ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СЯВЗИ, ИНФОРМАТИЗАЦИИ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РЕСПУБЛИКИ УЗБК\ЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Кафедра Технологий мобильных систем

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИИ

ПО КУРСУ

СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ

Составитель: ст. пр. Хатамов А.П.

Ташкент 2014

Лекция №1

ВВЕДЕНИЕ

Современные организации характеризуются большим объемом различной информации, в основном электронной и телекоммуникационной, которая проходит через них каждый день. Поэтому важно иметь высококачественный выход на коммутационные узлы, которые обеспечивают выход на все важные коммуникационные линии.

Спутниковые системы связи (ССC) известны давно, и используются для передачи различных сигналов на протяженные расстояния. С момента своего появления спутниковая связь стремительно развивалась, и по мере накопления опыта, совершенствования аппаратуры, развития методов передачи сигналов произошел переход от отдельных линий спутниковой связи к локальным и глобальным системам.

Такие темпы развития ССC объясняются рядом достоинств которыми они обладают. К ним, в частности, относятся большая пропускная способность, неограниченные перекрываемые пространства, высокое качество и надежность каналов связи. Эти достоинства, которые определяют широкие возможности спутниковой связи, делают ее уникальным и эффективным средством связи. Спутниковая связь в настоящее время является основным видом международной и национальной связи на большие и средние расстояния. Использование искусственных спутников Земли для организации связи продолжает расширяться по мере развития существующих сетей связи.

Принцип организации спутниковой  связи

Принцип спутниковых систем связи заключается в передачи УВЧ и СВЧ сигналов с земных станций в сторону ИСЗ и ретрансляции их всем земным станциям, находящимся в зоне видимости спутника. (Рис.1). Это дает возможность обеспечить одним ретранслятором связь каждого пункта с любым другим пунктом, находящимся на прямой видимости относительно земной поверхности.

Рис. 1. Организация спутниковой связи

По мере увеличения высоты полета ИСЗ возрастает зона обслуживания ретранслятором. Расстояние между двумя земными станциями может составить примерно 17 тыс. км.

В зависимости от наличия на борту ИСЗ радиоаппаратуры для усиления ретранслируемых сигналов принципиально важно создание системы радиосвязи с пассивным и активным ИСЗ. В основном используется активный ретранслятор.

При активной ретрансляции сигналы наземного передатчика принимаются бортовой аппаратурой ИСЗ, усиливаются и ретранслируются к приемнику корреспондента. В общем случае возможна либо немедленная ретрансляция, либо задержанная ретрансляция, в которой приемная бортовая аппаратура при полете ИСЗ над одним из корреспондентов информация передается второму корреспонденту спустя некоторое время. Задержанная ретрансляция позволяет осуществлять дельную симплексную связь через ИСЗ, если пункты приема и передачи не находятся в зоне одновременной видимости с борта ИСЗ. Преимуществами задержанной ретрансляции  является возможность передачи информации отдельным корреспондентам при пролете ИСЗ на низких орбитах. В этом случае энергетика систем связи позволяет обойтись достаточно простым наземным оборудованием.

Бортовое оборудование ИСЗ усложняется из-за необходимости иметь устройство памяти. Активная немедленная ретрансляция между теми же корреспондентами вообще может быть невозможна.

Для передачи информации используется только системы связи с активной немедленной ретрансляцией. Обобщенная структурная схема системы спутниковой связи представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Обобщенная структурная схема системы спутниковой связи

Бортовая аппаратура в этом случае представляет собой ретранслятор с усилением по высокой  или промежуточной частоте  и переносом спектра сигнала. Это промежуточная станция РРС, размещенная на ИСЗ.

Орбиты и зоны видимости ИСЗ

Траектория движения спутников Земли и, следовательно время совместного видения ИСЗ корреспондентами определяются орбитой. Основные характеристики орбиты: наклонная плоскость орбиты к плоскости экватора; высота апогея (нижней точки орбиты) и перигея (высшей точки орбиты). При круговой орбите (высоты апогея и перигея равны) скорость обращения ИСЗ вокруг Земли зависит от радиуса орбиты.

Для наземного наблюдателя период обращения спутника определяется орбитой и направлением движения спутника  относительно Земли. Так, при движении спутника по экваториальной орбите в сторону движения Земли наблюдаемый период обращения будет всегда больше сидерического, причем если сидерический равен 24 ч, то наблюдаемый период будет равен бесконечности, поскольку спутник будет казаться неподвижным относительно неземного наблюдателя. Эта орбита называется геостационарной. Высота над поверхностью Земли спутника, находящегося на стационарной орбите составляет примерно 36 тыс. км.

Зона видимости с геостационарного спутника охватывает почти 30% поверхности Земли. Три таких спутника, выведенные в точки, отстоящие друг от друга на 120⁰, в состоянии обеспечить связь подавляющей территории земного шара (рис.3).

Рис.3. Расположение спутников на орбите

На траекторию движения ИСЗ кроме главного фактора – притяжения Земли – влияют притяжение Луны и солнца, магнитное поле, неидеальная сферичность Земли и так далее. Спутник на геостационарной орбите также подвержен возмущениям, вследствие которых, если не производить коррекции, он будет двигаться, совершая суточные колебания в виде восьмерки. Для удержания спутника связи в заданной точке небесной  сферы на нем устанавливаются корректирующие двигательные установки.

Геостационарная орбита является уникальной, и в настоящее время на нее запускается большая часть спутников связи. Недостатком ИСЗ, находящихся на геостационарной орбите, является невозможность осуществления связи с приполярными районами земного шара, расположенными выше 75 градусов северной и южной широты. Поэтому для обслуживания большой территории весьма удобно элиптическая орбита. Впервые на эту орбиту был запущен спутник «Молния», предназначенный для передачи телевидения и многоканальной телефонии и телеграфной связи.

Схема дальней связи с использованием спутника «Молния» представлена на рисунке 4.

Рис.4. Орбита спутника «Молния»

Орбитальные данные спутника типа «Молния»: эллиптическая орбита с перигеем равным 548 км, апогеем 39957 км и наклонением к плоскости экватора примерно 60⁰. Апогей орбиты находится над северным полушарием, а перигей – над южным. Период обращения спутника равен примерно 12 ч. Такая орбита очень удобна, поскольку ежесуточно ИСЗ совершает точно два оборота вокруг Земли. Для обеспечения круглосуточной связи на такую орбиту были запущены дополнительные спутники.

Средневысотные спутниковые системы связи являются  промежуточным  звеном между геостационарными и низкоорбитальными. ИСЗ средневысотных спутниковых систем связи  располагаются в основном на круговых орбитах, находящихся на вы сотах от 5000 до 15000 км.  Для полного покрытия территории Земли  требуется несколько ИСЗ.

В средневысотных спутниковых системах связи осуществляется  многократная ретрансляция сигналов земных станций через ИСЗ а сами  космические аппараты должны иметь возможность одновременно работать с несколькими земными станциями. ИСЗ при этом представляет собой ретранслятор, имеющий, как правило, несколько стволов.

Достоинства средневысотных спутниковые системы связи является:

– более высокие  характеристики обслуживания  за  счет  увеличения  рабочих  углов  места  и  числа  ИСЗ, находящихся одновременно в поле зрения наземного абонента; 

– сравнительно невысокие значения задержки сигналов при проведении сеансов связи;

–  улучшенные  энергетические  показатели  спутниковых систем связи в  целом  и  возможность обеспечения персональной связи непосредственно с ИСЗ при  относительно небольших энергетических затратах.

Недостатки средневысотных спутниковых систем связи :

– более низкая чем у геостационарных спутниковых систем связи продолжительность пребывания в зоне радиовидимости земных станций (1,5 – 2 ч).

В низкоорбитальных спутниковых системах связи в  зависимости от наклонения плоскости орбиты относительно экватора различают низкие экваториальные (α = 0⁰), полярные (α = 90⁰) и наклонные (α ≠ 0⁰) орбиты.

Достоинствами низкоорбитальных спутниковых систем связи являются:

 –  значительно лучшие энергетические показатели в сравнении с геостационарной и среднеорбитальной орбитами;

–   возможность  организации  персональной  связи  при  меньшем расходе энергии для связи.

Недостатки:

–   малая продолжительность сеанса связи с одним ИСЗ;

–   меньшее время активного существования в сравнении с остальными системами, что вызвано, во-первых, тем, что большая часть времени ИСЗ находится на теневой стороне Земли,

–   большая  подверженность к деградации орбит, связанной  с

влиянием атмосферы.

Несколько слов об особенности систем связи с использованием ИСЗ.

В отличие от других систем, в системах спутниковой связи большое расстояние, преодолеваемое радиосигналом, приводит к существенным запаздываниям передачи. При симплексной передачи сигналов это вызывает какие-либо трудности. При дуплексной связи такое запаздывание несколько затрудняет разговор из-за вынужденных пауз, а также определяет мешающее действие эхо-сигналов, возникающих в каналах связи. Для устранения данного эффекта используют эхо-заградители.

Также в спутниковых системах связи наблюдается доплеровский сдвиг, который может достигать десятков килогерц для низколетящих ИСЗ и составляет несколько герц для стационарного ИСЗ. При передачи широкополосных сигналов доплеровский сдвиг кроме переноса спектра сигнала вызывает деформацию спектра.

Выбор частоты для передачи данных от земной станции к спутнику и от спутника к земной станции не является произвольным. От частоты зависит, например, поглощение радиоволн в атмосфере, а также необходимые размеры передающей и приёмной антенн.

Частоты, используемые в спутниковой связи, разделяют на диапазоны, обозначаемые буквами (таблица 1).

Таблица 1.

Название диапазона	Рабочие частоты	Применение
L	1,5 ГГц	Подвижная спутниковая связь
S	2,5 ГГц	Подвижная спутниковая связь
С	4 ГГц, 6 ГГц	Фиксированная спутниковая связь
Ku	11 ГГц, 12 ГГц, 14 ГГц	Фиксированная спутниковая связь, спутниковое вещание
K	20 ГГц	Фиксированная спутниковая связь, спутниковое вещание
Ka	30 ГГц	Фиксированная спутниковая связь, межспутниковая связь

Спутниковая система связи представляет собой большую систему, для создания которой необходим ряд комплексов:

1. Ракетно – космический комплекс.

2. Искусственный спутник земли (ИСЗ).

3. Земные станции (ЗС).

4. Система управления работой земных станций и ретрансляторов.

5. Система контроля показателей качества аппаратуры и каналов связи, различные вспомогательные системы (электропитания и так далее).

Лекция №2

Качественные показатели каналов спутниковой связи

Требования к каналам связи, вообще говоря, не должны завесить от того, при помощи каких физических средств организуется  этот канал; действительно, качество представленного потребителю телевизионного изображения должно быть одинаково высоким независимо от  того, передается это изображение по кабельной линии или через спутник. Единые нормы на допустимые искажения тех или иных видов передаваемых сообщений действительно существует и установлены как международными соглашениями, причем в основном международные и внутрисоюзные нормы совпадают. Тем не менее специфические особенности линии связи, использующих ИСЗ, и некоторые трудности их создания заставили Международный консультативный комитет по радио (МККР) принять в некоторых случаях специальные рекомендации по качественным показателям линий спутниковой связи.

Рекомендация ММКР устанавливает, что гипотетическая эталонная цепь для систем связи с помощью спутников состоит из одной линии Земля – Спутник – Земля.

Качественные показатели каналов спутниковой связи

для передачи телевидения

Наиболее очевидной особенностью, отличающей канал телевидения от каналов для большинства других сообщений, является широкая полоса частот. Нижняя граница полосы частот определяется частотой полей и для обычного стандарта равна 50 Гц. Верхняя граница в соответствии с рекомендацией МККР может быть различной в зависимости от стандарта данной страны – от 3 до 10 МГц. Для отечественного стандарта верхняя частота составляет 6 МГц. Эта полоса достаточна для полной реализации четкости цветного изображения. Поэтому целесообразно стремиться именно к этому значению.

Отношение сигнал к шуму является самым важным показателем спутниковой линии, в наибольшей степени влияющей на сложность и стоимость линии.

Рекомендация МККР общая для линий дальней передачи цветного телевидения, устанавливает норму шумов не хуже 57 дБ при полосе в 6 МГц, в течении времени, превышающей 1% времени любого месяца; в течении времени, превышающего 0,1% допускается увеличение шумов не более чем на 8 дБ. Также допускается отношение шума к сигналу 55 дБ для 99% времени. Следует, однако, помнить, что в течение короткого времени можно допустить большие шумы, чем в 55дБ. , т.е. при планировании линии по этой норме, не следует  принимать во внимание одновременное стечение максимально неблагоприятных обстоятельств (сильного дождя, наибольшей ошибки ориентации всех антенн и т.д.).

Спутниковую линию обычно можно приравнивать наземной линии длиной 5000 -7500 км. При такой длине отечественные нормы допускают увеличение шумов до 52 – 54 дБ.

Качественные показатели ЗВ ТВ и ЗВ спутниковых систем, организованных аналоговыми методами, соответствуют качественным показателям магистрального канала ЗВ (таблица 2).

Таблица 2

Параметр	Нормированные значения параметров каналов звукового вещания
	Высший класс	I класс	II класс
Нормированная полоса эффективно передаваемых частот, Гц.	30 - 150000	50 - 100000	100 - 6300
Амплитудно-частотная характеристика не более, дБ (в полосе частот, кГц)	-2,0 (0,04…0,125) -0,0 (0,125…10,0) 12,0 (10,0..15,0)	-4,5 (0,05…0,1) -2,6 (0,1…0,2) -1,8 (0,2..6,0)	-4,5 (0,05…0,1) -2,6 (0,1…0,2) -1,8 (6,0..6,3)
Верхний предел АЧХ	±  0,5	±  1,8	±  1,8
Коэффициент нелинейных искажений не более, %	1,0 0,5 0,5	3,0 2,0 2,0	- 3,0 2,0

Качественные показатели каналов ТЧ

В спутниковых системах в соответствии с ГОСТ и рекомендации МСЭ необходимо обеспечить выполнение норм на допустимую мощность шума в канале ТЧ в точке нулевого относительного уровня:

Среднее за минуту псофометрическая мощность не должна превышать 20000 пВтОп в течении более 20% времени любого месяца;

Среднее за 1 минуту псофометрическая мощность не должна превышать 50000 пВтОп в течении более 0,3% времени любого месяца;

Среднее мощность невзвешанного шума, измеренная или вычисленная в течении 5 мс, не должна превышать 1000000 пВтО в течении более 0,01% времени любого года.

В долговременную (т.е. выполняемую в течении большой части времени работы канала) норму на шумы включаются шумы (1000 пВтОп) из-за помех от радиорелейных линий, работающих совместно используемых диапазонах частот, и шумы (до 250 пВтОп) из-за помех от других спутниковых систем связи, также работающих в общей системе.

Нормирование цифровых каналов и трактов

В существующих спутниковых системах кроме основного цифрового канала, работающего на скорости 64 кбит/с, могут организовываться тракты, отвечающие следующим иерархии скоростей: 2048-8448-34368-13964 кбит/c. Вторая иерархия скоростей, используемая в США и Японии. 1544-6312-32064 кбит/с .

Для цифровых систем передач, образованных с помощью наземных и спутниковых систем передачи, регламентируются требования к стыку цифровых каналов и трактов, а именно требования на сопротивление, уровни, коды, форму импульсов в зависимости от скорости и т.д., требования на искажения, вносимые цифровым трактом или каналом, ошибки, фазовые дрожания и проскальзывания. Спутниковые каналы и тракты должны, как правило, отвечать требованиям на стандартные стыки, согласно рекомендациям МСЭ.

Для нормирования спутниковых цифровых каналов и трактов, рассчитанных на передачу с различными иерархическими скоростями, для одноканальных и многоканальных МДЧР систем и систем с МДВР используют гипотетический эталонный цифровой канал или тракт, разработанный в соответствии с рекомендацией МСЭ. ГЭЦТ спутниковых линий по своему назначению, составу, функциям и принципам нормирования эквивалентен магистральному участку цифрового канала или тракта цифровой ВСС.

В настоящее время разработаны два типа норм на коэффициент ошибок (К_ош) при передачи речи со скоростью 64 кбит/с с методом ИКМ используемые в спутниковой телефонии.. В цифровых каналах  и трактах нормируются К_ош, фазовые дрожание, проскальзывание. Наиболее распространенным параметром является норма на К_ош.

Коэффициент К_ош на выходе ГЭЦТ не должны превышать следующие значения:

10^-6 – среднее за 10 мин в течение более чем 20% любого месяца;

10^-4 – среднее за 1 мин в течение более чем 0,3% любого месяца;

10^-5 – среднее за 1 с в течение более чем 0,05% любого месяца.

Приведенные нормы должны выполняться с учетом того, что на входе могут действовать помехи от наземных и спутниковых систем, составляющие в сумме до 30% суммарных шумов, девствующих на входе приемника.

Передача звукового и телевизионного сигналов требует долговременного коэффициента ошибки лучше 10^-9 при условии, что ошибки носят случайный характер, поэтому в аппаратуре АЦП для ЗВ и ТВ сигналов применяется помехоустойчивое кодирование.

Предложенная в рекомендации МСЭ формулировка норм на К_ош отличается от формулировки норм в ГЭС, нормы сформированы с учетом интересов потребителя – они длительности телефонного разговора, составляющие единицу времени.

Для спутникового ГЭЦТ нормы, составляющие примерно 20% от норм на проценты периода усреднения, в  течении которых К_ош превышает пороговую величину ошибки, они даны в следующей редакции:

Меньше 2% одноминутных интервалов могут иметь К_ош хуже 10^-6;

Меньше 0,03% односекундных интервалов могут иметь К_ош хуже 10^-3;

Меньше 1,6% односекундных интервалов могут иметь ошибки.

Разработаны также рекомендация для допустимых характеристик ошибок для ГЭЦТ, действующей на скорости, равной или превышающей скорости первичного цифрового тракта, т.е. на скорости 2048 и 1544 кбит/с и выше для различных иерархий.

В соответствии с этой рекомендацией будущие и где это возможно, существующие спутниковые линии, входящие в состав коммутируемых сетей общего пользования,  действующие на скорости, равной или превышающей скорости первичного тракта, должны быть спроектированы так, чтобы по крайней мере удовлетворяли требования, установленные МСЭ.

Для полного соответствия  требования вероятность ошибки по битам (ВЕР), деленная на среднее число ошибок в пакете (ВЕР/α) на выходе спутникового ГЭЦТ, составляющего часть международного соединения, действующего на скорости, равной или превышающей  скорость ПЦТ, включая 155 Мбит/c, не должна превышать в течение всего времени норм для проектирования, заданных величин, указанными в таблице 3.

Таблица 3.

Скорость передачи, Мбит/с	Процент от полного времени	ВЕР/α
1,5	0,2 2,0 10,0	7 · 10^-7 3 · 10^-8 5 · 10^-9
2,0	0,2 2,0 10,0	7 · 10^-6 2 · 10^-8 2 · 10^-9
6,0	0,2 2,0 10,0	8 · 10^-7 1 · 10^-8 1 · 10^-9
51,0	0,2 2,0 10,0	4 · 10^-7 2 · 10^-8 2 · 10^-10
155,0	0,2 2,0 10,0	1 · 10^-7 1 · 10^-9 1 · 10^-10

Фазовое дрожание сигналов тактовой синхронизации определяется как кратковременное отклонение значащих моментов цифрового сигнала от их идеальных положений во времени. В линейных трактах спутниковых систем передачи в зависимости от причины появления различаются два вида дрожания: 1) из-за выравнивания скоростей, которые вызываются введением и исключением бит выравнивания в процессе разделения и уплотнения во времени цифровых сигналов при асинхронном вводе цифрового сигнала; 2) из-за искажений  при восстановлении сигналов тактовой частоты в процессе регенерации и неидеальности линейных цепей ВЧ трактов спутниковых линий.

В цифровых трактах нормируют проскальзывание по битам, выражающиеся в отсутствии непрерывности в потоке бит, поступающих на вход цифровой системы передачи. Определены два типа проскальзования:1)нерегулярные, представляющие собой изменение числа цифровых позиций, возникающие из-за отклонения в процессе синхронизации, вызванные трактом передачи или коммутацией цифрового сигнала; 2) регулярные, представляющие собой предусмотренные потери или появления нескольких последовательных цифровых позиций в цифровом сигнале при изменении скорости передачи цифрового сигнала во время работы данной аппаратуры или сети с другой аппаратурой или сетью.

Лекция №3

ТЕХНОЛОГИИ ЦИФРОВОЙ СВЯЗИ

Особенностью спутниковых систем связи является необходимость работать в условиях сравнительно низкого отношения сигнал/шум, вызванного несколькими факторами:

· значительной удалённостью приёмника от передатчика,

· ограниченной мощностью спутника (невозможностью вести передачу на большой мощности).

В связи с этим спутниковая связь плохо подходит для передачи аналоговых сигналов. Поэтому для передачи речи её предварительно оцифровывают, используя, например, импульсно-кодовую модуляцию (ИКМ).

Для передачи цифровых данных по спутниковому каналу связи они должны быть сначала преобразованы в радиосигнал, занимающий определённый частотный диапазон. Для этого применяется модуляция (цифровая модуляция называется также манипуляцией). Наиболее распространёнными видами цифровой модуляции для приложений спутниковой связи являются фазовая манипуляция и квадратурная амплитудная модуляция.

Модуляция производится на земной станции. Модулированный сигнал усиливается, переносится на нужную частоту и поступает на передающую антенну. Спутник принимает сигнал, усиливает, иногда регенерирует, переносит на другую частоту и с помощью определённой передающей антенны транслирует на землю.

Из-за низкой мощности сигнала возникает необходимость в системах исправления ошибок. Для этого применяются схемы помехоустойчивого кодирования.

Стандарт DVB-S разработан европейским консорциумом DVB Project и предназначена для доставки служб многопрограммного TV вещания или ТВЧ в частотных диапазонах фиксированной и радиовещательной SAT служб (10,7…12,75 ГГц) с их непосредственным приемом на домашние интегральные приемники-декодеры, а также на приемники, подключенные к системам с SAT коллективными ТВ антеннами, и систем кабельного телевидения (СКТ) при первичном и вторичном распределениях программ TV вещания. В настоящее время практическое все цифровое SAT TV вещание на все пять континентов осуществляется по стандарту DVB-S.

Существует два основных способа цифровой передачи SAT сигналов:

· передача N сжатых цифровых сигналов на N несущих;

· мультиплексирование N сжатых цифровых сигналов и их передача на одной несущей.

Число программ TV вещания, которое можно передавать с помощью одного спутникового транспондера, зависит от требуемой скорости передачи информации, компонентного или композитного формата кодирования для источника сигнала, качества и разрешающей способности исходного изображения, критичности алгоритма сжатия к некоторым видам изображений и требуемого качества восстановленного изображения.

Достижения в области сжатия данных позволяет организовать большое количество цифровых высококачественных ТВ каналов с относительно низкими скоростями (менее 1 Мбит/с, что эквивалентно 20-25 TV каналов в стандартной полосе SAT канала величиной 27 МГц). Во многих случаях допустима и скорость в 400 кбит/с, что эквивалентно не менее 60 TV каналов с одного транспондера.

Структурная схема передающей части стандарта DVB-S показана на рис.5.

Рис.5. Структурная схема передающей части

Для SAT систем TV вещания характерны ограниченная мощность передаваемого сигнала и, следовательно, повышенная чувствительность к воздействию шумов и интерференционных помех. Совместное использование энергетически эффективной квадратурной фазовой модуляции QPSK и каскадного кодирования для канала на базе укороченного кода RS и сверточного кода в сочетании с алгоритмом декодирования Витерби с мягким решением обеспечивает высокую помехоустойчивость системы в условиях воздействия шумовых и интерференционных помех, а также нелинейности бортового ретранслятора (т.е. возможности работы при повышенной мощности). Благодаря согласованной фильтрации и прямому исправлению ошибок, высокое качество приема достигается даже в экстремальных условиях, когда уровень минимального сигнала близок к значениям, соответствующим пороговым значениям отношений несущая/шум (C/N) и несущая/интерференционная помеха (C/I). При этом гарантируется не более одной ошибки в час, что эквивалентно вероятности ошибок около 10 -10…10 -11 на входе демультиплексера MPEG-2 в приемнике-декодере.

Для согласования передаваемого сигнала с полосой и энергетическими характеристиками конкретного транспондера устанавливается требуемое соотношение BW/R_s, где BW – полоса транспондера по уровню – 3 dB, R_s – скорость передаваемых символов. Так, для модуляции QPSK, скорости сверточного кода R и скорости RS-кода 188/204, соответствующая скорость передачи информационных символов составит:

R_U = R(2R_s)(188/204) = 1,843 R R_s.

Для данной скорости символов Rs может быть выбрано одно из 5 значений кодовой скорости внутреннего сверточного кода, что соответственно изменяет полученную скорость символов R_U и спектральную эффективность системы C_U=R_U/BW.

основным видом модуляции в стандарте DVB-S принята QPSK (в отечественной литературе иногда именуется как ФМ-4), хотя в отдельных случаях могут использоваться 8 PSK (ФМ-8) и даже 16 QAM (КАМ-16).

Применение помехоустойчивого кодирования позволяет значительно снизить требуемое для работы демодулятора с QPSK отношение Е_б/N₀ (отношение энергии в одном байте информации к мощности шума), а для модуляции большей кратности пороговое значение Е_б/N₀ оказывается несколько выше (табл.4).

Таблица 4

Модуляция	Скорость внутреннего кода	Еб/N0
QPSK	1/2	4,5
	2/3	5
	3/4	5,5
	5/6	6
	7/8	6,4
8PSK	2/3	6,9
	5/6	8,9
	8/9	9,4
16QAM	3/4	9
	7/8	10,7

Стандарт системы второго поколения (DVB-S2) для видеовещания, интерактивных услуг, сбора новостей и других широкополосных спутниковых (SAT) приложений является дополнением к широко используемому стандарту SAT-вещания DVB-S. Новый стандарт был разработан консорциумом DVB Project (Digital video Broadcasting Project).

DVB-S2 – это DVB спецификация для широкополосных SAT применений второго поколения, разработанная на базе отработанных технологий DVB-S и DVB-DSNG (Digital Satellite News Gathering – цифровая спутниковая видео журналистика). Под DSNG обычно понимают передвижные системы передачи TV информации с мест событий, именуемые системами сбора новостей. Система DVB-S2 разрабатывалась в основном для:

· услуг TV вещания стандартной четкости (SDTV) и TV высокой четкости (ТВЧ или HDTV);

· интерактивных услуг, включая доступ в Internet.

В DVB-S2 используются современные виды модуляции, такие как QPSK, 8PSK, 16APSK и 32APSK, так и виды кодирования канала, что позволяет увеличить пропускную способность порядка 30% и более в сравнении с DVB-S. В пределах передаваемого потока данных может использоваться широкий набор адаптивного кодирования, модуляции и уровней защиты от ошибок (т.е. скорости кодирования). Посредством реверсного канала (а это может быть любой физический канал, включая и телефонные линии), информирующего передатчик о фактических условиях приема, могут быть оптимизированы параметры передачи для каждого индивидуального пользователя в режиме вещания “точка-точка”.

Для достижения компромисса между излучаемой мощностью и спектральной эффективностью, в DVB-S2 предусматривается расширенное число скоростей кодирования (1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 8/9 и 9/10) при различных форматах модуляции (QPSK, 8PSK, 16APSK и 32APSK).

Созвездия данных видов модуляции представлены на рисунке 6.

Рис.6. Созвездие QPSK, 8PSK, 16APSK и 32APSK  модуляций

Лекция №4

Линия спутниковой связи

Спутниковая линия связи состоит из двух участков (рис.2). Отличие заключается в необходимости учета особенностей участков Земля – ИСЗ и ИСЗ – Земля.

Мощность сигнала на входе приемника Р_с связана с мощностью Р_пд соотношением

Где L_пд  и L_пр – затухание в трактах передачи и приеме.

G_пд и G_пр  – коэффициенты усиления передающей и приемной антенны

V – потери энергии в свободном пространстве.

v – добавочное ослабление, учитывающее все дополнительные потери (в атмосфере, поляризационные и  т.д.)

Отношение сигнал/шум на входе приемника земной станции имеет вид

Поскольку линия связи состоит из двух участков, отношение мощности шума к мощности сигнала на входе земного приемника складывается из двух слагаемых:

(P_ш/P_c) = (P_ш/P_c)_с-з + (P_ш/P_c)_з-с

Энергетические соотношения на участках Земля – ИСЗ  и ИСЗ – Земля будут иметь следующие соотношения.

Для участка Земля – ИСЗ 

Для участка ИСЗ – Земля

Расстояние между земной передающей станцией и ИСЗ d _з-с и ИСЗ   и приемной станцией d _с-з могут быть приняты равными, по крайней мере, для стационарного ИСЗ и для апогея 12 – часовой орбиты.

При обычно используемых соотношениях длин волн на участках Земля – ИСЗ и ИСЗ – Земля затухания в фидерных линиях могут быть приняты приблизительно равными.

Шумовая полоса спутниковой системы связи определяется полосой земного приемника.

Дополнительное ослабление сигнала v_з-с  и  v _с-з определяются поглощением электромагнитной энергии в атмосфере и возможностью поляризационных потерь.

При использовании одинаковой поляризации потери равны нулю.

В спутниковых системах связи обычно вводиться параметр изотропно – излучаемой мощности, которая характеризует сумму мощности передатчика и коэффициента антенны, а также энергетическая добротность земной станции, как отношение коэффициента усиления к уровню шума.

    Шумовая температура земного приемника определяется как мощность собственных шумов приемного устройства, и мощности шумов, определяющих антенно – волноводным трактом, а также мощностью шумов антенны, определяемых воздействием на нее теплового излучения Земли и атмосферы и так далее. Следовательно,

Т_з = Т_пр + Т _авт + (Т_а + Т_косм)/L_з

Шумовая температура бортового приемника определяется как,

Т_с = Т_з + Т _амт + bТ_косм + Т_фл.с

Где Т_фл.с  - шумовая температура ботового приемника.

Приведенные формулы устанавливают связь между основными параметрами линии и являются исходными соотношениями для вывода уравнения спутниковой линии связи.

На рисунке 7 приведена структурная схема диаграммы уровней сигналов линий спутниковой связи, состоящей из двух участков.

Рис.7. Диаграмма уровней сигнала спутниковой линии связи

Лекция 5

Многостанционный доступ ССС

Охват большой территории антенной ИСЗ позволяет увеличить коэффициент использования канала связи по сравнению с наземными системами связи. Для этого необходимо обеспечить организацию свободного и независимого доступа большого числа земных станций на общей ретранслятор  ИСЗ и желательно управление маневрированием каналов в сети связи. Многостанционный доступ – одновременная работа большого числа земных станций через один спутниковый ретранслятор  - позволяет создать сеть  связи, в которой возможна одновременная организация как магистральных одно- и многоканальных систем связи с центром, так и систем связи типа «каждый с каждым».

Как и в обычных многоканальных системах, в спутниковых системах связи разделение возможно тремя основными способами: по времени, по частоте и по форме. Отличие от систем многоканальных состоит в том, что групповой сигнал образуется непосредственно на ретрансляторе ИСЗ земными станциями, удаленными друг от друга на большие расстояния. Для распределения каналов на приеме, как обычно, необходимо обеспечить организованность сигналов в частотной или временной области или по форме.

Сформулируем основные требования к системе многостанционного доступа. Необходимо отметить:

1. Эффективное использование мощности ретранслятора (при условии выполнения нормы на шумы в каналах связи).

2. Максимально возможное использование полосы частот ретранслятора.

3. Доступный уровень переходных помех.

4. Гибкость системы с помощью управления сетью связи при перераспределении каналов и изменении трафика с учетом экономических факторов. Для обеспечения гибкости целесообразно обеспечить работу с незакрепленными каналами, хотя это  и приводит к некоторому усложнению: приходиться передавать корреспондентам сведения о наличии свободных каналов как на борт ретранслятора ИСЗ, таки на Землю и сигналы набора номера.

Многоадресное и одноадресное построение группового сообщения.

При многоадресном построении каждая из n земных станций передает в одном стволе все сообщения, предназначенные остальным n-1 станциям. На приеме эти станции выделяют из группового сигнала «свои» сообщения. Такое построение требует наличия на каждой станции n-1 комплекта приемного оборудования.

При одноадресной системе передачи каждая станция занимает «свои» каналы в n-1 стволах ретранслятора, предназначенных каждый определенной станции.

 На приеме все сигналы данной станции, следовательно, оказываются в одном стволе, что существенно уменьшает объем приемного оборудования, однако при этом существенно усложняется передающее оборудование.

Возможно смешанное построение стволов, при котором на борту ИСЗ происходит переформирование многоадресного построения стволов в одноадресное.

Рассмотрим способы многостанционного доступа.

Наиболее распространенным способом – многостанционный доступ с частотным распределением каналов. При данном методе каждому сигналу отводиться некоторая полоса частот. Внутри этой полосы частот сигнал может быть образован различными видами модуляции. В современных системах связи используется, например, метод частотного разделения каналов и частотной модуляции, а также метод импульсно-кодовой модуляции сигналов каждого канала с последующей двукратной относительной фазовой манипуляцией. При расстановке частотных полос внутри полосы пропускания ретранслятора предусматриваются защитные интервалы необходимые для обеспечения отсутствия влияния соседних сигналов. При использовании ЧРК – ЧМ на вход ретранслятора поступает сложный сигнал, представляющий собой сумму модулированных по частоте синусоидальных сигналов.

Прохождение сигнала при многостанционном доступе с частотным распределением каналов через бортовой ретранслятор, представляющий собой нелинейное устройство, вызывает появление целого ряда нежелательных явлений, затрудняющих прием и распределение сигналов.

К ним относятся:

1. Возникновение переходных помех из-за нелинейности передаточной характеристики такта передачи. При большем количестве каналов мощность переходных помех возрастает.

2. Возникновение переходных помех из-за преобразования амплитудной модуляции в фазовую. При детектировании каждого ретранслируемого сигнала дает как внятную, так и невнятную помеху.

Механизм внятной переходной помехи состоит в том, что сигнал, проходя тракт с неравномерной частотной характеристикой, преобразует амплитудную модуляцию, соответствующую закону изменения частоты в основном сигнале. Проходя далее через тракт, в котором имеет место амплитудно-фазового преобразование, сигнал приобретает фазовую модуляцию, также соответствующую первоначальной; фазовая модуляция после частотного детектирования и дает внятную переходную помеху.

3. Взаимное подавление сигналов разного уровня. Максимальное подавление сильным синусоидальным сигналом слабого составляет почти 6 дБ.

4.  Снижение выходной мощности ретранслятора, обусловленное возникновением продуктов нелинейности, на которые расходуется часть мощности оконечного усилителя ретранслятора. При усилении нескольких сигналов выходная мощность ретранслятора падает примерно на 1-2 дБ по сравнению с режимом усиления одного сигнала. Это приводит, например, к тому, что при усилении двух равных гармонических сигналов мощность каждого из них уменьшается по сравнению с усилением одного сигнала.

Перечисленные нежелательные явления определяют уменьшение пропускной способности системы спутниковой связи при многостанционной работе методом частотного разделения каналов по сравнению с системой передачи на одной несущей. Причем чем больше несущих, т.е. чем больше станций в сети, тем меньшее число каналов может быть передано. Так, ретранслятор способный пропустить 900 каналов на одной несущей, может обеспечить передачу всего примерно 420 каналов в режиме передачи по 60 каналам на каждой несущей (всего семь несущих). Дальнейшее дробление сигнала с целью получения одноканальной незакрепленной сети приводит к падению пропускной способности ретранслятора примерно до 20%. Вместе с тем, в одноканальном режиме появляется возможность повышения пропускной способности методом, учитывающим статистику телефонного сообщения. Используется известный факт – активное состояние телефонного канала не превышает 25 – 30% времени, остальное время уходит на вызов абонента, паузы между фразами и словами и слушание корреспондента. Если на это время выключать несущую, пропорционально уменьшиться загрузка и, следовательно, при прочих равных условиях в 3-4 раза  возрастает пропускная способность ретранслятора.

Частотный многостанционный доступ с временным разделением каналов различных земных станций лишен ряда недостатков, присущих многостанционному   доступу с частотным разделением каналов: не требуется регулирование мощности земных передатчиков, так как отсутствует взаимное подавление, выходная пиковая мощность ретранслятора максимальна независимо от числа передаваемых сигналов.

Основная трудность при временном разделении заключается в требовании чрезвычайно жесткой общесистемной синхронизации. Неточность синхронизации определяет ширину защитных временных интервалов (ЗИ), уменьшающих пропускную способность системы. Для спутника, движущегося по эллиптической орбите,  трудности синхронизации чрезвычайно велики из-за непрерывного и непрерывного изменения задержки. Геостационарные спутники с высокой точностью поддержания на орбите имеют некоторую эллиптичность орбиты, которая также приводит к изменению задержки примерно на 0,5 мс. Даже такое изменение задержки затрудняет вхождение каждой станции в синхронизм без помех другим станциям.

В основу синхронизации положен принцип передачи сообщений от земных станций в виде неперекрывающейся последовательности пакетов радиоимпульсов, которые поступают на борт ИСЗ в строго отведенные промежутки времени в течении цикла передачи кадра.

Синхронизация в системах с многостанционным доступом с временным разделением каналов включает в себя два этапа. Первый – вхождение в синхронизм. В течении этого этапа электромагнитные колебания, передаваемые земной станцией, должны занять место в отведенной им временном интервале. И второй – обеспечение заданной точности синхронизации в установившемся режиме.

Точность вхождения в синхронизм зависит в основном от точности определения расстояния до ИСЗ. Для этого, например, может быть применена схема синхронизации, в которой одна из станций задает тактовую частоту всей сети. Она передает специальную кодовую комбинацию. На ведомых станциях при вхождении на связь рассчитывается с высокой точностью требуемый интервал времени между этим синхропакетом ведущей станции и временем передачи своего сигнала так, чтобы с учетом всех факторов перекрытие переданного сигнала с сигналами других станций отсутствовало. В настоящее время достижимая точность синхронизации составляет десятки наносекунд.

Вместо ведущей земной станции для общесистемной синхронизации может быть использован высокостабильный генератор синхропакета, располагаемый на борту ИСЗ.

Основные элементы структуры сигнала при временном разделении каналов показаны на рис. 8.

Рис. 8. Структура сигнала при временном разделении каналов

Здесь Тк – период кадра, т.е. временного интервала, через который информация повторяется. Кадр начинается синхропакетом С, обеспечивающим общесистемную синхронизацию. Несовершенство системы синхронизации требует наличия защитного интервала ЗИ. Модулированный сигнал каждой станции занимает определенный интервал Тп в кадре. Он состоит из вводной В и информационной частей. Вводная часть предназначена для передачи служебных сигналов, таких, как сигналы восстановления частоты несущей и тактовой синхронизации (СУНТ), код  идентификации станции (КОС), код служебного канала и сигнализации Сл и т.д. В системах с временным разделением каналов вводная часть занимает емкость, соответствующую 10-12 каналам. Далее следует информационная часть, содержащая информацию, передаваемую поочередно всем станциям системы связи. В целом информационная часть может составлять 80 – 90% длины кадра. В течении времени Тк должен быть передан полный цикл сигналов всех станций. При высокой частоте повторения импульсов трудности общесистемной синхронизации возрастает. Существенное снижение частоты повторения импульсов может быть получено использованием трансформации масштаба времени (временной компрессии). Временная компрессия заключается в том, что сигнал перед передачей на земной станции подвергается временному сжатию. Сжатые во времени сигналы передаются в отведенной для станции моменты времени через  ИСЗ. Учитывая, что защитный интервал между импульсами станций может оставаться прежним, равным τ_зи компрессия позволяет требования к системе синхронизации, а также улучшить использование ретранслятора.

Многостанционный доступ и использование шумоподобных сигналов.

В спутниковых системах связи для многостанционной работы могут найти применение также и шумоподобные сигналы  (ШПС), разделение которых производиться по форме. Преимущества систем с ШПС определяются высокой помехозащищенностью передачи информации. Однако широкое использование их ограничивается существенно меньшей, чем при временном или частотном разделении, пропускной способностью.

Многостанционный доступ с коммутацией сигнала на борту спутника – ретранслятора (МДКБ). Идея многостанционного доступа с коммутацией сигнала на борту спутника – ретранслятора заключается в том, что на борту ИСЗ устанавливается кроме ретрансляторов коммутирующее устройство с временным разделением, обеспечивающее передачу полученных с земных станций сигналов только на те станции, которым эти сигналы адресованы (рис.9).

Рис.9. Распределение лучей

Такая система в сочетании с антеннами ИСЗ с узкой диаграммой направленности позволяет:

· Упростить и удешевить земные станции.

· Многократно использовать для передачи на участке ИСЗ – Земля одни и те же частоты излучения для работы с различными  районами земного шара. Это улучшает условия электромагнитной совместимости спутниковых и радиорелейных средств связи.

· Уменьшить вероятность вхождения в ретранслятор посторонних станций, не входящих в данную систему связи.

Лекция №6

СПУТНИКОВЫЕ СЕТИ

Спутник связи – важный элемент сети, в значительной степени определяющий  ее построение. При организации сети возможны различные варианты использования спутникового ретранслятора; выбор того или иного из них обусловлен требованиями, которым должна удовлетворять проектируемая сеть связи.

Простейший вариант использования спутника  в сети заключается в том, что станции сети непосредственно связываются между собой самостоятельными, независимыми между собой линиями связи, проходящими через спутник (рис.10).

Рис.10. Непосредственная связь через ИСЗ

Каждая такая линия должна быть дуплексной, т.е. содержать два сигнала, излучаемых каналов в линии от станции к станции может быть различным  и  определяется потребностями этих станций.

Однако сеть спутниковой связи с непосредственной связью станции по отдельным линиям не является оптимальным. Основной ее недостаток обусловлен необходимостью иметь большое число сравнительно маломощных самостоятельных линий связи:

· Во-первых, за счет худшего использования каналов в линиях (малого пучка каналов всегда имеют более низкий коэффициент использования);

· Во-первых, за счет худшего использования (по той же причине) мощности и полосы ретранслятора.

Системы спутниковой связи позволяют стоить значительно более эффективные сети. Одним из вариантов подобной сети является сеть с непосредственной связью станций, использующих не отдельные линии, а объединенные мощные пучки (группы) каналов.

Принцип работы такой сети заключается в следующем: одна из станций сети, например А, излучает всю свою информацию в общем мощном пучке каналов на спутник (рис.11). В этом подстволе одновременно передаются сообщения всем корреспондентам данной станции, т.е. в максимальном варианте в этом подстволе находиться сигналы, адресуемые к остальным станциям сети. Сигналы ретранслируются спутником и излучается на Землю, где принимаются этими станциями сети. Каждая  станция принимая многоканальный подствол, вначале разделяет его на индивидуальные каналы, а затем с помощью специальной системы коммутации выделяет из него только те каналы, которые адресованы именно ей.

Рис.11. Использование ретранслятора при непосредственной связи

В свою очередь, отвечая другой станции т.е. организуя ответный канал, эта станция вкладывает его в общий пучок совместно с каналами, адресованными и к остальным корреспондентам. При подобном методе работы в сети и на спутнике необходимо иметь всего несколько мощных многоканальных симплексных стволов связи, что является преимуществом этого метода.

Рассмотрим еще один возможный метод работы сети спутниковой связи, который называется как связь через центр. В данном случае также предполагается, что каждая станция сети, кроме одной центральной, излучает всю информацию, предназначенную ее корреспондентам, в одном общем многоканальном стволе. (рис.12).

Рис.12. Использование ретранслятора ИСЗ при организации сети со связью через центр

Однако сигналы этих подстволов принимаются только на одной центральной станции. Таким образом, центральная станция принимает информацию по подстволу со всех периферийных станций. Далее на центральной станции производится полное разделение всех принимаемых  подстволов до индивидуальных каналов и затем перекоммутация их.

Возможен, однако еще один, принципиально отличный вариант использования спутника при организации сетей связи. Речь идет об организации сети с многоканальными линиями связи, использующие спутник с коммутацией на борту. В такой сети каждая станция излучает на спутник всю информацию в одном многоканальном стволе. На спутнике информация со всех станций принимается, разделяется в соответствии с заложенными адресами, и формируется новые многоканальные стволы, направляемые со спутника каждый на соответствующую станцию. В такой сети и спутник, и земное оборудование использовались бы полностью и с этой стороны подобная система связи была бы оптимальной. Однако ретранслятор спутника превращается в столь сложное, громоздкое и дорогое сооружение, что вряд ли можно говорить о создании подобных спутников.

Из всего многообразия сетей связи, которые могут быть созданы путем использования ИСЗ, наиболее популярным является сеть циркулярной связи (рис.13).

Рис.13. Сеть циркулярной связи через ИСЗ

Под циркулярной связи понимается сеть, в которой в каждый данный момент излучается информация одной станцией, а принимают эту информацию многие станции. При этом все станции, принимающие информацию, не могут отвечать, т.е. сети существуют только симплексные. Наилучшим примером таких сетей могут служить сети передачи программ телевизионного и радиовещания.

Лекция 7

Земные станции

Построение земного комплекса системы спутниковой связи имеют много общего с построением аппаратуры радиорелейной линии связи. В общем случае применяются мощные усилители на передачи и чувствительные входные усилители, а также большие антенны.

Структурную схему земного комплекса рассмотрим на примере построения комплекса ГРАДИЕНТ. Аппаратура  (рис.14) позволяет обеспечить передачу многоканального телефонного сигнала или телевизионного сигнала совместно  со звуковым сообщением, подавая на вход (Вх) модулятора (М).

Рис. 14. Структурная схема передающего устройства земной станции

Здесь осуществляется модуляция колебаний промежуточной частоты, которые поступают к преобразователям (ПР). На выходе ПР получаются ЧМ колебания на указанной полосе частот мощностью 3 Вт.  Последующее усиление осуществляется в мощных усилителях (МУ) на клистронах. Выходы МУ подключены к переключателю Пк, с помощью которого можно подключить к устройству сложения (УС) первый или второй комплект ПР и МУ и тем самым осуществить резервирование этих блоков.

Отметим, что посредством УС к антенной системе можно подключить несколько таких же комплектов аппаратуры, т.е. осуществить передачу через одну антенну нескольких стволов, каждый из которых занимает соответствующую полосу. Контроль за работой осуществляется блоками К.

Отметим, что передающие устройства систем связи через ИСЗ отличаются от передающих устройств других систем связи тем, что в них производиться ограничение мощности и вводятся специальные сигналы дисперсии.

Что касается приемной части земных станций, то одной из основных особенностей является применение маломощных усилителей на входе и антенн с большим коэффициентом усиления, достигающим 52 …. 60 дБ. Для характеристики приемных земных станций удобно пользоваться параметром качества станции

D_пр = 10 lg (G/T_э)

Где: G – усиление антенной системы,

T_э  - эквивалентная суммарная температура.

Рассмотрим структурную схему приемного устройства  «Орбита» (рис. 15). Колебания, принимаемые антенной, проходят переключатель комплектов П и поступают на вход одного из маломощных охлаждаемых параметрических усилителя (МШУ), а затем – на вход преобразователя и предварительного усилителя ПЧ (ПР; ПУПЧ). С выхода ПУПЧ колебания поступают на основной УПЧ и частотный детектор, которые находятся в сойке П.

Рис. 15. Структурная схема приемного устройства «Орбита»

На выходе этой стойки в зависимости от вида принимаемого сигнала можно получить либо многоканальное телефонное сообщение, либо сигнал изображения совместно со звуковым сопровождением. Разделение последующих осуществляется фильтром Ф.

На рис.4. показано, что МШУ, ПР и ПУПЧ полностью резервированы, переход на резерв осуществляется автоматически переключателем П посредством аппаратуры контроля и резервирования (КР).

Данная аппаратура позволяет создавать и многоканальный вариант приема; для этого с выходов МШУ, колебания подаются на несколько параллельно включенным блоков ПР; ПУПЧ.

В приемных и передающих устройствах используются антенные системы с усилением 50 …60 дБ  и малыми боковыми лепестками – параболические антенны. Наряду с этим, антенная система должна обеспечить непрерывное слежение за движением ИСЗ. Это необходимо даже при использовании геостационарных ИСЗ, так как из-за неточностей выведения на орбиту они имеют некоторые перемещения и требуют коррекции движения. Отметим, что современные требования определяют допустимое смещение геостационарных ИСЗ, относительно номинального значения долготы. Поэтому антенные системы с узкой диаграммой направленности должны быть снабжены соответствующими поворотными устройствами, которые обеспечивают перемещение антенны в пространстве.

Лекция 8

БОРТОВОЙ  РЕТРАНСЛЯТОР

Одним из основных требований, предъявляемых ко всем комплексам, входящих в состав бортовой аппаратуры ИСЗ, является их высокая надежность, обеспечивающая безотказную работу аппаратуры в условиях космического пространства в течение длительного времени. Этому требованию должны отвечать не только отдельные детали и компоненты, входящие в состав аппаратуры, но и технологические приемы, используемые при изготовлении аппаратуры.

Выбор варианта схемы бортового оборудования должен определяться массой, размерами, потребляемой мощностью.

Рассмотрим построение структурных схем аппаратуры бортовых ретрансляторов на нескольких примерах.

На рис. 16. приведена структурная схема приемопередатчика системы «Молния». Прием и передача сигналов осуществляется общей антенной А, которая через разделитель Р₁  и фильтры Ф₁  и Ф₂  присоединяется ко входу приемников и выходу передатчиков. Сигналы с несущими частотами f₁ и f₂ принимаемые с земных станций, поступают к разветвителю Р₂ , и через фильтры Ф₃ и Ф₄ подводятся к смесителям См, УПЧ и ограничителям Огр.

После выравниванием ограничителями амплитуд принятых сигналов последние подается к смесителям, в которых осуществляется преобразование промежуточной частоты в СВЧ. Затем сигналы с несущими частотами f₃ и f₄ через фильтры Ф₅ и Ф₆ и разветвитель Р₃ подводиться к двухкаскадному усилителю на ЛБВ. Охлаждение ЛБВ осуществляется жидкостью, которая проходит через наружные радиаторы, излучающие тепло в космическое пространство.

Рис.16. Структурная схема ретранслятора «Молния»

Для обеспечения продолжительности работы и повышения надежности приемопередающей станции используется резервирование комплектов аппаратуры и автоматическая система проверки. Последняя состоит из имитатора колебаний с несущей частотой земных станций (ИНЗ), контрольно-измерительного устройства (КИУ), программно-временного устройства (ПВУ) и коммутатора комплектов (КК). При обнаружении неисправного комплекта он заменяется одним из двух резервных.

К основным характеристикам ретранслятора системы связи можно относятся диапазон частот, ширина диаграммы направленности бортовой антенны по уровню половины мощности, мощность бортовых передатчиков при передачи телевизионных и телефонных сигналов, а также движение ИСЗ по орбите.

В качестве второго примера рассмотрим структурную схему бортовой приемопередающей аппаратуры на 12 стволов системы «Интелсат IV» (рис.17). От приемных антенн А₁ и А₂ через коммутаторы К колебания поступают к приемникам Пр₁ – Пр₄, причем два из этих приемников являются рабочими (например, Пр₁ и Пр₃), а два резервными. Выходы приемников через коммутаторы К поступают на развязывающую цепь (РВ), а затем к разветвителям четных стволов (РЧС) и нечетных стволов (РНС).

Рис.17. Структурная схема ретранслятора «Интелсат IV»

Принимаемые радиосигналы в полосе 500 МГц транслируются из диапазона 6 ГГц в диапазон 4 ГГц. Разделители РЧС РНС содержат по шесть полосовых фильтров с шириной полосы 36 МГц, разнос центральных частот этих фильтров составляет 40 МГц. Таким образом, между соседними стволами получается частотный интервал, равный 4 МГц. После этих фильтров включены основные и резервные усилители на ЛБВ, фильтры гармоник, сумматоры четных и нечетных стволов и переключатели для подачи сигналов на соответствующие антенны А₃ – А₆ . Антенны А₄ и А₅ локальные и предназначены соответственно для передачи нечетных и четных стволов, глобальные антенны А3 и А6 – также соответственно для передачи 1, 3, 5, 7 и 2, 4, 6, 8-го стволов. Отметим, что для повышения надежности ретранслятора большинство его элементов резервируется. Приемные устройства Пр1 – Пр4 состоят из усилителей на туннельном диоде, малошумящего предварительного усилителя и полосового заграждающего фильтра в диапазоне 4 ГГц, обеспечивающего затухание вне рабочей полосы частот. На рисунке 18 приведена структурная схема ретранслятора для  системы связи с МДВР с коммутацией каналов на спутнике.

Рис. 18. Структурная схема МДВР с коммутацией каналов на борту

Схема состоит их нескольких (примерно три) разделительных трактов, состоящих из входного усилителя (Вх.У), преобразователя и ограничителя (ПР.О) и ЛБВ, работающих на свою антенну с узким лучом. Информация, передаваемая по всем трактам, попадает в матрицу, в которой осуществляется перекоммутация каналов: поэтому через каждую ЛБВ проходят лишь те каналы, которые предназначены для данной ЗС. Поскольку здесь имеется N изолированных лучей антенны с шириной полосы П для каждого луча, полная скорость передачи информации, проходящей через спутник, будет соответствовать В=NП, т.е. в N раз больше чем в обычной системе МДВР с одной общей антенной с полосой П, охватывающей все ЗС. Отметим, что в аппаратуре спутника предусмотрен опорный генератор ОГ, создающий высокостабильные метки времени. Сигналы этого источника подаются к радиомаяку (РМ), передаются на все ЗС и используются одной из ЗС, являющейся центральной синхронизирующей станцией. Центральная станция подстраивает работу генератора меток под сигналы ретранслятора на ИСЗ.

Лекция 9

Космическая платформа

Космическая платформа (спутниковая платформа) — это общая унифицированная модель для построения космических аппаратов (КА), которая включает в себя все служебные системы спутника (т. н. модуль служебных систем), а также конструкцию модуля полезной нагрузки, но без целевой (ретрансляционной, научной или другой) аппаратуры.

С другой стороны, в зависимости от типа КА, понятие платформа часто употребляется для обозначения модуля служебных систем, содержащего только лишь служебные системы спутника (без конструкции модуля полезной нагрузки) (рис.19).

Рис.19. Космическая платформа и модуль полезной нагрузки

Использование космических платформ имеет ряд преимуществ по сравнению с индивидуальным изготовлением космический аппаратов:

· уменьшение расходов на проектирование в связи с серийностью производства и возможностью распределения стоимости проектирования платформы между всеми спутниками серии;

· увеличение надежности спутников из-за многократной проверки и отработки их систем;

· уменьшение времени производства спутников до 18-36 месяцев. Кроме того производители могут гарантировать сроки изготовления.

Компоненты космической платформы

Обычно, в космическую платформу входят все служебные системы спутника кроме модуля полезной нагрузки. В этом случае, платформа также называется Модулем служебных систем и содержит:

· систему энергоснабжения (включая солнечные батареи и аккумуляторы);

· систему управления движением, ориентации и стабилизации, состоящую из оптических датчиков, измерителей угловых скоростей и маховиков;

· апогейный двигатель для довывода с геопереходной на геостационарную орбиты;

· двигатели коррекции по широте и долготе (обычно с помощью ЭРД);

· систему терморегулирования, предназначенную для отвода тепла от служебных систем и систем модуля полезной нагрузки;

· бортовой комплекс управления с системой передачи служебной телеметрической информации;

Также, на космической платформе предусматривается место для установки отсека полезной нагрузки и антенн. Тем не менее, на платформах для построения спутников связи, например Спейсбас, Экспресс или SS/L 1300, конструкция модуля полезной нагрузки (без ретрансляционной аппаратуры установленной на ней) обычно тоже считается частью платформы.

Обычно платформы оптимизируются под массу выводимой полезной нагрузки, что в свою очередь определяет массу всего спутника и мощность системы энергоснабжения.

Отношение ПН к общей массе КА

Одним из важнейших параметров является отношение массы ПН к общей массе КА (рис.20). Очевидно, что чем лучше это соотношение, тем эффективнее могут быть выполнены задачи миссии. Обычно грузоподъемность ракеты-носителя определяет максимальную массу КА на орбите. Таким образом, чем меньше весит платформа, тем больше полезного груза может быть доставлено на заданную орбиту.

Рис.20. Отношение массы полезного груза коммерческих телекоммуникационных спутников к общей массе КА

В настоящее время это отношение составляет примерно 18-19 % для современных тяжелых телекоммуникационных платформ, таких как Спейсбас или Экспресс 2000. Основной технологической проблемой является энергетическая стоимость повышения орбиты с геопереходной до геостационарной. КА должны нести большое количество горючего для повышения орбиты (до 3 тонн и больше). Кроме того, ещё 400—600 кг используется для удержания спутника на заданной орбите за все время активной эксплуатации.

Типы космических платформ

По массе (вместе с горючим), в настоящее время спутниковые платформы можно разделить на три категории:

· Легкие, массой до 2000 кг, с мощностью полезной нагрузки до 6 кВт;

· Средние, массой до 5000 кг, с мощностью до 14 кВт;

· Тяжелые, массой более пяти тонн мощностью более 15-20 кВт и более.

Также при разработке платформы учитываются тип вывода на опорную орбиту: прямой вывод или с довыводом с геопереходной на геостационарную орбиты с помощью апогейной ДУ спутника. В общем случае, КА построенные на легких платформах могут быть напрямую выведены на геостационарную орбиту, что позволяет избавиться от апогейного двигателя и сопровождающего его топлива (таблица 5).

Таблица 5

Лекция №10

Ракета-носитель

Раке́та-носи́тель (РН, также раке́та косми́ческого назначе́ния, РКН) — аппарат, действующий по принципу реактивного движения (ракета) и предназначенный для выведения полезной нагрузки в космическое пространство.

В разговорной речи и в СМИ нередко используется искажённая (этимологически неправильная) форма этого термина: «ракетоноситель».

Иногда термин «ракета-носитель» применяется в расширенном значении: ракета, предназначенная для доставки в заданную точку (в космос, в отдаленный район Земли или океана) полезной нагрузки (искусственных спутников Земли, космических кораблей, ядерных и неядерных боевых блоков). В такой трактовке термин «ракета-носитель» объединяет термины «ракета космического назначения» (РКН).

Пример запуска спутника представлен на рис.21.

Рис.21. Запуск ракеты-носителя «Протон-К» для международной космической станции

В отличие от некоторых горизонтально-стартующих авиационно-космических систем (АКС), ракеты-носители используют вертикальный тип старта и (много реже) воздушный старт.

По расположению ступеней (компоновке) подразделяются:

· продольная компоновка (тандемная), у которой ступени расположены одна за другой и работают в полёте поочерёдно.

· параллельная компоновка (пакетная), при которой несколько блоков, расположенных параллельно и относящихся к разным ступеням, работают в полёте одновременно.

· условно-пакетная компоновка (т. н. полутораступенчатая схема), в которой используются общие топливные баки для всех ступеней, от которых питаются стартовые и маршевые двигатели, запускающиеся и работающие одновременно. По завершении работы стартовых двигателей сбрасываются только они.

По количеству ступеней подразделяется:

· одноступенчатые

· полутороступенчатые — у которых имеется общие баки окислителя и горючего для всех ступеней, а первую ступень образуют стартовые двигатели, то есть сброс происходит только двигателей, а не ступени целиком (например РН «Атлас» первых модификаций)

· двухступенчатые

по используемым двигателям подразделяется:

· жидкостные

· твердотопливные, или их комбинации на разных ступенях.

По массе полезной нагрузки, выводимой на низкую околоземную орбиту:

·    сверхтяжёлый (>~ 60-70 тонн) класс

· тяжёлый (>~ 19-20 тонн) класс

· средне-тяжёлый (>~ 10 тонн) класс

· средний (>~ 4 тонн) класс

·    лёгкий класс, а также на вновь появляющийся т. н. класс нано-носителей (до несколько десятков кг).

Одноразовые и многоразовые многоступенчатые ракеты

Наибольшее распространение получили одноразовые многоступенчатые ракеты как пакетной, так и продольной схем. Одноразовые ракеты отличаются высокой надёжностью благодаря максимальному упрощению всех элементов. Следует уточнить, что одноступенчатой ракете для достижения орбитальной скорости теоретически необходимо иметь конечную массу не более 7-10 % от стартовой, что при даже существующих технологиях делает их труднореализуемыми и экономически неэффективными из-за низкой массы полезного груза. В истории мировой космонавтики одноступенчатые ракеты-носители практически не создавались — существовали только т. н. полутораступенчатые модификации (например, американской РН «Атлас» со сбрасываемыми дополнительными стартовыми двигателями). Наличие нескольких ступеней позволяет существенно увеличить отношение массы выводимой полезной нагрузки к начальной массе ракеты. В то же время многоступенчатые ракеты требуют отчуждения территорий для падения промежуточных ступеней.

Ввиду необходимости применения высокоэффективных сложных технологий (прежде всего, в области двигательных установок и теплозащиты), полностью многоразовых ракет-носителей пока не существует, несмотря на постоянный интерес к этой технологии и периодически открывающиеся проекты разработки многоразовых носителей (за период 1990-х — 2000-х годов, такие как: ROTON, Kistler K-1, АКС VentureStar и др.). Частично многоразовой являлась широко использовавшаяся американская многоразовая транспортная космическая система (МТКС)-АКС «Спейс Шаттл» (Космический челнок) и закрытая советская программа МТКС «Энергия-Буран», разработанная, но так и не использованная в прикладной практике, а также ряд нереализованных бывших (например, «Спираль», МАКС и др. АКС) и вновь разрабатываемых (например, «Байкал-Ангара») проектов. Вопреки ожиданиям, «Спейс Шаттл» не смог обеспечить снижение стоимости доставки грузов на орбиту; кроме того, пилотируемые МТКС характеризуются сложным и длительным этапом предстартовой подготовки (из-за повышенных требований по надёжности и безопасности при наличии экипажа).

Ракеты для пилотируемых полётов должны обладать бо́льшей надёжностью (также на них устанавливается система аварийного спасения); допустимые перегрузки для них ограничены (обычно не более 3-4,5 единиц).

Ракета-носитель Протон

Ракета-носитель Протон тяжёлого класса (рис.22), предназначенная для выведения автоматических космических аппаратов на орбиту Земли и далее в космическое пространство. Разработана в 1961—1967 годах в подразделении ОКБ-23 (ныне ГКНПЦ им. М. В. Хруничева), являвшемся частью ОКБ-52 В. Н. Челомея. Исходный двухступенчатый вариант носителя «Протон» (УР-500) стал одним из первых носителей средне-тяжёлого класса, а трёхступенчатый «Протон-К» — тяжёлого, наряду с американской РН «Сатурн-1Б». Основные характеристики РН «Протон» представлены в таблице 6.

С середины 2000-х годов основной модификацией ракеты-носителя «Протон» стала РН «Протон-М», используемая для запуска как федеральных российских, так и коммерческих иностранных космических аппаратов.

Рис.22. РН «Протон»

Таблица 6.

Первый вариант ракеты-носителя «Протон» был двухступенчатым. Последующие модификации ракеты, «Протон-К» и «Протон-М», запускались либо в трёх- (на опорную орбиту), либо в четырёхступенчатом вариантах (с разгонным блоком). Различные версии РН УР-500 и РН «Протон-К» представлены на рис.23.

Рис.23. Различные версии РН УР-500 и РН «Протон-К»

В качестве компонентов топлива во всех ступенях ракеты используются несимметричный диметилгидразин (НДМГ, также известный как гептил) (CH3)2N2H2 и тетраоксид азота N2O4. Самовоспламеняющаяся топливная смесь позволила упростить двигательную установку и увеличить её надёжность. В то же время компоненты топлива являются весьма токсичными и требуют крайней осторожности в обращении.

Головные обтекатели

За всё время эксплуатации РН «Протон» с ней использовалось большое количество различных головных обтекателей (ГО). Тип обтекателя зависит от типа полезного груза, модификации РН и используемого разгонного блока.

Сброс ГО осуществляется в начальный период работы ускорителя третьей ступени. Цилиндрическая проставка сбрасывается после отделения космической головной части.

Классические стандартные обтекатели РН «Протон-К» и «Протон-М» для вывода КА на низкие орбиты без РБ имеют внутренний диаметр 4,1 м (внешний 4,35 м) и длину 12,65 м и 14,56 м соответственно. Так, например, обтекатель этого типа использовался при запуске РН «Протон-К» с модулем «Заря» для МКС 20 ноября 1998 года.

Для проведения коммерческих запусков в комплектации с блоком «ДМ» используются головные обтекатели длиной 10 м, внешним диаметром 4,35 м (максимальная ширина ПН должна быть не более 3,8 м). В случае использования РБ «Бриз-М» стандартный обтекатель при проведении одиночных коммерческих запусков имеет длину 11,6 м и при проведении двойных коммерческих запусков — 13,2 м. В обоих случаях внешний диаметр ГО равен 4,35 м (рис.24).

Рис.24. Головные обтекатели «Протон-М»

Стартовые площадки

Пуски РН «Протон» осуществляются только с космодрома Байконур, где к 1965 году были созданы технический и стартовый комплексы с двумя рабочими местами (площадка 92/1) и двумя пусковыми установками (ПУ) (площадка 81). К концу 70-х годов был построен ещё один стартовый комплекс (площадка 200) для обеспечения расширяющейся программы запусков различных космических аппаратов на РН «Протон» (рис.25).

Рис.25. РН Протон-М со спутником Anik-F1R

Обе стартовые площадки объединены общей сетью коммуникаций и используют общий комплекс сооружений, обеспечивающих каждую из них сжатыми газами, водой, электроэнергией и хладагентами для термостатирования компонентов топлива и космических аппаратов. Посредством транспортёра-установщика на железнодорожном ходу РКН (ракета космического назначения) доставляется из МИКа на топливно-заправочную станцию для заправки РБ «Бриз-М». После заправки РКН транспортируется на стартовый комплекс и устанавливается на пусковое устройство. С помощью передвижной фермы обслуживания на рельсовом ходу проводятся электрические проверки РН и головной части, заправка РН и РБ (в случае использования РБ ДМ) компонентами топлива и сжатыми газами, набор готовности двигательной установки ракеты и пуск РКН.

Лекция №11

Космическое пространство.

Надежность систем спутниковой связи

Космическое пространство (космос) — относительно пустые участки Вселенной, которые лежат вне границ атмосфер небесных тел. Вопреки распространённым представлениям, космос не является абсолютно пустым пространством — в нём существует очень низкая плотность некоторых частиц (преимущественно водорода), а также электромагнитное излучение и межзвездное вещество. Слово «космос» имеет несколько различных значений. Иногда под космосом понимают всё пространство вне Земли, включая небесные тела.

Чёткой границы не существует, потому что атмосфера разрежается постепенно по мере удаления от земной поверхности, и до сих пор нет единого мнения, что считать фактором начала космоса. Если бы температура была постоянной, то давление бы изменялось по экспоненциальному закону от 100 кПа на уровне моря до нуля. Международная авиационная федерация в качестве рабочей границы между атмосферой и космосом установила высоту в 100 км (линия Кармана), потому что на этой высоте для создания подъёмной аэродинамической силы необходимо, чтобы летательный аппарат двигался с первой космической скоростью, из-за чего теряется смысл авиаполёта.

Астрономы измерили границу влияния атмосферных ветров и начала воздействия космических частиц. Она оказалась на высоте 118 километров, хотя сами NASA считают границей космоса 122 км. На такой высоте шаттлы переключались с обычного маневрирования с использованием только ракетных двигателей на аэродинамическое с «опорой» на атмосферу.

Пространство в Солнечной системе называют межпланетным пространством, которое переходит в межзвёздное пространство в точках гелиопаузы солнцестояния. Вакуум космоса на самом деле не является абсолютным — в нём присутствуют атомы и молекулы, обнаруженные с помощью микроволновой спектроскопии, реликтовое излучение, которое осталось от Большого Взрыва, и космические лучи, в которых содержатся ионизированные атомные ядра и разные субатомные частицы. Также есть газ, плазма, пыль, небольшие метеоры и космический мусор (материалы, которые остались от деятельности человека на орбите). Отсутствие воздуха делает космическое пространство (и поверхность Луны) идеальными участками для астрономических наблюдений.

Надежность систем спутниковой связи

В  обеспечении надежности спутниковых систем имеются особенности, объясняемые структурой спутниковых систем.

Действительно, внезапный отказ спутника в системе может вызвать прекращение функционирования всех земных станций, работающих через данный спутник. В распределенной спутниковой системе отказ передающей станций станции либо бортового ретранслятора привел бы к одновременному прекращению передачи информации сразу на сотни и тысячи станций. Отказ на спутнике какого – либо одного из стволов, например телефонного, приводит к прекращению обмена телефонной информации между группой земных станций, которые работают через данный ствол. Это вынуждает обратить внимание на обеспечение хороших показателей надежности спутника и передающей станции распределительных систем. Нарушение работы одной из земных станций телефонной сети вызывает выход из стоя только тех каналов связи, в образовании которых участвует данная земная станция.

Сбалансированность показателей надежности отдельных подсистем в спутниковой системе может достигнута, если надежность спутниковой системы оценивать показателями надежности произвольно выбранных ее каналов по каждому виду передаваемой информации. Например, надежность телефонной системы будут характеризовать показатели надежности произвольно выбранного единичного телефонного канала между парой абонентов, обслуживаемых системой; надежность системы распределения программ звукового вещания – показатели надежности симплексного распределительного канала; если же спутниковая система предназначена для одновременной передачи телевизионных программ и программ звукового вещания, то надежность такой системы будут характеризовать показатели надежности телевизионного канала, показатели надежности радиовещательного канала и т.д. При таком подходе к выбору показателей они характеризуют надежность как самой системы в целом, так и надежность ее аппаратных комплексов.

С позиции анализа надежности спутниковых систем связи представляет собой восстанавливаемую резервированную систему длительного пользования.

В настоящее время в международных документах для эталонного цифрового тракта даны рекомендации по нормированию их готовности. Под готовностью цепи или тракта принимают процент времени, в течении которого они находятся в работоспособном состоянии за определенный промежуток времени. Эта величина может служить оценкой коэффициента готовности цепи или тракта за рассматриваемый период эксплуатации.

В рекомендации по нормированию готовности даны для случая, когда эталонный цифровой тракт используется для передачи телефонных сообщений с помощью импульсно – кодовой модуляции либо они являются частью гипотетического эталонного соединения объединенной сети цифровых служб в фиксированной спутниковой службе.

При этом считается, что эталонная цепь состоит из одной линии Земля – Космос – Земля. В случае использования аналоговых методов передачи она начинается входом модулятора одной земной станции и заканчивается выходом демодулятора второй станции, а при использовании цифровых методов передачи включает оборудование цифрового уплотнения земных станций, модемы и приемопередающее оборудование. Готовность такой эталонной цепи определяется готовностью входящего в нее оборудования и готовностью среды распространения радиосигналов.

Достигнутый уровень надежности спутниковых систем и их основных элементов показан в таблице 7. на примере международной системы «Интелсат».

Таблица 7.

Элемент ССС	Кг	Элемент ССС	Кг
Канал в целом в том числе: космический сегмент земной сегмент	0,99912 0,99981 0,99967	Основные подсистемы земной станции: антенна передатчик малошумящий усилитель питание	0,99982 0,99990 0,99999 0,99981

Показатели надежности каналов отечественных систем как на земных станциях, так и канала в целом имеют тот же порядок. Для наглядности обобщенные показатели надежности основных подсистем отечественных земных станций представляются в виде диаграмм (рис.26).

Рис.26. Диаграмма надежности системы

Довольно высокого  уровня надежности каналов на космическом сегменте достигается высоким гарантийным сроком активного существования используемых спутников, а также наличием на ретрансляторах резервных стволов и принятым методом восполнения спутников в системе.

Лекция 12

Спутниковые навигационные системы

Спутниковая система навигации — комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, предназначенная для определения местоположения (географических координат и высоты) и точного времени, а также параметров движения (скорости и направления движения и т. д.) для наземных, водных и воздушных объектов.

Основные элементы спутниковой системы навигации:

Орбитальная группировка, состоящая из нескольких (от 2 до 30) спутников, излучающих специальные радиосигналы;

Наземная система управления и контроля (наземный сегмент), включающая блоки измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации об орбитах;

Аппаратура потребителя спутниковых навигационных систем («спутниковые навигаторы»), используемое для определения координат;

Наземная система радиомаяков, позволяющая значительно повысить точность определения координат.

Информационная радиосистема для передачи пользователям поправок, позволяющих значительно повысить точность определения координат.

Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от антенны на объекте (координаты которого необходимо получить) до спутников, положение которых известно с большой точностью. Таблица положений всех спутников называется альманахом, которым должен располагать любой спутниковый приёмник до начала измерений. Обычно приёмник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел — мгновенно использует его. Каждый спутник передаёт в своём сигнале весь альманах. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений, на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве.

Метод измерения расстояния от спутника до антенны приёмника основан на определённости скорости распространения радиоволн. Для осуществления возможности измерения времени распространяемого радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени, используя точно синхронизированные с системным временем атомные часы. При работе спутникового приёмника его часы синхронизируются с системным временем, и при дальнейшем приёме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приёма сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приёмник вычисляет координаты антенны. Все остальные параметры движения (скорость, курс, пройденное расстояние) вычисляются на основе измерения времени, которое объект затратил на перемещение между двумя или более точками с определёнными координатами.

В реальности работа системы происходит значительно сложнее. Ниже перечислены некоторые проблемы, требующие специальных технических приёмов по их решению:

Отсутствие атомных часов в большинстве навигационных приёмников. Этот недостаток обычно устраняется требованием получения информации не менее чем с трёх (2-мерная навигация при известной высоте) или четырёх (3-мерная навигация) спутников; (При наличии сигнала хотя бы с одного спутника можно определить текущее время с хорошей точностью).

Неоднородность гравитационного поля Земли, влияющая на орбиты спутников;

Неоднородность атмосферы, из-за которой скорость и направление распространения радиоволн может меняться в некоторых пределах;

Отражения сигналов от наземных объектов, что особенно заметно в городе;

Невозможность разместить на спутниках передатчики большой мощности, из-за чего приём их сигналов возможен только в прямой видимости на открытом воздухе.

В настоящее время наиболее востребованными являются  две спутниковые навигационные системы – GPS и ГЛОНААСС.

GPS (англ. Global Positioning System — система глобального позиционирования, читается Джи Пи Эс) — спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположениe во всемирной системе координат WGS 84. Позволяет в любом месте Земли (не включая приполярные области), почти при любой погоде, а также в космическом пространстве вблизи планеты определить местоположение и скорость объектов. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США.

GPS состоит из трёх основных сегментов: космического, управляющего и пользовательского. Спутники GPS транслируют сигнал из космоса, и все приёмники GPS используют этот сигнал для вычисления своего положения в пространстве по трём координатам в режиме реального времени.

Космический сегмент состоит из 32 спутников, вращающихся на средней орбите Земли.

Управляющий сегмент представляет собой главную управляющую станцию и несколько дополнительных станций, а также наземные антенны и станции мониторинга, ресурсы некоторых из упомянутых являются общими с другими проектами.

Пользовательский сегмент представлен тысячами приемников GPS, находящихся в ведении военных США и десятками миллионов устройств, владельцами которых являются обычные пользователи.

Глоба́льная навигацио́нная спу́тниковая систе́ма (ГЛОНА́СС, GLONASS) — советская и российская спутниковая система навигации, разработана по заказу Министерства обороны СССР. Одна из двух функционирующих на сегодня систем глобальной спутниковой навигации[1].

ГЛОНАСС предназначена для оперативного навигационно-временного обеспечения неограниченного числа пользователей наземного, морского, воздушного и космического базирования. Доступ к гражданским сигналам ГЛОНАСС в любой точке земного шара, на основании указа Президента РФ, предоставляется российским и иностранным потребителям на безвозмездной основе и без ограничений.

Основой системы должны являться 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли в трёх орбитальных плоскостях с наклоном орбитальных плоскостей 64,8° и высотой 19100 км. Принцип измерения аналогичен американской системе навигации NAVSTAR GPS. Основное отличие от системы GPS в том, что спутники ГЛОНАСС в своем орбитальном движении не имеют резонанса (синхронности) с вращением Земли, что обеспечивает им бо́льшую стабильность. Таким образом, группировка КА ГЛОНАСС не требует дополнительных корректировок в течение всего срока активного существования.

Спутники ГЛОНАСС находятся на средневысотной круговой орбите на высоте 19100 км с наклонением 64,8° и периодом 11 часов 15 минут. Такая орбита оптимальна для использования в высоких широтах (северных и южных полярных регионах), где сигнал GPS ловится плохо. Спутниковая группировка развёрнута в трех орбитальных плоскостях, с 8 равномерно распределёнными спутниками в каждой. Для обеспечения глобального покрытия необходимы 24 спутника, в то время как для покрытия территории России необходимы 18 спутников.

Сравнительная характеристика навигационных спутников представлена в таблице 8.

Таблица 8

Основные характеристики систем навигационных спутников

Практика

Главным параметром бортового ретранслятора (БРТР), определяющим ресурс и качественные характеристики системы связи, является мощность передатчика, максимальное значение которой ограничено рядом факторов:

§ максимальной мощностью первичных источников питания ИСЗ:

§ возможностью отвода рассеиваемого тепла за пределы спутника;

§ снижением долговечности и надежности электронных приборов при повышении их мощности:

Рис. 1. Структурная схема передатчика БРТР

Передатчики большинства БРТР гетеродинного типа строят по традиционной схеме (рис. 1), состоящей из мощного преобразователя частоты и мощного усилителя с необходимым набором фильтрующих и согласующих элементов. Чаще всего передатчики усиливают сигналы в полосе одного ствола, но иногда используются и для одновременного усиления сигналов нескольких стволов.

Главным элементом передатчика является мощный выходной усилитель (в стволах с прямым переносом под передатчиком понимают мощный усилитель), так как именно на него падает значительная часть потребляемой энергии всего БРТР, массы и объема. В качестве собственно усилительного элемента в зависимости от назначения, требуемой мощности, диапазона частот, массы, габаритных размеров, КПД, срока службы и т.п. используются различные СВЧ приборы, лампы бегущей волны (ЛБВ), клистроны, твердотельные приборы (транзисторы, туннельные, лавинно-пролетные диоды и т.п.).

ЛБВ составляют наиболее многочисленный и быстроразвивающийся класс электровакуумных приборов СВЧ для бортовой техники, широкое применение которых в данной области объясняется тем, что они обладают рядом достоинств по сравнению с другими приборами СВЧ диапазона: высоким коэффициентом усиления, широкополосностью, возможностью работы в импульсном и непрерывном режимах в широком интервале выходных мощностей.

Применяемые в БРТР ЛБВ отличаются, кроме того, высоким КПД, компактностью, малой массой, высокой долговечностью (до 100…150 тыс. ч) и надежностью. Эти приборы работают при напряжениях менее 6500 В, их конструкция обладает достаточной жесткостью и способна выдерживать сильные вибрации и ударные нагрузки.

Фактически все ЛБВ, применяемые в БРТР, имеют одинаковую конструкцию, за исключением небольших модификаций, связанных с выполнением конкретных специфических функций БРТР.

Для БРТР наибольший интерес представляют ЛБВ средней мощности, причем для этих целей создают специальные экономичные и малогабаритные ЛБВ. Исходя из условий применения ЛБВ в бортовой необслуживаемой аппаратуре, к ним предъявляют очень высокие требования по КПД, долговечности, надежности, габаритным размерам и массе.

Для бортовой аппаратуры ЛБВ изготавливают на отдельные специально выделенные полосы частот в диапазоне 1,8…12,7 ГГц. Типичными для первых образцов БРТР были ЛБВ с мощностью 20 Вт; в отдельных спутниках использовались ЛБВ мощностью 30 и 70 Вт в непрерывном режиме. В настоящее время в большинстве связных ИСЗ уровень выходной мощности ЛБВ в непрерывном режиме составляет 30...75 Вт, а в вещательных – 50...150 Вт. При той же конструкции получают и более высокие мощности. Наиболее важным фактором при выборе выходной мощности ЛБВ является мощность источника питания ИСЗ. Уже небольшое повышение КПД приводит к значительному выигрышу для ИСЗ в целом — уменьшаются число элементов солнечных батарей, аккумуляторов, габаритные размеры источников питания и упрощается проблема рассеяния тепла. Почти на всех ИСЗ основным параметром для ЛБВ, определяющим все другие элементы конструкции, является необходимая мощность, потребляемая от бортового источника питания. Поэтому методом повышения КПД ЛБВ уделяется большое внимание.

Обычно коэффициент - усиления ЛБВ составляет 40...50 дБ, а КПД – 64...50 %.

Необходимый режим ЛБВ по уровню выходной мощности устанавливается подбором уровня входной мощности. На амплитудной характеристике ЛБВ различают две характерные области, соответствующие двум режимам работы.

В линейном режиме (режим малого сигнала) коэффициент усиления имеет постоянное значение, а выходная мощность меняется пропорционально входной. Максимальная выходная мощность ЛБВ в линейном режиме меньше номинальной на 3…6 дБ.

В режиме насыщения (режим большого сигнала) линейная зависимость выходной мощности от входной нарушается, увеличение сигнала на входе не приводит к дальнейшему увеличению выходной мощности из-за ограниченной мощности электронного пучка. В режиме насыщения резко возрастает крутизна фазоамплитудной характеристики ЛБВ, представляющей собой зависимость фазового сдвига, вносимого ЛБВ, от амплитуды входного сигнала, что приводит к преобразованию амплитудной модуляции в фазовую (амплитудно-фазовая конверсия). Таким образом, паразитная AM, например, частотно-модулированного сигнала на входе ЛБВ приводит к возникновению паразитной ФМ и, следовательно, к нелинейным искажениям сигналов.

В выходных усилителях мощности на ЛБВ из соображений экономичности желательно использовать режим работы лампы, близкий к насыщению (номинальный). При передаче широкополосных сигналов в режиме насыщения или вблизи режима насыщения необходимо учитывать возникающие искажения. Допустимые уровни искажений зависят от вида модуляции – односигнальная ЧМ или ЧМ с несколькими несущими – и от вида многостанционного доступа – МДВР или МДЧР.

Два явления, возникающие в ЛБВ, – нелинейность амплитудной характеристики и АМ-ФМ преобразование – служат причинами появления взаимных помех при усилении нескольких сигналов.

В табл. l приведены некоторые параметры ЛБВ и источников питания, выпускаемых зарубежными фирмами для БРТК спутников связи и вещания.

В оконечных усилителях БРТК используются и клистроны. Так, в разработанной в России системе СТВ «Экран», работающей в диапазоне 702...726 МГц, использован прямопролетный клистрон с выходной мощностью 200…300 Вт с полосой пропускания около 24 МГц по уровню 2 дБ. Применение клистронов в бортовых устройствах ограничено из-за их узкополосности. К достоинствам клистронов следует отнести простоту конструкции, меньшее по сравнению с ЛБВ число номиналов питающих напряжений, высокий КПД. В остальном клистронные усилители аналогичны усилителям на ЛБВ со всеми их достоинствами и недостатками (нелинейность передаточной характеристики, амплитудно-фазовая конверсия и т.п.).

Таблица 1

Параметр ЛБВ	Диапазон частот Космос – Земля
	С (3,7…4,2)		С (3,7…4,2)	Ku (11,7… …12,5)		Ku (10,9… …12,8)		Ku (11,7… …12,5)
Выходная млщность, Вт КПД,% Напряжение спирали, В Масса, г Габариты, мм	17 53 2000 800 395×58×37		60 60 3400 730 395×58×37	56 63 5500 700 395×58×37		73 63 5700 700 395×58×37		100 64 6000 720 395×58×37
Параметр источника питания	Напряжение сети 42…50 В
КПД,% Масса, г Габариты, мм	93 1470 227×63×110		93 1520 227×63× 110		93 1520 227×63× 110		93 1520 227×63×110		93 1570 227×63×110
Напряжение сети 25…42 В
КПД,% Масса, г Габариты, мм		91 1520 227×63× 110	91 1570 227×63× 110		91 1570 227×63× 110		91 1570 227×63×110		91,5 1600 227×63×110

Твердотельные приборы в качестве выходных усилителей мощности БРТР стали использоваться только в последнее время в связи с успехами полупроводниковой электроники, позволяющими значительно повысить мощность передатчиков. Развитие СВЧ полупроводниковых передатчиков для БРТР идет по двум основным направлениям: создания новых мощных СВЧ транзисторов и сложение мощностей полупроводниковых генераторов с помощью многополюсных схем или сложение мощностей в пространстве с помощью фазированных антенных решеток (ФАР).

Преимущества твердотельных передатчиков БРТР по сравнению с электровакуумными состоят в следующем:

как правило, существенно большая долговечность;

низкие значения питающих напряжений (первые требуют для питания напряжения не более единиц или десятков вольт и лишь одного - двух номиналов, вторые требуют для питания целый набор напряжений различных номиналов, максимальные значения которых составляют несколько киловольт даже при сравнительно небольшой выходной мощности СВЧ сигнала);

применение полупроводниковых приборов позволяет воспользоваться методами микроэлектроники при изготовлении различных узлов и блоков, входящих в передатчики БРТР, что, в свою очередь, вызывает существенное уменьшение массы и габаритных размеров последних;

мощные полупроводниковые приборы обладают практически мгновенной готовностью к работе по сравнению с электровакуумными, у которых цепь накала требует предварительного прогрева.

Это делает систему связи более гибкой и оперативной.

По данным некоторых источников, существенное улучшение параметров ствола БРТР достигнуто в спутниках американской системы RSA Satcom благодаря применению полупроводникового усилителя мощности (ПУМ). Замена в них ЛБВ на ПУМ (на GaAs полевых транзисторах) позволила существенно улучшить характеристики и надежность передающего тракта БРТР. Кроме того, по данным этой же работы, ПУМ обладает более высокой линейностью характеристики особенно в режиме работы вблизи точки насыщения. Так, для ПУМ достигнут уровень интермодуляционных искажений третьего порядка (при передаче двух несущих), на 3...8 дБ меньший, чем для ЛБВ.

Приведенные данные несколько расходятся с выводами ряда авторов, по которым отдается преимущество ЛБВ. Расхождение, видимо, связано с тем, что в первом случае рассматриваются ПУМ на полевых транзисторах с относительно большим линейном участком, а во втором — биполярные, передаточная характеристика которых имеет короткий линейный участок и два характерных излома — в начальной области и области насыщения.

Кроме того, существенное уменьшение колебаний фазы при изменениях уровня сигнала снижает уровень паразитного АМ-ФМ преобразования для систем с МДЧР и снижает вероятность ошибки на символ для цифровых систем.

Следствием перечисленных преимуществ являются существенное снижение массы и габаритных размеров, повышение экономичности, долговечности и надежности твердотельных передатчиков БРТР по сравнению с электровакуумными при всех прочих равных условиях.

Наряду с преимуществами следует отметить и недостатки таких передатчиков:

§ полупроводниковые приборы чувствительны к отклонениям, даже кратковременным, от допустимого эксплуатационного режима работы, что может привести к пробою р-п перехода и полному отказу прибора; поэтому в передатчике приходится принимать специальные меры для защиты от случайно возникающих неблагоприятных факторов;

§ мощность полупроводниковых приборов ограничена, причем для большинства из них с повышением частоты / она уменьшается по закону .

Различают три основных способа сложения: с помощью многополюсных схем; с помощью многоэлементной ФАР; в общем резонаторе. При первом способе к суммирующему устройству подключают большое число однотипных усилителей, мощность которых поступает в общую выходную нагрузку; при втором способе сложение мощностей сигналов производится в пространстве с помощью ФАР, включающей большое число соответственно ориентированных облучателей, каждый из которых возбуждается от самостоятельного усилителя. Третий способ используется только для сложения мощностей СВЧ генераторных диодов, расположенных в общем резонаторе. На практике первый способ позволяет повысить мощность передатчика по отношению к мощности одного транзистора на 15...20 дБ, второй способ — на 30...40 дБ, третий — на 10...13 дБ.

Основные требования, которым должны отвечать перечисленные способы суммирования:

1. Мощность сигнала на выходе устройства сложения равна или близка к сумме номинальных мощностей  отдельных п усилителей:

.

2. Все усилители должны быть взаимно независимы, т.е. развязаны друг от друга. Выход из строя любого усилителя не должен влиять на режим работы и выходную мощность всех других усилителей.

3. При выходе из строя m усилителей из общего числа мощность в нагрузке должна упасть на возможно меньшее значение, в лучшем случае — не более чем на .

Чаще всего сложение мощностей СВЧ усилителей осуществляют с помощью так называемых мостовых устройств, обеспечивающих попарное сложение сигналов. Главным образом используют мостовые устройства, относящиеся к классу направленных ответвителей (НО), т.е. это восьмиполюсники, предназначенные для направленного ответвления энергии, отличительная особенность которых заключается в следующем: при возбуждении одного из четырех каналов НО энергия поступает только в два канала. Такой же НО может использоваться и для обратной процедуры — деления мощности в два раза (т.е. уменьшения мощности на 3 дБ).

Возможны различные варианты построения схем транзисторных передатчиков со сложением мощностей усилителей на основе мостовых устройств. При этом число складываемых усилителей мощности должно равняться 2ⁿ, что обеспечивается применением (2ⁿ – 1) мостовых устройств.

Используя различные варианты многополюсных сумматоров-делителей, реализуют устройства сложения мощностей большого числа СВЧ усилителей. Такие устройства состоят из трех основных частей: делителя мощности сигнала, п одинаковых СВЧ усилителей и сумматора мощности.

Рис. 5. Схема сложения мощностей  четных усилителей:

Д - делитель; S - сумматор

Для примера на рис. 5 показана схема сложения мощностей четырех усилителей, построенная на основе квадратурных мостовых устройств с вынесенными балластными нагрузками. Эту схему, которая позволяет складывать сигналы достаточно большой мощности, нетрудно распространить и на большее число попарно складываемых одинаковых усилителей или блоков усилителей.

Важным обстоятельством при составлении схем сложения мощностей отдельных усилителей является выполнение требования по фазированию складываемых сигналов. Для этого используют идентичные по структуре делители (Д) и сумматоры (S), включая их сопряженно. В таком случае не требуются дополнительные фазовращатели. Приведенная схема типична для транзисторных модулей, построенных по гибридно-интегральной технологии. Практически с помощью многополюсных сумматоров осуществляется сложение мощностей 50...100 полупроводниковых приборов, причем обычно сначала объединяют в модуль четыре транзистора, а затем складываются мощности 8...16 таких модулей в зависимости от требуемой выходной мощности усилителя.

В реальных условиях при суммировании мощностей сигналов неизбежны потери, связанные с разбросом параметров отдельных усилителей (их неидентичностью), отклонением S-параметров сумматоров (параметров рассеяний) и делителей от оптимальных значений в полосе частот и отражениями в трактах распространения сигналов.

Входные приемные устройства БРТР обеспечивают необходимое соотношение сигнал-шум стволов БРТР. Минимальный уровень принимаемых сигналов определяется собственными флуктуационными (тепловыми) шумами приемного устройства. На практике при выборе эффективной шумовой температуры исходят, с одной стороны, из условия, что вклад шумов участка Земля-спутник в 5...10 раз меньше шума участка спутник-Земля, а с другой стороны, минимальная эффективная шумовая температура приемной системы ИСЗ не может быть меньше эквивалентной температуры Земли Т3, поскольку приемные антенны ИСЗ ориентированы в ее сторону.

Шумовая температура, входного приемного устройства БРТР (приведенная ко входу облучателя приемной антенны)

где Т_атм — эквивалентная температура шумов атмосферы, для антенн стационарных ИСЗ в диапазоне 1...20 ГГц изменяется в пределах 2...25°; Т_косм – эквивалентная температура космических шумов — зависит от области неба, в которую направлена антенна, и может быть определена по специальным картам неба; максимальные значения на частоте 1 ГГц не превышают 30° и резко падают с увеличением частоты; b – коэффициент, существенно меньший единицы, определяющий факт приема космических шумов только боковыми лепестками; Т_пр – шумовая температура приемника БРТР.