Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы и сети связи с подвижными объектами. Учебное пособие
.pdf
3926314,34
ц
ц
(
↓=L
⎜
⎜
⎝
⎛⋅⋅
lg20 =
0246,0
⎞
⎟
⎟
⎠
дБ04,146
.
Аналогично рассчитывается затухание для ЗССС в Москве. Подставляя в формулу (5.4) исходные данные, определяют затухание на линии
Земля–спутник:
3937414,34
↑=L
⎜
⎜
⎝
⎛⋅⋅
lg20 =
0169,0
⎞
⎟
⎟
⎠
дБ35,149
,
а на линии спутник–Земля:
↓=L
⎜
⎜
⎝
⎛
lg20 =
0246,0
⎞
3937414,34
⋅⋅
⎟
⎟
⎠
дБ076,146
.
Для дальнейших расчетов необходимо воспользоваться некоторыми
техническими характеристиками станции. Технические характеристики
центральной и удаленной станций и бортового ретранслятора приведены
в табл. 11 – 13.
Для дальнейших расчетов необходимо вычислить коэффициенты
усиления антенны спутника в направлении на ЗС.
14. Параметры центральной станции
Параметр Величина Обозначение
Диаметр антенны, м 4,6 D
Коэффициенты усиления
антенны:
53,4
52
на передачу, дБ;
на прием, дБ
G
G
с
пвр.цс
пр.цс
Затухание в ВЧ-части:
на передачу, дБ;
на прием, дБ
4,1
1,9
η
η
пвр.цс
пр.цс
Выходная мощность передатчика, дБ 13 Р
пвр.цс
Эквивалентная шумовая
температура, К 355 Т
с
Требуемое отношение сигнал/шум на входе приемника при вероятности ошибки
–6
10
, дБ 7,2
)
РР
с
ш
цс
∑
61
15. Параметры удаленной станции
у
(
η−+
Параметр Величина Обозначение
Диаметр антенны, м 1,8 D
Коэффициенты усиления антенны:
на передачу, дБ;
на прием, дБ
Затухание в ВЧ-части:
на передачу, дБ;
на прием, дБ
Эквивалентная шумовая температура, К
Требуемое отношение сигнал/шум
на входе приемника при вероятности ошибки 10
–6
, дБ
40
39
G
G
4,7
1,7
η
η
355 Т
7,2
с
16. Параметры бортового ретранслятора
Параметр Величина Обозначение
Эквивалентная изотропно-излу-
48 ЭИИМ
чаемая мощность в центре зоны,
дБ
Мощность бортового передат-
19,50 Рб
чика, дБ
пвр.ус
пр.ус
пвр.ус
пр.ус
ус
РР
ш
с
)
ус
∑
Затухание в ВЧ-части
на передачу, дБ;
на прием, дБ
Эквивалентная шумовая температура, К
2
2
1200
η
пвр.б
η
пр.б
Т
∑
б
Воспользуемся формулой
,
(5.5)
перперперЭИИМ
где Р
= GPP
– эффективная мощность сигнала на выходе передатчика, дБ; η –
пер
затухание в ВЧ-части, дБ.
62
Исходя из рис. 5.1, Тамбов и Москва находится в зоне с Р
η
+−=
=+−
=
+++
=
=
Δ
ЭИИМ
= 46 дБ.
Из формулы (5.5):
PPG , (5.6)
перперЭИИМпер
что позволяет вычислить усиление антенны спутника в заданном направлении для Тамбова и Москвы:
G .
пер
дБ5,2825,1946
Необходимо определить дополнительное затухание при распростра-
нении радиоволн в атмосфере:
LLLLL
, (5.7)
nga
ндоп
L – дополнительное затухание, дБ; аL – поглощение энергии сиг-
где
доп
нала в атмосфере, дБ;
– потери в гидрометеорах, дБ;
L
g
L – потери из-за
н
несогласованности поляризации антенн, дБ.
Величину потерь для каждой станции, исходя из результатов, полу-
ченных по формулам (5.2) и (5.3):
для Москвы (Аз = 212,21°, УМ = 19,68°):
La = 1 дБ; Ln = 1 дБ; L
= 7 дБ; L
g
= 2 дБ; L
н
= 1 + 1 + 7 + 2 = 11 дБ;
доп
для Тамбова (Аз = 217,54°, УМ = 20,4°)
La = 1 дБ; Ln = 1 дБ; L
= 7 дБ; L
g
= 2 дБ; L
н
= 1 + 1 + 7 + 2 = 11 дБ.
доп
Дополнительное затухание при распространении вниз будет отличаться от затухания при распространении луча вверх на малую величину,
которой можно пренебречь, поэтому для удобства расчетов примем
L↑
доп
= L↓
доп
.
Следующим шагом необходимо произвести расчет мощности для передатчиков ЗС и бортового ретранслятора. Мощности передатчиков ЦС и
ИСЗ нам известны, относительная мощность для удаленной станции, исходя из условий минимизации мощности передатчика удаленной станции,
определяется по формуле
⎞
⎛
P
c
⎟
⎜
aGGfTkLLР
δΣ
пр.бпер.Зпр.бпер.Зш.здоппер.З
++η+η+−−Δ++++↑=
⎟
⎜
P
ш
⎠
⎝
Σ
, (5.8)
где
L↑ – затухание на трассе вверх, дБ; L
k = –228,6 дБ – постоянная Больцмана; Т
дБ;
пература борта, дБ;
f – шумовая полоса ЗС;
ш.з
дБ75
циент усиления на передачу ЗС, дБ;
η
ем спутника, дБ;
– затухание в ВЧ-части земной, станции на переда-
пвр.з
G
– дополнительное затухание,
доп
– суммарная шумовая тем-
Σ
G – коэффи-
пвр.з
– коэффициент усиления на при-
пр.б
63
чу, дБ; η
+−−++−+
=
+−−++−+
=
эффициент запаса; (
– затухание в ВЧ-части спутника на прием, дБ; а = 20 дБ – ко-
пр.б
Р
) – отношение мощностей сигнал/шум на входе
с/Рш
приемника, дБ.
Все величины подставляются в децибелах:
Р
Перевод
пер.з
дБ.22,02,72022
=++++
в ватты выполняется по формуле
Р
пер.з
10/22,0
пер.з
==P
Вт05,110
.
5,284043,3679,306,2281133,149
Мощность, требуемая при работе удаленной станции на центральную
станцию, определяется по формуле (5.8)
Р
пер.з
дБ.78,22,72022
−=++++
5,284043,3679,306,2281149,202
или в ваттах:
P
пер.з
−
==
Вт52,010
.
10/78,2
5.2. АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СПУТНИКОВОЙ
СИСТЕМЫ СВЯЗИ
Сеть связи, как правило, строится по иерархическому принципу с несколькими уровнями коммутации. Для передачи различных видов информации вводится типовая номенклатура каналов и трактов. За основу приняты канал тональной частоты с полосой 300...3400 Гц и эквивалентный
ему цифровой канал со скоростью 64 Кбит/с. В сети образуются также
каналы передачи звукового
вещания, ТВ и другие широкополосные кана-
лы [1, 2, 10].
При использовании в сети спутниковых участков необходимо учитывать их особенность, связанную с физической природой спутникового
канала – время распространения сигнала между двумя ЗС через ИСЗ на
ГО, достигающее 260 мс. При появлении в телефонном канале двух и более спутниковых участков, качество связи ухудшается
из-за влияния эхосигнала, длительного ответа (до более чем 1,2 с) и возможного нарушения
системы автоматического установления соединении. Для предотвращения
появления двойных скачков вводят определенные ограничения на использование спутниковых каналов.
К настоящему времени спутниковая связь используется в двух основных областях – передача циркулярной информации большому числу
абонентов или широковещательная передача
(ТВ- и звуковое вещание,
передача газет) и организация магистральных линий связи большой протяженности. Все большее распространение находят новые услуги, под
64
которыми подразумевают передачу по спутниковым каналам различной
информации для всех потребителей или определенных их групп: конференц-связь с участием двух или большего числа абонентов, телефорумы,
ТВ-системы с медленной разверткой, ТВВЧ, телетекст, передачи видеотеатра, учебные, профессиональные услуги по обеспечению местных библиотек, пакетная передача цифровой информации, передача массивов
данных
для ЭВМ, факсимиле, телекс, электронная почта, финансовая информация, объявления и пр. Рост общей пропускной способности, расширение услуг, ввод в эксплуатацию новых видов и типов каналов связи является характерным для развивающихся спутниковых систем связи.
Земные станции (ЗС) спутниковых систем связи. ЗС принято раз-
делять в зависимости от выполняемых функций:
− приемо-передающие, работающие в сети магистральной телефон-
ной связи и обмена другими видами сообщений;
− приемные станции распределительных систем (ТВ, звукового ве-
щания, циркулярной информации);
− передающие ЗС и приемные установки систем спутникового те-
левещания (СТВ);
− абонентские терминалы подвижных служб.
Малые ЗС занимают промежуточное положение между первыми
двумя категориями. Основными показателями для всех ЗС являются:
− диапазон частот на передачу и прием;
− добротность станции (отношение коэффициента усиления к сум-
марной шумовой температуре ВЧ-тракта);
− эквивалентная изотропно-излучаемая мощность.
Антенна ЗС должна иметь высокий коэффициент использования поверхности, отличаться низкой температурой и уровнем боковых лепестков
диаграммы направленности, не превышающим международных норм,
давать возможность наведения луча на ИСЗ. В системах с разделением по
поляризации антенна должна обеспечивать кроссполяризационную развязку более 27 дБ. Наилучшим образом этим требованиям удовлетворяет
двухзеркальная антенная система Кассегрена, наиболее часто применяемая на ЗС. В простых приемных установках ТВ-вещания чаще используется однозеркальная схема. Для снижения уровня боковых лепестков антенну выполняют неосесимметричной с вынесенным облучателем, не затеняющим основное зеркало. Для снижения шумовой температуры фидерного тракта стремятся уменьшить потери в нем
путем применения лучевода или выноса малошумящего усилителя (МШУ) к облучающей системе.
Типовая ЗС Intelsat стандарта В работает в диапазоне 6/4 ГГц и содержит двухзеркальную антенну Кассегрена с диаметром основного зеркала 9...14 м. Среднеквадратичное отклонение профиля зеркала от расчет-
65
ного не превышает 1 мм. Уровень боковых лепестков диаграммы направленности удовлетворяет типовым нормам. Автосопровождение ИСЗ осуществляется методом экстремального регулирования, точность наведения
составляет 0,06 град. В качестве МШУ в зависимости от диаметра используются неохлаждаемые параметрические усилители или транзисторные.
Для работы в системе добротность станции должна быть более 31,7 дБ/К.
Станция обеспечивает
работу в режимах множественного доступа с
частотным разделением МДЧР/ЧМ с числом каналов в стволе до 252,
МДЧР/ОКН с импульсно-кодовой модуляцией ИКМ-ФМ с разносом несущих 45 кГц, в режимах множественного доступа с временным разделением МДВР со скоростью 120 Мбит/с, передачу данных со скоростями от
64 Кбит/с до
44 Мбит/с, обмен ТВ-программами в полосе ствола 36 МГц.
Для работы в диапазоне 30/20 ГГц в Японии используются ЗС с антенной диаметром 5 м, что равносильно 25 м в диапазоне 6/4ГГц. лая
компенсации затухания в осадках применяется управление мощностью на
передаче. Скорость передачи составляет 1,544 Мбит/с на несущую, что
обеспечивает одновременную передачу
речевых сообщений, данных, фак-
симиле, неподвижных изображений.
В рамках Международного консультативного комитета по радиосвязи (МККР) проведены работы по унификации требований к ЗС, что позволило получить рациональные схемные решения. В настоящее время многими компаниями выпускаются специализированные интегральные микросхемы отдельных узлов приемных и передающих устройств, что снизило стоимость
ЗС. Стоимость приемной установки с антенной диаметром
1,8 м составляет 1000 – 2000 долларов.
Еще одной новой формой использования спутниковой связи являются системы, ориентированные на пользователя. С ростом энергетических
возможностей ИСЗ, формированием многолучевых диаграмм направленности бортовых антенн становится возможным применение при скоростях
передачи до 2...8 Мбит/с простых и недорогих малых ЗС, размещаемых
непосредственно на здании пользователя, что повышает оперативность,
гибкость и надежность связи, исключает необходимость наземной соединительной линии и в конечном счете повышает экономическую эффективность использования спутниковых каналов. Малые ЗС могут использоваться для связи периферийных ЭВМ и персональных компьютеров с
центральной большой ЭВМ, дирекции предприятия с филиалами, для периодической передачи собираемой информации и во всех других случаях,
когда требуется обеспечить связь с большим числом станций, трафик которых невелик. По данным США, создание в рамках компании частной
спутниковой сети оправдано в любом из следующих случаев: товарооборот превышает 500 млн. долл.; численность персонала более 10 тыс. человек; число производственных объектов
более 500; затраты на услуги связи
66
превышают 2 млн долл. в год; объем экспорта составляет более 20% от
общего товарооборота.
Первые сети малых ЗС создавались в диапазоне 6/4 ГГц, однако для
подавления помех от соседних ИСЗ приходилось применять либо антенны
довольно большого диаметра (3...4,5 м), либо неэффективные методы
многостанционного доступа. Скорость передачи не превышала 9,6 Кбит/с.
В этом диапазоне работают международные
системы деловой связи и передачи данных IBS, VISTA, Intelnet. С переходом в диапазон 14/11 ГГц
стало возможным обмениваться информацией со скоростью до 64 Кбит/с
с малой станцией, имеющей антенну диаметром 1,2...1,8 м. Стоимость
данной ЗС составляет около 10 000 долларов и продолжает быстро снижаться.
В зависимости от назначения и энергетики ИСЗ, сеть малых ЗС может иметь радиальную (с одним или двумя скачками), смешанную или
узловую структуры. В сети с одним скачком периферийные станции связываются с центральной, а та, в свою очередь, соединяется по наземным
линиям связи с телефонной сетью или сетью передачи данных. В сетях с
двумя скачками периферийные ЗС могут связываться между собой
через
центральную ЗС, выполняющую функции коммутатора, при этом из-за
большой задержки сигналов передача речевых сообщений затруднена.
В смешанной сети возможны два варианта организации связи. Наибольшей эффективностью обладает узловая структура сети, когда каждая
станция может связываться с каждой напрямую, на одном скачке, а центральная станция выполняет функции контроля
и предоставления каналов. В последнем варианте требуется наличие ИСЗ с повышенной энергетикой, например, за счет формирования узких направленных лучей и обработкой сигналов на борту.
Бортовые ретрансляторы ССС. Радиотехническое оборудование
космической станции – ретрансляторы и антенны – является важной составной частью ССС, от которой в значительной степени зависят пропускная способность, надежность связи, искажения сигналов и другие показатели.
Основные показатели космической станции те же, что и ЗС:
− диапазоны частот на прием и передачу;
− добротность приемной части;
− число стволов;
− поляризационные характеристики.
С учетом характера преобразований сигнала различают:
− ретрансляторы гетеродинного типа, где усиление в основном
происходит на ПЧ;
− ретрансляторы прямого усиления (на частоте приема или передачи);
− ретрансляторы с обработкой сигнала на борту в групповом спектре.
67
Приемная часть бортового ретранслятора обычно начинается с малошумящего усилителя (МШУ), в качестве которого могут использоваться транзисторные или параметрические усилители, либо непосредственно
со смесителя. Основными требованиями являются малая масса, габариты
и высокая надежность выходного устройства. Типовая выходная мощность составляет 5...15 Вт для маломощных ИСЗ, 30...60 Вт для ИСЗ средней мощности
и 100...250 Вт для мощных вещательных ИСЗ.
Условия выведения на орбиту и работы в открытом космосе предъявляют к аппаратуре космических станций ряд специфичных требований:
− минимальная масса при заданных требованиях надежности и
электрических показателях;
− ограниченные габариты антенной системы, определяемые диа-
метром обтекателя ракеты-носителя (2,5...3,5 м для самых больших современных ракет);
− способность выдерживать ускорения и вибрации, возникающие
при работе двигателей, резкие перепады температур, воздействие невесомости, радиационного облучения и других факторов космического полета;
− высокая надежность в неослуживаемом режиме, длительный срок
службы, достигающий 7 – 10 лет.
Антенны. Учитывая перечисленные требования, для изготовления
бортовых антенн используют легкие металлы: магний, титан, алюминий, а
также композитные материалы на основе графита, обладающие большой
жесткостью и малым коэффициентом линейного расширения. Слабонаправленными антеннами, формирующими глобальные и полуглобальные
зоны обслуживания, обычно служат рупорные, штыревые или спиральные
антенны, при необходимости формирования специальной формы или уз
-
ких лучей применяются зеркальные антенны со сложными облучателями.
Ретрансляторы. Бортовые ретрансляторы ИСЗ также имеют ряд су-
щественных отличий от аналогичной по выполняемым функциям аппаратуры, находящейся в наземных условиях. В первую очередь это относится
к конструктивным особенностям, технологии изготовления, методам достижения высокой надежности.
В ретрансляторах, обеспечивающих обработку пакетов, наиболее
сложным устройством является процессор, осуществляющий обработку
высокоскоростных сигналов. Принятые пакеты
МДВР поступают в демодуляторы, которые выбираются в соответствии с частотами несущих и
скоростями передачи отдельных пакетов. Информационное содержание
пакета записывается во входную память. В пределах кадра МДВР после
приема эта информация подвергается декодированию (если на передаче
применялось помехоустойчивое кодирование), преобразованию по формату и через коммутатор группового спектра направляется
памяти соответствующей линии связи вниз. В пределах второго кадра
в устройство
68
69
после приема пакеты, направляемые по линии вниз, формируются путем
вывода информационного содержания выходной памяти на вход модулятора через декодер с исправлением ошибок на входе (если кодирование
необходимо). Благодаря работе в режиме переключения лучей, каждый
пакет передается в направлении той ЗС, для которой он предназначен. Для
элементов коммутации и обработки пакетов
выдвигаются требования высокого быстродействия. Так в ССС типа ACTS используется процессор
фирмы Motorola (США), который обеспечивает работу со скоростью
3,5 Гбит/с.
Спутники связи и вещания нового поколения. Спутниковая связь и
вещание в СССР и России ведут свое начало с создания в 1960-е гг. высокоэллиптических спутников серии «Молния». Некоторые из них функционируют до настоящего времени. Вместе с тем реальное развитие спутниковой
связи гражданского назначения в СССР (а затем и в России) сопровождалось проблемами, в центре которых
всегда стояли вопросы финансирования. С начала 1980-х и до 1990-х гг. практические работы в области создания спутников связи, а затем и их финансирование были сведены к минимуму. Лишь в последнее десятилетие минувшего века началось создание
российского космического аппарата (КА) «Экспресс», предназначенного
для замены спутников серии «Горизонт», которые
сократились до миниму-
ма на завершающей стадии к середине 1990-х гг. [10].
После запуска первых «Экспрессов» и отказов ретрансляционных
стволов
Ku-диапазона, вызванных воздействием новых двигателей кор-
рекции на КА серии «Экспресс», было принято решение о закупке зарубежной полезной нагрузки для последующих, вновь производимых и запускаемых спутников. Таким образом, Россия в середине 1990-х гг. фактически отказалась от собственной разработки полезной нагрузки для
спутников связи гражданского назначения.
В конце 1990-
х гг. в отрасли сложилась критическая ситуация. Спутники, действующие в составе российской группировки, уже совершенно
не отвечали мировому уровню развития техники спутниковой связи, а
большинство из них работало за пределами расчетного срока службы.
Возникла реальная угроза потери и спутников и орбитальных позиций,
закрепленных за Россией. Обстоятельства принципиально изменились
только после
принятия Правительством Российской Федерации Постановления № 87 от 01.02.2000 г. по обновлению национальной спутниковой группировки и привлечению для этой цели финансовых средств в
объеме, адекватном мировому уровню цен. Уже в 2000 – 2002 гг. на орбиту были выведены пять спутников связи и вещания, два из которых относились к новой серии «Экспресс-
А». Кроме того, в 2000 г. начал работать
первый спутник «Ямал-100», созданный ОАО «Газком» вне госбюджетного финансирования. Компания «Газком» стала первым коммерческим
оператором в России, имеющим свой собственный спутниковый ресурс.
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]