценки времени передачи информации на наземный пункт приема, учитывающее влияние объема канального кадра и обеспечивающее повышение точности оценки до 60% по сравнению с классическими способами.

Для уменьшения разницы в оценках необходимо осуществлять разработку и применение эффективных методов помехоустойчивого кодирования в аппаратуре ВРЛ, обеспечивающих низкий уровень порогового отношения сигнал/шум.

Литература

радиолиния пропускной космический высокоскоростной

1. Куренков В.И., Салмин В.В., Абрамов Б.А. Основы устройства и моделирования целевого функционирования космических аппаратов наблюдения: учеб. пособие. - Самара: изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2006. 296 с.

2. Куренков В.И., Гоголев М.Ю. Методы исследования эффективности ракетно-космической техники: электрон. учеб. пособие. - Самара: изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2012. 285 с.

3. Ларин С.А., Кащеев А.А., Бутко А.В., Ефимов С.И. Оценка длительности сеансов связи космического аппарата с наземными пунктами приема информации // 17-я международная научно-техническая конференция «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций». Рязань: Рязанский государственный радиотехнический университет, 2012. С. 119-121.

4. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. 344 с.

5. Мордухович Л.Г., Степанов А.П. Системы радиосвязи: Курсовое проектирование. - М. Радио и связь, 1987. 192 с.

6. Спутниковая связь и вещание. Справочник / Под ред. Л.Я. Кантора. - М.: Радио и связь, 1997. 344 с.

7. Мартин Дж. Системный анализ передачи данных. Том 2. - М., Мир, 1975. 432 с.

8. Мартьянов С.И. Минимизация среднего времени передачи сообщения по ненадежному каналу связи // Электросвязь. - 1995. - №7. - С. 10.

9. Камнев В.Е., Черкасов В.В, Чечин Г.В. Спутниковые сети связи. - М. Альпина Паблишер, 2004. 536 с.