Спутниковая связь. 
Радиотехнические системы

Запуск искусственных спутников Земли (ИСЗ) вызвал революцию в системах связи. Появилась возможность разместить на них аппаратуру ретрансляторов и создать систему спутниковой связи.

(ССС). При высотах орбит в 36 000 км и расположении их в области экватора можно получить три спутника — ретранслятора, синхронно вращающихся с Землей и, следовательно, находящихся неподвижно относительно приемных станций на Земле, которые могут обеспечить связью почти всю земную поверхность. Однако это предельный случай и на практике используются разные варианты размещения спутников.

Начало спутниковой связи принято считать с момента запуска в 60-х годах советского связного спутника «Молния» и американского «Телестар».

Рассмотрим возможные орбиты ИСЗ. Орбита — это траектория движения ИСЗ. На спутник, после выключения двигателей носителя, действуют силы гравитации, и, в соответствии с законами Кеплера, орбита принимает форму эллипса, в одном из фокусов которого располагается Земля. Плоскость орбиты проходит через центр Земли и постоянна во времени. Минимальное расстояние орбиты от центра Земли называегся перигеем, а максимальное — апогеем. При круговой орбите фокусы эллипса сливаются с центром Земли. По углу между плоскостью экватора Земли и плоскостью наклонения различают экваториальные (угол равен нулю), полярные (угол равен 90°) и наклонные (угол от нуля до 90°) орбиты. Важным параметром является период обращения Т — время прохождения спутника одной и той же точки орбиты. В случае, если Т кратно времени оборота Земли вокруг своей оси (T, = 23 ч 56 мин 04 с), получаем синхронные орбиты | Т = -^j,.

где N — число оборотов ИСЗ вокруг Земли за сутки N. На синхронной орбите ИСЗ появляется над одними и теми же районами Земли в одно и то же время. Это, безусловно, облегчает планирование связи. Например, у ИСЗ «Молния» (эллиптическая орбита с углом наклонения 65° и большим значением высоты в апогее, расположенным над северным полушарием) время видимости над территорисй России — 8 часов. Тогда три спутника могут обеспечить круглосуточную связь. Потребуется только перемещение диаграмм направленности антенн при переходе с одного ИСЗ на следующий. Низкие (менее 1500 км) и средние (в пределах до 10 000 км) орбиты позволяют повысить уровень сигнала и использовать подвижные персональные терминалы. Низкие и средние орбиты используются только как круговые и полярные (могут быть близкими к полярным). На эти орбиты выводится спутниковая группировка, обеспечивающая непрерывную связь, так как спутники сменяют друг друга, причем плоскости полярных орбит в спутниковой группировке смещены.

Основные достоинства использования геостационарных орбит заключаются в следующем:

• — непрерывность спутниковой связи;
• — антенны без системы слежения за ИСЗ;
• — постоянство ослабления сигнала на трассс Земля — ИСЗ;
• — отсутствие частотного доплеровского сдвига;
• — наличие большой зоны видимости ИСЗ;
• — достаточность трех ИСЗ для глобальной системы связи.

Однако при приближении к полярным широтам растут шумы на трассе, затемнение предметами, расположенными на земле.

Геостационарная орбита перенасыщена спутниками и объективно имеющаяся нестабильность параметров орбиты требует проведения коррекции. Отклонение от норм не должно превышать по долготе ± 0,1%.

Классификация систем спутниковой связи достаточно разносторонняя, гак как проводится по различным принципам:

• • по назначению систем и типа наземных станций:
  • — фиксированная спутниковая служба (ФСС) (связь между конкретными наземными пунктами);
  • — подвижная спутниковая служба (ПСС) (связь между фиксированными земными станциями (ЗС) и подвижными, находящимися на поверхности земли — сухопутными, морскими, воздушными);
  • — радиовещательная спутниковая служба (РСС) (сигналы с ИСЗ принимаются населением путем индивидуального или коллективного приема);
• • по виду передаваемой информации ССС подразделяются на:
• — универсальные многофункциональные;
• — специализированные;
• • по охвату территории, размещению и принадлежности ЗС различаются:
• — глобальные;
• — региональные;
• — зоновые;
• — ведомственные.

Системы спутниковой связи имеют общую структуру (рис. 6.16).

Рис. 6.16. Спутниковая линия связи.

Спутниковая линия имеет две линии дуплексной связи между ЗС и космической станцией (КС). ЗС в свою очередь связаны с пользователями услугами связи. КС — это ретранслятор (присмопсрсдающсс устройство), размещенный на ИСЗ, оснащенный системами для приема и передачи радиосигналов, имеющий в своем составе источники электроэнергии, систему ориентации антенн и солнечных батарей, систему коррекции орбиты, систему обеспечения живучести оборудования и т. д.

ЗС осуществляют прием и передачу информации на КС. Кроме того, с помощью ЗС осуществляется контроль и управление ИСЗ. Имеется специализированный центр управления системой связи (ЦУС). Наземные станции объединяются в сети, имеющие каналы служебной связи.

Земные станции характеризуются следующими показателями:

• — диапазонами частот, используемыми для приема и передачи информации;
• — добротностью земной станции на прием G/Т (это отношение усиления системы станции в децибелах к шумовой температуре станции в градусах Кельвина. Меняется от 42 до 20 дБ/К в зависимости от класса систем);
• — эффективная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ) (определяется перемножением мощности передатчика на коэффициент усиления антенны в режиме передачи; меняется в пределах (50 — 95) ВтдБ);
• — диаметр антенны (существенно влияет на приведенные показатели и лежит в пределах (1,5- 32) м — дуплексная связь и (0,45 — 4) м — только прием).

Космические станции имеют показатели, схожие с земными станциями по структуре, но отличающиеся величинами. Эти отличия связаны с техническими возможностями их реализации в условиях космоса.

Однако имеются и специфические для космических станций характеристики. Это, в первую очередь, число стволов.

Стволом снугниковой связи называют ириемопередающий гракт, в котором радиосигналы проходят через общие устройства (передатчик, приемник) в выделенной полосе частот. В системах спутниковой связи используются стандартные полосы частот (27… 120 МГц), обслуживаемые отдельным стволом. Однако и стволы могут использовать общие устройства (антенно-волноводную систему, входной усилитель и т. д.). На ИСЗ размещают несколько стволов (6 — 48), разделенных частогами и поляризацией. Важнейший показатель КС определяегся как числом стволов, их полосами, так и ЭИИМ и в общем виде характеризуется числом двоичных единиц в секунду ретранслируемых КС.

Космическая станция характеризуется зоной покрытия, которая, в свою очередь, определяется шириной диаграммы направленности ее антенных систем. С учетом имеющихся на практике нестабильностей КС на орбите пользуются понятием «гарантийная зона обслуживания».

Срок службы КС составляет 10 — 12 лет. Для его обеспечения принимаются меры по поддержанию надежности элементов КС, как и системы в целом путем резервирования.

Системы спутниковой связи имеют свои показатели. Это зона обслуживания системы — очевидно, что она определяется объединением зон обслуживания, входящих в систему ИСЗ. Аналогично определяется и пропускная способность системы.

Система спутниковой связи характеризуется (а ее показатели определяются архитектурой) числом и местом положения ЗС, числом и типом орбит ИСЗ. Кроме того, как любая информационная система, она харакгеризуется информационными возможностями, определяемыми, в том числе, количеством стволов на ИСЗ, полосами пропускания и частотами стволов в спутниковых линиях.

С точки зрения организации связи важной системной характеристикой является метод многостанционного доступа (МСД), определяющий, каким образом осуществляется совмещение радиосигналов, приходящих с различных, входящих в систему, земных станций, при их прохождении через общий для них ствол ретранслятора космической станции. Возможно разделение сигналов по частоте, времени и форме. Упрощенно структурная схемя земной и космической станций представлена на рис. 6.17.

Приведенные схемы отображают ЗС и КС, работающие в дуплексном режиме и имеющие несколько стволов. Приведены только те части станции, которые предназначены для образования спутниковых линий, т. е. даже одна ЗС может формировать несколько зон обслуживания. Антенны оснащены системами слежения, так как использование узких диаграмм направленности антенн КС позволяет существенно снизить взаимные помехи и повысить эффективность использования орбит. Техническая реализация КС, выполняющей функции ретранслятора, может быть различной начиная от простого переотражения сигналов от поверхности КС, выполненной в виде металлического шара, до сложной обработки, преобразования и регенерации сигналов, содержащих информацию.

Рис. 6.17. Структурная схема: а — ЗС; б — КС Так как ИСЗ, за исключением ограниченного числа случаев, перемещается относительно другой КС или ЗС, то при передаче по спутниковой линии в точке приема наблюдается смещение длины волны сигнала на величину, равную изменению расстояния за время Т = /f₀ одного периода излучаемого колебания:

где vвзаимная скорость; у — угол между траекторией движения КС и направлением спутниковой линии связи.

Так как v «с (с — скорость света), то изменение скорости распространения радиоволн, происходящее согласно теории относительности, мало, и им можно пренебречь:

Наибольшее проявление эффекта Доплера.

наблюдается при совпадении линии движения со спутниковой линией связи (ц/ = 0 или у = я). При взаимном сближении КС и ЗС частота возрастает, а при удалении — уменьшается.

Доплеровский сдвиг проявляется в виде частотной нестабильности ретранслируемых КС колебаний. Они суммируются с аппаратурной нестабильностью передатчиков ЗС и КС. При использовании узкополосных сигналов снижается помехоустойчивость приема.

В ряде случаев необходим учет временного запаздывания радиосигналов в радиолинии Земля — ИСЗ — Земля. Так, для дуплексной связи через геостационарный спутник задержка составляет 600 мс, а это уже заметная величина.

Используемый в ССС многостанционный доступ позволяет получить высокую эффективность использования стволов спутникового ретранслятора.

Многостанционный доступ подразумевает возможность одновременного обращения нескольких ЗС к КС о передаче информации через ретранслятор. Для реализации МСД необходимо выбрать ортогональные сигналы, которые можно одновременно передавать, осуществляя далее их разделение. Решается задача наилучшего использования энергегического и частотного ресурса, при условии минимального уровня взаимных помех между сигналами и наилучшей помехоустойчивости каждого сигнала.

Ансамбль ортогональных сигналов можно получить путем их разделения по частоте, времени и форме. Эффективность МСД оценивают по пропускной способности ретранслятора в зависимости от числа сигналов п:

где С₀ — пропускная способность КС при одном сигнале;

С_{ — пропускная способность i'-й ЗС в общем стволе.

Наиболее простой способ МСД реализуется на основе частотного разделения каналов (МДЧР). Он заключается в присвоении земным станциям индивидуальных участков частотного спектра. Используются рабочие и вводятся защитные интервалы частот. В результате в стволе ретранслятора имеется п отдельных сигналов. Если передача ведется в цифровом виде, то скорость цифрового потока N- (Кбит/с), а емкость ствола равна N= I/V,.

Несмотря на большой опыт эксплуатации систем с частотным разделением и простоту технической реализации, они имеют принципиальные недостатки: потери по выходной мощности ретранслятора — деление на каналы, в которых слабые сигналы давятся более мощными; возникновение перекрестных помех между каналами и помех при переходе от амплитудной модуляции сигналов к фазовой. Необходимость работать в квазилинейном режиме приводит к недоиспользованию энергетики радиолинии.

Временное разделение каналов (МДВР) реализуется путем присвоения им периодически повторяющихся временных интервалов в общем сигнале. Работ, а ведегся с синхронизацией сигнала. Мощность сигнала близка к максимальной. Защитные частотные интервалы заменяются на временные, а эффективность использования времени работы КС зависит от наличия защитных временных интервалов и сигналов синхронизации:

где т_И11ф/ - время передачи ретранслируемого сигнала в /-м пакете;

п — число пакетов;

Т — длительность кадра (цикл передачи информации от всех станций).

В системах МДВР используется фазовая манипуляция дискретных сигналов. Эффективность г| > 0,9. При росте кратности сигнала помехоустойчивость падает. Однако увеличение кратности позволяет сузить полосу канала. Следовательно, возможна оптимизация величины кратности манипуляции для согласования энергетического потенциала с полосой пропускания радиолинии.

Энергетика спутниковых радиолиний. При использовании КС в режиме связи линии состоят из двух участков: ЗС — КС и КС — ЗС. Сложности на каждом участке различны по разным причинам — земные станции стремятся упростить, сделать автоматическими и уменьшить их мощность, а мощность ретранслятора космической станции ограничивается техническими возможностями размещения аппаратуры на выводимом на орбиту космическом аппарате. Необходимо помнить о протяженности космических радиолиний — десятки тысяч километров, и о влиянии сложных условий эксплуатации в космосе.

Запишем уравнение связи для спутниковой радиолинии.

Определим ЭИ ИМ передающей станции:

где Р_пср — мощность передатчика;

г|_пер — кпд волноводного тракта передатчика;

G_lKр — коэффициент усиления антенны относительно ненаправленного излучателя.

Затухание энергии сигнала в свободном пространстве определим как величину плотности потока мощности при удалении d (расстояние между приемной и передающей антеннами):

Кроме основных потерь, учтем и дополнительные потери^лоп * ^— ^О^лоп*.

Мощность сигнала на входе приемника:

Выражение (6.16) можно использовать для любого вида радиолиний прямой видимости. Для случаев, когда задана эффективная площадь антенн 5_1ф, с учетом G =-— выражение (6.16) можно пред;

Х₂

ставить в виде:

которое применимо в случае независимости параметров приемной антенны от частоты. На практике длина волны X косвенно учитывается коэффициентом ?_доп. Так как часто целесообразно задать не мощность сигнала на входе приемника, а (Р_с/Р_ш)вх, то вместо Р_пр следует подставить.

где Р_ш — полная мощность шума на входе приемника. При предположении об аддитивности шумов можно использовать формулу:

где К = 1,38* 10 ²³ Вт/Гцтрад. — постоянная Больцмана;

Т_?— эквивалентная шумовая температура приемника (внешние и внутренние шумы);

А /_ш — эквивалентная шумовая полоса приемника.

Для расчета трассы ИСЗ — Земля необходимо определить напряженность электромагнитного поля А₀, создаваемого сигналом со спутника у антенны земной станции или же плотность потока мощности W там же:

где т₀= 120л — волновое сопротивление свободного пространства; А₀ измеряется в мВ/м², a W в Вт/м².

Можно записать:

На рис. 6.18 представлена диаграмма уровней сигналов линии спутниковой связи, состоящей, как сказано ранее, из двух участков.

Рис. 6.18. Диаграмма уровней сигналов спутниковой линии связи Для участка Земля — ИС:

^гД^е Р_я* = к7'₁6А_шб

где Р_шз = кТ_ь6Д_цо .

Индексы имеют следующий смысл: з — земля; б — борт; величины трассы ЗС — КС — индекс 1, а КС — ЗС — индекс 2.

На рис. 6.18 пунктирной линией дана диаграмма уровней с уче;

Трасса спутниковой системы связи частично проходит через атмосферу Земли, и именно этот участок определяет качество связи. Земная атмосфера избирательно пропускает радиоволны. Она «радиоирозрачна» в диапазоне частот от 30 МГц до 30 ГГц.

Более низкочастотные сигналы задерживаются ионосферой, а более высокочастотные — большими потерями в тропосфере. Наиболее благоприятен диапазон от 1 до 10 ГГц с позиции минимума внешних шумов. Однако поиск частотного ресурса заставляет уходить в высокочастотную часть радиопрозрачного диапазона: 10 — 30 ГГц. Целесообразно, для облегчения пользования зарубежной литературой, знать буквенные обозначения частотных диапазонов, принятых в США:

• •Р- 225 -400 МГц,
• • L — 1 — 2 ГГц; •5−2-4 ГГц;
• • С-4−8 ГГц; •*-8−12,5 ГГц;
• •К" — 12,5 -18 ГГц; •К-18−26,5 ГГц;
• •К_а— 26,5 -40 ГГц.

Бортовые ретрансляторы спутниковой связи предназначены для приема сигналов от ЗС, их усиления и передачи в направлении ЗС, являющихся получателями этих сигналов. Кроме ретрансляторов, на КС имеется оборудование, обеспечивающее нормальную работу ретранслятора.

Ретранслятор содержит антенные системы, их антенно-фидерные тракты и механизмы, обеспечивающие позиционирование антенн, а также приемно-передающие устройства. Ретрансляторы, как правило, имеют несколько стволов. В зависимости от метода многостанционного доступа проводится выбор несущих частот, их количества. Важен кпд использования энергетического ресурса космической станции. Используются как специализированные, так и универсальные стволы ретрансляторов. Однако высокая эффективность специализированных стволов по мере эксплуатации аппаратуры падает вследствие их морального старения. С этим явлением связано широкое использование универсальных стволов, пригодных для связи и вещания, а также приспособленных для различных методов многостанционного доступа.

Используется несколько основных вариантов построения бортовых ретрансляторов. Наиболее простой — система с однократным преобразованием частоты. В результате разносятся относительно друг друга входные и выходные сигналы. В ретрансляторе гетеродинного типа используется двойное преобразование. Между преобразователями располагается усилитель промежуточной частоты, обеспечивающий основное усиление. Преимуществом такого технического решения является устранение опасности самовозбуждения. Наиболее эффективно построение бортового ретранслятора с обработкой сигналов. Мощность используется наиболее эффективно при временном разделение сигналов. Высоки системные показатели спутниковой радиолинии из-за повышения помехоустойчивости.

Организация межлучевой связи осуществляется с помощью устройств коммутации. Варианты технических решений схемы коммутации многообразны, различаются по частотам коммутируемых сигналов, видам связи.

Земные станции спутниковой связи — их типовое решение показано на рис. 6.17. Отдельно рассмотрим особенности систем подвижной спутниковой связи (ПСС). С их помощью решается проблема связи между пользователями, подключенными к стационарной сети, и абонентами, находящимися на подвижных объектах — судах, самолетах, автомобилях и т. д. Станции систем Г1СС можно по иерархическому признаку разделить на три уровня:

• • подвижные абонентские;
• • стационарные;
• • управляющие сетью.

Наиболее массовым и, соответственно, важным элементом системы ПСС являются абонентские станции. Они должны обеспечивать необходимую помехоустойчивость системы в целом и в то же время иметь минимальные габариты, массу, электропотребление, быть надежными и не нуждаться в обслуживании квалифицированным оператором (абонентом).

Количество и качество услуг, предоставляемых абонентам, непрерывно растет. Абонентские станции постоянно принимают по закрепленному за сетью каналу сигнализации информацию и при приеме команды, предназначенной для данного (своего) абонента, переходят в режим ее выполнения в соответствии с алгоритмом работы всей системы.

Стационарные станции осуществляют связь с абонентскими станциями, их коммутацию и обеспечивают доступ абонентов в спутниковые каналы и сети общего пользования.

Станции управления сетью управляют всеми компонентами системы ПСС.

На примере земных станций VSAT (они относятся к фиксированной спутниковой связи и устанавливаются непосредственно у пользователей) рассмотрим возможную топологию сети. Простейший вариант — сеть типа «точка-точка» — (рис. 6.19, а).

Такая есть используется для организации дуплексной связи между двумя удаленными абонентами. Более распространена сеть типа «звезда» — рис. 6.19, б. С ее помощью реализуется многонаправленный радиальный трафик между центральной станцией (ЦС) и удаленными терминалами VSAT. Пример такой сети — сеть по продаже билетов на транспорт рядом удаленных друг от друга касс. ЦС намного дороже и сложнее по оборудованию периферийных терминалов. Решение, но схеме «каждый с каждым» (рис. 6.19, в) позволяет устанавливать связь любых двух станций через спутник за один скачок.

Рис. 6.19. Типы сетей: а — точка-точка; 6 — звезда; в — каждый с каждым Обеспечение связью в удаленных районах с экономической точки зрения целесообразно решать путем развития систем персональной подвижной спутниковой службы. Для решения этой задачи необходимо уменьшение абонентского терминала до размеров мобильного телефонного аппарата, что было нереализуемо при высоких орбитах спутников.

Низкоорбитальные спутники имеют энергетические преимущества перед геостационарными спутниками. Энергетика спутниковых линий позволяет использовать телефонные аппараты с ненаправленными антеннами. Вывод КС на низкую орбиту существенно дешевле, меньше временное запаздывание сигналов.

Однако есть и недостатки. Для создания системы необходимо создать спутниковую группировку из большого числа КС, предусматривая поддержание необходимого количества аппаратов для покрытия обслуживаемой территории. Имеются технические сложности, связанные с необходимостью обеспечить большое число наземных и межспутниковых радиолиний с их частотным и программным совмещением. В качестве примера на рис. 6.20 приведена орбитальная группировка системы Iridium, содержа- _{Рис 6 20} орбитальная щая 66 космических аппаратов, распологруппировка Iridium женных на шести орбитальных плоскостях по 11 штук в каждой. Высота орбит 780 км. Спутники перемещаются, сменяя друг друга. В поле зрения каждого спутника находится еще четыре — до и после него на орбите в одной с ним плоскости, а также по одному справа и слева. Это позволяет организовать межспутниковую связь. Число лучей 48, а число каналов на космическом аппарате — 2500.

В систему входят 25 станций сопряжения (СС), расположенных на Земле, с помощью которых осуществляется связь с сетями общего пользования. Кроме того, есть станции управления КС. Схема системы с межспутниковыми связями приведена на рис. 6.21.

Рис. 6.21. Система с межспутниковыми связями.

Развитие спутниковой связи идет по пути поиска новых технических решений для реализации широкополосных и мультимедийных услуг связи. Будут развиваться корпоративные сети, высокоскоростные сети массового доступа к Интернету. Планируется использовать новые частотные диапазоны К_а и К_и. Предполагается достичь скорость передачи данных до 16 Гбит/с. Продолжится развитие интегрированных систем связи, их глобализация.