Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция № 19
Тема №9: СИСТЕМЫ АВИАЦИОННОЙ ВОЗДУШНОЙ, НАЗЕМНОЙ
И КОСМИЧЕСКОЙ РАДИОСВЯЗИ (продолжение)
Тема лекции: АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
РАДИОСВЯЗИ
Введение
Одним из важнейших практических применений искусственных спутников Земли (ИСЗ) является осуществление дальней радиосвязи, при которой спутники выполняют роль ретрансляционных станций. Спутниковые системы связи позволяют осуществить связь практически на любые земные расстояния и наряду с системами ДКМ связи играют важнейшую роль при организации дальней связи.
9.6.Авиационно-космические системы связи (АКСР)
9.6.1. Принципы построения АКСР
Принцип спутниковой связи отражен на рис.9.7. Он заключается в передаче сигналов с земных станций (ЗС) в сторону ИСЗ и ретрансляции их ЗС, находящимся в зоне видимости спутника. Это дает возможность обеспечения одним ретранслятором связь между несколькими пунктами в зоне видимости ИСЗ.
Рис. 9.7. Принцип спутниковой связи при высокой орбите ИСЗ
С увеличением высоты полета возрастает зона видимости ИСЗ и дальность связи может составить в пределе примерно 17 тыс. км.
В зависимости от способа ретрансляции передаваемого сигнала авиационно-космические системы радиосвязи (АКСР) подразделяются на:
В свою очередь АКСР с активной ретрансляцией в зависимости от высоты орбиты и расстояния между корреспондентами могут быть выполнены как:
системы с немедленной ретрансляцией, которые работают в реальном масштабе времени (корреспонденты находятся в зоне видимости ИСЗ); системы с задержанной ретрансляцией, которые предполагают накопление информации в специальном запоминающем устройстве на борту ИСЗ при пролете над одним из корреспондентов и спустя некоторое время ее ретрансляцию, при пролете над другим корреспондентом.
Задержанная ретрансляция позволяет осуществить дальнюю симплексную связь через ИСЗ. К ее достоинствам относится то, что: пункты приема и передачи могут не находиться одновременно в зоне видимости ИСЗ; возможность передачи информации отдельным корреспондентам при пролете ИСЗ на низких орбитах и, как следствие, скрытность передачи; меньшая энергетика системы в целом. Принцип спутниковой связи при активной ретрансляции с задержкой и ИСЗ на низкой орбите отражен на рис.9.8.
Рис. 9.8. Принцип спутниковой связи при активной
ретрансляцией с задержкой и ИСЗ на низкой орбите
Недостаток активной ретрансляции - это сложность аппаратуры на борту ИСЗ содержащей устройство памяти.
Таким образом при пассивной ретрансляции используются, как правило, высокие орбиты ИСЗ (рис. 9.7), а при активной могут использоваться ИСЗ на низких орбитах (рис. 9.8).
Орбиты спутников, играющие при создании АКСР первостепенное значение, отличаются следующими параметрами: а). Наклоном плоскости орбиты к плоскости экватора Земли (различают экваториальные орбиты с углом наклона равном нулю градусов, полярные орбиты с углом наклона в 90 и наклонные орбиты при любом другом наклоне); б). формой орбиты (круговые или эллиптические орбиты); в). высотой орбиты над поверхностью Земли (высокие и низкие орбиты).
Движение спутников вокруг Земли объясняется законами Кеплера. Согласно первому закону, один из фокусов эллиптической орбиты спутника или центр круговой орбиты должен находиться в центре масс Земли. То есть ИСЗ не может летать по любой траектории над поверхностью Земли, а может двигаться лишь по орбите, плоскость которой обязательно проходит через центр масс Земли, в частности, спутник не может двигаться вдоль какой-либо параллели земного шара, за исключением экватора (экваториальная орбита).
При движении ИСЗ по круговой орбите радиуса r (отсчитываемым от центра Земли) скорость его невозмущенного движения V = 630r (км/с) определяется как первая космическая, а период обращения вокруг Земли равен T = 2 r/V (с). С увеличением радиуса r скорость V уменьшается, а период T увеличивается. Движение земной антенны следящей за ИСЗ в этом случае замедляется, что упрощает реализацию антенной системы ЗС. Однако при этом необходимо увеличивать мощность сигнала передаваемого на ИСЗ.
Необходимо выделить геостационарную орбиту, которая является круговой экваториальной орбитой с высотой около 36000км. Спутник на такой орбите вращается синхронно с Землей, т. е. для наблюдателя на Земле он кажется неподвижным. Три ИСЗ на геостационарных орбитах, выведенных в точки, отстоящие друг от друга на 120 (рис. 9.9), в состоянии обеспечить связью почти всю территорию земного шара. Круговые орбиты высотой 10000 и 14000км интересны тем, что наблюдатель на Земле сможет увидеть спутник соответственно три и два раза в день в одно и тоже местное время.
Рис. 9.9. АКСР с геостационарными ИСЗ
В настоящее время на геостационарную орбиту запускается большая часть спутников связи. Недостатком этой орбиты является невозможность связи через ИСЗ с приполярными районами (расположенными выше 81 северной широты или южной долготы).
При движении спутника по эллиптической орбите (рис. 9.10) он проходит две особые точки: апогей орбиты (наибольшее расстояние ИСЗ от поверхности Земли) и перигей орбиты (наименьшее расстояние ИСЗ от поверхности Земли).
Рис. 9.10. Эллиптическая орбита ИСЗ
Согласно второму закону Кеплера, радиус-вектор спутника в равные промежутки времени описывает одинаковые площади и скорость движения ИСЗ Vэ по эллиптической орбите определяется как
где Vа= 630/а - скорость движения спутника по круговой орбите с радиусом, равным большой полуоси эллиптической орбите; а = (lА + lП)/2; e = (lА - lП)/2а; - угол между направлением из центра Земли на перигей орбиты и в точку, где определяет скорость движения ИСЗ, lА и lП - расстояние от центра Земли до апогея и перигея орбиты. Учитывая, что для точки апогея cos = -1, а для точки перигея cos = 1, спутник на эллиптической орбите имеет наименьшую скорость в апогее орбиты и наибольшую в перигее. Если такой ИСЗ применяется в качестве ретранслятора, то целесообразно использовать участок орбиты вблизи апогея. При этом движение земной антенны, следящей за ИСЗ, будет наименьшим.
Примером эллиптической орбиты является орбита ИСЗ МОЛНИЯ с параметрами: перигей около 500км, апогеем 39000км и углом наклона орбиты к плоскости экватора 63. Апогей орбиты находится над северным полушарием, а перигей - над южным. Период обращения ИСЗ примерно 12 часов. Ежесуточно спутник совершает точно два оборота вокруг Земли (первый виток - над территорией России, а второй - над территорией Северной Америки). При пролете над территорией России в зоне видимости ИСЗ в течении 9 часов находится Москва и Владивосток. Три таких ИСЗ, сменяющие друг друга в апогее примерно через 8 часов, обеспечивают круглосуточную связь на всей территории России.
В сравнении с круговыми орбитами эллиптические удобнее с точки зрения запуска ИСЗ. При одинаковой мощности ракеты-носителя на эллиптическую орбиту можно вывести больший груз, чем на круговую высотой, равной апогею эллиптической орбиты. Время видимости спутника на эллиптической орбите значительно больше, чем на круговой с радиусом, равным апогею. Как следствие, длительность сеанса связи больше при использовании эллиптической орбиты. Недостатком такой орбиты является резкое изменение уровня сигнала в течении одного оборота спутника, что требует усложнения аппаратуры на борту ИСЗ.
9.6.2.Диапазон частот АКСР
Выбор рабочих частот для АКСР определяется следующими факторами: 1).уровнем внешних источников шумов, принимаемых антенной системой; 2).условиями распространения и поглощения радиоволн; 3).наличием соответствующих технических средств; 4).взаимными помехами между АКСР и другими системами связи, работающими в смежных или совмещенных диапазонах частот.
Учитывая ,что атмосфера “прозрачна” на частотах от 50МГц до 10ГГц перечисленным требованиям наиболее полно отвечают частоты диапазона 1...10ГГц. На частотах более 10ГГц резко увеличивается интенсивность шумов поглощения в кислороде и водяных парах атмосферы, а на частотах ниже 1ГГц сильно сказывается влияние космических шумов. Возможно также некоторое ограничение использования диапазона 1...10ГГц для АКСР обусловленное интенсивным работой на этих же частот других средств радиосвязи, уже существовавших к моменту появления спутниковых систем. В этой связи для военных систем выделяются следующие частоты: для линий связи Земля - ИСЗ 7,9...8,4ГГц; для линий связи ИСЗ - Земля 7,25...7,75ГГц. В связи с дефицитом рабочих частот для спутниковых систем радиосвязи были выделены также ряд диапазонов частот выше 10ГГц (несмотря на худшие условия распространения): 11...14ГГц и 20...30ГГц. В АКСР, предназначенных для связи с ЛА, часто применяется и более низкочастотный диапазон 150...400МГц. Этот диапазон хорошо освоен в традиционных системах связи с самолетами, что позволяет использовать в АКСР уже разработанную стандартную аппаратуру. Уровень шумов и потери при распространении радиоволны в этом диапазоне вполне допустимы и примерно постоянны.
9.6.3.Энергетические соотношения в АКСР
При пассивной ретрансляции энергия передатчика, излучаемая в сторону ИСЗ, отражается от его поверхности, и часть этой энергии попадает на поверхность приемной антенны ЗС. Чаще всего в качестве пассивного ретранслятора используются ИСЗ сферической конфигурации (как правило, надувной шар из плотной металлизированной пленки). Сферические ИСЗ могут иметь поверхность, обеспечивающую равномерное (изотропное) рассеяние электромагнитной волны, или специальную поверхность, которая с помощью специальных фигур и объемных тел размещенных на ней (группы уголковых отражателей, системы конусов, решетки Ван Атта и т. д.) обеспечивает направленное отражение электромагнитной энергии концентрирующейся в одном пучке в направлении Земли.
К достоинствам АКСР с пассивной ретрансляцией относятся: простота ИСЗ и высокая надежность системы в целом; практически не ограниченный динамический диапазон и очень большая полоса частот; гибкость системы в отношении оперативного выбора и изменения рабочей частоты и вида модуляции; возможность одновременной ретрансляции большого количества сигналов от различных ЗС.
Рис. 9.11. АКСР с пассивной ретрансляцией
Отношение сигнал-шум по мощности для спутниковой системы связи с пассивной ретрансляцией (рис. 9.11) и высотой орбиты ИСЗ H определяется соотношением
где Рс и Pш - мощности сигнала и шума на входе приемника, РПРД - мощность передатчика, GПРД и GПРМ - коэффициенты усиления передающей и приемной антенн, - эффективная отражающая поверхность ИСЗ, - рабочая длинна волны, k = 1,3210-23Дж/град - постоянная Больцмана, TЭ - эквивалентная шумовая температура приемника (с учетом внутренних и внешних шумов), f - эффективная полоса пропускания приемника, l1 и l2 - протяженности участков линии связи, F1 и F2 - коэффициенты потерь в антенно-фидерных трактах передатчика и приемника, L1 и L2 - коэффициенты потерь энергии радиоволны в среде распространения.
Например, при передаче сигнала по каналу связи с пассивной ретрансляцией в полосе f = 10кГц для обеспечения Pc /Pш =100 при = 7см, SПРМ = =GПРМ2/4=400м2, GПРД = 1200, TЭ = 200К и ретрансляторе в виде шара диаметром 300м на высоте 2000км потребляемая мощность самолетного передатчика должна составлять примерно 200кВт. Для шара диаметром 30м при тех же условиях потребляемая мощность передатчика составляет 20МВт. Установка таких передатчиков на борту ЛА не возможна.
В АКСР с активной ретрансляцией ИСЗ выполняет роль усилителя мощности передаваемых сигналов (рис. 9.12).
Рис. 9.12. АКСР с активной ретрансляцией
Отношение сигнал-шум на входе приемника ЗС в АКСР с активной ретрансляцией определяется как
где Tp - шумовая температура приемника ретранслятора, Pp - мощность передатчика ретранслятора, GрПРМ и GрПРД - коэффициенты усиления приемной и передающей антенн ретранслятора.
Результаты расчетов показывают, что при 12=7см, Тр=700К, ТЭ= =200К, SПРМ=400м2, GПРД=1200 для обеспечения отношения сигнал-шум Pc/Pш=100 достаточно обеспечить мощности передатчика ретранслятора Pp=0,1Вт и передатчика PПРД=100Вт. Это вполне приемлемо для бортовых радиостанций. Следует, однако, что системы с активной ретрансляцией не обладают теми достоинствами, которые присущи системам с пассивной ретрансляцией.
9.6.4.Особенности АКСР
Одной из особенностей АКСР является проявление эффекта Доплера вследствие движения ИСЗ относительно ЗС. Величина доплеровского сдвига полностью определяется относительной скоростью ИСЗ (т. е. такими параметрами как высота, форма и угол наклона орбиты, а также расположение ЗС) и несущей частотой передатчика. При передаче на частотах 1...10ГГц и величине отношения скорости спутника V и скорости распространения радиоволны c равной 10-4...10-5 доплеровский сдвиг может достигать 0,1МГц. Если максимальный доплеровский сдвиг частоты определить как fДмакс , то полоса пропускания земного приемника должна составлять
где fс - полоса частот передаваемого сигнала.
Уменьшение влияния эффекта Доплера можно достичь:
Эти способы не устраняет деформации спектра сообщения из-за доплеровского сдвига. Уменьшение деформации спектра сообщения может быть достигнуто регулированием скорости передачи или скорости воспроизведения принятого сообщения. Однако при этом необходимо предварительное “запоминание” сообщения и последующее его считывание со скоростью обусловленной величиной доплеровского сдвига.
Большая протяженность линии связи между ЗС и ИСЗ приводит к существенной временной задержке и запаздыванию сигналов (при высоте орбиты ИСЗ 5000км запаздывание составляет 60мс, а при высоте орбиты 15000км - 130мс, максимальное запаздывание для стационарного ИСЗ 270мс). В случае реализации дуплексного телефонного режима это приводит к появлению вынужденных пауз в переговорах абонентов.
При переключении ЗС с одного ИСЗ на другой происходит дополнительное изменение задержки и проявляется дополнительный доплеровский сдвиг вызванные разными пространственными положениями и разными относительными скоростями ИСЗ. Это явление оказывает большое влияние при передаче цифровой информации и для борьбы с ним требуется усложнение аппаратуры.
Специфичные условия работы необслуживаемых ИСЗ (низкие температуры; высокий вакуум; большой уровень радиации и т. п.) обуславливает необходимость высокой надежности, высокого уровня технологичности и возможности дистанционного контроля аппаратуры на борту ИСЗ.
9.6.5.Методы модуляции и многостанционный доступ в АКСР
При выборе методов модуляции в системах спутниковой связи должны учитываться следующие факторы: эффективное использование ограниченной мощности бортового передатчика ИСЗ; экономичность в использовании радиочастотного спектра; метод многостанционного доступа к ретранслятору ИСЗ; возможность обеспечения электромагнитной совместимости с другими системами при совместном использовании полос частот; эксплуатационная надежность и возможность практической реализации.
В настоящее время наиболее полно исследованы теоретически и опробованы экспериментально следующие сочетания методов уплотнения каналов и модуляции для передачи многоканальной телефонии через ИСЗ: 1).частотное уплотнение каналов с частотной (ЧМ) или фазовой (ФМ) модуляцией; 2).частотное уплотнение каналов с однополосной модуляцией (ОМ); 3).временное уплотнение каналов с использованием импульсно-кодовой модуляции сообщения и с фазовой манипуляцией несущей (ИКМ-ФМ).
В системах спутниковой связи может так же использоваться кодовое уплотнение каналов, при которой структура сигнала выбирается такой, чтобы минимизировать влияние внутрисистемных помех от соседних каналов связи.
Возможны также применение различных вариантов и комбинаций каждого из указанных методов. При этом виды модуляции для направления Земля-ИСЗ и ИСЗ-Земля могут быть неодинаковы.
Вследствие ограниченной мощности передатчика ИСЗ обычно используется ЧМ с большой девиацией в пределах всей полосы радиоканала (~ 50МГц). Наряду с высокой помехоустойчивостью в системах с ЧМ может проявляться пороговый эффект.
Достоинством ОМ является простота и максимально возможная экономия полосы частот. Однако применение ОМ ограничено недостатками: необходимостью большей мощности передатчика в сравнении с системами использующими ЧМ; большей восприимчивостью систем с ОМ к помехам; взаимными помехами в пределах группового тракта ЗС.
Системы с ИКМ обладают наилучшим соотношением между шириной полосы и отношением сигнал-шум. Они обладают высокой помехоустойчивостью, но как и ЧМ не свободна от порогового эффекта. Как следствие, требуется мощный передатчик.
Проектирование АКСР с многостанционным доступом к ретранслятору сводится к выбору таких методов модуляции и уплотнения радиосигналов, при которых энергетические показатели ретранслятора использовались бы наиболее полно, а уровень взаимных помех был бы минимальным.
Заключение
Спутниковые системы связи относятся к наиболее динамично развивающимся в настоящее время. Особенности их построения и потенциальные возможности по обеспечению связи свидетельствуют о том, что они могут с успехом использоваться в стратегическом, оперативном и оперативно-тактическом звеньях управления войсками.
ИСЗ
ЗС1
ЗС2
ИСЗ
ЗС1
ЗС2
120
ИСЗ1
СЗ2
ИСЗ3
Земля
36 тыс. км
Перигей
Апогей
Земля
ИСЗ
lП
lА
ИСЗ
PПРД
GПРД
L1
GПРМ
L2
TЭ
H
l2,F2,
l1,F1,
ИСЗ
PПРД
GПРД
L1
GПРМ
L2
H
l2,F2,2
l1,F1,1
ПРМ ПРД
GРПРМ, TР
GРПРД, PР