Учебное пособие по дисциплине СиСПИ

Обычно ширина полосы спутникового канала велика. Например, один цветной телевизионный канал занимает полосу 6 МГц. Каждый приемопередатчик на современных спутниках связи поддерживает полосу в 36 МГц, при этом спутник несет 12 или 24 приемопередатчиков, что дает в результате 432 МГц или 864 МГц, соответственно.

Рис.3.49 Спутник с трехосевой стабилизацией

Спектр частот. Спутники должны преобразовывать частоту получаемых от ЗС сигналов перед ретрансляцией их к ЗС, поэтому спектр частот спутника связи выражен в парах. Из двух частот в каждой паре, нижняя используется для передачи от спутника к ЗС (нисходящие потоки), верхняя – для передачи от ЗС на спутник (восходящие потоки). Каждая пара частот называется полосой.

Современные спутниковые каналы чаще всего применяют одну из двух полос: С-полосу (от спутника к ЗС в области 6 ГГц и обратно в области 4 ГГц), или Kuполосу (14 ГГц и 12 ГГц,

190

соответственно). Каждая полоса частот имеет свои характеристики, ориентированные на разные задачи связи

Большинство действующих спутников используют С- полосу. Передача в С-полосе может покрывать значительную область земной поверхности, что делает спутники особенно пригодными для сигналов широковещания. С другой стороны, сигналы С-полосы являются относительно слабыми и требуют развитых и достаточно дорогих антенн на ЗС. Важная особенность сигналов С-полосы – их устойчивость к атмосферному шуму. Атмосфера Земли почти прозрачна для сигналов в диапазоне 4/6 ГГц. К сожалению, этим же фактором обусловлено то, что сигналы С-полосы более всего подходят для наземных двухточечных микроволновых передач, портящих более слабые спутниковые сигналы. Данное обстоятельство заставляет размещать ЗС, использующие при передаче С-полосу, за много километров от городских центров и мест плотного проживания населения.

Передача в Kuполосе имеет противоположные свойства. Луч при такой передаче сильный, узкий, что делает передачу идеальной для двухточечных соединений или соединений от точки к нескольким точкам. Наземные микроволновые сигналы никоим образом не влияют на сигналы Ku-полосы, и ЗС Kuполосы могут быть размещены в центрах городов. Естественная большая мощность сигналов Ku-полосы позволяет обойтись меньшими, более дешевыми антеннами ЗС. К сожалению, сигналы Ku-полосы чрезвычайно чувствительны к атмосферным

191

явлениям, особенно туману и сильному дождю. Хотя подобные погодные явления, как известно, воздействуют на небольшую область в течение краткого времени, результаты могут быть достаточно серьезны, если такие условия совпадут с ЧНН (час наибольшей нагрузки, например 2 часа в полночь субботы).

Технологическое развитие привело к значительному уменьшению размеров ЗС. На начальном этапе спутник не превышал нескольких сотен килограммов, а ЗС представляли собой гигантские сооружения с антеннами более 30 м в диаметре. Современные спутники весят несколько тонн, а антенны, зачастую не превышающие 1 м в диаметре, могут быть установлены в самых разнообразных местах. Тенденция уменьшения размеров ЗС вместе с упрощением установки оборудования приводит к снижению его стоимости. На сегодняшний день стоимость ЗС является, пожалуй, главной характеристикой, определяющей широкое распространение ССС. Преимущество спутниковой связи основано на обслуживании географически удаленных пользователей без дополнительных расходов на промежуточное хранение и коммутацию. Любые факторы, понижающие стоимость установки новой ЗС, однозначно содействуют развитию приложений, ориентированных на использование ССС. Относительно высокие издержки развертывания ЗС позволяют наземным во- локонно-оптическим сетям в ряде случаев успешно конкурировать с ССС.

Следовательно, главное преимущество спутниковых систем состоит в возможности создавать сети связи, предоставляющие новые услуги связи или расширяющие прежние, при этом с экономической точки зрения преимущество ССС обратно пропорционально стоимости ЗС.

В зависимости от типа, ЗС имеет возможности передачи и/или приема. Как уже отмечалось, фактически все интеллектуальные функции в спутниковых сетях осуществляются в ЗС. Среди них – организация доступа к спутнику и наземным сетям, мультиплексирование, модуляция, обработка сигнала и преобра-

192

зование частот. Отметим, наконец, что большинство проблем в спутниковой передаче решается оборудованием ЗС.

В настоящее время выделяются четыре типа ЗС. Наиболее сложными и дорогостоящими являются ориентированные на большую интенсивность пользовательской загрузки ЗС с очень высокой пропускной способностью. Станции такого типа предназначены для обслуживания пользовательских популяций, требующих для обеспечения нормального доступа к ЗС волоконнооптических линий связи. Подобные ЗС стоят миллионы долларов.

Станции средней пропускной способности эффективны для обслуживания частных сетей корпораций. Размеры подобных сетей ЗС могут быть самыми разнообразными в зависимости от реализованных приложений (передача речи, видео, данных). Различаются два типа корпоративных ССС.

Развитая корпоративная ССС с большими капиталовложениями обычно поддерживает такие услуги, как видеоконференция, электронная почта, передача видео, речи и данных. Все ЗС сети имеют одинаково большую пропускную способность, а стоимость станции доходит до 1 миллиона долларов.

Менее дорогостоящим типом корпоративной сети является

ССС большого числа (до нескольких тысяч) микротерминалов

(VSAT – Very Small Aperture Terminal), связанных с одной главной ЗС (MES – Master Earth Station). Данные сети ограничива-

ются обычно приемом/передачей данных и приемом аудиовидеоуслуг в цифровом виде. Микротерминалы общаются между собой посредством транзита с обработкой через главную ЗС. Топология таких сетей является звездообразной.

193

В спутниковых системах связи используются низкоорбитальные аппараты, высокоэллиптические ИСЗ и геостационары.

На пороге XXI века коммерческая спутниковая связь достигла достаточно высокого уровня развития. Почти все ныне действующие системы подвижной связи основаны на применении спутников, вращающихся на геостационарных и высокоэллиптических орбитах; однако аналитики ожидают, что в ближайшее время ситуация коренным образом изменится. По их прогнозам, даже в странах с развитой инфраструктурой около 35% потребностей в услугах будут обеспечивать глобальные системы персональной связи.

Концепцию персональной спутниковой связи можно реализовать в системах, использующих спутники на геостационарных, средневысотных и низких орбитах.

Основные типы орбит: GSO — геостационарная (до 36 000 км), МЕО — средневысотная (до 15 000 км), LEO — низкая (до

1500км)

По углу наклона (угол между плоскостью орбиты и плоскостью экватора )орбиты делят на следующие типы:

экваториальные ( =0 );

полярные ( =90 );

наклонные (0 < <90 ).

По форме орбиты:

эллиптические (эксцентриситет 0<е<1);

круговые (е=0).

По высоте орбиты:

низкие (h=150-5000 км) с малым периодом обращения (1-3 часа);

высокие (h>5000 км) с большим периодом обращения.

195

Если требуется, чтобы сеанс связи повторялся в одно и то же время суток, то применяют синхронные или субсинхронные орбиты, для которых период обращения равен длительности суток, деленное на целое число. Если один ИСЗ не обеспечивает круглосуточной связи, то используют несколько ИСЗ, смещенных по положению на орбите.

Орбита с периодом 24 часа называется стационарной, если ИСЗ движется в сторону вращения Земли с =0 называется синхронной (спутник неподвижен относительно Земли).

Полустационарная стабильная орбита - с наклоном 63,5 с периодом обращения 24 часа (проекция на землю - повторяющиеся восьмерки).

Согласно 2-му закону Кеплера радиус - вектор спутника в равные промежутки времени описывает равные площади. Поэтому движение ИСЗ на большой высоте (в апогее) замедляется, а в перигее ускоряется.

Низкие орбиты применяют для обеспечения связи непосредственно с мобильных переносных радиотелефонов. Достоинства: проще выводить спутник на орбиту (малые затраты); меньше затухание (ослабление) сигнала.

Недостатки:

на малых высотах магнитное поле Земли имеет относительно большую напряженность и захватывает протоны с высокой энергией, образуя радиационные пояса Ван - Аллена. При движении в них спутника уровень радиации так высок, что солнечные элементы и другие полупроводниковые приборы быстро выходят из строя. Используют защитные покрытия или применяют более стойкие приборы, что ухудшает характеристики системы.

магнитное поле Земли взаимодействует с полем токонесущих проводников и оболочки спутника, стабилизируемого

196

вращением, что замедляет скорость его вращения. Требуется периодическая коррекция траектории спутника, что приводит к необходимости увеличения запасов топлива на борту ИСЗ.

значительную часть времени спутник находиться в тени Земли, что приводит к увеличению емкости аккумуляторов

ик увеличению числа солнечных батарей, чтобы за время нахождения на Солнце зарядить их.

необходимость использования нескольких спутников для обеспечения круглосуточной связи.

сложная система слежения за спутником.

Период обращения спутника определяется выражением

липса; G - гравитационная постоянная ( G 3,99 *105 км3/с2). Обращение спутника по круговой орбите с периодом, рав-

ном периоду вращения Земли (длительность сидерических суток 23 ч 56 мин 4,09 с), требует вывода спутника на высоту 35800 км. В экваториальной плоскости такой спутник будет неподвижен по отношению к любой точке на Земле (геостационарный спутник). В других плоскостях на этой высоте он будет каждые сутки описывать восьмерки относительно Земли.

Геостационарная орбита обладает следующими свойствами: земная станция может работать с одним или (при наличии многолучевой антенны) с несколькими спутниками без необходимости перехода на связь с одного спутника на другой (при нестационарных спутниках). Три спутника, размещенных соответствующим образом могут перекрыть всю Землю.

197

Недостатки:

вывести спутники на такую орбиту довольно трудно;

не обеспечивается покрытие полярных районов.

Обжитые области земного шара расположены большей частью в пределах геостационарных спутников. Поэтому для покрытия этих районов требуется использование высоких и средних орбит. Поддержка связи с высокими широтами необходима для сбора данных и в военной связи. На средневысотные полярные орбиты можно выводить гораздо большую полезную нагрузку.

Высокая орбита - орбита спутника "Молния" (СССР), используется для внутригосударственной связи. Эта орбита позволяет покрыть районы Дальнего Севера без уменьшения полезной нагрузки. Спутники "Молния" имеют сильно вытянутую эллиптическую орбиту с периодом обращения 12 ч и апогеем 40000 км в северном полушарии, перигеем 500 км.

Обычно главная ось любой эллиптической орбиты, называемая линией апсид, совершает медленное вращение вследствие несферичности Земли ("сплющенности" у полюсов). При некотором значении угла наклонения орбиты (около 62 ) этот эффект исчезает. Орбита с 12-часовым периодом при этом угле наклонения и апогее в северном полушарии оказывается удобным для покрытия северных районов. Эта орбита отличается тем, что на нее легко вывести полезную нагрузку со стартовых площадок, расположенных в северных широтах. Баллистические закономерности запуска таковы, что при любом угле наклонения орбиты, значение которого меньше широты стартовой площадки (например, для экваториальной), требуется особый маневр. Для стартовых площадок, расположенных в северных широтах, потери выводимой на орбиту полезной нагрузки довольно значительны. Это повлияло на СССР применить наклонную орбиту при запуске спутников со стартовых площадок, расположенных

198

выше 45 с.ш. и на Францию разместить стартовые площадки во Французской Гвиане.

Покрытие северных районов достигается за счет одновременного функционирования нескольких спутников. Такая система часто менее удобна, чем система синхронных спутников.

Первая космическая скорость 7,91 км/с.

Рассмотрим схему траектории, считая, что движение ракет - носителей и спутников относительно Земли определяется классическими законами Ньютона для двух испытывающих гравитационное взаимодействие тел в изолированном пространстве.

Исходя из этого, полная энергия такой системы двух тел

объекта, m - его масса, R - расстояние от объекта до центра Земли, М - масса Земли (5,9*1024 кг); G - универсальная гравитационная постоянная.

Когда спутнику сообщается количество энергии, достаточное для его вывода на геостационарную орбиту, носитель должен вывести спутник в точку, удаленную от центра Земли на 42160 км (радиус Земли на экваторе составляет 6360 км) и сообщить ему скорость равную 3070 м/с. Вследствие физических ограничений не удается с помощью носителя сообщить эту энергию спутнику путем непрерывно протекающего процесса.

В эквипотенциальном поле максимальное приращение скорости V реактивной системы определяется соотношением:

за, зависящая от типа топлива и размеров сопла; m0 - полная масса системы, выводимой на орбиту; mf - масса израсходованного топлива.

Максимальное приращение скорости в пределе ограничивается практически достижимыми значениями параметров дви-

199