Состав земных и космических станций

Рассмотрим простейшую земную станцию, предназначенную для приема однонаправленной информации — одноствольную при­емную ЗС. Сигналы, излучаемые ИСЗ, принимаются (рис. 5,а) ан­тенной 1ЗС, перехватывающей электромагнитное излучение и пре­образующей его в электрическое напряжение. Далее принятый сиг­нал усиливается малошумящим входным устройством 2, содержащим малошумящий усилитель, смеситель, предварительный усилитель промежуточной частоты. Необходимые для преобразования часто­ты колебания формируются гетеродинным трактом 3. Основное уси­ление сигнала осуществляется в усилителе промежуточной частоты УПЧ 4, в состав которого входит фильтр (или фильтры), формирую­щий полосу пропускания, оптимальную для приема сигнала (полоса либо близка к полосе ствола, если принимаемый сигнал занимает весь ствол, как при приеме программ телевидения, многоканальных телефонных сообщений с временным многостанционным доступом и т.п., либо составляет лишь часть полосы ствола, например при при­еме телефонных сигналов в системе с частотным многостанционным доступом). За усилителем следуют демодулятор 5, выделяющий пе­редаваемое сообщение, и оконечное каналоформирующее оборудова­ние 6. Например, при приеме программ телевидения в устройстве 6могут осуществляться регенерация синхросмеси, выделение канала звукового сопровождения, рассекречивание сигналов и т.п. Приня­тая информация поступает но наземной соединительной линии 7 к потребителю программ (или на телевизор, если это станция инди­видуального приема). В современных приемных устройствах часто применяют двукратное преобразование частоты.

Рисунок 5 - Упрощенные структурные схемы одноствольной приемной (а)

и многоствольной приемопередающей (б) ЗС,

а также бортового ретранслятора КС (в)

Комплекс 8служит для наведения антенн на ИСЗ; в него входят привод, перемещающий антенну, и аппаратура наведения, управляю­щая его движением. В простых приемных станциях антенна обычно неподвижна (имеется лишь механизм неоперативной первоначальной ориентации) или имеет механизм установки в несколько фиксиро­ванных положений (позиционер).

Более сложные земные станции, предназначенные для дуплекс­ной связи и работающие в нескольких стволах ИСЗ, строятся по бо­лее общей схеме (рис. 5,б), где 1 - антенна с комплексом наведе­ния; используемая обычно одновременно для приема и передачи; 2 - фильтр разделения приема и передачи; 3— малошумящий уси­литель; 4—.устройство сложения (фильтр сложения) сигналов пе­редатчиков различных стволов; 5— устройство разделения (фильтр разделения) принимаемых сигналов различных стволов; 6— переда­ющее устройство ствола; 7— приемное устройство ствола; 8— каналообразующая аппаратура ствола; 9— аппаратура соединительной линии. На схеме не показаны резервные комплекты и переключатели на резервные комплекты, обычно имеющиеся на ЗС.

Рассмотрим основные элементы радиотехнического комплекса космической станции, входящего в систему спутниковой связи. Этот комплекс состоит из двух основных частей — антенн и бортового ретранслятора.

На борту современных связных ИСЗ обычно устанавливают не­сколько приемных и передающих антенн. Это объясняется необходи­мостью сформировать различные зоны обслуживания с целью при­вести в соответствие излучение антенн с размещением земных стан­ций на поверхности Земли, чтобы не рассеивать энергию бесполезно на те районы, где она не используется. Высокая направленность при­емных и передающих антенн ИСЗ способствует также уменьшению взаимных помех с другими системами связи — спутниковыми и на­земными, повышает эффективность использования геостационарной орбиты.

Сигнал, принятый антенной КС, поступает на входное малошу­мящее устройство 1(рис. 5,в), в качестве которого на ИСЗ применя­ют смесители, усилители на малошумящих ЛБВ или транзисторах. Принятый сигнал усиливается на частоте приема, промежуточной частоте и частоте передачи. В современных ИСЗ часто осуществляет­ся не двух-, а однократное преобразование частоты, непосредственно с входной в выходную, при этом усилитель ПЧ отсутствует.

В схеме могут применяться устройства разделения, коммутации, объединения сигналов (коммутатор на рис. 5,в), цель которых — подать сигналы, адресованные тем или иным ЗС, на передающие ан­тенны с соответствующей зоной обслуживания. Перспективны систе­мы с быстродействующей переориентацией узкого луча антенны (с коммутацией луча), что позволяет осуществлять связь со многими ЗС через остронаправленные антенны, не увеличивая числа антенн на борту ИСЗ, многократно использовать полосу частот.

На рис.5 не показаны резервные элементы и устройства пере­ключения на резерв; эти схемы обычно достаточно сложны, посколь­ку степень резервирования различна для разных элементов тракта в зависимости от их надежности, важности для жизнеспособности ИСЗ, срока службы.

В некоторых случаях на космической станции выполняется бо­лее сложная обработка сигналов, например преобразование вида мо­дуляции, регенерация сигналов, передаваемых в дискретной форме.

Литература

6.1 Маковеева М.М., Шинаков Ю.С. Системы связи с подвижными объектами: Учеб. пособие для вузов. - М: Радио и связь, 2002.

6.2 Дятлов А.П. Системы спутниковой связи с подвижными объектами: Учебное пособие. Ч.1. Таганрог. ТРТУ. 2004. 95 с

Практическая работа № 7

«Изучение организации глобальной мобильной радиосвязи

на основе низкоорбитальных спутниковых систем»

1 В результате выполнения работы студент должен

знать:

- технические возможности глобальных сетей мобильной радиосвязи, основанных на низкоорбитальных ИСЗ, входящих в системы типа Indium и Globalstar

уметь:

- производить расчет зоны радиовидимости ИСЗ в системах indium и Globalstar.

2 Содержание работы

Цель работы: Изучение принципов построения, структуры и технических характеристик систем Indium и Globalstar; принципов организации и взаимодействия различных элементов глобальных сетей мобильной радиосвязи типа Indium и Globalstar,

3 Направляющие вопросы

3.1 Классификация систем мобильной спутниковой связи в зависимости от структуры орбитальной группировки.

3.2 Классификация систем мобильной спутниковой связи по скорости пе-редачи информации и типу орбит.

3.3 Перечислите особенности спутниковой мобильной связи 3-го поколения.

4 Рабочее задание

4.1 Дайте характеристику геостационарных и не геостационарных орбит (средневысотных, низких круговых и эллиптических орбитах), на которых может быть реализована мобильная спутниковая связь в системах с космическими аппаратами (КА):

Вариант А - Геостационарные орбиты (Geo Earth Orbit - GEO);

Вариант Б - Средневысотные орбиты (Medium Earth Orbit - МЕО);

Вариант В - Низкие круговые орбиты (Low Earth Orbit - LEO).

4.2 Перечислите отличительные особенности, основные виды услуг и тенденции развития каждого из указанных классов систем мобильной спутниковой связи:

Вариант А – системы со сверхнизкими скоростями передачи (менее 1,2 Кбит/с);

Вариант Б – низкоскоростные (от 1,2 Кбит/с до 9,6 Кбит/с);

Вариант В - среднескоростные (9,6-64 Кбит/с);

Вариант Г - высокоскоростные (64 Кбит/с и выше).

4.3 Изучите организацию глобальной мобильной радиосвязи на основе низкоорбитальных спутниковый систем. Представьте:

Вариант А - технические данные космической низкоорбитальной системы Indium;

Вариант Б - технические характеристики космической низкоорбитальной системы Globalstar.

4.4 Рассчитайте плотность потока мощности у поверхности Земли, создаваемую бортовыми передатчиками:

Вариант А - в системе Indium;

Вариант Б - в системе Globalstar.

Номер варианта задается преподавателем.

5 Указания по выполнению работы

5.1 Основные положения

Мобильная спутниковая связь может быть реализована в системах с космическими аппаратами (КА) на геостационарных и не геостационарных орбитах (средневысотных, низких круговых и эллиптических орбитах). Каждая система имеет свою уникальную структуру орбитальной группировки, отличающую ее от других.

Геостационарные орбиты (Geo Earth Orbit - GEO). Геостационарные спутники, располагаясь на высоте примерно 36000 км, находятся постоянно над заданной точкой земной поверхности. Этот эффект достигается за счет того, что КА, двигаясь со скоростью вращения Земли, как бы зависает над определенной точкой поверхности, расположенной на экваторе. Связь через геостационарный КА не имеет перерывов в обслуживании, обусловленных взаимным перемещением спутника и терминала пользователя. Система из трех спутников обеспечивает охват практически всей территории земной поверхности. Однако геостационарные КА потенциально смогут обеспечить услуги мобильной спутниковой связи лишь в случае, если формируемые ими на поверхности Земли зоны обслуживания будут примерно одинаковы с зонами, образуемыми низкоорбитальными спутниками.

К достоинствам систем на геостационарной орбите следует, в первую очередь, отнести возможность обеспечения непрерывной связи в глобальной зоне обслуживания и практическое отсутствие сдвига частоты за счет доплеровского эффекта.

Ресурс геостационарных КА достаточно высок: срок эксплуатации современных КА составляет около 15 лет. Но это не предел, теоретически он может быть увеличен до 25.

Однако эти системы имеют ряд недостатков. Спутники на геостационарных орбитах можно с успехом использовать для систем радио- и телевизионного вещания, где задержки в 250 мс в каждом направлении не сказываются на качественных характеристиках сигналов. В то же время в системах персональной радиотелефонной связи длительная задержка ухудшает качество телефонной связи. Суммарная величина задержки в этих системах составляет 600 мс (с учетом времени обработки и коммутации в наземных сетях), что затрудняет общение абонентов даже при современной технике эхоподавления. В случае двойного скачка задержка становится уже неприемлемой более чем для 20% пользователей.

Геостационарные системы вследствие своей архитектуры имеют ограниченные возможности повторного использования выделенных полос частот и меньшую спектральную эффективность. Зона охвата геостационарных систем не позволяет обеспечить связь в высокоширотных районах, а следовательно гарантировать истинно глобальное обслуживание.

Средневысотные орбиты (Medium Earth Orbit - МЕО). Системы со средневысотными КА обеспечивают более высокое качество обслуживания абонентов, чем геостационарные, за счет увеличения рабочих углов места и числа КА, находящихся одновременно в поле зрения наблюдателя. При этом, хотя бы один из спутников виден под углом более 30°. Благодаря этому не нужен дополнительный энергетический запас радиолинии на потери распространения в ближней зоне (деревья, здания и другие преграды).

Трасса средневысотных спутников проходит между первым и вторым поясами Ван Аллена, т.е. в диапазоне высот от 5000 до 15000 км. Они могут создать меньшую зону обслуживания, чем геостационарные, поэтому для глобального охвата наиболее населенных районов Земного шара и судоходных акваторий необходимо 7-12 спутников.

Полная задержка распространения сигналов при связи через средневысотные спутники составляет не более 130 мс, что позволяет использовать их для радиотелефонной связи.

Средневысотные спутники выигрывают у систем с более высокими орбитами по энергетическим характеристикам, но проигрывают им по продолжительности сеансов связи. Для круговых орбит продолжительность обслуживания в заданном регионе составляет 1,5-2 часа, что существенно выше, чем для низких орбит.

Что же касается ресурса спутников, то он лишь незначительно меньше, чем у геостационарных КА. Период обращения вокруг Земли для средневысотных круговых орбит составляет около 6 часов, из которых лишь несколько минут КА находится в теневой области. Это значительно облегчает работу бортовой системы электропитания и, в конечном итоге, позволяет обеспечить срок службы КА 12-15 лет.

Системы со средневысотными КА обеспечивают более высокие характеристики обслуживания абонентов за счет увеличения рабочих углов места и числа КА, одновременно находящихся в зоне радиовидимости, а также приемлемую задержку при проведении сеансов связи (до 130 мс).

Что же касается структуры систем на средневысотных орбитах (Odyssey, ICO, Spaceway), то здесь различия весьма незначительны. Во всех системах орбитальная группировка создается примерно на одной и той же высоте (10355 км) и имеет функционально адекватные параметры орбит (наклонение лежит в пределах от 45° до 55°).

Низкие круговые орбиты (Low Earth Orbit - LEO). Системы, использующие спутники на низких орбитах, высотой 500-2000 км, обладают существенными преимуществами по сравнению с другими в части энергетических характеристик, но проигрывают им по продолжительности сеансов связи и времени активного существования космического аппарата. Если период обращения КА составляет 100 мин., то около 30 мин. он находится на теневой стороне Земли. Поэтому аккумуляторные батареи на борту низкоорбитальных КА испытывают приблизительно 5000 циклов зарядки/разрядки в год. Срок их службы, как правило, не превышает 5-8 лет.

Выбор диапазона высот (500-2000 км) для низкоорбитальных систем не случаен. С одной стороны, на орбитах высотой менее 500 км плотность атмосферы относительно высока, что вызывает колебания эксцентриситета и деградацию орбиты (постепенное снижение высоты апогея). Кроме того, уменьшение высоты орбиты ниже 500 км приводит к повышенному расходу топлива при маневрировании для сохранения заданной орбиты.

Длительная работа электронной бортовой аппаратуры на орбитах выше 1500 км, где располагается первый пояс Ван Аллена, практически невозможна, если не использовать специальных методов защиты от радиационного излучения, что ведет к существенному усложнению бортовой аппаратуры и увеличению массы КА.

Со снижением высоты орбиты уменьшается мгновенная зона обслуживания, а, следовательно, требуется значительно большее число спутников для глобального охвата. Количество КА в орбитальной группировке зависит от высоты орбиты и рабочих углов места, при которых обеспечивается устойчивая связь. Если низкоорбитальная система должна обеспечивать глобальную связь, то число ее спутников не может быть менее 48. Период обращения КА на этих орбитах составляет 1-1,5 часа, максимальное время пребывания в зоне радиовидимости не превышает 10-15 мин.

На рисунке 1 представлены типы орбит, используемых в мобильной спутниковой связи различного типа (GEO, LEO и МЕО), сравнительные характеристики орбит приведены в таблице 1.

Рисунок 1 - Типы орбит, используемых в мобильной спутниковой связи различного типа (GEO, LEO и МЕО)

Таблица 1 – Сравнительные характеристики орбит

5.2 Классификация систем мобильной спутниковой связи

Цифровая спутниковая сеть обеспечивает возможность передачи по одному каналу различных видов информации (речи, данных, видеоинформации). Учитывая это обстоятельство в основу приведенной ниже классификации положены два основных признака: скорость передачи информации в абонентской линии (линия "Земля-спутник") и тип орбит. В зависимости от скорости передачи системы можно разделить на четыре класса:

- системы со сверхнизкими скоростями передачи (менее 1,2 Кбит/с);

- низкоскоростные (от 1,2 Кбит/с до 9,6 Кбит/с);

- среднескоростные (9,6-64 Кбит/с);

- высокоскоростные (64 Кбит/с и выше).

Отличительные особенности, основные виды услуг и тенденции развития каждого из указанных выше классов рассматриваются ниже.

Системы со сверхнизкими скоростями передачи данных. Системы данного класса предназначены для обнаружения и определения местоположения судов и самолетов, потерпевших аварию, мониторинга окружающей среды и сбора данных с морских и наземных объектов. По каналам этих систем передаются преимущественно однопакетные сообщения длиной не более 256 бит. В зависимости от типа используемых орбит системы разделяются на две группы: LEO и GEO.

В системах на низкоорбитальных КA (Cospas-Sarsat, Argos, "Курс") связь осуществляется на частотах, выделенных МСЭ в качестве аварийных для авиационной и морской подвижной службы (121,5/243 МГц и 406 МГц). Объем передаваемых аварийных и экстренных сообщений достаточно мал, В качестве абонентской аппаратуры применяются радиомаяки и радиобуи, приводимые в действие вручную или автоматически (в момент удара, при погружении в водную среду и др.). Электропитание аппаратуры обеспечивается автономными источниками.

В системах, построенных на базе геостационарных КА (GOES, Meteosat, Inmarsat-E и др.), связь осуществляется в режиме TDMA, поскольку все обслуживаемые объекты находятся одновременно в зоне радиовидимости КА. Передача сообщений осуществляется регулярно в фиксированные временные интервалы (для каждого радиомаяка выделен свой интервал), а каждая из платформ использует один из фиксированных каналов ретранслятора. Такой метод организации сбора данных исключает взаимные помехи от передатчиков разных объектов.

Низкоскоростные и среднескоростные системы спутниковой связи. Системы данного класса предназначены для передачи коротких пакетов данных и обеспечения радиотелефонной связи. В зависимости от типа используемых орбит системы разделяются на 5 групп: littleLEO, big LEO, MEO, HEO иGEO.

Группа little LEO. Эти системы предназначены для передачи данных со скоростью от 1,2 до 9,6 Кбит/с. Их отличительной особенностью является используемый диапазон частот (до 1 ГГц)и легкие КА массой 50-250 кг. К бортовой аппаратуре не предъявляется жестких требований по времени доставки сообщений. В системах используется от 6 до 48 КА. Для организации передачи данных принципиально достаточно одного спутника с электронным почтовым ящиком на борту. На каждом следующем витке ИСЗ будет появляться над новым районом Земного шара, что обеспечит глобальное обслуживание.

Основной режим работы таких систем - пакетная передача данных в режиме электронной почты или реального времени. Для систем данного класса характерно:

- пакетный режим передачи данных (короткие сообщения) с предоставлением каналов по требованию или применение группового опроса;

- использование легких и портативных терминалов с ненаправленными антеннами;

- групповой вывод малых КА на орбиту;

- более низкие тарифы по сравнению с другими классами систем персональной спутниковой связи.

Такие системы должны появиться в самое ближайшее время, так как уже существуют демонстрационные спутники систем "Гонец" и Orbcomm.

Группа big LEO. Системы данного класса ориентированы на обеспечение персональной радиотелефонной и пейджинговой связи в глобальном масштабе. Общей тенденцией развития систем радиотелефонной связи является объединение в единую сеть радиотелефонных спутниковых и сотовых сетей различных стандартов (GSM, AMPS, PCS и др.), а также предоставление полного набора услуг (данные, телекс, факсимильные сообщения, определение местоположения, передача коротких сообщений), обеспечиваемых системами класса little LEO.

Обслуживание абонентов должно быть непрерывным и в реальном масштабе времени. Для этого в них используются корректируемые орбитальные группировки из 48-66 спутников. Связь с абонентами регламентирована L и S диапазонами частот. Масса спутников составляет 300-700 кг, что несколько больше, чем у КА систем little LEO. Реальная пропускная способность, как правило, не превышает 1200 эквивалентных телефонных каналов на КА (пропускная способность эквивалентного телефонного канала составляет 2,4 Кбит/с). К этой группе относятся системы Iridium, Globalstar, "Сигнал" и ЕССО.

Группа МЕО. Системы, использующие КА на средневысотных орбитах, являются одним из основных конкурентов системам класса big LEO. Они ориентированы на один и тот же рынок услуг, т.е. обеспечение глобальной радиотелефонной и пейджинговой связи.

Если для обеспечения глобальной связи в системах big LEO. которые не используют межспутниковых линий, требуется 150-210 станций сопряжения (Globalstar), то в системах класса МЕО достаточно всего 7-12 узловых станций.

Пропускная способность систем этого класса составляет 3000-4500 эквивалентных телефонных каналов на КА, что достигается за счет увеличения мощности системы электропитания КА до 4600 -8700 Вт. К этой группе относятся системы Odyssey, ICO, Ellipse.

Группы НЕО и GEO. Системы мобильной спутниковой связи, использующие КА на геостационарных и высокоэллиптических орбитах (High – elliptic Earth Orbit - НЕО), предназначены для обеспечения всех видов связи (речь, данные, телекс, факс). Эти наиболее многочисленные группы включают все существующие и перспективные системы, ориентированные как на передачу данных (Inmarsat-C, Omnitracs, Euteltracs, Prodat), так и на радиотелефонную связь (Inmarsat-М, "Марафон", ACeS, AMSC, MSAT, Optus и др.).

Прогресс в развитии систем традиционной подвижной спутниковой связи впечатляет. Так, за последние 10 лет масса ЗС изменилась с 300 кг до 3-5 кг, уменьшались размеры антенн, и, наконец, что самое главное был полностью пересмотрен подход к профессиональной подготовке операторов. Все это позволяет всерьез говорить о возможности использования геостационарных и высокоэллиптических орбит для организации персональной связи.

Группа среднескоростных систем МЕО и GEO. Выделение этой группы в самостоятельный подраздел обусловлено тем, что системы этого класса могут обеспечивать высококачественную радиотелефонную связь и передачу данных со скоростью 64 Кбит/с. Все более широко применяются каналы ISDN (цифровая сеть с интегральным обслуживанием) со скоростью передачи информации 64 Кбит/с. К этой группе относятся системы Inmarsat-B, "Банкир" и Odyssey, причем последние две ориентированы только на обслуживание стационарных пользователей.

Высокоскоростные системы спутниковой связи. К этому классу относятся глобальные системы широкополосной связи, использующие LEO, МЕО и GEO орбиты, которые предназначены для передачи высококачественной речи, высокоскоростных потоков данных, мультимедиа, конференцсвязи, доступа в Internet, интерактивной связи, и предоставления других видов услуг, пока недоступных абонентам мобильных ССС.

К наиболее важным относятся два типа обслуживания: персональная и групповая связь пользователей и организация магистральных линий для широкополосных сетей различного назначения (в том числе транкинговых или сотовых). Первый тип услуг обеспечивает связь в реальном времени в режиме предоставления каналов по требованию (bandwidth-on-demand) со скоростью передачи информации до 2... 10 Мбит/с.

Ко второму типу услуг относится передача высокоскоростных потоков информации (155,52 Мбит/с}, принятых в сетях синхронной цифровой иерархии (SDН). Конечно, речь идет не о замене волоконно-оптических каналов (ВОЛС), а лишь о расширении их возможностей при связи с удаленными пользователями или для разрешения проблемы "последней мили".

В предлагаемую классификацию не включены специализированные системы межспутниковой ретрансляции, базирующиеся на геостационарных КА: TDRS (NASA, США), КА DRS (ESA), KA DRTS (NASDA, Япония). Системы этого типа предназначены для организации фидерных линий связи между низкоорбитальными КА и наземными пунктами сбора данных и, в перспективе, могли бы быть использованы, например, для решения задач сбора данных с необслуживаемых объектов.

Принципы классификации систем мобильной спутниковой связи иллюстрирует рисунок 2.

Рисунок 2 – Классификация систем мобильной спутниковой связи

Современные требования пользователей к услугам связи далеко выходят за рамки традиционного прямого соединения. Их учет является одним из наиболее важных факторов, определяющих целесообразность применения системы того или иного класса.

В отличие от систем наземной мобильной связи в спутниковых ССС передача информации обеспечивается преимущественно только с открытого пространства. Возможности связи из зданий (расположение антенн на подоконнике и т.п.) ограничена. Мобильная связь в городских условиях затруднена из-за затенения городскими застройками, а следовательно работа возможна только при больших углах возвышения.

В зависимости от скорости передачи и режима информационного обмена различают следующие основные категории услуг:

- служба передачи сообщений (электронная почта, передача неподвижных изображений, графика, пейджинг и передача коротких сообщений);

- информационно-справочная служба (видеотекст, передача программного обеспечения по каналам связи, телереклама, развлекательные программы, информационный поиск документов);

- интерактивные службы (обучение, телешопинг, избирательный просмотр телепрограмм);

- широковещательные интерактивные службы (пересылка газет, электронное издательство теле- и радиовещание, рассылка телевизионных программ, циркулярные сообщения).

В таблице 2 представлены скорости передачи информации, соответствующие различным видам услуг.

Таблица 2 – Примерный объем передаваемой информации для различных услуг

Поиск по сайту: