Парад технологий - развертываемые антенны L и S диапазонов

Развертываемые спутниковые антенны

Крупноапертурные развертываемые антенны L и S диапазонов

Наш комментарий

Для реализации услуг персональной спутниковой связи с использованием спутников, развернутых на геостационарной (GEO) или псевдостационарной (PGEO) орбитах, необходимо применение антенных систем, формирующих достаточно узкие (менее 1 град) лучи. Узкие лучи обеспечивают требуемую энергетику линий с персональными абонентскими терминалами, прежде всего на участке "вверх". Комбинация узких лучей в рамках одной многолучевой антенны позволяет сформировать требуемую зону обслуживания.
Для предоставления услуг подвижной спутниковой связи выделены отдельные полосы частот, наиболее распространенными из которых являются полосы L и S диапазона (подвижная спутниковая служба). Для реализации в этих диапазонах узких (менее 1 град) лучей необходимо использовать антенные системы диаметром от 12 до 16 м и выше.
Основная проблема практического использования таких антенн заключается:

в существующих ограничениях по габаритам полезной нагрузки для установки под обтекатель ракеты-носителя (РН)
в их высокой массе, обуславливающей необходимость использования спутников тяжелого класса и способной ухудшить качественные показатели спутника связи.

По этим причинам к основным дополнительным требованиям, предъявляемым к крупноапертурным антеннам, относятся максимально возможное снижение полной массы антенны, а также возможность укладки под обтекатель ракеты-носителя. Единственным решением, удовлетворяющим этим требованиям, является использование развертываемых антенных систем.
Разработка крупноапертурных антенных систем, характеризуемых высокими надежностью развертывания и качеством рабочей поверхности, и при этом имеющих относительно небольшую массу - в настоящее время относиться к уникальным технологиям.

Варианты конструкций и основные производители

Большинство из известных крупноапертурных антенных систем могут быть классифицированы по типу создаваемой рабочей поверхности - "рефлектор" и "диск".

Точность формирования поверхности современных антенн рефлекторного типа удовлетворяет требованиям Ka-диапазона.
При разработке крупноапертурных развертываемых антенн используются достаточно мощные CAD-модели, обеспечивающие моделирование всех этапов развертывания и функционирования антенн. Это позволяет снизить время и стоимость разработки. Другим характерным свойством современных антенн данного класса является низкий уровень пассивных интермодуляционных продуктов, позволяющий использовать одну антенну как на прием, так и на передачу.

Одними из ведущих предприятий по созданию крупноапертурных развертываемых антенных систем являются Harris и TRW Astro Aerospace. В России разработкой технологии развертываемых антенных систем занимаются ГНПЦ им. М.В.Хруничева, НПО Машиностроения, ОКБ МЭИ. Научно-исследовательские работы по созданию тонкопленочных антенных систем ведутся в ИКЦ "Северная Корона".

Антенные системы компании Harris

Компания Harris к настоящему времени поставила более 30 развертываемых рефлекторов для коммерческих и правительственных систем спутниковой связи. В частности, только для спутников системы TDRS (Tracking and Data Relay Satellite) с 1983 г было поставлено по контракту с компанией TRW пятнадцать 4.8 м антенных систем на основе радиальных реберных конструкций S/K-диапазона.
Производственные площади по созданию развертываемых антенн компании Harris составляют более 4 кв. км. Работами в области развертываемых антенн занимаются более 250 специалистов.

Чистовая камера Harris размером 67x39 м обеспечивает размещение до шести 12 м рефлекторов.

Надежность развертывания и формирования рабочей поверхности требуемого качества является одним из ключевых моментов в разработке крупноапертурных антенн.

Упакованный для транспортировки рефлектор вместе со штангой для спутника Garuda-1 (слева).

Два полетных модуля и 12-метровый прототип AСeS на этапе стендовых испытаний по развертыванию (справа).

Антенный рефлектор TDRS диаметром 4.8 м на испытаниях (слева).

На стенде антенна 15 м (справа).

Антенные системы компании TRW Astro Aerospace

TRW Astro Aerospace в настоящее время выполнила контракты на параболические рефлекторы 6 м и 12.5 м. Новейшие разработки компании - 9 м в производстве и 20 м в стадии разработки.

Этапы развертывания антенных систем типа "диск" компании TRW Astro Aerospace

Примеры практического использования

TDRS (Tracking and Data Relay Satellite)

С 1983 г антенные системы Harris используются на спутнике TDRS. Всего Harris поставила пятнадцать 4.8 м антенных систем на основе радиальных реберных конструкций S/K-диапазона.

Спутник TDRS в "упакованном" виде (слева).

Спутник системы TDRSS (справа).

Система персональной спутниковой связи ACeS (Asian Cellular Satellite)

Одной из первых коммерческих реализаций крупноапертурных антенных систем стал спутник Garuda-1 системы подвижной спутниковой связи AСeS (Asian Cellular Satellite), выведенный на GEO 12.02.2000 г.
В состав спутника Garuda-1 входят две антенные системы с рефлектором диаметром 12 м. Антенны предназначены для работы в L-диапазоне. Каждая антенная система образует 140 узких лучей для обеспечения персональной связи. Полная пропускная способность спутника - 11000 одновременных дуплексных телефонных каналов. Тем не менее, в настоящее время пропускная способность спутника снижена на 30% из-за неисправности антенной системы.

Система персональной спутниковой связи Thuraya

21.10.2000 г был запущен космический аппарат Thuraya-1 одноименной системы спутниковой связи. В состав спутника Thuraya-1 входит одна антенная система AstroMesh производства компании TRW Astro Aerospace, выполненная в виде дискообразного эллипса, размерами 12.5х16 м и предназначенная для работы в L-диапазоне. В упакованном состоянии размеры антенны составляют 1.3 м в диаметре и 3.8 м в длину. Диск покрыт сеткой, имеющий 128 активных элементов. Для формирования 200 узких адаптивно перенацеливаемых лучей используется активная фазированная решетка в сочетании с цифровым процессором. Полная пропускная способность спутника - 13700 одновременных дуплексных телефонных каналов.

Перспективы

Основным направлением дальнейшего совершенствования крупноапертурных антенных систем является снижение их полной массы (при прочих равных характеристиках). Это позволит снизить полную массу спутника и, соответственно, затраты на развертывание системы вцелом.

Одной из основных составляющих массы антенной системы являются жесткие элементы конструкции, обеспечивающие развертывание и поддержание требуемой формы рабочей поверхности. Достигнуть качественного улучшения массовых характеристик антенных систем можно только при почти полном отказе от жестких элементов конструкции антенной системы. Именно такая конструкция антенной системы в настоящее время разрабатывается в Информационном Космическом Центре "Северная Корона". Антенная система практически без жестких элементов конструкции предназначена для использования на спутниках связи малого и среднего класса, стабилизированных вращением. Работы осуществляются в рамках проекта "Кентавр".

Возрастающие потребности и инвестиции в персональную мобильную спутниковую связь обеспечивают развитие технологий развертываемых спутниковых крупноапертурных антенных систем.