662_Nosov_V.I._Obespechenie_ehlektromagnitnoj_sovmestimosti_

2. СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ С ЗОНАЛЬНЫМ ОБСЛУЖИВАНИЕМ

2.1. Спутниковые ретрансляторы

В подавляющем большинстве существующих ССС используются СР с непосредственной ретрансляцией сигналов.

Спутник принимает сигналы радиоканала ЗС-ГСР (радиолиния «вверх»), осуществляет сдвиг (перенос) спектра сигнала частот, линейную фильтрацию и переизлучает сигнал в радиолинию ГСР-ЗС (радиолиния «вниз»). В соответствии с эталонной моделью соединения открытых систем – (OSI – Open System Interconnection) [4] СР с непосредственной ретрансляцией выполняет в сети лишь функции низшего физического уровня, а поддержка более высоких уровней возложена на ЗС (рис. 2.1а).

Бортовые ретрансляционные комплексы (БРТК) спутников с непосредственной ретрансляцией могут использовать однократное или двойное преобразование частоты. Упрощенная структурная схема БРТК с однократным преобразованием частоты показана на рис. 2.2а. После предварительного усиления и фильтрации спектр сигнала линии «вверх» смещается путем гетеродинирования в достаточно далеко отстоящую область более низких частот с центральной частотой f2.

Разнос центральных частот радиолиний «вниз» и «вверх» должен быть не менее полосы частот ретранслируемых сигналов. Далее сигнал усиливается до уровня, необходимого для раскачки оконечного усилителя мощности (УМ) и излучается в направлении ЗС. Для поддержания необходимого уровня сигнала на входе УМ обычно используется автоматическая регулировка усиления, либо регулировка усиления по командной радиолинии.

На рис. 2.1 приняты обозначения: ЗС – земная станция; ЦС – центральная станция;

ФУ – физический уровень; КУ – канальный уровень; СУ – сетевой уровень; БВУ – более высокие уровни.

Стабильность преобразования спектра обычно обеспечивается синхронизацией высокочастотного гетеродина от высокостабильного эталона частоты при помощи петли фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).

71

СР-БО

СР-БО

в) двухскачковая схема

Рис. 2.1. – Организация работы через CP

72

При двойном преобразовании частоты спектр входного сигнала смещается в область промежуточных частот (ПЧ), на которых осуществляется основное усиление и фильтрация. Затем спектр переносится в область частот радиоканала «вниз». Использование достаточно низких ПЧ позволяет повысить стабильность усиления и улучшить подавление внеполосного шума по сравнению с однократным преобразованием. В наибольшей степени это преимущество двойного преобразования проявляется при передаче узкополосных сигналов.

На практике полоса пропускания ретранслятора, которая может составлять сотни мегагерц, разбивается на ряд более узких полос, каждая из которых преобразовывается, усиливается и фильтруется при помощи отдельных стволов (приемопередатчиков). Общими для стволов являются антенны, широкополосные предварительные усилители и генераторы эталонных частот.

Многоствольность БРТК является следствием технологической сложности создания сверхширокополосных усилителей, имеющих приемлемые амплитудно- и фазочастотные характеристики. Типовые значения полосы пропускания стволов составляют 24, 36, 72 МГц и по мере совершенствования технологии имеют тенденцию к расширению.

Традиционной схемой построения БРТК с непосредственной ретрансляцией является многоствольная схема с числом стволов до нескольких десятков и двойным преобразованием частоты в каждом стволе.

Главным достоинством непосредственной ретрансляции является универсальность. БРТК практически инвариантен к структуре передаваемых сигналов (за исключением, естественно, того, что полоса частот полезного сигнала не должна превышать полосы пропускания ствола). Функционирующий ретранслятор при необходимости может быть переориентирован на выполнение самых разнообразных задач.

Важно и то, что относительная простота аппаратуры БРТК облегчает проблему обеспечения высокой надежности. С другой стороны, СР с непосредственной ретрансляцией имеет и серьезный недостаток - шумы и помехи из радиоканала «вверх», попадающие в полосу пропускания БРТК, усиливаются и переизлучаются наравне с полезным сигналом (происходит отбор мощности передатчика на излучение шумов), суммируясь с помехами в линии «вниз».

Альтернативой непосредственной ретрансляции является использование ретрансляторов с обработкой сигналов. Упрощенная структурная схема БРТК ретранслятора с обработкой приведена на рис. 2.2в. С выхода линейной части приемника (преобразование частоты, усиление, линейная фильтрация) сигнал ПЧ поступает в демодулятор, где переводится в область видеочастот, декодиру-

73

ется и обрабатывается в процессоре видеосигналов. Обработанные видеосигналы кодируются, модулируют несущее колебание, усиливаются и излучаются.

от командной АРУ радиолинии

fг

Г

а) непосредственная ретрансляция с одним преобразованием частоты

б) непосредственная ретрансляция с двойным преобразованием частоты

в) ретрансляция с бортовой обработкой

Рис. 2.2 – Упрощенные структурные схемы БРТК

На рис. 2.2 приняты следующие обозначения: УРЧ – усилитель радиочастоты; СМ – смеситель; Г – гетеродин;

УМ – усилитель мощности;

74

АРУ – автоматическая регулировка усиления; РУ – регулировка усиления;

ЛЧП – линейная часть приемника; ДМ – демодулятор; ДК – декодер; ПВС – процессор видеосигналов;

КУ – кодирующее устройство; М – модулятор.

Бортовая обработка обеспечивает следующие преимущества: исключается возможность непосредственного проникновения шумов радиоканала «вверх» в радиолинию «вниз»; появляется возможность независимого выбора оптимальных структур сигналов в радиолиниях «вверх» и «вниз»; при использовании многолучевых бортовых передающих антенн появляется возможность коммутации информационных потоков между лучами, что позволяет существенно повысить пропускную способность сети.

При этом СР с бортовой обработкой выполняет функции не только физического, но и канального и сетевого уровней модели OSI (рис. 2.1б).

С другой стороны, при бортовой обработке неизбежно теряется универсальность (ограничения, накладываемые выбранными методами модуляции и кодирования), а усложнение бортовой аппаратуры обостряет проблему обеспечения заданного уровня надежности.

Попыткой компромисса, сочетающего достоинства непосредственной ретрансляции и бортовой обработки является двухскачковая схема передачи, предусматривающая наличие центральной станции, которая осуществляет демодуляцию сигналов, извлекает необходимую маршрутную информацию и осуществляет целенаправленную коммутацию информационных потоков (рис.

2.1в).

Однако в этом случае наличие двух скачков сигналов при передаче удваивает задержку распространения сигналов, а необходимость дважды переизлучать одни и те же сигналы приводит к дополнительным затратам связных ресурсов СР: в два раза возрастает требуемая полоса пропускания и возрастают требования к его энерговооруженности.

На рис. 2.3 приведён частотный план спутникового ретранслятора Экспресс АМ-4 для диапазона 12/14 ГГц.

75

Рис. 2.4. – Структурная схема подключения антенн к транспондерам спутника Экспресс

Конфигурация типовой спутниковой сети связи [5], базирующейся на геостационарных спутниках-ретрансляторах (ГССС), приведена на рис. 2.5.

В состав ГССС обычно входят:

1.Один или несколько ГСР, образующих космический сегмент сети.

2.Совокупность ЗС, оборудованных приемо-передающей аппаратурой, являющихся по отношению к сети источниками и потребителями информации.

3.Одна или несколько центральных станций (ЦС), обеспечивающих управление процессами информационного обмена и функционирования сети.

4.Командно-измерительная станция (КИС), обеспечивающая управление функционированием систем ГСР и коррекцию его движения по орбите.

Земные станции обмениваются между собой информацией через ГСР, который для этого должен, как минимум, принимать излучаемые передающими ЗС сверхвысокочастотные (СВЧ) сигналы, переносить частотный спектр принимаемых сигналов в другую область частот, усиливать и переизлучать преобразованные по частоте сигналы в направлении приемных ЗС.

77

Рис. 2.5. – Конфигурация типовой ГССС

Земные станции выполняют также функции узлов сопряжения (шлюзов) между наземными сетями (пользователями) и ССС. С этой целью в ЗС осуществляется преобразование форматов и протоколов передачи данных, используемых в наземных сетях, в форматы и протоколы, позволяющие эффективно использовать связные ресурсы спутниковых каналов.

В зависимости от назначения и пропускной способности основные параметры и конструктивные особенности ЗС современных ГССС колеблются в широких пределах, начиная от портативных персональных терминалов типа «трубка в руке» (рис. 2.6а – абонентский терминал СПСС «Турайя» компании Erricsson) с выходной мощностью в доли ватт и фиксированных малогабаритных станций с диаметром антенн 0,5-2 м с выходной мощностью 1-20 Вт (рис.2.6б), до громоздких конструкций с большими антеннами диаметром 25-30 метров и передатчиками мощностью до десятков кВт (рис.2.6в, 2.6г, 2.6д).

78

Рис. 2.6. – Примеры различных ЗС

Через ЦС осуществляется координация и протоколирование процесса функционирования сети. В частности, осуществляется синхронизация всех ЗС в составе сети, обеспечивается процедура включения новых ЗС в сеть, связные ресурсы сети распределяются между ЗС, архивируются данные об использовании этих ресурсов каждым пользователем, осуществляется маршрутизация информационных потоков по каналам связи сети, выполняется тарификация.

При помощи контрольно-измерительной станции сети центр управления полетом получает и обрабатывает данные внешнетраекторных измерений параметров орбиты ГСР и поступающую с него телеметрическую информацию. На основании анализа этих данных формируются соответствующие управляющие воздействия, обеспечивающие штатный режим работы бортовых систем ретранслятора, которые в виде цифровых команд передаются на ГСР.

ГССС имеет простую структуру, центральным узлом которой является

79

ГСР, что предъявляет жесткие требования к надежности всех его систем. Из соображений экономической целесообразности срок службы ГСР (или срок активного существования) на орбите должен составлять 10-15 лет. Разработка высоконадежного ГСР с большим сроком службы при наличии массогабаритных ограничений, накладываемых средствами вывода ГСР на орбиту, и достаточно агрессивной космической окружающей средой является сложной научнотехнической задачей, а стоимость разработки, производства и запуска ГСР оказывается весьма существенной и составляет около 200 млн. долларов. Несмотря на столь значительные затраты, процессы создания ГССС в мире идут очень активно, что обусловлено их высокой эффективностью.

В подавляющем большинстве существующих ГССС используются ГСР с непосредственной ретрансляцией сигналов. Спутник принимает сигналы радиоканала ЗС-ГСР (радиолиния «вверх»), осуществляет сдвиг (перенос) спектра сигнала частот, линейную фильтрацию и переизлучает сигнал в радиолинию ГСР-ЗС (радиолиния «вниз»). В соответствии с эталонной моделью взаимодействия открытых систем – ВОС {OSI – Open System Interconnection} ГСР с непосредственной ретрансляцией выполняет в сети лишь функции низшего физического уровня, а поддержка более высоких уровней возложена на ЗС. Бортовой ретрансляционный комплекс (БРТК) спутников с непосредственной ретрансляцией могут использовать однократное или двойное преобразование частоты.

На практике полоса пропускания ретранслятора, которая может составлять сотни мегагерц, разбивается на ряд более узких полос, каждая из которых преобразовывается, усиливается и фильтруется при помощи отдельных стволов (приемопередатчиков). Общими для стволов являются антенны, широкополосные предварительные усилители и генераторы эталонных частот. Многоствольность БРТК является следствием технологической сложности создания сверхширокополосных усилителей, имеющих приемлемые амплитудно- и фазочастотные характеристики.

Типовые значения полосы пропускания стволов составляют 24, 36, 72 МГц и по мере совершенствования технологии имеют тенденцию к расширению. Традиционной схемой построения БРТК с непосредственной ретрансляцией является многоствольная схема с числом стволов до нескольких десятков и одинарным преобразованием частоты в каждом стволе.

Главным достоинством непосредственной ретрансляции является универсальность. БРТК практически инвариантен к структуре передаваемых сигналов (за исключением, естественно, того, что полоса частот полезного сигнала не должна превышать полосы пропускания ствола). Функционирующий ретранслятор при необходимости может быть переориентирован на выполнение самых разнообразных задач.

Важно и то, что относительная простота аппаратуры БРТК облегчает проблему обеспечения высокой надежности. С другой стороны, ГСР с непосредственной ретрансляцией имеет и серьезный недостаток — шумы и помехи из радиоканала «вверх», попадающие в полосу пропускания БРТК, усиливают-

80