23 апреля 1965 года был запущен на высокую эллиптическую орбиту первый отечественный спутник связи "Молния-1", который ознаменовал становление в нашей стране спутниковой радиосвязи. Почти одновременно в США был запущен на геостационарную орбиту первый спутник коммерческой связи Intelsat-1.

Таким образом, была реализована идея резкого увеличения дальности радиосвязи благодаря размещению ретранслятора высоко над поверхностью Земли, что позволило обеспечить одновременную радиовидимость расположенных в разных точках обширной территории радиостанций. Преимуществами систем спутниковой связи (СС) являются большая пропускная способность, глобальность действия и высокое качество связи.

Конфигурация систем СС зависит от типа искусственного спутника Земли (ИСЗ), вида связи и параметров земных станций [14]. Для построения систем СС используются в основном три разновидности ИСЗ (рисунок 9.1) - на высокой эллиптической орбите (ВЭО), геостационарной орбите (ГСО) и низковысотной орбите (НВО). Каждый тип ИСЗ имеет свои преимущества и недостатки.

Рисунок 9.1. Виды орбит ИСЗ

Примером ИСЗ с ВЭО могут служить отечественные спутники типа "Молния" с периодом обращения 12 часов, наклонением 63° , высотой апогея над северным полушарием 40 тысяч км. Движение ИСЗ в области апогея замедляется, при этом длительность радиовидимости составляет 6..8 ч. Преимуществом данного типа ИСЗ является большой размер зоны обслуживания при охвате большей части северного полушария. Недостатком ВЭО является необходимость слежения антенн за медленно дрейфующим спутником и их переориентирования с заходящего спутника на восходящий.

Уникальной орбитой является ГСО - круговая орбита с периодом обращения ИСЗ 24 часа, лежащая в плоскости экватора, с высотой 35875 км от поверхности Земли. Орбита синхронна с вращением Земли, поэтому спутник оказывается неподвижным относительно земной поверхности. Достоинства ГСО: зона обслуживания составляет около трети земной поверхности, трех спутников достаточно для почти глобальной связи, антенны земных станций практически не требуют систем слежения. Однако в северных широтах спутник виден под малыми углами к горизонту и вовсе не виден в приполярных областях.

Плоскость низковысотных орбит наклонена к плоскости экватора (полярные и квазиполярные орбиты) с высотой порядка 200..2000 км над поверхностью Земли. Запуск легкого ИСЗ на низкую орбиту может быть осуществлен с помощью недорогих пусковых установок.

Принцип осуществления системы связи с использованием искусственных спутников Земли показан на рисунке 9.2. Здесь через а и б обозначены земные станции (ЗС), между которыми устанавливается связь, а прямые и , касательные к поверхности Земли в точках а и б, являются линиями горизонта этих пунктов. Поэтому спутник ИСЗ₁, движущийся по орбите MN, может одновременно наблюдаться со станций а и б при движении его по участку орбиты и . Следовательно, электромагнитные колебания, излучаемые антенной системой ЗС в точке а в направлении ИСЗ₁, могут быть приняты бортовой радиоаппаратурой спутника и после их усиления и преобразования по частоте направлены в сторону Земли, где будут приняты антенной ЗС в точке б. Антенны ЗС всегда должны быть ориентированы на ИСЗ. Следовательно, при движущихся ИСЗ антенны должны поворачиваться, осуществляя непрерывное "слежение" за перемещением спутника в пространстве [15].

Рисунок 9.2. Принцип радиосвязи через ИСЗ

Система радиосвязи при наличии бортовой аппаратуры называется системой с активной ретрансляцией сигнала или системой с активным спутником.

Рассмотрим структурную схему дуплексной связи между ЗС, размещенными в точках а и б при активной ретрансляции сигнала (рисунок 9.3). Здесь сообщение С₁ подводится к модулятору М станции ЗС_а, в результате чего осуществляется модуляция колебаний с несущей частотой f₁. Эти колебания от передатчика П подводятся к антенне А_а1 и излучаются в сторону ИСЗ, где принимаются бортовой антенной А ретранслятора. Затем колебания с частотой f₁ поступают на разделительный фильтр (РФ), усиливаются приемником Пр₁, преобразуются к частоте f₂, и поступают к передатчику П₁. С выхода передатчика колебания с частотой f₂ через РФ подводятся к бортовой антенне А и излучаются в сторону Земли. Эти колебания принимаются антенной А_б2 станцией ЗС_б, подводятся к приемнику (Пр) и детектору (Дет), на выходе которого выделяется сообщение С₁. Передача от ЗС_б к станции ЗС_а сообщения С₂ происходит по частоте f₃ аналогичным образом, причем на бортовом ретрансляторе осуществляется преобразование колебаний с несущей частотой f₃ в колебания с частотой f₄.

Рисунок 9.3. Структурная схема радиосвязи через ИСЗ

Для передачи сообщений можно предложить и другой метод, при котором на борту спутника радиоаппаратура отсутствует. В этом случае сигналы, посланные из пункта А, отражаются поверхностью ИСЗ₁ в сторону Земли (в том числе и к пункту б) без предварительного усиления. Поэтому сигналы, принятые станцией б, будут значительно слабее, чем при наличии бортовой аппаратуры. В качестве пассивных спутников могут использоваться как специальные отражатели различной формы (в виде сферических баллонов, объемных многогранников и других), так и естественный спутник Земли – Луна. Пропускная способность подобных систем связи при современном уровне техники не превышает двух-трех телефонных сообщений.

В случае, когда спутник ИСЗ₂ движется по орбите m–n (рисунок 9.2) с высотой настолько малой, что не может одновременно наблюдаться антеннами станций ЗС_а и ЗС_б (высота орбиты ниже точки пересечения линий горизонта и ), и потому сигнал, принимаемый бортовой аппаратурой на ИСЗ₂ не может быть сразу передан на станцию б. Работа системы в этом случае может быть построена следующим образом: ИСЗ₂, пролетая над ЗС_а принимает сообщения которые после усиления подаются на ботовую аппаратуру памяти (например, записываются на магнитофонную ленту). Затем когда ИСЗ₂ будет пролетать над ЗС_б, включается в ботовой передатчик и происходит передача информации, принятой от ЗС_а. Включение передатчика может осуществляться подачей специального командного сигнала, излучаемого ЗС_б в момент появления ИСЗ в зоне видимости этой станции, или с помощью ботового программного устройства, учитывающего скорость движения спутника по орбите, ее высоту и расстояние между станциями. Такая система называется системой связи с памятью или системой с задержанной ретрансляцией. Система с активной ретрансляцией сигнала в зависимости от высоты орбиты и расстояния между станциями может быть выполнена как система с мгновенной (не задержанной) ретрансляцией сигнала (система в реальном масштабе времени) и как система с задержанной ретрансляцией [13].

Особый интерес представляет геостационарная орбита – круговая орбита, находящаяся в экваториальной плоскости (i=0) и удаленная от поверхности Земли на расстоянии около 36000 км. В том случае, когда направление движения спутника по такой орбите совпадает с направлением вращения Земли, спутник будет неподвижным относительно наземного наблюдателя (геостационарный спутник). Эта особенность, а также то, что ИСЗ находится от Земли на большом удалении, приводит к следующим важным преимуществам связи через геостационарный спутник: во-первых, становятся возможными передача и прием сигналов с помощью неподвижных антенных систем (то есть более простых и дешевых, чем подвижные) и, во-вторых, осуществление круглосуточной непрерывной связи на территории, равной примерно трети земной поверхности. Однако через геостационарный ИСЗ затруднительно осуществлять связь с приполярными районами, расположенными на широтах выше 75º…78º,так как при этом существенно возрастают шумы на входе земных приемников.

В нашей стране на геостационарную орбиту выведены спутники связи типа "Радуга" и "Горизонт".

При движении ИСЗ по другим орбитам (не геостационарной) спутники будут перемещаться относительно наземного наблюдателя. В этом случае необходимы подвижные антенные устройства и специальная аппаратура, обеспечивающая слежение и наведение антенны на движущийся спутник [12]. Системы связи с подвижными ИСЗ при соответствующем выборе орбит позволяют обеспечить связь с любыми районами земного шара, в том числе и с приполярными. При использовании подвижных ИСЗ связь между станциями, размещенными в точках а и б (рисунок 9.2), может осуществляться лишь в течение времени, пока ИСЗ движется по участку орбиты .

Обеспечение длительной непрерывной связи при сравнительно невысоких орбитах возможно лишь при увеличении числа ИСЗ (рисунок 9.4,а).В этом случае на каждой земной станции должны быть установлены две антенны (А₁ и А₂), которые могут осуществлять передачу и прием сигналов с помощью одного из спутников, например ИСЗ₁, находящегося в зоне взаимной связи . Когда ИСЗ₁ выедет из этой зоны, связь будет происходить через ИСЗ₂ с помощью антенн А₂. При выходе ИСЗ₂ из зоны передача и прием сигналов должны осуществляться посредством ИСЗ₃ и антенн А₁, направленных на этот спутник и так далее. Для получения непрерывной связи между станциями а и б расстояние между соседними спутниками должно быть меньше зоны . Число ИСЗ при таком методе зависит от расстояния между пунктами связи и параметров орбиты [20].

При использовании ИСЗ можно применить ретрансляцию сигналов не только через один, но и через несколько спутников. При этом в случае низких орбит для непрерывной передачи сигналов на земных станциях необходимо иметь по две антенны.

На рисунке 9.4, б показаны ИСЗ, движущиеся по часовой стрелке по одной низкой орбите, часть которой показана в виде дуги mn. Сигнал от станции а через антенну А₁ поступает на ИСЗ₄ и ретранслируется через ИСЗ₃, ИСЗ₂, ИСЗ₁ к приемной антенне А₁ станции б. Таким образом, в этом случае для ретрансляции сигнала используются антенны А₁ и сегмент орбиты, содержащий ИСЗ₄ – ИСЗ₁. При выходе ИСЗ₄ из зоны, лежащей левее линии горизонта , передача и прием сигнала будет вестись через антенны А₂ и сегмент, содержащий ИСЗ₅ – ИСЗ₂. Затем передача и прием сигналов будет осуществляться антеннами А₁ и сегментом, состоящим из спутников ИСЗ₆ – ИСЗ₃ и так далее.

Рисунок 9.4. Система связи с несколькими ИСЗ

Использование ИСЗ, движущихся по орбитам с малой высотой, упрощает аппаратуру земных станций, так как при этом возможно снижение усиления земных антенн, мощности передатчиков и работа с приемниками, имеющими несколько большую эквивалентную шумовую температуру, чем в случае геостационарных спутников. Однако в этом случае увеличивается число спутников, и требуется управление их движением по орбите.

Другой вариант использования для ретрансляции сигналов нескольких ИСЗ приведен на рисунке 9.4,в. В этом случае с одного из группы спутников, движущихся по одной орбите, например ИСЗ₄, сигнал, излучаемый А₁ станции "а", ретранслируется к геостационарному спутнику ИСЗ_г, а затем принимается антенной А станции "б". При выходе ИСЗ₄ из области, лежащей левее линии горизонта , непрерывная связь станции "а" с ИСЗ_г будет осуществляться через антенну А₂ и ИСЗ₅, затем через А₁ и ИСЗ₆ и так далее. На станции "б" в этом случае достаточно будет иметь лишь одну антенну, направленную на ИСЗ_г.

Поскольку ИСЗ может наблюдаться с большой территории на поверхности Земли, можно осуществить связь между несколькими ЗС через один общий ИСЗ. В этом случае спутник оказывается "доступным" многим земным станциям, поэтому такая система называется системой с многократным доступом (МД). В системах МД могут быть организованны как циркулярная связь между станциями (передача сообщений от одной станции нескольким станциям), так и одновременная дуплексная связь между всеми ЗС, использующими один общий бортовой ретранслятор, размещенный на ИСЗ. Система связи через ИСЗ с МД состоит из нескольких земных станций, находящихся в зоне взаимной связи через ИСЗ и использующих для связи друг с другом или для связи одной станции с несколькими станциями в любых сочетаниях общий ретранслятор на ИСЗ (рисунок 9.5). Отметим, что в системе с МД может быть также организованна одновременная связь не со всеми станциями, а лишь с группой станций. В этом случае целесообразно использование бортовых антенн, имеющих узкие диаграммы направленности (большое усиление). Такие антенны управляются с Земли и могут направляться на нужную группу станций. Другим вариантом этой системы является коммутация бортовой аппаратуры на ту или иную бортовую антенну, имеющую фиксированное направление на определенные точки земной поверхности. Каналы связи, организованные через ИСЗ между земными станциями системы МД, могут быть разделены на две группы:

• постоянные (закрепленные) каналы, предназначенные для связи только между определенными земными станциями;

• непостоянные (незакрепленные) каналы, временно организуемые между различными станциями в зависимости от нужд потребителей.

Рисунок 9.5. Пояснение принципа многостанционного доступа

Очевидно, что каналы первой группы позволяют организовать немедленную связь в любое время; каналы второй группы для организации связи требуют выполнения определенной процедуры, аналогичной той, которая характерна для обычной городской телефонной связи. Прежде чем осуществить передачу сообщений по каналам второй группы, необходимо: получить сведения о наличии свободного канала в системе (то есть получить подтверждение доступа в систему связи – в АТС это соответствует продолжительному тону); набрать адрес (номер) нужного корреспондента; убедиться, свободен ли канал к корреспонденту (то есть получить доступ к корреспонденту).

Очевидно, что в системах с закрепленными каналами из-за того, что часть каналов в некоторые интервалы времени будет использоваться, общее число каналов должно быть больше, чем в системах с незакрепленными каналами. Таким образом системы, с незакрепленными каналами являются более эффективными, однако они имеют и недостатки: во-первых, требуется дополнительно время для установления связи (надо найти свободный канал и с помощью вызывных и адресных сигналов осуществить необходимую коммутацию) и, во-вторых, возможен отказ в установлении немедленного соединения системы.

При любом виде каналов связи (закрепленных или незакрепленных) могут быть созданы многоадресные, одноадресные и смешанные сообщения и стволы [15].

При многоадресном построении групповых сообщений каждая земная станция излучает один ствол, в котором передается групповое сообщение, предназначенное для приема всеми земными станциями. Стволы, излученные всеми ЗС, пройдя через бортовой ретранслятор, принимаются на каждой ЗС. После демодуляции из каждого ствола выделяются те части групповых сообщений, которые предназначаются только для данной ЗС. Это выделение осуществляется либо на основании адреса данной станции, который передается перед сообщением, (при незакрепленных каналах), либо по предварительной договоренности о месте размещения каналов, предназначенных для данной ЗС в передаваемых групповых сообщениях (при закрепленных каналах).

Очевидно, что при многоадресном построении групповых сообщений в ВЧ стволах каждая ЗС должна принимать n-1 стволов, где n – число ЗС. Таким образом, в этом случае получается сравнительно простое передающее устройство, но существенно усложняется приемное оборудование ЗС.

При одноадресном построении для каждой ЗС формируется свое групповое сообщение и свой ВЧ ствол, в котором каждая передающая станция занимает соответствующее число каналов. Таким образом, каждая станция занимает определенное число каналов в n-1 стволах, проходящих через ретранслятор, каждый из которых предназначен только для одной определенной земной станции. В этом случае на каждой станции необходимо принять и демодулировать только один ствол, предназначенный для этой станции. Очевидно, что передающая аппаратура получается сложнее приемной.

При смешанном построении стволов на каждой земной станции осуществляется многоадресное формирование стволов, а на ретрансляторе производится переход от многоадресного к одноадресному построению стволов, то есть осуществляется перегруппировка каналов. Таким образом, при смешанном построении стволов получается упрощение как приемного, так и передающего оборудования земных станций, но усложняется аппаратура ретранслятора.

Существует три основных метода разделения общего канала связи: по частоте (ЧР), во времени (ВР), и посредством сигналов различающихся по форме (кодовое разделение каналов).

Рисунок 9.6. Многостанционный доступ с разделением по частоте (а) и по времени (б)

Многостанционный доступ с частотным разделением (МДЧР).

В этом случае для каждого ствола (то есть для каждой станции) выделяется определенная несущая частота (f₁, f₂,…, f_n). Разнос между парой соседних несущих выбирается таким, чтобы была исключена возможность взаимного перекрытия спектров при модуляции (рисунок 9.6,а). Отметим, что наиболее просто МДЧР реализуется в том случае, когда на земных станциях осуществляется частотная модуляция колебаний многоканальным сообщением с частотным разделением телефонных каналов (сокращенно – система ЧР ЧМ МДЧР). Таким образом, в этой системе на вход ретранслятора поступает сложный сигнал, представляющий собой систему n модулированных по частоте гармонических сигналов, являющихся несущими частотами всех ЗС. Прохождение такого сложного сигнала через общий бортовой ретранслятор, представляющий собой нелинейное устройство, приводит к следующим нежелательным явлениям:

1) возникновению переходных помех;

2) подавлению сигналов тех земных станций (то есть тех стволов), уровень которых на входе ретранслятора по каким либо причинам (например, вследствие замираний), окажется меньше уровней сигналов других станций. Это подавление может доходить до 6 дБ. Для устранения этого явления необходимы соответствующий контроль и регулировка уровней сигналов, излучаемых с каждой земной станции. Такая регулировка может производится автоматически сопоставлением принятых с ретранслятора уровней сигналов с различных стволов (станций;

3) возникновению переходных помех между стволами и снижению выходной мощности ретранслятора из-за нелинейности амплитудной характеристики тех каскадов ретранслятора, которые являются общими для всех стволов, принятых с земных станций. Снижение выходной мощности обуславливается появлением продуктов нелинейности, на которые расходуется часть мощности ретранслятора.

Перечисленные явления приводят к тому, что при заданном значении переходных шумов в телефонных каналах с увеличением числа земных станций, то есть с увеличением числа стволов (несущих), одновременно усиливаемых ретранслятором, приходится снижать число телефонных сообщений, передаваемых на каждой несущей. Отсюда, чем большее число станций входит в систему МДЧР, тем меньшее число телефонных сообщений может быть передано. Расчеты и испытания реальных систем [22] показывают, что ретранслятор, способный пропустить на одной несущей при ЧР ЧМ 700 телефонных каналов, в случае работы 8 станций в системе ЧР ЧМ МДЧР может пропускать 30 каналов на каждой несущей, то есть не более 8·30 = 240 каналов (снижение пропускной способности почти в 3 раза). При работе 16 станций в системе ЧР ЧМ МДЧР на каждой несущей можно передавать не более десяти телефонных сообщений. Таким образом, по сравнению с первоначальной пропускная способность составляет 23%. Однако, при таком режиме работы при использовании статистических особенностей телефонных сообщений, передаваемых на различных несущих, появляются новые возможности увеличения пропускной способности ретранслятора. Если во время пауз между словами, фразами и при молчании абонентов в такой системе подавлять излучение земных передатчиков на несущей частоте, то это существенно снизит нагрузку ретранслятора и позволит в 3…4 раза увеличить пропускную способность. Напомним, что подобное подавление несущих используется при построении аппаратуры частотного разделения: на выходе индивидуальных преобразователей уровень колебаний с поднесущими частотами стремятся сделать возможно меньшим [1].

Метод МДЧР с подавлением несущих использован в системе "Спэйд", реализованной в международной системе "Интелсат". В этой системе каждое телефонное сообщение преобразуется в восьмиразрядный сигнал ИКМ (64 кбит/с) и передается на отдельной ВЧ несущей методом четырехфазной ФМ. Полоса частот, занимаемая одним телефонным каналом, составляет 38 кГц, защитный интервал Δf_защ = 7 кГц (рисунок 9.6,а). Описываемая система обеспечивает передачу в одном стволе шириной 36 МГц 800 незакрепленных каналов [6].

В отечественной аппаратуре "Градиент Н" также используется МДЧР, при котором каждое телефонное сообщение передается на отдельной несущей путем ЧМ с пиковой девиацией частоты, соответствующей измерительному уровню, равной 30 кГц. Число несущих частот в стволе составляет 200, разнос между соседними несущими равен 160 кГц. В отечественной аппаратуре "Группа" число несущих составляет 24; разнос между ними 1.35 МГц. Частотная модуляция в этом варианте аппаратуры осуществляется стандартной 12-канальной группой (спектр 12..60 кГц) с эффективной девиацией частоты 125 кГц [23]. Таким образом, число передаваемых телефонных сообщений составляет 24·12 = 288.

Многостанционный доступ с временным разделением (МДВР).

В данном случае работа земных станций через ретранслятор осуществляется поочередно. Поэтому все станции могут работать на одной несущей частоте и должны иметь общую систему синхронизации, обеспечивающую строго поочередные включения и выключения передатчиков.

На рисунке 9.6,б приведен цикл работы системы МДВР, состоящей из трех станций – 1,2 и 3. В течение интервалов времени τ, которые называются кадрами станций, каждая станция излучает колебания несущей частоты, модулированные сообщением, поступающем от аппаратуры разделения; через τ₃ обозначен защитный интервал времени, предотвращающий одновременное включение двух наземных станций, а через Т_ц – цикл передачи. Описанный вариант относится к случаю синхронной работы наземных станций. Система синхронизации, которая может осуществляться по пилот-тону, должна учитывать различие расстояний между ИСЗ и отдельными земными станциями. Обычно системы с МДВР работают с геостационарными ИСЗ, поскольку осуществить синхронизацию при использовании подвижных ИСЗ сложно, так как в этом случае расстояния между ИСЗ и земными станциями будут переменными. В случае МДВР наиболее целесообразным вариантом является использование ИКМ с фазовой модуляцией несущей (сокращенно – ИКМ ФМ МДЧР). На рисунке 9.7 в качестве примера приведен подробный цикл работы системы МДВР. Из рисунка следует, что в течение каждого кадра со станций передаются не только сообщения, идущие по телефонным и служебным каналам связи, но и несколько специальных сигналов. К ним относятся: сигналы синхронизации, вызова и коммутации (СВиК), сигналы адресов (СА) и пилот-сигнал (ПС). Отметим, что СВиК состоит из сигнала синхронизации опорных генераторов при когерентном приеме (СГКП), сигнала цикловой синхронизации (ЦС), сигнала, необходимого в системах с ИКМ для тактовой синхронизации (ТС), и сигналов, обеспечивающих вызов абонентов и коммутацию цепей (ВиК).

Рисунок 9.7. Структура цикла при МДВР

Информационная часть кадра составляет около 85…90 % от полной длины кадра.

Системы с МДВР по сравнению с МДЧР обладают рядом преимуществ:

1) импульсная мощность передающего устройства данной станции не зависит от условий работы других станций и не требует регулировок, так как взаимное подавление сигналов отсутствует;

2) все земные передающие станции могут работать на одной несущей частоте, а приемные – на другой, что упрощает построение станций;

3) передатчик ретранслятора работает в режиме максимальной мощности; при этом отсутствуют взаимные помехи между ретранслируемыми сигналами.

К недостаткам систем с МДВР можно отнести сложность системы синхронизации станций и возникновение помех при нарушении синхронизации работы хотя бы одной станции.

Сравнение различных видов МД по пропускной способности при заданном значении шумов на выходе каналов и ограниченной мощности ретранслятора показывает, что МДВР имеет явные преимущества перед МДЧР.

Принцип МДВР реализован в отечественной аппаратуре МДВУ-40, позволяющей осуществить скорость передачи цифрового потока в стволе ИСЗ, равную 40 Мбит/с. В этой системе используется ОФМ-4.