Параметры систем спутниковой связи

Введение

Эра спутниковых систем связи (ССС) открылась запуском советского спутника 4 октября 1957 г. Сразу же начались по­пытки использования спутников для нужд связи. Сначала эксперименты были прове­дены с пассивными спутниками, исполь­зуемыми в качестве отражателей. Первый активный ретрансляционный спутник связи Telstar-1 был запущен в США в 1962 г.

С 1964 г. начался запуск спутников нового типа — геостационарных. Они враща­ются вокруг Земли по орбите на расстоянии около 36 тыс. км и кажутся неподвижными относительно Земли. Это облегчает слежение за ними и установление связи с земными станциями (ЗС).

Спутниковая ретрансляционная станция, выведенная на геостационарную орбиту (ГО), практически обеспечивает одинако­вые условия приема во всех районах обслуживаемого региона, площадь которого дос­тигает десятков миллионов километров. При этом не вызывает трудностей доступ в слабозаселенные районы, где построение обычной сети связи явилось бы задачей неприемлемо дорогой. Большая пропускная способность современных спутников связи позволяет обеспечить допуск ко многим земным стан­циям, которые отдалены друг от друга зачастую на многие тысячи километров. Интегрирование ЗС с наземной сетью даль­ней связи несомненно делает последнюю более гибкой.

В 1988 г. в мировом космическом пространстве находились уже около 150 геоста­ционарных спутников [1], а до конца прошлого столетия, согласно прогнозам, было запущено на ГО не менее 300 ИСЗ.

 

1.1. Системы спутниковой связи с самолетами. Идея организации глобальной сис­темы спутниковой связи с самолетами возникла в середине 60-х годов с запуском первых геостационарных ИСЗ. Были прове­дены многочисленные эксперименты в диа­пазонах метровых и дециметровых волн, однако до настоящего времени ни один проект не реализован. Наиболее близко к реализации предложение об использовании для воздушной связи резервной пропуск­ной способности существующих и перспек­тивных ИСЗ Inmarsat [1], для чего по­следние могут занимать дополнительную полосу частот 3 МГц из участка, выделен­ного Регламентом радиосвязи для воздуш­ной подвижной спутниковой службы. Предложение оказывается экономически выгод­ным, так как в противном случае затраты на создание новой системы превысили бы 1 млрд. дол.

Японской компанией KDD разработано самолетное оборудование и проведены эксперименты по обмену сообщениями с самолетами. Предполагается использо­вание двух типов антенн: ненаправленной и управляемой направленной с коэффициентом усиления 12 дБ. Стоимость самолетной станции не превысила 2000 дол. к середине 90-х годов. Для передачи сообщений орга­низуются четыре различных радиоканала. Возможно введение узких лучей на ИСЗ Inmarsat-2, что позволит упростить самолет­ную станцию.

Из других проектов отметим Prodat Евро­пейского космического агентства и Arinc американской компании Aeronautical Radio Inc. [1], отличающиеся от проекта Inmarsat способом многостационарного доступа на линии самолет – З емля. Проект Prodat использует метод МДКР с информационной скоростью 300 бит/с, Arinc - комбинированный режим с узкополосным МДКР и случайным доступом на нескольких частотах.

1.2. Международная спутниковая навигационная система. Начало спутниковой навигации приходится на первую половину 60-х годов, когда возникла система Transit, первоначально предназначаемая для амери­канской флотилии подводных лодок с ракетами Polaris на борту [1]. В 1967 г. доступ к ней был предоставлен торговому флоту, и она быстро стала популярным и надежным средством определения местоположения судов. В 1973 г. был разработан новый проект глобальной системы спутниковой навигации Navstar - GPS (Global Positioning System). Система GPS использует 18 навигационных спутников (плюс три резервных), составляющих своего рода созвездие. Спут­ники равномерно размещены на шести круговых субсинхронных орбитах, наклоненных под углом 55°. Вращаясь на высоте около 20183 км над поверхностью Земли, спутни­ки совершают два оборота в сутки. Они беспрерывно передают навигационную ин­формацию по двум каналам с несущими 1575,42 и 1227,60 МГц. Несущие обоих каналов модулируются при помощи специальных двоичных псевдослучайных кодов. В системе применяются два кода: стандарт­ный SPS (Standard Positioning Service), именуемый также кодом С/А (Coarse Acquisition) и точный PPS (Precision Positioning Service), коротко именуемый кодом Р. Код С/А является коротким кодом, содержащим 1023 бита, генерируемых со скоростью 1,023 Мбит/с. Код С/А повторяется каждую миллисекунду. Код Р - очень длинный, ге­нерируется со скоростью 10,23 Мбит/с. Каж­дому спутнику приписывается участок этого кода продолжительностью в одну неделю. В каждую субботу в полночь генераторы кодовой последовательности Р на спутниках начинают рабочий цикл сначала.

Определение местоположения в системе GPS состоит в измерении расстояния от приемной антенны до трех избранных спут­ников. Значение расстояния до одного спутника позволяет определить местоположение площади (позиционную поверхность) в виде сферы, на которой находится пользователь. Известное расстояние до второго спутника дает определение второго местоположения площади также в виде сферы. Пересечение двух этих поверхностей образует линию положения в сфере окружности. Пересече­ние этой окружности с третьим местополо­жением площади, определенным на основании изменения расстояния до третьего спут­ника, позволяет определить две точки, в которых может находиться пользователь. Одну из этих точек можно отклонить как маловероятную, и таким образом пользова­тель однозначно определяет свое местопо­ложение. Определение расстояния между приемной антенной и спутником состоит в измерении времени распространения сигнала, что сводится к измерению фазового смешения между псевдослучайными после­довательностями, генерируемыми на борту спутника и в приемнике пользователя. Точное измерение расстояний возможно только в том случае, когда часы пользователя синхронизированы со временем системы GPS. В действительности пользователь пользуется собственными часами, т. е. вместо действительного расстояния измеряется так называемое псевдорасстояние, имеющее по­грешность, вытекающую из разности между временем пользователя и временем GPS. Этой погрешности можно избежать, измеряя расстояние не до трех, а до четырех спутников.

Система Navstar-GPS обеспечивает трехмерное определение местоположения любого объекта во всем мире. Погрешность определения местоположения оценивается как 30...75 м при применении общедоступ­ного кода С/А и менее 10 м при применении высокоточного кода Р. Считается, что система Navstar-GPS удов­летворяет потребности пользователей и в начале XXI века.

1.3. Международные коммерческие спутниковые системы передачи телевизионных программ. С появлением спутников для ТВ-вещания, в начале 1960-х годов, в ряде стран широко применяются параболические приемные антенны. В Европе первая коммерческая спутниковая программа начала передаваться с 1982 г. Развитие спутникового телевидения вызвано запуском спутни­ков OTS-2, ECS-2 (1984 г.) и ECS-4 (1987 г.), а также выпуском малошумящих конвертеров и резким падением их стоимости [1].

Основными элементами системы являются антенна, конвертер и приемник спутни­кового телевидения (рис. 1.1). В качестве антенн чаще всего используются парабо­лические рефлекторы. Облучатель может быть расположен в фокусе антенны или смещен относительно него. Может быть применен облучатель типа Кассегрена. При использовании малошумящего конвертера очень важно его согласование, так как основную составляющую шумов создает он сам. В диапазоне 11 ГГц его шумовая температура составляет 120...300 К. Существенный «вклад» в шумы вносит также антенна. Типичный коэффициент добротности для антенны диаметром 3,7 м составляет 26 дБ/К.

Рис. 1.1. Структурная схема приемника спутниковой связи:

1 — искусственный спутник Земли; 2 — приемная антенна; 3— первичный преобразователь частоты и усилитель (конвертор); 4 — коакси­альный кабель;

5 — вторичный преобразователь частоты и выбор канала (тюнер); 6 — ТВ-приемник; 7 — наружная часть ЗС; 8 — внутренняя часть ЗС

 

Большое значение для качественного приема сигналов в диапазоне 11 ГГц имеют климатические и атмосферные условия. На­пример, по метеорологическим данным в течение 0,01 % времени осадки в Лондоне, Мексике и на Филиппинах составляют 30, 95 и 145 мм/ч соответственно, что ведет к затуханию сигналов в среднем на 5 и 21 дБ в первых двух пунктах, а на Филиппинах вообще из-за очень больших затуханий вынуждены работать на частотах около 4 ГГц.

Единственной страной мира, которая с 1987 г. регулярно передает ТВ-программы для индивидуальных пользователей, является Япония. Для этой цели используются спутник BS-2a, выведенный на орбиту в 1984 г., и спутник BS-2b, выведенный на орбиту в 1986 г. В некоторых регионах спутниковая передача является единственным способом охвата программами телепередач многих жителей островов и островков.

Прямой прием ТВ-сигналов с борта ИСЗ при помощи стандартных приемников, осна­щенных соответствующими антеннами и преобразовательными устройствами, явля­ется провозвестником существенных изме­нений в сфере услуг. Кроме индивидуаль­ного приема спутникового ТВ в Западной Европе и США широкое развитие получило кабельное телевидение. Прогресс в техноло­гии микроволновых полупроводниковых при­боров и антенн вызвал столь значительное снижение цен на принимающие устройства, что они стали доступными для индивидуаль­ных пользователей.

Первый европейский спутник связи, пред­назначенный для передачи программ для кабельного ТВ — ECS-1 (European Communication Satellite, именуемый также спутником Eutelsat-Fl [1], выведенный на ГО в 1983 г. В декабре того же года началась передача при его помощи двух телевизион­ных программ: Sky Channel на английском языке и 3SAT на немецком языке. В середине 1987 г. при помощи спутников ECS (ECS-2,4) передавалось уже 10 телепро­грамм.

2. Международные вещательные спутники. Первый Европейский вещательный спутник был выведен на ГО в 1987 г. Всемирная административная радиоконференция по радиовещанию Wars-DBS, состоявшаяся в Женеве в 1977 г., разработала план распре­деления каналов и позиций спутников для первого (Европа, Африка, СССР, МНР) и третьего (Азия, без СССР и МНР, Австралия, Океания) районов радиовещания [1]. В диапазоне частот 11,7...12,5 ГГц (район 1) размещено 40 каналов. Разнос между несущими частотами каналов 18...19 МГц. Каждой европейской стране независимо от ее площади выделено 5 каналов, которые сгруп­пированы в одном из двух поддиапазонов, каждый из которых шириной 400 МГц. Предусматривается применение левой и правой круговой поляризации. Спутники размеще­ны по дуге ГО через каждые 6°. Всего для 1 и 3 районов установлено 984 передатчика на 36 спутниках. На вещательных спутниках установлены передатчики мощностью 200... 300 Вт на канал. Для приема вещательных сигналов используются антенны диаметром 60...90 см.

2.1. Международная цифровая телефонная спутниковая связь. В 1987 г. начала действовать международная цифровая телефонная связь через европейский спутник связи ECS1-F2 и ЗС, расположенную в Узингене, под Франкфуртом-на-Майне [1]. В течение года число международных теле­фонных каналов и каналов передачи данных, организованных по спутниковым линиям ECS1-F2, достигло 1000, в первую очередь со Скандинавскими странами, а также Испанией, Португалией, Ирландией, Исландией, Югославией, Кипром и Турцией. Передача осуществляется методом много­станционного доступа с временным разделе­нием каналов (МДВР).

3. Требования к земным станциям международных ССС. Большинство ЗС, используемых в международных ССС, относятся к станциям стандарта A (Intelsat). До 1986 г. ЗС стандарта А были оборудованы лучеводными облучателями, которые обеспечивали нормированное значение шумовой добротности примерно 40,7 дБ/К. При этом общая масса антенной системы достигала 200 т и несущую платформу опорно-поворот­ного устройства необходимо было крепить на мощном дорогостоящем фундаменте.

Решение Intelsat снизить норму шумовой добротности до 35 дБ/К позволило уменьшить диаметр антенны с 30 до 16 м и упростить конструкцию облучателей. При установке антенн на возвышенностях имеет­ся возможность уменьшения диаметров ан­тенн до 13 м.

К рекомендованным для международных ССС кроме ЗС стандарта А, следует отнести ЗС стандарта В (Intelsat) с антенной диаметром 11 м; С и D (Eutelsat) с антеннами 11...13 м; Е и F (Intelsat), в том числе Е1 с антенной 3,5 и Е3, F3 с антеннами 8...10 м.

Для всех ЗС наряду с диапазоном С (6/4 ГГц) широко используется диапазон Кu (14/11…14/12 ГГц) [1]. В спутнико­вых системах связи, работающих в этом диапазоне, начинают широко применяться малогабаритные земные станции (МЗС) с антеннами диаметром 1,2...2,4 м. Дальнейшее уменьшение диаметра антенны будет способствовать созданию антенн в виде синфазной решетки. За счет использования в МЗС дискретных активных компонентов на основе монолитных ИС СВЧ-диапазона, упрощается их сборка, уменьшаются габариты и стоимость, повышается надежность работы. Функциональная гибкость МЗС возрастает благодаря использованию производительных микропроцессоров и специализированных процессоров цифровой обработки сигналов. Конечная цель развития МЗС — организация связи по принципу «каждый с каждым» в цифровой сети с интеграцией служб (ЦСИС), что позволяет в дополнение к обычной телефонной связи вести передачу данных, высококачественные цветные ТВ-передачи, организовывать видео-конференц связи и т. п.

3.1. Спутниковые системы связи с подвижными объектами. Планы создания североамериканской сети подвижной спутниковой связи с участием США и Канады натолкнулись на большие препятствия со стороны международных организаций [1]. Это относится, прежде всего, к выбранному Федеральной комиссией связи (ФКС) диапазону частот L (1500...1600 МГц), на который претендуют международные службы управ­ления движением воздушных судов. Ожидалось, что Международный союз электро­связи (МСЭ) примет компромиссное реше­ние по этому вопросу с учетом того, что ввод в эксплуатацию Национальной подвижной спутниковой системы США MSS был запланирован на 1989 г. Первоначально система обеспечивала передачу дан­ных, а с 1992 г.- устойчивую радиотеле­фонную связь для сельских абонентов при авариях на сетях, а также радиотелефонную связь подвижных объектов (автомашин, воздушных и морских судов) с выходом на международную сеть. Всеми вопросами MSS, включая контакты с ФКС, занимается специально созданный для этой цели в середине 1986 г. консорциум из 12 компаний, в том числе Hughes Aircraft Co. и Mobile Communications Corp.

Ожидалось, что к концу 90-х годов доходы от эксплуатации MSS достигнут 2,1 млрд дол. Доходы включают в себя месячную абонементную плату, получаемую от 1,5 млн телефонных абонентов и 500 000 абонентов службы передачи данных. Стоимость автомобильной подвижной рации может состав­лять 5000 дол, месячная абонементная плата - 200 дол.

За последние два года число абонентов сотовых сетей подвижной радиосвязи увеличилось с 90 до 600 тыс., что позволило снизить затраты в расчете на одного абонента с 2000 до 600 дол.

Для приемной сети спутниковой системы MSS проектируются антенны с высоким коэффициентом усиления, которые смогут устанавливаться на автомобиле.

Основные технические данные наиболее широко используемых международных ССС приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.

Параметры систем спутниковой связи

Параметр системы	Intelsat				Интерспутник	Inmarsat
	IV A	V	V A	VI	«Го-ризонт»	Marisat	Marecs	V-MCS
1	2	3	4	5	6	7	8	9
Год запуска	1975,	1980,	1985	1989	—	1976,	1981,	1982,
	1976,	1981,				1986	1984	1983,
	1977,	1982,						1984
	1978	1983,
		1984

Продолжение табл.1.

1	2	3	4	5	6	7	8	9
Расчетный срок существования, годы	7	7	7	10…14	3	5	7	7
Масса ИСЗ, кг	863	1012	1016	2250	—	—	—	—
Мощность источников питания, Вт	525	1205	1280	2260	—	330	1000	1800
Диапазон частот, ГГц	6/4	6/4; 14/11	6/4; 14/11	6/4; 14/11	6/4	1,6/1,5; 6/4	1,6/1,5; 6/4	1,6/1,5; 6/4
Число стволов	20	21+6	26+6	38+10	6	1+1	1+1	1+1
Полоса частот ствола, МГц	36	36 и 72	36 и 72	—	36	4	5	7,5
Пропускная способность	6×103 ТФ, 2ТВ	12×103 ТФ, 2ТВ	15×103 ТФ, 3ТВ	80×103 ТФ, 3ТВ	—	20/12 ТФ	90/50 ТФ	90/35 ТФ
Вид доступа	МДВР, МДВР с многими несущими, МДЧР/ОКН, МДКР с широкополосными сигналами				МДВР, МДЧР/ОКН	МДЧР/ЧМ, МДВР (телекс)