Реферат: Спутниковая радиосвязь

Виды орбит. Спутник связи может находиться на круговой или на эллиптической орбите. Соответственно центр Земли совпадает с центром круговой орбиты либо с одним из фокусов эллиптической орбиты (рис. 1).

Угол i между плоскостью орбиты и плоскостью экватора называют наклонением. При i =0 орбита называется эк­ваториальной, при i =90° – полярной, остальные – наклонными. Круговые орбиты различаются наклонением и высотой Н₃ над поверхностью Земли. Эллиптические орбиты – наклонением и высо­тами апогея А и перигея П над поверхностью Земли. Линия, со­единяющая апогей и перигей, называется линией апсид. Поля тя­готения Луны, Солнца, планет, магнитное поле Земли, несферич­ность Земли и другие возмущающие факторы вызывают изменение параметров орбиты во времени. Для наклонных эллиптических орбит эти изменения минимальны, если выбрать i =63,4°.

В ССС нашли применение орбиты двух типов: высокая эллип­тическая типа «Молния» и геостационарная орбита. Первая полу­чила название от советского спутника связи «Молния». Ее пара­метры: высота апогея около 40 тыс. км, высота перигея около 500 км, i≈63,4°. Апогей орбиты находится над северным полушарием. Период обращения ИСЗ–12 ч. За сутки ИСЗ совершает два оборота. Поэтому каждые сутки он виден в одних и тех же районах Земли в одно и то же время. Орбита, для которой период обращения ИСЗ кратен земным суткам, называется субсинхрон­ной. Согласно второму закону Кеплера в районе апогея высокой эллиптической орбиты ИСЗ движется гораздо медленнее, чем у перигея. Сеанс связи проводят, когда ИСЗ движется по части ор­биты, прилегающей к апогею. Он может продолжаться около 8 ч, поскольку в течение этого времени спутник на орбите типа «Мол­ния» виден на всей территории СССР. Разместив на орбите три ИСЗ, можно поддерживать связь круглосуточно. Эти спутники пе­ремещаются относительно ЗС, поэтому на последних приходится устанавливать подвижные антенны, следящие за ИСЗ.

Геостационарная орбита (ГО) – это экваториальная круговая орбита, для которой Н₃ =35786 км. Спутник, движущийся по этой орбите, называют геостационарным. Он вращается с той же угловой скоростью, что и Земля, и поэтому наблюдателю на Зем­ле кажется неподвижным. Точку на земной поверхности, над которой ИСЗ, находится в зените, называют подспутниковой. Для гео­стационарного спутника траектория подспутниковой точки вырож­дается в точку на экваторе. Долгота этой точки определяет поло­жение геостационарного ИСЗ. Связь через такой ИСЗ можно под­держивать с помощью неподвижных антенн ЗС. На самом деле часто приходится принимать во внимание сравнительно небольшие колебания положения ИСЗ, вызванные перечисленными выше воз­мущающими факторами. Под их влиянием подспутниковая точка начинает совершать колебания с суточной периодичностью. Через некоторое время траектория движения подспутниковой точки за сутки приобретает вид «восьмерки», вытянутой в направлении север-юг, с центром на экваторе. Через год размах этой восьмер­ки составит около ±1°. Из-за этого приходится периодически кор­ректировать положение спутника на орбите.

Геостационарные спутники позволяют построить более деше­вую и удобную в эксплуатации в сравнении с другими ИСЗ систе­му связи (достаточно одного ИСЗ, нужна неподвижная антенна ЗС и другие причины). Поэтому ГО очень часто отдают предпоч­тение. Такая орбита у Земли всего одна, и орбитальные позиции для ИСЗ на ней предоставляются по решению Всемирной адми­нистративной конференции по радио (ВАКР). Занято более 100 по­зиций. Если точность поддержания по долготе геостационарного спутника не хуже ±1°, то на ГО можно разместить до 180 ИСЗ. По мере развития спутниковых систем связи требования к точно­сти поддержания по долготе ужесточаются. У существующих ИСЗ она составляет от ±1° до ±0,1°.

Через геостационарный спутник не могут работать ЗС, распо­ложенные в высокоширотных районах, так как они не видны с ИСЗ (рис. 2).

Для ЗС, расположенных на экваторе, геостацио­нарный спутник находится в зените. Другими словами, угол ме­ста β (угол между направлениями на горизонт и на ИСЗ) составляет 90°. В этом случае путь сигнала в атмосфере Земли самый короткий. Если же расположить ЗС на широте 81°, то ее антенна должна быть направлена на горизонт, т. е. β –0. С уменьшени­ем β путь сигнала в атмосфере становится длиннее. При этом уве­личивается ослабление сигнала при распространении в свободном пространстве. Возрастает также ослабление сигнала в атмосфер­ной влаге и шумовая температура антенны за счет шумового из­лучения атмосферы. Если же β <5°, то резко увеличивается влия­ние шумового излучения Земли. Поэтому на практике МККР ре­комендует обеспечивать углы места не менее 3...5° на частотах до 6 ГГц и 10... 15° на частотах свыше 10 ГГц.

Территория, с которой виден ИСЗ при минимальных углах ме­ста, называется зоной видимости. Для геостационарного ИСЗ при β = 5° она располагается между 76° с.ш. и 76° ю.ш, а по долготе занимает примерно третью часть экватора (заштрихованная об­ласть на рис.2). Предположим, что на ИСЗ установлена об­щая приемопередающая антенна. Если ее максимум излучения ориентирован на центр Земли, т. е. антенна создает прямой луч, а ширина главного лепестка ДН около 173° (под таким углом видна Земля с геостационарного ИСЗ), то все станции, располо­женные в зоне видимости, могут поддерживать связь через ИСЗ. Если же на ИСЗ установлена узконаправленная антенна, то она освещает на Земле только часть зоны видимости, так называемую зону покрытия (рис.3). Теперь связь через спутник может быть установлена только между ЗС, находящимися в зоне покрытия.

На рис. 12.2 была рассмотрена КС, у которой зоны видимости и зона покрытия совпадают. Такая КС имеет глобальную зону по­крытия и глобальную антенну. Глобальные антенны предпочти­тельны в случаях, когда надо охватить связью большие террито­рии, например в международных ССС, узконаправленные – при создании национальных ССС. Во втором случае антенна ИСЗ при­целена в определенную точку на земной поверхности, а не на центр Земли, т. е. она дает наклонный луч. Зона покрытия имеет форму, максимально приближенную к границам государства, рай­она и т. п. На современных многофункциональных ИСЗ устанав­ливают вместе и те, и другие антенны, причем узконаправленные антенны могут иметь несколько лучей, образующих на Земле свои зоны покрытия. Они получили название многолучевых антенн (МЛА). Если зоны покрытия МЛА не перекрываются, то переда­чу во всех лучах можно вести на одной и той же частоте. Таким образом, МЛА допускают многократное применение одной полосы частот и позволяют за счет этого повысить эффективность исполь­зования ГО.

Часть зоны покрытия, на которой действительно предусмотрена установка ЗС, называют зоной обслуживания. Наиболее эффектив­ны ССС, в которых зоны покрытия и обслуживания совпадают.

3.Тенденции технологии

Последние достижения технологии в области спутниковой связи говорят о больших потенциальных возможностях ССС в расширении пропускной способности каналов передачи, разработке и внедрении новых служб связи. Будущее ССС за широкополосными широковещательными приложениями и спутниковыми системами подвижной связи.

В ряды крупных консорциумов и организаций, ориентированных на геосинхронные спутники, активно вливаются новые участники, предлагающие услуги сетей подвижной связи и использующие низкоорбитальные спутниковые системы (LEO – Low Earth Orbit). Системы LEO, разрабатываемые рядом американских фирм, используют большое число легких спутников на орбитах ниже 2 тыс. км для организации услуг по передаче сообщений и речи, определению местонахождения и срочных коммуникаций между мобильными терминалами. В отличие от наземных сотовых сетей подвижной связи, в которых абонент последовательно перемещается через смежные соты небольшого размера, в системе LEO подобная «сота» ограничена лишь горизонтом Земли. Низкая орбита спутника резко сокращает задержку по сравнению с системами, ориентированными на геосинхронные орбиты спутников

В заключение отметим, что ССС постоянно и ревниво сравниваются с волоконно–оптическими сетями связи. Внедрение этих сетей ускоряется в связи с быстрым технологическим развитием соответствующих областей волоконной оптики, что заставляет задаться вопросом о судьбе ССС. Например, разработка и, главное, внедрение конкатенирующего (составного) кодирования резко уменьшает вероятность возникновения неисправленной побитовой ошибки, что, в свою очередь, позволяет преодолеть главную проблему ССС– туман и дождь.

4. КОСМИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ

Космическая станция содержит ретранслятор и системы обес­печения: источники энергоснабжения, системы ориентации антенн (на Землю) и солнечных батарей (на Солнце), системы коррек­ции положения ИСЗ на орбите и др.

Аппаратура КС должна иметь минимальную массу и габари­ты, высокую надежность и потреблять малую мощность. Ретранс­ляторы КС, как правило, многоствольные. Они состоят из приемо­передающей аппаратуры и антенн. Структурные схемы стволов ретранслятора подобны применяемым на ПРС РРЛ. В зависимости от схемы ствола различают ретрансляторы гетеро­динного типа, ретрансляторы с одним преобразованием частоты и ретрансляторы с обработкой сигнала на борту. Кроме демодуляции и модуляции, на КС применяют и другие многообразные способы обработки сиг­нала. Например, при МДВР после демодуляции на КС может быть предусмотрено разделение каналов с последующим объеди­нением их на новой основе. При этом сообщения, адресованные станции i всеми другими ЗС, объединяют и передают по линии «вниз» в одном пучке. В системах МДВР-КБ на борту происходит коммутация сигналов.

В мощном ретрансляторе гетеродинного типа (рис. 4) ча­стота входного сигнала понижается в смесителе UZ1, а затем по­сле усиления в УПЧ А2 вновь повышается в смесителе UZ2. Ге­теродинные тракты ГТ1 и ГТ2 выполнены по аналогичным схемам. Для усиления СВЧ сигнала служат предварительный A3 и выход­ной А4 усилители мощности. Выходная мощность достигает 200... 300 Вт. Подобную схему имеет ретранслятор на спутнике «Эк­ран». В нем А4 выполнен на пролетном клистроне. В схеме приня­то «холодное» резервирование всех блоков. Переключатели К1– КЗ по команде с Земли выбирают рабочий комплект. Одновремен­но на него начинает поступать питающее напряжение.

Современные многоствольные ретрансляторы выполняют так, чтобы получить максимальную пропускную способность. В полосе 500 МГц, отводимой на один ИСЗ, можно разместить спектры сиг­налов 12 стволов. Обычно полоса ствола –36 МГц, а ЗЧИ между стволами – 4 МГц. Чтобы увеличить вдвое емкость ретранслято­ров, вдвое уменьшают разнос между несущими соседних стволов, а необходимую развязку между перекрывающимися по спектру сигналами получают за счет поляризации. Для всех нечетных стволов (рис 5,а) берут, например, вертикальную поляриза­цию (ВП), а для четных – горизонтальную (ГП). Напомним, что применение линейной поляризации возможно в ИСЗ с жесткой стабилизацией на орбите. В той же полосе частот передают сиг­налы телеметрии (ТМ). Ретранслятор (рис. 5,6) имеет шесть антенн, причем WA1, WA2 и WA6 работают с волнами вертикаль­ной поляризации, WA3, WA4 и WA5 – горизонтальной, где антенны WA1, WA3, WA5, WA6 –глобальные; WA2, WA4 –узкона­правленные. Устройства совмещения (УС) служат для разделения волн приема и передачи. Итак, на ПФ Z1 приходят сигналы нечет­ных стволов. Оттуда они поступают в приемник Пр1, а затем через разветвитель A3 в передающие комплекты Ш и П2 и в антенны. Сигналы четных стволов проходят через ПФ Z2, приемник Пр2, передающие комплекты ПЗ и П4 и поступают в антенны. Мини­мальный частотный разнос между сигналами передатчиков, под­ключенных к одной антенне, составляет 80 МГц. Приемник содер­жит МШУ А1, смеситель UZ, ГТ и УСВЧ А2. В ретрансляторе применено однократное преобразование частоты. Переключатели К1 и К2 позволяют выбрать в качестве рабочих любые два при­емника. Такое резервирование надежнее поблочного, показанного на рис. 4. Передающий комплект (рис. 5,е) содержит фильтр разделения стволов ФРС, коммутаторы входной Км 1 и выходной Км 2, усилители мощности рабочие (по одному на каж­дый ствол) и резервные, фильтры объединения стволов ФОС и фильтр гармоник ФГ. Кроме того, на рис. 5,в показано устрой­ство 2, предназначенное для введения сигналов телеметрии.

б)

Первые ИСЗ с полностью полупроводниковой электронной ап­паратурой появились в начале 80-х годов. Применение транзи­сторных УМ позволяет существенно улучшить электрические ха­рактеристики и надежность передающего тракта ствола, уменьшить массу и энергопотребление. Напомним, что во многих суще­ствующих ретрансляторах с выходной мощностью до нескольких десятков ватт УМ выполнены на ЛБВ, а число стволов в таких ретрансляторах составляет 6–12.

На рис. 5,6 показано шесть антенн. Практически их можно реализовать в виде двух МЛА, каждая из которых имеет три (или более) разные диаграммы направленности. Для волн ВП и ГП применяют отдельные антенны. На рис. 5,6 антенны закрепле­ны за передатчиками и приемниками. В усовершенствованном варианте КС между антеннами и приемопередающей аппаратурой устанавливают антенные коммутаторы, которые позволяют по команде с Земли выбирать любую антенну (в МЛА – любую ДН) для приема и передачи, конечно, с учетом поляризации.

5. ЗЕМНЫЕ СТАНЦИИ

Земные станции подразделяют на передающие, приемные сис­тем спутникового вещания, а также приемопередающие, пред­назначенные для организации дуплексной телефонной связи и для работы в сети обмена ТВ программами. Приемопередающие ЗС обычно являются многоствольными.