Базисные части спутниковой системы связи

Основные понятия системы спутниковой связи

Системы спутниковой связи

ЛЕКЦИЯ 3

Спу́тниковая свя́зь — один из видов космической радиосвязи, основанный на использовании искусственных спутников земли в качестве ретрансляторов. Спутниковая связь осуществляется между земными станциями, которые могут быть как стационарными, так и подвижными.

Рисунок 3.1 – Антенны земной станции связи

Спутниковая связь является развитием традиционной радиорелейной связи путем вынесения ретранслятора на очень большую высоту (от десятков до сотен тысяч км). Так как зона его видимости в этом случае — почти половина Земного шара, то необходимость в цепочке ретрансляторов отпадает — в большинстве случаев достаточно и одного.

Спутник является устройством связи, принимающим сигналы с земной станции (ЗС). Получив сигнал, спутник усиливает его и передает на все земные станции, расположенные в зоне его видимости. Спутники связи располагаются на земных орбитах, период которых равен периоду определенной отметки на поверхности Земли. Это достигается размещением спутника в плоскости экватора на расстоянии 35800 км над заданным местом. Таким образом, расстояние до спутника от любой точки планеты в четыре раза больше, расстояния между самыми удаленными точками на Земле.

Спутник не инициирует и не отображает никакой пользовательской информации за исключением сигналов контроля и коррекции возникающих технических проблем и сигналов его позиционирования. Спутниковая передача начинается с некоторой земной станции (ЗС), проходит через спутник и заканчивается в одной или большем количестве ЗС.

Рисунок 3.2 - Спутник связи Syncom-1

Устойчивость спутника и заданная ориентация его антенны поддерживается с помощью его системы стабилизации. В том случае, когда возникает необходимость корректировки положения спутника, на него передаются команды, которые включают специальное энергетическое оборудование, осуществляющее корректировку. Срок жизни спутника связи составляет обычно около 10 лет.

От других систем связи спутниковые системы связи (ССС) отличают некоторые уникальные особенности. Во-первых, стоимость передачи сигналов через спутник не зависит от расстояния между земной станцией, передающей сигнал, и станцией, его принимающей. Кроме того, эта стоимость не зависит и от числа принимающих станций. Во-вторых, спутниковая связь имеет широкую полосу пропускания (432-864 МГц), что позволяет ССС принимать и передавать большой объем информации. И, наконец, вероятность ошибки ССС очень мала.

Однако, как и любая другая система, ССС имеет и ряд недостатков. К ним относится, во-первых, значительная задержка распространения, особенно ощутимая при телефонном соединении, что делает неэффективным использование ССС при неадаптированной к ней передаче данных. Во-вторых, любая станция, настроенная на определенную частоту, может принимать информацию, транслируемую спутником, а, соответственно, защита от несанкционированного доступа к передаваемой информации может быть достигнута лишь с помощью шифрования сигналов. И третьим недостатком является влияние плохой погоды на сигналы спутника, действующие в определенных частотах.

В первые годы исследований в ССС использовались пассивные спутниковые ретрансляторы (примеры — спутники «Эхо» и «Эхо-2»), которые представляли собой простой отражатель радиосигнала (часто — металлическая или полимерная сфера с металлическим напылением), не несущий на борту какого-либо приёмопередающего оборудования. Такие спутники не получили распространения.

Все современные спутники связи являются активными. Активные ретрансляторы оборудованы электронной аппаратурой для приема, обработки, усиления и ретрансляции сигнала.

Орбиты, на которых размещаются спутниковые ретрансляторы, подразделяют на три класса: экваториальные, наклонные, полярные.

Рисунок 3.3 - Орбиты: 1 — экваториальная, 2 — наклонная, 3 — полярная

Важной разновидностью экваториальной орбиты является геостационарная орбита. Геостационарная орбита – орбита, на которой спутник вращается с угловой скоростью, равной угловой скорости Земли, в направлении, совпадающем с направлением вращения Земли. Она находится в плоскости экватора и имеет нулевое наклонение круговой орбиты (рисунок 3.5) с радиусом 35785 км. Такой спутник совершает один оборот вокруг Земли точно за одни земные сутки. Если направление его движения совпадает с направлением вращения Земли, то с поверхности Земли он кажется неподвижным. Т.е. приемник в зоне обслуживания «видит» спутник постоянно.

Рисунок 3.4 – Расположение геостационарной орбиты

Ни при каком другом сочетании указанных параметров орбиты нельзя добиться неподвижности КА относительно наземного наблюдателя. Антенны станций, работающих с геостационарным спутником, не требуют сложных систем наведения и сопровождения, а в случае необходимости могут быть установлены устройства для компенсации небольших возмущений орбиты.

Благодаря этому обстоятельству в настоящее время почти все спутники связи, предназначенные для коммерческого использования, находятся на геостационарной орбите. Примерно в одной позиции на одной географической долготе могут находиться несколько КА, расположенных на расстоянии около 100 км друг от друга.

Спутниковая линия связи с ретранслятором на геостационарной орбите имеет ряд серьезных преимуществ:

- отсутствие устройства сопровождения КА в антенной системе наземного комплекса;

- высокая стабильность уровня сигнала в радиоканале;

- отсутствие эффекта Доплера;

- простота организации связи в глобальном масштабе.

Однако геостационарная орбита одна, и все спутники вывести на неё невозможно, возникает перенасыщенность геостационарной орбиты на многих участках. Другим её недостатком является больша́я высота, а значит, и бо́льшая цена вывода спутника на орбиту. Кроме того, спутник на геостационарной орбите неспособен обслуживать земные станции в приполярной области. Вблизи полюсов геостационарный КА виден под малым углом места, а у самых полюсов не виден вообще. Ввиду малости угла места происходит затенение спутника местными предметами, увеличение шумовой температуры антенны за счет тепловых шумов Земли, повышение уровня помех от наземных радиотехнических средств. Уже на широте 75° прием затруднителен, а выше 80° — почти невозможен.

Наклонная орбита позволяет решить эти проблемы, однако, из-за перемещения спутника относительно наземного наблюдателя необходимо запускать не меньше трех спутников на одну орбиту, чтобы обеспечить круглосуточный доступ к связи.

Полярная орбита — предельный случай наклонной (с наклонением 90º).

При использовании наклонных орбит земные станции оборудуются системами слежения, осуществляющими наведение антенны на спутник. Станции, работающие со спутниками, находящимися на геостационарной орбите, как правило, также оборудуются такими системами, чтобы компенсировать отклонение от идеальной геостационарной орбиты. Исключение составляют небольшие антенны, используемые для приема спутникового телевидения: их диаграмма направленности достаточно широкая, поэтому они не чувствуют колебаний спутника возле идеальной точки.

В таблице 3.1 приведены некоторые характеристики различных орбит.

Таблица 3.1 – Характеристики орбит некоторых спутников

Период обращения (час)	Число витков в сутки	Высота круговой орбиты		Высота эллиптической орбиты (км)
	апогей	перигей

Количество спутников в орбитальной группировке определяется из суждений полного охвата обслуживаемой местности. К примеру, для низкоорбитальной группировки с орбитой 1000 км и при скорости спутника 7 км/с время видимости спутника составляет 14 минут; после чего спутник «уходит» за линию горизонта и, для обеспечения непрерывности связи, на замену ему должен приходить последующий, за ним – 3-ий и т. д. Т. о. количество спутников будет определяться отношением периода вращения спутника вокруг Земли к периоду нахождения спутника в зоне видимости. С повышение высоты орбиты возрастает время видимости спутника, соответственно, уменьшаются требования к численности орбитальной группировки, но, из-за роста дальности связи требуется наиболее сложное и дорогостоящее оборудование. Численность орбитальной группировки определяется компромиссом меж стоимостью и объемом оказываемых услуг и простотой и стоимостью подвижного спутникового терминала.

Обеспечение связи абонента, находящегося в зоне видимости 1-го спутника, с абонентом, находящимся в зоне видимости другого спутника, организуется связью через меж спутниковые ретрансляторы (по цепочке, пока информация не дойдет до спутникового ретранслятора второго абонента). В некоторых системах эту функцию делают шлюзовые станции, транслирующие информацию с одного спутника на другой.

Спутниковые ретрансляторы могут быть нерегенеративными и регенеративными. Нерегенеративный спутник, приняв сигнал от одной земной станции, переносит его на другую частоту, усиливает и передает другой земной станции. Спутник может использовать несколько независимых каналов, осуществляющих эти операции, каждый из которых работает с определенной частью спектра (эти каналы обработки называются транспондерами).

Регенеративный спутниковый ретранслятор производит демодуляцию принятого сигнала и заново модулирует его. Благодаря этому исправление ошибок производится дважды: на спутнике и на принимающей земной станции. Недостаток этого метода — сложность (а значит, гораздо более высокая цена спутника), а также увеличенная задержка передачи сигнала.

Проектирование ССС состоит из проектирования трех базисных частей: космического (галактического) сегмента, сигнальной части и наземного сегмента.

Космический сегмент охватывает вопросы проектирования спутника, расчета орбиты и запуска спутника.

Сигнальная часть включает вопросы определения используемого спектра частоты, влияния расстояния на организацию и поддержание связи, источники интерференции сигнала, схемы модуляции и протоколов передачи.

Наземный сегмент включает размещение и конструкцию ЗС, типы антенн, используемых для различных приложений, схемы мультиплексирования (объединения/разделения каналов), обеспечивающие эффективный доступ к каналам спутника.

Космический сегмент

Рисунок 3. 5 - Упрощенная схема бортового ретранслятора (3 ствола)

Главными компонентами спутника являются его конструкционные элементы, двигательные установки, центральный микропроцессор, системы управления положением (ориентации и стабилизации), система электропитания (батареи и солнечные батареи), радиоэлектронное оборудование бортового радиотрансляционного комплекса (система телеметрии, трекинга[1], команд), приемопередатчики и антенна.

Структура спутника обеспечивает функционирование всех его компонентов. Предоставленный сам себе спутник, в конечном счете, перешел бы к случайным вращениям, превратившись в бесполезное для обеспечения связи устройство. Устойчивость и нужная ориентация антенны поддерживается системой стабилизации. Размер и вес спутника ограничены в основном возможностями транспортных средств, требованиями к солнечным батареям и объему топлива для жизнеобеспечения спутника (обычно в течение десяти лет).

Телеметрическое оборудование спутника используется для передачи на Землю информации об его положении. В случае необходимости коррекции положения, на спутник передаются соответствующие команды, по получении которых включается энергетическое оборудование и коррекция осуществляется.

Типовая земная станция (ЗС) системы фиксированной спутниковой связи (ФСС) состоит из следующих основных узлов:

- станция космической связи (СКС);

- каналообразующая аппаратура (КОА);

- оконечное оборудование;

- аппаратура соединительных линий.

Перечисленные узлы содержат:

- центр управления системой;

- центр пуска КА;

- центр управления связью;

- шлюзовые станции.

Дата добавления: 2013-12-13