Учебное пособие по дисциплине СиСПИ

гателя, т.е. скоростью истечения газа и конструкцией ракетыносителя (mf/m0). Из приведенного уравнения следует, что одна ракета не в состоянии обеспечить приращение скорости, достаточное для вывода спутника непосредственно на орбиту. Чтобы обойти это ограничение, используют процедуру многоступенчатого вывода, которая обеспечивает необходимое конечное значение скорости за счет последовательного использования нескольких ступеней, каждая из которых включается после полного выгорания топлива предыдущей ступени и ее отторжения.

Системы, использующие низкие орбиты (высотой 700-1500 км), обладают лучшими энергетическими характеристиками, нежели системы на высоких орбитах, но проигрывают им в продолжительности активной эксплуатации спутника. Так, если период обращения низкоорбитального КА составляет 100 мин, то в среднем 30 мин он находится на теневой стороне Земли. Соответственно, аккумуляторные батареи на борту низкоорбитальных спутников должны обеспечивать приблизительно 5000 циклов зарядки/разрядки в год. Срок службы низкоорбитальных спутников, как правило, не превышает 5-7,5 лет; один аппарат способен охватить не более 6-7% территории Земли.

Трасса средневысотных КА проходит между первым и вторым поясами Ван-Аллена, т.е. на высоте 5000-15 000 км. Один спутник может охватить около 25% поверхности Земли, что существенно больше зоны низкоорбитального спутника. Срок службы КА от 10 до 15 лет. Период его обращения на средневысотной орбите составляет около 6 ч, из которых он лишь несколько минут проводит в тени Земли, поэтому длительность циклов зарядки/разрядки солнечных батарей и их частота становятся в несколько раз меньшими, чем у низкоорбитальных систем. Это значительно облегчает работу бортовой системы электропитания и, в конечном счете, увеличивает срок службы КА до 12-15 лет. Для круговых орбит с высотой 10 000 км средняя продолжительность обслуживания составляет около 50 мин.

200

(Для сравнения: в низкоорбитальной системе Iridium средняя продолжительность сеанса - 6 мин, а в Globalstar - 7 мин.)

Первыми для целей связи были применены низкоорбитальные ИСЗ. Это объясняется, в частности, и тем, что вывод ИСЗ на низкие орбиты более прост и выполняется с наименьшими энергетическими затратами. Первые запуски низкоорбитальных спутников связи показали возможность и целесообразность применения ИСЗ для связи, подтвердили правильность технических принципов активной ретрансляции. Вместе с тем из первого опыта эксплуатации спутников на низких орбитах стало ясно, что они не могут обеспечить достаточно эффективного решения задач спутниковой связи.

Для расширения районов и увеличения времени действия

ССС предусматривалось пойти по пути увеличения числа ИСЗ в системе. Вскоре, однако, стало ясно, что многоспутниковая система связи на низкоорбитальных ИСЗ как система общего пользования обладает многими эксплуатационными неудобствами и нерентабельна.

В низкоорбитальных системах связи спутники могут размещаться в пространстве друг относительно друга случайно пли упорядоченно. При случайном расположении понадобится большее число ИСЗ, однако упорядоченное местоположение их в пространстве потребует немалых усилий для создания и сохранения заданного относительного расположения. При этом необходимы постоянный контроль местоположения спутников и корректировка орбит вследствие эволюции их в процессе полета.

К достоинствам ССС на низких орбитах относятся, как уже отмечалось, сравнительная дешевизна вывода их на орбиту и более простая бортовая аппаратура. К недостаткам — трудность поддержания непрерывной круглосуточной связи, усложнения наземной аппаратуры за счет применения следящих антенных устройств, меньший срок существования КА.

201

Низкоорбитальные ССС могут оказаться эффективными в тех случаях, когда не требуется двусторонняя непрерывно действующая связь (например, если нужна лишь периодическая передача данных).

Для охвата связью большей территории Земли используют несколько плоскостей орбит. В системе обычно имеется одна или несколько станций управления спутниками и сетью связи, а также шлюзовые станции для интерфейса с сетями телефонии (передачи данных) общего пользования.

Повышенный интерес к использованию низкоорбитальных систем объясняется возможностью предоставления услуг персональной связи, включая радиотелефонный обмен и связь с подвижными объектами, с использованием сравнительно дешевых, малогабаритных земных терминалов. При этом сложность терминалов соответствует уровню станций наземных сотовых систем. В числе факторов, способствующих развитию низкоорбитальных спутниковых систем нельзя не учитывать биологический. Так, для реализации требований биозащиты человеческого организма от излучения СВЧ рекомендуемый уровень непрерывно излучаемой мощности радиотелефона составляет 50мВт. Эффективный прием сигнала такой мощности геостационарным спутником сопряжен со значительным усложнением последнего, а именно, созданием крупноразмерных антенн и удержания узких лучей диаграммы направленности в заданных регионах земной поверхности. Для низкоорбитального спутника, дальность радиолинии до которого от земной станции в сотни раз меньше, чем до геостационарного, проблема создания многолучевых направленных антенн является менее острой. Однако возникают сложности управления группировкой таких спутников и поддержания непрерывности связи.

Низкоорбитальные системы позволяют обеспечить связь с терминалами, размещенными в полярных широтах, и практически не имеют альтернативы при организации связи в регионах

202

со слаборазвитой инфраструктурой связи и низкой плотностью населения.

Стоимость услуг подвижной связи низкоорбитальными системами оказывается в несколько раз дешевле аналогичных услуг, предоставляемых геостационарными системами за счет использования недорогих абонентских станций и менее дорогого космического сегмента.

3.5.4 Способы модуляции и формирование групповых сигналов аналоговых и цифровых ССС

В N-канальной системе число фильтров и их типов равно Nn, где n - число ступеней преобразования. Число фильтров и их типов можно уменьшить, если дополнить многократное преобразование групповым, при котором преобразованию подвергается групповой сигнал. С этой целью N каналов разбивается на m групп по K каналов, т.е. Km=N. В каждой группе сигнал каждого канала подвергается индивидуальному преобразованию с помощью несущих частот w Н1, w Н2,..., w НК (Рис.3.51). Во всех группах преобразование однотипно, поэтому на выходе каждой группы образуется один и тот же спектр частот. Полученные групповые спектры подвергаются затем групповому преобразованию с несущими w ГР1, w ГР2,..., w ГРm, так что после объединения преобразованных групповых сигналов образуется спектр частот N каналов. В рассматриваемом случае общее число фильтров равно N+mnГР, а число типов фильтров сокращается до K+mnГР, где nГР - число групповых ступеней преобразования.

203

Уплотнение - это процесс объединения множества несущих информацию сигналов в подлежащий передаче групповой сигнал, сосредоточенный в одной частотной полосе. Задача решается либо бортовыми, либо земными средствами. Может быть использовано почти любое сочетание:

- методов, применяемых при модуляции в земной аппара-

туре;

-уплотнении в земной аппаратуре;

-модуляции несущей на спутниковой линии;

-многостанционном доступе.

Так, в системах INTELSAT, TELESAT, DSCS-1 и Мол-

ния используется однополосная амплитудная модуляция при частотном уплотнении и разделении каналов (ЧУ), частотной модуляции на спутниковой линии и различные несущие частоты для каждой ЗС.

Систему ВМДВ можно назвать ИКМ/ВУ/ЧФМ/МДВУ. Система SPADE с одним каналом на несущую обознача-

ется: ИКМ/ЧФМ/МДЧУ.

В земной аппаратуре наиболее распространено частотное уплотнение и разделение каналов (ЧУ). Системы ЧУ включают в себя:

а) однополосные системы с подавленной несущей (ОБП); б) однополосные системы с передаваемой несущей (ОБП-

ПН);

в) двухполосные системы с подавленной несущей (ДБП); г) двухполосные системы с передаваемой несущей (ДБП-

ПН).

Восновном применяется ОБП.

Всистемах временным разделением применяют: - дискретные методы; - цифровые методы.

Обычно ВУ сочетается с МДВУ, а ЧУ - с МДЧУ, но воз-

можны и смешанные системы.

205

Передача ТВ сигналов и сигналов звукового сопровожде-

ния.

Согласно плану ВАКР-77 максимальная скорость передачи в ТВ канале не превышает 20 Мбит/с. Но для передачи высококачественного цветного изображения необходима скорость передачи не менее 34 Мбит/с. Поэтому для первого поколения спутниковых систем ТВ применялись аналого-цифровые методы, когда часть информации передавалась в аналоговой форме, а часть - в цифровой.

Одна из таких систем - система МАС (Multiplexing Analogue Components -составной сигнал с аналоговыми компонентами). В этой системе аналоговый сигнал яркости передается поочередно (методом временного разделения) с сигналами цветности, преобразованными в дискретную форму, что позволяет избежать перекрестных искажений сигналов яркости и цветности, снизить шумы в канале цветности благодаря переводу его в область низких частот. Сигналы звукового сопровождения, синхронизации, данных передаются совместно с сигналами цветности в общем цифровом потоке.

Всамом простом варианте сигнал яркости передается в реальном масштабе времени в течение активной части строки, а цифровой поток - в интервале строчного гасящего импульса, причем сигнал цветности предварительно сжимается во времени. На приеме суммарный цифровой поток демультиплексируется. Поток, соответствующий сигналу цветности, растягивается

исдвигается во времени для восстановления первоначальных пропорций, а затем подается на декодирующее устройство.

Вболее сложной системе сжимаются во времени и сигнал яркости, и сигнал цветности, а разделение производится на периоде не только строки, но и кадра. Это позволяет изменять формат кадра. В результате исследований ЕСР выбран коэффициент сжатия 3/2 для сигнала яркости и 3 для сигналов цветности. На передающей стороне сигнал яркости задерживается на период кадра по отношению к сигналу цветности, на приеме же

206

сигнал яркости проходит без изменений, а сигнал цветности растягивается во времени и задерживается на период кадра, так что восстанавливается их первоначальное соотношение.

Одной из наиболее сложных проблем спутникового телевидения (СТВ) является способ передачи звуковых сигналов в ТВ канале. Теоретические исследования и эксперименты показали, что методом аналоговой ЧМ в диапазоне 12 ГГц удается передать совместно с сигналом изображения не более двух звуковых программ с отношением сигнал/шум порядка 50-55 дБ, причем частота второй поднесущей должна быть подобрана так, чтобы не создавать помех в канале цветности. Например, для TV-SAT были выбраны значения поднесущих 5,5 МГц и 5,746128 0,000003 МГц. Необходимо же иметь как минимум 4- 6 звуковых каналов в стволе.

Способ передачи цифрового потока совместно с сигналами изображения должен удовлетворять определенным требованиям: качество передачи изображения не должно ухудшаться; вероятность ошибки при передаче звуковых сигналов не должна превышать 10-3 при отношении C/N=8 дБ; необходима совместимость с существующими ТВ приемниками.

Можно выделит три способа передачи сигналов изображения и цифрового потока:

-с разделением по частоте (система МАС-А);

-с разделением по времени на видеочастоте (МАС-В);

-с разделением по времени на несущей частоте (МАС-С). Система МАС-А. Цифровой поток передается на подне-

сущей частоте, превышающей верхнюю частоту спектра видео-

скорость потока в Мбит/с.

Среди методов цифровой модуляции предпочтение отдано двухпозиционной фазовой манипуляции с частично подавленной боковой полосой, называемой также “ упрощенной

207

MSK” (Minimum Shift Keying), благодаря ее простоте и приме-

нимости когерентного демодулятора на приеме.

Система МАС-В. Уплотнение видеосигнала цифровым потоком на видеочастоте основано на использовании некоторой избыточности ТВ сигнала - наличии в каждой строке интервалов обратного хода лучей, в которых передаются только сигналы синхронизации. Вводя ИКМ последовательность в указанные интервалы, можно передать от двух до четырех звуковых программ, не увеличивая общую полосу частот, занимаемую видеосигналом. Преимуществом такого способа передачи является отсутствие отдельного демодулятора для звуковых сигналов, так как цифровая последовательность получается на выходе общего частотного детектора.

Система МАС-С. Используется фазовая манипуляция несущей частоты в интервале гасящего импульса. Мгновенная скорость передачи в этом случае ограничивается полосой пропускания радиоканала и достигает 20 Мбит/с, а средняя скорость 3,75 Мбит/с. Если сигнал цветовой синхронизации передается обычным образом, то средняя скорость цифрового потока составляет 2,8 Мбит/с. Важным является выбор типа модуляции, при которой должна сохраняться огибающая модулированного сигнала для снижения АМ/ФМ преобразования в бортовой ЛБВ и для предотвращения генерации паразитных составляющих изза нелинейности амплитудной характеристики ретранслятора. Некоторые преимущества имеет смешанная двух-четырех пози-

ционная фазовая манипуляция, в которой скачки фазы равны

900.

3.5.5 Способы модуляции

В спутниковых системах связи используется ИКМ, - модуляция, узкополосная ЧМ.

При частотной модуляции частота несущего колебания меняется дискретно в зависимости от значения модулирующего

208

сигнала. На практике находит применение не только двоичная ЧМ, но так же 4-х (Рис.3.51) и 8-уровневая ЧМ. При использовании многоуровневой ЧМ исходная двоичная последовательность разбивается на соответствующее число бит (дибит, трибит и т.д.) для определения одной из возможных частот несущей, передаваемой в данный момент.

Рис. 3.52 Четырехуровневая частотная модуляция.

Два основных метода преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму - импульсно-кодовую (ИКМ) и дельтамодуляцию (ДМ), которые традиционно относят к видам модуляции, хотя таковыми они, по сути, не являются, поскольку не связаны, как это характерно для всех остальных видов модуляции, с изменениями параметров несущей частоты.

Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) - наиболее общий метод кодирования источника. При ИКМ не важна степень корреляции между отсчетами. С помощью ИКМ можно кодировать любой аналоговый сигнал с ограниченной шириной спектра. Единственное условие - частота дискретизации должна удовлетворять условию теоремы Котельникова.

-ИКМ характеризуется малой задержкой в процессе кодиро- вания-декодирования, которая не превышает одного периода выборки.

-ИКМ кодеры и декодеры наиболее просты в реализации.

209