Виды орбит. Принципы построения и особенности ССС

Принципы построения и особенности ССС

Лекция

Цель: изучить принципы построения спутниковых систем связи, особенностей распространения сигналов, ознакомление со структурой наземных и космических станций.

В состав спутниковой системы связи входят следующие составляющие:

1) космический сегмент – группа спутников ретрансляторов - орбитальная группировка (ОГ);

2) наземный сегмент: Центр управления системой, центр запуска КА, командно-измерительные станции, центр управления связью и шлюзовые станции;

3) пользовательский сегмент осуществляет связь при помощи персональных спутниковых терминалов;

4) наземные сети связи сопрягают шлюзовые станции космической связи.

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. 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 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 Кепплера 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. 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. 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 ±10. 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). Такая орбита у Земли всего одна, и орбитальные позиции для ИСЗ на ней предоставляются по решению Всемирной административной конференции по радио (ВАКР). 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°.

Недостатки ГО: невозможно обслуживать высокоширотных абонентов, из-за большой протяженности трассы требуются большие мощности и апертуры антенн, большая задержка радиосигнала, заметно гравитационное влияние Солнца, Луны и планет-гигантов.

Через геостационарный спутник не могут работать ЗС, расположенные в высокоширотных районах, так как они не видны с ИСЗ (см.рисунок 10.1). Для ЗС, расположенных на экваторе, геостационарный спутник находится в зените. Другими словами, угол места (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. b =0. С уменьшением (3 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 b <5°, то резко увеличивается влияние шумового излучения Земли. Поэтому на практике МККР рекомендует обеспечивать углы места не менее 3...50 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 Р = 5° она располагается между широтами 76⁰ с. ш и 76° ю. ш, а по долготе занимает примерно третью часть экватора (заштрихованная область на рисунке 11.2). 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. Теперь связь через спутник может быть установлена только между ЗС, находящимися в зоне покрытия.

Рисунок 11.2- Зона видимости и покрытия

На рисунке 11.2 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.

Таблица 11.1-Характеристики ИСЗ на различных орбитах

Показатель	GEO	MEO	LEO
Высота орбиты, км	36 000	5 000-20 000	600 -1 000
Количество КА в ОГ		8-12	48-66
Зона покрытия одного КА (угол радиовидимости 50), % от поверхности Земли		25 ¸ 28	3 ¸ 7
Время пребывания КА в зоне радиовидимости (в сутки)	24 ч	1,5 ¸ 2 ч	10 ¸15 мин
Задержка при передаче речи, мс: Региональная связь Глобальная связь		80 ¸ 130 250 ¸ 400	20 ¸ 70 170 ¸ 300
Время переключения, мин: с одного спутника на другой с одного луча на другой	Не требуется 10 ¸ 15	5 ¸ 6	8-10 1,5 ¸ 2,0
Относительный максимальный доплеровский сдвиг	10-8	6× 10-6	(1,8¸2,4)× 10-5
Угол радиовидимости КА на границе зоны обслуживания, 0		15 ¸ 25	10 ¸ 15

Низкоорбитальные ССС (LEO) имеют свои достоинства и недостатки.

К преимуществам относятся:

1) Наилучшие энергетические характеристики.

2) Малое время запаздывания сигнала.

К недостаткам относятся:

1) Значительное сопротивление атмосферы, приводящее к потере высоты, повышенному расходу топлива, повышенной частоте маневров, малой продолжительности активного существования.

2) Малое время прямой видимости 8…12 мин, что для обеспечения непрерывной связи одной и той же территории требует большего количества КА.

Системы bigLEO ориентированы на предоставление персональной радиотелефонной и пейджинговой связи в глобальном масштабе. Общей тенденцией развития таких систем является объединение в общую сеть радиотелефонных спутниковых и сотовых сетей различных стандартов (GSM, AMPS, CDMA и др.), а также предоставление максимально возможного набора услуг (передача данных, телексов, коротких факсимильных сообщений, определение местоположения и пр.).

К системам bigLEO относятся сети Iridium, Сигнал и Globalstar.

Диапазон частот. Сигнал в ССС проходит через всю толщу атмосферы.

Антенны ЗС направлены в космос, поэтому их шумовая температура зависит от шумового излучения космоса и атмосферы. Для ССС пригодны те частоты, сигналы которых не испытывают значительного ослабления в атмосфере, и в гидрометеорах. Вместе с тем на этих частотах шумовые излучения космоса и атмосферы должны быть минимальными. Шумовое излучение космических источников максимально, если антенна ЗС смотрит в направлении млечного пути. Частоты 1... 10 ГГц наиболее подходят для ССС. Напомним, что ослабление в гидрометеорах на частотах ниже 10 ГГц также мало. По решению ВАКР указанный диапазон частот был первоначально выделен для ССС. Поскольку в этом же диапазоне работают РРЛ и ТРЛ, то полосы частот были поделены между ними и ССС на совмещенной основе. Кроме того, земной шар был поделен на три района, и для каждого из них выделены свои полосы частот для работы на участках Земля — Космос и Космос — Земля. Некоторые из этих полос выделены на всемирной основе, т. е. для всех районов. Широко распространены ССС, работающие в диапазоне 6/4 ГГц, т. е. 6 ГГц на участке Земля — Космос и 4 ГГц на участке Космос — Земля. Работа ССС и РРЛ в общих полосах частот на совмещенной основе возможна при соблюдении условий ЭМС. Они налагают определенные ограничения на технические параметры и расположение станций.

С развитием ССС емкость диапазона 1... 10 ГГц стала недостаточной. Поэтому для ССС были выделены полосы частот в более высокочастотных диапазонах 14/11 ГГц, 30/20 ГГц и других, хотя потери при распространении сигналов в атмосфере на этих частотах уже не столь малы.

Дата добавления: 2014-01-11