Спутниковая система связи

Введение:

Спутниковые системы связи (ССС) наверняка не смогут конкурировать с наземными сотовыми сетями связи по предоставлению услуг в пределах густонаселённых районов. Они также уступают и оптоволоконным системам по предоставлению услуг межконтинентальной связи, занимая в этом случае скромное место резервных систем связи.
В то же время спутниковая связь зачастую становится единственно возможным видом связи для предоставления услуг в труднодоступных и удалённых регионах. Они также обладают такой возможностью, как передача одной и той же информации неограниченному кругу пользователей.
Наблюдаемый в последние годы бурный прогресс в создании и эксплуатации ССС объясняется высокими технико-экономическими показателями этого вида связи, её чрезвычайно широкими возможностями и специфическими особенностями, отличающими этот вид связи от всех ранее созданных.

Расчет

Многостанционный доступ представляет собой специфическую особенность спутниковой связи, выгодно отличающую её от других видов связи и позволяющую существенно повысить эффективность использования стволов спутникового ретранслятора

В общем смысле задача выбора наилучшего метода МД состоит в том, чтобы найти ансамбль сигналов ортогональных или близких к ортогональным, при которых энергетические показатели ретранслятора (мощность и полоса частот) использовались бы наиболее полно, а уровень взаимных помех между сигналами был бы наименьшим и оказывал минимальное влияние на разделимость и помехоустойчивость приема каждого из сигналов.

Известны три основных способа формирования ансамбля ортогональных сигналов, основанные на разделении сигналов по частоте, времени и форме. Каждый из них имеет специфические особенности и порождает специфические эффекты при многостанционной работе. В конечном счете все эти эффекты приводят к уменьшению пропускной способности ствола ретранслятора при многостанционном доступе по сравнению с односигнальным режимом работы.

МДВУ – многостанционный доступ с временным уплотнением

Многостанционный доступ с частотным раз­делением (МДЧР), обладая рядом несомненных преимуществ, тем не менее, наделен и существенным недостатком, заключающимся в необходимости обес­печения квазилинейного режима выходного мощного каскада ретранслятора. При этом рабочая точка каскада оказывается обычно на 4... 6 дБ ниже точки, соответствующей режиму максимальной мощности. Столь заметное недоисполь­зование энергетического потенциала радиолинии существенно снижает пропуск­ную способность системы связи и соответствующим образом ухудшает ее эко­номические показатели. Этого недостатка практически лишен метод многостан­ционного доступа с временным разделением каналов (МДВР).

Аналогично тому, как при МДЧР эф­фективность использования полосы пропускания ствола определяется необхо­димостью введения определенных частотных зазоров между отдельными моду­лированными несущими, так при МДВР эффективность использования време­ни работы ретранслятора определяется необходимостью введения защитных временных зазоров между субкадрами, гарантирующими отсутствие их пере­крытия при неидеальной работе системы межстанционной синхронизации, и не­обходимостью введения ряда дополнительных сигналов.

рис.1 Структура сигналов при временном разделении.

где Т – тактовый интервал;

       Тk – межканальный временной интервал.

Межканальный временной интервал составляет:

                                                                      Тk = Т/n

Первый канальный импульс в тактовом периоде является маркерным. Он принадлежит каналу синхронизации. Маркерный импульс имеет особую форму, передается вместе с канальными импульсами. Он несет «информацию» о времени начала цикла (такта) и, будучи принятым, заставляет работать канальные распределители импульсной последовательности приемной части синфазно с канальным распределителем передающей части корреспондента. Это обеспечивает временное соответствие принятых канальных импульсов и передаваемых канальных импульсов корреспондента.

Структурная схема передающей части многоканальной системы с ИКМ и временным разделением каналов приведена на рис.2.

рис.2 Структурная схема передающего тракта наземной станции.

И1, И2, И3 – первый, второй и третий источники сообщения наземной станции;

ДК1, ДК2, ДК3 – устройства канальной дискретизации 1-го, 2-го и 3-го каналов;

РИК – распределитель импульсов каналов;

ЗГ – задающий генератор;

 – суммирующее устройство 1-го, 2-го  и 3-го каналов наземной станции;

КД – кодер;

ФХИ – формирователь хронизирующих импульсов;

ПЕР – блок передающих усилителей наземной станции;

Групповой сигнал с АИМ приведен для двух каналов, чтобы не загромождать рисунок и не потерять сущность.

ФХИ формирует также сигналы цикловой синхронизации (СЦС). Во втором сумматоре объединяются в единую двоичную последовательность групповой сигнал с ИКМ и CЦC время полного цикла двоичного группового сигнала равно ТЦ = Т.

Структурная схема приёмного тракта наземной станции представлена на рисунке 5

Рисунок 5 – Структурная схема приемного тракта наземной станции.

ПР – блок приёмных усилителей наземной станции;

РГ – устройство регенерации по видео;

УР – устройство разделения;

ЗГ – задающий генератор;

УС – устройство синхронизации;

ДКД – декодер;

РИК – распределитель импульсов каналов;

КС1,КС2,КС3 – канальные селекторы;

ФНЧ – фильтр нижних частот;

П1, П2, П3 – приёмники сообщений наземной станции;

Разработка структурной схемы и описание работы ИСЗ

Большинство национальных и региональных систем и сетей спутниковой связи и вещания космических станций, как правило, содержит ИСЗ (или несколько) находящийся в постоянной работе, и резервный спутник (или несколько), находящийся в той же (или соседней) орбитальной позиции.

Система терморегулирования поддерживает температуру ИСЗ в пределах, подходящих для нормального функционирования полезной нагрузки, и другой, обеспечивающей функционирование ИСЗ на орбите, аппаратуры.

Для геостационарных ИСЗ тепловая окружающая обстановка определяется следующими условиями: земной тепловой поток и альбедо незначительны; максимальная продолжительность периодов тени доходит до 70 мин/сутки; северная и южная стороны ИСЗ попеременно находятся в тени (до шести месяцев в году) и освещаются Солнцем на относительно низких углах (до 23° для других шести месяцев); в случае трехосной стабилизации боковые стороны ИСЗ по разному освещаются Солнцем в течение суток.

Кроме того, полезная нагрузка состоит, как правило, из подсистем с сосредоточенным (локализованным) тепловыделением (например, мощные усилители на ЛБВ, клистронах и т. п.).

Решение задач терморегулирования в трудных условиях обеспечивают принятые специальные конструктивно-технологические меры, а именно: использование жесткозакрепленных оптических солнечных отражателей, специальных материалов для создания легких поверхностей с высокой теплопроводностью (бериллий, магний), методов специального теплового кондиционирования для южной и северной сторон, в некоторых случаях ЛБВ с коллектором прямого излучения и/или с помощью тепловых труб и ограничение температурных перепадов на антеннах путем использования специальных покрытий.

Внедрение перечисленных выше технических усовершенствований в технику ИСЗ уже сегодня привело к существенному увеличению времени его нахождения на орбите. Сейчас срок службы ИСЗ в первую очередь ограничивается износом систем коррекции орбиты и энергоснабжения, что объясняется деградацией солнечных элементов и потерей емкости аккумуляторов. За последние 20 лет срок службы спутников возрос с 18 месяцев до 3...5 лет, а потом и до 7 лет. Намечается переход к эксплуатации спутников с 10-летним жизненным циклом.

Большинство спутников связи и вещания представляет собой многофункциональные устройства, содержащие по несколько трактов (или стволов), подключенных к нескольким антеннам. Возможны следующие варианты построения схемы одного ствола с учетом характера преобразования принимаемого сигнала.

БРТР гетеродинного типа наиболее часто встречаются в практике спутниковой связи и вещания. Ширина полосы пропускания такого БРТР, как правило, не превышает 40...80 МГц, а основное усиление обеспечивается в тракте преобразования частоты (ПЧ), в ряде случаев выбираемой в пределах 70...120 МГц. В таком БРТР обычно два преобразования частоты: понижающее и повышающее.

БРТР с однократным преобразованием частоты (в литературе встречаются названия: линейный БРТР, БРТР прямого усиления). В нем только одно преобразование частоты принимаемого сигнала, в результате которого спектр сигнала переносится в область сигналов передаваемых на землю частот. Преимущество такой схемы – в её простоте и большей широкополосности. Ширина полосы пропускания может доходить до 80...120 МГц. Однако недостаток такой схемы – трудности технической реализации, связанные с необходимостью получения значительного усиления на одной из частот. При типичных для большинства линий связи уровнях передаваемых и принимаемых сигналов потребуется реализовать в БРТР большое усиление (120 дБ ориентировочно), что затруднительно с точки зрения обеспечения устойчивости в работе.

БРТР с демодуляцией (или обработкой) сигнала на борту. Применялись, как правило, для передачи специальных видов информации. По мере развития систем спутниковой связи (переход к цифровым методам, обработка, сигналов на борту, изменение вида модуляции, коммутация сообщений по лучам и т. п.) такие схемы стали использовать и для обеспечения дуплексной связи через стационарные ИСЗ с детектированием (демодуляцией). Например, в случае работы цифровыми методами на борту нередко осуществляются детектирование принятых сигналов и их регенерация.

Конструкция БРТР должна обеспечивать самостоятельное и надежное функционирование в сложных условиях воздействия всей совокупности этих факторов в течение всего срока службы и удовлетворять следующим требованиям: минимально возможная масса при заданных требованиях надежности и энергетических показателей; оптимальная по условиям установки в ИСЗ форма для обеспечения минимальных нагрузок на ракету-носитель; оптимальное использование внутреннего пространства БРТР с целью обеспечения необходимых условий терморегулирования, удобного доступа к узлам и блокам и возможности замены блоков перед стартом; минимальное влияние динамических нагрузок неравномерности распределения масс в полете на другие системы ИСЗ, главным образом на системы ориентации и стабилизации; способность выдерживать различного рода вибрации, ускорения и удары, возникающие в процессе запуска и коррекции траектории, основным источником которых является работающий реактивный двигатель как самого космического аппарата, так и ракеты-носителя, частота вибраций от нескольких до тысяч герц; способность выдерживать резкое изменение температуры (+60...−150°С). Как видно, к БРТР предъявляют довольно жесткие требования, часто противоречащие друг другу. Например, БРТР должны иметь минимальные массу и габаритные размеры, отличаться высокой надежностью и экономичностью и в то же время отдавать максимально возможную мощность, иметь высокую стабильность параметров в течение большого срока эксплуатации.

Учитывая всё вышеизложенное, в проектируемой системе спутниковой связи будем использовать БРТР гетеродинного типа, его структурная схема представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Структурная схема бортового ретранслятора гетеродинного типа

    где Г – гетеродин;

УПЧ – усилитель промежуточной частоты;

МУ – мостовой усилитель;