ВОЕНННАЯ АКАДЕМИЯ РАКЕТНЫХ ВОЙСК
СТРАТЕГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ ИМЕНИ ПЕТРА ВЕЛИКОГО
(филиал в г. Серпухове Московской области)
РЕФЕРАТ
на тему: «Антенны, системы спутниковой связи, ретрансляторы»
Выполнил:
_________________________
Курс: _______
Учебная группа:
_________________________
Проверил:
_________________________
Оценка:__________________
Подпись:_________________
Серпухов 2020г.
2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ........................................................................................................................... 3
1 Основные характеристики и особенности построения систем спутниковой
связи .................................................................................................................................. 4
1.1
Основы построения систем спутниковой связи .............................................. 4
1.2
Основные составляющие систем спутниковой связи ..................................... 8
1.2.1
Антенны......................................................................................................... 8
1.2.2
Ретрансляторы ........................................................................................... 11
1.3
Передача сигналов в системах спутниковой связи ....................................... 13
Заключение .................................................................................................................... 17
Список использованных источников .......................................................................... 18
3
Введение
Системы
спутниковой
связи
предоставляют
огромное
количество
различных услуг, а так же они передают постоянно возрастающий объем данных
к скорости передачи которых постоянно возрастают требования и критерии. Все
вышеперечисленные критерии приводят к вопросу эффективного использования
частотного ресурса.
Для систем подвижной спутниковой связи выделяется очень узкий спектр
частот, который можно использовать при
построении системы, а так же
применяются жесткие требования к энергетике линий связи. Для обеспечения
правильного построения системы и эффективного использования выделенного
спектра частот применяются различные методы множественного доступа к
спутниковому ретранслятору.
В
работе
будет
рассказываться
о
принципах
построения
систем
спутниковой связи, в частности, остановим свое внимание на антеннах и
ретрансляторах, и их роли в построении данных систем.
4
1 Основные характеристики и особенности построения
систем спутниковой связи
Основы построения систем спутниковой связи
1.1
Для развития теории и практики построения спутниковой связи очень важно
оптимизировать систему спутниковой связи, а именно представить её в виде
совокупности взаимосвязанных элементов, которая определяется составом,
структурой, параметрами и функциями, формируемыми по определенным
критериям.
Очень
важно
точно
сформулировать
определение
системы
спутниковой связи. Понятия «система спутниковой связи» содержится в
многочисленных источниках литературы, однако все они сводятся к описанию
состава самой системы и её свойств, функций, особенностей, т.е. сведений,
которые являются общими для любой спутниковой системы.
Регламент радиосвязи определяет «космическую систему» как «любую
группу действующих совместно земных и (или) космических станций,
использующих
космическую
радиосвязь
для
определенных
целей»,
а
«спутниковую систему»- как «космическую систему, использующую один или
несколько ИСЗ». В основном в Регламенте радиосвязи применительно к ССС
используется термин «спутниковая служба».
Исходя из вышесказанного, система спутниковой связи может быть
определена как создаваемая с использованием ракетно-стартовых комплексов,
орбитальной группировки космических аппаратов, вспомогательных подсистем
многоуровневая совокупность линий связи, включающих земные станции, среду
распространения, спутниковые и земные ретрансляторы, синтезируемая, по
определенным условиям, принципам, критериям, в виде распределенной
функциональной
сигнальных,
структуры
электрических,
с
множеством
параметров
пространственно-временных,
(информационно
спектрально-
частотных, механических, экологических и др.), находящихся во взаимосвязи и
определяющих показатели назначения, качества, эффективности системы, а также
предоставляемые пользователю услуги.
5
На практике выбор структуры, параметров и характеристик ССС
(орбитальных, энергетических, частотных, сигнальных и пр.) зависит от многих
условий и определяется разными соображениями. При этом приоритет отдается
традиционным техническим идеям и решениям, имеющим аналоги. Наиболее
распространенным
достигнутого»,
принципом
заключающийся
совершенствования
в
улучшении
ССС
называется
технических
«от
возможностей
существующих аналогов, прототипов систем и оборудования при разработке
новых проектов. Такой подход имеет место по отношению к традиционным видам
систем спутниковой связи, таким как системы с использованием искусственных
спутников Земли на геостационарной орбите.
В состав ССС обычно включают: космический сегмент (спутники, бортовые
ретрансляторы и антенно-фидерные устройства, др.бортовые подсистемы),
земной сегмент (оконечные, узловые, центральные и т.д. земные станции),
ракетно-космический комплекс, стартовый комплекс, подсистему управления и
т.д.
Также
часто
включают
оконечное
оборудование
пользователя,
соединительные линии, интерфейсы и даже узлы коммутации и сопряжения с
наземными сетями (телефонными, общего пользования, сотовыми, цифровыми
интегральными и пр.).
Рисунок 1.1- Структура системы спутниковой связи
6
Концепция спутниковой связи заключается в том, что промежуточный
ретранслятор радиосети связи устанавливается на борту искусственного спутника
Земли (ИСЗ). Искусственный спутник Земли движется по орбите почти без затрат
энергии на это движение, однако незначительные энергозатраты обычно
необходимы для коррекции параметров орбиты спутникового ретранслятора (СР).
Энергообеспечение
бортового
ретрансляционного
комплекса
(БРТК)
осуществляется от солнечных батарей и подзаряжаемых от них аккумуляторов,
которые питают бортовую аппаратуру в периоды затенения Солнца Землей.
Таким образом, СР представляет собой в значительной степени автономную
систему и способен предоставлять услуги связи в течение длительного времени.
Срок службы современных СР составляет 5-15 лет.
Находясь на достаточно высокой орбите, единственный СР способен
предоставить информационные услуги пользователям, размещенным на огромной
территории диаметром от 1,5-2 тыс. км до примерно 16 тыс. км. Область
обслуживания – это часть земной поверхности и околоземного пространства, на
которой возможна передача информации с заданной скоростью и качеством
между любой парой точек, находящейся в ней. Геометрия области обслуживания
определяется не только параметрами орбиты ретранслятора и характеристиками
бортового ретрансляционного комплекса (БРТК), но и характеристиками
используемых земных станций (ЗС), а также требованиями к пропускной
способности каналов связи и качеству передачи информации.
Если размеры области обслуживания велики, и не могут быть покрыты
одним ретранслятором, то используют орбитальную группировку, состоящую из
нескольких ретрансляторов, каждый из которых обслуживает часть (зону) области
обслуживания. Разбиение на зоны может использоваться и при наличии одного
СР с БРТК, оборудованным многолучевой приемопередающей антенной, каждый
луч которой формирует свою зону обслуживания. Обычно зоны частично
перекрываются, образуя сплошную область обслуживания. При зональном
обслуживании для обеспечения возможности связи между ЗС, находящимися в
разных зонах обслуживания, необходима организация межзоновых каналов связи.
7
В мире уже создано и создается дальше огромное количество ССС,
отличающихся друг от друга различными решаемыми прикладными задачами,
масштабами, количество и качеством используемого оборудования, пропускной
способностью. Такое широкое распространение спутниковых сетей связи
обусловлено следующими уникальными свойствами:
1. Обеспечение области обслуживания значительных размеров, вплоть до
глобальной, полностью охватывающей поверхность Земли.
2. Возможность расширения интерфейса между пользователями и сетью,
благодаря обслуживанию отдаленных, малонаселенных и труднодоступных
территорий, где развертывание наземных сетей связи экономически не оправдано,
либо просто невозможно.
3. Простота
обеспечения
широковещательного
и
многоадресного
(циркулярного) режимов передачи.
4. Предоставление
услуг
подвижным
пользователям
на
большой
территории, где нет соответствующих систем наземной связи.
5. Высокая пропускная способность спутниковых каналов связи при приемлемо высоком качестве передачи, по сравнению с наземными каналами
радиосвязи.
6. Возможность
предоставления
пользователям
услуги
глобального
местоопределения.
7. Большая
достаточно
гибкость
просто
ССС,
изменять
позволяющая
область
в
случае
обслуживания
необходимости
(например,
путем
пространственной ориентации луча (лучей) бортовых антенн), номенклатуру
предоставляемых информационных услуг, сетевую топологию, а также быстро
адаптироваться к потребностям пользователей.
8. Простота пространственного расширения сети путем установки в
области обслуживания нужных дополнительных ЗС в нужном месте.
9. Относительно малые сроки развертывания ССС и наладки оборудования
и аппаратуры.
8
10. Обеспечение приемлемой совместимости с современными технологиями
передачи информации наземных сетей связи.
11. Возможность
построения
крупномасштабных
широкополосных
цифровых сетей интегрального обслуживания – ШЦСИО {B-ISDN – Broadband
Integrated Service Digital Network} без значительных инвестиций на начальных
фазах развертывания, особенно на территориях, где наземная инфраструктура
развита недостаточно или вовсе отсутствует.
12.
ССС дают возможность объединять на начальных фазах
развития наземной инфраструктуры локальные, городские и региональные
наземные ШЦСИО, в том числе и на базе волоконно-оптических линий связи
(ВОЛС), в корпоративные, национальные, интернациональные и глобальные
структуры.
1.2 Основные составляющие систем спутниковой связи
1.2.1
Антенны
Спутниковой антенной называется антенна, которая используется для
приема и передачи радиосигналов между наземными станциями и
искусственными спутниками Земли. В более узком значении можно сказать, что
это антенна, используемся при организации связи с ретрансляцией через
спутники.
9
Рисунок 1.2 – Разновидности антенн спутниковой связи
Диаметр антенны является решающей характеристикой, которая определяет
размеры и стоимость Земной станции. Антенны космический станций должны
иметь
«согласованную»
с
обслуживаемой
территорией
диаграмму
направленности, а антенны ЗС таких ограничений не имеют. Чем больше размер
антенны ЗС, тем в большей степени она может "преодолеть" ослабление сигналов
на трассе и обеспечить большую пропускную способность системы в целом.
В ССС используются рупорно-параболические, параболические антенны с
переизлучателем (антенны Кассегрена) и антенные решетки типа «волновой
канал» (директорные антенны). Антенны работают с круговой поляризацией,
правой и левой, а также с вертикальной и горизонтальной поляризациями.
Антенна
характеризуется
также
показателями
опорно-поворотного
устройства и системой наведения на ИСЗ. Различают антенны [4, 5, 6]:
полноповоротные – способные направляться в любую точку небосвода;
неполноповоротные – имеющие ограниченную область наведения на источник
сигнала. В последнее время все чаще применяют медленно движущиеся и
неподвижные антенны, способные работать только с геостационарными ИСЗ.
Антенна обеспечивает связь между фидерной линией и окружающей
средой. Колебания высокой частоты с выхода передатчика по фидерной линии
поступают на вход антенны и в виде электромагнитных волн излучаются в
пространство. Приемная
антенна улавливает электромагнитные волны и
преобразует их в СВЧ колебания, передаваемые по фидерной линии в приемник.
Благодаря принципу взаимности, т.е. явление обратимости процессов
приема и передачи, одну и ту же антенну можно использовать как на прием, так и
на передачу. Такая возможность повышает технико-экономические показатели
системы.
Направленные
свойства
антенны
принято
определять
амплитудной
характеристикой направленности, т. е. зависимостью напряженности излучаемого
антенной поля в точке наблюдения от углов в вертикальной плоскости и в
горизонтальной плоскости.
10
Диаграммой направленности антенны называют изображение амплитудной
характеристики
направленности.
Диаграммы
строят
в
двух
плоскостях,
горизонтальной и вертикальной. Диаграммы направленности могут быть
построены как в полярной (рис. 1.3), так и в прямоугольной (рис. 1.4) системе
координат. Направление максимального излучения антенны = 00 называется
главным направлением, а соответствующий ему лепесток – главным. Остальные
лепестки являются боковыми. Направления, в которых антенна не принимает (и
не излучает), F() = 0 называются нулями ДНА.
90
Главный лепесток
Е
2 0,5
0,2
180
0,4
0,6 0,707
0,8
1,0
Еmax
0
270
Рис. 1.3 – Диаграмма направленности антенны в полярных координатах
ЕЕ
max
1,0
0,9
Главный лепесток
0,8
2q0,5
0,7
0,6
Основная поляризация
Перекрёстная поляризация
0,5
0,4
2q0
0,3
q1
Боковые лепестки
0,2
0,1
q, град
180
200
220
240
260
280
300
320
340
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Рис. 1.4 – Диаграмма направленности антенны в прямоугольных координатах
11
Коэффициентом направленного действия (КНД) антенны называют её
способность концентрировать излучаемое электромагнитное поле в какой-либо
направлении. Заметим, что КНД тем больше, чем уже главный лепесток ДНА и
чем меньше относительный уровень боковых лепестков.
Полосой пропускания антенны понимают интервал частот, в котором
ширина главного лепестка ДНА и уровни боковых лепестков не выходят из
заданных пределов, коэффициент усиления остается достаточно высоким, а
согласование с фидерным трактом существенно не ухудшается.
В
радиорелейных
и
спутниковых
системах
связи,
как
правило,
используются однозеркальные и двухзеркальные параболические антенны,
основные параметры которых для рабочей частоты 7 ГГц приведены в таблице
1.1.
Таблица 1.1 – Основные параметры параболических антенн
Тип
Диаметр,
G, дБи
Ширина ДНА,
Кз.д,
характеристик
м
дБ
2 0,5, град
антенн
0,6
30,7
5
40
Стандартные
1,2
36,9
2,3
50
2,4
42,9
1,3
60
0,6
30,7
5
43
Улучшенные
1,2
36,9
2,3
53
2,4
42,9
1,3
64
0,6
30,7
5
60
Высокие
1,2
36,9
2,3
65
2,4
42,9
1,3
72
0,6
30,7
5
62
Очень
1,2
36,9
2,3
68
высокие
2,4
42,9
1,3
74
XPDа, дБ
25…27
25…27
25…27
27…30
27…30
27…30
30…32
30…32
30…32
40
40
40
1.2.2 Ретрансляторы
Ретрансляционный
называемый
комплекс
спутниковым
в
составе
ретранслятором
космического
(СР),
сегмента,
представляет
собой
радиотехническое оборудование, устанавливаемое на борту космического
аппарата, предназначенное для приема, усиления, преобразования, обработки,
12
передачи радиосигналов от передающих к принимающих земным станциям и
входящее одновременно в состав связного сегмента системы спутниковой
связи.
В
состав
спутникового
бортового
ретрансляционного
комплекса
ретранслятора
входят приемные,
передающие
(БРК)любого
и
приемно-
передающие бортовые антенны, со своими облучателями, опорно-поворотными
устройствами, фидерными трактами, и ретрансляторы т.е. приемо-передающее ВЧ
(РЧ) оборудование, в ряде случаев с элементами каналообразования (модуляциядемодуляция, регенерации и т.п.), обработки, коммутации сигналов.
Рисунок 1.5 – Спутниковый ретранслятор
Антенны современных спутниковых ретрансляторов имеют несколько
очень важных ролей. Во-первых, они определяют зону обслуживания и
архитектуру ССС; во-вторых, от размера и типа антенны зависит энергетика
линий связи; в-третьих, бортовая антенна обеспечивает пространственную и
поляризационную развязку сигналов, это позволяет использовать одни и те же
полосы частот.
Современные и перспективные системы спутниковой связи используют
бортовые
многолучевые
антенны.
Наиболее
широкие
возможности
по
многолучевому обслуживанию имеют активные фазированные антенные решетки.
Эти МЛА формируют ширину ДН и усиление в луче за счет апертуры, однако они
13
имеют лучеобразующую систему, состоящую из набора элементарных активных
излучателей с ответвителями.
По структуре ретрансляторы могут иметь однократное или двукратное
преобразование частоты. При однократном преобразовании частоты происходит
переход из полосы частот приема сразу в полосу передачи. При двукратном
преобразовании входная радиочастота преобразуется в промежуточную, а затем в
выходную, а именно в частоту передачи.
Стволом ретранслятора называется приемопередающий тракт, в котором
сигналы проходят через общие усилительные элементы (например, антенну) в
некоторой выделенной стволу общей полосе частот. Весь диапазон частот, в
котором работает спутник связи, принято делить на некоторые полосы (например,
шириной 27; 36; 72 или 120 МГц), в которых усиление сигналов осуществляется
отдельным трактом - стволом (транспондером).
Несколько стволов могут иметь общие элементы - антенну, волноводный
тракт, малошумящий входной усилитель. Однако на ЗС полоса одного ствола
может разделяться фильтрами для выделения и последующего детектирования
сигналов, предназначенных данной ЗС и прошедших через общий ствол
(например, при многостанционном доступе).
Число стволов, одновременно действующих на ИСЗ, может составлять 6
12 и достигать 27 48 на наиболее мощных ИСЗ. Сигналы этих стволов
разделяются по частоте, пространству, поляризации.
Числом стволов, их полосой пропускания и ЭИИМ определяется в
основном важнейший суммарный показатель ИСЗ его пропускная способность –
число телефонных и/или телевизионных каналов или число двоичных единиц в
секунду, которое можно передать через данный ИСЗ.
1.3
Передача сигналов в системах спутниковой связи
Одной из особенностей распространения сигнала по системе спутниковой
связи является возникновения эффекта, называемого эффектом Доплера. Эффект
Доплера это физическое явление, состоящее в изменении частоты принятых
14
колебаний при перемещении передатчика или приемника этих колебаний. То есть,
частота, принимаемых на движущемся ретрансляторе, колебаний отличается от
частоты, передаваемых земной станцией, колебаний.
Данное явление происходит следующим образом. Земная станция передает
импульс с определенной длительностью в какой-либо момент времени. В это же
время искусственный спутник Земли находится в первом положении, а за время,
равное длительности импульса, он перемещается в какое-либо другое положение.
Сигнал «догоняет» ИСЗ и соответственно затрачивает на это некоторое время:
∆𝑡 = ∆𝑑⁄𝑐
где ∆d=v∙τ0— добавочный путь сигнала до ИСЗ;
v – составляющая скорости движения ИСЗ в направлении распространения
радиоволн (от положения 1 к положению 2);
τ0 – длительность импульса;
с – скорость распространения электромагнитной энергии, соответствующая
скорости распространения света.
Сделав некоторые преобразования можно определить частоту колебаний,
которые принимает ИСЗ:
𝑓кс = 𝑓0 ⁄(1 ± 𝑣⁄𝑐 )
где f0 – частота передаваемых колебаний, f0 = 1/ τ0 ;
Эффект
Доплера
приводит
к
сдвигу
частоты
всех
спектральных
составляющих на величину доплеровского сдвига δ fд , а также приводит к
изменению частоты модулирующих колебаний, происходит деформация спектра.
Если в приемнике выбрать достаточно широкую полосу пропускания и
применить автоматическую подстройку частоты (АПЧ), то доплеровский сдвиг
можно компенсировать.
Запаздывание радиосигнала очень сильно влияет на качество связи при
распространении по ССС. Причиной тому является большое расстояние, которое
преодолевает сигнал. Время распространения сигнала между двумя ЗС
приблизительно равно или даже больше 240 мс. При дуплексной связи абонент
15
ожидает ответ около 500-600 мс. Из-за этого при разговоре по телефону через
ИСЗ возникают паузы, нарушается естественность речи.
Для дуплексной связи применяют двухпроводные абонентские линии и
четырехироводные линии между узлами коммутации. В точках перехода с
четырехпроводной
цепи
на
двухпроводную
всегда
возникает
некоторая
несогласованность и, следовательно, образуются отражения – эхо-сигналы,
распространяющиеся по линии связи в обратном направлении и достигающие
говорящего абонента через интервал времени, равный двойному времени
распространения сигнала по ССС.
При 2t < 60 мс эхо-сигналы воспринимаются, как некоторое послезвучание
(гулкость), маскируются собственной речью абонента и мало мешают разговору.
Если же запаздывание велико, то эхо-сигналы воспринимаются раздельно, как
четкое эхо и создают серьезную помеху разговору. Чтобы побороть это явление
эхо-сигналы ослабляют примерно на 50дБ при 2t = 100 мс и на 60 дБ при 2t = 500
мс. В каждом канале в системах спутниковой связи обязательно присутствуют
специальные устройства — эхозаградители.
Основным источником электропитания на спутнике связи является
солнечная батарея. Как известно солнечные батареи не работают в темноте, а
спутник, который движется по геостационарной орбите может оказаться в тени
Земли. Такое явление необходимо учитывать при организации работы систем
спутниковой связи и вещания.
Попадание ИСЗ в тень Земли происходит когда он находится над частью
Земли, которая не освещена Солнцем. Такое положение соответствует вечеру или
ночи (рис.1.6 )
16
Положение а
Положение б
ИСЗ
ГО
Орбита Земли
Ось вращения
Земли
Плоскость
экватора и ГО
ГО
ИСЗ
Земля
Ось вращения
Земли
Земля
Солнце
Плоскость
экватора и ГО
Плоскость
орбиты Земли
Рис. 1.6 – Затенение ИСЗ Землей а) зимой в северном полушарии;
б) в период осеннего равноденствия
Работа бортового ретранслятора может прекратиться, если на нем не
установлена аккумуляторная батарея, имеющая обычно значительную массу.
В ССС возникают суммарные потери, которые разделяют на основные,
зависящие от диапазона частот и наклонной дальности, а также дополнительные.
В диапазонах частот, выделенных для ССС, дополнительные потери
обусловлены влиянием атмосферы, которое проявляется в виде ослабления
(поглощения) радиоволн в тропосфере и ионосфере, искривления траектории
радиолуча из-за рефракции, изменения формы и вращения плоскости поляризации
радиоволн, появления фазовой дисперсии сигналов и появлением потерь из-за
неточности наведения антенн ЗС на ИСЗ.
17
Заключение
В работе были изучены основы построения систем спутниковой связи, а
также принципы работы антенн и ретрансляторов и их роль в построении данных
систем.
18
Список использованных источников
1. Аболиц, А. И. Системы спутниковой связи. Основы структурнопараметрической теории и эффективность / А. И. Аболиц. – М.: ИТИС, 2004. –
426с.: ил.
2. Кантор, Л. Я. Расцвет и кризис спутниковой связи / Л. Я. Кантор //
Электросвязь, 2007. – №7. – С. 19-23.
3. Камнев, В. Е. Спутниковые сети связи: Учеб. пособие / В. Е. Камнев,
В. В. Черкасов, Г. В. Чечин. – М.: «Альпина Паблишер», 2004. – 536 с.: ил.
4. Гудингз, Р. Спутниковые системы [Электронный ресурс] / Р. Гудингз,
Т. Нёрпель, Д. Уотсон // Мобильные телекоммуникации. – 2001. – № 03. –
Режим
доступа:
http://www.mobilecomm.ru/view.php?n=03&y=2001
обращения: 13.11.2017).
(дата
