10. Системы спутниковой связи

10.1. Принципы построения и особенности ССС

Виды орбит. Спутник связи может находиться на круговой или на эллиптической орбите. Соответственно центр Земли совпадает с центром круговой орбиты либо с одним из фокусов эллиптической орбиты. Угол i между плоскостью орбиты и плоскостью экватора называют наклонением. При i = 0 орбита называется экваториальной, при i = 90° — полярной, остальные — наклонными. Круговые орбиты различаются наклонением и высотой над поверхностью Земли. Эллиптические орбиты — наклонением и высотами апогея А и перигея П над поверхностью Земли. Линия, соединяющая апогей и перигей, называется линией апсид. Поля тяготения Луны, Солнца, планет, магнитное поле Земли, несферичность Земли и другие возмущающие факторы вызывают изменение параметров орбиты во времени. Для наклонных эллиптических орбит эти изменения минимальны, если выбрать i=63,4°.

В ССС нашли применение орбиты двух типов: высокая эллиптическая типа “Молния” и геостационарная орбита. Первая получила название от советского спутника связи “Молния”. Ее параметры: высота апогея около 40 тыс. км, высота перигея около 500 км, i63,4°. Апогей орбиты находится над северным полушарием. Период обращения ИСЗ — 12 ч. За сутки ИСЗ совершает два оборота. Поэтому каждые сутки он виден в одних и тех же районах Земли в одно и то же время. Орбита, для которой период обращения ИСЗ кратен земным суткам, называется субсинхронной. Согласно второму закону Кеплера в районе апогея высокой эллиптической орбиты ИСЗ движется гораздо медленнее, чем у перигея. Сеанс связи проводят, когда ИСЗ движется по части орбиты, прилегающей к апогею. Он может продолжаться около 8 ч, поскольку в течение этого времени спутник на орбите типа “Молния” виден на всей территории СССР. Разместив на орбите три ИСЗ, можно поддерживать связь круглосуточно. Эти спутники перемещаются относительно ЗС, поэтому на последних приходится устанавливать подвижные антенны, следящие за ИСЗ.

Геостационарная орбита (ГО) — это экваториальная круговая орбита, для которой Н3=35786 км. Спутник, движущийся по этой орбите, называют геостационарным. Он вращается с той же угловой скоростью, что и Земля, и поэтому наблюдателю на Земле кажется неподвижным. Точку на земной поверхности, над которой ИСЗ находится в зените, называют подспутниковой. Для геостационарного спутника траектория подспутниковой точки вырождается в точку на экваторе. Долгота этой точки определяет положение геостационарного ИСЗ. Связь через такой ИСЗ можно поддерживать с помощью неподвижных антенн ЗС. На самом деле часто приходится принимать во внимание сравнительно небольшие колебания положения ИСЗ, вызванные перечисленными выше возмущающими факторами. Под их влиянием подспутниковая точка начинает совершать колебания с суточной периодичностью. Через некоторое время траектория движения подспутниковой точки за сутки приобретает вид “восьмерки”, вытянутой в направлении север-юг, с центром на экваторе. Через год размах этой восьмерки составит около ±10. Из-за этого приходится периодически корректировать положение спутника на орбите.

Геостационарные спутники позволяют построить более дешевую и удобную в эксплуатации в сравнении с другими ИСЗ систему связи (достаточно одного ИСЗ, нужна неподвижная антенна ЗС и другие причины). Поэтому ГО очень часто отдают предпочтение. Такая орбита у Земли всего одна, и орбитальные позиции для ИСЗ на ней предоставляются по решению Всемирной административной конференции по радио (ВАКР). Занято более 100 позиций. Если точность поддержания по долготе геостационарного спутника не хуже ±1°, то на ГО можно разместить до 180 ИСЗ. По мере развития спутниковых систем связи требования к точности поддержания по долготе ужесточаются. У существующих ИСЗ она составляет от ±1° до ±0,1°.

Через геостационарный спутник не могут работать ЗС, расположенные в высокоширотных районах, так как они не видны с ИСЗ (рис. 10.1). Для ЗС, расположенных на экваторе, геостационарный спутник находится в зените. Другими словами, угол места (угол между направлениями на горизонт и на ИСЗ) составляет 90°. В этом случае путь сигнала в атмосфере Земли самый короткий. Если же расположить ЗС на широте 81°, то ее антенна должна быть направлена на горизонт, т. е. b =0. С уменьшением (3 путь сигнала в атмосфере становится длиннее. При этом увеличивается ослабление сигнала при распространении в свободном пространстве. Возрастает также ослабление сигнала в атмосферной влаге и шумовая температура антенны за счет шумового излучения атмосферы. Если же b <5°, то резко увеличивается влияние шумового излучения Земли. Поэтому на практике МККР рекомендует обеспечивать углы места не менее 3...50 на частотах до 6 ГГц и 10... 15° на частотах свыше 10 ГГц.

Территория, с которой виден ИСЗ при минимальных углах места, называется зоной видимости. Для геостационарного ИСЗ при Р = 5° она располагается между 76 с. ш и 76° ю. ш, а по долготе занимает примерно третью часть экватора (заштрихованная область на рис. 10.1). Предположим, что на ИСЗ установлена общая приемопередающая антенна. Если ее максимум излучения ориентирован на центр Земли, т. е. антенна создает прямой луч, а ширина главного лепестка ДН около 173° (под таким углом видна Земля с геостационарного ИСЗ), то все станции, расположенные в зоне видимости, могут поддерживать связь через ИСЗ. Если же на ИСЗ установлена узконаправленная антенна, то она освещает на Земле только часть зоны видимости, так называемую зону покрытия. Теперь связь через спутник может быть установлена только между ЗС, находящимися в зоне покрытия.

На рис. 10.1 была рассмотрена КС, у которой зоны видимости и зона покрытия совпадают. Такая КС имеет глобальную зону покрытия и глобальную антенну. Глобальные антенны предпочтительны в случаях, когда надо охватить связью большие территории, например в международных ССС, узконаправленные - при создании национальных ССС. Во втором случае антенна ИСЗ прицелена в определенную точку на земной поверхности, а не на центр Земли, т. е. она дает наклонный луч. Зона покрытия имеет форму, максимально приближенную к границам государства, района и т. п. На современных многофункциональных ИСЗ устанавливают вместе и те, и другие антенны, причем узконаправленные антенны могут иметь несколько лучей, образующих на Земле свои зоны покрытия. Они получили название многолучевых антенн (МЛА). Если зоны покрытия МЛА не перекрываются, то передачу во всех лучах можно вести на одной и той же частоте. Таким образом МЛА допускают многократное применение одной полосы частот и позволяют за счет этого повысить эффективность использования ГО.

Часть зоны покрытия, на которой действительно предусмотрена установка ЗС, называют зоной обслуживания. Наиболее эффективны ССС, в которых зоны покрытия и обслуживания совпадают.

Диапазон частот. Сигнал в ССС проходит через всю толщу атмосферы. Антенны ЗС направлены в космос, поэтому их шумовая температура зависит от шумового излучения космоса и атмосферы. Для ССС пригодны те частоты, сигналы которых не испытывают значительного ослабления в атмосфере, и в гидрометеорах. Вместе с тем на этих частотах шумовые излучения космоса и атмосферы должны быть минимальными. Шумовое излучение космических источников максимально, если антенна ЗС смотрит в направлении млечного пути. Частоты 1 ... 10 ГГц наиболее подходят для ССС. Напомним, что ослабление в гидрометеорах на частотах ниже 10 ГГц также мало. По решению ВАКР указанный диапазон частот был первоначально выделен для ССС. Поскольку в этом же диапазоне работают РРЛ и ТРЛ, то полосы частот были поделены между ними и ССС на совмещенной основе. Кроме того, земной шар был поделен на три района, и для каждого из них выделены свои полосы частот для работы на участках Земля — Космос и Космос — Земля. Некоторые из этих полос выделены на всемирной основе, т. е. для всех районов. Широко распространены ССС, работающие в диапазоне 6/4 ГГц, т. е. 6 ГГц на участке Земля — Космос и 4 ГГц на участке Космос — Земля. Работа ССС и РРЛ в общих полосах частот на совмещенной основе возможна при соблюдении условий ЭМС. Они налагают определенные ограничения на технические параметры и расположение станций.

С развитием ССС емкость диапазона 1 ... 10 ГГц стала недостаточной. Поэтому для ССС были выделены полосы частот в более высокочастотных диапазонах 14/11 ГГц, 30/20 ГГц и других, хотя потери при распространении сигналов в атмосфере на этих частотах уже не столь малы.

Эффект Доплера. Проявляется в том, что частота колебаний, принимаемых на движущемся ретрансляторе, отличается от частоты колебаний, передаваемых с ЗС. Предположим, что ЗС начинает передавать импульс длительностью то- В момент to, соответствующий началу приема, ИСЗ находится в положении 1 (рис 10.2)-, а за время то он перемещается из положения 1 в положение 2. Из-за этого увеличивается путь сигнала до ИСЗ на величину D l=u t 0, где v — составляющая скорости движения ИСЗ в направлении распространения радиоволн. Сигнал “догоняет” спутник и затрачивает на это время. Поэтому концу импульса на ИСЗ (рис. 10.2,б) соответствует время , следовательно, длительность импульса на КС . Будем теперь считать, что t 0— период передаваемых СВЧ колебаний, частота которых. Тогда частота принимаемых на ИСЗ колебаний . Для реальных спутников связи , поэтому . В общем случае (10.1), где знак “минус” соответствует рассмотренному выше случаю, когда ИСЗ удаляется от ЗС, а знак “плюс” — случаю приближающегося ИСЗ.

Положим, что ЗС передает сигнал, модулированный гармоническим колебанием с частотой F с малым уровнем (рис. 10.3,а). Для определенности будем считать, что ИСЗ приближается к ЗС. Тогда согласно 10.1 на КС будут приняты составляющие с частотами, указанными в табл. 10.1 и на рис. 12.7,б, где . Из сопоставления рис. 10.3,а и б видно, что спектр принимаемого сигнала расширился так, что при демодуляции будет выделен гармонический сигнал частотой F(l+v/c). Таким образом, эффект Доплера вызывает, во-первых, сдвиг частоты всех спектральных составляющих на величину , называемый доплеровским сдвигом, и, во-вторых, изменение частоты модулирующих колебаний, называемое деформацией спектра. Доплеровский сдвиг можно компенсировать, если в приемнике выбрать достаточно широкой полосу пропускания и применить АПЧ. Деформацию спектра компенсировать в приемнике практически невозможно. Известно, что для ряда систем передачи с ЧРК допустима нестабильность частот генераторного оборудования не более чем 2 Гц. Это условие ограничивает число каналов, которое может быть организовано с помощью таких систем передачи в ССС, поскольку для них условие нормального приема принимает вид .

Последствия эффекта Доплера, связанные с суточным движением геостационарного ИСЗ, незначительны. Практически их можно не учитывать.

Таблица 10.1

Составляющие спектра при передаче

Составляющие спектра на приёме

f1 f1+d fД
f1+F f1+F+d fД+Fv/c
f1-F f1+F-d fД-Fv/c

Запаздывание сигналов и эхосигналы. В СЛС радиосигнал проходит гораздо большее расстояние, чем в РРЛ и ТРЛ. Длина пути радиосигнала . Время распространения сигнала между двумя ЗС . На линии связи с геостационарным ИСЗ км/3× 105 км/с=240 мс. При передаче телевизионных программ, ИГП и т. п. такое запаздывание практически не имеет значения. Однако при дуплексной связи абоненту приходится ожидать ответ в течение времени , т. е. 500 ... 600 мс. Из-за этого при разговоре по телефону через ИСЗ возникают вынужденные паузы, нарушается естественность речи. Абонентов обычно предупреждают о большом запаздывании сигналов. Напомним, что двухпроводные абонентские линии соединяют с четырехпроводными линиями связи посредством дифференциальных систем. Через реальные ДС часть принятого сигнала попадает в тракт передачи и возвращается к “говорящему” абоненту, последний слышит свой же разговор, запаздывающий на время . При мс эхосигнал сливается с основным и не мешает разговору С ростом мешающее влияние эхосигнала все заметнее. Приходится дополнительно ослаблять эхосигнал примерно на 50 дБ npi мс и на 60 дБ при = 500 мс. Ослабляют эхосигнал с по мощью эхозаградителей, устанавливаемых в каждом канале.

10.2. Многостанционный доступ

Многостанционный доступ (МД) позволяет реализовать одну из особенностей спутниковой связи — возможность работы всех ЗС, расположенных в зоне обслуживания, через один ИСЗ. В литературе эту особенность ССС часто называют уникальной Причем КС может иметь одну приемопередающую антенну для работы со всеми ЗС. Существуют системы многостанционного доступа с частотным разделением (МДЧР) и временным разделением (МДВР).

При МДЧР полосу частот ретранслятора П разделяют между всеми ЗС (рис 10.4). Полосы 1- 6, выделенные для соответствующих ЗС, отделены друг от друга защитными частотными интервалами (ЗЧИ). Последние необходимы, чтобы уменьшить переходные помехи между сигналами соседних ЗС, возникающие при одновременном прохождении сигналов через нелинейные устройства. Так что не вся полоса частот ретранслятора занята передаваемыми сигналами. Введение ЗЧИ уменьшает пропускную способность ретранслятора, т. е. снижает эффективность использования его полосы.

Модулированные сигналы большого числа несущих, объединяемые в ретрансляторе, образуют суммарный случайный сигнал, подобно тому, как отдельные ТФ сигналы образуют МТС. Для этого суммарного сигнала, так же как и для МТС, можно определить пик-фактор и пиковую мощность. Режим УМ на КС приходится выбирать так, чтобы точка, соответствующая пиковой мощности входного сигнала при МДЧР, лежала на линейном участке АХ. Такой режим позволяет получить малые нелинейные искажения, но снижает эффективность использования мощности ретранслятора. Последняя используется полностью только при передаче пиковых уровней, т. е. в течение около 1% времени работы. Кроме того, часть выходной мощности ретранслятора затрачивается на передачу продуктов нелинейных преобразований, возникающих при АФК.

Снижение эффективности использования полосы и мощности ретранслятора КС -существенный недостаток систем с МДЧР. Еще один недостаток этих систем - необходимость поддержания одинаковых уровней мощности всех принимаемых сигналов на КС с точностью не хуже 0,5 дБ. Дело в том, что когда сигналы с разными уровнями одновременно проходят через нелинейные устройства ретранслятора, то происходит подавление слабого сигнала сильным. Сигналы разных ЗС приходят по разным путям. Условия распространения для них изменяются независимо. Поэтому на каждой ЗС приходится устанавливать устройство, измеряющее ослабление сигнала на участке Земля — спутник и автоматически регулирующее выходную мощность передатчика ЗС.

Ко времени появления первых ССС диапазон частот 1 ... 10 ГГц был хорошо освоен применительно к АРРС. Поэтому в ССС использованы многие технические решения, принятые в АРРС. В связи с чем получили широкое распространение ЧМ и МДЧР. В первых ССС применяли способ ЧРК-ЧМ-МДЧР. При таком способе на каждую ЗС поступает МТС от системы передачи с ЧРК, он модулирует несущую данной ЗС, модулированные сигналы объединяют в ретрансляторе по принципу МДЧР. В других системах МД из нескольких ТФ сигналов формируют ЦГС, который используется для манипуляции несущей, например ОФМ. Другими словами, в них реализуют способ ИКМ-ОФМ-МДЧР. Например, отечественная аппаратура многостанционного доступа “Группа” позволяет организовать 24 несущих с разносом между ними 1,35 МГц. На каждой несущей можно передать стандартную 12-ка-нальную группу методом ЧРК-ЧМ либо восемь ТФ каналов (512 кбит/с) методом ИКМ-ОФМ.

С ростом числа несущих передача МТС на каждой из них становится нецелесообразной, так как при этом резко падает пропускная способность ретранслятора. В стволе с полосой 36 МГц на одной несущей можно передать 900 ТФ каналов. Однако, когда этот же ретранслятор работает по способу ЧРК-ЧМ-МДЧР, то с учетом необходимых ЗЧИ на каждой из четырех несущих можно передать по 114 каналов, т. е. пропускная способность его уменьшилась вдвое. При числе несущих более 50 пропускная способность ретранслятора уменьшается в 10 раз. В таком случае выгоднее каждому телефонному каналу предоставить свою несущую. Такой принцип передачи получил название ОКН — один канал на несущую. Для повышения пропускной способности в системах с ОКН уменьшают загрузку ретранслятора подавлением излучения несущей в передатчике ЗС во время молчания абонента, пауз между словами, предложениями и т. п. Поскольку ТФ канал активен не более 30% времени, то средняя загрузка ствола падает примерно на 5 дБ. Следовательно, уменьшается и мощность переходных помех между соседними каналами. Это в свою очередь позволяет уменьшить ЗЧИ и увеличить емкость ствола. Модуляция в системах ОКН может быть цифровая, например ИКМ-ОФМ, либо аналоговая ЧМ. Получила широкое признание система СПЕЙД, в которой реализован метод передачи ОКН-ИКМ-4ОФМ-МДЧР. Скорость передачи сигнала одного ТФ канала составляет 64 кбит/с. За счет применения четырехуровневой ОФМ полоса, необходимая для передачи ТФ канала, снижена вдвое, так что вместе с ЗЧИ она составляет 45 кГц. Таким образом, пропускная способность ствола с полосой 36 МГц составляет 800 ТФ каналов. В отечественной аппаратуре “Градиент-Н” реализован принцип ОКН-ЧМ-МДЧР. В каждом стволе такая аппаратура позволяет передавать 200 несущих с частотным разносом между ними — 160 кГц.

В системах с МДВР применяют цифровые методы модуляции. При МДВР период одного цикла передачи ТЦ распределяется между всеми (рис 10.4,б) ЗС. В начале цикла выделяют время t 0 для передачи сигналов общесистемной синхронизации, так называемого синхропакета С. Интервалы времени t , обозначенные цифрами 1—6 отведены для передачи сигналов с соответствующих ЗС. Их называют информационными пакетами станций. Пакеты отделены друг от друга защитными временными интервалами t 3. Последние необходимы, чтобы не допустить перекрытия пакетов при неидеальной системе синхронизации. Период цикла передачи выбирают в соответствии с теоремой Котельникова, при передаче ТФ сигнала Тц=125 икс. Синхропакет генерирует одна из ЗС (ведущая) и через КС передает на все остальные (ведомые) ЗС. Последняя, получив синхропакет, должна определить время вступления в связь, так чтобы передаваемые ею сигналы поступали на ретранслятор КС точно в отведенное для этой ЗС время т. При этом с высокой точностью должно быть учтено время, затрачиваемое на прохождение синхропакета от КС, и время распространения информационного пакета до КС. Значения этих составляющих времени непрерывно изменяются, поскольку любой реальный ИСЗ перемещается на орбите. Последнее обстоятельство и диктует необходимую точность системы синхронизации. Сейчас она составляет десятки пикосекунд.

В информационном пакете ЗС (рис. 10.4,г)—вводная часть В и информационные символы, адресованные разным ЗС, С2—Сб. Вводная часть включает сигнал опознавания передающей ЗС, сигналы служебной связи между ЗС, сигналы восстановления несущей на приеме и тактовой (внутрицикловой) синхронизации и др. С ростом числа ЗС время, отводимое для работы с каждой из них, сокращается, а требования к точности общесистемной синхронизации возрастают. Сложность системы синхронизации — основной недостаток ССС с МДВР. В то же время они не требуют регулировки мощности передатчика ЗС в отличие от ССС МДЧР. При МДВР сигналы ЗС проходят через ретранслятор поочередно. Поэтому УМ на КС может работать в нелинейном режиме, что позволяет эффективно использовать выходную мощность. По мере развития цифровой техники системы МДВР получают все более широкое распространение. Среди них наиболее перспективными считают системы МДВР с коммутацией на борту (МДВР-КБ).

Представим себе, что на КС установлены две шестилучевые антенны — передающая и приемная и высокоскоростной бортовой коммутатор, с помощью которого происходит автоматический выбор рабочих лучей антенн, например по заданной программе. Можно представить, что коммутатор как бы соединяет лучи приемной и передающей антенн. Для простоты будем считать, что в нем же происходит вся необходимая обработка сигнала: усиление, сдвиг по "частоте и т. п. Каждая ЗС связана с антеннами КС отдельным лучом. Положим, что номера лучей МЛА совпадают с номерами ЗС на рис. 12.8,а. Во время передачи информационного пакета от ЗС1 бортовой коммутатор соединяет луч 1 приемной антенны поочередно с лучами 2—6 передающей антенны в соответствии с построением информационного пакета ЗС. 1. На каждую из ЗС приходят только адресованные ей информационные сигналы. Затем коммутатор переключается на прием сигнала от ЗС2 и т. д. Система МДВР-КБ объединяет достоинства МДВР и МЛА

10.3. Энергетический расчет спутниковых линий связи

Сигнал на входе приемника. Спутниковая линия связи (рис. 10.5) содержит участок 1 (линия “вверх”) и участок 2 (линия “вниз”). При определении уровней входных сигналов должны быть известны энергетические параметры аппаратуры, указанные на рис. 10.5. Их удобно вычислить в децибелах, а мощности передатчиков — в децибелваттах. Обозначения параметров соответствуют принятым выше, причем параметры аппаратуры ЗС имеют индекс “з”, а КС— индекс “б” (бортовая аппаратура).

В ССС принято характеризовать передающие станции значениями ЭИИМ :

;

,

где рИ.З и рП.Б — ЭИИМ ЗС и КС, выраженные в децибелваттах. Запишем для участков 1 и 2 основные уравнения передачи:

;

,

где рс.в.хб и рс.вх.з — уровни мощности сигнала на входах КС и ЗС соответственно: суммарное ослабление сигнала на участках / и 2 (соответственно i=l и i=2); аАТМ— потери, обусловленные поглощением радиоволн в спокойной атмосфере (без дождя); ад — ослабление в дождях (гидрометеорах); аП — потери, возникающие вследствие несовпадения плоскостей поляризации сигнала и антенны; адр — потери из-за дополнительных факторов.

Значение асв можно рассчитать, если положить, что R0 = L, где L — расстояние между антеннами ЗС и КС (наклонная дальность).

В спокойной атмосфере кислород и водяные пары поглощают энергию радиоволн. На резонансных частотах кислорода (60 и 120 ГГц) и водяных паров (22 и 165 ГГц) наблюдаются максимумы поглощения. Значения потерь aАTM зависят также от длины пути сигнала в атмосфере, которая в свою очередь определяется по углу места.

Ослабление сигнала в гидрометеорах связано с рассеянием энергии сигнала каплями дождя, туманом и мокрым снегом. Здесь рассмотрим только влияние дождя. Поскольку толщина дождевой зоны в атмосфере около 2 км, то в зависимости от Р можно рассчитать LAэквивалентную длину пути сигнала в дожде. Положив RЭ=LДи VД=-aД, можно найти ослабление сигнала в дожде с заданной интенсивностью. По кривым статистического распределения интенсивности дождей можно определить ослабление в дождях для разных процентов времени наихудшего месяца [1.2].

В свою очередь ап = aп1+aп2, где aПi — потери, вызванные эффектом Фарадея; аП2 — потери из-за расхождения плоскостей поляризации антенн при движении ИСЗ.

Эффект Фарадея проявляется в том, что при прохождении радиоволн через ионосферу происходит поворот плоскости поляризации под воздействием магнитного поля Земли. На рис. 12.11 вектор 1 представляет собой вектор Е вертикально-поляризованной волны, излучаемой антенной КС; вектор 2 — та же волна, но около антенны ЗС, т. е. после прохождения через ионосферу; вектор 3 — вертикально-поляризованная составляющая этой волны, которая будет выделена антенной ЗС; y 1угол поворота плоскости поляризации. При y 1=0.5p амплитуда вектора 3 близка к нулю и потери очень велики. В общем случае потери из-за эффекта Фарадея

Среднее значение угла y 1 обратно пропорционально квадрату несущей частоты; при f=5 ГГц, т. е. aП1 = 0,02 дБ. Видим, что на частотах выше 3...5 ГГц aП1 можно не учитывать.

Положим теперь, что эффект Фарадея не учитывается и антенны ЗС и КС сориентированы так, что их фокальные оси лежат на одной прямой. Вектор 1 на рис. 10.6,б соответствует вертикально-поляризованной волне ЕВ,, излучаемой неподвижной антенной ЗС, а вектор 2 — той же волне около антенны КС. При движении ИСЗ меняется взаимная ориентация антенн ЗС и КС так, что между их фокальными осями образуется угол y 2 - В этом случае антенна КС принимает только составляющую вектора 2, направленную вдоль вектора 3, т. е. составляющую E* = EВcosy 2, поэтому При y 2=p /2 связи не будет.

В геостационарном ИСЗ можно исключить такие потери, применив жесткую стабилизацию положения ИСЗ на орбите. Она связана с определенными техническими трудностями. Если такая стабилизация не предусмотрена, то, чтобы уменьшить потери на частотах ниже 10 ГГц, в ССС рекомендуют применять вращающуюся круговую поляризацию (конец вектора Е описывает круг). При этом изменение ориентации антенн, а также поворот плоскости поляризации не вызывают дополнительных потерь. В зависимости от направления вращения вектора Е различают круговую правую и левую поляризацию, причем сигналы с разным направлением вращения полностью развязаны (ортогональны). Однако на практике антенны всегда излучают не круговую, а эллиптически поляризованную волну. В этом случае потери поляризации зависят от угла y между большими полуосями эллипсов поляризации передающей и приемной антенн и от их коэффициентов эллиптичности е1 и е2 Из-за эффекта Фарадея и перемещения ИСЗ угол y непрерывно меняется. Расчеты обычно выполняют для наихудшего случая y =0,5p (рис. 10.7). При строго круговой поляризации e12=1.

Под дополнительными факторами, увеличивающими потери сигнала, подразумевают неточность наведения антенн ЗС, влияние отраженного луча на трассах с малыми углами места, деполяризацию сигнала в дождях на частотах выше 10 ГГц. Потери наведения антенн ЗС

, где - угловая ошибка наведения.

Трассы с малым углом места характерны для ЗС, расположенных в северных районах нашей страны и работающих через геостационарный ИСЗ. Для них не представляется возможным следовать рекомендациям МСЭ по минимальному углу места. На такие ЗС вместе с прямым лучом от КС приходят лучи, отраженные от земной поверхности. Следовательно, возможны замирания сигнала. Напомним, что влияние подобных замираний на пролетах РРЛ учитывают с помощью множителя ослабления. В ССС для уменьшения глубоких замираний рекомендуют применять антенны, у которых . В этом случае глубина замираний не превышает 6 дБ на частотах ниже 10 ГГц. Подробнее способы учета влияния дополнительных факторов изложены в [2]. При ориентировочных и учебных расчетах можно принять адр=0 дБ.

Тепловые шумы на входе приемника. Приемная установка, состоящая из приемника, фидера и антенны (рис. 10.8), имеет суммарную эффективную шумовую температуру

где TА— эффективная шумовая температура антенны.

Эффективную шумовую температуру (ЭШТ) антенны определяют действующие на нее внешние источники излучения. Антенна ЗС направлена на ИСЗ. Она “видит” космос и атмосферу, а через боковые лепестки ДН также и Землю. Эффективная шумовая температура антенны ЗС

, (10.2)

где e — коэффициент, учитывающий прием шумового излучения боковыми лепестками ДН антенны; Тз— ЭШТ Земли; ДГ — приращение ЭШТ, обусловленное омическими потерями в антенне.

Значения ТКи ТАТМ(b ) могут быть найдены по кривым [1]. При дожде ЭШТ атмосферы на частотах выше 5 ГГц растет. В зависимости от типа антенны получают e =0,2...0,4; Т3 = 290 К. В большинстве случаев D Т=0. На практике наблюдается заметное приращение ЭШТ у антенн, имеющих отражатель из металлизированного стеклопластика, а также во время дождя у антенн, укрытых обтекателем. Дополнительные омические потери (и шумы) в этом случае создает водяная пленка на обтекателе.

Антенна КС главным лепестком ориентирована на Землю. Если она дает прямой луч, то ее ЭШТ

, (10.3)

Для характеристики приемных станций введен специальный параметр, называемый добротностью ЗС (в дБ/К),

Стоимость приемных ЗС растет с увеличением их добротности. Станции, имеющие относительно невысокую добротность, могут работать только с такими передающими КС, которые создают до-статочно большую ЭИИМ.

Тепловые шумы в каналах. Выше было показано, как рассчитывать мощности сигнала и ТШ на входе приемников ЗС и КС. Следовательно, можно найти отношение сигнал-шум на входе приемника КС QВХ1 и на входе приемника ЗС QBX2. Имея их значения, рассчитывают для каждого участка СЛС с ЧМ отношение сигнал-шум в ТФ канале QТФ1 и QТФ2. Напомним, что при ЧМ происходит сложение мощностей ТШ, вносимых в канал отдельными участками. Поэтому в ТФ канале на конце СЛС отношение шум-сигнал

, (10.4)

Аналогичным образом проводят расчеты для канала изображения. Для СЛС с цифровыми методами модуляции, зная QBX1 и QВХ2, определяют для каждого участка вероятность ошибок. На конце линии суммируют вероятности ошибок от отдельных участков, если первые достаточно малы.

Выбор энергетических параметров аппаратуры. Рассмотрим его на примере ССС для передачи ТВ сигналов методом ЧМ. Положим, что КС только усиливает сигнал и изменяет его частоту, никакой дополнительной обработки сигнала нет. При этом шумовая полоса полностью определяется приемником ЗС и выигрыш cТВ на обоих участках линии связи одинаков.

, где I=1; 2; QТВS =c ТВQВХS ,

где QВХS — суммарное отношение сигнал-шум на входе приемника ЗС, учитывающее ТШ двух участков. Подставив эти выражения в (10.4) и сократив cТВ, получаем

(10.5)

Расчет энергетических параметров аппаратуры обычно начинают с определения допустимого значения Q ВХS . Его находят, исходя из рекомендаций МККР на отношение сигнал-шум в канале гипотетической линии QТВS и выигрыша c ТВ. Затем следует правильно распределить QВХS между участками СЛС, учитывая, что они не равнозначны по своим энергетическим параметрам. При этом считают QBХ1 = aQBХS и QBХ2 = bQBХS . В соответствии с (10.5) 1/а+1/b=1 или a = b/(b -1). Обычно принимают а=11...6. Если же проектируют ССС, с большим числом приемопередающих ЗС, то бывает выгодно взять а=b=2. Дальнейшие расчеты выполняют отдельно для каждого участка. Они сводятся к подбору таких значений TS и TПР, ЭИИМ, мощности передатчика, коэффициентов усиления и размеров антенн, которые обеспечивают требуемые значения QBХl и QBX2 и могут быть реализованы на практике.

10.4. Космические станции

Космическая станция содержит ретранслятор и системы обеспечения: источники энергоснабжения, системы ориентации антенн (на Землю) и солнечных батарей (на Солнце), системы коррекции положения ИСЗ на орбите и др.

Аппаратура КС должна иметь минимальную массу и габариты, высокую надежность и потреблять малую мощность. Ретрансляторы КС, как правило, многоствольные. Они состоят из приемопередающей аппаратуры и антенн. Структурные схемы стволов ретранслятора подобны применяемым на ПРС РРЛ. В зависимости от схемы ствола различают ретрансляторы гетеродинного типа, ретрансляторы с одним преобразованием частоты и ретрансляторы с обработкой сигнала на борту. Кроме демодуляции и модуляции, на КС применяют и другие многообразные способы обработки сигнала. Например, при МДВР после демодуляции на КС может быть предусмотрено разделение каналов с последующим объединением их на новой основе. При этом сообщения, адресованные станции i всеми другими ЗС, объединяют и передают по линии, “вниз” в одном пучке. В системах МДВР-КБ на борту происходит коммутация сигналов.

В мощном ретрансляторе гетеродинного типа (рис. 10.9) частота входного сигнала понижается в смесителе UZ1, а затем после усиления в УПЧ А2 вновь повышается в смесителе UZ2. Гетеродинные тракты ГТ1 и ГТ2 выполнены по аналогичным схемам. Для усиления СВЧ сигнала служат предварительный A3 и выходной А4 усилители мощности. Выходная мощность достигает 200...300 Вт. Подобную схему имеет ретранслятор на спутнике “Экран”. В нем А4 выполнен на пролетном клистроне. В схеме принято “холодное” резервирование всех блоков. Переключатели К1 — КЗ по команде с Земли выбирают рабочий комплект. Одновременно на него начинает поступать питающее напряжение.

Современные многоствольные ретрансляторы выполняют так, чтобы получить максимальную пропускную способность. В полосе 500 МГц, отводимой на один ИСЗ, можно разместить спектры сигналов 12 стволов. Обычно полоса ствола — 36 МГц, а ЗЧИ между стволами — 4 МГц. Чтобы увеличить вдвое емкость ретрансляторов, вдвое уменьшают разнос между несущими соседних стволов, а необходимую развязку между перекрывающимися по спектру сигналами получают за счет поляризации. Для всех нечетных стволов берут, например, вертикальную поляризацию (ВП), а для четных — горизонтальную (ГП). Напомним, что применение линейной поляризации возможно в ИСЗ с жесткой стабилизацией на орбите.

Первые ИСЗ с полностью полупроводниковой электронной аппаратурой появились в начале 80-х годов. Применение транзисторных УМ позволяет существенно улучшить электрические характеристики и надежность передающего тракта ствола, уменьшить массу и энергопотребление. Напомним, что во многих существующих ретрансляторах с выходной мощностью до нескольких десятков ватт УМ выполнены на ЛБВ, а число стволов в таких ретрансляторах составляет 6—12.

За 20 лет срок службы спутников, связи вырос с 1,5 лет до 3, 5, а затем и 7 лет. Для ретрансляторов в твердотельном исполнении он достигает 10 лет и ограничен в первую очередь износом систем корректировки орбиты, а также солнечных батарей и аккумуляторов.

10.5. Земные станции

Приемопередающую аппаратуру ЗС выполняют примерно по таким же схемам, что и аппаратуру РРЛ. Антенны ЗС имеют очень узкую диаграмму направленности. Луч антенны должен быть точно наведен на ИСЗ и перемещаться при движении спутника. Поэтому антенны ЗС имеют поворотные устройства. При работе с геостационарным ИСЗ луч антенны можно перемещать путем качания облучателя. Такие антенны, например, имеют ЗС “Москва”. При работе с ИСЗ типа “Молния” луч антенны нужно перемещать в пределах угла b ... (180°-b ). В этом случае приходится вращать всю антенну посредством опорно-поворотного устройства. Слежение за спутником ведет система автосопровождения, входящая в состав ЗС.

Земные станции подразделяют на передающие, приемные систем спутникового вещания, а также приемопередающие, предназначенные для организации дуплексной телефонной связи и для работы в сети обмена ТВ программами. Приемопередающие ЗС обычно являются многоствольными.

Типовая приемопередающая ЗС, (рис 10.10) содержит антенну WA1, УС, приемные и передающие устройства стволов, аппаратуру “Градиент-Н” и др. В схеме установлены приемные устройства типа “Орбита-2”. Их комплектуют широкополосными ПФ Z1, волноводными переключателями К1 и К2, МШУ А1 и А4, стойками типа В (Ст В1 и Ст В2), стойками типа П (Ст П) и стойками типа PC (Ст PC). Фильтр Z1 пропускает сигналы всех рабочих стволов и служит для защиты широкополосных МШУ от возможных внеполосных помех. Разделение сигналов стволов выполняют ПФ Z2 и Z3, установленные на входе стоек типа В и настроенные на центральную частоту СВЧ сигнала своего ствола. Здесь стойки В1 предназначены для преобразования СВЧ сигналов ТВ ствола с центральной частотой f1 в сигнал ПЧ. Стойки В2 — для подобного преобразования СВЧ сигналов ТФ ствола с центральной частотой f2. В каждом стволе установлены рабочая и резервная стойки типа В. Кроме ПФ в составе стойки В показаны преобразователь частоты U1 и ПУПЧ А2. Стойка П содержит основной УПЧ A3 и демодулятор сигнала UR, на выходе которого получают ГС ТВ ствола. Разделение этого сигнала выполняет стойка PC. На выходе приемной части стойки PC получают ПТВС и СЗС.

Выбор рабочего комплекта МШУ выполняет К1, а рабочей стойки В—К.2. Переключение с одного комплекта на другой происходит автоматически при получении АС от стойки контроля приемника (на схеме не показана).

Сигналы в ТФ стволе передаются методом ОКН-ЧМ-МДЧР. Центральная частота этого сигнала на выходе стойки В fПР=70 МГц. В приемной части аппаратуры “Градиент-Н” происходит усиление сигнала ПЧ, разделение 200 ЧМ сигналов, каждый из которых передается на своей несущей, и их демодуляция. На выходе приемного устройства “Градиент-Н” получают ТФ сигналы.

Телефонные сигналы поступают на вход передающей части аппаратуры “Градиент-Н”, в которой формируется сигнал ОКН-ЧМ-МДЧР в полосе частот 70±17 МГц. Этот сигнал поступает на передатчик ТФ ствола ЗС. В составе передатчика делитель мощности ПЧ А8, волноводные переключатели КЗ и К4, два блока преобразователя частоты и два блока УМ. Вторые блоки — резервные. Блок преобразователя частоты содержит МУПЧ А7, преобразователь частоты U2 и предварительный УМ А6. Блок УМ содержит выходной УМ А5 и фильтр гармоник Z4. Работой переключателей КЗ и К4 управляют АС, поступающие от блока контроля передатчика (на рис. не показан). Таким образом, между входом передающей части- аппаратуры “Градиент-Н” на передающей ЗС и выходом приемной части аппаратуры “Градиент-Н” приемной ЗС организован канал ТЧ.

Групповой сигнал ТВ ствола формирует передающая аппаратура стойки PC. Передатчик ТВ ствола содержит модулятор UB. В остальном схемы передатчиков ТВ и ТФ стволов аналогичны. Для подачи передаваемых СВЧ сигналов нескольких стволов в общий АФТ служит блок РФ. На ЗС работают передающие устройства типа “Градиент”, “Геликон”, “Грунт”.

Вопросы для самоконтроля

  1. Назовите виды орбит и их параметры.
  2. Чем отличаются зоны видимости, покрытия и обслуживания?
  3. Как определяется эффект Доплера в ССС?
  4. Зачем нужны эхозаградители в ССС?
  5. Поясните принципы организации ССС с МДЧР и МДВР. Чем вызваны сложности при из реализации? В чём достоинства систем с ОКН?
  6. Какие причины вызывают ослабление радиосигнала при распространении между ЗС и КС? Приведите примерные значения мощности сигнала на входе приёмника ЗС и КС. Чем объяснить существенное различие между ними?
  7. Как определить ЭШТ приёмной установки ЗС и КС?
  8. Какие распределительные системы спутникового вещания организованы в нашей стране? Чем они отличаются друг от друга? Как передаются в них СЗС?
  9. Что такое ЭИИМ передающей станции? Назовите примерные значения ЭИММ стволов КС ИСЗ “Горизонт”, “Радуга”, “Экран”.
  10. Какие преобразования происходят с ТФ сигналом на приемопередающей ЗС в режиме передачи и в режиме приёма?

Спутниковые и радиорелейные системы передачи


*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.