Бортовой ретранслятор спутниковой системы связи. 2

Основные данные о работе

Содержание

Введение.....................................................................................................................3

Основная часть...........................................................................................................5

          1 Принципы построения спутниковых систем передачи - ССП.........................5

2 Орбиты связных искусственных  спутников Земли........................................8

3 Принципы построения спутниковых  систем передачи с многостанционным  доступом………………………………………………………………………………….13

Заключение...............................................................................................................19

Глоссарий.................................................................................................................20

Список использованных источников.....................................................................26

Список сокращений……………………………………………………………….28

Приложение..............................................................................................................29

Введение

Стремительное развитие космонавтики, успехи в её изучении и исследовании выявило весьма высокую эффективность использования околоземного космоса и космической техники в интересах многих наук о Земле. Использование искусственных спутников Земли для связи и телевидения, оперативного и долгосрочного прогнозирования погоды и гидрометеорологической обстановки, для навигации на морских путях и авиационных трассах, для высокоточной геодезии, изучения природных ресурсов Земли и контроля среды обитания становится все более привычным.

В ближайшей и в более отдаленной перспективе разностороннее использование космоса и космической техники, в различных областях хозяйства значительно возрастет.  Для нашей эпохи характерен огромный рост информации во всех сферах деятельности человека. Помимо прогрессирующего развития традиционных средств передачи информации—телефонии, телеграфии, радиовещания, возникла потребность в создании новых ее видов — телевидения, обмена данными в автоматических системах управления и ЭВМ, передачи матриц для печатания газет.

Традиционные средства связи в отношении их видов, объема, дальности, оперативности и надежности передачи информации будут непрерывно совершенствоваться. Однако дальнейшее развитие их встречает немалые затруднения как технического, так и экономического характера. Уже теперь ясно, что требования, предъявляемые к пропускной способности, качеству, надежности каналов дальней связи, не могут быть полностью удовлетворены наземными средствами проводной и радиосвязи. Сооружение дальних наземных и подводных кабельных линий занимает много времени. Они сложны и дорогостоящи не только в строительстве, но и в эксплуатации, и в отношении дальнейшего развития. Обычные кабельные линии имеют к тому же сравнительно малую пропускную способность. Лучшие перспективы имеют широкополосные концентрические кабели, однако и они обладают рядом недостатков, ограничивающих их применение. Значительно большей пропускной способностью, дальностью действия, возможностью перестройки для различных видов связи располагает радио. Но и радиосигналы обладают определенными недостатками, затрудняющими во многих случаях их применение.

Сверх длинноволновые системы радиосвязи из-за ограниченности диапазона применяются обычно лишь для нужд транспорта, авиа навигации и для специальных видов связи. Длинноволновые радиолинии из-за ограниченной пропускной способности и сравнительно малого диапазона действия используются главным образом для местной радиосвязи и радиовещания. Коротковолновые радиолинии обладают достаточной дальностью действия и широко применяются во многих видах связи различного назначения. Новые пути преодоления свойственных дальней радиосвязи недостатков открыли запуски искусственных спутников Земли (ИСЗ). Практика подтвердила, что использование ИСЗ для связи, в особенности для дальней международной и межконтинентальной, для телевидения и телеуправления, при передаче больших объемов информации, позволяет устранить многие затруднения. Вот почему спутниковые системы связи (ССС) в короткий срок получили небывало быстрое, широкое и разностороннее применение.

Основная часть

1 Принципы построения спутниковых систем передачи - ССП

Спутниковые системы передачи обладают рядом существенных особенностей, отличающих их как от РРЛ прямой видимости, так и от дальних ТРРЛ. Так, функционирование ССП возможно при наличии ряда специальных подсистем. Ввиду этого ССП выделяют в самостоятельный вид систем передачи сообщений. Собственно ССП, называемая связной системой, включает в себя ряд подсистем:

1) космическую, в состав которой входит ракета-носитель и стартовый комплекс, обеспечивающую вывод ИСЗ на соответствующую орбиту;

2) командно-измерительную, имеющую земную и бортовую (установленную на спутнике) части, предназначенные для измерения параметров орбиты спутника и передачи с Земли команд управления;

3) телеметрическую, передающая часть которой находится на борту ИСЗ, а приемная на Земле, служащую для передачи данных о состоянии аппаратуры спутника, а  также о прохождении команд управления.

По способу ретрансляции сигнала ССП делят на системы с пассивной и активной ретрансляцией.

Система, которая работает без бортовой аппаратуры, называется системой связи с пассивным спутником, или системой с пассивной ретрансляцией. В такой системе сигналы, посланные с Земли, отражаются поверхностью ИСЗ обратно без предварительного усиления. В качестве пассивных спутников могут использоваться как специальные отражатели различной формы (в виде сферических баллонов, объемных многогранников и др.), так и естественный спутник Земли - Луна.

При достаточном усилении земных приемных антенн и высокой чувствительности приемника земной станции (ЗС) этот метод радиосвязи находит применение в системах малой пропускной способности.

Система радиосвязи при наличии бортовой аппаратуры называется системой с активной ретрансляцией сигнала, или системой с активным спутником. При этом энергоснабжение бортового ретранслятора (БР) осуществляется от солнечных батарей, находящихся на ИСЗ. Активная ретрансляция является основной в современных ССП. Примерная структурная схема дуплексной связи между двумя земными станциями (ЗС) при активной ретрансляции сигнала приведена в Приложении А.

Передаваемый в одном направлении сигнал U1 подводится к модулятору земной станции (Мод ЗС), в результате чего осуществляется модуляция несущей частоты f1. Эти колебания от передатчика земной станции (Пер ЗС) подводятся к антенне Ан1 и излучаются в направлении ИСЗ, где принимаются бортовой антенной БАн бортового ретранслятора (БР). Далее колебания с частотой f1 поступают на направляющие фильтры (НФ), усиливаются первым приемником бортового ретранслятора (1-й ПРБР), преобразуются в частоту f2n и поступают к первому передатчику бортового ретранслятора (1-й ПЕРБР). С выхода этого передатчика колебания с частотой f2 через НФ подводятся к бортовой антенне БАн и излучаются в сторону Земли. Эти колебания принимаются антенной Ан2 и подводятся к приемнику земной станции (Пр ЗС) и детектору земной станции (Дет ЗС), на выходе которого выделяется сигнал U1. Передача от противоположной ЗС сигнала U2 происходит на частоте f3 аналогичным образом, причем на бортовом ретрансляторе осуществляется преобразование колебаний с несущей частотой f3 в колебания с частотой f4.

Земные станции соединяются с узлами коммутации сети связи, с источниками и потребителями типовых каналов и трактов, программ телевидения и звукового вещания с помощью наземных соединительных линий.

Очень распространенным и экономически выгодным является использование связных ИСЗ для организации ТВ и радиовещания. В настоящее время под спутниковым ТВ и радиовещанием понимается как передача ТВ сигналов (со звуковым сопровождением), так и радиовещательных звуковых сигналов от одного или нескольких земных передатчиков, связанных с центрами формирования ТВ и радиопрограмм, через ИСЗ на сеть земных приемных установок и распределение этих программ с целью доведения их до абонентов (телезрителей или радиослушателей) с помощью наземных средств связи (ретрансляторов различной мощности, систем кабельного телевидения - СКТВ, средств коллективного и индивидуального приема). Как правило, в зоне обслуживания связных ИСЗ располагается сеть приемных ЗС различных типов.

В зависимости от типа ЗС и назначения систем спутниковой связи различают следующие службы радиосвязи:

- фиксированная спутниковая служба (ФСС) - служба радиосвязи между  ЗС, расположенными в определенных  фиксированных пунктах, при использовании одного или нескольких спутников;

- подвижная спутниковая служба - между подвижными ЗС с участием одного или нескольких ИСЗ;

- радиовещательная спутниковая  служба (РВСС) - служба радиосвязи, в  которой сигналы спутниковых  ретрансляторов предназначены для  непосредственного приема населением. При этом непосредственным считается как индивидуальный, так и коллективный прием на сравнительно простые и недорогие установки с соответствующим качеством.

2 Орбиты связных искусственных спутников Земли

Орбиты связных искусственных спутников Земли - это траектории движения ИСЗ в пространстве. Они определяются многими факторами, основным из которых является притяжение спутника Землей.

Ряд других факторов – торможение спутника в атмосфере Земли, влияние Луны, Солнца, планет и т.д. - также оказывает влияние на орбиту спутника. Это влияние весьма мало и учитывается в виде так называемого возмущения орбиты спутника, т.е. отклонения истинной траектории от идеальной, вычисленной в предположении, что спутник движется только под действием притяжения к Земле. Поскольку Земля является телом сложной формы с неравномерным распределением массы, то вычислить идеальную траекторию сложно. В первом приближении считают, что спутник движется в поле тяготения шарообразной Земли со сферически-симметричным распределением масссы. Такое поле тяготения называется центральным.

Основные параметры, характеризующие движение ИСЗ, могут быть определены с помощью законов Кеплера.

Применительно к спутникам Земли законы Кеплера формулируются следующим образом.

Первый закон Кеплера: орбита спутника Земли лежит в неподвижной плоскости, проходящей через центр Земли, и является эллипсом, в одном из фокусов которого находится центр Земли.

Второй закон Кеплера: радиус-вектор спутника (отрезок прямой, соединяющий спутник, находящийся на орбите, и центр Земли) в равные промежутки времени описывает равные площади.

Третий закон Кеплера: отношение квадратов периодов обращения спутников равно отношению кубов больших полуосей орбит.

В системах связи могут использоваться ИСЗ, движущиеся по орбитам, которые отличаются следующими параметрами: формой (круговая или эллиптическая); высотой над поверхностью Земли Н или расстоянием от центра Земли; наклонением, т.е. углом φ между экваториальной плоскостью и плоскостью орбиты. В зависимости от выбранного угла орбиты подразделяются на экваториальные (φ = 0), полярные (φ = 90°) и наклонные (0 < φ < 90°). Эллиптические орбиты, кроме того, характеризуются апогеем и перигеем, т.е. расстояниями от Земли, соответственно, до наиболее удаленной и до ближайшей точки орбиты. Апогей и перигей орбиты являются концами большой оси эллипса, а линия, на которой они находятся, называется осью апсид. При высоте ор-биты 35 800 км период обращения ИСЗ будет равен земным суткам. Экваториальная круговая орбита с высотой 35 800 км при условии, что направление движения спутника совпадает с направлением вращения Земли относительно своей оси (с запада на восток), называется геостационарной орбитой (ГСО). Такая орбита является универсальной и единственной. Спутник, находящийся на ней, будет казаться земному наблюдателю неподвижным. Подобный ИСЗ называется геостационарным. В действительности ИСЗ, математически точно запущенный на ГСО, не остается неподвижным, а из-за эллиптичности Земли и по причине возмущения орбиты медленно уходит из заданной точки и совершает периодические (суточные) колебания по долготе и широте. Поэтому на ИСЗ должна быть установлена система автоматической стабилизации и удержания его в заданной точке ГСО.

Большинство современных ССП базируется на геостационарных спутниках. Однако в некоторых случаях представляют интерес сильно вытянутые эллиптические орбиты, имеющие такие параметры: угол наклонения φ = 63,5°, высота в апогее примерно 40 000 км, в перигее около 500 км. Для России с ее обширной территорией за Полярным кругом такая орбита является весьма удобной. Спутник, выведенный на нее, вращается синхронно с Землей, имеет период обращения 12 ч и, совершая за сутки два полных витка, появляется над одними и теми же районами Земли в одно и то же время. Длительность сеанса связи между ЗС, находящимися на территории России, при этом составляет 8 ч. Для обеспечения круглосуточной связи приходится выводить на эллиптические орбиты, плоскости которых взаимно смещены, 3-4 спутника, образующих систему спутников.

В последнее время наметилась тенденция использования связных ИСЗ, находящихся на низких орбитах (расстояние до Земли в пределах 700…1500 км). Системы связи с использованием ИСЗ на низких орбитах благодаря значительно меньшему (практически в 50 раз) расстоянию от Земли до спутника имеют ряд преимуществ перед ССП на геостационарных спутниках.  
Во-первых, это меньшее запаздывание и затухание передаваемого сигнала, а во-вторых, более простой вывод ИСЗ на орбиту. Основным недостатком подобных систем является необходимость выведения на орбиту большого количества спутников для обеспечения длительной непрерывной связи. Это объясняется небольшой зоной видимости отдельного ИСЗ, что усложняет связь между абонентами, находящимися на большом расстоянии друг от друга. Например, космический комплекс «Iridium» (США) состоит из 66 космических аппаратов, размещенных на круговых орбитах с наклонением φ = 86° и высотой 780 км. Спутники размещаются в орбитальных плоскостях, в каждой одновременно находятся 11 спутников. Угловое расстояние между соседними орбитальными плоскостями составляет 31,6°, за исключением 1-й и 6-й плоскостей, угловой разнос между которыми около 22°.

Антенная система каждого ИСЗ формирует 48 узких лучей. Взаимодействие всех ИСЗ обеспечивает глобальное покрытие Земли услугами связи. В нашей стране ведутся работы по созданию собственных низкоорбитальных спутниковых систем связи «Сигнал» и «Гонец».

Для уяснения особенностей работы низкоорбитальных спутниковых систем рассмотрим схему прохождения в ней сигналов Приложение Б.

В этом случае на каждой ЗС должны быть установлены две антенны (А1 и А2), которые могут осуществлять передачу и прием сигналов с помощью одного из спутников, находящегося в зоне взаимной связи. В приложении Б показаны ИСЗ, движущиеся по часовой стрелке по одной низкой орбите, часть которой показана в виде дуги mn. Рассматриваемая система спутниковой связи работает следующим образом. Сигнал от ЗС1 через антенну A1 поступает на ИС34 и ретранслируется через ИС33, ИС32, ИСЗ1 к приемной антенне А1 ЗС2. Таким образом, в этом случае для ретрансляции сигнала используются антенны А2 и сегмент орбиты, содержащий ИС34 и ИСЗ1. При выходе ИС34 из зоны, лежащей левее линии горизонта аа', передача и прием сигнала будут вестись через антенны А1 и сегмент орбиты, содержащий ИС35...ИС32, и т.д.

Поскольку каждый ИСЗ может наблюдаться с достаточно большой территории на поверхности Земли, то можно осуществить связь между несколькими ЗС через один общий связной ИСЗ. В этом случае спутник оказывается «доступным» многим ЗС, поэтому такая система называется системой спутниковой связи с многостанционным доступом.

Использование ИСЗ, движущихся по орбите с малой высотой, упрощает аппаратуру ЗС, так как при этом возможно снижение усиления земных антенн, мощности передатчиков и работа с приемниками меньшей чувствительности, чем в случае геостационарных спутников. Однако в этом случае усложняется система управления движением большого числа ИСЗ по орбите.

В стадии разработки находится система связи на основе низкоорбитальных 840 связных спутников, оснащенных сканирующими антенными системами с высоким коэффициентом усиления покрывающих всю поверхность Земли сетью из 20 000 больших зон обслуживания, каждая из которых будет состоять из 9 малых зон. Спутники будут связаны с наземной телекоммуникационной сетью посредством высокопроизводительных ЗС. Однако и сами низкоорбитальные спутники связи сформируют независимую сеть, где каждый из них будет обмениваться данными с девятью соседями, используя высококачественные каналы меж спутниковой связи. Эта иерархическая структура должна сохранить работоспособность при отказах отдельных спутников, при локальных перегрузках и выводе из строя части средств связи с наземной инфраструктурой.

Передача сигналов в ССП.

В отличие от других систем передачи, работающих в диапазоне СВЧ, в спутниковых системах радиосигнал преодолевает значительные расстояния, что определяет ряд особенностей, к которым относят допплеровский сдвиг частоты, запаздывание сигнала, нарушение непрерывности значений запаздывания и доплеровского сдвига частоты.

Известно, что относительное перемещение источника сигнала с частотой f со скоростью vp << с вызывает доплеровский сдвиг ∆fдоп = ±fvp  /c, где с - скорость распространения электромагнитных колебаний; знак «+» соответствует уменьшению расстояния между источником сигнала и приемником сигнала, а «-» - увеличению.

При передаче модулированных колебаний частота каждой спектральной составляющей изменяется в 1 + (vр /с) раз, т.е. составляющие с более высокой частотой получают большее изменение частоты, а с более низкой частотой - меньшее. Таким образом, эффект Доплера приводит к переносу спектра сигнала на значение ∆fдоп и к изменению масштаба спектра в 1 + (vp/c) раз, т.е. к его деформации.

Для геостационарных спутников доплеровский сдвиг незначителен и не учитывается. Для сильно вытянутых эллиптических орбит (орбит типа «Молния») максимальное значение доплеровского сдвига для линии вниз в полосе 4 ГГц составляет 60 кГц, что приводит к необходимости компенсировать его, например: по заранее рассчитанной программе. Сложнее компенсировать деформации спектра. Для этого могут быть применены устройства либо с переменной управляемой задержкой группового или СВЧ сигнала, изменяемой по программе, либо управляющие частотами группового преобразования каналообразующей аппаратуры систем передачи с частотным разделением каналов.

3 Принципы построения спутниковых систем передачи 
с многостанционным доступом

Ретрансляторы, устанавливаемые на связных спутниках, как и в РРСП прямой видимости, представляют собой многоствольные приемопередающие устройства. Число стволов в современных ССП может достигать 24 и более. При этом, как правило, используется вся выделенная полоса частот в данном диапазоне. При передаче сигналов разных ЗС по разным стволам обычно никаких проблем не возникает. Если же передаются сигналы различных ЗС по одному стволу ретранслятора, то такое использование стволов называется многостанционным доступом (МД). Он позволяет создать сеть связи, в которой один ствол спутникового ретранслятора дает возможность одновременно организовать как магистральные одно- и многоканальные системы передачи с центральной станцией, так и системы связи типа «каждый с каждым». В спутниковых системах, в отличие от наземных многоканальных систем, групповой сигнал образуется земными станциями непосредственно на входе ретранслятора, причем в диапазоне СВЧ.

Основные требования к системе МД следующие: эффективное использование мощности ретранслятора и максимальное - полосы частот ретранслятора; допустимый уровень переходных помех; гибкость системы.

Чтобы МД соответствовал этим требованиям, необходимо найти ансамбль ортогональных или близких к ортогональным сигналов. Известны три способа формирования такого ансамбля, основанные на разделении сигналов по частоте, времени и форме. В соответствии с этими способами различают следующие виды МД: с частотным разделением сигналов (МДЧР); с разделением сигналов по времени (МДВР); с разделением сигналов по форме (МДРФ). Находят применение разновидности и комбинации этих способов.

Многостанционный доступ с частотным разделением сигналов.

При МДЧР каждый сигнал ЗС имеет определенный участок общего группового СВЧ спектра частот. Все они передаются одновременно, а групповой сигнал, проходящий через ретранслятор спутника, образуется из сигналов не только отдельных каналов (например, тональной частоты), но и из групп каналов. При этом возможно использование различных видов модуляции. Спектр группового сигнала с МДЧР приведен в Приложении В.

Здесь на каждой ЗС сигнал, образованный одним или группой каналов, разнесенных по частоте, модулирует свою несущую fн. При определенных значениях несущих на входе ретранслятора в пределах полосы ствола ∆fp в диапазоне СВЧ образуется групповой сигнал. Значения несущих частот и девиация частоты выбираются такими, чтобы между спектрами сигналов оставались защитные интервалы ∆f3 для уменьшения взаимных помех между сигналами. Передача сигналов при МДЧР приводит к снижению общей выходной мощности ретранслятора, взаимному подавлению сигналов, появлению переходных помех из-за нелинейности амплитудной характеристики ретранслятора и из-за наличия в ретрансляторе элементов, преобразующих амплитудную модуляцию в фазовую.

Эффективность МДЧР существенно падает по сравнению с односигнальным режимом. Так, при передаче через ретранслятор сигналов от 10 ЗС можно пропустить только 10 каналов тональной частоты (КТЧ) на каждой несущей, т.е. всего 100 КТЧ, а при наличии 55 ЗС на каждой несущей можно передать только один КТЧ.

Достоинства МДЧР состоит в простоте аппаратуры и ее совместимости с большей частью эксплуатируемой аппаратуры канального преобразования.

Разновидностью МДЧР является многостанционный доступ типа «несущая на канал», представляющий собой комбинацию способов передачи сигналов, при которой учитывается статистика многоканального сообщения в системах с незакрепленными каналами.

Поскольку активность КТЧ составляет 25...30% времени, в течение которого он занят, то, выключая несущие колебания в паузах разговора, можно уменьшить среднестатистическую загрузку ретранслятора сигналами ЗС либо при той же загрузке увеличить число ЗС в системе. В системах с выключением несущих возможно увеличение их эффективности в 3 раза при использовании ЧМ несущих, при использовании других видов можно еще более увеличить эффективность системы МД.

Система, в которой сигнал каждого КТЧ передается на отдельной несущей, получил название несущая на канал. Эта система отличается тем, что выделение канала и установление связи между парой абонентов требует наличия служебного канала и системы управления со специально выделенной для этой цели управляющей ЗС.

Многостанционный доступ с разделением сигналов во времени.

Интенсивное развитие цифровых систем передачи привело к созданию систем с МДВР. В таких системах каждой ЗС для излучения сигналов выделяется определенный, периодически повторяемый интервал времени, длительность которого определяется трафиком станции. Интервал времени, в течение которого все станции сети по одному разу излучают сигнал, называется кадром, а длительность пакета импульсов, излучаемых одной станцией, называется субкадром.

Интервалы времени излучения всех ЗС должны быть взаимно синхронизированы, чтобы не перекрывались сигналы. Для этого часть пропускной способности ствола отводится для передачи сигналов кадровой (цикловой) синхронизации.

В большинстве случаев применяется сигнал синхронизации в виде отдельного специализированного пакета - сигнал выделенной синхронизации. При этом синхросигналы всех ЗС передаются в кадре на фиксированных временных позициях отдельно от информационных пакетов. Структура и длительность кадровых синхросигналов постоянны, в то время как расположение и длительность информационных пакетов могут изменяться в соответствии с трафиком ЗС.

При МДВР ретранслятор рассчитывается на мощность, близкую к максимальной, так как в каждый момент времени через него проходит сигнал только одной ЗС и отсутствуют переходные помехи, являющиеся одной из основных причин снижения пропускной способности системы.

В Приложении Г показан пример кадра системы с МДВР.

Из Приложения Г следует, что эффективность использования полосы пропускания ствола для МДВР определяется необходимостью введения определенных защитных интервалов времени t3, гарантирующих отсутствие перекрытия сигналов при неустойчивой работе межстанционной синхронизации, а также необходимостью введения ряда дополнительных сигналов, в том числе сигналов синхронизации. В соответствии с этим эффективность системы с МДВР равна

,

где Ткс - длительность сигнала кадровой синхронизации; Тсс - длительность сигнала субкадровой синхронизации; Тк длительность кадра; n - число каналов системы.

Из этой формулы следует, что для повышения эффективности системы целесообразно увеличить длительность кадра, уменьшить длину и число защитных интервалов, повысить точность синхронизации. Поскольку длительность кадров для речевой связи определяется теоремой Котельникова-Найквиста и, следовательно, максимальной частотой передаваемого сигнала (так, для КТЧ обычно применяется Тк = 125 мкс), то для увеличения Тк необходимо ввести буферную память, в результате чего увеличивается задержка передаваемой информации. С целью уменьшения емкости буферной памяти для передачи информации данной станции может быть предоставлено несколько субкадровых интервалов, равно расположенных в кадре. При этом неизбежны потери в пропускной способности из-за увеличения числа защитных интервалов.

Многостанционный доступ с разделением сигналов по форме.

В системах с МДРФ обычно используются шумоподобные сигналы (ШПС), их называют также широкополосными, широкобазовыми или составными. В отличие от обычных сигналов, для которых база В = ∆fcTc ≈ 1, где ∆fc -ширины полосы сигнала, а Тс - его длительность, для ШПС В >> 1. Реализацию таких сигналов рассмотрим на следующем примере (Приложение Д). Пусть бинарная информация передается с пассивной паузой со скоростью 1/Тс бит/с. Длительность информационных символов равна Тс, а эффективная ширина спектра - примерно 1/Тс . Заменим теперь каждый информационный символ серией разнополярных импульсов, длительность которых τэ = Т0/n, а порядок чередования (структура ШПС) случаен, но точно известен на стороне приема. Это преобразование равносильно расширению спектра в n раз и соответствующему увеличению базы сигнала. Существуют и другие способы формирования ШПС.