4. Спутниковые радиотехнические системы

К спутниковым относятся такие технические системы, которые используют радиотехнические методы и искусственные спутники Земли (ИСЗ) для решения поставленных перед ними задач.

В соответствии с решаемыми задачами спутниковые радиотехнические системы могут быть разделены на три группы:

- спутниковые системы передачи информации (ССПИ);

- спутниковые радионавигационные системы (СРНС);

-радиотехнические системы управления ИСЗ (РСУ ИСЗ).

4.1 Спутниковые системы передачи информации

Спутниковые системы передачи информации –это такие радиотехнические системы, в которых ИСЗ используется в качестве ретрансляционной станции.

Спутниковые системы передачи широко распространены и используются во всём мире для создания международных, междугородних, а также внутризоновых линий передачи, выделенных деловых сетей связи и передачи данных на основе малых земных станций (ЗС), установленных непосредственно у потребителя, многопрограммного телевизионного вещания как с коллективным, так и с индивидуальным приёмом.

Спутниковые системы телевизионного вещания позволяют увеличить число программ по сравнению с наземными, значительно расширить территорию приема программ телевидения, в том числе и на другие страны, создать сети связи для удаленных и подвижных объектов, находящихся на суше и на море; в ряде случаев спутниковые системы передачи оказываются дешевле наземных линий, например, в труднодоступных и удалённых районах.

Системы спутниковой связи включают в себя космическую станцию (ИСЗ) и совокупность земных станций (ЗС), при этом под ПЗС или ПрЗС подразумевается передающая или приёмная станция радиосвязи, расположенная на поверхности Земли или в основной части земной атмосферы (например, на самолёте) и предназначенная для работы в составе какой – либо спутниковые системы передачи (рисунок 4.1).

На ИСЗ мощность передатчика (П), коэффициент усиления антенны с диаграммой направленности (ДНА), чувствительность приёмника (ПР) определяются ограниченными на энергопотребление, массу и габариты. Ширина ДНА и, следовательно, её коэффициент усиления определяется размерами зоны обслуживания и для глобальной зоны составляют примерно 17-30 и 20 дБ соответственно. Таким образом, пропускная способность ССС ограничивается с одной стороны шириной полосы пропускания, а с другой стороны мощностью сигнала “вниз”.

Для оценки качества ССС можно использовать различные критерии, зависящие от вида сообщения и методов его приёма: в роль критерия качества при передачи ТФ сообщений аналоговым методом используется мощность шума на выходе канала, при передаче ТВ вещания – отношение сигнал/шум на выходе, при передаче цифровых потоков данных – вероятность ошибок.

Рисунок 4.1 – Структурная схема спутниковой системы связи

В ССС могут использоваться ИСЗ, движущиеся по орбитам, которые отличаются формой (круговая или эллиптическая): высотой над поверхностью Земли или расстоянием до центра Земли; наклонением, то есть углом между экваториальной плоскостью и плоскостью орбиты (экваториальные, полярные и наклонные орбиты). Эллиптические орбиты, кроме того, характеризуются апогеем перигеем, то есть расстоянием от Земли до наиболее удалённой точки орбиты и до ближайшей точки.

Движение ИСЗ определяется законами Кеплера, причём для точных расчётов орбиты необходимо учитывать не только притяжение Земли, но и поля тяготения других небесных тел (луны, Солнца, планет).

Особый интерес представляет геостационарная орбита – круговая орбита в экваториальной плоскости, удалённая от поверхности Земли на расстояние около . Если направление движения ИСЗ на такой орбите совпадает с направлением вращения Земли, спутник оказывается неподвижным относительно наземного наблюдателя (геостационарный ИСЗ). Эта особенность приводит к важным преимуществам связи через геостационарный ИСЗ:

- передача и приём сигналов возможны с помощью неподвижных антенных систем;

- круглосуточная непрерывная связь на территории равной примерно трети земной поверхности;

При движении ИСЗ по другим орбитам (не геостационарной) спутники перемещаются относительно неземного наблюдателя; в этом случае необходимы подвижные антенные устройства и специальная аппаратура управления, обеспечивающая слежение и наведение ДНА на движущийся спутник; связь между ЗС системами связи с подвижными ИСЗ может осуществляться лишь в течении времени, когда спутник находится в зоне видимости. Очевидна, что для получения непрерывной связи между двумя ЗС в этом случае необходимо несколько ИСЗ, число которых зависит от параметров орбиты ИСЗ и расстояния между ЗС (каждая ЗС должна иметь, по крайней мере две антенны, одна из них наведена на ИСЗ, уходящий из зоны видимости; вторая на ИСЗ, входящая в зону видимости). Достоинством спутниковых систем передачи, когда ИСЗ вращаются по орбитам с малой высотой, является упрощение приемно-передающей аппаратуры ЗС, так как при этом снижается требование к энергетике канала связи; однако, в сравнении с геостационарными ИСЗ увеличивается число спутников и необходимо управление их движением по орбитам.

На платформах ИСЗ могут размещаться от одного до нескольких ретрансляторов, каждый из которых имеет несколько широкополосных стволов (поддиапозонов). Например, в зависимости от решаемых задач состав модуля полезной нагрузки Российской спутниковой платформы ЭКСПРЕСС-1000 меняется и может включать 12... 15 ретрансляторов в Ku-(10,95...11,2; 12,5...12,75/13,75...14 ГГц), С-(3400...4200/5725...6725 МГц) и L-(1525... 1559/1626... 1660 МГц) диапазонах частот для решения широко­го круга телекоммуникационных задач в различных зонах обслуживания.

Национальные системы спутниковой передачи имеют многие государства практически всех континентов: Россия, США, Канада, Япония, Германия, Нигерия, Китай и др.

В качестве международных спутниковых систем передачи, в основном используются системы «Интелсат» и «Интерспутник». Практикуется аренда стволов системы «Интелсат» и «Интерспутник» администрациями различных стран для создания национальных спутниковых систем передачи.

Многостанционный доступ к стволу ИСЗ осуществляется как с частотным разделением (МДЧР), когда сигнал каждой ЗС передаётся на своей несущей частоте или нескольких несущих, так и с временным доступом (МДВР), когда передача от каждого ЗС занимает всю полосу частот и мощность ствола, но только часть времени кадра передачи (рисунок 4.2). МДВР обеспечивает наибольшую общую скорость передачи в стволе 40 ÷60 Мбит/с, но требует более высокой мощности ЗС и более сложного оборудования.

Рисунок 4.2 – Структура кадра при МДВР

Особенности передачи сигналов в ССС. Большая протяженность линии связи между ЗС и ретранслятором ИСЗ приводит к запаздыванию сигнала, что приводит к появлению вынужденных пауз в ТФ разговоре, потере контакта между абонентами.

Время запаздывания

t = 2h/c ~ 240 mc , (4.1)

если h = 36000 км (расстояние ИСЗ – Земля для геостационарного спутника); м/с – скорость света.

Кроме того, запаздывание сигналов является причиной появления эхо – сигналов, которые проявляются в виде прослушивания абонентом своего разговора, задержанного на время

(4.2)

Для подавления эхо–сигнала используются эхозагродители, которые включаются после дифференциальной системы при переходе с двухпроводной линии абонента на 4–х проводную линию передачи и приема ТФ сигналов.

Одной из особенностей спутниковой системы передачи ССС является проявление эффекта Доплера, вызываемого движением ИСЗ относительно ЗС и появлением радиальной составляющей скорости .

Изменение частоты сигнала вследствие эффекта Доплера

(4.3)

проявляется в виде деформации спектра передаваемого сообщения.

Например, если передаваемое сообщение имело частоту F, то на выходе детектора, с учетом эффекта Доплера сообщение будет иметь частоту ; в результате изменится ширина спектра передаваемого сообщения и соотношения и соотношение его спектральных компонент.

4.2 Бортовая приемо-передающая аппаратура ИСЗ

Состав бортовой аппаратуры ИСЗ рассмотрим на примере ретранслятора системы «Интелсат» (рисунок 4.3), имеющего 12 стволов.

Рисунок 4.3-Структурная схема ретранслятора

От приемных антенн ( и ) через коммутаторы (к) сигналы поступают к приемникам (Пр 1 ÷ Пр 4), два из которых являются рабочими, а два резервными. Выходы приемников через коммутаторы поступают на развязывающую цепь (РВ) и далее к разделителям четных (РЧС) и нечетных (РНС) стволов.

Принятые сигналы переносятся (трансформируются) из диапазона 6 ГГц в диапазон 4 ГГц, полоса частот сигнала 500 МГц. Разделители РЧС и РНС имеют по шесть полосовых фильтров с полосой пропускания 36 МГц, разнос центральных частот фильтров 40 МГц. После фильтров включены основные и резервные усилители ВЧ на лапах бегущей волны (ЛБВ) и сумматоры четных (СЧС) и нечетных (СНС) стволов.

Антенны , - локальные, а , - глобальные и предназначены соответственно для передачи сигналов нечетных и четных стволов.

Приемные устройства (Пр1÷ Пр4 ;) состоят из усилителей СВЧ на туннельном диоде и полосового заграждающего фильтра в диапазоне 4 ГГц, обеспечивающего затухание вне рабочей полосы.

Структурная схема приемной ЗС для приема телевизионного вещания по спутниковой системе передачи показана на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4 - Структурная схема приемной ЗС

Характерной чертой спутниковой системы телевизионного вещания является большое число приемных ЗС коллективного и индивидуального пользования. Затраты на сеть ЗС могут составлять 80 ÷ 90 % всех затрат. В диапазоне 12 МГц приемные устройства ЗС строятся по схеме с двойным преобразованием: первое преобразование (наружный блок) переносит сигнал в полосу 0,9÷1,3 ГГц, второе преобразование, на котором производится выбор канала вещания, переносит сигнал на частоту 0,12 ГГц. С целью упрощения индивидуальных приемных устройств для передачи звукового сопровождения используется ЧМ поднесущей, отстоящей на 6,5 МГц от несущей ЧМ – ТВ сигнала.

Наружный блок приемного устройства, содержащий входной полосовой фильтр ПФ, преобразователь частоты (См1 и Г1) и усилитель (УПЧ1.), размещается в непосредственной близости от антенны и соединяется с внутренним блоком ВЧ кабелем, по которому также подается напряжение питания для наружного блока.

Во внутреннем блоке принятый сигнал преобразуется в стандартный для наземных сетей ТЛВ вещания АМ сигнал на частоте одного из радиоканалов в метровом или дециметровом диапазоне волн (выход в «радиоканал»). Для расширения функциональных возможностей предусмотрены выходы сигналов изображения («видео») и звукового сопровождения («звук»). Для этих целей внутренний блок содержит: преобразователь частоты (См2 и Г2), усилитель (УПЧ2), амплитудный ограничитель (АО), частотные детекторы звука и видеосигнала (ЧД), автоматическую подстройку частоты (АПЧ), фильтры верхних и нижних частот (ФВЧ и ФНЧ), выходной усилитель (ВУ) и амплитудный модулятор (АМ).

Развитие спутниковых систем связи ведется в направлении увеличения числа стволов на ИСЗ, создания сетей непосредственного телевизионного вещания (НТВ), использующих геостационарные ИСЗ, а также сотовых сетей спутниковых систем передачи с узкими лучами бортовых антенн.

Федеральное государственное унитарное предприятие “Научно-производственное объединение прикладной механики (НПО ПМ) имени академика М.Ф. Решетнева”, головной офис которого расположен в Красноярском крае, занимает в России лидирующие позиции в области производства российских связных спутников[ ] . Предприятие было основано в 1959 г. В 1967 г. на базе изготовленных предпри­ятием спутников типа МОЛНИЯ-1, выводимых на высокую эллиптическую орбиту, создана первая, постоянно действующая, нацио­нальная спутниковая система фиксированной связи и распределения телевизионных программ на сеть станций “Орбита”. ЗС “Орбита” имеет антенны диаметром 12м., мощность передатчика каждого ствола в зависимости от вида излучаемого сигнала (при многостанционном доступе с частотным разделением (МДЧР) используется передатчики на ствол). Обмен телевизионными программами между ЗС “Орбита” ведётся в аналоговой форме с частотной модуляцией (ЧМ). Передача сигналов изображения ведется с мощностью ЧМ с девиацией частоты 12+13 МГц; на поднесущих 7 и 7,5 МГц передается звуковое сопровождение и звуковое вещание, на частоте поднесущей 8,5 МГц – передаются сигналы изображения газетных полос.

В дальнейшем НПО ПМ создало свыше 30 космических систем и комплексов и в наше время остается ведущим предприятием России в области создания и эксплуатации спутниковых систем координатометрического и телекоммуникационного назначения на всех основных типах орбит.

К настоящему времени осуществлены запуски и успешная эксплуатация на орбите свыше 1000 спутников, разработанных предприятием НПО ПМ. В сборочных цехах предприятия создавались ИСЗ серий ЭКРАН, ГОРИЗОНТ, ЭКСПРЕСС, РАДУГА, ГАЛС, МОЛНИЯ, ПОТОК, ГОНЕЦ и ряд других космических аппаратов.

«Горизонт» – геостационарный ИСЗ – имеет шесть стволов в диапазоне ГГц с полосой каждого ствола около 34 МГц и мощностью бортового передатчика около 10 Вт, бортовые антенны с углом раскрыва или , (глобальные); масса ИСЗ более 1000 Кг, мощность источников питания 1000 Вт. На ИСЗ “Горизонт” размещается также ствол подвижной связи в диапазоне ГГц; один из стволов 4/6 ГГц имеет повышенную мощность и используется для работы системы телевизионного вещания (СТВ) “Москва”. Земные станции этой системы имеют антенны диаметром 2,5 м и менее (обеспечивается отношение сигнала/шум > 50 дБ) без автоматического наведения на ИСЗ; все оборудование ЗС сосредоточено в одной стойке небольших размеров

Серия ИСЗ «Экспресс» (массой 500... 1000 кг и энергопотреблением полезной нагрузки 1...2,5 кВт), пришедшая на смену ИСЗ «Горизонт», прорабатывались совместно с Государственным космическим научно-производственным центром (ГКНПЦ) им. М.В. Хруничева, НПО прикладной механики им. М.Ф. Решетнева, НПО “Машиностроение” и РКК “Энергия”.

В рамках проекта ЭКСПРЕСС-1000 разрабатывался малый спутник серии ИНТЕРСПУТНИК-100М (рисунок 4.5), предназначенный для обеспечения связи, телевизионного вещания и передачи данных в интересах различных заказчиков.

Рисунок 4.5. Конструктивная схема ИСЗ серии ИНТЕРСПУТНИК-100М

Основные технические характеристики ЭКСПРЕСС-1000

Стартовая масса, кг 832

Расчетный срок функционирования, лет 15

Надежность (в конце эксплуатации) 0,712

Точность удержания ИСЗ на орбите, град +0,05

Время автономного функционирования, сут.. 14

Мощность, потребляемая нагрузкой, кВт 2

В зависимости от решаемых задач состав модуля полезной нагрузки меняется и может включать 12... 15 ретрансляторов в Ku-, С- и L-диапазонах для решения широкого круга телекоммуникационных задач в различных зонах обслуживания. Варианты комплектации полезной нагрузки платформы ЭКСПРЕСС-1000 приведены в табллица 4.1.

Таблица 4.1

Параметры	Варианты комплектации
	1 2 3
Частотный диапазон Число активных ретрансляторов Ширина полосы ретранслятора, МГц Мощность ретранслятора, Вт Максимальная ЭИИМ, дБ-Вт Добротность G/T, К	Ku-/C-/L- Ku- C- 10/4/1 12 12 36/36/36 36 36 35/20/20 40 50 46,2/32/39,1 39,3 47,8 5,1/1,1/-14,б 1,1 5,0

Передача всех сообщений в спутниковых системах передачи России (кроме телевидения) ведется в дискретном виде, при этом аналого-цифровые преобразователи (АЦП) могут устанавливаться как в индивидуальных каналах ТЧ с последующим объединением, так и в групповом тракте. Для передачи сигналов используется четырехкратная фазовая модуляция (4 ФМ) и КАМ. Разработана и реализуется программа перехода на цифровое телевидение.

В рамках соглашения с компанией “Космическая связь” организация “Интерспутник” предлагает своим клиентам аренду каналов и услуги связи ИСЗ серии ЭКСПРЕСС-А: ЭКСПРЕСС-6А (-А2), -ЗА (-А3) и -A1R. “Интерспутник” является официальным дистрибьютором компании Eutelsat (по соглашению, подписанному в июле 2002 г., организация “Интерспутник” имеет право вести маркетинг и продажу пропускной способности и услуг системы компании Eutelsat). По соглашению с компанией Europe*Star осуществляется перекрестный маркетинг пропускной способности спутников-ретрансляторов. Организацией разработана концепция создания глобальной группировки малых геостационарных спутников ИСЗ серии ИНТЕРСПУТНИК-100М. В качестве базовой для разработки ИСЗ по программе “Магистраль-100М” организации “Интерспутник” выбрана платформа ЭКСПРЕСС-1000. Основой для развертывания системы малых ИСЗ является 51 спутниковая сеть S-, С-, Ки- и Ка-диапазонов частот, заявленная организацией “Интерспутник” для 15 позиций на геостационарных орбитах (от 97° з.д. до 153,5° в.д.).

В качестве перспективной спутниковой платформы российские разработчики предлагают унифицированную платформу ЯХТА. В основу платформы заложен комплекс бортового оборудования, который может быть адаптирован под решение различных целевых задач и в зависимости от функционального назначения ИСЗ может иметь различную конфигурацию. Структура платформы предусматривает низкоорбитальную и высокоорбитальную модификации ее бортового оборудования. Для высоких орбит, включая геостационарную, и длительных сроков функционирования платформа комплектуется оборудованием с повышенной радиационной стойкостью, а для низких - оснащается приемной аппаратурой навигационных систем GPS и ГЛОНАСС.

В конструктивном отношении платформа является законченным модулем и предусматривает два варианта размещения на ней целевой аппаратуры:

- непосредственная установка приборов целевой аппаратуры на конструкцию (верхнюю агрегатную панель) платформы;

- формирование самостоятельного модуля целевой аппаратуры, устанавливаемого на конструкцию платформы.

Платформа имеет форму прямоугольной призмы (рисунок 4.6). Ее габариты -1,2×1,2×0,6 м, а масса - около 0,4 т.

Использование такой платформы, обладающей небольшими габаритами и массой по сравнению с аналогичными системами, создаваемыми в настоящее время в России, позволяет значительно сократить затраты связанные с выведением ИСЗ на орбиту.

Рисунок 4.6 Конструктивная схема космической платформы ЯХТА

Точность удержания орбиты геостационарного ИСЗ по наклонению и долготе -хуже 0,1º. Платформа допускает установку ретрансляторов и другой полезной нагрузки общей массой около 100 кг. На базе ЯХТЫ планируется разработать целый ряд космических аппаратов различного назначения, в том числе три ИСЗ связи и телевизионного вещания ДИАЛОГ-Э, ИНТЕРСПУТНИК-М1 и ИНТЕРСПУТНИК-М2.

Система “Руслан-РС" предназначена для организации и развития спутниковых систем связи на территории Российской Федерации. Главным разработчиком системы является ФГУП “НПО Машиностроения». Зоны обслуживания охватывают территории всех государств, входивших ранее в состав СССР, а также ряда стран ближнего зарубежья. Достоинство использования этого выделения заключается в том, что оно не требует координации со спутниковыми сетями других стран, если характеристики предлагаемых систем согласуются с планом.

В космическом сегменте системы “Руслан-РС" планируется использовать легкие спутники серии РУСЛАН-ММ, которые формируют два вида зон обслуживания. Полностью развернутая система спутниковой связи “Руслан-РС" предусматривает использование спутников связи, размещенных в трех указанных позициях геостационарной орбиты (сети “Руслан-1, -2 и -3”), и обеспечивает два вида зон обслуживания:

• региональные в С-диапазоне (4512...4788/6737...7013 МГц) для обеспечения свя­зи внутри регионов РФ и стран СНГ с перекрытием зон, позволяющим организовать связь между регионами;

• локальные зоны в Ки-диапазоне (10,7...10,95; 11,2...11,45/12,75...13,25 ГГц) для обеспечения внутризоновых связей нижнего уровня внутри регионов (в первую оче­редь наиболее удаленных).

В рамках реализации системы “Руслан-РСЭ” и ряда коммерческих проектов в “НПО Машиностроения” разрабатывается малый спутник связи серии РУСЛАН-ММ.

Полезная нагрузка спутника серии РУСЛАН-ММ может иметь до 12 ретрансляторов в традиционном исполнении, максимально адаптированных к требованиям заказчика. Результаты работ, выполненных НИИ Радио, показывают возможность увеличения числа эквивалентных ретрансляторов спутника в 2...4 раза за счет использования общих для нескольких ретрансляторов усилителей мощности на широкополосных ЛБВ или транзисторах. При этом обеспечивается многократное использование выделенной полосы частот за счет применения бортовых многолучевых антенн, диаграммы направленности которых формируют парциальные зоны обслуживания. Такая конфигурация полезной нагрузки позволяет организовать зональные и межзональные каналы связи, цифровые магистральные каналы, ориентированные на создание сетей интегрированного обслуживания с использованием современных сетевых протоколов, региональные сети спутникового ТВ вещания, предоставление услуг мультимедиа в сетях ФСС и НТВ

Система «Интелсат» США обслуживает ЗС более чем в 150 странах. Используются ЗС трех стандартов: А и В работают в диапазоне 4 / 6 ГГц, с диаметром антенны (16+32) м – А и (9+12) м – В; ЗС стандарта С работает в диапазоне 11/14 ГГц с антенной диаметром 18 м. В системе используются 4 геостационарных ИСЗ с числом стволов от 20 до 48, работающих в диапазоне частот 4/6 ГГц и 11/14 ГГц, бортовые антенны создают зоны обслуживания различного вида – глобальную, полуглобальную, зоновую; пропускная способность каждого ствола от 200 до 1872 ТФ каналов на ствол.

Телевизионные и телефонные сообщения передаются как в аналоговой форме с МДЧР (группы каналов от 12 до 1872), так и в дискретной с МДВР со скоростью передачи 60 и 60 и 120 Мбит/с.

Компания contactMEO Communications LLC (Sedalia, штат Колорадо) в апреле 2006 г. получила разрешение федеральной комиссии по связи США на запуск трех спутников, оснащенных ретрансляторами Ка-диапазона частот, на высокие эллиптические орбиты и четырех ИСЗ на геостационарные орбиты (130° и 33,5° в.д., 83° и 121° з.д.).

Система предназначена для обеспечения высокоскоростного доступа к сети Интернет и обмена мультимедийной информацией между стационарными абонентами, сначала в Северной Америке.

Через год компания обязана заключить контракт на создание спутников. Первый спутник должен быть выведен на орбиту до октября 2009 г., а создание системы должно быть завершено к апрелю 2012 г.

ИСЗ перспективной серии TSAT (Transformational SATellite) будут оснащатся оптическими системами для межспутниковой связи и связи ИСЗ с высотными самолетами (пилотируемыми и беспилотными), обеспечивающими скорость передачи данных до 10 Гбит/с, а также радиосистемами КВЧ-диапазона частот для связи ИСЗ с наземными станциями, обеспечивающими скорость передачи данных до 2 Гбит/с. Запуск первого спутника серии TSAT (Transformational SATellite), оснащенного только радиосистемами связи, намечается на 2012 г.

В системе намечается использовать пять геостационарных ИСЗ серии TSAT, а также ретрансляторы спутников на высоких эллиптических орбитах.

Кроме того, в состав системы войдут две наземные системы (одна для управления спутниками и контроля их функционирования, вторая - для управления сетью связи) и шлюзовые станции.