СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ
Калининград 2006
Содержание
Принципы построения систем связи через ИСЗ
1.1. Общие положения
1.2. Способы ретрансляции
1.3. Способы организации сетей спутниковой связи
1.4. Методы многостанционного доступа в спутниковых системах связи.
Назначение и классификация систем спутниковой связи
2.1. Назначение и статус систем спутниковой связи.
2.2. Диапазоны частот, используемые в спутниковых
системах связи и вещания.
2.3. Орбиты спутников телекоммуникационных систем.
2.4. Классификация ССП.
Основные показатели систем спутниковой связи.
3.1. Важнейшие показатели земной станции.
3.2. Основные показатели космической станции.
3.3. Основные показатели систем в целом.
3.4. Зоны видимости, покрытия, обслуживания.
Техническое построение земных и космических станций
4.1. Устройство земных станций.
4.2. Устройство космических станций.
4.3. Антенны земных станций ССП.
5. Потери и шумы в спутниковых линиях связи.
5.1. Расположение места приема по отношению к позиции спутника.
5.2. Особенности распространения сигналов в спутниковых линиях связи.
5.3. Шумы атмосферы, антенн и приемных систем.
5.4. Уравнения связи для двух участков линии.
5.5. Оценка качества сигнала в цифровых системах передачи.
5.6. Проблемы электромагнитной совместимости спутниковых
телекоммуникационных систем.
Современные системы спутниковой связи
6.1. Геостационарные спутниковые телекоммуникационные системы со стационарными станциями
6.2. Геостационарные спутниковые системы связи с мобильными и персональными терминалами
6.3. Геостационарные спутниковые системы телерадиовещания
6.4. Спутниковые телекоммуникационные системы с использованием КА на средневысотных и низких орбитах
Список рекомендованной литературы.
Принципы построения систем связи через ИСЗ
Общие положения
Спутниковые системы связи предназначены для связи земных станций, находящихся на большом расстоянии друг от друга, с помощью ретрансляционной аппаратуры, располагаемой на космическом аппарате (КА), называемом ИСЗ-ретранслятором (рис.1.1,а). Размещение промежуточного ретранслятора системы связи на ИСЗ даёт ряд преимуществ.
Во-первых, на достаточно высокой орбите ИСЗ «видит» до одной трети поверхности Земли, поэтому через его ретранслятор может связываться большое количество станций, находящихся на этой огромной территории. Трёх спутников достаточно для создания глобальной (общемировой) системы связи (рис.1.1,б).
Рис.1.1. Спутниковая линия связи – а; расположение трёх
геостационарных КА для глобальной связи – б.
Во-вторых, системы связи через ИСЗ позволяют установить связь с труднодоступными районами.
В-третьих, они обладают высокой гибкостью, т.к. по радиокоманде спутник можно переместить на другую орбиту или направить его антенну на другой участок Земли, т.е. поменять конечную точку линии связи.
Спутник движется по орбите без затрат энергии на это движение, а энергоснабжение оборудования осуществляется от солнечных батарей, находящихся всё время под лучами Солнца. При определённых условиях это делает спутниковую связь выгодной и с энергетической точки зрения.
Перечисленные достоинства способствуют тому, что интерес к спутниковым системам связи постоянно растёт, создаются новые системы связи и вещания различные по функциям, обслуживаемой области, составу, ёмкости, модернизируются действующие.
Основные понятия и термины. Основным документом, определяющим терминологию в радиосвязи, является «Регламент радиосвязи». В соответствие с этим документом в спутниковой связи применяются следующие термины.
Космическая станция (КС) – станция радиосвязи, расположенная на ИСЗ или другом космическом объекте.
Земная станция (ЗС) – станция радиосвязи, расположенная на земной поверхности (или в основной части земной атмосферы) и предназначенная для связи с космическими или с другими земными станциями через космические станции или объекты. (Станции наземных систем радиосвязи, не использующих спутники и космические объекты, называют наземными станциями).
Спутниковая связь – связь между земными станциями через космические станции или пассивные ИСЗ. Частный случай космической связи.
Космическая радиосвязь – радиосвязь, в которой участвуют космические станции, расположенные на ИСЗ или других космических объектах, и земные станции.
Спутниковая линия – линия связи между земными станциями с помощью одного ИСЗ. Она включает в себя участок Земля – спутник (линия «вверх») и участок спутник – Земля (линия «вниз»).
Спутниковое вещание – передача радиовещательных программ (телевизионных и звуковых) от передающих земных станций к приёмным через космическую станцию – активный ретранслятор.
Симплексное сообщение – одностороннее сообщение, т.е. сообщение, передаваемое в одну сторону от передающей станции к приёмной.
Дуплексная связь – связь, осуществляемая одновременно в обе стороны. Здесь каждая станция является приёмной и передающей.
Циркулярная передача – передача сообщений, принимаемых одновременно несколькими ЗС.
Состав системы спутниковой связи. Система связи через ИСЗ представляет собой сложный комплекс [1-3], в который входят:
1) центр управления, управляющий работой земных станций и спутников-ретрансляторов, планирующий запуск спутников, распределение каналов связи и т.д.;
2) искусственные спутники Земли со всем комплексом бортовой аппаратуры;
3) ракетно-космический комплекс, объединяющий наземное технологическое и стартовое оборудование и ракеты-носители;
4) земные станции спутниковой связи;
5) командно-измерительный комплекс, осуществляющий измерение параметров и коррекцию орбит ИСЗ, выдачу данных для наведения антенн;
6) система наведения антенн ЗС на ИСЗ и слежение за ними;
7) наземная аппаратура уплотнения;
8) наземные линии связи;
9) аппаратура обработки сигналов для согласования структуры сигналов в наземных и спутниковых линиях;
10) система автоматического управления связью для выбора каналов и направлений связи;
11) система служебной связи для управления земными станциями;
12) система контроля качественных показателей аппаратуры и каналов связи;
13) различные вспомогательные службы, такие, как службы единого времени, системы энерго- и водоснабжения и т.д.
При рассмотрении вопросов спутниковой радиосвязи обычно ограничиваются обсуждением малой части сложного комплекса, а именно:
1) ретрансляционной аппаратуры ИСЗ;
2) оборудования земных станций.
Рис. 1.2. Схематичное представление системы спутниковой связи.
Иногда к этому перечню добавляется аппаратура уплотнения и обработки сигналов для согласования структуры сигналов в наземных и спутниковых линиях, которая может входить как в состав земных станций, так и других объектов, например, междугородных телефонных станций (МТС), телецентров, вычислительных центров и т.п. - рис. 1.2.
Способы активной ретрансляции
В системах связи через ИСЗ спутники играют роль ретрансляционных станций. Их можно использовать в качестве активных, пассивных и квазипассивных ретрансляторов сигналов [1]. Наибольшее распространение получили системы с активной ретрансляцией.
Активная ретрансляция. Системой активной ретрансляции, или системой с активным спутником, называется система радиосвязи с бортовым приёмопередающим оборудованием.
Система с активной ретрансляцией сигнала в зависимости от высоты орбиты и расстояния между корреспондентами может быть выполнена как система с мгновенной ретрансляцией (система в реальном масштабе времени) и как система с задержанной ретрансляцией. Рассмотрим схему связи, приведенную на рис.1.3.
Здесь А и Б – пункты, между которыми устанавливается связь. Прямые АА' и ББ' – касательные к поверхности Земли, в точках А и Б являются линиями горизонта этих пунктов. Из рисунка видно, что ИСЗ-1, движущийся по орбите MN, одновременно может наблюдаться в пунктах А и Б
Рис.1.3. Принципы осуществления радиосвязи через ИСЗ.
только на участке орбиты А' - Б'. При движении на этом участке электромагнитные волны, излучаемые антенной станции А в направлении ИСЗ-1, принимаются бортовой радиоаппаратурой спутника, а затем сразу же, после усиления, переизлучаются в сторону Земли и могут быть приняты в пункте Б. Это система с мгновенной ретрансляцией.
К достоинствам таких систем относятся: 1) высокий уровень сигнала на входе приёмника земной станции; 2) большая пропускная способность; 3) относительная простота оборудования ЗС и на борту; 4) спутник на высоких орбитах охватывает значительную территорию; 5) возможность обмена информацией в реальном масштабе времени [2].
Недостатки таких систем вытекают из их достоинств, например, высокие орбиты спутников подразумевают: 1) большие мощности передатчиков; 2) громоздкие антенны; 3) сложные системы наведения антенн земных станций; 4) дорогой запуск спутника и существенные ограничения на его массу. Наличие на борту энергоёмкого оборудования требует автономного источника питания большой мощности, который является одним из самых ненадёжных элементов оборудования с ограниченным сроком службы.
Рассмотрим случай движения спутника ИСЗ-2 по орбите mn (рис.1.3) с настолько малой высотой, что он не может одновременно наблюдаться из пунктов А и Б (высота орбиты ниже точки пересечения линий горизонта АА' и ББ'). Очевидно, что сигнал, поступающий к спутнику ИСЗ-2, не может быть сразу передан корреспонденту Б. В этом случае система радиосвязи выполняется следующим образом: спутник, пролетая над корреспондентом А, принимает сообщения, которые после предварительного усиления записываются в бортовую аппаратуру памяти. Над пунктом Б на спутнике включается бортовой передатчик и передается информация, полученная спутником от корреспондента А. Включение передатчика может осуществляться подачей специального командного сигнала, излучаемого корреспондентом Б в момент появления спутника ИСЗ-2 в зоне видимости, или бортовым программным устройством, учитывающим скорость движения спутника по орбите, ее высоту и расстояние между корреспондентами.
Спутник ИСЗ-2 с аппаратурой памяти на борту называется спутником-курьером, а система радиосвязи, использующая такие спутники – системой связи с памятью или системой связи с задержанной ретрансляцией.
Достоинствами этих систем являются: 1) использование низких орбит, что удешевляет запуск спутников и позволяет работать с малыми мощностями передатчиков ЗС и ретранслятора; 2) возможность осуществления селективной связи с определёнными географическими зонами; 3) неограниченная дальность связи. Недостатками являются: 1) малая пропускная способность; 2) сложность оборудования; 3) невозможность обмена информацией в реальном масштабе времени.
