662_Nosov_V.I._Obespechenie_ehlektromagnitnoj_sovmestimosti_

13. Возможность построения крупномасштабных широкополосных цифровых сетей интегрального обслуживания – ШЦСИО {B-ISDN – Broadband Integrated Service Digital Network} без значительных инвестиций на начальных фазах развертывания, особенно на территориях, где наземная инфраструктура развита недостаточно или вовсе отсутствует.

14.ССС дают возможность объединять на начальных фазах развития наземной инфраструктуры локальные, городские и региональные наземные ШЦСИО, в том числе и на базе волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), в корпоративные, национальные, интернациональные и глобальные структуры. По мере созревания и развития наземной инфраструктуры ССС могут быть использованы в качестве дополнения и резерва для наземных каналов связи, в частности, на случай природных и техногенных катастроф.

Основные определения, принятые в ССС. Приведем определения ос-

новных понятий, принятых в ССС, руководствуясь Регламентом радиосвязи (основным сводным документом по проблемам радиосвязи) [4, 5]:

Космическая радиосвязь – радиосвязь, при которой используют космические станции (КС), расположенные на ИСЗ или других космических объектах.

Космическая станция - станция, расположенная на объекте, который находится за пределами основной части атмосферы Земли, например ИСЗ. КС могут быть: пассивными (только отражательными - на них отсутствует какаялибо приемопередающая аппаратура), которые не получили достаточно широкого распространения; активными с приемопередающей аппаратурой, которые и будут рассматриваться далее.

Земная станция (ЗС) – станция радиосвязи, расположенная на земной поверхности и предназначенная для связи с КС либо с другими ЗС через КС или другие космические объекты, например пассивные (отражательные) ИСЗ.

Спутниковая линия связи - линия связи между ЗС с помощью одного ИСЗ, на каждом направлении включает в себя участок Земля - спутник (участок «вверх») и участок спутник - Земля (участок «вниз»).

Зоны видимости, покрытия, обслуживания. Под зоной видимости

(ЗВ) ИСЗ следует понимать поверхность Земли, с которой спутник виден под углом места, большим некоторого допустимого значения (например, = 5°), в течение заданной длительности сеанса связи. Зависимость зоны видимости спутника от высоты орбиты Н можно получить из простых геометрических соотношений. Максимальный размер ЗВ определяется из выражения

ЗВ = (4 ⁄360) arccos[1⁄(1 + ⁄ )], км.

(1.1)

Для ГО ЗВ=18000 км при = 0 °, но реально ≥ 5 °, тогда ЗВ ≈ 17000 км. Для ГО ЗВ можно считать постоянной. С высоты ГО при = 5 ° Земля видна

11

под углом около γ = 17° (рис. 1.1). Угол определяет ширину главного лепестка ДН антенны ИСЗ, а, следовательно, и её коэффициент усиления, равный примерно 20 дБ, независимо от частотного диапазона. Такая антенна обеспечивает глобальную зону покрытия, кроме областей, лежащих выше 76,5° с.ш. или ниже

76,5° ю.ш.

	42164 км	N
		76,50 сш
17,30	H

R

76,50 юш

S

Рис. 1.1. – Зона видимости геостационарного ИСЗ

Зона покрытия (ЗП) – часть зоны видимости, в которой обеспечиваются необходимые энергетические соотношения на линии связи при определенных параметрах ЗС. Как правило, глобальная зона покрытия совпадает с зоной видимости и предпочтительна в случаях, когда надо охватить связью большие территории, например в международных ССС (у спутников Intelsat, "Молния").

Однако для улучшения энергетики линий связи все чаще создаются зоны покрытия малого размера, максимально приближенные к границам обслуживаемой территории (например, региона или государства) при создании национальных ССС. Такие ЗП называются локальными. Они создаются антеннами с большей направленностью и, следовательно, с большим коэффициентом усиления, например на ИСЗ "Экран".

На современных многофункциональных ИСЗ устанавливают вместе глобальные и узконаправленные антенны, причем узконаправленные антенны могут иметь несколько лучей, образующих на Земле свои ЗП. Такие антенны получили название многолучевых (МЛА). Если ЗП МЛА не перекрываются, то передачу во всех лучах можно вести на одной и той же частоте.

Зона обслуживания (ЗО) - часть поверхности Земли, на которой расположены или могут располагаться ЗС данной сети, т.е. зона, в которой необходимо обеспечить нормальную работу ЗС. На этой территории необходимо обеспечить не только выполнение всех условий, определяющих зону покрытия, но и соблюдение необходимой защиты от помех со стороны других радиосистем. Все расчеты взаимных помех должны выполняться для любой точки ЗО. Зона покрытия всегда охватывает ЗО. Регламент радиосвязи рекомендует, чтобы ЗО была как можно ближе к ЗП.

12

Находясь на достаточно высокой орбите, единственный СР способен предоставить информационные услуги пользователям, размещенным на огромной территории диаметром от 1,5-2 тыс. км до примерно 16 тыс. км. Под областью обслуживания ССС будем понимать часть земной поверхности и околоземного пространства между любой парой точек которой возможна передача информации с заданной скоростью и качеством.

«Геометрия» области обслуживания определяется не только параметрами орбиты ретранслятора и характеристиками БРТК, но и характеристиками используемых земных станций (ЗС), а также требованиями к пропускной способности каналов связи и качеству передачи информации. Если необходимые размеры области обслуживания велики настолько, что не могут быть покрыты одним ретранслятором, то используют орбитальную группировку, состоящую из нескольких ретрансляторов, каждый из которых обслуживает часть (зону) области обслуживания.

Разбиение на зоны может использоваться и при наличии одного СР с БРТК, оборудованным многолучевой приемопередающей антенной, каждый луч которой формирует свою зону обслуживания. Обычно зоны частично перекрываются (как правило, на уровне минус 3дБ), образуя сплошную область обслуживания, но возможны ситуации, когда целесообразным оказывается использование нескольких изолированных зон, например при объединении посредством ССС информационных структур нескольких крупных городов в единую инфраструктуру. В любом случае, при зональном обслуживании для обеспечения возможности связи между ЗС, находящимися в разных зонах обслуживания, необходима организация межзоновых каналов связи.

Применение бортовых многолучевых антенн (МЛА) и создание распределенной многозоновой архитектуры с малыми узловыми (базовыми) ЗС в зоне каждого луча антенны является одним из перспективных направлений развития общесистемных принципов и технологий, приводящих к качественному повышению эффективности ССС. Для наиболее эффективной реализации спутниковой связи ССС с зональным обслуживанием целесообразно применение на спутниках антенн с узкими лучами. Применение таких антенн не только улучшает пространственную избирательность, но и дает энергетических выигрыш, например, возможность уменьшить мощность передатчиков спутника и земных станций [1, 4].

Классификация ССС. ССС различного назначения могут отличаться друг от друга по целому ряду классификационных признаков [4, 5], основными из которых являются:

характеристики области обслуживания;

преобладающее направление информационных потоков в сети;

тип орбитальной группировки ретрансляторов;

диапазоны используемых частот;

13

назначение ССС и тип используемых станций.

По охватываемой территории, административной структуре управления и принадлежности космического и наземного сегментов сети связи можно выделить:

глобальные (международные) ССС, обеспечивающие полный охват территории Земли и развивающиеся под управлением и при координации международных организаций, объединяющих большинство стран мира. Самые из-

вестные из них Intelsat, Inmarsat, Интерспутник, Eutelsat, Arabsat;

интернациональные ССС, являющиеся объектом совместной деятельности нескольких десятков стран, в том числе региональные ССС, совместно используемые странами, расположенными в относительном соседстве друг с другом и принадлежащими одному географическому региону. Самые известные из них Интерспутник, Eutelsat, Arabsat;

национальные (региональные) ССС, наземный сегмент которых сосредоточен в пределах одной страны;

корпоративные (ведомственные) ССС, наземный сегмент которых принадлежит одному ведомству, крупной частной компании и т.д., а назначение сетей состоит в обеспечении обмена деловой информацией и данными в интересах организации-владельца или арендатора сети.

По превалирующему направлению передачи информационных потоков в

СССразличают:

сети сбора информации, в которых информация передается от многочисленных источников (датчиков) в один или несколько центров сбора и обработки информации;

сети распределения информации, для которых характерна передача трафика от небольшого числа центральных распределительных станций к многочисленным потребителям информации. В обратном направлении может передаваться лишь незначительный объем запросной информации. Для сетей распределения информации характерно наличие режимов многоадресной и широковещательной передачи;

сети обмена информацией характеризуются тем, что в них ЗС являются в примерно равной степени источниками и потребителями циркулирующих в сети информационных потоков.

1.2. Основные элементы систем спутниковой связи

1.2.1 Антенны

Диаметр, коэффициент усиления антенн и антенно-волноводный тракт. Диаметр антенны Da оказывает решающее влияние на размеры и стои-

14

мость ЗС. В отличие от антенн КС, диаграмма направленности (ДН) которых должна быть "согласована" с обслуживаемой территорией, антенны ЗС не имеют таких ограничений. Чем больше размер антенны ЗС, тем в большей степени она может "преодолеть" ослабление сигналов на трассе и обеспечить большую пропускную способность системы в целом.

Вследствие этого в спутниковых системах использовались антенны параболического типа с диаметром зеркала 25 м, 32 м и более. В дальнейшем по мере увеличения мощности излучения ИСЗ, количественного роста сети ЗС, а также под давлением экономических факторов появилась тенденция сокращения диаметра зеркала антенны до 12 м, а затем до 5...7 м. Для систем ТВ вещания стали использовать антенны с диаметром зеркала 0,6...2,5 м, а для систем

VSAT - от 0,9 до 4,5 м [1, 4, 5].

ВССС используются рупорно-параболические, параболические антенны

спереизлучателем (антенны Кассегрена) и антенные решетки типа "волновой канал' (директорные антенны).

ВССС антенны работают как с круговой поляризацией, т.е. в зависимости от направления вращения вектора напряжённости поля Е различают круговую правую и круговую левую поляризации, причем сигналы с разным направлением вращения полностью развязаны (ортогональны), так и с линейной вертикальной (V) или горизонтальной (Н) поляризацией.

Антенна характеризуется также показателями опорно-поворотного устройства и системой наведения на ИСЗ. Различают антенны [4, 5, 6]: полноповоротные – способные направляться в любую точку небосвода; неполноповоротные – имеющие ограниченную область наведения на источник сигнала.

В последние годы чаще применяют неполноповоротные, медленно движущиеся и неподвижные антенны, пригодные для работы только с геостационарными ИСЗ.

Антенно-волноводный тракт (АВТ) является промежуточным звеном между передающим устройством и антенной при передаче и между антенной и приемным устройством при приеме. В многоствольных станциях АВТ выполняет также функции совмещения (объединения) сигналов от нескольких передатчиков и разделения сигналов при приеме, а в станциях, работающих с поляризационным уплотнением, АВТ должен обеспечить сложение и разделение сигналов с различной поляризацией.

Антенной называется устройство, предназначенное для излучения или приема электромагнитных волн. Антенна обеспечивает связь между фидерной линией и окружающей средой. Колебания высокой частоты с выхода передатчика по фидерной линии поступают на вход антенны и в виде электромагнитных волн излучаются в пространство. Приемная антенна улавливает электромагнитные волны и преобразует их в СВЧ колебания, передаваемые по фидерной линии в приемник.

15

Из принципа взаимности вытекает обратимость процессов приема и передачи. Это позволяет одну и ту же антенну одновременно использовать как на прием, так и на передачу, что существенно повышает технико-экономические показатели системы связи.

Для оценки и сравнения между собой различных антенн вводится ряд характеристик (параметров). К ним относятся параметры, характеризующие направленные и поляризационные свойства антенн, рабочий диапазон частот, входное сопротивление, допустимую мощность и др. В данном разделе рассматриваются основные из них.

Амплитудная характеристика направленности антенны. Направлен-

ные свойства антенны принято определять амплитудной характеристикой направленности, т. е. зависимостью напряженности излучаемого антенной поля E( , ) в точке наблюдения от углов в вертикальной плоскости и в горизонтальной плоскости.

В антенной технике обычно интересуются характером зависимости напряженности поля от направления на точку наблюдения, а не абсолютным значением напряженности поля. Поэтому удобно пользоваться нормированной характеристикой направленности

	(, ) =	|( , )|	.	(1.2)
		( , )
		макс

Диаграмма направленности антенны (ДНА) – графическое изображе-

ние амплитудной характеристики направленности. Пространственная ДНА изображается в виде поверхности, описываемой концом радиуса-вектора, исходящего из начала координат, длина которого в каждом направлении пропорциональна функции F( , ). Построить такую диаграмму трудно.

Обычно диаграммы строят для двух плоскостей: горизонтальной и вертикальной. Эти плоскости, как правило, выбираются так, чтобы в одной из них был расположен вектор поля Е, а в другой Н. Диаграммы направленности могут быть построены как в полярной (рис. 1.2), так и в прямоугольной (рис. 1.3) системе координат. Направление максимального излучения антенны = 00 называется главным направлением, а соответствующий ему лепесток – главным. Остальные лепестки являются боковыми. Направления, в которых антенна не принимает (и не излучает), F( ) = 0 называются нулями ДНА.

Главный лепесток характеризуется обычно шириной по половинной мощности 2 0,5 и шириной пo нулям 2 0. Ширина 2 0,5 определяется из ДНА на уровне 0,707 (или на уровне минус 3 дБ, если последняя построена в логарифмическом масштабе).

Коэффициент направленного действия (КНД) характеризует способ-

ность антенны концентрировать излученное электромагнитное поле в каком-

16

либо направлении ипредставляет собой отношение плотности потока мощно-
сти, излучаемого антенной в данном направлении, к усредненной по всем
направлениям плотности потока мощности.
Другими словами, при определении КНД данная антенна сравнивается с
воображаемой абсолютно ненаправленной или изотропной (точечной) антенной,
излучающей ту же мощность, что и рассматриваемая.
					90
								Главный лепесток
										2 0,5								Е
																		Еmax
								0,2		0,4		0,6	0,707		0,8		1,0
		180																0
					270
Рис. 1.2. – Диаграмма направленности антенны в полярных координатах
										ЕЕ max
									1,0
									0,9	Главный лепесток
									0,8		2q0,5
									0,7
									0,6		Основная поляризация
		Перекрёстная поляризация
									0,5
									0,4	2q0
									0,3	q1
									0,2					Боковые лепестки
									0,1
																			q, град
180	200	220	240	260	280	300	320	340	0	20	40	60	80	100		120	140	160	180
Рис. 1.3 – Диаграмма направленности антенны в прямоугольных координатах

Заметим, что КНД тем больше, чем уже главный лепесток ДНА и чем меньше относительный уровень боковых лепестков. Для апертурных антенн

		= 10 (	4и.п а	),дБ,	(1.3)
	н.д		2
		17

где Sа – площадь раскрыва антенны;

Ки.п– коэффициент использования излучающей поверхности; λ – длина рабочей волны.

Зная КНД, можно ориентировочно определить ширину главного лепестка антенны. У большинства антенн спутниковых и радиорелейных линий связи ширина ДНА по половинной мощности в вертикальной плоскости примерно равна ширине диаграммы в горизонтальной плоскости

				2
2 0,5	≈ 225√	и.п	= 225√		= 71,6		,	(1.4)
				4
		н.д		а		а

где Dа – диаметр антенны.

В связи с наличием рефракции радиоволн, т.е. искривления пути распространения волны, недопустимо безграничное сужение главного лепестка антенны. Ориентировочно можно считать, что для обеспечения устойчивой связи ширина главного лепестка в вертикальной плоскости не должна быть менее 10 ÷ 1,50, что в соответствии с (1.4) ограничивает максимально возможный диаметр антенны. Например, в диапазоне частот 4 ÷ 6 ГГц максимальный диаметр антенны не должен превышать 3,5 ÷ 3,7 м.

Поскольку КНД не учитывает КПД реальной антенны, на практике пользуются параметром, называемым коэффициентом усиления G, который связан с КНД соотношением

= а + н.д, дБи,	(1.5)

Здесь ηа – КПД антенны.

Коэффициент усиления антенны показывает, во сколько раз следует уменьшить мощность, подводимую к данной антенне по сравнению с мощностью, подводимой к идеальной ненаправленной (изотропной) антенне, КПД которой считается равным единице, чтобы напряженность поля в точке приема оставалась неизменной. Так как в диапазоне дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн ηа 1, то часто принимают G = Kн.д. Отсюда коэффициент усиления для антенн апертурного типа можно рассчитать по формуле

(1.3).

Коэффициент защитного действия (КЗД) вводится для характеристики степени ослабления антенной сигналов, принятых с обратного направления, и рассчитывается по формуле

з.д = ( = 00) − ( = 1800),дБ, (1.6)

18

где G( = 00) и G( = 1800) – соответственно, коэффициенты усиления антенны в направлении главного лепестка ДНА и в обратном направлении. При использовании на РРЛ двухчастного плана требуется Кз.д 65 70 дБ. Также важно учитывать КЗД при решении задач обеспечения электромагнитной совместимости радиосистем.

Кроссполяризационная защита антенны определяет ослабление поля пе-

рекрёстной поляризации (кроссполяризационной волны) (XPD – Cross Polar Discrimination - кроссполяризационная развязка (ослабление)). Этот параметр количественно определяется коэффициентом

а( ) = оп( ) − кп( ), дБ,

(1.7)

где Gоп( )– коэффициент усиления антенны на основной поляризации; Gкп( ) – коэффициент усиления антенны для кроссполяризационного сиг-

нала.

Зависимость XPDа( ) имеет сложный характер, связанный с конструктивными особенностями антенн, а также с параметрами сигнала. При этом для всех типов антенн максимум кроссполяризационной развязки наблюдается при = 00. Ослабление поля перекрестной поляризации при приеме с главного и близких к нему направлений у типовых параболических антенн составляет не менее 25 дБ, достигая у улучшенных антенн 40 дБ.

Под полосой пропускания или рабочим диапазоном частот антенны

понимают интервал частот, в котором ширина главного лепестка ДНА и уровни боковых лепестков не выходят из заданных пределов, коэффициент усиления остается достаточно высоким, а согласование с фидерным трактом существенно не ухудшается. Так, в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн полоса пропускания антенны составляет 15 20% от средней частоты.

В радиорелейных и спутниковых системах связи, как правило, используются однозеркальные и двухзеркальные параболические антенны, основные параметры которых для рабочей частоты 7 ГГц приведены в таблице 1.1.

Из таблицы 1.1 видно, что при обеспечении более высоких значений КЗД значения XPD существенно увеличиваются.

При практических расчётах в диапазоне частот 1 40 ГГц рекомендуется использовать эталонные диаграммы направленности параболических антенн

[4, 5].

При отношении диаметра антенны Dа к рабочей длине волны больше 100 для определения ДНА должны использоваться следующие уравнения

19

		−2,5 ∙ 10−3( ⁄ )2	при 0 ≤ <
		−	при	≤ <
	( ) =	1 макс			(1.8)
		32 − 25 −	при ≤ < 480
		макс
		{−10 −	при 48 ≤ ≤ 1800
		макс

где DA и в одинаковых единицах;

макс = 7,7 + 20 ( ) – коэффициент усиления антенны;

1 = 2 + 15 ( ) – коэффициент усиления первого бокового лепестка ДНА;

		−			= 20	√ макс− 1					, град;
										−0,6
				= 15,85		(			)	, град.
Таблица 1.1 – Основные параметры параболических антенн
Тип характе-	Диаметр,		G, дБи			Ширина ДНА,						Кз.д,	XPDа, дБ
ристик антенн	м								2 0,5, град			дБ
	0,6			30,7						5		40	25…27
Стандартные	1,2			36,9						2,3		50	25…27
	2,4			42,9						1,3		60	25…27
	0,6			30,7						5		43	27…30
Улучшенные	1,2			36,9						2,3		53	27…30
	2,4			42,9						1,3		64	27…30
	0,6			30,7						5		60	30…32
Высокие	1,2			36,9						2,3		65	30…32
	2,4			42,9						1,3		72	30…32
	0,6			30,7						5		62	40
Очень	1,2			36,9						2,3		68	40
высокие	2,4			42,9						1,3		74	40

При отношении диаметра антенны DA к рабочей длине волны меньше 100 для определения ДНА должны использоваться следующие уравнения:

		−2,5 ∙ 10−3( ⁄ )2		при 0 ≤ <
		−		при	≤ < 100( ⁄	)
( ) =	1	макс					(1.9)
	52 − 10 ( ⁄ ) − 25 −			при 100( ⁄ ) ≤ < 480
			макс
{	−10 − 10 (		⁄ )−	при 48 ≤ ≤ 1800
			макс
			20