Бортовой ретранслятор спутниковой системы связи

В последнее время наметилась тенденция использования связных ИСЗ, находящихся на низких орбитах (расстояние до Земли в пределах 700…1500 км). Системы связи с использованием ИСЗ на низких орбитах благодаря значительно меньшему (практически в 50 раз) расстоянию от Земли до спутника имеют ряд преимуществ перед ССП на геостационарных спутниках.  
Во-первых, это меньшее запаздывание и затухание передаваемого сигнала, а во-вторых, более простой вывод ИСЗ на орбиту. Основным недостатком подобных систем является необходимость выведения на орбиту большого количества спутников для обеспечения длительной непрерывной связи. Это объясняется небольшой зоной видимости отдельного ИСЗ, что усложняет связь между абонентами, находящимися на большом расстоянии друг от друга. Например, космический комплекс «Iridium» (США) состоит из 66 космических аппаратов, размещенных на круговых орбитах с наклонением φ = 86° и высотой 780 км. Спутники размещаются в орбитальных плоскостях, в каждой одновременно находятся 11 спутников. Угловое расстояние между соседними орбитальными плоскостями составляет 31,6°, за исключением 1-й и 6-й плоскостей, угловой разнос между которыми около 22°.

Антенная система каждого ИСЗ формирует 48 узких лучей. Взаимодействие всех ИСЗ обеспечивает глобальное покрытие Земли услугами связи. В нашей стране ведутся работы по созданию собственных низкоорбитальных спутниковых систем связи «Сигнал» и «Гонец».

Для уяснения особенностей работы низкоорбитальных спутниковых систем рассмотрим схему прохождения в ней сигналов Приложение Б.

В этом случае на каждой ЗС должны быть установлены две антенны (А1 и А2), которые могут осуществлять передачу и прием сигналов с помощью одного из спутников, находящегося в зоне взаимной связи. В приложении Б показаны ИСЗ, движущиеся по часовой стрелке по одной низкой орбите, часть которой показана в виде дуги mn. Рассматриваемая система спутниковой связи работает следующим образом. Сигнал от ЗС1 через антенну A1 поступает на ИС34 и ретранслируется через ИС33, ИС32, ИСЗ1 к приемной антенне А1 ЗС2. Таким образом, в этом случае для ретрансляции сигнала используются антенны А2 и сегмент орбиты, содержащий ИС34 и ИСЗ1. При выходе ИС34 из зоны, лежащей левее линии горизонта аа', передача и прием сигнала будут вестись через антенны А1 и сегмент орбиты, содержащий ИС35...ИС32, и т.д.

Поскольку каждый ИСЗ может наблюдаться с достаточно большой территории на поверхности Земли, то можно осуществить связь между несколькими ЗС через один общий связной ИСЗ. В этом случае спутник оказывается «доступным» многим ЗС, поэтому такая система называется системой спутниковой связи с многостанционным доступом.

Использование ИСЗ, движущихся по орбите с малой высотой, упрощает аппаратуру ЗС, так как при этом возможно снижение усиления земных антенн, мощности передатчиков и работа с приемниками меньшей чувствительности, чем в случае геостационарных спутников. Однако в этом случае усложняется система управления движением большого числа ИСЗ по орбите.

В стадии разработки находится система связи на основе низкоорбитальных 840 связных спутников, оснащенных сканирующими антенными системами с высоким коэффициентом усиления покрывающих всю поверхность Земли сетью из 20 000 больших зон обслуживания, каждая из которых будет состоять из 9 малых зон. Спутники будут связаны с наземной телекоммуникационной сетью посредством высокопроизводительных ЗС. Однако и сами низкоорбитальные спутники связи сформируют независимую сеть, где каждый из них будет обмениваться данными с девятью соседями, используя высококачественные каналы меж спутниковой связи. Эта иерархическая структура должна сохранить работоспособность при отказах отдельных спутников, при локальных перегрузках и выводе из строя части средств связи с наземной инфраструктурой.

Передача сигналов в ССП.

В отличие от других систем передачи, работающих в диапазоне СВЧ, в спутниковых системах радиосигнал преодолевает значительные расстояния, что определяет ряд особенностей, к которым относят допплеровский сдвиг частоты, запаздывание сигнала, нарушение непрерывности значений запаздывания и доплеровского сдвига частоты.

Известно, что относительное перемещение источника сигнала с частотой f со скоростью vp << с вызывает доплеровский сдвиг ∆fдоп = ±fvp  /c, где с - скорость распространения электромагнитных колебаний; знак «+» соответствует уменьшению расстояния между источником сигнала и приемником сигнала, а «-» - увеличению.

При передаче модулированных колебаний частота каждой спектральной составляющей изменяется в 1 + (vр /с) раз, т.е. составляющие с более высокой частотой получают большее изменение частоты, а с более низкой частотой - меньшее. Таким образом, эффект Доплера приводит к переносу спектра сигнала на значение ∆fдоп и к изменению масштаба спектра в 1 + (vp/c) раз, т.е. к его деформации.

Для геостационарных спутников доплеровский сдвиг незначителен и не учитывается. Для сильно вытянутых эллиптических орбит (орбит типа «Молния») максимальное значение доплеровского сдвига для линии вниз в полосе 4 ГГц составляет 60 кГц, что приводит к необходимости компенсировать его, например: по заранее рассчитанной программе. Сложнее компенсировать деформации спектра. Для этого могут быть применены устройства либо с переменной управляемой задержкой группового или СВЧ сигнала, изменяемой по программе, либо управляющие частотами группового преобразования каналообразующей аппаратуры систем передачи с частотным разделением каналов.

3 Принципы построения спутниковых систем передачи 
с многостанционным доступом

Ретрансляторы, устанавливаемые на связных спутниках, как и в РРСП прямой видимости, представляют собой многоствольные приемопередающие устройства. Число стволов в современных ССП может достигать 24 и более. При этом, как правило, используется вся выделенная полоса частот в данном диапазоне. При передаче сигналов разных ЗС по разным стволам обычно никаких проблем не возникает. Если же передаются сигналы различных ЗС по одному стволу ретранслятора, то такое использование стволов называется многостанционным доступом (МД). Он позволяет создать сеть связи, в которой один ствол спутникового ретранслятора дает возможность одновременно организовать как магистральные одно- и многоканальные системы передачи с центральной станцией, так и системы связи типа «каждый с каждым». В спутниковых системах, в отличие от наземных многоканальных систем, групповой сигнал образуется земными станциями непосредственно на входе ретранслятора, причем в диапазоне СВЧ.

Основные требования к системе МД следующие: эффективное использование мощности ретранслятора и максимальное - полосы частот ретранслятора; допустимый уровень переходных помех; гибкость системы.

Чтобы МД соответствовал этим требованиям, необходимо найти ансамбль ортогональных или близких к ортогональным сигналов. Известны три способа формирования такого ансамбля, основанные на разделении сигналов по частоте, времени и форме. В соответствии с этими способами различают следующие виды МД: с частотным разделением сигналов (МДЧР); с разделением сигналов по времени (МДВР); с разделением сигналов по форме (МДРФ). Находят применение разновидности и комбинации этих способов.

Многостанционный доступ с частотным разделением сигналов.

При МДЧР каждый сигнал ЗС имеет определенный участок общего группового СВЧ спектра частот. Все они передаются одновременно, а групповой сигнал, проходящий через ретранслятор спутника, образуется из сигналов не только отдельных каналов (например, тональной частоты), но и из групп каналов. При этом возможно использование различных видов модуляции. Спектр группового сигнала с МДЧР приведен в Приложении В.

Здесь на каждой ЗС сигнал, образованный одним или группой каналов, разнесенных по частоте, модулирует свою несущую fн. При определенных значениях несущих на входе ретранслятора в пределах полосы ствола ∆fp в диапазоне СВЧ образуется групповой сигнал. Значения несущих частот и девиация частоты выбираются такими, чтобы между спектрами сигналов оставались защитные интервалы ∆f3 для уменьшения взаимных помех между сигналами. Передача сигналов при МДЧР приводит к снижению общей выходной мощности ретранслятора, взаимному подавлению сигналов, появлению переходных помех из-за нелинейности амплитудной характеристики ретранслятора и из-за наличия в ретрансляторе элементов, преобразующих амплитудную модуляцию в фазовую.

Эффективность МДЧР существенно падает по сравнению с односигнальным режимом. Так, при передаче через ретранслятор сигналов от 10 ЗС можно пропустить только 10 каналов тональной частоты (КТЧ) на каждой несущей, т.е. всего 100 КТЧ, а при наличии 55 ЗС на каждой несущей можно передать только один КТЧ.

Достоинства МДЧР состоит в простоте аппаратуры и ее совместимости с большей частью эксплуатируемой аппаратуры канального преобразования.

Разновидностью МДЧР является многостанционный доступ типа «несущая на канал», представляющий собой комбинацию способов передачи сигналов, при которой учитывается статистика многоканального сообщения в системах с незакрепленными каналами.

Поскольку активность КТЧ составляет 25...30% времени, в течение которого он занят, то, выключая несущие колебания в паузах разговора, можно уменьшить среднестатистическую загрузку ретранслятора сигналами ЗС либо при той же загрузке увеличить число ЗС в системе. В системах с выключением несущих возможно увеличение их эффективности в 3 раза при использовании ЧМ несущих, при использовании других видов можно еще более увеличить эффективность системы МД.

Система, в которой сигнал каждого КТЧ передается на отдельной несущей, получил название несущая на канал. Эта система отличается тем, что выделение канала и установление связи между парой абонентов требует наличия служебного канала и системы управления со специально выделенной для этой цели управляющей ЗС.

Многостанционный доступ с разделением сигналов во времени.

Интенсивное развитие цифровых систем передачи привело к созданию систем с МДВР. В таких системах каждой ЗС для излучения сигналов выделяется определенный, периодически повторяемый интервал времени, длительность которого определяется трафиком станции. Интервал времени, в течение которого все станции сети по одному разу излучают сигнал, называется кадром, а длительность пакета импульсов, излучаемых одной станцией, называется субкадром.

Интервалы времени излучения всех ЗС должны быть взаимно синхронизированы, чтобы не перекрывались сигналы. Для этого часть пропускной способности ствола отводится для передачи сигналов кадровой (цикловой) синхронизации.

В большинстве случаев применяется сигнал синхронизации в виде отдельного специализированного пакета - сигнал выделенной синхронизации. При этом синхросигналы всех ЗС передаются в кадре на фиксированных временных позициях отдельно от информационных пакетов. Структура и длительность кадровых синхросигналов постоянны, в то время как расположение и длительность информационных пакетов могут изменяться в соответствии с трафиком ЗС.

При МДВР ретранслятор рассчитывается на мощность, близкую к максимальной, так как в каждый момент времени через него проходит сигнал только одной ЗС и отсутствуют переходные помехи, являющиеся одной из основных причин снижения пропускной способности системы.

В Приложении Г показан пример кадра системы с МДВР.

Из Приложения Г следует, что эффективность использования полосы пропускания ствола для МДВР определяется необходимостью введения определенных защитных интервалов времени t3, гарантирующих отсутствие перекрытия сигналов при неустойчивой работе межстанционной синхронизации, а также необходимостью введения ряда дополнительных сигналов, в том числе сигналов синхронизации. В соответствии с этим эффективность системы с МДВР равна

,

где Ткс - длительность сигнала кадровой синхронизации; Тсс - длительность сигнала субкадровой синхронизации; Тк длительность кадра; n - число каналов системы.

Из этой формулы следует, что для повышения эффективности системы целесообразно увеличить длительность кадра, уменьшить длину и число защитных интервалов, повысить точность синхронизации. Поскольку длительность кадров для речевой связи определяется теоремой Котельникова-Найквиста и, следовательно, максимальной частотой передаваемого сигнала (так, для КТЧ обычно применяется Тк = 125 мкс), то для увеличения Тк необходимо ввести буферную память, в результате чего увеличивается задержка передаваемой информации. С целью уменьшения емкости буферной памяти для передачи информации данной станции может быть предоставлено несколько субкадровых интервалов, равно расположенных в кадре. При этом неизбежны потери в пропускной способности из-за увеличения числа защитных интервалов.

Многостанционный доступ с разделением сигналов по форме.

В системах с МДРФ обычно используются шумоподобные сигналы (ШПС), их называют также широкополосными, широкобазовыми или составными. В отличие от обычных сигналов, для которых база В = ∆fcTc ≈ 1, где ∆fc -ширины полосы сигнала, а Тс - его длительность, для ШПС В >> 1. Реализацию таких сигналов рассмотрим на следующем примере (Приложение Д). Пусть бинарная информация передается с пассивной паузой со скоростью 1/Тс бит/с. Длительность информационных символов равна Тс, а эффективная ширина спектра - примерно 1/Тс . Заменим теперь каждый информационный символ серией разнополярных импульсов, длительность которых τэ = Т0/n, а порядок чередования (структура ШПС) случаен, но точно известен на стороне приема. Это преобразование равносильно расширению спектра в n раз и соответствующему увеличению базы сигнала. Существуют и другие способы формирования ШПС.