лекция 4_конспект

Лекция 4

Спутниковые системы связи

Основным назначением спутниковых систем является передача информации между абонентами на поверхности Земли, в атмосфере Земли, на поверхности Мирового океана, то есть обеспечение связи. Это назначение возникает естественным образом из возможности увидеть, а значит и организовать связь, спутник на большом расстоянии вследствие большой высоты орбиты спутника.

Мировой рынок спутниковых услуг достаточно обширен. Крупнейшие операторы спутниковой связи на геостационарной орбите – SES, Intelsat и Eutelsat владеют совокупным флотом в 138 КА, при этом 56 из них принадлежат SES. Стоимость одного спутника для работы на ГСО может составлять от 70 млн. до 100 млн. евро. Связные спутники на низких круговых орбитах стоят гораздо меньше, что позволяет успешно заходить на этот рынок частным компаниям, не имеющим опыт разработки космических систем.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АФУ – антенно-фидерные устройства;

ВЭО – высокоэллиптическая орбита;

ГСО – геостационарная орбита;

КА – космический аппарат;

КПД – коэффициент полезного действия;

НКО – низкая круговая орбита;

ОГ – орбитальная группировка;

ОУ – оконечное устройство;

ПРД – передатчик;

ПРМ – приёмник.

1

Функциональная схема организации спутниковой связи

Связь между двумя абонентами на поверхности Земли может быть организована тремя различными способами.

Первый способ предполагает использование спутника-ретранслятора,

усиливающего приходящий от Абонента1

сигнал и перенаправляющего этот сигнал непосредственно Абоненту2. Этот способ обладает высокой оперативностью и требует использования мощного спутникового ретранслятора.

Второй способ предназначен для связи между абонентами, не находящимися в зоне обслуживания одного КА. Информация, передаваемая от Абонента1, запоминается на борту КА и транслируется Абоненту2 в момент попадания его в зону обслуживания при

движении КА по орбите. Этот способ не

подходит для голосовой связи, однако позволяет использовать маломощные и простые КА.

Третий способ объединяет преимущества первых двух. Сигнал Абонента1 отражается КА на Базовую

станцию1, расположенную в зоне

обслуживания КА1 и по наземным линиям связи передаётся на Базовую станцию2. Этот способ подходит для голосовой связи, но требует организации сети базовых станций.

2

Применение спутниковой связи

Фиксированная спутниковая служба

дуплексная связь между станциями в фиксированных пунктах

Подвижная спутниковая служба

дуплексная связь с подвижными пользователями: сухопутными, морскими, воздушными, космическими

Вещательная (радио и ТВ)

спутниковая служба

симплексная связь, радиосигналы предназначены для непосредственного приёма населением на индивидуальные или коллективные антенны

Спутниковая связь может применяться как для трансляции абонентам информационного контента (теле- и радиовещание), так и для организации двустороннего обмена информацией. В последнем случае спутниковую связь делят на два типа: фиксированную и подвижную. Такое деление обусловлено возможностями абонента по приёму сигнала малой мощности.

Фиксированная спутниковая служба связи служит для организации информационного обмена между крупными населёнными пунктами,

в которых можно установить мощные приёмопередатчики и большие антенны. В этом

случае аппаратура КА может быть маломощной,

а сам спутник находиться на высоких орбитах

(ГСО).

Подвижная спутниковая служба связи предполагает наличие у абонентов маломощных

ималогабаритных терминалов типа

«спутниковый телефон», что накладывает ограничения на мощность излучаемого сигнала.

Поэтому КА для подвижной спутниковой службы связи должны быть оборудованы антеннами большого диаметра (большими «ушами»), либо использовать для работы низкие орбиты, где затухание сигнала абонента несущественно.

Однако использование низких орбит влечёт увеличение количества КА в орбитальной группировке, что повышает стоимость создания и эксплуатации такой космической системы.

3

Фиксированная связь

Внутризоновая	Местная сеть
сеть	Местная сеть
Магистральная

сеть	Местная сеть
Внутризоновая
сеть	Местная сеть

Фиксированная связь непосредственно между двумя крупными населёнными пунктами лишена смысла, если информация будет циркулировать только в пределах приёмо-

передающих станций. Поэтому при организации фиксированной связи возникает иерархия сетей передачи информации:

−магистральная сеть, включающая радиолинии Земля-КА и КА-Земля;

−внутризоновая сеть, состоящая из базовых станций связи, между которыми сигнал распространяется по радиоили проводным каналам, координация сигналов осуществляется контроллером базовых станций, находящимся в проводной связи со станцией магистральной сети;

−местная сеть – это сеть абонентов базовой станции связи (например, абоненты сотовой сети).

Такая схема позволяет оконечным абонентам использовать малогабаритные

терминалы, однако ограничивает перемещение абонентов зоной работы базовых станций

связи.

4

Подвижная связь

Подвижная связь организуется между непосредственными потребителями услуг спутниковой связи. Особенностью подвижной связи является возможность абонентов беспрепятственно перемещаться, а следовательно использовать малогабаритные и лёгкие абонентские терминалы с всенаправленными антеннами. Космические аппараты спутниковой системы подвижной связи должны быть способны воспринимать без искажений слабый сигнал абонентского терминала и генерировать сигнал с высоким уровнем мощности. Для этого либо спутниковая группировка должна быть размещена на низких круговых орбитах (чтобы исключить сильное затухание сигнала), либо КА на ГСО должны быть оборудованы антеннами большого диаметра.

Связь между абонентами сети подвижной спутниковой связи координируется земной станцией сопряжения, в задачи которой входит выделение радиоканалов под каждый сеанс связи, а также передача абонентов от одного спутника другому (в процессе сеанса связи КА может покинуть зону видимости и канал связи должен быть переорганизован на другом КА).

На построение системы подвижной спутниковой связи влияют следующие факторы:

−вид связи (голосовая связь, текстовые сообщения, электронная почта);

−типы антенн аппаратуры потребителей (направленная/всенаправленная);

−стоимость (в зависимости от позиционирования системы на рынке, стоимость услуг, а

значит техническое совершенство КА спутниковой группировки, могут быть разными);

−условия эксплуатации (носимый абонентский терминал, автомобильная, авиационная или морская станция связи – в зависимости от этого варьируются габариты и мощность абонентских терминалов).

5

Вещание

Назначение: симплексная передача информации (радио, телевещание, изображений газетных полос) непосредственно населению на индивидуальные и коллективные антенны.

Телевизионный сигнал передается в том же виде, в каком он поступает от источника информации.

Звуковое сопровождение телевизионного сигнала передается по отдельному радиоканалу.

Вещание как вид связи характеризуется тем, что потребитель только принимает сигнал со спутника и не имеет возможности организовать ответный сигнал. Состав и качество информации в сигнале определяется передающей станцией, которая, в свою очередь,

получает информацию от вещательного центра. Поскольку вещательные услуги предполагают стационарное размещение абонентских терминалов, вещательные КА должны располагаться на геостационарных или высокоэллиптических орбитах .

Использование КА на ГСО позволяет использовать абонентские терминалы стандарта VSAT (Very Small Aperture Terminal), с приёмными антеннами диаметром меньше 2,5 м. Для индивидуальных телевизионных VSAT устройств в настоящее время применяются антенны диаметром 1,2 м.

6

Способы организации сетей спутниковой связи

Дуплексная (двусторонняя) связь

Симплексная (односторонняя) связь

Предварительно закреплённые на заданный срок каналы

(низкая загрузка каналов связи и худшее использование мощности и полосы ретранслятора)

Каналы по расписанию, закреплённые на выделенный интервал времени

(повышение загрузки по сравнению с предыдущим способом)

Каналы с многостанционным доступом и переменным адресом, присваиваемым по требованию: либо только на приём, либо только на передачу, либо на организацию связи между любой парой корреспондентов

Различные способы организации сетей спутниковой связи соответствуют этапам эволюционного развития КА и радиоэлектроники.

Когда спутников на орбитах было мало и каждый КА запускался в интересах конкретного государственного учреждения, каналы на спутнике закреплялись за этим учреждением и использовались по мере необходимости. То есть КА работал по целевому назначению только в течение рабочего дня сотрудников госучреждения, и то не всегда. Это приводило к тому, что ресурс, а зачастую и ширина, канала связи спутника использовались не полностью.

Со временем преимущества спутниковой связи стали очевидны, наземная аппаратура – доступнее, и появилось большое число желающих использовать ограниченное количество КА. В связи с этим каналы на спутнике стали делить по расписанию: пока на Камчатке через спутник работают, в Москве ещё ночь, когда Москва начинает просыпаться, на Камчатке уже закончили работать – таким образом один КА может обслуживать минимум двух абонентов.

Однако, расписание может меняться, что требует согласования нового графика работы с остальными абонентами. Поэтому после появления возможности оцифровывать радиосигнал стали применять динамические адреса абонентов с кодированием: любой абонент при обращении на спутник получает временный ключ и работает одновременно с остальными абонентами (в пределах пропускной способности радиоканала), не мешая им.

7

Методы разделения сигналов

МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ СИГНАЛОВ

Частотное разделение

Под каждую станцию своя полоса частот + защитные частотные интервалы

Временное разделение

Под каждую станцию свой интервал времени работы. Необходима синхронизация временных шкал.

Кодовое разделение

Под каждую станцию выделяется свой код. Информация должна быть цифровой.

Методы разделения сигналов, по сути, повторяют методы организации сетей связи. Также существует частотное разделение (аналог выделения абоненту собственного спутника), временное разделение (расписание работы со спутником) и кодовое разделение (динамический адрес + ключ для организации канала связи только на период работы с КА).

Частотное разделение позволяет разным абонентом одновременно работать с одним КА при условии, что количество передатчиков (количество «стволов») на спутнике равно или больше количества одновременно работающих абонентов, при этом для каждого абонента выделяется передатчик, работающий в отдельной полосе частот. Для того, чтобы при одновременной работе нескольких передатчиков не возникали помехи, между полосами частот организуются защитные интервалы: например, один передатчик работает в диапазоне 3,9–4,5 ГГц, второй – в диапазоне 5,0–6,2 ГГц, а в диапазоне 4,5–5,0 ГГц работа запрещена, чтобы сигналы разных абонентов не накладывались и не происходило ухудшение качества связи.

Временное разделение является следствием частотного разделения. При плотной загрузке спутника и использовании временного разделения необходимо, чтобы шкалы времени смежных абонентов (то есть абонентов, работающих друг за другом в одном частотном диапазоне) были синхронизированы. Иначе может получиться, что один абонент ещё не закончил работу, а второй уже начал, что приведёт к резкому падению качества связи.

Кодовое разделение позволяет абонентам работать одновременно в одной полосе частот, однако информация должна кодироваться для исключения влияния на остальных абонентов. При этом пропускная способность канала делится между абонентами либо в равных долях, либо по принципу «кто раньше встал, того и тапки», когда первый абонент задействует канал в нужном ему объёме, а последующие абоненты делят между собой оставшуюся ширину канала.

8

Низкоорбитальная группировка спутников связи

Т = 2 ч, Н=1663 км, i = 55°, 7 плоскостей по 5 = 35 спутников

Низкие круговые орбиты характеризуются доступностью (можно использовать сравнительно дешёвые ракеты-носители малого класса), малыми задержками сигнала (связанными со сравнительно малым расстоянием, которое сигнал должен пройти от абонента к КА и от КА к другому абоненту) и малой мощностью сигнала (опять же, из-за небольшого расстояния), которая обуславливает техническую простоту такого КА связи.

Недостатком низкоорбитальной связи является малый период обращения КА на НКО, что приводит к малому времени нахождения каждого КА из ОГ в зоне радиовидимости отдельного абонента. Этот недостаток приводит либо к коротким сеансам связи, либо к перерывам в связи и может парироваться увеличением количества КА в ОГ.

Глобальность покрытия поверхности Земли спутниковой группировкой на НКО определяется, в первую очередь, наклонением орбит спутников в группировке. Орбиты с наклонением меньше 60° не пригодны для организации глобальной сети связи, поскольку они не будут видны в полярных регионах, либо их угол места будет слишком мал для организации устойчивой связи.

9

Высокоэллиптическая группировка спутников связи (тип орбиты «Молния»)

В отличие от спутников на НКО, КА на ВЭО находятся в зоне видимости абонента довольно длительное время. Это реализуется за счёт того, что, в соответствии со вторым законом Кеплера, скорость движения КА в области апогея эллиптической орбиты тем меньше скорости в области перигея, чем высота апогея меньше высоты перигея. Для орбиты типа «Молния» угловая скорость движения КА в апогее меньше угловой скорости вращения Земли, поэтому спутник в небе над абонентом сначала движется в восточном направлении, потом некоторое время в западном, потом снова в восточном. Поскольку период обращения такой орбиты равен 12 часам, в течение суток апогей по одному разу оказывается над Восточным и Западным полушариями Земли и для обеспечения круглосуточной связи в регионе под точкой апогея требуется ОГ из как минимум двух КА.

10