1.Энергетика спутниковых линий связи.

Типовая структурная схема участка линии спутниковой связи приведена на рисунке.

Вт

Обозначения на рисунке: Р_прд – мощность передатчика, L₀ – потери в свободном пространстве, Вт – волноводный тракт.

Математическая модель оценки энергетических характеристик СС

Рассмотрим уравнение связи для 2-ух участков спутниковой линии

1. НС-СС (индекс 1)

2. СС-НС (индекс2)

Уравнение связи для участка 1

где -дальность связи, - частота, -дополнительные потери, =1,38•10^-23 (п.Больцмана), - эквивалентная шумовая температура бортового приемника, - ширина полосы пропускания ствола(Гц), n- коэффициент запаса(2…10).

Уравнение можно представить в логарифмической форме:

-коэффициент усиления антенны наземной станции (НС), а - бортовой антенны КА.

Уравнение связи для участка 2

n=m/(m-1); m=n/(n-1).

Эквивалентно-изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ): ЭИИМ=Р_ПРД G_ПРД η_ПРД.

Математические модели определения обобщенных характеристик космического и наземного сегментов.

Методика выбора проектных параметров и алгоритм расчета

1. Задается кратность фазовой модуляции КМ и Δf_ств.

2. Определяется пропускная способность I_i, и отношение (Р_с/Р_ш)_{вх I}, и задается вероятность ошибочного приема Р_ош

3. При заданных КПД приемного фидерного тракта ,при температуре Т_мшу, и Т_{а i}(антенны) определяется значение суммарной температуры шума Т_Σi.

Возможно задание Т_Σi. в пределах Т_Σi.=50…100К (более низкая рабочая частота) и Т_Σi=200…300К (более высокая рабочая частота)

4) Определяется мощность шума и сигнала на входе (Р_ш)_{вх з I}, (Р_с)_{вх з i}.

5) Для рассчитанных значений , а также параметров БРТК , , , а также рабочей частоты f_i определяются дополнительной потерей L_доп.i и ЭИИМ_i. По выбранным значениям определяем плотность потока мощности вблизи наземной станции N_p.i=f(L_доп.i,Э_i, ).

6) Определяется потребное значение эффективной площади наземной приемной антенны

7)Определяется стоимость подсистем и системы в целом.

Суммарная стоимость спутниковой системы связи включает стоимость наземного и космического сегментов: .

Стоимость , где – составляющие стоимости наземного сегмента (антенна, передающее устройство, каналообразующая аппаратура, тип доступа абонента и др.): , где – статистические коэффициенты.

Стоимость , где – масса полезной нагрузки (бортового ретрансляционного комплекса) и служебных систем соответственно; – количество каналов.

Состав БРТК

1)Приемники (ПРМ)

2)Передатчики (ПРД)

3)Совмещенные ПРМ/ПРД

4)Антенна с антенно-фидерным трактом и дополнительными устройствами.

Бортовой ретранслятор сигналов – многоствольный радиотехнический комплекс.

Типы БРТК

1)Связные

2)Вещательные

3)Универсальные

4)Смешанные

Типы структурных схем БРТК

Тип определяется назначением и характеристиками передаваемой информации.

Например:

*TV и радиовещательная(РВ) информация – большие зоны обслуживания и прием большим числом наземных станций. Отсюда следует необходимость обеспечения равномерного распределения энергии сигнала в зоне обслуживания и необходимость в контурных диаграммах направленности антенн.

*Связная информация – имеет четко выраженный адресный характер, отсюда следует необходимость в узких диаграммах направленности антенн для излучения сигнала в направлении единичных наземных станций. При этом энергия бортовых ПРД может использоваться нерационально.

Классификация бортовых ретрансляторов (БРТ)

БРТ

С однократным и много- С оперативной С демодуляцией сигналов

кратным преобразованием перестройкой

частоты f центральной частоты

1.Структурная схема ствола БРТ с однократным преобразованием частоты

1)Частота сигнала - f

2)Параболическая антенна (узконаправленная)

3)Малошумящий усилитель

4)Преобразователь частоты

5)Ствольный фильтр

6)Канальный усилитель

7)Усилитель мощности

8)Сигнал

*- основные элементы, определяющие массу системы

МШУ – предварительное усиление сигнала

ПЧ – сдвигает по частоте предварительно усиленный сигнал

С­­­­­­­­­­­­_ф – формирует (вырезает)заданную полосу пропускания

КУ – усиление сигнала до уровня, необходимого для работы УМ

Коэффициент усиления ствола в современных КА связи

К_у­­­105…125дБ

≤40…45дБ ≤85…90дБ

Входной мультиплексор – устройство разделения ствола по частоте.

Если БРТ обслуживает несколько зон, то такие стволы повторяются многократно.

2.БРТ с оперативной перестройкой частоты.

УПЧ – усилитель промежуточной частоты, который осуществляет основное усиление частоты f­_пр в заданной полосе Δf_ствола ,предварительно сформированным ствольным фильтром СФ.

Пример КА связи: «Молния», «Радуга», «Экран», «Горизонт»

Это наиболее распространенный тип БРТ. Эта схема реализуется и в настоящее время, когда есть необходимость оперативно перестраивать с Земли центральную частоту ствола f₁.

С

f­_пр2

f­_пр1

хема с общим устройством для перестройки и сдвига частоты.

f_вых

3. БРТ с демодуляцией сигналов

Современные, более тяжелые, сложные, но экономичные.

Алгоритм обработки:

1.Сигнал, принятый на частоте f₁, преобразуется в сигнал f_пр и усиливается

2.После усиления сигнал f_пр демодулируется в специальном устройстве

3.Демодулированный сигнал f_{пр. д.} поступает на модулятор, через устройство изменения структуры сигнала (УСС)

4.Далее сигнал поступает в усилитель мощности и потом на антенну

f₁→f_пр→f_пр.д.→_(усс)f₂

Достоинства: повышение эффективности передачи сигналов, и, следовательно, КА связи и их систем. Это достигается при использовании только МДЧР (многостанционный доступ с частотным разделением сигнала). Нерационально используется электропитание борта, т.к. снижение энергопотребления в усилителе мощности непропорционально уменьшению выходной мощности (в современных спутниках 15-20% потери).

При применении МДВР (многостанционный доступ с временным разделением сигнала) также имеем потери мощности.

Поэтому современные КА связи используют схему: на входе МДЧР, на выходе МДВР, при этом бортовая энергия расходуется оптимально, и повышается помехоустойчивость сигнала.

Недостатки: повышение массы и стоимости.

Выбор обобщенных характеристик

Одной из важных характеристик является мощность передатчика.

Анализ бортовых передатчиков

Выходная характеристика бортовых передатчиков – бортовая мощность – этот параметр определяет функциональные возможности и основные проектные параметры космической системы связи.

Факторами, ограничивающими этот параметр, являются:

1. Мощность источников питания КА (W_ип)max

2. Возможности системы терморегулирования КА (СТР КА)

3. Надежность и срок службы элементной базы при повышении мощности в процессе их работы.

4. Габаритно-массовыми характеристиками КА

5. Регламентированная плотность потока мощности у Земли(вблизи наземной станции) N_p≤N_{р.допуст.}

Основной элемент ПРД – выходной усилитель.

В зависимости от функционального назначения, требуемой выходной мощности, рабочей частоты, массы, габаритов, срока службы и других параметров, выходными усилителя являются следующие приборы:

- СВЧ-приборы

- ЛБВ (лампы бегущей волны)

- клистроны

- твердотельные приборы на полевых транзисторах (ТТ).

Наибольшее применение в КА связи нашли ЛБВ-приборы за счет:

1. высокое значение КПД

2. малая масса

3. большой срок службы (100…150тыс.часов)

4. надежность

Р_{прд.вых,} Вт

Р_{прд.вых} для связных КА составляет 30..75Вт, вещательных КА - 50…150Вт.

Твердотельные приборы

1) большой срок службы (более 150тыс.часов)

2) низкое напряжение питания

3) меньшие габаритно-массовые характеристики(пленочные технологии)

4) мгновенная готовность к работе (в отличие от ЛБВ не требует разогрева)

Недостатки:

- высокая чувствительность к отклонениям от эксплуатационного режима

- мощность ограничена по закону квадрата частоты.

В КА связи на ГСО одним из основных типов усилителей для передатчиков традиционно остаются усилители на основе лампы бегущей волны (ЛБВ). И хотя сегодня их к.п.д. уже превышает 40% (кпд самих ЛБВ составляет около 60%), при эксплуатации этот показатель не отличается стабильностью и быстро падает, особенно при снижении выходной мощности передатчика на линейном участке динамической характеристики. При работе в режиме нескольких несущих для достижения хороших энергетических показателей линии требуется обеспечить отношение сигнал/шум от 20 до 30 дБ, что в свою очередь приводит к потерям, снижающим кпд усилителя на основе ЛБВ до 10-20% .

В КА находящихся на средневысотных и низких орбитах обычно используются полупроводниковые усилители мощностью до 60 Вт для L-диапазона частот, до 20 Вт - для С-диапазона и 5-10 Вт для Ku-диапазона. В отличие от усилителей с ЛБВ, эта аппаратура работает при более низком напряжении питания, более компактна и надежна.

Что касается бортовых приемных устройств, то во входных каскадах бортовых приемников в настоящее время чаще всего применяются малошумящие усилители (МШУ) на полевых транзисторах. Коэффициент шума такого приемника составляет менее 3 дБ в диапазоне частот 1,5-4 ГГц и не более 4,5 дБ для диапазона 11-14 ГГц. Снижение шумовых характеристик бортовых приемников возможно при переходе на новую элементную базу. Создание МШУ на базе транзисторов с высокой подвижностью электронов позволит достигнуть коэффициента шума для диапазона 1,5-4 ГГц почти 2 дБ, а для диапазона 11-14 ГГц - 3,5 дБ. При этом усилитель станет намного надежнее и еще компактнее (вследствие более высокой степени интеграции элементов).

Антенные системы. Современные многолучевые антенные системы позволяют реализовать многократное использование полосы частот в глобальной зоне обслуживания. Их узкие парциальные лучи обеспечивают ту же плотность потока мощности, что и один широкий луч, при значительно меньших энергетических затратах. При конструировании антенн для КА систем персональной радиотелефонной связи основной упор делается на возможность формирования множества сканирующих лучей c изменяемой формой диаграммы направленности. Обычно такая антенна интегрирована с другими элементами бортового комплекса; при этом высокие технические характеристики сложных антенных систем достигаются не только за счет увеличения их поверхности и мощности, но и благодаря использованию современных схемных технологий и новых материалов.

4