Система спутниковой связи
Министерство
образования и науки Республики Казахстан
Международный
университет информационных технологий
Реферат
Тема:
Система спутниковой связи
Подготовил: Студент Оспан
Заманбек
Проверил: Айтмагамбетов А.З
Алматы
2013 г
Введение
В 1945 г в статье «Внеземные
ретрансляторы», опубликованной в октябрьском номере журнала «wirelessworld»
английский учёный, писатель и изобретатель Артур Кларк предложил идею создания
системы спутников связи на геостационарных орбитах <#"670041.files/image001.gif">
Типы орбит КА
В основе построения спутниковой
системы связи лежит идея размещения ретранслятора на космическом аппарате (КА).
Движение КА длительное время происходит без затрат энергии, а энергоснабжение
всех систем осуществляется от солнечных батарей. КА, находящийся на достаточно
высокой орбите, способен «охватить» очень большую территорию - около трети
поверхности Земли. Через его бортовой ретранслятор могут связываться любые
станции, находящиеся на этой территории. Принцип спутниковой связи заключается
в ретрансляции аппаратурой спутника сигнала от передающих наземных станций к
приёмникам.
Значительные преимущества предоставляет
использование КА, расположенного на так называемой геостационарной орбите,
находящейся в плоскости экватора и имеющей нулевое наклонение круговой орбиты
(рисунок 1.1) с радиусом 35785 км. Такой спутник совершает один оборот вокруг
Земли точно за одни земные сутки. Если направление его движения совпадает с
направлением вращения Земли, то с поверхности Земли он кажется неподвижным.
Ни при каком другом сочетании
указанных параметров орбиты нельзя добиться неподвижности КА относительно
наземного наблюдателя. Антенны станций, работающих с геостационарным спутником,
не требуют сложных систем наведения и сопровождения, а в случае необходимости
могут быть установлены устройства для компенсации небольших возмущений орбиты.
Благодаря этому обстоятельству в
настоящее время почти все спутники связи, предназначенные для коммерческого
использования, находятся на геостационарной орбите. Примерно в одной позиции на
одной географической долготе могут находиться несколько КА, расположенных на
расстоянии около 100 км друг от друга.
Спутниковая линия связи с
ретранслятором на геостационарной орбите имеет ряд серьезных преимуществ:
1. Отсутствие устройства сопровождения КА в
антенной системе наземного комплекса
. Высокая стабильность уровня сигнала в
радиоканале.
. Отсутствие эффекта Доплера.
. Простота организации связи в глобальном
масштабе.
Недостатками такой линии связи являются
перенасыщенность геостационарной орбиты на многих участках, а также
невозможность обслуживания приполярных областей.
Вблизи полюсов геостационарный КА виден под
малым углом места, а у самых полюсов не виден вообще. Ввиду малости угла места
происходит затенение спутника местными предметами, увеличение шумовой
температуры антенны за счет тепловых шумов Земли, повышение уровня помех от
наземных радиотехнических средств. Уже на широте 75° прием затруднителен, а
выше 80° - почти невозможен. Однако в широтном поясе от 80° ю.ш. до 80° с.ш.
проживает практически все население Земли.
Спутниковое телевизионное вещание
Спутниковое телевизионное вещание - это передача
через космический спутник-ретранслятор телевизионного изображения и звукового
сопровождения от наземных передающих станций к приемным. В сочетании с
кабельными сетями, спутниковая телевизионная ретрансляция сегодня является
основным средством обеспечения многопрограммного высококачественного
телевизионного вещания.
В зависимости от организации, спутниковое
ТВ-вещание может осуществляться двумя службами:
. Фиксированной спутниковой службой
(ФСС). В этом случае передаваемые через КА телевизионные сигналы принимаются с
высоким качеством наземными станциями, расположенными в зафиксированных заранее
пунктах. С этих станций через наземные ретрансляторы телевизионный сигнал
доставляется индивидуальным потребителям
. Радиовещательной спутниковой службой
(РВСС). В этом случае ретранслируемые КА телевизионные сигналы предназначены
для непосредственного приема населением (непосредственным считается как
индивидуальный, так и коллективный прием, при котором телезрители принимают
программу по кабельной сети
Рис. 2.1. Ретрансляция спутниковых сигналов
наземным телецентром
Рис. 2.2.
Непосредственное телевизионное вещание
Большое распространение получили относительно
простые и недорогие установки с антеннами небольших размеров для
непосредственного приема телевизионных сигналов со спутников. Система
спутникового телевизионного вещания включает в себя следующие подсистемы
· Передающий телевизионный центр.
· Активный спутник-ретранслятор.
· Приемное оборудование.
Применение спутниковой ретрансляции для ТВ
вещания
Современные технические средства позволяют
сформировать достаточно узкий пучок волн, чтобы при необходимости
сконцентрировать практически всю энергию передатчика КА на ограниченной
территории, например, на территории одного государства. Часть территории,
которую необходимо охватить вещанием при заданном уровне сигнала, называют
зоной обслуживания.
Ее вид и размеры зависят от диаграммы
направленности передающей антенны спутника-ретранслятора. Несмотря на то, что
антенна всегда направлена в точку прицеливания - за ней следят специальные
устройства - зона обслуживания имеет сложную геометрическую форму.
Если диаграммы направленности бортовых антенн КА
достаточно широки чтобы охватить всю видимую с него часть Земли, то зона
обслуживания является глобальной.
В спутниковом телевидении уровень излучаемого с
космического аппарата сигнала принято характеризовать произведением мощности (в
ваттах) подводимого к антенне сигнала на коэффициент ее усиления (в децибелах)
относительно изотропного (всенаправленного) излучателя. Эту характеристику
называют эквивалентной изотропно-излучаемой мощностью (ЭИИМ) и измеряют в
децибелах на ватт. Уровень сигнала в точке приема определяется плотностью
потока мощности у поверхности Земли относительно потока мощности 1Вт,
проходящего через 1м2(дБВт/м2).
Цифровой метод передачи спутниковых
телевизионных сигналов
Возрастающие требования к качеству
телевизионного вещания, дальнейшее совершенствование его технологии приводят к
необходимости изыскания новых эффективных методов создания, записи и передачи
сигналов телевизионных программ. В течение многих лет в телевидении используют
аналоговый телевизионный сигнал, который преобразует свет-сигнал в электрический
аналог изображения.
Цифровое телевидение представляет собой область,
в которой операции обработки, записи и передачи телевизионного сигнала связаны
с его преобразованием в цифровую форму. Отметим преимущества перехода к
цифровой форме представления и передачи телевизионных сигналов:
· Прежде всего, появляется возможность
создания унифицированного видеооборудования, которое использует единый стандарт
цифрового кодирования и, в перспективе, вытеснит многочисленные, несовместимые
между собой стандартные системы цветного телевидения - SECAM, PAL, NTSC.
· Все цифровые сигналы обрабатываются
по единой технологии. Повышается стабильность параметров оборудования, которое
работает в бесподстроечном режиме. Так обеспечивается значительное повышение
качества телевизионного изображения, особенно при цифровой видеозаписи с
применением электронного монтажа. Качество цифровой видеозаписи чрезвычайно
важно для создания фондовых и архивных материалов, а также для длительного их
хранения. Внедрение единого стандарта цифровой видеозаписи значительно
облегчает международный обмен телевизионными программами.
· Применение цифровых сигналов
значительно расширяет номенклатуру спецэффектов. Это и селективная обработка
участков кадра, и электронный монтаж из фрагментов нескольких кадров, замена
объектов в кадре, геометрические преобразования изображений и т.п.
Цифровая техника открывает совершенно новые
возможности в художественном оформлении телевизионных программ. Таким образом,
внедрение цифровых методов существенно обогащает технологию телевизионного
вещания, делает ее исключительно гибкой и высокопроизводительной. Повышается
качество передачи сигналов телевизионных программ по линиям связи благодаря
значительному ослаблению эффекта накопления искажений и применению кодов, обнаруживающих
и исправляющих ошибки передачи.
Обобщенная структурная схема цифрового тракта
преобразования ТВ сигнала
На вход тракта цифрового телевидения поступает
аналоговый телевизионный сигнал. В кодирующем устройстве (кодере) телевизионный
сигнал преобразуется в цифровую форму и поступает на передающее устройство,
которое состоит, в общем случае, из кодера канала и устройства преобразования
сигнала. Пройдя через канал связи, цифровой сигнал поступает в приемник,
состоящий из устройства обратного преобразования сигнала и декодирующего
устройства (декодера). Он, декодер, осуществляет преобразование цифрового
телевизионного сигнала в аналоговый. Кодер и декодер канала также обеспечивают защиту
от ошибок в канале связи. В устройствах преобразования характеристики цифрового
сигнала согласуются с характеристиками
В результате получается серия отдельных
импульсов, т. е. телевизионный сигнал оказывается «разбитым» на множество
дискретных значений. Интервал времени Т между отсчетами называется интервалом
дискретизации. Передавать точно значения отсчетов нет необходимости, поскольку
глаз человека обладает конечной разрешающей способностью по яркости. Это
позволяет разбить весь диапазон значений отсчетов на конечное число уровней.
Если число таких дискретных уровней выбрать достаточно большим, чтобы разность
между двумя ближайшими уровнями не обнаруживалась зрителем, то можно вместо
передачи всех значений отсчетов передавать лишь определенное число их
дискретных значений. Полученные значения отсчетов округляются до ближайшего из
набора фиксированных уровней, называемых уровнями квантования. Уровни
квантования разделяют весь диапазон значений отсчетов на конечное число
интервалов, которые именуются шагами квантования. Каждому уровню квантования
соответствует определенная область значений отсчетов. Границы между этими
областями называются порогами квантования.
Комплекс операций, связанных с преобразованием
аналогового телевизионного сигнала в цифровой (дискретизация, квантование,
кодирование), называется цифровым кодированием телевизионного сигнала. Для
передачи телевизионного сигнала с высоким качеством необходимо примерно 256
уровней квантования.
Декодирующее устройство телевизионного сигнала
осуществляет операции, обратные производимым в кодере.
Непрерывный аналоговый телевизионный сигнал
несет информацию об отдельных элементах изображения и может принимать любое
значение. В цифровом телевизионном сигнале каждому элементу изображения
соответствует большая группа импульсов, принимающих только два значения - «О»
или «1». Отсюда следует, что главное преимущество цифровой формы представления
- высокая защищенность от искажений и шумов. Это обусловлено тем, что на
приемной стороне важно обнаружить факт передачи импульса в заданный момент
времени независимо от его формы. Решить такую задачу легче, чем обеспечить
неискаженную передачу формы аналогового сигнала.
Главным недостатком цифрового телевидения
является более широкая полоса пропускания канала связи по сравнению с
аналоговым. Это объясняется тем, что скорость передачи цифрового сигнала
довольно велика. Она измеряемая числом двоичных символов в секунду (бит/с).
Поэтому на сегодня основная проблема в цифровом телевидении - уменьшение в
несколько раз требуемой скорости передачи сигналов. Она решается путем
устранения избыточности, имеющейся в телевизионном сигнале, и использования
эффективных методов модуляции. Различают статистическую, визуальную
(физиологическую) и структурную избыточность телевизионного сигнала.
Статистическая избыточность вызвана
корреляционными связями и предсказуемостью между элементами сигнала в одной
строке, в смежных строках и соседних кадрах. Эта избыточность может быть
устранена без потери информации, а исходные данные при этом могут быть
полностью восстановлены.
Для борьбы с помехами, приводящими к неверному
распознаванию символов цифрового сигнала (к ошибкам передачи), в состав тракта
цифрового телевидения включается кодер канала - устройство защиты от ошибок.
При этом для передачи по каналу используется помехоустойчивое кодирование.
Наиболее распространенным методом помехоустойчивого кодирования является
введение в цифровой канал избыточных символов. Отметим, что современные методы
помехоустойчивого кодирования позволяют при введении в цифровой телевизионный
сигнал сравнительно малого числа избыточных символов значительно уменьшить
вероятность ошибочного приема символа.
Кроме ошибок передачи, внешние помехи приводят к
временной нестабильности кодовых импульсов. Эту временную нестабильность,
называемую фазовым дрожанием, также часто именуют джиттером.
Помехоустойчивость передачи цифрового
телевизионного сигнала зависит от вида модуляции и кода, примененных для
передачи цифровой информации по каналу, алгоритма декодирования сигнала в декодере
и ряда других факторов.
Типы и параметры орбит спутниковых систем связи
(ССС). Их достоинства и недостатки.
Орбиты телекоммуникационных космических
аппаратов
Для создания спутниковых телекоммуникационных
систем используются следующие группировки космических аппаратов:
• на геостационарной орбите;
• на высокой эллиптической орбите типа
"Молния";
• на круговых и эллиптических средневысотных
орбитах;
• на круговых низких орбитах.
Плотности потока частиц во внутреннем и внешнем
радиационных поясах весьма велики, в самом внешнем радиационном поясе - много
меньше, чем в двух первых радиационных поясах.
Пребывание КА в радиационных поясах Земли
существенно увеличивает вероятность отказа электронной аппаратуры и требует ее
радиационной защиты, что увеличивает массу КА или уменьшает массу полезной
нагрузки (телекоммуникационного ретрансляционного комплекса).
Для низкоорбитальных КА лучшими следует считать
круговые орбиты на высотах 700 - 1400 км; количество космических аппаратов -
48-66; зона покрытия одним спутником - 3-7%; задержка при передаче речи для
глобальной связи - 170-300 мс.
Для среднеорбитальных КА - круговые орбиты на
высотах 10000км (между внутренним и внешним радиационными поясами) и 20000 км
(между внешним и самым внешним радиационными поясами). Количество космических
аппаратов - 8-12; зона покрытия одним спутником - 25-28%; задержка при передаче
речи для глобальной связи - 250-400 мс.
Благополучной с точки зрения радиационной
безопасности является и геостационарная орбита (36000км; количество спутников
для GEO-группировки - 3, один спутник покрывает 34% земной поверхности,
задержка при передаче речи для глобальной связи - 600 мс).
КА на высокоэллиптической орбите типа
"Молния" (рис.2) имеют апогей в северном полушарии на высоте около
40000 км относительно поверхности Земли и перигей в южном полушарии на высоте
500 км. Плоскость орбиты имеет наклонение 63,5°. КА вращается синхронно с Землей,
имеет период 12 часов и появляется над одними и теми же районами Земли в одно и
то же время. КА медленно перемещается в апогее, обеспечивая длительность
сеансов связи на территории России около 8 часов. Для непрерывной связи
необходимо иметь группировку КА на орбите из трех-четырех спутников.
КА на высокоэллиптической орбите
Достоинствами высокоэллиптических орбит
являются:
• большие углы места для наземных станций,
расположенных в северном полушарии, что позволяет мобильным наземным станциям
избежать экранирования трассы распространения сигнала местными предметами:
лесом, холмами, зданиями и др.;
• возможность обслуживания связью приполярных
районов выше 76° с. ш., которые не могут обслуживаться геостационарными КА;
• возможность вывода на орбиту одной и той же
ракетой-носителем КА с массой, почти в два раза превышающей массу КА,
выводимого на геостационарную орбиту.
Достоинствами средне- и низкоорбитальных
группировок КА являются обеспечение глобальности связи и, главное, возможность
работы наземных терминалов под высокими углами места, что принципиально
необходимо для надежной работы мобильных и персональных терминалов.
Большинство существующих спутниковых систем
связи имеют геостационарные спутниковые группировки, что легко объяснимо:
небольшое количество спутников, охват всей поверхности земли. Однако большая
задержка сигнала делает их применимыми, как правило, только для радио- и
телевещания. Для систем радиотелефонной связи большая задержка сигнала крайне
нежелательна, так как приводит к плохому качеству связи и повышению ее
стоимости. Поэтому первоначально большинство спутниковых систем связи
обеспечивали в основном фиксированную спутниковую связь (связь между
стационарными объектами), и лишь с внедрением цифровых методов связи и запуском
негеостационарных космических аппаратов широкое развитие получила подвижная
спутниковая связь. Современные системы подвижной спутниковой связи, во-первых,
совместимы с традиционными наземными системами подвижной связи (в первую
очередь - с цифровыми сотовыми), и, во-вторых, взаимодействие сетей подвижной
спутниковой радиосвязи с телефонной сетью общего пользования возможно на любом
уровне (местном, внутризонном, междугороднем).
В настоящее время на территории России действуют
два оператора подвижной спутниковой связи: "INMARSAT" и
"Globalstar".
Спутники системы "INMARSAT"
располагаются на геостационарной орбите. Наземная или судовая станция внутри
зоны обслуживания видит КА под углом места 5° и выше. Антенна спутникового
ретранслятора, формирующая такую зону обслуживания, имеет ширину диаграммы
направленности 17° и называется антенной с глобальным лучом. Гарантированная
связь обеспечивается в среднем от 70° ю.ш. до 70° с.ш. Каждый спутник покрывает
приблизительно третью часть Земли. Система "INMARSAT" имеет довольно
много абонентов в России, но высокая цена пользовательских терминалов и высокий
тариф за связь не позволяют использовать ее широкому кругу абонентов.
Дочерняя компания "ГлобалТел"
(совместное предприятие "Globalstar" и "Ростелеком") начала
оказывать свои услуги на территории РФ с мая 2000 г. В настоящий момент это
телефония (передача голоса) и переадресация вызова. Также в системе
предусмотрены, но пока не реализованы следующие услуги: передача данных,
факсимильная связь, передача и прием коротких сообщений, глобальный роуминг,
определение местоположения объекта, голосовая почта, вызов аварийных служб.
Космический сегмент включает группировку из 48 низкоорбитальных (и 4 резервных)
спутников, обеспечивающих покрытие от 70° с.ш. до 70° и размещенных по 6 спутников
на 8 круговых орбитах на высоте 1414 км. Система низкоорбитальных спутников
позволяет резко снизить стоимость абонентского терминала и минуты разговора.
Пользовательский сегмент состоит из портативных мобильных и стационарных
терминальных устройств. Система отличается сравнительно невысокими ценами на
оборудование и тарифами на услуги связи, что позволяет применять ее для
массового использования.
Спутниковые системы связи
апреля 1965 года был запущен на высокую
эллиптическую орбиту первый отечественный спутник связи "Молния-1",
который ознаменовал становление в нашей стране спутниковой радиосвязи. Почти
одновременно в США был запущен на геостационарную орбиту первый спутник
коммерческой связи Intelsat-1.
Таким образом, была реализована заманчивая идея
резкого увеличения дальности радиосвязи благодаря размещению ретранслятора
высоко над поверхностью Земли, что позволило обеспечить одновременную
радиовидимость расположенных в разных точках обширной территории радиостанций.
Преимуществами систем спутниковой связи (СС) являются большая пропускная
способность, глобальность действия и высокое качество связи.
Конфигурация систем СС зависит от типа
искусственного спутника Земли (ИСЗ), вида связи и параметров земных станций.
Для построения систем СС используются в основном три разновидности ИСЗ - на
высокой эллиптической орбите(ВЭО), геостационарной орбите (ГСО) и низковысотной
орбите (НВО). Каждый тип ИСЗ имеет свои преимущества и недостатки.
Виды орбит ИСЗ
В спутниковых системах связи используются такие
орбиты, какгеостационарная (GEO), наклонная высокоэллйптическая, средневысотная
круговая (МЕО) и низковысотная круговая (LEO). Геостационарная - это круговая
орбита в плоскости экватора, высота которой около 36000 км. Сидерический период
обращения ИСЗ по такой орбите равен земным суткам, и поэтому геостационарный
ИСЗ оказывается неподвижным для наблюдателя на Земле. Связь через
геостационарный ИСЗ можно поддерживать постоянно, без временных ограничений.
Это большое достоинство при организации спутниковых систем. Поэтому ИСЗ на
геостационарной орбите широко используются в фиксированной спутниковой службе
(ФСС). Плохо только, что спутниковые линии связи через геостационарный ИСЗ
имеют большую протяженность. Сигнал на трассе испытывает большое ослабление
(около 200 дБ). Для приема такого сигнала в ФСС на ЗС используются
узконаправленные антенны. Кроме того, на такой протяженной трассе эхо-сигналы
становятся заметными настолько, что нельзя работать без эхо-заградителей.
Названные недостатки практически делают невозможным использование
геостационарных ИСЗ для непосредственной связи с абонентскими терминалами. Еще
один недостаток - зона обслуживания геостационарного ИСЗ не охватывает
приполярные районы.
Также невозможно поддерживать связь с любой
течкой территории Земли через ИСЗ на любых наклонных круговых орбитах, кроме
полярных. Поэтому принято говорить о связи в глобальном масштабе для
определенной территории и с определенной вероятностью.
Высота низкой орбиты 700...1400 км. При высоте
около 1000 км протяженность трассы КС--ЗС уменьшается в 36 раз по сравнению со
спутниковыми линиями связи через ИСЗ на геостационарной орбита, а ослабление
сигнала - примерно на 30 дБ в случае сохранения рабочей частоты. Прием
непосредственно наабонентские терминалы становится возможным. Сидерический
период обращения ИСЗ по низкой орбите 1... 2 ч. Продолжительность сеанса связи
через один низколетящий ИСЗ составляет несколько минут и нужны десятки ИСЗ для
поддержания круглосуточной связи.
Высота средневысотной орбиты выбрана равной
около 10355 км так, чтобы орбита оказалась между радиационными поясами Земли.
Срок службы ретранслятора на средней орбите больше, чем срок службы
ретранслятора на низкой орбите, которая часто лежит внутри первого радиационного
пояса Земли. Наклонение средневысотной орбиты выбирают в пределах 45 ... 55 °.
Период обращения ИСЗ около 6 ч. Продолжительность сеанса связи через один ИСЗ
составляет 1,5 ... 2 ч.
Для создания связи в глобальном масштабе для
населенных районов Земли в этом варианте достаточно иметь 10-12 ИСЗ. Как
правило, в зоне обслуживания одновременно видны два ИСЗ, что позволяет каждый
раз выбрать тот, для которого больше угол места. Например, в системе Одиссей
рабочий угол места b = 30° гарантирован с вероятностью 0,95. ИСЗ на средней
орбите видны под большими углами места, чем на низкой. Следовательно, в первом
случае, влияние экранирующего действия зданий и деревьев при приеме на
абонентский терминал будет меньше.
Примером ИСЗ с ВЭО могут служить отечественные
спутники типа "Молния" с периодом обращения 12 часов, наклонением 63°
, высотой апогея над северным полушарием 40 тысяч км. Движение ИСЗ в области
апогея замедляется, при этом длительность радиовидимости составляет 6..8 ч.
Преимуществом данного типа ИСЗ является большой размер зоны обслуживания при
охвате большей части северного полушария. Недостатком ВЭО является
необходимость слежения антенн за медленно дрейфующим спутником и их
переориентирования с заходящего спутника на восходящий.
Уникальной орбитой является ГСО - круговая
орбита с периодом обращения ИСЗ 24 часа, лежащая в плоскости экватора, с
высотой 35875 км от поверхности Земли. Орбита синхронна с вращением Земли,
поэтому спутник оказывается неподвижным относительно земной поверхности.
Достоинства ГСО: зона обслуживания составляет около трети земной поверхности,
трех спутников достаточно для почти глобальной связи, антенны земных станций
практически не требуют систем слежения. Однако в северных широтах спутник виден
под малыми углами к горизонту и вовсе не виден в приполярных областях.
Фиксированная спутниковая служба (ФСС). На
начальном этапе развития ФСС развивалась в направлении создания систем
магистральной связи с применением крупных земных станций с диаметрами зеркала
антенн порядка 12..30 м. В настоящее время функционирует около 50 систем ФСС. В
качестве примеров можно отметить отечественные системы СС "Молния-3",
"Радуга", "Горизонт" и международные системы Intelsat и
Eutelsat. Развитие ФСС идет по направлениям увеличения срока службы ИСЗ, повышения
точности удержания ИСЗ на орбите, разработки и совершенствования многолучевых
антенн, а также возможности работы на антенны земных станций малого диаметра
(1,2..2,4 м) (системы VSAT).
Общие сведения о системах персональной
спутниковой связи
Системы персональной спутниковой связи обладают
рядом преимуществ по . сравнению с рассмотренными ранее системами подвижной
связи. Например, если пользователь находится за пределами зоны обслуживания
местных соевых систем, спутниковая связь играет ключевую роль, поскольку она не
имеет ограничений по привязке к конкретной местности Земли. Ожидается, что к
началу XXI в. площадь зон обслуживания сотовых систем приблизится к 15% площади
земной поверхности. Но во многих регионах мира спрос на услуги подвижной связи
может быть удовлетворен только с помощью спутниковых систем.
Услуги, предоставляемые системами спутниковой
связи
В зависимости от вида предоставляемых услуг
спутниковые системы связи можно разделить на три основных класса:
Системы пакетной передачи данных (доставки
циркулярных сообщений, автоматизированного сбора данных о состоянии различных
объектов, в том числе транспортных средств и т. д.)
При радиотелефонной связи в спутниковых системах
используют цифровую передачу сообщений, при этом обязательно должны выполняться
общепринятые международные стандарты. В таких системах задержка сигнала на
трассе распространения не должна превышать 0,3 с и переговоры абонентов не
должны прерываться во время сеанса связи. Обслуживание абонентов должно быть
непрерывным и проходить в реальном масштабе времени. В этом случае при
построении радиотелефонной спутниковой сети необходимо учитывать, что:
Спутники должны оснащаться высокоточной системой
ориентации для удержания луча их антенны в заданном направлении
Количество спутников в системе должно быть
достаточным для обеспечения сплошного и непрерывного покрытия зоны обслуживания
Для обеспечения достаточного количества каналов
связи должны применяться многолучевые антенные системы, работающие на высоких
частотах (более 1,5 ГГц), что значительно усложняет конструкцию антенн и
космических аппаратов (КА)
Для обеспечения непрерывности радиотелефонной
связи через спутник, оснащенный многолучевыми антенными системами, требуется
большое количество узловых (шлюзовых) станций с дорогим коммуникационным
оборудованием
Во многих случаях абоненту необходимо знать свое
местоположение (координаты) на Земле. Для этих целей применяют аппаратуру двух
типов:
Стандартную навигационную аппаратуру GPS систем
ГЛОНАСС/НАВСТАР, которая обеспечивает очень высокую точность определения
координат потребителя.
Специальную навигационную аппаратуру, которая по
сигналам спутников персональной связи и (или) шлюзовых станций позволяет
определять координаты потребителя, но с меньшей точностью используя аппаратуру
второго типа, можно определять координаты абонента одним из следующих способов:
> По сигналам 4 спутников персональной связи
> По сигналам шлюзовых наземных станций
> По сигналам спутников и шлюзовых станций
Значительный прогресс в развитии спутниковых
систем персональной связи достигнут благодаря внедрению новых технических
решений, ключевыми из которых можно считать: обработку сигнала на борту
спутника- ретранслятора, создание перспективных сетевых протоколов обмена
информацией и применение недорогих портативных пользовательских терминалов с
малым энергопотреблением.
В космических системах, решающих задачи
персональной связи, используются спутники, которые могут находиться на
различных орбитах.
Классификация орбит связных КА
Орбиты КА классифицируются: но форме,
периодичности прохождения над точками земной поверхности и по наклонению, по
форме различают следующие типы орбит:
Круговые - трудно реализуемые на практике и
требующие частой коррекции помощью бортовых корректирующих двигателей КА.
Близкие к круговым. Это наиболее
распространенный тип орбит в системах спутниковой связи. На таких орбитах
высоты апогея и перигея . различаются на несколько десятков километров.
Эллиптические. Высоты Н (апогея) и Н(перигея)
могут значительно различаться (например, На = 38000 - 40000 км, Нп = 400 - 500
км), Данные орбиты также широко применяются в системах спутниковой связи.
Геостационарные. Это круговые экваториальные
орбиты с периодом обращения спутника, равным периоду обращения Земли (Р = 23 ч
56 мин). На такой орбите КА располагается на высоте 36000 км и находится
постоянно над определенной точкой экватора Земли, Космические аппараты,
находящиеся на геостационарной орбите, имеют большую площадь обзора Земли, что
позволяет с успехом использовать их в системах спутниковой связи
Параболические и гиперболические. Применяются,
как правило, при изучении планет Солнечной системы.
По периодичности прохождения КА над точками
земной поверхности различают следующие типы орбит:
Синхронные. Они, в свою очередь, подразделяются
на синхронные изомаршрутные и синхронные квазимаршрутные. Изомаршрутные орбиты
характеризуются тем, что проекции орбиты КА на земную по верхность (трассы)
совпадают ежесуточно. Квазизомаршрутные орбиты характеризуются тем, что
проекции орбиты КА на земную поверхность совпадают один раз в несколько суток.
Несинхронные характеризуются тем, что трассы,
соответствующие любым двум оборотам КА вокруг Земли, не совпадают.
Под наклонением орбиты понимается угол между
плоскостями экватора Земли и орбиты КА. Наклонение отсчитывается от плоскости
экватора до плоскости орбиты против часовой стрелки Оно может изменяться от О
до 180°
Несферичность Земли и неравномерность
распределения ее массы приводят К изменению (прецессии) плоскости орбиты КА что
влечет за собой прецессию линии апсид (т.е. линии соединяющей апогей и перигей)
орбиты. При этом скорость названных прецессией зависит от формы орбиты высоты
апогея и перигея а также от наклонения. Прецессия плоскости орбиты приводит к
смещению восходящего и нисходящею узлов относительно первоначального положения
(в момент вывода КА на орбиту).
Системы, использующие спутники с высотой орбиты
700-1500 км, имеют лучшие энергетические характеристики радиолиний, чем системы
с высотой орбит спутников, равной примерно 10 000 км, но уступают им в
продолжительности активного существования КА. Дело в том, что при периоде
обращения КА около 100 мин (для низких орбит) в среднем 30 мин из них
приходится на теневую сторону Земли. Поэтому бортовые аккумуляторные батареи
испытывают от солнечных батарей приблизительно 5000 циклов заряда/разряда в
год. Для круговых орбит с высотой 10 000 км период обращения составляет около б
ч, из которых лишь несколько минут КА проводит в тени Земли.
Следует также отметить, что КА, находящийся на
низкой орбите, попадает в зону прямой видимости абонента лишь на 8 - 12 мин.
Значит, для обеспечения непрерывной связи любого абонента потребуется много КА,
которые последовательно (при помощи шлюзовых станций или межспутниковой связи)
должны обеспечивать непрерывную связь. С увеличением высоты орбиты КА зона
прямой видимости спутника-ретранслятора и абонента увеличивается, что приводит
к уменьшению количества спутников, необходимого для обеспечения непрерывной
связи. Таким образом, с увеличением высоты орбиты увеличиваются время и размеры
зоны обслуживания и, следовательно, требуется меньшее число спутников для
охвата одной и той же территории.
Заключение
Уже на самых ранних этапах создания спутниковых
систем стала очевидной сложность предстоящей работы. Необходимо было изыскать
материальные средства, приложить интеллектуальные усилия многих коллективов
ученых, организовать труд на этапе практической реализации. Но, несмотря на
это, в решение задачи активно включились транснациональные компании, имеющие
свободный капитал. Более того, в настоящее время осуществляется не один, а
несколько параллельных проектов. Фирмы-разработчики ведут упорную конкурентную
борьбу за будущих потребителей, за мировое лидерство в области
телекоммуникаций.
В настоящее время в космических системах для
решения задач персональной радиосвязи применяют спутники, которые могут
находиться на следующих орбитах: низких (круговых или близких к круговым),
средневысотных (круговых или эллиптических) и геостационарных.
Литература
Сайты:
www.waterhunters.com
<http://www.waterhunters.com>,
www.ru.wikipedia.org,
www.kompyuternyenovosti.com
Книги:
А.Н.
Харисон, А.И.Петров, В.А.Болдин Глобальная спутниковая радионавигационная
система ГЛОНАСС
Составители:
проф. каф. РТ Сартбаев А.Д., доц. каф. РТ Коньшин С.В. ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ,
РАДИОСВЯЗИ, РАДИОВЕЩАНИЯ И ТЕЛЕВИДЕНИЯ.
Л.Я.Кантор,
В.В.Тимофеев Спутниковая связь и проблема геостационарной орбиты