«СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ Часть 1 2002 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского Харьковский авиационный институт А.А. Зеленский, В.Ф. Солодовник СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ ...»

А.А. Зеленский, В.Ф. Солодовник

СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ

Часть 1

2002

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского

"Харьковский авиационный институт"

А.А. Зеленский, В.Ф. Солодовник

СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ

Часть 1 Учебное пособие Харьков "ХАИ" 2002 УДК 621.396.93 Системы радиосвязи / А.А. Зеленский, В.Ф. Солодовник. – Учеб.

пособие. Ч. 1. - Харьков: Нац. аэрокосмический ун-т "Харьк.

авиац. ин-т", 2002. – 93 с.

Рассмотрены основы построения функционирующих и перспективных систем радиосвязи. Основное внимание уделено спутниковым системам радиосвязи, принципам их построения, энергетическим показателям, особенностям построения бортовых ретрансляторов и наземных станций.

Для студентов и специалистов, изучающих, эксплуатирующих и разрабатывающих спутниковые системы радиосвязи.

Ил. 28. Табл. 18. Библиогр.: 10 назв.

Р е ц е н з е н т ы: д-р техн. наук., проф. И.В. Кулемин, канд. техн. наук, доц. Е.А. Милькевич © Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского "Харьковский авиационный институт", Введение Концепция развития средств связи в ХХI веке предполагает создание всемирной информационной инфраструктуры (которую необходимо строить как "Сеть-сетей"), объединяющей региональные и национальные сети связи в единую сеть. При этом связь должна быть не только глобальной, но и персональной, и, следовательно, доступной любому потребителю.

В решении этой задачи наряду с проводными (кабельными) каналами немаловажная роль принадлежит наземным и спутниковым системам радиосвязи и передачи информации (РСПИ), обеспечивающим передачу и прием аналоговых и цифровых сигналов на дальние и сверхдальние расстояния.

Традиционно в соответствии с Регламентом радиосвязи различают три основные службы радиосвязи: фиксированную службу связи (ФСС), подвижную службу связи (ПСС) и радиовещательную службу (РСС). Такое деление сохраняется и по сей день, хотя и не полностью отражает динамику развития современных систем связи.

Фиксированная служба предназначена для организации связи между стационарными пользователями, т.е. между пользователями, находящимися в определенных, фиксированных пунктах. Ранее системы ФСС использовали только для организации магистральных линий связи большой протяженности и зоновой связи.

Подвижная служба обеспечивает связь между подвижными объектами или между подвижными объектами и стационарным пользователем. В современной литературе такую связь чаще называют мобильной и, хотя первоначально ПСС была создана как служба специального назначения, предназначенная для организации морской, воздушной, автомобильной, железнодорожной и спутниковой связи, то в настоящее время ее широко используют также и для предоставления услуг персональной связи.

Радиовещательная служба предназначена для приема телевизионных и радиовещательных программ. Она охватывает наземные системы непосредственного телевизионного и радиовещания, спутниковое телевизионное вещание и спутниковое непосредственное радиовещание. Причем непосредственным считается как индивидуальный, так и коллективный прием Процесс персонализации услуг связи привел к тому, что границы между традиционными службами ФСС и ПСС или ФСС и РСС постепенно начали стираться. Так, персональные земные станции удаленных пользователей спутниковых систем, работающие в Кu или Кa-диапазонах, формально относятся к службе ФСС (работа в полосах частот, выделенных для ФСС). Однако по своему назначению и выполняемым функциям они ближе к службе персональной спутниковой связи. Аналогичным образом происходит и процесс интеграции ФСС и РСС с развитием сравнительно нового направления в предоставлении персональных услуг – так называемого интерактивного обмена во время телепередач и удовлетворения индивидуальных запросов пользователей путем трансляции по закрытым каналам заказных телепрограмм.

Естественно, что принадлежность к той или иной службе связи определяет специфику построения соответствующих РСПИ, однако все они имеют и ряд общих признаков. Поэтому в настоящем пособии кратко рассмотрены общие вопросы построения современных систем радиосвязи, характерные для всех служб РС, а более подробно – принципы построения и организации спутниковых систем связи. Наземные системы мобильной и профессиональной связи рассмотрены во второй и третьей частях пособия.

1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ СВЯЗИ

Обычно под системой радиосвязи понимают совокупность радиоканалов, устройств обработки информации, источников и получателей сообщений, внешней среды и правил функционирования (рис.1.1). Радиоканал (канал радиосвязи) представляет собой совокупность технических средств и среды распространения радиоволн, обеспечивающих передачу сигналов от источника к приемнику информации. В качестве технических средств в радиоканале используют радиостанции. Радиоканал, обеспечивающий радиосвязь в одном азимутальном направлении, называют радиолинией, а совокупность радиолиний, работающих на одной, общей для всех абонентов, частоте или группе частот – радиосетью.

Обратный канал В зависимости от функционального назначения источником сообщений в радиосистемах может быть как непрерывный, так и дискретный источник, но в том и другом случае он содержит преобразователь неэлектрической величины в электрическую x(t). Передающее устройство в общем случае выполняет операции кодирования и модуляции, т.е. преобразует x(t) в сигнал S(t), который можно представить в виде преобразования где f(t) – сигнал-переносчик (сигнал на частоте несущей).

При передаче непрерывных сообщений цифровыми методами передатчик осуществляет также операции дискретизации по времени и квантования по уровню, а при кодировании информации передатчик содержит также кодирующие устройства (кодеры), причем в зависимости от задач кодирования различают кодер источника сообщений и кодер канала.

Сигнал на входе приемника обычно представляют в виде где n(t) характеризует влияние помех как аппаратурных, так и действующих в линии связи.

В реальных линиях связи сигнал s(t) наблюдается как на фоне аддитивных шумов n(t), характеризуемых определенной функцией плотности распределения вероятности, так и мультипликативных помех (t). Поэтому выражение (1.2) можно представить как Приемное устройство предназначено для выделения оценки передаваемого сообщения x' (t) из принятого сигнала U(t) и его действие описывает оператор Выделение оценки передаваемого сообщения в приемнике в общем случае осуществляется выполнением операций демодуляции и декодирования (демодулятором и декодером), причем в РСПИ непрерывных сообщений при аналоговой модуляции сигнал на выходе демодулятора практически совпадает с передаваемым сообщением. В системах передачи дискретных сообщений сигнал после демодулятора необходимо декодировать.

Совокупность кодирующего и декодирующего устройств называют кодеком, а совокупность модулятора и демодулятора – модемом.

Как правило, современные РСПИ помимо прямого канала содержат обратный канал, что позволяет не только обеспечивать двухсторонний обмен информацией, но и повышать достоверность передаваемой информации за счет формирования специальных информационных и управляющих команд. Такие РСПИ называются системами с обратной связью, причем отдельно различают системы с управляющей обратной связью и системы с информационной обратной связью. В первом случае решающая схема приемника выносит решение о переданном сообщении и направляет его получателю либо, если сообщение кажется сомнительным, принимает решение повторить его и информирует об этом передающую сторону. Во втором случае приемная сторона извещает передающую по обратному каналу о том, какое сообщение принято, а передающая сторона, сравнивая эти сообщения, повторяет переданное при наличии существенных отличий.

Двухстороннюю радиосвязь, при которой передача и прием на каждой радиостанции осуществляется поочередно, называется симплексной, если передача и прием на каждой радиостанции ведется одновременно, то такая связь – дуплексной.

Большинство современных систем являются системами множественного доступа. Это означает, что по одной линии можно осуществлять одновременную передачу нескольких сообщений. В этом случае формируется групповой сигнал Sгр, являющийся функцией различных источников сообщений xi(t) Системы множественного доступа, в свою очередь, разделяют на многоканальные и многостанционные. В многоканальных системах (рис. 1.2) сообщения x1(t), x2(t),…, xi(t), поступающие от различных источников на канальные модуляторы КМi, модулируют канальные сигналы, которые вырабатывает генератор канальных сигналов (ГКС).

Модулированные канальные сигналы поступают на устройство объединения (УО), где вырабатывается групповой сигнал Sгр(t). В общем модуляторе (ОМ) осуществляется модуляция несущей частоты передатчика. В приемной части системы связи после предварительной обработки (усиления, фильтрации и т.д.) происходит демодуляция принятого сигнала и выделение оценки группового сигнала S' гр(t) в общем демодуляторе (ОД). Селекторами канальных сигналов (СКС) выделяют оценки канальных сигналов S'i(t), а формирование оценок принятых сообщений x 'i(t) происходит в канальных детекторах (КДi).

Современные системы должны обеспечивать одновременной связью большое число стационарных и подвижных объектов, произвольно расположенных на земной поверхности. Такие системы называются многостанционными или системами с многостанционным доступом (МД). У них многостанционный доступ осуществляется в общий частотный канал, а корреспонденты (потребители) передают и принимают информацию независимо друг от друга, когда в этом возникает необходимость. Такой принцип в настоящее время реализуется и в наземных, и в спутниковых системах.

В отличие от многоканальных систем передачи информации, в которых групповой сигнал формируется "внутри", т.е. специальными устройствами объединения, перед модуляцией несущей в передающем тракте, в системах МД групповой сигнал Sгр(t) образуется непосредственно в канале распространения (рис. 1.3), т.е. на входе приемных устройств. Кроме того, в системах с МД отсутствует временная синхронизация источников информации, а уровни принимаемых сигналов могут существенно различаться, например, в зависимости от удаленности (различной протяженности трасс распространения).

................

Естественно, что при реализации методов множественного доступа должно быть исключено взаимное влияние сигналов различных источников. Кроме того, необходимым условием является условие их разделимости при обработке. В многоканальных системах для эффективного разделения канальных сигналов достаточным является условие их линейной независимости. При линейном разделении каналов групповой сигнал Sгр(t) является суммой модулированных каN нальных сигналов Sгр(t)= Si ( t ), а работу селекторов канальных сигi = налов описывают линейными операторами Для выполнения равенства (1.6) необходимо и достаточно, чтобы сигналы Si(t) были линейно независимы, а это означает, что тождество Требование линейной независимости сигналов оказывается недостаточным при наличии помех. Поэтому более предпочтителен выбор ортогональных сигналов, т.е. таких, для которых справедливы условия:

где Fi(t) - спектры сигналов Si; E - энергия сигнала.

Условия (1.7) выполняются, если сигналы Si(t) не перекрываются во времени или имеют не перекрывающиеся спектры частот. Кроме того, существуют ансамбли ортогональных сигналов, совмещенных как во времени, так и по спектру, но отличающиеся по форме. В зависимости от выполнения одного из этих условий можно выделить три метода разделения сигналов в многоканальных системах – по частоте, времени и форме. В многостанционных системах аналогичные методы разделения называют соответственно многостанционным доступом с частотным разделением (МДЧР), временным разделением (МДВР) и кодовым разделением (МДКР). Возможны также и комбинированные методы доступа, сформированные на основе этих трех.

Еще одной особенностью РСПИ является то, что некоторые из них могут быть многоствольными. В широком смысле понимания любая система связи вместе со средой распространения образует линейный тракт или ствол, состоящий из оконечного оборудования и радиоствола. Оборудование ствола расположено на оконечных и ретрансляционных станциях. Назначением радиоствола является передача модулированных радиосигналов с помощью радиоволн. Если в состав радиоствола входит лишь две оконечные радиостанции и один тракт распространения, то такой ствол называют простым. Если кроме этих двух радиостанций ствол содержит одну или несколько ретрансляционных станций, то его называют составным.

В узком смысле понятие ствола связывают с трактом приемопередачи одного или нескольких радиосигналов, который является частью общего приемопередающего тракта и содержит общий для этих сигналов тракт усиления (выходной усилитель). Многоствольный принцип построения оборудования широко используют в ретрансляторах радиорелейных и спутниковых систем связи, где каждому стволу отводят свой частотный диапазон. Так, например, для бортовых ретрансляторов (БРТ) спутниковых систем связи в зависимости от объемов передаваемой информации отводятся полосы частот 20, 40, 120 МГц, а число стволов в некоторых БРТ может достигать двух и более десятков. На рис. 1.4 в качестве примера изображена упрощенная структурная схема одного ствола БРТ спутниковой системы связи, где МШУ – малошумящий усилитель; ПУ – полосовой усилитель; ОГР – ограничитель; УМ – усилитель мощности.

МШУ ПУ ОГР УМ

Si(t) сигналы В некоторых ретрансляторах несколько радиосигналов, принятых в одном стволе, могут быть разделены и переданы различными стволами в различных направлениях, например по линии вниз в спутниковых БРТ, т.е. возможна коммутация сигналов. В этом случае целесообразно рассматривать стволы приема и передачи сигналов отдельно (рис. 1.5). Так, ствол приема – как тракт усиления и преобразования сигналов Si(t) от приемной антенны до входа коммутатора, а ствол передачи – от выхода коммутатора до передающей антенны.

Преимущество многоствольного построения РСПИ состоит в том, что, во-первых, полная мощность может быть увеличена за счет параллельного включения усилителей мощности стволов. Во-вторых, используя различные стволы, можно взаимно развязать работу земных станций разных классов.

Кроме того, изменяя рабочую частоту на одной линии, можно управлять выбором рабочей частоты на другой линии. Например в спутниковых системах можно использовать смену рабочих частот на линии вверх для переключения передачи на различные географические районы, т.е. на различные земные станции, например, управляя выбором поляризации передающей антенны или выбором узконаправленных антенн на линии вниз.

Следует отметить, что все РСПИ можно разделить на аналоговые и цифровые. В последнее время цифровые методы передачи информации приобретают все большее распространение по сравнению с аналоговыми. К преимуществам цифровых систем относят прежде всего следующие:

– простоту и эффективность группирования в пакеты нескольких независимых сигналов;

– относительно малую чувствительность к эффекту накопления искажений при ретрансляции, что является большой проблемой в аналоговых системах связи:

– малые вероятности ошибок при передаче и приеме информационных сигналов (малые ошибки кодирования и декодирования);

– скрытность и высокую помехозащищенность и/или помехоустойчивость;

– гибкость аппаратурной реализации и высокую степень унификации цифровых систем.

Вместе с тем, входные сообщения, поступающие на станции, могут быть как цифровыми, так и аналоговыми, например, речевые сигналы персональных абонентов или вещания. Это требует, с одной стороны, преобразования аналоговых сигналов в цифровые, а с другой – применения соответствующих методов и устройств уплотнения и защиты информации.

1.2. Виды радиосвязи и классификация систем связи Различают два основных вида радиосвязи – космическую и наземную. Космическая радиосвязь – это радиосвязь, в которой используется одна или несколько космических радиостанций или один или несколько пассивных спутников, или другие космические объекты.

Наземная радиосвязь – радиосвязь, в которой применяют радиостанции, находящиеся на поверхности Земли и в основной части земной атмосферы, исключая космическую радиосвязь и радиоастрономию.

Спутниковая радиосвязь – это космическая радиосвязь между земными радиостанциями, осуществляемая путем ретрансляции радиосигналов через один или несколько спутников земли. Как для наземных, так и для спутниковых РСПИ устанавливают принадлежность к той или иной службе связи (рис. 1. 6).

Помимо принадлежности к той или иной службе и назначения (см. рис. 1. 6), классификация РСПИ может быть проведена и по другим признакам, которые заложены в ее основу, например, по диапазону используемых частот, виду линейного сигнала, виду модуляции несущей, способу разделения каналов и т.д. Кроме того, одним из таких признаков является характер используемого физического процесса в тракте распространения радиоволн. По этому признаку различают радиорелейные системы передачи прямой видимости (РРСП) (распространение радиоволн в тропосфере в пределах прямой видимости); тропосферные радиорелейные системы передачи (ТРСП) (дальнее тропосферное распространение радиоволн вследствие их рассеяния и отражения в нижней области тропосферы при взаимном расположении радиорелейных станций за пределами прямой видимости); ионосферные системы передачи на декаметровых волнах (дальнее распространение декаметровых волн за счет отражения от слоев ионосферы); космические системы передачи (прямолинейное распространение радиоволн в космическом пространстве и атмосфере Земли);

ионосферные системы передачи на метровых волнах (дальнее распространение метровых волн благодаря рассеянию их на неоднородностях ионосферы), наземные системы ВЧ, ОВЧ и УВЧ, работающие в приземных слоях атмосферы в диапазонах частот от 30 до 3000 МГц и др.

Морская спутниковая Радиорелейные системы передачи прямой видимости и спутниковые системы связи (ССС) по способу построения имеют много общего, поскольку и в том, и в другом случаях используется прямолинейное распространение радиоволн с ретрансляцией сигналов бортовым ретранслятором ИСЗ, находящегося в пределах радиовидимости земных станций, между которыми осуществляется радиосвязь, либо сигналов наземных радиостанций. Кроме того и в РРСП, и в ССС применяют многоствольный принцип построения ретрансляторов, обеспечивающий повышение пропускной способности, надежности и значительное снижение экономических затрат. Близки также и диапазоны частот, в которых работают эти системы. В частности, большинство земных станций ССС работает в диапазонах 4/11 ГГц на прием и 6/14 ГГц на передачу, а такие РРСП, как, например, "КУРС-8" и "Электроника-Связь-11-Ц" работают соответственно в диапазонах 7,9…8, и 10,7…11,7 ГГц.

Системы связи можно также классифицировать и по пользовательским признакам, например, по категории обслуживаемых абонентов на системы общего, индивидуального и специализированного пользования, по числу обслуживаемых абонентов, а также по виду предоставляемых услуг.

В последние два десятилетия интенсивное развитие получили так называемые сотовые системы мобильной связи, которые условно можно выделить в отдельную категорию РСПИ, хотя формально они относятся к службе ПСС. Принцип построения этих систем основан на том, что зона обслуживания разделена на большое количество ячеек (сот), радиус которых лежит в пределах от 0,5 до 7 км. Каждую соту обслуживает отдельная базовая радиостанция небольшой мощности, расположенная в центре соты. Совокупность сот образует зону обслуживания, в центре которой размещена центральная станция, соединенная проводными или радиорелейными линиями со всеми базовыми станциями, а также с телефонной сетью общего пользования. Такая структура позволяет любому абоненту сотовой системы, а также абонентам телефонной сети общего пользования не только осуществлять голосовую связь между собой, но и обмениваться цифровыми и буквенными сообщениями, иметь выход в международные каналы и сети связи, включая Internet-сети, широко применять современные информационные технологии. Сотовые системы обладают высокой эффективностью использования спектра частот и их можно интегрировать с другими видами систем, включая спутниковые.

2. ОРГАНИЗАЦИЯ МНОГОСТАНЦИОННОГО ДОСТУПА

В СИСТЕМАХ СВЯЗИ

2.1. Основные особенности многостанционного доступа Многостанционный доступ (МСД) в общий частотный канал является одним из основных способов построения современных систем связи с подвижными объектами, спутниковых систем связи, сотовых систем и ряда других. Такие системы обычно обслуживают множество абонентов l, каждый из которых является источником непрерывной или дискретной информации, преобразуемой в сигналы si(t), i=1,…,l.

В системах МСД все сигналы sj(t), i=1,…,k, называемые адресными, заранее закрепляются за абонентами или могут быть выделены им только на время сеанса связи, после окончания которого эти сигналы могут быть использованы другими абонентами системы. Естественно, что не все абоненты одновременно участвуют в сеансе связи, а обращаются к системе по мере необходимости. Т.е. системы МСД можно рассматривать как системы массового обслуживания, используя теорию телетрафика. Активность абонента в этом случае характеризуется вероятностью pa передачи информации в определенный момент времени и, как правило, выполняется условие paВ. В этом случае он может быть представлен следующим образом:

и, соответственно, на выходе нелинейного устройства согласно выражению (2.6) получаем Предположим, что функция g[A+Bcos(-)] может быть представлена разложением в ряд Тейлора в окрестности точки А, тогда обычных сигналов В 1). Такими базами обладают широкополосные (составные) сигналы и, в частности, шумоподобные сигналы (ШПС), которые в основном и применяются в МДКР. Сигналы различных ЗС, благодаря хорошим корреляционным свойствам ШПС, различают методами корреляционного приема.

Основными достоинствами МДКР являются:

– низкая спектральная плотность излучаемых сигналов;

– высокая помехоустойчивость (особенно по отношениям к узкополосным и импульсным помехам);

– скрытность приемо-передачи сообщений благодаря использованию следующих кодов.

Вместе с тем МДКР имеет и ряд недостатков. Один из них – низкая по сравнению с другими видами доступа эффективность использования полосы частот, так как применение ШПС приводит к существенному расширению полосы частот по сравнению с полосой модулирующего сигнала. Это обуславливает низкую пропускную способность в целом, и в МДКР обычно передают информационные потоки со скоростью не выше чем 9,6...19,2 кбит/с.

Вторым существенным недостатком МДКР является высокий уровень взаимных помех, ограничивающий число одновременно работающих абонентов. Действительно, качество передаваемой информации (качество разделения символов различных ЗС) определяется так называемыми шумами ортогональности, которые возрастают по мере увеличения числа абонентов. Если в системах МДЧР и МДВР основными шумами являются тепловые шумы, то при МДКР основные источники шумов – излучения различных ЗС, одновременно работающих в одном и том же частотном диапазоне, т.е. каждую другую ЗС можно рассматривать как источник помех для остальных ЗС. Если абоненты равноправны, качество связи может быть улучшено не за счет повышения мощности ШПС, а только за счет увеличения базы сигнала В, что в свою очередь приводит к усложнению обработки сигналов на приемной стороне.

Если число ШПС в системе обозначить через N, энергию ШПС – Ес, то достоверность приема информации при идеальной обработке будет определена как где Рш – спектральная мощность флуктуационной помехи, которая с учетом влияния N станций будет иметь вид Учитывая то, что Еci = Вi Рi, запишем следующее выражение эффективности:

Как видно из выражения (2.14), число абонентов в системе с МДКР не может быть очень большим, поскольку увеличение этого числа приводит к необходимости существенного увеличения базы ШПС. Реально это число не превышает несколько десятков.

На рис. 2.8 изображены сравнительные характеристики пропускной способности трех методов доступа – МДЧР, МДВР и МДКР в зависимости от числа земных станций N, и, как видно из этого рисунка, относительная величина пропускной способности С наиболее высокая в системах МДВР и наиболее низкая в системах МДКР.

Несмотря на отмеченные недостатки, системы с МДКР в последние годы находят все большее применение, особенно в локальных сетях, системах сотовой и спутниковой связи. Это связано, как уже было отмечено, как с уменьшением пиковой мощности, так и с низкими требованиями к динамике регулирования мощности, что весьма важно для персональной подвижной радиосвязи с терминалом типа “телефонная трубка”.

Системам МДКР присущ режим “мягкого” переключения при переходе абонента с одного спутника на другой, легче осуществляется разнесенный прием через разные КА с автовыбором лучшего из принимаемых сигналов.

3. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ССС

3.1. Назначение, виды и орбитальные характеристики ССС Первые спутниковые системы связи с активной ретрансляцией сигналов появились в 1962-1963 гг., а спутниковые системы дальней связи – в 1965 году (Интелсат, США; Молния-1, СССР). В последующие годы были созданы ведомственные, национальные и международные системы, которые в зависимости от передаваемой информации можно отнести либо к многофункциональным, либо к специализированным. Первые предназначены для одновременного обмена телефонной, телеграфной, телевизионной, радиовещательной и другими видами информации; вторые – ССС для передачи информации одного или двух однородных видов, например, телевизионного вещания или теле- и радиовещания. К специализированным ССС можно также отнести ряд систем военного и гражданского применения, которые предназначены для решения задач определенного рода. Некоторые из таких систем приведены в табл. 3.1.

Гражданская дальняя связь INTELSAT Связь с объектами военного назна- NATO, DSCS-III, Skynet чения Связь с морскими объектами Связь с воздушными судами AEROSTAT Навигация (глобальная) NAVSTAR, ГЛОНАСС Исследование космического про- TDRSS, METEOSAT, В настоящее время ССС охватывают практически все существующие службы связи (см. рис. 1. 6), они интегрированы со многими другими системами и этот процесс интеграции непрерывно продолжается.

По территориальному признаку все ССС можно разделить на глобальные, зона обслуживания которых охватывает весь земной шар; национальные, обеспечивающие связь в отдельной стране или в группе близко расположенных стран; региональные, обеспечивающие связь в отдельных регионах.

По орбитальному признаку спутниковые системы разделяются на геостационарные (стационарные), среднеорбитальные (средневысотные), низкоорбитальные (низковысотные) и системы связи на эллиптических орбитах. В международной практике первые три типа систем обычно называют системами GEО, MEO и LEO соответственно.

Геостационарные орбиты – это орбиты, расположенные на высоте примерно 36000 км, причем скорость вращения КА обеспечивают равной скорости вращения Земли. Тем самым достигают эффекта «неподвижности» КА относительно точки наблюдения, расположенной на Земле Если ширину диаграммы направленности антенных систем КА выбрать равной 17,30, то трех спутников достаточно для полного покрытия территории Земли (рис. 3.1).

На рис. 3.1 ориентация КА выбрана таковой, что КА1 располагается в зоне Индийского океана, КА2 – в зоне Тихого океана, а КА3 – в зоне Атлантического океана.

Геостационарная орбита может быть экваториальной, т.е. ее угол склонения совпадает с плоскостью экватора, либо наклонной.

Достоинства геостационарных ССС:

– охват всей территории земной поверхности минимальным числом спутников (минимум 3, но на практике используют большее число для увеличения вероятности надежной работы);

– возможность непрерывной связи в глобальной зоне обслуживания;

– практическое отсутствие доплеровского сдвига частоты, обусловленного взаимным перемещением КА и Земли;

– сравнительно низкие энергетические затраты на коррекцию траектории движения КА и его удержание на орбите в заданной точке орбиты. Следует отметить, что, находясь на геостационарной орбите, КА, как, впрочем, и любые другие орбитальные КА, испытывает воздействие гравитационных полей Луны и Солнца, причем влияние Луны больше примерно в три раза. Эти поля вызывают суточные колебания радиуса орбиты, приводящие к накапливанию наклонения плоскости орбиты примерно на величину 0,85°/год. За 26,6 лет угол склонения орбиты без коррекции может измениться от 0° до 14,67°, причем в последующие 26,6 лет угол склонения орбиты опять уменьшится до 0°).

Недостатки геостационарных ССС.

– большой уровень задержки сигналов (до 600 мс), связанный с конечным временем распространения радиоволн;

– геостационарные КА не позволяют обеспечить связь в высокоширотных районах и для их охвата требуются эллиптические орбиты с апогеем в северном полушарии (~ 40 тыс. км) и перигеем в Южном полушарии (~ 400…600 км), а наклонение плоскости орбиты должно составлять примерно 63,40 (например, для СС “Молния”);

– необходимость достаточно высокой энергетики, что затрудняет персональную связь.

Средневысотные ССС являются промежуточным звеном между геостационарными и низкоорбитальными. КА средневысотных ССС располагаются в основном на круговых орбитах, находящихся на высотах от 5000 до 15000 км. Для полного покрытия территории Земли требуется 7-12 КА. Упрощенная схема организации охвата территории Земли в средневысотных и низкоорбитальных ССС изображена на рис. 3.2.

Как видно из рис. 3.2, в ССС осуществляется многократная ретрансляция сигналов земных станций через (с помощью) КА, а сами космические аппараты должны иметь возможность одновременно работать с несколькими земными станциями. КА при этом представляет собой ретранслятор, имеющий, как правило, несколько стволов.

Достоинства средневысотных ССС:

– более высокие характеристики обслуживания за счет увеличения рабочих углов места и числа КА, находящихся одновременно в поле зрения наземного абонента;

– сравнительно невысокие значения задержки сигналов (не выше 130 мс) при проведении сеансов связи;

– улучшенные энергетические показатели ССС в целом и возможность обеспечения персональной связи непосредственно с КА при относительно небольших энергетических затратах.

Недостатки средневысотных ССС:

– подверженность влиянию пространственных поясов заряженных частиц (пояса Ван Аллена), ухудшающих, а в некоторых случаях и препятствующих организации устойчивой связи. Первый радиационный пояс расположен на высоте 2000…9000 км до 30° в обе стороны от экватора. Второй – на высоте 13000…19000 км до 50° в обе стороны от экватора;

– более низкая чем у геостационарных ССС продолжительность пребывания в зоне радиовидимости земных станций (1,5 – 2 ч).

В низкоорбитальных ССС в зависимости от наклонения плоскости орбиты относительно экватора различают низкие экваториальные ( = 00), полярные ( = 900) и наклонные ( 00) орбиты. В настоящее время используют низкие наклонные и полярные орбиты высотой 500…1500 км и экваториальные – высотой около 2000 км.

Достоинства низкоорбитальных ССС:

– значительно лучшие энергетические показатели в сравнении с GEO и MEO;

– возможность организации персональной связи при минимальных энергетических затратах потребителя.

Недостатки:

– малая продолжительность сеанса связи с одним КА;

– меньшее время активного существования в сравнении с остальными системами, что вызвано, во-первых, тем, что большая часть времени (до 30%) КА находится на теневой стороне Земли, а, вовторых, влиянием радиационного пояса;

– большая подверженность к деградации орбит, связанной с влиянием атмосферы (повышенная плотность), что приводит к колебаниям эксцентриситета;

– низкая мгновенная зона обслуживания одним КА и, соответственно, необходимость в большом количестве спутников в группировке.

Сравнительные показатели геостационарных, среднеорбитальных и низкоорбитальных систем, характеризующие орбитальные различия, приведены в табл. 3.2.

GEO MEO LEO

Количество КА в группировке ритории, шт.

Площадь зоны покрытия одним Земли (угол места – 5 ), % Задержка при передаче сигналов, мс – региональная связь – глобальная связь

GEO MEO LEO

Максимальный относительный доплеровский сдвиг Угол места на краю зоны обслуживания, град Время переключения из одного луча в другой, мин 3.2. Состав ССС, характеристики КА и средств вывода на орбиту Любая ССС имеет в своем составе четыре сегмента: космический, сегмент средств вывода спутников на орбиту, наземный и пользовательский.

Космический сегмент состоит из группировки КА, выводимых на орбиту. Конфигурация орбитальной группировки зависит от назначения системы, требуемой зоны обслуживания и может быть управляемой. В состав КА входят радиоэлектронное оборудование, центральный процессор, система ориентации и стабилизации, двигательная установка и система электропитания (СЭП), состоящая из набора солнечных батарей. Кроме того, на КА устанавливают различного типа антенные устройства, работающие как на прием, так и на передачу.

Некоторые из этих антенн могут быть многолучевыми, каждый луч которых высвечивает на поверхности Земли определенную зону обслуживания. Так, например, КА системы связи "Irridium" содержат три группы антенн – шесть фазированных решеток для формирования парциальных лучей в диапазоне 1616…1626 МГц, четыре антенны для организации так называемых фидерных линий связи со станциями сопряжения в диапазонах 19,4…19,6; 29,1…29,3 ГГц, четыре волноводно-щелевые антенны для фидерной межспутниковой связи в диапазоне 23,18…23,38 ГГц.

В последнее время запуск КА на орбиту проводят с помощью специальных универсальных космических платформ, что позволяет не только сократить сроки и стоимость разработки и одновременный запуск нескольких КА, но и использовать при их создании перспективные и хорошо отработанные технологии. В настоящее время существует широкий выбор космических платформ, удовлетворяющих требованиям различных полезных нагрузок по массогабаритным показателям, энергоресурсу, условиям космической эксплуатации, надежности и стоимости. Сравнительные характеристики КА систем мобильной и персональной спутниковой связи приведены в табл. 3.3, а данные о космических платформах – в табл. 3. 4.

Геостационарные и высокоэллиптические КА систем мобильной и персональной спутниковой связи Полярная системы платфоркг СЭП, Вт лет на орбиту Низкоорбитальные и средневысотные КА систем радиотелефонной и широкополосной связи Низкоорбитальные системы передачи коротких пакетов HS-702 910 (полезная) Satcom 4000 товая) Satcom 5000 товая) Spacebus Spacebus Сегмент средств вывода спутников на орбиту содержит стартовые комплексы, ракетоносители с космическими платформами, центры управления полетом КА. Как правило, эти комплексы и средства используют не только для развертывания и эксплуатации ССС, но и для других систем гражданского и военного назначения.

Современные ракетно-космические комплексы предназначены для создания и восполнения орбитальных группировок, включая предстартовую подготовку, выведение КА на орбиту и разведение спутников по орбите в случае группового запуска.

В многоспутниковых системах вывод КА на орбиту осуществляется с использованием групповых запусков (от 3 до 12 КА за пуск) с помощью одной ракеты-носителя. Такой групповой запуск КА является наиболее эффективным, так как требует меньших затрат на создание орбитальной группировки и снижает загрузку стартового комплекса, а также целесообразен в связи с ужесточением требований к уменьшению числа пусков ракет-носителей по экологическим соображениям.

Современные космические платформы совместимы с большинством ракет-носителей среднего и тяжелого класса, такими как Delta, Atlas, Ariane 4, Ariane 5, Протон, Зенит, Pegasus XL, Long March и Н-2.

В качестве средств восполнения орбитальной группировки используются легкие ракеты-носители, рассчитанные на запуск одного или двух спутников (Космос, Conestoga, Taurus).

Легкие низкоорбитальные КА могут быть запущены как с традиционных пусковых установок, так и с мобильных, включая морской запуск, например, с помощью ракетоносителя Зенит. Запуск легких КА может быть осуществлен за короткий срок (менее 48 часов) и не требует привлечения дорогостоящего обслуживающего персонала. Такой вид спутников особенно выгоден для стран, не имеющих собственных космодромов. По некоторым оценкам в ближайшее время вывода на орбиту малых КА будет приходиться около 15% средств запуска.

Данные об основных ракетоносителях, используемых для вывода КА спутниковых систем связи, приведены в табл. 3. 5.

Протон ГКНПЦ им. Хру- 95,6 (более 200 65 (Байконур) Pegasus XL Orbital Sciences Наземный сегмент включает в себя основной и резервный центры спутниковой связи, каналы управления системой и наземные станции. Центры управления связи (ЦУС) являются наиболее крупными образованиями и в их состав входят несколько типов земных станций, осуществляющих функции управления системой связи в целом, контроля функционирования КА, входящих в орбитальную группировку, а также координации функционирования различных систем связи. Чаще всего ЦУС территориально объединены с центром управления полетом (ЦУП).

Задачей центральных базовых станций, помимо функций приема и передачи информационных потоков, является решение задач управления сетью связи на региональном уровне. Базовые и узловые станции образуют земную сеть системы связи. Через эти станции осуществляется выход абонентов (пользователей) системы в телефонные сети общего пользования ТФОП или цифровые сети интегрального обслуживания ТФОП. На рис. 3.3 в качестве примера изображена структура российской низкоорбитальной системы “Сигнал”, предназначенной для обслуживания абонентов на территории Европы и континентальной части Азии.

Система "Сигнал" не имеет межспутниковых фидерных каналов связи, которыми могут располагать другие системы; связь между любыми абонентскими станциями происходит через КА и наземные базовые станции. Для связи между базовыми станциями и КА предусмотрены специальные магистральные стволы в диапазонах 11/ (15/19) ГГц и 20/30 ГГц.

В последние годы базовые станции чаще называют станциями сопряжения, а в зарубежной литературе используют термин "gateway" (ворота, шлюз), поскольку через них осуществляется подсоединение абонентов к каналам других систем. При этом станция сопряжения выполняет аппаратную и программную поддержку протоколов этих систем, являясь своеобразным шлюзом, в котором происходит промежуточное хранение сообщения. Количество этих станций зависит от способа организации связи в глобальном масштабе. В низкоорбитальных системах, в которых применяют межспутниковые линии связи, их количество составляет от 20 до 25. При отсутствии таковых для глобальных систем их количество возрастает до 150…210.

Пользовательский сегмент включает в себя все виды стационарных и подвижных объектов наземного, морского и воздушного базирования, включая персональных пользователей (рис. 3.3). Абонентские станции (терминалы) могут быть стационарными, возимыми и носимыми и их конструктивные особенности зависят от условий эксплуатации. Персональные терминалы современных ССС мало чем отличаются от существующих моделей сотовых телефонов и могут быть двух типов – однорежимные, работающие только в сети данной ССС, и двухрежимные, рассчитанные на обслуживание абонентов как в сети данной спутниковой системы, так и в региональной сети сотовой связи.

3.3. Основные показатели, геометрические соотношения и вероятностные характеристики орбитальных группировок Период спутника, находящегося на круговой или эллиптической орбите (рис. 3.4) определяется соотношением где: а – большая полуось орбиты (радиус круговой орбиты);

= 3,986105 км3/с2 – гравитационная постоянная Земли (постоянная Кеплера).

Скорость движения спутника по круговой орбите где r – радиус орбиты.

Плоскость В общем случае (будем считать, что влияние Солнца, магнитных и гравитационных полей других планет, светового давления и т.п. не очень велико) невозмущенное движение КА подчиняется трём законам Кеплера:

1. Движение ИСЗ происходит по эллипсу, один из фокусов которого расположен в центре Земли, а второй – на таком же расстоянии от апогея орбиты ИСЗ, на котором центр Земли находится от её перигея.

2. Радиус-вектор спутника, т.е. отрезок прямой, соединяющей спутник с центром Земли, в равные промежутки времени описывает равные площади.

3. Отношение квадратов периодов обращения спутников равно отношению кубов их средних расстояний от центра Земли, т.е. кубов больших полуосей орбит.

Положение орбит спутника в геоцентрической системе координат определяют шестью независимыми координатами: величиной большой полуоси эллипса орбиты – а; эксцентриситетом – е; долготой восходящего узла – ; наклонением орбиты – i; временем прохождения спутником какой-то фиксированной точки орбиты – t0; угловым расстоянием перигея –.

Ось X направлена из центра Земли до пересечения Гринвичского меридиана с экватором, ось Y – в точку с координатами 00 с.ш.

900 в.д., ось Z – вдоль оси вращения Земли.

Угол i (угол наклона орбиты) отсчитывают между перпендикуляром, лежащим в плоскости орбиты, и осью Z, с положительным направлением в ту сторону, откуда движение спутника наблюдается против часовой стрелки. Этот угол может меняться от 00 до 1800. Восходящий узел – это точка перехода КА из южного полушария в северное.

Угол отсчитывают от оси X до прямой, соединяющей начало координат с восходящим узлом, угол (угловое расстояние) – от большой полуоси орбиты до линии, соединяющей восходящий узел с началом координат.

Обозначим высоту орбиты в точке перигея hn, а в точке апогея hа.

Тогда величина большой полуоси орбиты и эксцентриситет могут быть описаны следующими выражениями:

где R0 – радиус Земли.

Фокусы эллипса отстоят от его центра на величину ае. Точка пересечения с поверхностью Земли радиуса-вектора, проведенного в данную точку орбиты из центра Земли, называется подспутниковой точкой. Из этой точки КА виден точно в зените, т.е. ось луча антенны ЗС при наведении ее на спутник должна быть перпендикулярна поверхности Земли. В любой другой точке земной поверхности положение луча антенны ЗС отличается от зенита и характеризуется двумя углами – азимутом и углом места. Координаты подспутниковой точки (широта и долгота) определяются как где шс - широта подспутниковой точки; дс - долгота подспутниковой точки; 0 - долгота восходящего узла в момент времени t0, т.е. в момент прохождения перигея; Тзв - длительность звездных суток (сидирических суток), равная интервалу времени, за который Земля совершает один оборот вокруг своей оси относительно звезд (Тзв = 23 ч 56 мин 04 с). По существу шс характеризует угол между радиусом, проведенным из центра Земли в подспутниковую точку, и плоскостью экватора, а дс – угол между плоскостью Гринвичского меридиана и плоскостью меридиана, проходящего через подспутниковую точку.

Если считать, что КА находится на экваториальной геостационарной орбите, а период его обращения точно равен звездным суткам Т= Тзв, то азимут и угол места ЗС можно определить из выражений где пс – долгота подспутниковой точки спутника в относительной геоцентрической системе координат, Н = 42170 км – высота орбиты относительно центра Земли.

Необходимо отметить, что период обращения КА обычно выбирают из условия Т= Тзв/N, где N – число оборотов КА вокруг Земли за сутки. При таком выборе Т спутник появляется над одними и теми же районами Земли в одно и то же время.

Каждая земная станция имеет так называемую зону радиовидимости, которой называют часть земной поверхности, откуда спутник виден под углами к горизонту от min до max, т.е минимального угла возвышения антенны, начиная с которого земная станция принимает сигналы спутника (угла между направлением на КА и плоскостью, касательной к поверхности Земли) и максимального угла, при котором связь пропадает.

Для границы зоны видимости можно записать в каждый момент времени следующие соотношения:

Здесь 0 – угловое расстояние границы зоны радиовидимости от подспутниковой точки.

Границу радиовидимости определяют следующим образом. Задают момент времени, параметры орбиты, координаты подспутниковой точки, значение радиуса-вектора спутника и минимальное восхождение, а затем рассчитывают углы Географические координаты границы зоны радиовидимости шн и дм связаны соотношением т.е., задавая шм в пределах шс ± 0, находят дм.

Надежность обслуживания абонентов зависит от таких параметров ССС, как связность и кратность покрытия. Под связностью понимают возможность соединения абонентов, расположенных в одной или разных зонах обслуживания. Связность обеспечивается при наличии между абонентами непрерывного или квазинепрерывного канала связи. Непрерывная связность обеспечивается, если в зоне радиовидимости обоих абонентов находится, как минимум, один КА.

Кратность покрытия n – это нахождение нескольких КА одновременно в зоне радиовидимости абонентов. Для расчета числа КА, обеспечивающих глобальное покрытие земной поверхности, можно записать следующее выражение:

где p= – число орбитальных плоскостей.

На рис. 3.5 изображены графики зависимости числа КА от высоты орбиты для обеспечения связности в ССС при n = 1 и n = 2, откуда видно, что для однократного покрытия в системах LEO необходимо 40 – 70 спутников, в MEO – 7 – 12 спутников, в ГЕО – 3 – 4 спутника.

Многократная связность обеспечивается, если в зоне радиовидимости абонентов находится несколько КА в течение заданного времени.

Вероятность одновременного нахождения в зоне радиовидимости n спутников можно определить из уравнения где Т/Т – доля периода, в течение которой КА в среднем находится в зоне радиовидимости земной станции.

Время пребывания КА в зоне радиовидимости зависит от параметров орбиты и угла места ЗС. Чем выше орбита, тем больше время пребывания КА в пределах прямой видимости земной станции. Строгий расчет вероятностных показателей для "всех случаев жизни" довольно сложен, обычно его выполняют путем математического моделирования, как правило, на ЭВМ. Можно получить приближенные расчетные соотношения и для частных случаев. Так, например, среднее время пребывания КА в зоне прямой видимости ЗС для экваториальных орбит определяется выражением Из выражения (3.14) видно, что для одиночного КА на низких экваториальных орбитах, где период обращения может изменяться от 90 до 127 мин в зависимости от высоты орбиты, максимальная продолжительность сеанса связи на экваторе соответственно составляет от 9 до 31 мин при изменении высоты от 270 км до 2000 км. Для полярных орбит продолжительность связи на широтах 500 – 600 составляет от 8 до 15 мин при изменении высоты орбиты от 800 до 1500 км.

Кроме параметра "продолжительность связи" важными показателями также для ССС являются среднее время ожидания, продолжительность перерывов в обслуживании и время доставки.

Строго говоря, эти параметры взаимосвязаны, определяются рядом показателей, например, высотой орбиты (временем передачи сообщения на спутник), методом доступа, временем, затраченным на процедуру вхождения в связь, количеством попыток вхождения в связь, временем задержки в бортовом ретрансляторе, временем передачи сообщения на Землю, временем задержки в наземных соединительных линиях. В том случае, когда оба абонента находятся в пределах видимости КА (региональная связь), задержка невелика и в основном определяется сетевыми протоколами обмена, методом доступа и коммутационным оборудованием. Наименьшую задержку можно обеспечить в случае использования “прозрачного” ретранслятора и МДКР. При переносе сообщений на борту в глобальной зоне время доставки зависит от взаимного расположения абонентов и может составлять несколько часов.

В табл. 3.6 приведены данные для некоторых систем спутниковой радиотелефонной связи низкоорбитальных (Irridium, Globalstar), среднеорбитальных (Odissey, ISO) и гестационарной (Triton) ССС.

Характеристики Диаметр мгновенной зоны парциального луча, км Время радиовиди- луче, мин связь), мс Глобальная задержка (международная связь), мс

4 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ССС

4.1. Основные энергетические уравнения спутниковых Линия спутниковой связи состоит из двух участков – Земля-КА и КА-Земля. Каждый из участков (рис. 4.1) содержит передающее и приемное устройство, антенные системы с соответствующими антенно-фидерными трактами (АФТ) и, наконец, канал связи, образованный участком пространства между земной станцией (ЗС) и космическим аппаратом.

ТВЕННЫЙ

АФТ АФТ

Энергетические параметры каждого из участков зависят от ряда факторов. Это прежде всего потери, связанные с распространением радиоволн в пространстве, потери в волноводных трактах приема и передачи, потери, связанные с поглощением атмосферы, потери от фарадеевского вращения плоскости поляризации, рефракции, деполяризации и т.д. Полный учет всех потерь представляется достаточно сложной задачей, поэтому рассмотрим лишь основные факторы, влияющие в наибольшей степени на энергетику систем.

Введем обозначения: Рпер – эффективная мощность на выходе передатчика; пер – коэффициент передачи по мощности (КПД) АФТ;

G пер - коэффициент усиления передающей антенны относительно изотропного излучателя.

Введем понятие эквивалентной изотропной излучаемой мощности (ЭИИМ) которая является произведением мощности передатчика на усиление антенны. В теории ССС эту характеристику рассматривают как один из важнейших показателей ССС. Отметим также, что параллельно с ЭИИМ для характеристики энергетических показателей ССС вводят также понятие добротности станции где G – усиление антенны на частоте приема; Т – суммарная шумовая температура станции.

Если считать, что излучаемая волна сферическая и распространяется во всех направлениях равномерно, то с изменением расстояния плотность потока мощности уменьшается пропорционально квадрату расстояния d, т.е.

а напряженность поля на том же расстоянии будет иметь вид Отметим, что выражение (4.4) получено с учетом того, что модуль вектора Пойтинга П0 = Е 0Н0, Вт м2, и для плоской волны справедливо равенство Н0 = Е 0 0 = Е 0 120, поскольку волновое сопротивление Будем считать, что в точке приема антенна имеет эффективную площадь апертуры, равную S эф ; АФТ приемника имеет коэффициент передачи пр и обеспечивается полное согласование волновых сопротивлений антенны, АФТ пр и приемника. Тогда мощность входного сигнала приемника Эффективная площадь апертуры связана с коэффициентом усиления антенны следующим выражением:

т.е. из выражения (4.6) получаем Подставив уравнение (4.7) в соотношение (4.5), запишем В выражении (4.8) числитель характеризует аппаратурные параметры линии, а знаменатель – потери в свободном пространстве. В теории радиолокации уравнение (4.8) называют основным уравнением радиолокации, устанавливающим связь между мощностями приема и передачи сигналов в свободном пространстве. В этом уравнении не учтено влияние шумов и оно является лишь отражением так называемых основных потерь L СВ = (4d ). Очевидно, что кроме них существует и ряд дополнительных потерь, упомянутых ранее. Суммарные потери могут быть учтены, если в знаменатель выражения (4.8) вместо L 0 = (4d ) подставить множитель где Lдоп – дополнительные потери.

Соответственно, воспользовавшись уравнением (4.8), определим мощность передатчика участка линии связи ССС где R – расстояние между точками приема и передачи (наклонная дальность).

Если вместо мощности сигнала задано соотношение сигнал/шум на входе приемника (Рс Рш )вх, то вместо Рпр в формулу (4.10) необходимо подставить выражение Р Ш (Р С Р Ш )ВХ, где РШ – полная мощность шума на входе приемника. С учетом этого, а также того, что суммарная мощность аддитивных шумов, связанных в основном с тепловыми процессами, может быть аппроксимирована как где = 1,38 10 23 Вт Гц град – постоянная Больцмана; fШ – эквивалентная шумовая полоса приемника, Гц; Т - эквивалентная шумовая температура приемной станции, приведенная ко входу приемника.

Получим выражения для расчета мощности передатчиков на линиях Земля-КА и КА-Земля. При этом принадлежность показателя, относящегося к Земле (земной станции) будем обозначать индексом «З», а к бортовой аппаратуре КА – индексом «Б». Соответственно длину трассы и длину волны линии Земля-КА обозначим цифрой 1, а линии КА-Земля – цифрой 2.

Для участка Земля-КА Для участка КА-Земля:

Общее уравнение всей линии связи, состоящей из двух участков, будет зависеть от связи между суммарным отношением сигнал/шум на борту КА не проводится специальная «оптимальная» обработка, то можно считать, что шумы всех участков линии связи складываются, а, следовательно, необходимо, чтобы отношение сигнал/шум на каждом участке линии связи было больше, чем на всей линии, т.е.

(РС РШ )ВХ.Б > (РС РШ ), (РС РШ )ВХ.Б = а (РС РШ ), (РС РШ )ВХ.З > (РС РШ ), (РС РШ )ВХ.З = b (РС РШ ).

причем коэффициенты запаса a и b должны быть больше единицы, т.е. а >1, b >1. Поскольку, при сложении шумов первой и второй линий справедливо равенство то, решив совместно уравнения (4.14) и (4.15), получим С учетом выражений (4.11) и (4.14) запишем окончательные энергетические уравнения линии связи В уравнения (4.17) входят все основные параметры бортовой и наземной аппаратуры, а также наклонные дальности R1 и R 2, которые при многостанционном приеме (в данном случае двухстанционном) различны. Кроме того, фигурирующие в выражении (4.17) коэффициенты запаса в общем случае выбирают произвольно, но с учетом их связи в выражении (4.16). Понятно, что при этом должен быть разумный компромисс между мощностями земного и бортового передатчиков и основную нагрузку по запасу мощности должен брать на себя земной комплекс, поскольку увеличение b приведет к неоправданно большим энергетическим и экономическим затратам бортовых систем ретранслятора. На практике коэффициент b выбирают в пределах b = 1,1…1,3. В этом случае коэффициент запаса земной станции а = 11…4,3. Величины пер.Б, пер.З, пр.Б, пр.З зависят от конструктивно-технологических характеристик АФТ и обычно лежат в таких пределах:

4.2. Краткая характеристика факторов, влияющих Поглощение энергии сигналов в атмосфере. Распространение радиоволн сигналов на трассах ССС связано с потерями энергии на поглощение в ионосфере и тропосфере, причем в диапазоне частот выше 500 МГц наиболее существенными являются тропосферные потери, вызванные так называемыми «глазами тропосферы» – кислородом и водяными парами, а также гидрометеорами и дождями.

В соответствии с рекомендациями МККР в условиях «ясного неба»

величину ослабления L а в газах, выраженную в дБ, определяют как где – угол места земной станции, град.;

02 и Н2 0 – погонные ослабления в кислороде и водяном паре, зависящие от частоты и концентрации водяного пара, дБ/км;

h02, hН2 0 – эквивалентная толщина (высота) кислорода и водяного пара, км.

Эти величины могут быть рассчитаны следующим образом:

На практике с достаточной степенью точности можно считать, что h02 6, hН2 0 2,2.

Частотные зависимости суммарного молекулярного ослабления L аo показаны на рис. 4.2. Видно, что с ростом частоты ослабление сигнала в тропосфере существенно увеличивается и для миллиметровых волн это ослабление может достигать значений более 10 дБ по мощности.

Усредненные значения погонного ослабления в диапазоне частот от 10 до 20 ГГц приведены в табл. 4.1. Необходимо отметить то, что, если ослабление в кислороде в этом диапазоне практически постоянно и в основном определяется эквивалентной толщиной слоя кислорода h02, то поглощение в парах воды зависит от плотности водяного пара, г / м3.

Часто- Ослабление Ослабление Ослабление Суммарное та, в кислороде, в парах воды в парах воды погонное оспри = 7,5 г/м, при = 20 г/м, Плотность водяного пара = 7,5 г / м3 является типичной (стандартной) для континентальных районов с умеренным климатом.

Плотность = 20 г / м3 характерна для нижних слоев тропосферы над морями субтропической и тропической зон, а также для прибрежных районов суши в этих широтах.

Если считать, что средние значения эквивалентных толщин слоев кислорода и водяного пара составляют соответственно 6 и 2,2 км, то с учетом данных табл. 4.1 можно рассчитать общее погонное ослабление Lа0, которое, в частности, на частоте 20 ГГц составляет Lа0 = 0,02 6 + 0,1 2,2 = 0,32 дБ при = 7,5 г / м3 и 0,78 дБ при = 20 г / м3.

Ослабление сигнала, вызванное дождем. Интенсивность рассеивания и поглощения энергии радиоволн в дожде зависит от интенсивности дождя Iт, мм/ч. Кроме того, существенную роль играют размер области, занятой дождем, электрические свойства частиц, климатический район расположения наземной станции, а также такой фактор, как неравномерность дождя. Дожди сильной интенсивности локализованы и имеют ярко выраженное ядро большой интенсивности, а также обширную зону (крылья), в которой интенсивность убывает по мере удаления от ядра. Характерно и то, что чем выше интенсивность дождя, тем меньше его продолжительность. Так, например, по данным многочисленных наблюдений при интенсивности дождя 2 – 4 мм/ч диаметр дождевого облака равен примерно 30 – 45 км, а продолжительность дождя может составить от 5 до 13 час, а при интенсивности 64 мм/ч эти же показатели соответственно равны 1 км и 0,06 ч. Важным фактором для расчетов ослабления сигнала в дождях является также их средняя продолжительность в данном климатическом районе или среднегодовая интенсивность, которая для этого района не превышает реальную продолжительность 99% времени в году, или, наоборот, превышает ее 0,01% времени.

Строгая количественная оценка коэффициента ослабления в дожде с учетом всех влияющих факторов затруднена и обычно используют усредненные эмпирические оценки для той или иной климатической зоны с учетом данных многочисленных экспериментальных наблюдений. Поэтому здесь приведем методику расчета ослабления сигнала в дожде, рекомендуемую МККР (отчет 564-2), в соответствии с которой множитель ослабления в дожде, превышающий в 0,01% времени года, определяют как где Д – погонное ослабление сигнала в дожде, дБ/км; dД – наклонная дальность в дожде; r0,01 – фактор уменьшения, учитывающий неравномерность дождя в 0,01% времени.

В этом случае сначала определяют высоту нулевой изотермы (линии постоянной температуры) в зависимости от широты земной станции где - широта земной станции, град.

Затем определяют высоту дождя, км и далее вычисляют длину пути сигнала (в км) по наклонной трассе от станции до высоты дождя:

где ho – высота станции над уровнем моря.

Функции погонного ослабления д для данной интенсивности Iд, в диапазоне частот 9…30 ГГц могут быть аппроксимированы степенной зависимостью где коэффициенты Д и Д являются функциями частоты При этом частота f выражена в ГГц.

Фактор уменьшения r0,01, учитывающий неравномерность дождя для 0,01% времени, можно рассчитать как Ослабление сигнала в тумане и облаках. Ослабление сигнала в тумане и облаках существенно меньшее, чем в дожде, даже в мощных конвекционных облаках, однако вероятность (длительность) ослаблений значительно больше. Так, например, распространение в облаках на частотах 10…30 ГГц может приводить к продолжительным ослаблениям сигнала в течение 5…10% времени на 0,5…1 дБ и 4…5 дБ в малых процентах времени (порядка 0,1%).

Ослабление в тумане зависит от количества жидкой воды в единице объема, т.е. от так называемой водности MT, измеряемой в Г/м3. Значение множителя ослабления в тумане зависит также и от значения удельного погонного ослабления k T, измеряемого в дБ·м3/Г·км. Таким образом множитель ослабления сигнала в тумане может быть представлен в виде где rT – длина пути распространения сигнала в тумане.

Значение множителя удельного погонного ослабления k T в диапазоне частот 10…20 ГГц при температуре воздуха от минус 8 до минус 20оС лежит в пределах 0,1…0,5 дБ·м3/Г·км, а при температуре от 0 до 20оС на частоте 12 ГГц этот коэффициент составляет 0,1…0, дБ·м3/Г·км, т.е. с ростом температуры kT уменьшается.

Водность MT зависит от оптической видимости и тем больше, чем меньше оптическая (табл. 4.2).

Вероятность появления туманов в равнинной местности в холодное время года составляет 3…5% и 0,6…2% в теплое. Приземные туманы могут захватывать большие районы, при этом горизонтальные размеры таких туманов могут лежать в пределах от нескольких сот метров до нескольких сот километров, а вертикальные от 300 м до 2,5 км.

4.3. Особенности энергетических характеристик наземных В отличие от радиолиний КА-Земля и Земля-КА энергетические характеристики земных станций существенно зависят от ряда факторов, которые определяются влиянием земной поверхности и приземных слоев тропосферы. Рассмотрим кратко эти факторы.

Если представить выражение (4.10) в логарифмическом виде, то мощность сигнала на входе приемника (дБ) где Pt, lg = 10 lg Pпер ; 1 и 2 – потери в фидерных трактах передатчика и приемника соответственно; G1 и G2 – коэффициенты усиления передающей и приемной антенн соответственно, дБ; F – полный множитель ослабления сигнала на трассе, дБ.

Полный множитель ослабления сигнала определяется протяженностью трассы, длиной волны, рельефом местности, типом растительного покрова, параметрами тропосферы. В общем случае где Fсв – множитель ослабления в свободном пространстве, дБ F3 = Fд + Fи + Fр – множитель ослабления за счет влияния земной поверхности на трассе, зависящий от дифракционого Fд, интерференционного Fи и рефракционного Fр множителей;

Fтр = Fг + Fо + Fсл – множитель ослабления за счет влияния тропосферы, зависящий от ослабления в газах Fг, осадках Fо и слоях тропосферы Fсл.

Множитель ослабления Fсв связан с величиной потерь в свободном пространстве соотношением Тропосферное ослабление в газах Fг и осадках Fо на приземных трассах практически такое же, как и на трассах КА-Земля. Однако наряду с этим на приземных трассах появляется еще и ослабления, связанные с возникновением в тропосфере горизонтальных слоев, протяженность которых может изменяться или оставаться стабильной в течение достаточно длительных интервалов времени. Одной из причин их появления являются температурные инверсии, которые наблюдаются практически постоянно, особенно в диапазоне высот 100... 400 м. Обычно такие слои образуются при тихой погоде, например, в часы восхода Солнца при отсутствии ветра.

Наличие этих слоев является причиной достаточно глубоких замираний, обусловленных интерференцией прямой волны и её отражений от слоистых неоднородностей. Вероятность замираний возрастает с увеличением рабочей частоты ЗС и протяженности трассы.

Для характеристики квазинормального режима работы ЗС вводят понятие глубины замираний, которая может быть превышена не более чем в 20% времени работы системы в наихудший для прохождения сигнала месяц, и её определяют как где r0 – длина трассы, км, f – рабочая частота, ГГц.

Влияние множителя ослабления F3 на энергетические характеристики ЗС наиболее ощутимо для полузакрытых и закрытых трасс.

На открытых трассах множитель ослабления F3 имеет в основном интерференционный характер, так как в точку приема кроме прямой волны могут приходить одна или несколько волн, отраженных от земной поверхности. При наличии n точек отражения модуль множителя ослабления определяют по стандартной интерференционной формуле:

где R эi – модуль эффективного коэффициента отражения, зависящий от рельефа местности, угла скольжения и диэлектрической проницаемости поверхности ;

i – сдвиг фазы между прямой и отраженной i-й волной.

При наличии одной точки зеркального отражения Входящий в выражения (4.31), (4.32) эффективный коэффициент отражения где R – коэффициент отражения, зависящий от физических свойств поверхности, угла скольжения; Dp – коэффициент расходимости, учитывающий уменьшение коэффициента отражения при отражении от сферической поверхности.

Коэффициент отражения R зависит от поляризации волны.

При вертикальной поляризации при горизонтальной поляризации Здесь k = j60 – комплексная диэлектрическая проницаемость земной поверхности; относительная диэлектрическая проницаемость; – проводимость.

В диапазоне высоких частот обычно выполняется условие j60, поэтому можно получить Величина Rэ зависит от вида поверхности, степени ее шероховатости и диапазона частот. Так, например, данные приведенные в табл. 4.3 свидетельствуют о том, что наиболее серьёзную опасность для появления интерференционного ослабления представляет сплошной снежный покров, особенно с настом. Для водных и равнинных поверхностей это ослабление незначительно.

Помимо интерференции радиоволн заметное влияние оказывает и их рефракция, которая обусловлена вертикальной неоднородностью относительной диэлектрической проницаемости воздуха. Диэлектрическая проницаемость претерпевает пространственные и временные изменения при изменении влажности и температуры воздуха. Существуют регулярные изменения, обусловленные определенными закономерностями изменения метеорологических параметров, и случайные изменения, т.е. рефракция носит случайный характер.

Наиболее заметные изменения происходят с изменением высоты h над земной поверхностью. В подавляющем большинстве случаев высотная зависимость имеет вид Эта зависимость принята МККР в качестве основной исходной модели атмосферы. Для характеристики регулярного изменения введен так называемый эффективный вертикальный градиент диэлектрической проницаемости gэф, характеризующий сравнительно плавные её изменения. Нормальное значение градиента для большинства районов европейской территории, в том числе и Украины – gэф= - 810-8 1/м.

Влияние рефракции эквивалентно трансформации профиля трассы и изменению просвета. Профиль трассы представляет собой вертикальный разрез местности между базовыми радиостанциями со всеми высотными отметками, включая строения, лес и т. п. Его основными геометрическими параметрами являются (рис. 4.3): r0 – расстояние между радиостанциями А и В, r1 – расстояние до препятствия (препятствий), существенно влияющее на ослабление радиоволн на трассе; bэ – радиус препятствий, Ho – величина просвета на трассе, (расстояние между прямой АВ и профилем трассы), которую определяют в наиболее высокой точке профиля (при наличии построек, леса и т.д. просвет вычисляют относительно их вершин).

В общем случае изменение просвета учитывают следующим образом:

Здесь s = – относительная координата точки, где х – расстояние до текущей точки от левого конца трассы.

Из выражения (4.39) следует, что изменение коэффициента преломления может приводить к изменению характера трассы, открытые трассы могут трансформироваться в полузакрытые или закрытые, а это вызывает ухудшение энергетических показателей системы. В ряде случаев флуктуации коэффициента преломления являются также причиной появления замираний в точке приема вследствие углового смещения диаграмм направленности антенн. Они существенны при достаточно узких диаграммах направленности антенн, так как в течение 99,9 % времени наихудшего месяца для прохождения сигнала изменение углов в вертикальной плоскости не превышает ± 0,5о.

При выполнении условия величина множителя ослабления может достигать порядка 15 дБ. На практике влияние диаграмм направленности в наихудшие месяцы становится существенным при коэффициенте усиления порядка 45 дБ (ширина ДН 0,8...0,9о). Кроме того, в реальных условиях это влияние может усугубляться вследствие неточности юстировки остронаправленных антенн, а также тепловой и ветровой деформации антенных опор. Так, при высоте опор 60...100 м и коэффициенте усиления G = 45 дБ экспериментально наблюдались ослабления уровня сигнала от 10 до 20 дБ, которые сохранялись в течение длительного времени (до нескольких часов).

На полузакрытых и закрытых трассах множитель ослабления имеет монотонный характер, обусловленный процессом дифракции радиоволн, т.е. огибанием ими земной поверхности. Как правило, множитель ослабления с учетом реального рельефа местности рассчитывают с помощью приближенных методов, основанных на результатах работ В.А. Фока по теории дифракции радиоволн с учетом аппроксимации реальных препятствий на трассе сферами, радиус которых определяется конкретным видом препятствия. Остроконечные препятствия можно аппроксимировать полуплоскостью, а при расчете множителя ослабления сигнала следует пользоваться формулами, полученными на основе дифракции волн на полуплоскости.

5. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ БОРТОВЫХ

РЕТРАНСЛЯТОРОВ ССС

5.1. Требования к бортовым ретрансляторам и их шумовые Одним из основных требований, предъявляемых ко всем комплексам, входящим в состав бортовой аппаратуры и оборудования спутниковой связи, является их высокая надёжность, обеспечивающая безотказную работу в условиях космического пространства в течение длительного времени. Наряду с этим выбор возможного варианта построения бортового оборудования должен определяться минимальным весом, минимальной потребляемой мощностью и наименьшими размерами. Технология изготовления отдельных элементов, блоков и деталей, входящих в состав бортового оборудования, а также методы их контроля обусловлены тем, что при запуске эти изделия будут подвергаться ударным и вибрационным воздействиям, а в космическом пространстве – радиации.

Несмотря на большое разнообразие, варианты построения ретрансляторов можно подразделить на несколько групп, отличающихся друг от друга следующими основными признаками (определяемыми в основном принятым построением системы связи через ИЗС):

- видами модуляции на участке Земля – спутник и на участке - способом использования ретранслятора (однократное или многократное применение) и видом многостанционного доступа;

- требованием к обработке сигнала на борту спутника (например, регенерация импульсов в случае КИМ и т.п.);

- методом ретрансляции сигнала (усиление на промежуточной частоте (ПЧ) или СВЧ, наличие или отсутствие в ретрансляторе детектирования и модуляции сигналов).

При разработке схемы ретранслятора учитывают, что детектирование колебаний СВЧ или ПЧ и последующая модуляция групповым спектром колебаний СВЧ неизбежно будут приводить к появлению искажений, а, следовательно, к увеличению шумов на выходе канала связи. Поэтому такие виды преобразования передаваемого сигнала нежелательны.

Схема ретранслятора в значительной степени определяется особенностями существующих электронных приборов. При выборе типа электронных приборов необходимо учитывать диапазон частот, продолжительность службы, размер, массу, надёжность, защищённость от радиации и механических воздействий, потребляемую мощность и рабочие напряжения, КПД, ширину полосы, в которой может быть осуществлена эффективная работа, и некоторые другие параметры.

Условиям работы в схемах ретранслятора удовлетворяют самые разнообразные электронные приборы: полупроводниковые (туннельные диоды, варакторы, транзисторы и др.), клистроны, амплитроны, ЛБВ. Последние преимущественно используют в мощных (оконечных) каскадах БРТ.

Одним из главных требований к БРТ является требование уверенного приема сигналов. Для повышения отношения сигнал/шум линии связи необходимо, чтобы величина шумов на входе приёмного устройства ретранслятора была возможно меньшей. Для этого необходимо предельно снизить потери в фидерах и входных фильтрах, уменьшить величины шумов самого приёмного устройства. Поэтому на входе ретранслятора следует применять малошумящий усилитель, однако выбор его существенно зависит от уровня шумов на входе приемника. Уровень шумов, приведенных ко входу приемника БРТ, определяется тепловыми шумами первых каскадов, шумами антеннофидерного тракта и внешних источников : тепловыми шумами Земли и атмосферы, шумами Галактики, Солнца и планет. Следовательно, суммарная мощность шумов, отнесенная ко входу приемника:

где Ршпр – мощность собственных шумов приемника; Ршф – мощность шумов, создаваемых фидерными трактами и другими узлами;

Рш А – мощность шумов антенны с учетом тепловых шумов атмосферы, Земли и космических объектов; – КПД фидера, фильтров, циркуляторов и других устройств, находящихся между антенной и входом приемника.

Эквивалентная шумовая температура приемника связана с коэффициентом шума соотношением где n = 5…20 – коэффициент шума приемника; Т0 = 290 К – реальная температура приемника.

Мощность шумов приемника Аналогичным образом определяют мощность шумов и других источников, а суммарная мощность и, соответственно, суммарная эквивалентная шумовая температура Эквивалентную температуру Земли обычно принимают равной 290 К, однако уровень шума на входе приемника зависит также и от уровня боковых лепестков диаграммы направленности антенны. В современных антеннах за счет боковых лепестков шумовая температура увеличивается на 10…30 К. Это справедливо и для антенн земных станций. Эквивалентная температура атмосферы зависит от угла места и при = 0 достигает 290 К. При ориентации антенн БРТ на Землю ее шумы будут превалирующими среди шумов других источников. Температура этих шумов составляет величину примерно 290 К.

На частотах около 22 ГГц, соответствующих резонансному поглощению водяных паров, наблюдается повышение интенсивности шума.

Плотность излучения Солнца зависит от его активности и на частотах порядка 3 ГГц изменяется от 10 –20 до 10 –19 Вт/м 2 Гц. Плотность излучения Луны на тех же частотах равна примерно 7,6 ·10 Вт/м Гц. Следует отметить, что величина углового диаметра Солнца составляет (для земного наблюдателя) 32', а диаметр Луны – 33,7'. Поэтому вероятность того, что антенна будет точно ориентирована на Солнце и Луну оказывается весьма малой, в противном случае эквивалентная температура Солнца и Луны повышается до 25000 и 210 К соответственно.

Эквивалентная шумовая температура антенны равна сумме температур космических Ткос, атмосферных Татм, омических TАэ шумов и шумов Земли Тз :

Эквивалентная температура шумов собственного теплового радиоизлучения антенны TАэ невелика и не превышает 0,2 К, однако наличие обтекателя приводит к увеличению эквивалентной температуры антенны примерно на 5…10 К.

Очевидно, что величина Тя в данном случае будет равна эквивалентной шумовой температуре Земли, т.е. Тя = Тз = 290 К.

Следовательно, с учётом потерь в фидере, фильтрах и неточности согласования фидеров суммарное значение эквивалентной температуры всех источников шумов, приведенных ко входу, будет значительно больше 290 К. В качестве примера в табл. 5.1 приведены шумовые характеристики современных малошумящих усилителей (МШУ), работающих в диапазоне частот 1…12 ГГц.

метрический усилитель метрический усилитель Транзисторный пара- 70…150 100…200 200… метрический усилитель Сопоставив особенности различных электронных приборов, использующихся в качестве входных усилителей сигналов БРТ, можно отметить, что при учёте весовых характеристик, размеров и потребляемой мощности для этой цели наиболее пригодны широкополосные усилители на транзисторах, которые имеют достаточно малую температуру шумов и значительно проще квантовых усилителей.

5.2. Виды бортовых ретрансляторов и структура Принятый сигнал в бортовом приёмнике может усиливаться как на СВЧ, так и на ПЧ. При выборе варианта усилителя следует учитывать, что уровень сигнала на входе приёмника ретранслятора будет изменяться вследствие изменения расстояния между Землей и движущимися ИЗС, а также некоторых нарушений ориентации антенн, изменения поглощения атмосферы и т.п. Кроме того, для уменьшения искажений при нелинейных преобразованиях сигналов в БРТ их количество стремятся сделать минимальным.

В зависимости от числа преобразований ретранслируемого сигнала на борту в настоящее время широкое применение находят в основном три типа БРТ: гетеродинный, с однократным преобразованием частоты и с демодуляцией сигналов. Последний тип БРТ иногда называют ретрансляторами с обработкой сигнала на борту.

БРТ гетеродинного типа имеют полосу ствола порядка 40 МГц, и основное усиление обеспечивается в тракте промежуточной частоты, которую выбирают в пределах 70…120 МГц. Чаще всего гетеродинные БРТ имеют два преобразования частоты – понижающее, например, в стволе приема на линии ЗС – КА и повышающее в стволе передачи на линии КА – ЗС.

Пример построения БРТ гетеродинного типа, работающего на одну антенну как на линии вверх, так и на линии вниз, показан на рис. 5.1. По существу эта схема отражает структуру одного комплекта одноствольного ретранслятора первого советского спутника связи "Молния-1", работающего в диапазоне 800...1000 МГц и обеспечивающего два режима: ретрансляцию сигналов одной телевизионной программы при Рвых = 40 Вт, а во втором режиме – дуплексную многоканальную связь при Рвых = 14 Вт. БРТ состоит из трех комплектов, один из которых является рабочим, а два других – резервными, что обеспечивает высокую надежность БРТ в целом.

В ИЗС "Молния-1" прием и передачу осуществляют на одну антенну, причем тракты приема и передачи развязываются между собой с помощью поляризационного селектора и полосовых фильтров Ф1 и Ф2. Ствол БРТ содержит два приемника, в которых принятые на частотах fпр1 и fпр2 сигналы преобразуются в сигналы ПЧ, усиливаются УПЧ1 и УПЧ2.

Ограничители АО подавляют паразитную амплитудную модуляцию и стабилизируют уровень сигналов, так как входные сигналы могут изменяться при изменении условий распространения, условий полета КА, ориентации спутника и т.п. Далее с помощью второго гетеродина G 2 происходит повышающее преобразование частоты. Разность частот G1 и G 2 определяет частоту сдвига. Для ИСЗ «Молния-1» эта разность составляет примерно 200 МГц, поскольку прием осуществляется в диапазоне 800 МГц, а передача – 1000 МГц.

В предварительном усилителе (ПУ) сигналы обоих приемников объединяются и усиливаются (в качестве ПУ используется ЛБВ в линейном режиме). Окончательное усиление сигналов происходит в ЛБВ, работающей в режиме насыщения.

При передаче ТВ сигналов используют симплексный режим, при этом по команде с Земли один из приемников выключается, при реверсе ствола (изменении направления передачи) выключается первый, а включается второй.

При передаче ТЛФ сигналов на вход приемника поступают сигналы fпр1 и fпр2 от двух земных станций с частотной модуляцией (порядка 60 ТЛФ - каналами).

В последующих поколениях спутников типа «Молния» («Молния-2», «Молния-3»), а также спутников «Радуга», «Горизонт» БРТ стали многоствольными (от трех до шести стволов), а кроме того, повысился диапазон принимаемых и передающих частот (6 ГГц для приема и 4 ГГц для передачи), что позволило значительно увеличить ширину полосы трактов БРТ, т.е. повысить качество линии связи в целом.

В БРТ с однократным преобразованием частоты принимаемый радиосигнал ствола сразу преобразуется в передаваемый сигнал частотой fпер = fпр ± Fсдв, где Fсдв - частота сдвига (рис. 5.2) и, как видно, в БРТ отсутствует тракт промежуточной частоты, причем здесь осуществляется одно преобразование частоты (сдвиг) вместо двух, как в ретрансляторах гетеродинного типа, и усиление сигналов в каждом стволе происходит на высокой частоте. Частота сдвига Fсдв может быть различной в зависимости от используемых данной ССС полос частот. Так, например, в БРТ спутниковых систем " Интелсат-5", " Интелсат-6" частота приема составляет 6 ГГц, частота передачи – 4 ГГц, а частота сдвига соответственно – 2 ГГц. В некоторых ССС частота сдвига может быть порядка 750 МГц.

БРТ с демодуляцией сигналов обычно используют тогда, когда необходимо, например, перераспределить различные сигналы линии вверх по соответствующим усилителям и антеннам линии вниз (прием и передача по различным стволам), изменить способ или глубину модуляции на линии вниз по сравнению с линией вверх и, если требуется, сформировать новый групповой сигнал на линии вниз, например, вследствие наличия помехи на линии вверх, искажающей информационное сообщение. Кроме того, операции регенерации сигналов на борту имеют смысл, когда по каким-то причинам стремятся уменьшить количество оборудования ЗС за счет усложнения бортовой аппаратуры.

Упрощенная структурная схема БРТ с демодуляцией сигналов показана на рис. 5.3. Здесь принятый групповой сигнал усиливается малошумящим усилителем и преобразуется в сигнал промежуточной частоты, демодулируется и поступает на аппаратуру разделения каналов (АР), позволяющую также выделить на борту сигналы телеуправления (ТУ), которые передаются в участке группового спектра, свободном от основных сигналов.

Сигналы с групповым спектром, занимаемым основными сигналами связи (сигналом телевидения или многоканальным телефонным), от АР поступают на аппаратуру уплотнения (АУ), где происходит сложение этого спектра со спектром телеметрии (ТМ), вводимом на ретрансляторе, где также осуществляются операции переформирования многоканальных сообщений.

МШУ СМ1 УПЧ Д АР

ЛБВ Ф СМ2 М АИСУ

Регенерация цифровых сигналов в БРТ с демодуляцией позволяет получить выигрыш примерно в 3 дБ по сравнению с линейными (без демодуляции) методами их построения. Однако это справедливо при условии, что отношение сигнал/шум на входах бортового приемника и приемника ЗС примерно одинаковы, т.е. помеховая обстановка как на линии вверх, так и на линии вниз должна быть одинаковой при одинаковых параметрах приемников. На практике отношение сигнал/шум, рассчитываемое на линии вверх, значительно выше соответствующего отношения на линии вниз и получаемый выигрыш оказывается эффективным лишь при наличии на линии вверх мешающих радиосигналов, существенно искажающих структуру ретранслируемых цифровых сигналов. Отметим также и то, что выполнение регенерации сигналов на борту требует значительного усложнения бортовой аппаратуры.

В многоствольных ретрансляторах в целях сокращения бортовой аппаратуры стремятся создать общие блоки усиления для нескольких стволов. Пример схемы бортового оборудования, рассчитанного на передачу пяти стволов, показан на рис. 5.4. Основное усиление в каждом стволе осуществляется сравнительно узкополосным УПЧ на разных промежуточных частотах, а затем, после ограничения и смещения в область СВЧ, все стволы объединяются для последующего усиления с помощью ЛБВ. В УПЧ каждого ствола имеется ограничитель амплитуды и система АРУ.

Необходимо еще раз отметить, что одновременное прохождение сигналов нескольких стволов через общий усилитель, характеристики которого всегда имеют некоторую нелинейность, будет приводить к появлению переходных шумов. В частности, при одновременном усилении нескольких стволов общей ЛБВ вследствие нелинейности амплитудной и фазовой характеристик между стволами возникнут переходные невнятные шумы. При наличии паразитной амплитудной модуляции хотя бы в одном из стволов с ЧМ нелинейность фазовоамплитудной характеристики ЛБВ приведёт к появлению внятных переходных шумов.

Уровень как невнятных, так и внятных переходных шумов зависит от режима работы ЛБВ и мощности сигналов на её входе. Поэтому при одновременном усилении сигналов нескольких стволов общими усилителями на ЛБВ или других приборах расчётная величина шумов ретранслятора должна быть увеличена. Поскольку суммарное значение шумов на выходе канала определяется рекомендациями МККР и остаётся неизменным, то отмеченное увеличение шумов ретранслятора приведёт к необходимости уменьшить тепловые шумы на участках Земля-КА и КА-Земля.

Последнее возможно только при увеличении мощности, излучаемой передающей станцией. На основе этого можно сделать вывод, что использование в ретрансляторе блоков, в которых осуществляется одновременное усиление нескольких стволов, требует увеличения мощности бортового и земного передатчика или повышения коэффициента усиления передающих антенн.

Кроме того, одновременное усиление сигналов нескольких стволов приводит к непропорциональному росту номинальной выходной мощности выходного каскада, так как вследствие нелинейности амплитудной характеристики выходная мощность передатчика должна быть больше суммы мощностей отдельных стволов. Величина этого различия определяется числом стволов и степенью нелинейности амплитудных характеристик выходного каскада.

6. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ МЕЖДУНАРОДНЫХ ССС

6.1. Низкоорбитальная система связи Iridium Система Iridium относится к классу низкоскоростных персональных систем радиотелефонной связи, ее отличительными особенностями являются совместимость с наземными сетями сотовой радиотелефонной связи, предоставление полного набора услуг (наряду с радиотелефонной связью), обеспечиваемых системами класса LEO, возможность круглосуточной связи в любое время суток в режиме реального времени, наличие корректируемой орбитальной группировки, которая обеспечивает глобальное покрытие земной поверхности без мертвых зон в наиболее обжитых районах мира. Система является международной, и для предоставления и реализации её услуг на территории России и стран СНГ создана операторская компания "Иридиум Евразия", ведущим звеном которой выступает ракетно-космическая компания РФ - Государственный космический научно-производственный Центр (ГКНПЦ) им. Хруничева, который не только участвует в проекте как инвестор, но и осуществляет запуски КА Iridium с помощью ракетоносителя "Протон".

Система Iridium предоставляет абонентам следующие виды услуг:

- речевую связь со скоростью передачи 2,4 кбит/с. Продолжительность переговоров 30 с (без прерывания связи) обеспечивается с вероятностью 98%. Время установления связи аналогично времени соединения абонентов наземной сотовой связи и не превышает 2 с.

Максимальная задержка сигнала при международной связи – 410 мс для 90% вызовов, для местной и зоновой связи – в среднем 240 мс;

- прозрачную передачу данных с переменной длиной сообщения и скоростью передачи 2,4 кбит/с с вероятностью ошибки в радиоканале не хуже 10-6. Предусмотрена также возможность передачи коротких сообщений, определяющих местоположение и статус абонента;

- обмен факсимильными сообщениями со скоростью 2,4 кбит/с;

- персональный вызов как с помощью специальных приемников (пейджеров), так и портативных радиотелефонных терминалов;

- определение местоположения координат пользователей без специальной радионавигационной аппаратуры путем измерения разности между реальным и ожидаемым временем прихода сигналов.

Состав и структура системы. В состав системы Iridium входят пять сегментов: космический, наземный сегмент управления системой; сегмент станций сопряжения, пользовательский сегмент и средства вывода спутников на орбиту. Структура системы Iridium показана на рис. 6.1.

Наземная инфраструктура управления системой включает в себя основной и резервный центры управления, а также земные станции, предназначенные для передачи команд и телеметрической информации. Средства центра управления обеспечивают контроль функционирования каждого КА и всей системы Iridium в целом. Системой управляет два территориально разнесенных центра управления, находящихся на территории США. Основной центр управления (Чендлер, шт. Аризона) выполняет анализ работоспособности элементов системы и контроль за работой всех КА, входящих в орбитальную группировку.

В наземный сегмент входит также система управления и контроля сети Iridium, которая обеспечивает глобальное администрирование сети, включая планирование запусков, отслеживание работоспособности КА, сбор и анализ телеметрической информации с КА. Первая станция расположена на севере штата Вирджиния (США}, а вторая (резервная) - в Риме (Италия).

Наличие межспутниковых линий в Iridium не требует большого числа станций сопряжения (СС). На первом этапе образовано 20 СС, в том числе по две в США и России.

Космический сегмент. Орбитальная группировка системы Iridium состоит из 66 основных КА, выведенных на орбиту высотой 780 км над поверхностью Земли, и 6 резервных КА (высота орбиты около 645 км).

Спутники на основной орбите находятся в шести равноудаленных друг от друга орбитальных плоскостях по 11 КА в каждой плоскости. Угловой разнос между КА в одной плоскости составляет 32,7°. Соседние орбитальные плоскости разнесены примерно на 31,6°, а разнос между первой и шестой плоскостями составляет 22,1°. Вид орбиты – квазиполярная круговая с наклонением 86,4°. Период обращения - 100 мин 28 с.

Каждый КА формирует зону обслуживания диаметром 4700 км и площадью около 19 млн. км2. Зоны обслуживания спутников разделены на сотовые ячейки (до 48 на один КА).

Конфигурация орбитальной группировки выбрана управляемой, что позволяет наиболее эффективно осуществить глобальное обслуживание абонентов. Система с заданной конфигурацией обеспечит 100%-ный охват поверхности Земли в течение 99,5% времени.

Между КА организуется межспутниковая связь. Любой спутник может одновременно связаться с четырьмя другими спутниками:

- двумя спутниками, расположенными впереди и позади в той же орбитальной плоскости;

- двумя спутниками, находящимися слева и справа в соседних орбитальных плоскостях.

Космический аппарат. В КА использована трехосная стабилизация на основе автономной навигационной подсистемы со встроенными датчиками астроориентирования. Эта подсистема периодически с шагом 0,25 мс формирует данные с точностью ± 0,25° о пространственном положении и ± 20 км – по местоположению.

Выходная мощность панелей солнечных батарей равна 1430 Вт.

Напряжение первичного электропитания СЭП – 22…36 В. Мощность потребления оборудования L диапазона – 230 Вт. В качестве буферного источника питания использована 22-элементная никельводородная аккумуляторная батарея емкостью 48 А/ч. Она обеспечивает автоматическое поддержание напряжения питания до выхода КА из зоны тени. Масса КА – 690 кг. Расчетный срок службы – 5 лет.

На КА установлены три группы антенн:

- шесть фазированных антенных решеток, формирующих 48 парциальных лучей на прием и передачу в диапазоне 1616…1626,5 МГц;

- четыре антенны для организации связи со станциями сопряжения в диапазоне 19,4…19,6 ГГц и 29,1…29,3 ГГц;

- четыре волноводно-щелевые антенны для межспутниковой связи в диапазоне 23,18…23,38 ГГц.

Диаграммы направленности АФАР задают программным способом, что позволяет независимо изменять параметры каждого луча.

Это дает возможность избежать перекрытия зон обслуживания смежных КА, особенно при их смещении к полюсу.

Вид поляризации: правая круговая в фидерной и абонентской линиях и вертикальная в межспутниковых линиях.

Многостанционный доступ. На КА использована 48-лучевая антенная система, состоящая из шести активных фазированных антенных решеток, каждая из которых формирует восемь лучей. Один луч высвечивает на поверхности Земли зону обслуживания диаметром порядка 600 км. В совокупности 48 лучей формируют квазисплошную подспутниковую зону диаметром более 4000 км.

В системе применена комбинация частотного и временного методов многостанционного доступа МДЧР/МДВР. Для разделения смежных лучей используют различные частоты (метод МДЧР). В каждой парциальной зоне (соте) формат многостанционного доступа – МДВР.

Каждая 8-лучевая структура обеспечивает возможность многократного использования частот.

Связь по радиолинии "Абонент-КА" осуществляется по 64 каналам (из них 9 каналов сигнализации). Разнос между каналами равен 160 кГц, полоса частот каждого канала – 126 кГц. В радиолинии "КААбонент" организовано 29 каналов (4 – для сигнализации) с разносом 350 кГц и полосой частот каждого канала – 280 кГц.

Кадры МДВР для радиолиний "Абонент-КА" и "КА-Абонент" идентичны по структуре, но различаются скоростью передачи. Скорость передачи информации в линии "Абонент-КА" составляет 180 кбит/с, а линии "КА-Абонент" – 400 кбит/с. Метод модуляции – квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом и сглаживанием фазы по закону приподнятого косинуса (QPSK).

Каждый абонент работает в пакетном режиме, используя метод передачи "один пакет на несущую". Кадр МДВР состоит из восьми временных окон (сегментов). Длительность кадра равна 90 мс. Время передачи пакета составляет 8,28 мс.

Для устранения внутрисистемных помех предусмотрен защитный временной интервал длительностью 22,48 мс. Такой защитный интервал уменьшает эффективность МДВР до 73%.