5.7. Системы спутниковой радиосвязи

Принципы организации спутниковой радиосвязи

Спутниковая радиосвязь представляет собой разновидность сис­тем радиорелейной связи прямой видимости, в которой станцией-ре­транслятором является искусственный спутник земли (ИСЗ), оснащен­ный соответствующим бортовым оборудованием [12].

Простейшим ретранслятором может служить запущенный на высокую орбиту вокруг Земли шар больших размеров с металлизированной поверхностью - пассивный ретранслятор. Он мог бы одновременно ис­пользоваться значительным числом наземных станций, работающих в широком диапазоне частот УКВ. Однако, при пассивной ретрансляции возника­ют огромные потери электромагнитной энергии, что приводит к необходимос­ти использования мощных передатчиков, антенн больших размеров и высокочувствительных приемных устройств. Все это делает такую систему связи громоздкой и дорогосто­ящей. Поэтому в настоящее время практическое применение нашли системы спутниковой связи с активными ретрансляторами.

Различают два способа активной ретрансляции: мгновенную и задержанную. В первом случае ретранслятор ИЗС рабо­тает по принципу обычной радиорелейной станции. Связь при этом возможна лишь тогда, когда ИСЗ одновременно веден с обеих земных станций.

Достоинствами мгновенной ретрансляции являются: большая про­пускная способность системы, высокая оперативность связи и отно­сительно простое оборудование земных станций и ИСЗ.

Во втором случае при пролете над первой земной станцией про­исходит запись информации на соответствую­щий бортовой накопитель, а при пролете над второй станцией накоп­ленная информация передается на землю по программе или запросу с Земли. Ограниченный объем памяти бортовых накопительных устройств приводит к тому что, системы связи с задержан­ной ретрансляцией имеют весьма низкую пропускную способность и не позволяют организовать телефонную связь с немедленным ответом. Однако их применение позволяет использовать низкие орбиты, что удешевляет запуск космического аппарата, снизить мощность передатчиков и осуществить селективную связь в определенных географических зонах.

К спутниковым линиям связи предъявляют следующие основные требования:

• передача сообщений должна быть обеспечена круглосуточно или в течение вполне определенного времени суток;

• связь должна быть надежной;

• радиолиния должна быть экономичной;

• характеристики каналов связи должны удовлетворять предъявляемым требованиям.

Такие показатели спутниковой связи, как дальность связи, число используемых спутников, время непрерывной работы, мощность наземных и бортовых передатчиков и другие зависят от выбора ор­биты ИСЗ.

Орбита спутника характеризуется: наклоном ее плоскости к плоскости экватора (экваториальная, полярная, наклонная), формой (круговая и эллиптическая) и высотой.

Применение орбит с большими высотам приводит к увеличению площади, охватываемой связью, и к уменьшению числа спутников, требуемых для обеспечении связи в заданном районе. В результате повышается экономичность и надежность связи. Оптимальной орбитой будет та, при которой число спутников в системе, обеспечивающей связь в заданном районе земного шара будет минимальным.

Для обеспечения круглосуточной связи на всей территории зем­ного шара, за исключением приполюсных областей, целесообразно использовать систему из трех спутников на стационарной орбите (рис. 5.20).

Стационарной или геостационарной называется экваториальная орбита с высотой примерно 36 тыс. км. При выводе на такую орбиту спутник с периодом обращения 24 часа, остается неподвижным относительно земных станций, следовательно, проще решаются вопросы наведения антенн, отсутствует доплеровский сдвиг частот принимаемых сигналов, а связь обеспечивается кругло­суточно. Сложность заключается в том, что для вывода спутника на стационарную орбиту необходимо осуществлять запуск из экваториальных районов. Из-за некоторых неточностей при выводе спутника, воздействия лунного притяжения и солнечного давления возникает дрейф спутника, который нужно устраняеть периодическим корректировани­ем орбиты.

Локальная система связи может быть создана как на базе стационарных спутников, так и на базе спутников на круговых (не экваториальных) или эллиптических орбитах. Сравнение эллиптичес­ких и круговых орбит показывает, что при одинаковом периоде обращения спутник на высокой эллиптической орбите «освещает» заданную территорию в течение большего времени, чем спутник на круговой орбите (исключая стационарный).

Рис. 5.20 рис.5.21

Эллиптическая орбита по условиям запуска более удобна, чем круговая. Это позволяет при заданной мощности ракеты-носителя выводить вдвое большую полезную нагрузку.

Для обеспечения связи по всей территории России оптимальной является высокоэллиптическая орбита с апогеем в северном полу­шарии около 40 тыс. км, перигеем около 500 км в южном полушарии и углом наклона орбиты к экватору 63,5° (рис. 5.21). При периоде обращения 12 часов, в соответствии со вторым законом Кеплера, большую часть времени спутник будет находиться в районе апогея. Максимальная задержка времени в апогее составляет 0,25 секунды.

Длительность сеанса связи между Москвой и наземными станциями системы «ОРБИТА», расположенными на территории России через один спутник «Молния» составляет 9 ч. Для обеспечения круглосуточной связи необходимо не менее 3 спутников.

В таких системах доплеровский сдвиг по частоте может составлять десятки кГц (f₀ – несущая частота,  - скорость ИСЗ). Если его не компенсировать, то многоканальная связь невозможна. Для исключения доплеровского сдвига применяется автоматическая подстройка частоты по корреспонденту.

Состав системы спутниковой связи.

Система связи через ИСЗ представляет собой сложный комплекс, включающий:

1. центр управления, осуществляющий управление работой земных станций и спутников-ретрансляторов, планирование запусков спутни­ков, распределение каналов связи и т.д.;

2. искусственные спутники Земли, оснащенные ретрансляционной аппаратурой, системами ориентации, управления, терморегулирования и электропитания;

3. ракетно-космический комплекс, объединяющий наземное тех­нические и стартовое оборудование и ракеты-носители;

4. земные станции спутниковой связи, оснащенные приемо-пере­дающей аппаратурой и осуществляющие обмен информацией;

5. командно-измерительный комплекс, осуществляющий определе­ние параметров орбит ИСЗ, прогнозирование их движения, выдачу данных для наведения антенн земных станций на ИСЗ, передачу команд управления аппаратуре спутника;

6. система наведения антенн земных станций на ИСЗ и слеже­ния за ними;

7. наземная каналообразующая аппаратура (КОА), объединяющая узкополосную информацию в групповые сигналы;

8. наземные соединительные линии, направленные от земных станций к наземным пунктам-источникам и получателям информации;

9. аппаратура обработки сигналов, предназначенная для сог­ласования структуры сигналов в наземных и космических линиях;

10. система автоматического управления связью, предназначен­ная для выбора каналов и направлений связи, эффективного использования пропускной способности ретранслятора и оптимизации всей системы;

11. система служебной связи для ведения служебных перегово­ров, передачи команд и сигналов управлений земным станциям;

12. система контроля качественных показателей аппаратуры и каналов связи;

13. различные вспомогательные службы, такие как служба еди­ного времени, систем энерго- и водоснабжения, технического ремонта и т.д.

Основу сети спутниковой связи составляют наземные станции спутниковой связи и бортовые ретрансляторы, установленные на ИСЗ.

Способы организации связи через ИСЗ

Простейший вариант построения системы спутниковой связи сос­тоит в том, что любая пара земных станций связывается независимы­ми линиями связи, включающими ретранслятор. При этом должен быть обеспечен многостанционный (свободный) доступ к ретранслятору. Для обеспечения свободного доступа каждая земная станция должна формировать сигналы ортогональные сигналам других станций.

Известны три основных способы формирования ортогональных сигналов: с разделением по частоте, по времени, по форме. Однако полностью задача выбора ортогональных сигналов, наиболее устойчивых к помехам и искажениям, характерным для ретранслятора, к настоящему времени не решена.

Кроме того, при построении сети по принципу "каждый с каждым" каналы, отводимые земной станции, будут задействованы не полностью. Вследствие этого будут неэффективно использоваться полоса и мощность ретранслятора. Существенно усложнится и прием­ное оборудование земных станций.

Другим вариантом построения разветвленной системы связи че­рез ИСЗ является способ организации связи через центральную станцию (ЦС). В этом случае ЦС имеет возможность передавать информацию всем наземным малоканальным станциям (МС), используя, напри­мер, временное уплотнение, а для установления связи МС с ЦС (об­ратный канал) может использоваться частотное разделение сигна­лов.

Если возникает необходимость передачи информации от одной МС к другой, то первая станция передает на ЦС адрес той МС, с которой она хочет связаться, а ЦС через свою каналообразующую аппаратуру ретранслирует сигнал по данному адресу. Аналогично поступа­ет и другая МС.

Достоинствами такой организации связи являются: существенно более эффективное использование аппаратуры ретранслятора, упро­щение приемного оборудования МС и возможность оперативной пере­дачи информации с ЦС.

Оборудование наземных станций спутниковой связи

Центральная станция сети представляет собой сложный комплекс (рис.5.22).

рис.5.22

На ней размещается приемная 1 и передающая 2 аппаратура мно­гоканальных подстволов, рассчитанная на прием всей информации с МС и передачу ответной информации. Для разделения принятых много­канальных подстволов на индивидуальные каналы к каждому принима­емому подстволу через коммутатор 5 подключается приемный полукомплект каналообразующей аппаратуры З. Для обмена между МС и ЦС служебной информацией в каждом подстволе должен иметься служебный канал. Приемная 7 и передающая 8 аппаратура служебной связи также подключается к каждому принимаемому подстволу.

Индивидуальные каналы, полученные на выходе приемных полукомплектов аппаратуры уплотнения, перекоммутируются в соответст­вии с адресами в новые группы, которые должны передаваться на МС. Часть сигналов направляется коммутатором на устройства сопряжения спутниковых и наземных каналов 9, связывающих абонентов со спутниковой сетью. В свою очередь информация, которая должна передаваться от ЦС к МС, подводится через аппаратуру сопряжения к коммутатору, где формируется в группы для подачи к излучаемым подстволам. Эти группы с выхода коммутатора подаются на передающие полукомплекты аппаратуры уплотнения 4 и затем на передатчики подстволов 2.

Коммутатор осуществляет необходимые соединения по командам, которые поступают от аппаратуры управления 6. Эта аппаратура по служебным линиям получает информацию, необходимую для установле­ния соединения: вызовы, адреса каналов и т.д. В соответствии с этой информацией и ситуацией на сети, которая записывается в память аппаратуры управления, вырабатываются команды для коммутатора ЦС и МС (последние направляются по служебным линиям на нужные МС).

Функциональная схема МС подобна схеме ЦС. Основным отличием является то, что на МС значительно меньший объем приемопередающей аппаратуры, проще функции аппаратуры управления и коммутатора.

Следует учитывать, что земные станции спутниковой связи кро­ме собственно связной аппаратуры имеют ряд подсистем, предназна­ченных для обеспечения автономного энергопитания станции, програм­много наведения антенн на спутники и сопровождения ИСЗ при движении по орбите, а также для компенсации доплеровского сдвига час­тот.

Бортовые ретрансляторы

Важнейшей частью спутниковой системы связи является ретрансля­тор, расположенный на борту ИСЗ.

Существует несколько типов активных бортовых ретрансляторов:

1. ретранслятор гетеродинного типа, в котором принятые с зем­ной станции сигналы в основном усиливаются на промежуточной частоте. Ширина полосы пропускания каждого ствола ретранслятора состав­ляет 35-40 МГц. Обычно бортовой ретранслятор имеет несколько ство­лов, часть из которых являются резервными. Так "Молния-3" имеет 3 ствола, а ретранслятор "Радуга" - 6 стволов;

2. ретранслятор линейного типа, в котором все усиление произ­водится на СВЧ со сдвигом частоты передачи относительно частоты приема. Ширина полосы пропускания каждого ствола такого ретранслятора может быть до 250 МГц. По такому принципу построены американские спутники "Истелсат - 3»

3. ретрансляторы с обработкой (демодуляцией) сигналов на бор­ту и последующим переизлучением на заданной частоте. Такой способ ретрансляции позволяет повысить помехоустойчивость спутниковой радиолинии.

Дополнительную возможность существенного повышения помехоустойчивости систем связи через ИСЗ обеспечивает применение на спутниках узконаправлениях антенн с управляемой диаграммой направ­ленности (рис. 5.23) .Однако при этом значительно усложняется сис­тема стабилизации ИСЗ, антенные системы и аппаратура наведения антенн.

Упрощенная структурная схема бортового оборудования спутни­ка-ретранслятора представлена на рис. 5.24 Основными элементами является:

- связной приемопередатчик (I);

- телеметрический передатчик (2);

- телеметрический приемник (3);

- приемник команд (4);

- радиомаяк (5);

- разделительные фильтры (6);

- устройство ориентации (7);

- блок кодирования и уплотнения (8);

- цепи команд управления и программное устройство (9);

- система стабилизации космического аппарата (10);

- система управления антеннами (11);

• система энергопитания (12).

рис.5.23 рис.5.24

Параметры бортового ретранслятора ИС3 практически аналогич­ны параметрам промежуточной станции наземной PРЛ прямой видимости. Особенностью является то, что на спутниковых радиолиниях основной составляющей шумов в канале являются собственные шумы и, вследствие этого, повышенные требования предъявляются к шумовым характеристикам бортовых приемников. При проектировании систем спутниковой связи суммарные шумы бортовой аппаратуры задаются на 8-10 дБ ниже шумов приемной аппаратуры земных станций.

Диапазон частот спутниковой связи.

К основным характеристикам систем спутниковой связи относятся: дальность связи, пропускная способность и надежность. Эти характеристики в существенной мере зависят не только от вида орбит, числа спутников на них, мощности передатчика, но и от рабочего диапазона частот и вида шумов (помех).

При выборе рабочего диапазона частот необходимо учитывать следующие факторы:

• поглощение магнитной энергии волны молекулярным водородом;

• влияние загрязненности атмосферы (туман, снег, дым, пыль и т.п.).

Основными помехами являются:

• индустриальные помехи в диапазоне 1 – 100 МГц (для борьбы с ними применяется экранирование, удаление станций за пределы действия этих помех, узконаправленные антенны);

• наземные помехи в диапазоне 20 – 10000 МГц, которые создают эквивалентную температуру по Кельвину порядка 30К. Эти помехи захватываются боковыми лепестками диаграммы направленности антенны;

• атмосферные помехи в диапазоне ниже 50 МГц;

• солнечные помехи в диапазоне 30 МГц – 30 ГГц. При прямом направлении антенны на Солнце эквивалентная температура более (10⁶)К;

• галактические помехи в диапазоне 1 – 10 ГГц. Их шумовая температура (2-5)К;

• космические помехи в диапазоне (2040) 10³МГц. Их интенсивность зависит от частоты;

• небесные шумы – потеря энергии в самой атмосфере. Их средняя эквивалентная температура составляет 30К.

Тепловые шумы атмосферы меняют свою интенсивность в зависимости от угла ориентации антенны  относительно зенита.

На рис. 5.25 приведены зависимости эквивалентной температуры галактических, космических, солнечных и атмосферных помех от частоты.

Для линий спутниковой связи МККР, рекомендует следующие диапазоны частот.

Направление ИСЗ – земная станция (наземный комплекс): 3,4 – 4,2ГГц; 7,25 – 7,75ГГц; 10,95 –11,2ГГц; 11,45 – 11,7ГГц; 12,5 – 12,75ГГц; 17,7 – 21,2ГГц и 40 – 41ГГц.

Направление земная станция (наземный комплекс) – ИСЗ: 4,4 – 4,7ГГц; 5,725 – 6,425ГГц; 7,9 – 8,4ГГц; 10,95 – 11,2ГГц;12,5 – 12,75ГГЦ; 14,0 - 14,5ГГц; 25,5 – 29,5ГГц; 50 – 51ГГц и 92 – 95ГГц.

рис.5.25

Наиболее характерной помехой, даже в этих оптимальных для связи диапазонах частот, является гаусовый шум, который создается как внутренними шумами, так и внешними помехами (солнце, галактика, земная атмосфера).

В системах спутниковой связи добиться требуемого отношения сигнал/помеха возможно путём увеличения мощностей передатчиков и применением помехоустойчивых видов модуляции. В системах же дальней космической связи этих мер недостаточно, поэтому там применяют корректирующие коды и сложные сигналы. Естественно, это снижает скорость передачи информации и пропускную способность системы [12].

Связное оборудование наземного комплекса.

В состав связного оборудования наземного комплекса входят: передающее устройство, приемное устройство, а также каналообразующая аппаратура (КОА) и телевизионная аппаратура (ТВА).

Структурная схема радиопередающего устройства наземного комплекса приведена на рис. 5.26.

рис.5.26

Передающее устройство, кроме типовых элементов связных передатчиков, имеет ряд специфических особенностей. Поскольку мощность наземного передатчика составляет десятки и сотни киловатт, то в нём применяются системы жидкостного и воздушного охлаждения. Кроме того, учитывая работу в диапазоне СВЧ, при такой мощности необходимы устройства биологической защиты и блокировки. В качестве усилительных устройств в передатчиках, как правило, применяются многорезонаторные клистроны или лампы бегущей волны. Многорезонаторные клистроны имеют коэффициент усиления порядка 65дБ, КПД – (4060)% и позволяют получить мощность до 100300кВт. Лампы бегущей волны главным преимуществом имеют широкополостность до нескольких сотен МГц при хороших АЧХ и ФЧХ.

Принцип действия передатчика состоит в следующем. Информационный сигнал с КОА или ТВА с полосой в несколько МГц через широкополосный видеоусилитель ВУ подается на частотно-модулированный генератор ЧМГ. Этот модулятор имеет ряд особенностей. Прежде всего здесь происходит формирование сигнала на промежуточный частоте. Кроме того, в модуляторе имеется кольцо АПЧ, построенное так, что в модуляторе появляется возможность эффективно использовать весь линейный участок модуляционной характеристики.

С выхода ЧМГ сигнал промежуточный частоты подается на смеситель СМ и с помощью соответствующих частот возбудителя В переносится в область рабочей частоты на СВЧ. В качестве возбудителя используется типовой блок опорных частот с декадной установкой частоты. После усиления сигнал поступает на аттенюатор АТ, а с него на усилитель мощности УМ и далее через развязывающий фильтр Ф в антенну. Так как мощность сигнала здесь велика, то необходимо применять принудительное охлаждение выходных каскадов передатчика.

Применение аттенюатора АТ в передатчике вызвано следующими обстоятельствами. Аналоговые системы спутниковой связи используют частотную модуляцию. При неравенстве сигналов различных станций проявляется эффект подавления слабого сигнала сильным. Чтобы этого не произошло, необходимо обеспечить равенство всех сигналов, приходящих на вход радиоприемного устройства ИСЗ. Поэтому в передатчике наземной станции предусмотрены устройства, которые управляют аттенюатором АТ в сторону увеличения или уменьшения изучаемой мощности. Управляет регулировкой АТ мотор М. Происходит это следующим образом. Сигнал с бортового маяка ИСЗ принимается антенной и через фильтр подается на схему управления мотором СУМ. На второй вход СУМ подается сигнал от программного устройства ПУ. В результате в СУМ вырабатывается управляющее напряжение мотором, пропорциональное дальности от наземной станции до ИСЗ. Именно это и позволяет обеспечить равенство сигналов различных станций на входе приемника ИСЗ.

Следует отметить, что самым дорогостоящим устройством наземного комплекса является антенна (порядка 70% от общей стоимости комплекса). Диаметры параболического зеркала могут составлять десятки метров. Вес антенных устройств несколько сотен тонн. Антенны в основном рупорно-параболические с коэффициентом усиления порядка 60 дБ. Такие антенны формируют диаграмму направленности шириной (0,2 – 1). Общая эквивалентная шумовая температура антенны лежит в пределах Т_ш= (1050)К.

Структурная схема радиоприемного устройства наземного комплекса показана на рис. 5.27. С борта ИСЗ принимается сигнал порядка 10^-12 Вт. Помимо шумов в канале связи существенную роль играют собственные шумы СВЧ приемника и антенны с волноводными трактами. Для борьбы с ними размещают приемник либо в непосредственной близости к антенне, либо непосредственно в ней. Это сокращает длину волновода и, значит, уменьшает величину шумов.

С другой стороны, применяют малошумящий параметрический СВЧ усилитель с принудительным охлаждением. При средней температуре (2030)С шумовая температура параметрического усилителя Т_ш50К, а при охлаждении жидким азотом Т_ш4К.

рис.5.27

В малошумящем усилителе применяются, как правило, два параметрических усилителя. Первый охлаждается жидким азотом. Малошумящий усилитель имеет усиление порядка 30 и более дБ. На выходе МШУ образуется промежуточная частота f_пр=70МГц. Далее сигнал поступает на УПЧ с усилением до 80дБ. Последний каскад УПЧ работает в режиме амплитудного ограничения.

Затем, при хорошем отношении сигнал/помеха сигнал подается на частотный детектор ЧД через переключатель П₁ в положении 1 и далее, через переключатель П₂ в положении 1, на КОА..

Если же соотношение сигнал/помеха близко к пороговому и надежной демодуляции в ЧД получить нельзя, то переключатели П₁ и П₂ ставятся в положение 2 и подключается помехоустойчивый демодулятор. Он состоит из фазового детектора ФД, частотно-модулированного генератора ЧМГ и двух колец обратной связи по частоте (ОСЧ).

Первое кольцо с большой постоянной времени через усилитель постоянного тока УПТ воздействует на ЧМГ. Второе кольцо с малой постоянной времени через видеоусилитель ВУ и ОСЧ отслеживает мгновенные изменения ухода частоты.

Назначение первого кольца (через УПТ) – поддерживать в среднем равенство частот ЧМГ и промежуточной частоты. Назначение второго кольца (ОСЧ) отслеживать мгновенные изменения частоты принимаемого сигнала, что позволяет осуществить синхронный прием и демодуляцию принимаемого сигнала на выходе ФД. Демодулированный сигнал через ВУ и второе положение переключателя П₂ подается на КОА. Такой синхронный детектор не требует амплитудного ограничителя. Его роль выполняет ОСЧ. При этом U_вых не зависит от U_вх. Для уверенного детектирования необходимо, чтобы U_ЧМГ  U_УПЧ, что обеспечивает нормальное отношение сигнал/шум.

При приеме телевизионных сигналов вместо КОА подключается ТВА.

Связное оборудование борта ИСЗ.

Структурная схема приемо-передающего связного оборудования борта ИС3 показана на рис. 5.28.

рис.5.28

Бортовой ретранслятор может работать как в режиме дуплексной телефонии (переключатели П₁ и П₂ в положении 1), так и в симплексном режиме при передаче сигналов телевидения (переключатели П₁ и П₂ в положении 2). Переключение режимов работы на борту осуществляется по командам управления с наземного комплекса. Прием и передача сигналов одного направления производится на разных частотах.

В режиме дуплексной телефонии сигналы двух направлений (f₁ и f₂) через разделительный фильтр РФ подаются на блок УВЧ, СМ и УПЧ, на второй вход которого подается соответствующий сигнал от блока опорных частот (БОЧ), преобразующий принятые колебания в колебания промежуточной частоты. Образованные промежуточные частоты двух направлений через переключатель П₁ в первом положении подаются на полосовой фильтр направлений (ПФН), с выхода которого сигналы каждого направления подаются на соответствующие УПЧ.

Последние каскады этих УПЧ работают в режиме амплитудного ограничения. В целом же разделение сигналов двух направлений необходимо для того, чтобы в случае неравенства сигналов разных направлений не происходило подавление слабого сигнала сильным. В некоторых ИСЗ вообще применяют два отдельных приемника направлений, что исключает применение полосового фильтра направлений. В рассматриваемом варианте в УПЧ происходит усиление сигналов, а в некоторых типах спутников еще и умножение частоты с целью увеличения индекса частотной модуляции, что эквивалентно повышению мощности передатчика. Затем сигналы разных направлений поступают на сумматор () и через переключатель П₂ в первом положении подаются на смеситель СМ, на второй вход которого от БОЧ подается сигнал частоты подставки, в результате чего колебания частот f₁ и f₂ преобразуются в колебания f₃ и f₄.

Далее эти сигналы поступают на полосовой фильтр (ПФ) и лампу бегущей волны (ЛБВ). Усиленные сигналы затем следуют на ферритовый вентиль (ФВ) и еще на один усилитель мощности (ЛБВ), после чего поступают в антенну. Мощность излучения у различных ИСЗ колеблются от десятков до сотен ватт. Антенны связного оборудования могут быть типа параболоида, вибратора или щелевого диполя.

В режиме телевизионных программ (симплексный режим) по команде с земли переключатели П₁ и П₂ ставятся в положение 2, а далее прохождение сигнала происходит аналогично описанному выше.