Так же бортовой комплекс управления содержит систему телеметрии. Система телеметрии и телеуправления предназначена для контроля и управления режимами работы всех систем КС  и передачи этой информации на ЗС. Скорость передачи информации по командной и телеметрической  радиолиниям обычно составляет от нескольких сотен бит до 100 кбит/с.

Важные функции выполняет подсистема терморегулирования, обеспечивающая поддержание теплового режима полезной нагрузки (аппаратуры спутника) в заданных пределах. Обычный рабочий диапазон температур бортовой аппаратуры составляет от -20 до +50⁰С.

Основные характеристики платформы - ее масса и размеры, мощность бортовой системы электропитания (СЭП) и срок активного существования (САС).

Массу космической платформы характеризуют, по крайней мере, четыре показателя:

-   стартовая масса (mass at launch) - это масса всего КА (космической платформы) вместе с полезной нагрузкой и запасом топлива;

Рисунок 3.2 – Спутник Интелсат VI (стабилизация вращением)

-   масса КА на орбите (mass in orbit) - зависит от типа космической платформы. Если на борту спутника установлены специальные двигательные установки, которым необходим запас топлива, то масса может определяться как для начала срока активного существования (BOL, begining of life), так и для его конца (EOL, end of life);

-   сухая масса (dry mass) - это масса КА без запаса топлива;

-   масса полезной нагрузки (payload mass) - включает в себя массу бортового ретрансляционного комплекса с буферными источниками питания и антенной, размещенной на космической платформе.

Срок активного существования платформы определяется как время наработки КА на отказ или деградации его основных характеристик (снижения пропускной способности каналов связи и др.).

Характеристики космических платформ, разработанных американской компанией Hughes Aircraft Systems (США) приведены в таблице 3.1.

Т а б л и ц а 3.1 - Спутники GEO-систем

КА с размерами солнечных батарей более 15 м и весом более 1500 кг относят к большим КА, например, АMSC 1 из таблицы 3.1. КА типа AMOS 1 по весу и размерам, относится к малым КА.

Устройства стабилизации положения на GEO, установленные на борту спутника могут быть автономные. Существует два основных способа стабилизации геостационарного спутника: стабилизация вращением и трехосная или непосредственная стабилизация.

Стабилизация вращением - простейший вид стабилизации ИСЗ в пространстве за счет вращения части ИСЗ с частотой 80...100 об/мин. При этом появляются гироскопическая жесткость и стабилизация углового положения, характеризующегося ориентацией оси вращения. Коррекция положения ИСЗ может быть выполнена путем периодических включений двигателя малой тяги, так как возмущающие факторы снижают частоту вращения части спутника, влияют на направление оси вращения.

Более широкое распространение получили ИЗС двойного вращения, когда в конструкции спутника используются вращающийся барабан и противовращательная платформа, т. е. направление вращения платформы постоянно противоположно направлению вращения барабана. За счет этого платформа имеет почти нулевую угловую скорость, занимает стабильное положение на GEO.

Трехосная стабилизация осуществляется путем управления угловым положением спутника относительно каждой из его осей. Такое управление выполняется в результате непосредственного измерения угловых перемещений относительно всех трех осей, или за счет применения приборов типа маховика с кинетическим моментом, который действует одновременно как гироскоп и стабилизатор вращения. Быстроходный вращающийся маховик позволяет удерживать направление на Солнце панелей солнечных батарей, обеспечивая гироскопическую жесткость одной, двух или трех осей ИСЗ. Для поддержания постоянной ориентации спутника в условиях возмущений, которые всегда имеют место на GEO, эти приборы снабжаются чувствительными элементами и датчиками.

Наиболее широкое распространение получили спутники с вращающимся маховиком, который благодаря гироскопическим свойствам стабилизирует одну ось спутника. Управление ориентацией таких спутников осуществляется изменением скорости вращения маховика, эпизодического использования двигателя малой тяги и стабилизации для поддержания постоянной ориентации оси собственного вращения маховика.

Система контроля положения ИСЗ необходима для удержания радиолуча антенны (или нескольких антенн) спутника на заданные районы Земли.

Процесс контроля положения ИСЗ на орбите включает в себя следующие процедуры: измерение положения спутника по датчикам: сравнение результатов измерения с требуемыми значениями; вычисление поправок, которые должны быть сделаны для уменьшения ошибок; введение этих поправок включением в работу соответствующих двигательных установок.

Существует несколько методов получения данных по крену ИСЗ и тангажу (ось вращения стационарного спутника, параллельная оси Земли). Один из способов измерения и удержания ИСЗ, используемый в диапазоне Кu и дающий высокую точность, основан на применении специального пилот-луча, сформированного на земной станции и направленного в сторону приемной антенны космической станции. Этот сигнал фиксируется и обрабатывается на борту для получения информации по непосредственной ориентации бортовых антенн. Вдобавок, если пилот-сигналы подавать от двух достаточно разнесенных земных станций, то прямым измерением можно выявить ошибку вращения радиолуча, а затем устранить крен и тангаж ИСЗ.

В первую очередь, к дестабилизирующим факторам, вызывающим отклонение реальных параметров орбиты от идеальных, относятся тяготение Луны и Солнца. Другими факторами являются: гравитационный градиент (разность сил земного притяжения, вызванная разностью расстояний от центра массы Земли до различных частей ИСЗ); неровности формы и неравномерности поля сил тяжести Земли; магнитное поле Земли; давление солнечного излучения; некомпенсируемые движения внутренних двигателей, зубчатых передач, рычагов. Все силы, кроме внутренних крутящих моментов, хотя и малы, но оказывают постоянное воздействие. Внутренние крутящие моменты велики, но являются кратковременными.

В результате перечисленных дестабилизирующих факторов спутник не может лететь по математической орбите.

На борту любого спутника имеются двигательные установки, которые по командам оператора с Земли стабилизируют его положение на GEO. При необходимости с помощью двигателей-толкачей спутник изменяет свое положение на орбите в направлениях север - юг и запад - восток. Именно для работы двигателей коррекции на борту спутника находится определенное количество горючего.

В некоторых случаях горючее используется для изменения позиции спутника на GEO. Так, например, российская компания «НТВ-Плюс» арендовала французский спутник TDF 2, который много лет находился в позиции 19° W. С помощью собственной двигательной установки спутник переместился на позицию 36° Е, где уже находились два ИСЗ ГАЛС этой компании. В результате зрители пяти программ «НТВ-Плюс» с 1 ноября 1997 г. могут смотреть их с одного направления.

Наземная служба наблюдения постоянно работает не для того, чтобы удержать спутник на идеальной орбите (это практически невозможно), а управляет им так, чтобы он оставался в допустимом окне, т. е. уходил не более чем на определенный угол от заданного положения на геостационарной орбите над экватором. Регламент радиосвязи рекомендует, чтобы нестабильность положения современных геостационарных ИСЗ по долготе и широте не превышала ± 0,1°. Углу 0,1° соответствует расстояние около 74 км.

При контроле орбиты спутника окно допуска используется полностью, чтобы минимизировать расход топлива на сохранение позиции. Чтобы уменьшить число корректирующих маневров, допускается определенная болтанка спутников по долготе и широте в течение суток и определенный дрейф в пределах окна допуска. При малом окне допуска, как у спутника KOPERNIKUS, необходимы еженедельные коррекции, при большем - один раз в две недели или еще реже.

На рисунке 3.3 приведена схема размещения некоторых телевизионных спутников на GEO для вещания на Европейский регион. В позиции 36° Е находятся три спутника: GALS 1, GALS 2 и TDF 2; в позиции 19,2° Е - шесть спутников ASTRA (1A...1G); в позиции 13° Е - пять спутников НОТ BIRD и один спутник EUTELSAT II F1.

Из-за неизбежных ошибок при выполнении маневров и определении орбиты спутники двигаются по не совершенно одинаковым траекториям и не совсем в фазе. По этой причине число спутников, которые можно разместить в окне допуска, ограничено. Сегодняшняя техника позволяет безопасно удерживать в окне 0,1° от четырех до шести спутников.

С использованием бортовых измерений на спутниках их количество в окне допуска будет увеличиваться.

Управляющий центр учитывает и наклонение относительной эллиптической орбиты относительно экваториальной плоскости Земли. Эта степень свободы позволяет еще безопаснее удерживать спутники в окне допуска, так как даже при смещениях отдельных относительных орбит в восточно-западном направлении спутники постоянно остаются на удалении.

На борту любого спутника имеются двигательные установки, которые по командам оператора с Земли стабилизируют его положение на орбите. Срок эксплуатации спутника ограничен количеством горючего для двигателей коррекции, которое он может взять с собой на борт.

В зависимости от типа спутника его «жизнедеятельность» составляет от 7 до 12...15 лет. По истечении этого периода на остатках горючего по команде с Земли спутник выводится на так называемую «кладбищенскую орбиту».

Рисунок 3.3 – Схема размещения телевизионных спутников на GEO

Система электропитания. В зависимости от количества приемников активных ретрансляторов и других устройств аппаратура геостационарного спутника потребляет 6...7 кВт.

Батареи ИСЗ всегда обращены к Солнцу, их ничто и никогда не сможет затенить, благодаря чему аппаратура ИСЗ бесперебойно получает необходимое количество электрической энергии.

Фотоэлектрические солнечные батареи годами служат основным средством преобразования солнечной энергии в электрическую для питания устройств ИСЗ. Преобразователями являются полупроводниковые фотоэлементы, последовательно-параллельное соединение которых и образует солнечную батарею. Последнюю выполняют в виде нескольких панелей общей площадью до 20 м² , имеющих до 8000 фотоэлементов. Размах панелей солнечных батарей от 10 до 25 м. Типовая мощность на единицу площади находится в пределах 10...110 Вт/м² со средним КПД = 7...11%, в лучших образцах - до 15% (максимальный теоретический - 25%). Каждый фотоэлемент развивает ЭДС, равную 0,3...0,4 В.

В случае попадания ИСЗ в тень электропитание обеспечивают размещенные на КС аккумуляторные батареи, называемые «буферный источник питания».

Система терморегулирования поддерживает температуру ИСЗ в пределах, подходящих для нормального функционирования аппаратуры (от -20⁰ до +50⁰С). В космосе теплопередача происходит, главным образом, в результате излучения в вакуум. Для приборов ИСЗ она происходит через их конструктивную связь с внешними излучающими радиаторами, постоянная освещенность которых сильно ограничивает емкость теплопередачи.

Внешние источники тепловой энергии, воздействующие на ИСЗ, - это тепловые излучения Солнца и Земли, а также отраженная от освещенной части Земли солнечная радиация. Эти воздействия имеют различные спектральные и геометрические характеристики и поэтому не одинаково поглощаются (воспринимаются) поверхностью спутника.

Кроме того, полезная нагрузка состоит, как правило, из подсистем с локализованным (сосредоточенным) тепловыделением, например, мощные усилители на ЛБВ (лампа бегущей волны), клистронах и т. п.

Система терморегулирования на ИСЗ использует жесткозакрепленные оптические солнечные отражатели, специальные материалы для создания легких поверхностей с высокой теплопроводностью (бериллий, магний), методы специального теплового кондиционирования.

3.2 Бортовой ретрансляционный комплекс

Комплекс ретрансляционного оборудования, который космический аппарат выводит на орбиту, называется полезной нагрузкой или бортовым ретранслятором.

Структура бортового ретрансляционного комплекса (БРТК) определяется его назначением, или масштабностью охвата территорий (глобальная либо региональная связь), методом обработки информации на борту КС, количеством ретрансляционных каналов (приемных, передающих или приемопередающих), скоростью информационного обмена, а также выбранными техническим решениями и используемыми технологиями. В состав БРТК могут входить не только так называемые абонентские ретрансляторы (предназначенные для формирования "потребительских" лучей), но и ретрансляторы фидерных и/или межспутниковых линий (служебная связь).

Межспутниковые линии обеспечивают связь между КА, находящимися на соседних позициях одной орбиты или на соседних орбитах.  Реализуется в низкоорбитальных системах (Iridium).

Подсистема полезной нагрузки должна быть достаточно надежной, чтобы спутник мог выполнять свои задачи, что подразумевает адекватные резервные возможности системы. Выбор средства запуска и характе­ристики космического аппарата накладывают ограничения на размеры, массу и потребляемую электриче­скую мощность. Должны также учитываться требования совмещения с другими подсистемами спутника, включающими конструкцию, электроснабжение, терморегуляцию, телеметрию, телеуправление, измерение расстояний, управление положением и их электромагнитную совместимость в рабочих условиях.

Типы ретрансляторов

Ретрансляторы без обработки сигналов на борту

В основном, спутниковые ретрансляторы принимают разные сигналы связи, усиливают их, преобразуют их частоты и передают обратно.

Могут применяться как широкополосные, так и разделенные на каналы построения ретрансляторов. Большинство действующих спутниковых ретрансляторов в фиксированной спутниковой службе построено на основе широкополосных приемников и следующих за ними канальных передатчиков.

Что касается соединений между разными каналами РЧ (радиочастотные), то имеются два главных случая в зависимости от того, присоединены ли ретрансляторы к одному или к нескольким лучам передачи.

Рассмотрим простой случай, когда принятый сигнал направляется только в один передающий луч. Сиг­налы в полосе приема усиливаются и переводятся в полосу передачи. Могут использоваться два типа преоб­разования частоты:

-   единая система, преобразующая частоты полосы приема прямо в частоты полосы передачи ;

-   двойная система преобразования, в которой частоты принятых сигналов сначала преобразуются в про­межуточные частоты для частичного усиления, а затем снова преобразуются в частоты передаваемых сигналов.

Структурная схема бортового ретранслятора с прямым преобразованием частоты для диапазона 6/4 ГГц приведена на рисунке 3.4.

Преобразование частоты в таком ретрансляторе проводится один раз. Для преобразования частоты используется смеситель (См), к которому подводится сигнал от высокостабильного гетеродина. В скобках указывается усиление, обеспечиваемое данным блоком. Усиление обеспечивается двумя последовательно установленными усилителями.

Рисунок 3.4 - Структурная схема бортового ретранслятора

с прямым преобразованием частоты.

Второму типу, то есть двойному преобразованию, иногда отдается предпочтение в силу следующих пре­имуществ:

-  исключается потенциальная нестабильность из-за обратной связи в усилительном тракте с большим ко­эффициентом усиления;

-  исключаются составляющие кроссмодуляции или гармоники принимаемых сигналов и гетеродина пре­образователя частоты, попадающие в полосу частот полезных сигналов;

-  обеспечивается промежуточная частота, удобная для коммутации и перекрестных соединений между полезными нагрузками, работающими в разных полосах частот приема и передачи. Недостаток заключа­ется в том, что требуются два гетеродина  и два преобразователя частоты.

Ретранслятор обеспечивает усиление примерно на 100-110 дБ (может быть, даже  больше,   120  дБ  на  вещательных спутниках) в двух ступенях: усиление на малом уровне в широкополосном приемнике, за которым следует усиление на высоком уровне в усилителях мощ­ности в разделенной на каналы подсистеме. Внимание должно быть обращено на электромагнитную совме­стимость (ЭМС) в связи с использованием высоких коэффициентов усиления и широких полос пропускания.

Рисунок 3.5 — Типичная диаграмма относительных уровней

в ретрансляторе

a: переключаемый аттенюатор; b: передающий усилитель большой мощности

Ретрансляторы с обработкой сигналов на борту

Сейчас используются системы, работающие с несколькими лучами, например, ИНТЕЛСАТ-IVA и V. Эти лучи обеспечивают независимые передачи. Однако часто бывает необходимо соединить пользователей, зона которых покрыта разными лучами. В таких случаях один канал линии вверх одного луча должен быть сое­динен с соответствующим каналом линии вниз другого луча.

В цифровых спутниковых системах качество и эффективность можно улучшить путем применения ре­трансляторов с обработкой сигналов на борту, которые способны выполнять коммутацию, регенерацию или обработку сигналов в групповой полосе. До настоящего времени на коммерческих спутниках эта техника не использовалась широко, но найдет применение в будущем.

Коммутация РЧ сигналов

Можно предусмотреть три вида операций переключения радиочастот на СВЧ:

а) коммутация информационных пакетов с одного РЧ канала передачи на другой;

б) коммутация информационных пакетов с одного фиксированного узкого луча на другой;

в) переключение сканирующего узкого луча с одной земной станции на другую.

Операция а) может выполняться на борту спутника быстрым преобразователем частоты. Он может обес­печить взаимное соединение земных станций, работающих на разных несущих частотах.

Операция б) обеспечивает взаимное соединение земных станций, имеющих доступ к разным узким лу­чам, путем циклического соединения сигналов МДВР через бортовую коммутирующую матрицу (МДВР-КС). Микроволновая коммутирующая матрица управляется программируемым распределяющим элементом управления, синхронизированным стабильным источником тактовой последовательности. Каждая земная станция в сети синхронизирует передачу своих информационных пакетов с программной последовательно­стью переключений на борту спутника, для того чтобы установить связь с земными станциями, имеющими доступ к другим лучам.

Бортовой ретрансляционный комплекс (БРТК), схематично представленный на рисунке 3.6, предусматривает в каждом из приемных лучей формирование единого цифрового потока, который демультиплексируется на борту. N каналов после демультиплексирования маршрутизируются в соответствии с установленными в коммутационной матрице межлучевыми связями. При этом маршруты (связи) могут быть изменены по командам с Земли в зависимости от требований, которые предъявляются при создании новой сети спутниковой связи.

После формирования m информационных каналов для каждого из передающих лучей эти каналы мультиплексируются и поступают в передающий тракт соответствующего луча. Описанный комплекс относится к типу схем с коммутацией каналов на спутнике с прямой ретрансляцией.

Ретрансляторы, с регенерацией сигналов

Если передаваемая цифровая информация восстанавливается на борту спутника путем регенерации сиг­налов, то линия “вверх” отделена от линии “вниз”, что обеспечивает следующие важные преимущества:

-   полный коэффициент ошибок системы связи является суммой коэффициентов ошибок на линиях “вверх” и “вниз”, а не определяется суммарным отношением сигнала к помехе. Э.И.И.М. земных станций и спут­ника можно поэтому уменьшить;

-   влияние нелинейных искажений двух линий не накапливается;

-   исключаются   помехи из-за многолучевости, возникающие на борту спутника из-за связей на РЧ между разными каналами;

-   модуляция сигналов на борту спутника позволяет подавать на вход бортового усилителя РЧ сигналы, практически свободные от компонент амплитудной модуляции, поэтому усилители РЧ могут работать на уровне насыщения без существенного ухудшения характеристик качества;

-   на спутниках с МДВР-КС коммутирующие бортовые матрицы могут быть реализованы в цепях группо­вой полосы; это дает значительные преимущества (в отношении массы, размеров, потребляемой мощно­сти) по сравнению с микроволновыми коммутирующими матрицами, которые должны применяться в ретрансляторах без регенерации; коммутирующие матрицы в групповой полосе могут состоять из прос­тых логических схем. Выполненные по индивидуальному проекту компоненты могли бы позволить реа­лизовать   высокоскоростные   крупные   матрицы   с   малым   потреблением   мощности   и   небольшими размерами;

-   могут быть созданы более гибкие схемы резервирования на борту;

-   задающий тактовый генератор системы можно поместить на борту, это упростит восстановление такто­вой частоты и кадровую синхронизацию в системах с МДВР-КС;

Обработка потока битов

При наличии на борту спутника цифровой информации можно применить ряд передовых методов. Од­ной из наиболее привлекательных особенностей обработки на борту является преобразование скорости битов. В системах с МДВР-КС с большим числом участвующих земных станций, при весьма разных требованиях к трафику, станции с малым трафиком обычно имеют низкую эффективность, поскольку они проектируются для высокой скорости передачи, но могут эксплуатировать свои ресурсы лишь в течение малого процента времени. В таких случаях существенные преимущества будут получены, если спутник оснащен ретранслято­рами с регенерацией, работающими с разными скоростями битов. Каждая участвующая станция будет рабо­тать с наиболее подходящей для ее собственного трафика скоростью битов.

Взаимные соединения между станциями, работающими с разными скоростями битов, будут осуществляться с помощью преобразователей скорости и коммутирующих матриц на борту спутника.

Основные характеристики ретрансляторов

Эффективность работы бортового ретранслятора определяется диапазоном рабочих частот, ЭИИМ (эффективная изотропно излучаемая мощность), добротностью (G/T) и плотностью потока мощности на поверхности Земли, пропускной способностью, сроком службы.

Пропускная способность - основной интегральный показатель БРТК, определяющий эффективность функционирования КА. В зависимости от вида передаваемой информации обычно используют два критерия оценки пропускной способности. В системах речевой связи это число каналов, эквивалентных телефонным, которые приходятся на один ствол. В низкоорбитальных системах пакетной передачи данных критерием служит суммарный поток информации, передаваемый через один КА в течение заданного промежутка времени (в один час, в сутки).

Пропускная способность КА зависит от количества стволов, их энергетических параметров (ЭИИМ и G/T), характеристик антенных систем и методов доступа и обработки информации на борту спутника.

Весьма важной характеристикой бортового ретранслятора является количество стволов (вместо термина “ствол” часто применяют английский термин “транспондер”).  Стволом ретранслятора называют приемопередающий тракт, в котором радиосигналы проходят в некоторой общей полосе частот. Число стволов на различных ИСЗ колеблется в пределах  6…48.  Ширина полосы частот стволов также различна (27; 34; 36; 40; 72; 77; 112; 120 МГц и др.).

Для исключения взаимного влияния сигналов различных стволов и канала передачи на принимаемый сигнал на КА используются частотные планы. Частотный план стволов КА «Горизонт» представлен на рисунке 3.8.

Рисунок 3.7 – Частотный план КА «Горизонт»

ЭИИМ определяется по формуле и выражается в ваттах (Вт) или децибеллваттах (дБВт)

ЭИИМ=Р_Э+G_А+h_ВТ, дБВт

где Р_Э- мощность передатчика, дБВт;

G_А – коэффициент усиления антенны, дБ;

h_ВТ – коэффициент передачи волноводного тракта, дБ.

Или ЭИИМ=Р_Э*G_А*h_ВТ, Вт

где Р_Э- мощность передатчика, Вт;

G_А – коэффициент усиления антенны;

h_ВТ – коэффициент передачи волноводного тракта.

Как правило, значения ЭИИМ современных систем персональной спутниковой связи, работающих в L/S-диапазоне, не превышают 30-45 дБВт для систем с КА на геостационарной орбите, 20-35 дБВт - для КА на средних орбитах и 5-25 дБВт для КА низких орбитах.

Добротность. Величина добротности, определяемая отношением усиления антенны к суммарной шумовой температуре бортового приемника (G/T), определяется по следующей формуле

G/T=10lg(G/T), дБ/К.

 Обычно эта величина не должна выходить за границы диапазона, определяемого значениями: от -12 до +3 дБ/К. Разброс внутри этого диапазона зависит от размеров используемых антенн и, в меньшей степени, от параметров электронного оборудования.

Например, в таблице 3.2 приведены значения добротности (G/T) КА «Экспресс».

Т а б л и ц а 3.2 - значения добротности (G/T)

Плотность потока мощности бортового ретранслятора влияет на условия его электромагнитной совместимости с другим электронным оборудованием, поэтому жестко регламентируется. Характеристики бортовых антенн в каждом луче обычно выбираются таким образом, чтобы плотность потока мощности, создаваемая на поверхности Земли, была постоянной и не зависела от направления излучения.

Существуют международные рекомендации, регламентирующие плотность потока мощности W (дБВт/м²) на поверхности Земли. Этот вопрос подробнее рассматривается в главе, посвященной электромагнитной совместимости.

Срок службы ИСЗ достигает 10…15 лет (высокая надежность элементов, гибкая и разветвленная схема резервирования).

Антенная подсистема. Антенны являются одним из наиболее специфичных субансамблей для выполнения задач спутников. Ограниченность имеющихся частот, увеличение емкости передач и "теснота" на геостационарной орбите привели к увеличению необходимости повторного использования частот посредством пространственной и/или поляризационной развязки сигналов. Ширина полосы, занимаемая сигналами, передаваемыми в од­ном луче и при одной поляризации, как правило, не превышает 500 МГц как в полосах 6/4 ГГц, так и в 14/11 ГГц.

Системы телеметрии, телеуправления и измерения расстояний требуют специальных антенн. В фазе за­пуска и вывода на переходную орбиту требуются биконические антенны с диаграммой, сформированной в виде "пончика", когда космический аппарат стабилизирован вращением перед включением перигейного или апогейного двигателя. Будучи уже на геостационарной орбите, системы телеметрии и телеуправления могут продолжать работать на биконическую антенну. Однако в целях экономии мощности сигналы телеметрии и телеуправления можно переключить на основную антенну связи с большим усилением; в этом случае биконическая антенна может служить резервом, если космический аппарат случайно начнет вращаться.

Конструкции

Устройство антенны зависит от конструкции космического аппарата:

- спутник, стабилизированный вращением.

В случае стабилизированного вращением спутника нет фиксированной, обращенной к Земле панели, ко­торую можно использовать для крепления антенной подсистемы.

Единственно возможная конструкция - параболоидное зеркало с вынесенным облучателем, смонтиро­ванное на платформе с обратным вращением. Зеркало складывается во время запуска. Интел­сат-VI (рисунок 3.2) - пример этой конструкции;

- спутник, стабилизированный по трем осям.

В этом случае имеется фиксированная панель, обращенная к Земле, которую можно использовать для крепления фермы антенны. Возможны два варианта:

а) башенная конструкция

Мачта поддерживает облучатели. Зеркала смонтированы на стороне спутника, обращенной к Земле (пример: Интелсат-V - рисунок 3.8). Недостаток этой конструкции - длина фидера, необходимого для со­единения облучателей антенны с усилителями мощности ретрансляторов;

б) конструкция "Уши Микки-Мауса".

Зеркала могут быть смонтированы на восточной или западной стороне спутника. В этом случае облучатели могут быть прикреплены непосредственно к корпусу спутника (длина фидеров уменьша­ется). Нужны механизмы для развертывания зеркал, которые сложены по сторонам спутника во время его запуска.

Антенны в виде двух сетчатых параболоидов спутника Евтелсат-П показаны на рисунке 3.10.

Характеристики антенны

Основные характеристики антенны спутника следующие:

- контур покрытия (конфигурация луча);

- форма диаграммы направленности и уровень боковых лепестков;

- чистота поляризации;

- приложенная мощность;

- РЧ чувствительность.

Зона покрытия, видимая со спутника, определяется контурами изоусиления (или изо-ЭИИМ).

Например, на рисунке 2.5 изображена зона видимости Intelsat 904 (Ku-band Spot 2).

Рисунок 3.8 – Конструкция спутника ФСС. Интелсат V

На современных спутниках используются антенны со специально сформированным лу­чом в пределах контура зоны обслуживания, чтобы избежать перелива.

Теоретически можно показать, что геометрическая форма сечения луча антенны является хорошей ап­проксимацией геометрической формы ее облучения (рисунок 3.11 показывает геометрическое расположение об­лучателей и соответствующий контур покрытия антенны спутника на позиции 319° з.д.).

Лучшая аппроксимация контуров желаемой зоны обслуживания потребовала бы большего числа облу­чателей и увеличения размеров рефлектора. Таблица 3.3 показывает влияние улучшения формы покрытия на размеры антенны.

Форма диаграммы и уровни боковых лепестков определены только для мощных спутников непосредст­венного телевизионного вещания в Ре­комендации 652 МККР.

Рисунок 3.9 — Конфигурация спутника Евтелсат-II

Рисунок 3.10 - Улучшения формы покрытия и необходимая конфигурация облучателей

Т а б л и ц а 3.3 - Размеры антенн спутников ИНТЕЛСАТ

Поляризационная развязка. Ограниченность имеющихся для использования частот и перегруженность геостационарной орбиты уве­личивают необходимость повторного использования частот с помощью поляризационной развязки сигналов.

Можно использовать круговую или линейную поляризацию. Для круговой поляризации рупорные облу­чатели обычно имеют круглое или гексагональное сечение. Однако в случае линейной поляризации рупоры должны иметь прямоугольное сечение, а число рупоров, необходимое для генерирования лучей специальной формы, может быть уменьшено.

Для линейной поляризации лучшим способом достижения хорошей поляризационной развязки являет­ся применение параболоидов с двойной сеткой; преимущества перед системой со сплошным рефлектором и поляризационной развязкой в облучателе состоят в следующем: менее сложный облучатель, отсутствие чув­ствительности к частоте и разделение фокусов, что позволяет применить два разных облучателя для повтор­ного использования частот.

Сетчатый параболоид состоит из диэлектрической (прозрачной) "чаши", поддерживающей металличе­скую (отражающую) сетку. Две "чаши" такого типа могут быть поставлены друг за другом, например, одна с горизонтальными рядами проволоки, а вторая - с вертикальными, чтобы образовать "чашу с двойной сеткой".

Поляризационная развязка, необходимая для повторного использования частот, имеет типичное значение 27 дБ. На спутнике ЕВТЕЛСАТ-II на антенне с сетчатым рефлектором достигнуто лучшее, чем 36 дВ.

Развязка лучей. Когда зоны обслуживания могут покрываться хорошо изолированными лучами, подобными разным "по­луглобальным" и "зоновым" лучам спутников, два раздельных луча могут ис­пользовать одни и те же полосы частот (Интелсат-VI шесть раз использует одну и ту же полосу частот: два раза при поляризационной развязке и четыре раза при развязке лучей).

На многофункциональных спутниках, в основном, используют 4 вида антенн:

-  глобальные (ширина диаграммы направленности 17° ×17°);

-  полуглобальные (8,7°×8,7°);

-  зональные (5°×5°; 5°×11°; 3,5°×7°);

-  узконаправленные (1…2°).

Антенны могут быть передающие, приемные или приемопередающие, могут иметь возможность перенацеливания центра луча, либо настроенными в заводских условиях на прицеливание в заданную точку земной поверхности. Схема подключения транспондеров к антеннам может быть достаточно разнообразной. Например, для ИСЗ “Экспресс-6А”,80E (ГП ”Космическая связь”, Россия) схема подключения выглядит примерно так, как изображено на рисунке 3.11.

Рисунок 3.11 -  Схема подключения антенн КА "Экспресс"

Приемо-передающее оборудование. При проектировании бортового оборудования учитываются два основных требования, которые и отличают "борт" от "земли": обеспечение как можно более низкого энергопотребления и радиационной стойкости элементной базы. Следует особо отметить, что ("благодаря" второму требованию) стоимость аппаратуры, предназначенной для работы на КА, в десятки раз выше цены аналогичных устройств наземных комплексов, а необходимость использования для защиты от радиационных повреждений специальных экранов увеличивает вес оборудования.

В системах с КА на средневысотных и низких орбитах обычно используются полупроводниковые усилители мощностью до 60 Вт для L-диапазона частот: до 20 Вт - для С-диапазона и 5-10 Вт для Ku-диапазона. В отличие от усилителей с ЛБВ, эта аппаратура работает при более низком напряжении питания, более компактна и надежна.

Сигналы, попадающие на спутниковую приемную антенну, исключительно слабые, и ретранслятор дол­жен усилить их и направить в передающую антенну в ретранслируемой полосе частот.

В ретрансляторе сигналы обычно в некоторой мере ухудшаются. Эти ухудшения, которые долж­ны удерживаться в допустимых пределах, вызываются многими причинами, включая нижеследующие основные:

-   нелинейность усилителя, вызывающая интермодуляцию (несколько несущих в одном усилителе), кросс-модуляцию и межсимвольные помехи при цифровой передаче;

-   помехи между сигналами, передаваемыми в соседних полосах частот;

-   несколько путей прохождения сигнала между входом и выходом;

-   вариации амплитуды и фазы в полосе пропускания, вызванные характеристиками фильтров и приводящие к искажению сигнала и появлению в результате этого шума или ошибок в групповой полосе.

Одного усилителя обычно недостаточно, для того чтобы развить полную мощность, требующуюся для всех РЧ каналов. Кроме того, из-за нелинейности усилителя приходится работать при некотором снижении выходной мощности относительно максимальной, причем при увеличении числа усиливаемых сигналов этот уровень снижается еще больше. Поэтому усиление должно осуществляться в два этапа:

а) общее усиление на низком уровне всех полезных сигналов в полной полосе частот, поступающих из приемной антенны;

б) усиление сигналов в субполосе или РЧ канале (часть полной полосы) до желаемого уровня на выходе.

Фильтры и ответвители используются для разделения первоначальной полосы на субполосы после обще­го усиления на низком уровне на входе усилительной цепи и для объединения их снова в общую полосу на выходе, до того как они попадут на передающую антенну.

Приемные устройства. Во входных каскадах бортовых приемников в настоящее время чаще всего применяются малошумящие усилители (МШУ) на полевых транзисторах. Коэффициент шума такого приемника составляет менее 3 дБ в диапазоне частот 1,5-4 ГГц и не более 4,5 дБ для диапазона 11-14 ГГц. Снижение шумовых характеристик бортовых приемников возможно при переходе на новую элементную базу. Создание МШУ на базе транзисторов с высокой подвижностью электронов позволит достигнуть коэффициента шума для диапазона 1,5-4 ГГц почти 2 дБ, а для диапазона 11-14 ГГц - 3,5 дБ. При этом усилитель станет намного надежнее и еще компактнее (вследствие более высокой степени интеграции элементов).

Подсистема широкополосных приемников. Эта подсистема обеспечивает первую ступень усиления сигналов и перевод из полосы частот приема в полосу частот передачи в случае системы с одним преобразованием частоты. В системе с двойным преобразо­ванием широкополосный приемник обеспечивает усиление сигналов и преобразование частоты приема в про­межуточную частоту. Коэффициент шума должен быть достаточно низким, чтобы оказывать как можно меньшее влияние на отношение C/N на линии вверх.

Составляющие интермодуляции ограничивают уровень сигналов на выходе приемника в различной сте­пени, в зависимости от используемых транзисторов. Как правило, коэффициент усиления приемника состав­ляет приблизительно 50-60 дБ (см. рисунок 3.12). Должен быть предусмотрен запас на потери в преобразователе частоты, в фильтрах и соединителях. Распределение усиления должно обеспечить приемле­мый уровень составляющих интермодуляции и сохранение приемлемого значения коэффициента шума.

Широкополосные приемники являются полностью твердотельными. Они должны быть исключительно надежными, поскольку любая неисправность повлияет на все сигналы, передаваемые в полной полосе час­тот. Поэтому они должны иметь резерв.

В предварительных усилителях могут применяться туннельные диоды, транзисторы или параметриче­ские ступени. Новая технология полевых транзисторов на арсениде галлия вытеснила туннельные диоды и параметрические усилители. На входе предварительного усилителя должен быть включен полосовой фильтр для защиты от помех на зеркальной частоте и от всех сигналов вне полосы приема.

Рисунок 3.12 — Пример широкополосного приемника (с резервом)

с типичной диаграммой относительных уровней

а:  предварительный усилитель    d: усилитель       b:  смеситель  

е:  часть разделения на каналы     с:  гетеродин

В усилителях могут применяться либо биполярные транзисторы (4 ГГц), либо полевые транзисторы на арсениде галлия (4 ГГц и выше). Для работы в полосах частот 30/20 ГГц перспективными с точки зрения малого  уровня шума являются транзисторы с быстрыми электронами.

Преобразователи частоты, обычно на диодах, проектируются для подавления излучений на частоте гетеродина, его гармоник и продуктов преобразования высокого по­рядка. Гетеродин, который должен иметь мощность около 10 дБм, может быть обычным генератором с кварцевой стабилизацией частоты с кас­кадами умножителей частоты, или с фазовой автоподстройкой, либо генератором с объемным диэлектриче­ским резонатором, стабилизированным в схеме сравнения с кварцевым генератором. Гетеродин должен обладать высокой стабильностью во времени и в диапазоне температур, его фазовые шумы должны быть све­дены к минимуму.

Подсистема разделения на каналы. Вторая ступень усиления осуществляется в полосе частот передачи группой усилительных трактов, в каж­дом из которых усиливаются сигналы в участке полной полосы частот, разделенной на частотные каналы.

Сигналы с выхода широкополосного приемника разделяются по частотным каналам с помощью ряда циркуляторов и полосовых фильтров с выровненными характеристиками. Этот набор называется входным демультиплексором. После усиления в усилителях мощности сигналы на выходах ретрансляторов объединя­ются вновь в одной общей полосе частот с помощью набора фильтров, называемого выходным мультиплек­сором или нескольких мультиплексоров.

Подсистема разделения ретранслятора на каналы состоит, таким образом, из входного демультиплексора, усилительного тракта и выходного мультиплексора.

Что касается ширины полосы каналов, то здесь нет общего стандарта. В полосах 6/4 ГГц общеприня­тым является разнос частот каналов на 40 МГц, но он не универсален, а в полосах 14/11-12 ГГц использу­ются различные значения ширины полосы 27, 36, 45, 54, 72 МГц и др.

Входной демультиплексор на выходе приемника разделяет всю полосу частот передачи на частотные ка­налы, соответствующие усилительным трактам. Разделительные фильтры демультиплексора должны иметь характеристики с достаточно крутыми скатами, чтобы избежать образования многих путей прохождения сигналов через соседние усилительные тракты, и с достаточно плоскими участками в полосах пропускания, чтобы поддерживать искажения в допустимых пределах. Фильтры обычно имеют выравнива­тели амплитудных и фазовых характеристик. Фильтры могут соединяться с циркуляторами в две группы (питаемые с двух выходов ответвителя приемников), причем одна для четных каналов, а вторая для нечет­ных.

Каждый усилительный тракт соответствует конкретной полосе частот, выделенной фильтрами входного демультиплексора. Главная часть тракта - усилитель мощности, соединенный с соответствующим фильт­ром выходного мультиплексора, обычно через изолятор. В качестве усилителя могут применяться ЛБВ или твердотельный усилитель мощности. Мощность на выходе усилителя на ЛБВ для полосы частот 4 ГГц обыч­но имеет значение между 5 и 10 Вт, хотя иногда используются ЛБВ с выходной мощностью до 40 Вт. Твер­дотельные усилители, работающие в полосе 4 ГГц, имеют выходную мощность до 10 Вт, а также созданы приборы с мощностью до 30 Вт.

Передающие устройства. Основная функциональная часть передающего тракта - усилитель мощности передатчика. В бортовых комплексах используются различные типы таких устройств.

В системах связи на геостационарных КА одним из основных типов усилителей для передатчиков традиционно остаются усилители на основе лампы бегущей волны (ЛБВ). И хотя сегодня их кпд уже превышает 40% (кпд самих ЛБВ составляет около 60%), при эксплуатации этот показатель не отличается стабильностью и быстро падает, особенно при снижении выходной мощности передатчика на линейном участке динамической характеристики. При работе в режиме нескольких несущих для достижения хороших энергетических показателей линии требуется обеспечить отношение сигнал/шум от 20 до 30 дБ, что приводит к потерям, снижающим кпд усилителя на основе ЛБВ до 10-20%.

Для работы в полосах частот 11-12 ГГц имеются ЛБВ малой мощности - от 10 до 20 Вт и средней мощности - от 40 до 65 Вт. Кроме того, ЛБВ с выходной мощностью до 250 Вт уже применяются в спутни­ках для телевизионного вещания. Твердотельных усилителей мощности, пригодных для коммерческого при­менения, для работы в полосах 11-12 ГГц еще нет из-за их низкой эффективности преобразования энергии постоянного тока в сигналы на радиочастотах. Дополни­тельно усилительный тракт может включать следующие элементы:

-   фиксированный аттенюатор для выравнивания потерь в канале во входном демультиплексоре и разно­сти значений усиления в ЛБВ. На его выходе должен быть один и тот же номинальный уровень в каж­дом тракте;

-   аттенюатор, работающий по командам с Земли, согласно требуемому общему усилению, типу передавае­мых сигналов, и т. п.;

-   иногда   усилитель   с   автоматической регулировкой усиления для компенсации флуктуации из-за атмосферных условий на линии вверх (в случае, когда в канале передается один сигнал);

-   ведущий усилитель, когда усилителя мощности недостаточно для обеспечения требуемого полного значения усиления при всех условиях;

-   линеаризатор для компенсации нелинейности ЛБВ или твердотельного усилителя.

Линеаризацию (предыскажение) можно использовать, чтобы обеспечить работу ЛБВ или твердотельного усилителя при меньшем снижении выходной мощности. В связи с требованиями надежности усилительный тракт и, в любом случае, усилители мощности должны резервироваться.

Размещение усилителей мощности может иногда создавать проблемы, поскольку эти усилители долж­ны монтироваться на панелях для излучения тепла в космическое пространство. Кабельные соединения с со­ответствующими фильтрами выходного мультиплексора должны быть короткими, а работа резервной аппаратуры не должна ухудшать рабочих условий (увеличение потерь, изменение теплового равновесия).

Потери в выходном мультиплексоре должны быть малыми, поскольку любые потери между выходом по­следнего усилителя и входом антенны оказывают непосредственное влияние на ЭИИМ. По этой причине фильтры непосредственно присоединены к одному волноводу (коллектору), ведущему к передающей антенне. Для выходного муль­типлексора на спутнике не нужны выравниватели характеристик, поскольку они могут устанавливаться на земных станциях.

3.3 Запуск ИСЗ 

Ракетоносители и космические аппараты. Надежная доставка космических аппаратов (КА) на орбиту - дело сложное и связанное со значительными финансовыми затратами. Так, вывод на геостационарную орбиту одного КА может обойтись в 45-200 млн долл., что составляет значительную часть стоимости всего проекта.

В настоящее время выбор той или иной технологии запуска обычно определяют три фактора: стоимость запуска, надежность и технические возможности ракеты.

Рынок ракетно-космической техники весьма обширен. На нем представлены и традиционные одноразовые носители типа ELV (expendable launch vehicle), и ракеты, созданные по новым технологиям, такие, как RLV (reusable launch vehicle) - многоразовые средства вывода спутников на орбиту.

Критериями выбора ракет-носителей обычно являются назначение спутников, масса полезной нагрузки, требования к конструкции КА, а соответственно, способ его доставки на орбиту.

В зависимости от массы полезной нагрузки носители подразделяются на классы: тяжелые и легкие. Тяжелые способны выводить на любую орбиту спутники с полезной нагрузкой, превышающей 1 т. Ракеты легкого класса предназначены преимущественно для вывода КА на низкие околоземные орбиты. Члены того или иного семейства ракет-носителей (модификации одной серии) могут различаться конструктивным исполнением количеством ступеней (обычно от 2 до 4) или типом разгонного блока.

Что же касается способов доставки спутников на орбиту, то их тоже несколько. Традиционные способы запуска - с космодромов с открытым стартом и из шахтных пусковых установок. В ближайшее время серьезную конкуренцию им могут составить запуски с морских или воздушных стартовых установок. Важную роль играет также способ вывода КА на орбиту.

Сегодня чаще всего используется такая схема: сначала спутник выводится на опорную орбиту (так называемую геостационарную переходную орбиту - GTO), а с нее осуществляется энергетически оптимальный перелет на заданную орбиту. Следует иметь в виду, что эта схема может быть реализована только при наличии в составе ракеты-носителя специального разгонного блока, или верхней ступени с возможностью, по крайней мере, двукратного включения маршевого двигателя в условиях невесомости.

"Прямая" схема выведения КА на орбиту энергетически менее выгодна.

Точностные характеристики доставки спутника в расчетные точки орбиты сейчас достаточно высоки: погрешность позиционирования КА по высоте может составлять 5-15 км, а погрешность наклонения орбиты обычно не превышает 0,05-1°.

К ракетам-носителям тяжелого класса относятся такие семейства, как Ariane, Delta, Atlas, Long Mach, "Протон" и "Зенит" (табица 3.4). Они обеспечивают запуск на геостационарную, средневысотные и низкие околоземные орбиты как одиночных спутников, так и групп КА.

Групповой запуск, при котором на орбиту одновременно выводятся до 12 спутников, наиболее эффективен, поскольку он позволяет снизить затраты на создание орбитальной группировки, а также суммарную нагрузку на стартовый комплекс.

На рисунках 3.13  и 3.14  изображены ракета-носитель и размещенная на ней полезная нагрузка: КС KazSat и КС Экспресс АМ.

Кроме того, ужесточение требований к числу пусков ракет имеет большое значение для экологии космоса и планеты (для решения проблемы "космического мусора").

Ракета-носитель Ariane с самого начала была задумана как "европейская", т. е. обеспечивающая запуск спутников для стран Европы. В ее создании принимали участие многие ведущие космические компании: Aerospatiale (Франция), Matra Marconi Space (Англия, Франция), Fiat-BDR Difea Spazio (Италия), DASA (Германия).

В июне 1988 г. была запущена Ariane 40, которая относится уже к 4-му поколению ракет-носителей. В настоящее время с ее помощью осуществляется почти половина всех коммерческих запусков.

Т а б л и ц а 3.4 - Ракеты-носители тяжелого класса

Разработка носителей Delta ведется с середины 50-х гг. компанией McDonnel Douglas (США). Первые пуски (начиная с 1960 г.) производились, главным образом, в интересах военных ведомств и федеральных служб США, а коммерческий пуск впервые состоялся в августе 1989 г. Ракеты семейства Delta относят к самым надежным. Наиболее известная в мире РН Delta II модель 7925 помогла вывести на орбиту 24 спутника GPS, 50 КА Iridium и 8 Globalstar. Российская ракета "Протон" создана ГКНПЦ им М.В. Хруничева. Она обеспечивает достаточно высокую надежность запусков - 0,96 (данные за последние 10 лет). "Протон" выводил на орбиты российские спутники "Горизонт", "Галс", "Экспресс", зарубежные спутники Aaiasat 3, Astra 2A, Echostar 4, Panamsat 8 и 21, спутник Iridium (3 запуска по 7 КА) и др. Все запуски осуществлены с космодрома "Байконур".

Ракеты-носители малой грузоподъемности предназначены для создания низкоорбитальных группировок. Они выполняют как групповые, так и одиночные запуски. Легкие низкоорбитальные спутники могут выводиться на орбиту с помощью традиционных стационарных или мобильных пусковых комплектов, в том числе с борта самолетов. Поскольку запуск легких спутников не требует значительных материальных затрат, именно такие спутники предпочитают использовать страны, не имеющие собственных космодромов.

В настоящее время существует ряд "одноразовых" носителей, энергетические возможности которых обеспечивают выведение КА на низкие и средневысотные орбиты (таблица 3.5). В этом классе ракет наиболее популярны американские Ahhena (прежнее название LLV - Lockheed Launch Vechicle), Conestoga, Pegasus, Taurus, а также российская "Космос".

Рисунок 3.14  – Ракета-носитель Протон М

Ahhena разрабатывается и изготавливается компанией Lockheed Martin Missiles (Саннивал, шт. Калифорния) с 1992 года. Первый пуск Ahhena 1 (LLV1) оказался неудачным, однако сегодня это - одна из наиболее отработанных платформ.

По характеристикам ракета Conestoga близка к российской "Космос". Ее разработку, изготовление и организацию коммерческого использования осуществляет компания EER Systems (США). Первый запуск носителя состоялся в сентябре 1982 г.

Легкая ракета-носитель "Космос" была создана на базе межконтинентальной баллистической ракеты средней дальности и предназначена преимущественно для вывода спутников на низкие орбиты. Производит такие ракеты ПО "Полет" (Омск). С помощью "Космос-ЗМ" выведено на орбиту большое число отечественных и ряд зарубежных спутников.

Т а б л и ц а 3.5 - Ракеты-носители легкого класса

Вывод геостационарного спутника на орбиту обычно осуществляется многоступенчатой ракетой через промежуточную орбиту. Современная ракета-носитель представляет собой сложный космический летательный аппарат, который приводится в движение реактивной силой ракетного двигателя.

В состав ракеты-носителя входят ракетный и головной блоки. Ракетный блок является автономной частью составной ракеты с топливным отсеком, двигательной установкой и элементами системы разделения ступеней. Головной блок включает в себя полезную нагрузку и обтекатель, защищающий конструкцию ИСЗ от силового и теплового воздействий набегающего потока воздуха при полете в атмосфере и служащего для монтажа на его внутренней поверхности элементов, которые участвуют в подготовке к пуску, но не функционируют в полете. Главный обтекатель позволяет облегчить конструкцию ИСЗ и является пассивным элементом, надобность в котором отпадает после выхода ракеты-носителя из плотных слоев атмосферы, где он сбрасывается. Полезная нагрузка космического аппарата состоит из ретрансляционного оборудования связи и вещания, радиотелеметрических систем, собственно корпуса ИСЗ со всеми вспомогательными и обеспечивающими системами.

Принцип действий одноразовой многоступенчатой ракеты-носителя состоит в следующем: пока работает первая ступень, можно рассматривать остальные вместе с истинной полезной нагрузкой в качестве полезной нагрузки первой ступени. После ее отделения начинает работать вторая, которая вместе с последующими ступенями и истинной полезной нагрузкой образует новую самостоятельную ракету. Для второй ступени все последующие (если они есть) вместе с истинным полезным грузом играют роль полезной нагрузки и так далее, т. е. полет ее характеризуется несколькими этапами, каждый из которых является как бы ступенью для сообщения начальной скорости другим одноступенчатым ракетам, входящим в ее состав. Отторжение первой и последующих ступеней носителя осуществляется после полного выгорания топлива в двигательной установке.

Путь, который проходит ракета-носитель при выведении ИСЗ на орбиту, называют траекторией полета. Он характеризуется активным и пассивным участками. Активный участок полета - это пролет ступеней носителя с работающими двигателями, пассивный участок - полет отработавших ракетных блоков после их отделения от ракеты-носителя.

При выведении ИСЗ на соответствующую орбиту большую роль играют время и место запуска ракеты-носителя. Подсчитано, что космодром выгоднее располагать как можно ближе к экватору, так как при разгоне в восточном направлении ракета-носитель получает дополнительную скорость. Эта скорость называется окружной скоростью космодрома Vк, т. е. скорость его движения вокруг оси Земли благодаря суточному вращению планеты.

Для определенной широты местности Y скорость космодрома Vк определяется по формуле , то есть на экваторе она равна 465 м/с, а на широте космодрома Байконур - 316 м/с. Практически это означает, что с экватора той же ракетой-носителем может быть запушен более тяжелый ИСЗ.

Завершающей стадией полета ракеты-носителя является вывод ИСЗ на орбиту, форма которой определяется кинетической энергией, сообщаемой ИСЗ ракетой, то есть конечной скоростью носителя. В том случае, когда спутнику сообщается количество энергии, достаточное для его вывода на ГСО, ракета-носитель должна вывести его в точку, удаленную от Земли на 35 875 км.

Орбитальную скорость геостационарного ИСЗ легко подсчитать. Высота ГСО над поверхностью Земли 35 786 км, радиус ГСО на 6366 км больше (средний радиус Земли), т. е. 42 241 км. Умножив значение радиуса ГСО на 2p (6,28), получим длину окружности - 265 409 км. Если разделить ее на длительность суток в секундах (86 400 с), получим орбитальную скорость ИСЗ- в среднем 3,075 км/с, или 3075 м/с.

Обычно вывод спутника ракетой-носителем осуществляется в четыре этапа: выход на начальную орбиту; выход на орбиту «ожидания» (парковочную орбиту); выход на переходную орбиту; выход на конечную орбиту (рисунок  3.15).

Цифрам соответствуют следующие этапы вывода спутника на ГСО:

1 - первоначальная переходная орбита;
2 - первое включение апогейного двигателя для выхода на промежуточную переходную орбиту;
3 - определение положения на орбите;
4 - второе включение апогейного двигателя для выхода на первоначальную орбиту дрейфа;
5 - переориентация плоскости орбиты и коррекция ошибок;
6 - ориентация перпендикулярно к плоскости орбиты и коррекция ошибок;
7 - остановка платформы спутника, раскрытие панелей, полная расстыковка с ракетой;
8 - раскрытие антенн, включение гиростабилизатора;
9 - стабилизация положения: ориентация антенн на нужную точку Земли, ориентация солнечных батарей на Солнце, включение бортового ретранслятора и установление номинального режима его работы.

4 Земной сегмент

 Термин "земной сегмент" обозначает часть системы спутниковой связи, которая образуется земными станциями, используемыми для передачи и приема любых видов сигналов связного трафика, передаваемых на спутник и от него и образующих стык с наземными сетями.

Основным элементом земного сегмента является Земная станция (ЗС) являющаяся оконечным передающим и приемным звеном линии связи через спутник.

Разнообразные виды связи и услуги, которые должно обеспечивать оборудование земного сегмента, предопределили огромное число технических решений, необходимых для реализации конкретных задач.

Номенклатура земных станций и терминалов очень обширна. Выделя­ются две причины такого разнообразия:

- на мировом рынке представлено более 100 крупных производителей средств связи для спутниковых систем (с появлением персональной спутни­ковой связи к ним присоединились и ведущие компании, традиционно вы­пускающие аппаратуру для сотовых и транкинговых сетей, такие как Alcatel, Ericsson, Motorola, Panasonic и др.);

- чрезвычайно широкий ассортимент предоставляемых услуг (передача речи, данных, видео и т.п.) и различное назначении ЗС, а значит, и разнооб­разие их конструктивного исполнения (стационарные, портативные, автомо­бильные, железнодорожные, морские, самолетные).

Кроме того, земные станции различаются по своей роли в структуре земного сегмента: магистральные, VSAT-станции, а также узлы сопряжения и координирующие станции, которые обеспечивают организацию связи в ре­гионе. В зависимости от способа организации связи земные станции подраз­деляются на:

-         приемные станции распределительных систем (приемные станции  теле­визионного вещания индивидуального и коллективного пользования и пей­джеры );

-         передающие станции (систем спутникового вещания, радиомаяки и ра­диобуи);

-         приемопередающие (в том числе центральная управляющая станция, HUB и шлюзы);

-         контрольные – станции, осуществляющие контроль за режимом работы ретранслятора космической станции , за соблюдением земными стан­циями сети наиболее важных параметров: излучаемой мощности, рабочих частот и т. д.;

-         земные станции системы управления и контроля ИСЗ – станции, осуществ­ляющие управление функционированием всего космического сег­мента (космической станции).

Шлюзовая станция (шлюз) состоит из нескольких приемопередающих комплексов (обычно не менее трех), в каждом из которых имеется следящая параболическая антенна.

Приемопередающие комплексы функционируют следующим образом:

-       1-й  комплекс вступает в связь с i-м КА;

-       2-й комплекс вступает в связь с i +1 -м КА;

-       затем 1-й комплекс, после ухода из зоны видимости 1-го КА, вступает в связь с i+ 2-м КА;

-       2-й комплекс, после ухода из зоны i + 1-го КА, вступает в связь с i+ 3-м КА и т. д.

-       3-й комплекс, как правило, находится в резерве и при необходимости может заменить 1-й или 2-й комплекс.

Другая классификация ЗС по принадлежности к типу спутниковой службы: фиксированной - ФСС, телерадиовещательной - РСС или подвижной - ПСС.

Во многом структура и характеристики ЗС будут зависеть от типа орбиты КС, с которой работает данная ЗС (GEO, MEO, LEO), и соответствующей степени удаленности ЗС от ретранслятора.

ЗС для диапазонов 6/4 ГГц и 14/11-12 ГГц часто классифицируют только по размерам их антенн:

-   большие станции: антенны примерно от 33 м до 15 м;

-   средние станции:  антенны примерно от 15 м до 7 м;

-   малые станции:  антенны примерно от 7 м до 3 м и меньше;

-   микростанции для сетей VSAT: антенны от 4 м до 0,7 м.

4.1 Основные характеристики ЗС

Общая структурная схема типовой ЗС спутниковой связи приведена на рисунке 4.1.

В станцию входят следующие основные подсистемы:

-  антенная система;

-  малошумящие усилители приемника;

-  усилители мощности передатчика;

-  связное оборудование (преобразователи частоты и модемы);

-  аппаратура уплотнения/разуплотнения;

-  аппаратура для соединения с наземной сетью связи;

- вспомогательное оборудование (аппаратура управления и контроля, измерительное оборудование, аппаратура служебного канала);

-  аппаратура электропитания (сетевой источник питания с возможностью резервирования и источники бесперебойного питания);

-  инфраструктура общего назначения (все помещения, здания и сооружения).

Рисунок 4.1 -  Общая структурная схема типовой ЗС спутниковой связи

Рассмотрим краткие сведения по подсистемам ЗС.

ЗС должна проектироваться таким образом, чтобы качественные показа­тели, а следовательно, и стоимость входящих в станцию подсистем, соответ­ствовали друг другу. Малошумящие усилители (МШУ) приемника ЗС необ­ходимы для того, чтобы принять весьма слабый сигнал от спутника.  В на­стоящее время вполне приемлемыми являются МШУ с эффективной шумо­вой температурой 45 К на 4 ГГц и 150К на 11 ГГц (достигается при режиме стабилизации при температуре внешней окружающей среды). МШУ обычно широкополосный: усиливает одновременно все несущие, поступающие с приемного порта антенного диплексора. Обычно устанавливается также резервный усилитель (резервирование 1+1).

Приемное устройство осуществляет предварительное усиление сигналов с помощью входного малошумящего усилителя (МШУ) и их преобразование на промежуточную частоту. Конструктивная особенность магистральных ЗС - расположение МШУ не в основном помещении, а рядом с облучателем антенны, что позволяет снизить потери в фидерном тракте и за счет этого увеличить чувствительность станции. В современных МШУ, работающих в С- и Ku-диапазонах (ширина полосы частот от 500 МГц до 1 ГГц), эквивалентная шумовая температура составляет 50-150 К, коэффициент усиления 30-40 дБ.

Мощность на выходе передатчика составляет до 1 Вт, 1 кВт для телевизионной несущей. В усилителях мощности ЗС используют два типа СВЧ приборов – лампы бегущей волны (ЛБВ) и клистроны.

Для малых станций малой емкости может оказаться достаточным использовать твердотельные уси­лители, на транзисторах с полевым эффектом. В настоящее время выходная мощность усилителей этого типа, имеющихся на рынке, составляет несколько ватт, но можно ожидать, что улучшение параметров транзисторов или других твердотельных приборов приведет к их широкому внедрению на малых станциях.

 Основное достоинство клистронов - высокая стабильность и невысокий уровень шума, в то время как ЛБВ обеспечивает большую (по сравнению с ними) полосу пропускания. В усилителях мощностью 0,5-1 кВт обычно используют ЛБВ, а в более мощных (1-3 кВт) - клистроны.

К связному обычно относят оборудование, которое осуществляет модуляцию СВЧ несущей НЧ сигналами (групповой полосы частот) для излучения и выделяет (демодулирует) эти НЧ сигналы при приеме. Связное оборудование состоит из преобразователей частоты, модуляторов и демодуляторов, аппаратуры обработки сигнала. Обработка сигнала требуется, в частности, при использовании многостанционного доступа с временным разделением каналов (МДВР). Осуществляется форматирование цифрового потока данных: на передающей стороне это оборудование преобразует непрерывный входной цифровой поток данных для передачи через спутник с помощью модулятора. Эти данные вводятся в кадр системы с МДВР, для чего преобразуются (с помощью буферной памяти) в очень быстрый поток данных, состоящий из коротких пакетов, вводимых в кадр. Станция, таким образом, может передавать пакеты в ряд адресов так же, как работает многоадресная несущая в случае МДЧР.

Даже если все передачи являются аналоговыми и интерфейс с наземной сетью также аналоговый, почти всегда требуются операции уплотнения/разуплотнения в связи с необходимостью  изменения распределения телефонных каналов (например, первичных групп) в пределах групповой полосы частот. При цифровой передаче через спутник подлежащие передаче телефонные сигналы или чаще стандартные групповые сигналы, поступившие от наземной сети, перегруппировываются и преобразуются в поток данных для передачи со станции (например, после группирования в пакеты для передачи по методу МДВР). На приеме используется обратный процесс для выделения потоков, предназначенных для данной станции (из пакетов,  передаваемых корреспондирующими станциями в случае передачи по методу МДВР).

 В случае телефонии земная станция обычно соединяется с наземной сетью через коммутационный центр. Это может быть транзитный центр в случае международной станции либо большая или средних размеров станция национальной сети, либо, возможно, абонентская телефонная станция в случае малых местных станций национальных сетей.

Конкретное оборудование, которое обычно требуется для такого соединения:

- наземная   линия   между   земной   станцией   и   коммутационным   центром.   На   этой   линии   может использоваться  коаксиальный  кабель,  хотя  чаще  по  условиям  местности  необходимо   использовать радиорелейную  линию;

П р и м е ч а н и е  -  В   случае   малых   станций   национальной   сети   станция   и   коммутационный   центр могут  быть  расположены   на  одной  площадке,

- эхоподавители  (или  эхокомпенсаторы)  и  различное  периферийное  оборудование  сигнализации.
В случае телевидения земная станция соединяется:

- со  студией,   где  формируется  программа,   при  выполнении  функций  по  передаче;

- с  местным   вещательным   передатчиком   при  выполнении  функций  приема.

Соединение обычно осуществляется с помощью радиорелейной линии. Малые приемные станции часто непосредственно соединены с местной телевизионной распределительной сетью.

Вспомогательное оборудование ЗС состоит из: аппаратуры управления и контроля; измерительного оборудования; аппаратуры служебного канала.

Бесперебойная работа ЗС в первую очередь зависит от правильного проектирования источников электропитания (это, как правило, сетевой источ­ник питания, с возможностью резервирования и источник бесперебойного пи­тания (ИБП)). Для больших станций мощность ИБП может достигать 50 – 100 кВА.

Инфраструктура общего назначения ЗС включает в себя все помещения, здания, сооружения и службы. Ее размеры зависят от типа станции и количе­ства используемых на ней антенн.

 К основным характеристикам ЗС следует отнести:

а) диапазоны частот на прием и передачу.

 ЗС работают на частотах, выделенных спутниковым системам связи.

 Большинство земных станций спутниковых систем связи (ЗССС) работают в диапазонах 4 и 11ГГц на прием и 6 и 14ГГц на передачу, что соответствует принятым условным обозначениям C и Ku.

  Вопросами распределения полос частот между различными службами радиосвязи занимается Международный Союз Электросвязи (МСЭ). В настоящее время такое распределение полос частот выполнено от 9 кГц до 275 ГГц. Кроме радиослужб, при распределении полос частот предусматривается также деление Земного шара на 3 Района:

1)      Район 1 (Европа, Африка, Россия, Казахстан, Монголия и др.);

2)      Район 2 (Северная и Южная Америка);

3)      Район 3 (Азия, Океания, Австралия);

б) добротность станции на прием G_A/T (измеряется в дБ/K), G_A – коэффициент усиления приемной антенны, T – эффективная шумовая температура приемного тракта.  Значения добротностей на прием для ЗС находятся в пределах 20…40 дБ/K;

Добротность рассчитывается по формуле

G_A/T=10*lg(G_A/T), дБ/К.

в) диаметр антенны D_A определяет размеры и стоимость ЗС, ее пространственную избирательность.

Диапазон диаметров весьма широк (примерно от 0,45 м до 32 м).

Кроме диаметра антенны, важно знать поляризационные характеристики антенны, характеристику боковых лепестков, полноповоротная антенна, которую можно направить в любую точку небосвода, или неполноповоротная (ограниченная область наведения), или неподвижная (для работы с геостационарными ИСЗ).

В настоящее время широко распространены ЗС типа VSAT (Very Small Aperture Terminal) – терминал с антенной очень малого диаметра;

г)  эффективно-излучаемая изотропная мощность (ЭИИМ)- произведение мощности передатчика, кпд волноводного тракта и усиления антенны.

Значения этого параметра для различных ЗССС находятся в пределах 50 – 95 дБВт.

В отличие от бортовых антенн, у которых форма диаграммы направлен­ности должна быть "согласована" с обслуживаемой земной поверхностью (глобальный, узкий, профилированный луч и т. п.), антеннам магистральных ЗС не свойственны подобные требования, так как они ориентируются строго на определенный КА.

Основные параметры антенн: усиление, эффективная площадь апертуры (раскрыва), диаграммы излучения и ширина луча, боковые лепестки, поляри­зация и шумовая температура.  

Шумовая температура антенны (или "температура антенны") должна поддерживаться на наименьшем возможном уровне путем соответствующего

проектирования для получения высокой добротности.

Антенная приемо-передающая система ЗС включает в свой состав реф­лектор (зеркало), облучающую систему, волноводный тракт (ВТ), опорно-по­воротное устройство с аппаратурой приводов и аппаратуру наведения.

На ЗС используются зеркальные антенны различных типов. Так как у этих антенн высокий коэффициент усиления антенн, низкие уровни боковых лепестков, хорошая поляризационная чистота, низкая шумовая температура и хорошее согласование полных сопротивлений сохраняются во всей широкой полосе частот на прием и передачу. Например, в диапазоне 6/4 ГГц ИНТЕЛСАТ-VI общая полоса антенны начинается от 3,625 и идет до 6,425 ГГц (более точно от 3,625 до 4,2 ГГц плюс диапазон от 5,850 до 6,425 ГГц).

Большинство зеркальных антенных систем - параболические с передним питанием или Кассегрена и Грегори - являются осесимметричными. Однако для получения особенно высокого качества могут использо­ваться антенны с вынесенным облучателем, то есть антенны, в которых используется неосе- симметричная отражающая система (как показано в таблице 4.1).

Высокое качество достигается благодаря тому, что эти антенны не испытывают влияния затенения.

Характеристики боковых лепестков антенн земных станций являются одним из основных факторов при определении минимального разноса между спутниками и, следовательно, эффективности использования ор­биты/спектра.

Т а б л и ц а 4.1 – Типы антенн

Стоимость земной станции и ее основные эксплуатационные параметры определяются размерами используемой антенны. Чем больше диаметр антенны, тем выше ее стоимость и пропускная способность.

Так, в системе Intelsat первоначально использовались станции с диаметром антенн 30 м и добротностью 10lg(G/T)=40,7 дБ/К в диапазоне частот 4-6 ГГц. По мере совершенствования КА и увеличения мощности излучения основные показатели были снижены до 16-18 м (диаметр антенны) и 35 дБ/К (добротность). Цена такой станции около 8 млн долл., но при уменьшении диаметра антенны до 5 м стоимость ЗС снижается до 2 млн долл.

4.2  Станции  международной   связи   системы  ИНТЕЛСАТ

Для ввода новой земной станции в "Глобальную систему связи ИНТЕЛСАТ, то есть для обслуживания международного трафика, заинтересованная администрация должна обратиться к общему документу си­стемы ИНТЕЛСАТ, который называется "Процедуры, регулирующие применение, одобрение, проверку и работу земных станций в системе ИНТЕЛСАТ". Для работы в "Глобальной системе ИНТЕЛСАТ" допускаются восемь стандартных типов земных станций, хотя могут быть приняты к рассмотрению и другие ("нестандартные") типы (для временной работы) на индивидуальной основе. В технических требованиях системы ИНТЕЛСАТ эти восемь типов станций обозначены как стандарты А, В, С, D, E, F, G и Z.

Основные характеристики ЗС соответствующие различным стандартам приведены в Таблице 4.2

В технических условиях определены требования к составу и параметрам антенной системы.

Коэффициент усиления антенной системы на передачу должен быть более 52,65дБ, а на прием – более 50,52 дБ. Антенная система совместно с волноводным трактом должна обеспечивать развязку между приемными и передающими трактами не менее [80 + Рп], где Рп – мощность передатчика, дБВт. Передатчики ЗС должны обеспечивать передачу одной или нескольких

несущих в выделенных для работы стволах. Рабочие частоты определяются используемой системой и спутником. Рабочий диапазон передатчика – ос­новная характеристика ЗС – определяет требования к возможности пере­стройки модулятора и повышающего преобразователя частоты. Максималь­ный уровень побочных излучений должен быть не менее чем на 50 дБ ниже уровня основного сигнала, но не превышать 100 мВт.

Т а б л и ц а 4.2 – Характеристики ЗС различных типов

Приемники ЗС должны обеспечивать прием одной или нескольких не­сущих в выделенных для работы стволах. Рабочий диапазон частот прием­ника является основной характеристикой станции и определяет требования к возможностям перестройки демодулятора и понижающего преобразователя частоты.  Избирательность приемника по соседнему и зеркальному каналам должна быть не менее 30 дБ и 50 дБ соответственно. Уровень выходного сигнала демодулятора должен быть в пределах  от минус 35 до минус 5 дБм.

Модем ЗС сопрягается с каналообразующей аппаратурой (КОА) по стыкам в соответствии с Рекомендациями G-703 и G-704 МСЭ-Т. В со­ставе КОА допускается использование аппаратуры защиты информации. Нормы на оконечную аппаратуру разных типов (транскодер, трансмультип­лексор, кодек) определяются Рекомендациями МСЭ-Т.

Характеристики организуемых каналов должны соответствовать требо­ваниям международных документов (МСЭ-Р и МСЭ-Т), межгосударствен­ным и государственным стандартам.

 4.3 Земные   станции  региональных  или  национальных   систем

Несколько типов земных станций предназначено для регионального и нацио­нального применения. Выбор того или иного типа зависит от общей орга­низации работы системы и от характеристик связной полезной нагрузки спутника. Эти станции, на которых обычно используются антенны средних размеров, можно разделить на категории по следующим признакам:

а) станции, работающие через космический сегмент - стволы 6/4 ГГц, арендованные на спутниках ИНТЕЛСАТ.

Эти станции обычно похожи на станции стандарта В (см. таблицу 4.2,), но  со   следующими  отличиями:

-диаметр  антенны  обычно  от   7  до   15  м;

-режимы   связи  (методы  модуляции  и  уплотнения)  могут  быть  раз­личными   и   обычно   выбираются с   целью   оптимизации  работы   всей сис­темы.   В   частности,   телефония   обычно   передается   методом ОКН-ЧМ   с   компандированием   или  ЧРК-ЧМ  (с  компандированием  или  без   него).

Конкретные варианты оптимизации параметров передачи и энергетиче­ского бюджета линий связи по­зволяют применять экономичные земные стан­ции среднего размера для передачи довольно большого числа каналов.

Чтобы легче было получить утверждение от организации ИНТЕЛСАТ рекомендуется, чтобы эти станции отвечали техническим условиям нового "стандарта Z" системы ИНТЕЛСАТ на земные станции.

Станции стандарта Z работают в диапазонах 6/4, 14/11 или 14/12 ГГц. Антенны национальных земных станций могут иметь разные размеры в ши­роком диапазоне, при этом к владельцу земной станции предъ­являются ми­нимальные требования. В требуемые характеристики станций не включены следующие пара­метры (см. таблицу 4.1): максимальная  э.и.и.м.   на  несу­щую; метод  модуляции; G/T; усиление  на  передачу; качество  каналов.

б) станции, работающие в диапазонах 6/4 ГГц в рамках выделен- ных спутниковых систем, таких, как система Индонезии ПАЛАПА, система АРАБСАТ и др.: эти станции также часто похожи на станции стандарта В ИНТЕЛСАТ. Причина в том, что требуемая ограниченная зона покрытия земли позволяет иметь высокие э.и.и.м. стволов, работаю­щих на направленные спутниковые антенны. Благодаря этому можно про­пустить большое число каналов при работе на довольно простые земные станции, оборудованные  антеннами  средних  размеров;

в) станции   диапазонов   14/11   ГГц:   диапазоны   14/11   ГГц  ( 14/12   ГГц)   все  шире   используются   для региональных  и   национальных  спут­никовых  систем.

Система ЕВТЕЛСАТ является примером региональной системы, ра­бота которой основана на использовании исключительно этих диапазонов.

4.4 Земные станции VSAT

VSAT (Very Small Aperture Terminal ) -станция - станция спутниковой связи с антенной малого диаметра, порядка 0,45 ... 2,4 м. VSAT-станция использу­ются для обмена информацией между наземными пунктами, а также в систе­мах сбора и распределения данных. ССС с сетью земных станций типа VSAT обеспечивают телефонную связь с цифровой передачей речи, а также пере­дачу цифровой информации.

К классу земных станций VSAT (Very Small Aperture Terminal)  относятся станции спутниковой связи, технические характеристики которых удовлетворяют следующим требованиям Рек. МСЭ-Р S.725 “Технические характеристики VSAT” [Справочник Системы и земные станции VSAT МСЭ, 1994]:

- контроль и управление работой станций VSAT в сети осуществляется централизованно, но могут дополнительно использоваться и местные станционные системы контроля и управления;

- станции VSAT относятся к Фиксированной спутниковой службе (ФСС) и должны удовлетворять требованиям Регламента радиосвязи и Рекомендациям МСЭ-Р, как и все земные станции ФСС;

- станции VSAT обычно применяются в выделенных сетях (частных, деловых) для передачи данных и телефонии в цифровом виде в режимах работы только на прием (симплекс) или на прием/передачу (дуплекс);

- антенны VSAT обычно имеют диаметр 1,8…3,5 м, но в отдельных системах могут использоваться и большие антенны (диаметром до 6 м);

-скорость передачи информации в цифровом виде со станций VSAT обычно не превышает 2 Мбит/с;

- в станциях VSAT используется маломощный радиопередатчик (обычно от 1 до 20 Вт) с обязательным ограничением излучаемой мощности в целях безопасности.

В настоящее время сети станций  VSAT чаще всего работают в диапазонах частот ФСС 6/4 ГГц и 14/11-12 ГГц.

         Технические параметры станций VSAT при передаче должны удовлетворять требованиям следующих Рекомендаций МСЭ-Р:

         Рек. МСЭ-Р S.726 “Максимально допустимый уровень паразитных излучений VSAT”;

         Рек. МСЭ-Р S.727 “Кроссполяризационная развязка для VSAT”;

Рек. МСЭ-Р S.728 “Максимально допустимый уровень внеосевой плотности ЭИИМ VSAT”;

        Рек. МСЭ-Р S.729 “Контроль и управление станциями VSAT”.

Привлекательной особенностью станций VSAT является возможность их размещения в непосредственной близости от пользователей, которые благодаря этому могут обходиться без наземных линий связи.

Спутниковая станция типа VSAT по конструктивному признаку состоит из высокочастотного (OutDoor Unit –ODU)  внешнего модуля и низкочастотного  (InDoor Unit –IDU)  внутреннего модуля. ODU, состоящий из антенны и приемопередатчика, размещается вне здания, в котором устанавливается IDU, состоящий из модема и мультиплексора (каналообразующей аппара­туры). ODU и IDU соединены между собой радиочастотными кабелями. По ним идет

сигнал промежуточной частоты.  Промежуточная частота бывает 70 МГц или 140 МГц.

Внешний, или как его иногда называют высокочастотный блок, состоит из антенны и приемопередающего блока, который устанавливается на этой антенне. Приемопередающий блок обеспечивает преобразование низкочастотного сигнала, его усиление и передачу “вверх”, а также прием высокочастотного сигнала со спутника, его преобразование в сигнал промежуточной частоты и передачу к внутреннему блоку.

В зависимости от распределения трафика между абонентами архитек­тура сетей спутниковой связи различаются по следующим признакам: по конфигурации трафика и по структуре управления.

Сеть "точка - точка" позволяет обеспечивать прямую дуплексную связь между двумя удаленными абонентскими станциями по выделенным каналам. Такая схема связи наиболее эффективна при большой загрузке каналов (не менее 30 - 40%).

Преимуществом такой архитектуры является простота организации ка­налов связи и их полная прозрачность для различных протоколов обмена.

Кроме того, такая сеть не требует системы управления.

На рисунке 4.3 пример создания спутниковых каналов типа "точка-точка" для объединения и/или расширения телекоммуникационных сетей, а также для решения задач телефонизации удаленных регионов, на основе VSAT станций.

Одна станция устанавливается в непосредственной близости от основного узла телефонной сети и сопрягается с центральной АТС, а вторая устанавливается в удаленном регионе и сопрягается с местной АТС. Удаленная станция может быть ведомой (все ее настройки устанавливаются и контролируются из центрального узла).

Сеть типа "звезда" является наиболее распространенной архитектурой построения ССС с абонентскими станциями класса VSAT. Такая сеть обеспе­чивает многонаправленный радиальный трафик между центральной земной станцией (ЦЗС или HUB) и удаленными периферийными станциями (терми­налами) по энергетически выгодной схеме: малая ЗС - большая ЦЗС, осна­щенная антенной большого диаметра и мощным передатчиком.

Недостатком архитектуры "звезда" является наличие двойного скачка при связи между терминалами сети, что приводит к заметным задержкам сигнала. Сети VSAT подобной архитектуры широко используются для орга­низации информационного обмена между большим числом удаленных тер­миналов, не имеющих существенного взаимного трафика, и центральным офисом фирмы, различными транспортными, производственными и финан­совыми учреждениями.

Аналогично строятся сети телефонной связи для обслуживания удален­ных абонентов, которым обеспечивается выход на телефонную коммутируе­мую сеть общего пользования через центральную станцию, подключенную к наземному центру коммутации или АТС. Функции контроля и управления в сети типа "звезда" обычно централизованы и сосредоточены в центральной управляющей станции (ЦУС) сети. ЦУС выполняет служебные функции ус­тановления соединений между абонентами сети (как наземными, так и спут­никовыми терминалами) и поддержания рабочего состояния всех перифе­рий- ных устройств.

В сетях типа "звезда", создаваемых крупными операто­рами, ресурсу одой ЦУС могут предоставляться нескольким автономным подсетям VSAT. Такое решение оказывается экономически выгодным, по­скольку одна ЦУС/ЦЗС стоит несколько миллионов долларов и может об­служивать до 10 тысяч и более терминалов, а средняя сеть одного клиента редко превышает 100 терминалов.

В сети "каждый с каждым" обеспечиваются прямые соединения ме­жду любыми абонентскими станциями (так называемый "односкачковый" режим связи).

Количество требуемых дуплексных радиоканалов равно N x (N - 1), где N – число абонентских станций в сети. При этом каждая абонентская станция должна иметь N - 1 каналов приемо-передачи. Такая архитектура оптимальна для телефонных сетей, создаваемых в труднодоступных или удаленных рай­онах, а также для сетей передачи данных с относительно небольшим числом удаленных терминалов.

В связи с тем, что для работы между двумя малыми терминалами от VSAT требуются большие энергетические ресурсы в сравнении с сетью "звезда", в сетях типа "каждый с каждым" на абонентских станциях прихо­дится использовать более мощные передатчики и антенны большего диа­метра, что заметно отражается на их цене.

Каждая из этих топологий имеет свои преимущества и недостатки. В ре­альных ситуациях часто требуется предоставление широкого спектра услуг, каждая из которых лучше реализуется в разных топологиях. Поэтому многие сети строятся по смешанным топологиям.

При централизованном управлении такой сетью центр управления сетью (ЦУС) выполняет служебные функции контроля и управления, необходимые для установления соединения между абонентами сети, но не участвует в пе­редаче трафика. Обычно ЦУС устанавливается на одной из абонентских станций сети, на которую приходится наибольший трафик.

В децентрализованном варианте управления сетью ЦУС отсутствует, а элементы системы управления входят в состав каждой VSAT станции.

По­добные сети с распределенной системой управления отличаются повышен­ной "живучестью" и гибкостью за счет усложнения оборудования, расшире­ния его функциональных возможностей и удорожания VSAT терминалов. Эта схема управления целесообразна лишь при создании небольших сетей (до 30 терминалов ) с высоким трафиком между абонентами.

Технология VSAT является очень гибкой и позволяет создавать сети, от­вечающие самым жестким требованиям и предоставляющие широкий спектр услуг по передаче голоса, видео, данных в любой комбинации. Во многих случаях они имеют неоспоримые преимущества перед наземными сетями:

низкая себестоимость, быстрое развертывание,  высокое качество связи, простота реконфигурации, высокая надежность.

Установка и включение в сеть терминала класса VSAT занимает не­сколько часов.

Сети VSAT обеспечивают достоверность передачи цифровой информа­ции не хуже 10* 10 ^-7,т.е. не более одной ошибки на 10 миллионов передан­ных бит информации, что соответствует примерно одной ошибке на 500 страниц текстовой информации.

Реконфигурация сети, включая смену протоколов обмена, добавление новых терминалов или изменение их географического положения осуществ­ляется очень быстро. Терминалы класса VSAT обеспечивают надежность в течение работы до 100 тыс. часов.

Популярность VSAT в сравнении с другими видами связи при создании корпоративных сетей объясняются следующими соображениями: для сетей с большим количеством терминалов и при значительных расстояниях между абонентами эксплуатационные расходы значительно ниже, чем при исполь­зовании наземных сетей.

Существует несколько типов земных станций VSAT. Их можно условно разделить на три поколения. Появление каждого нового поколения VSAT становилось возможным по мере появления новых технологий, создания бо­лее мощных спутников связи и освоения новых диапазонов частот.

VSAT первого поколения работали в С-диапазоне и использовались только в сетях вещательного типа, т.е. абонентские терминалы могли лишь принимать потоки данных от ЦЗС, и режим передачи в них не предусматри­вался. Сети вещательного типа до сих пор широко используются для распре­деления финансовой и деловой информации, биржевых сводок, передачи га­зетных полос, в системах асимметричного доступа в Интернет. Например, широко известная система высокоскоростного доступа в Интернет DirecPC, по существу, является спутниковой вещательной сетью.

Второе поколение земных станций VSAT характеризуется тем, что они могут поддерживать двустороннюю (дуплексную) связь. Эти терминалы ис­пользуются банковскими и финансовыми организациями в различных ком­пьютерных сетях для обмена данными, сетями розничной и оптовой тор­говли, промышленными предприятиями для связи с филиалами и поставщи­ками. Также они нашли широкое применение для организации высокоскоро­стного двустороннего доступа в Интернет. Еще VSAT станции используются операторами связи для создания выделенных магистральных каналов между удаленными узлами с большим объемом обмена данными между ними. Большинство из них работает в Ku-диапазоне, хотя в некоторых странах в се­тях по-прежнему используется С-диапазон.

Широкое распространение получили терминалы третьего поколения, с антеннами диаметром 1,2 м и менее. Они используются в больших сетях, от­личающихся низким уровнем трафика. При этом трафик носит спорадический (непостоянный) характер. Такие терминалы просты по конст­рукции, отличаются низкой ценой и работают исключительно в Ku-диапа­зоне.

В последние годы на рынке появилось четвертое поколение VSAT для мультимедийных приложений. Они работают в Ku- и Ка-диапазонах и обеспечивают скорость до нескольких мегабит в секунду. При этом размер их антенн (в Ка-диапазоне) составляет, примерно, 70 см.

Центральная земная станция телефонной VSAT сети (рисунок 4.3) осуществляет контроль и управление абонентскими станциями и обеспечи­вает доступ абонентов к телефонным сетям общего пользования и наземным цифровым сетям передачи данных.

В настоящее время абонентам сети VSAT предоставляются следующие

услуги:

– доступ абонентов VSAT сетей к специализированным телефонным коммутаторам для выхода в телефонную сеть общего пользования и сеть ме­ждугородней и международной связи;

– наземное подключение абонента к сети VSAT;

– доступ абонентов VSAT сетей к цифровым сетям общего пользования (Golden Line, MACOMNET, SPRINT, ASTELIT и др.);

– доступ абонентов VSAT к сети Internet.

             4.5 Методика измерения параметров земной станции

 Перечень измеряемых параметров ЗС и участники измерений приведены в таблице 4.3.

Проверочные измерения характеристик ЗС, которые должны проводится с использованием космического сегмента и при участии Контрольной станции (КрС), осуществляются по программе КрС. При этом к началу проведения испытаний линии служебной связи и контрольно-измерительные приборы должны соответствовать техническим требованиям.

Измерения должны проводиться в соответствии с технической докумен­тацией на оборудование ЗС в соответствии с методиками.

Оперативную координацию работ по проведению проверочных змерений параметров ЗС с использованием космического сегмента и при участии КрС проводит КрС соответствующей зоны обслуживания.

Т а б л и ц а 4.3 – Измеряемые параметры ЗС и участники измерений

Все действия в процессе измерений характеристик оборудования с ис­пользованием космического сегмента должны координироваться КрС опера­тивно по каналу служебной связи с ЗС.

Доступ ЗС к космическому сегменту производится по разрешению и под контролем Контрольной станции соответствующего региона.

Непосредственно перед выходом на спутник персонал ЗС должен прове­рить оборудование приема и передачи, уточнить координаты наведения на спутник и произвести точное наведение антенны станции по пилот-сигналу или по контрольной несущей от КрС, а также проверить рабочие поляризации и частоты испытательных сигналов на передачу и прием.

При первоначальном выходе ЗС мощностью на спутник персонал ЗС должен придерживаться следующего порядка:

-  проконтролировать частоту и мощность сигнала, уровни побочных и вне­полосных излучений на выходе передатчика;

-  убедиться в точности наведения антенны станции на спутник;

-  убедиться в отсутствии по приему нежелательных сигналов с бортового транспондера в выделенной для измерения полосе частот;

-  установить оперативную связь с КрС по каналу общего пользования или каналу общесистемной служебной связи;

-  по команде КрС установить необходимые частоту и ЭИИМ несущей ис­пытательного сигнала;

- выходить на спутник мощностью только по команде КрС и в начальной момент уровнем на 10 дБ ниже установленного номинала ЭИИМ (обычно 50…55 дБВт);

- установить номинальное значение ЭИИМ несущей под контролем КрС;

-  оперативный персонал должен присутствовать на ЗС на все время измере­ний;

-  по окончании измерений выключить передатчик.

При проведении измерений необходимо учитывать, что точность резуль­татов измерений в определенной степени зависит от погодных условий, осо­бенно для диапазона Ku. Предпочтительными условиями проведения измере­ний являются условия ясного неба при слабом ветре. При проведении измере­ний в иных условиях, необходимо учитывать поправку на возможное допол­нительное затухание в атмосфере.

Персонал ЗС должен проверить, что используемое измерительное обору­дование соответствует рекомендациям КрС и/или рекомендациям МСЭ, атте­стовано (поверено) метрологической службой.

Допускается применение современных измерительных приборов при со­хранении необходимой точности измерений.

Требования к характеристикам измерительного оборудования приводятся в таблице 4.4.

Т а б л и ц а 4.4 - Технические характеристики измерительного оборудования

После завершения проверочных измерений характеристик оборудования ЗС составляются отдельные протоколы со стороны ЗС и КрС, в которых приводятся результаты испытаний. При расхождении измеренных параметров с техническими требованиями Регламента владелец ЗС подготавливает ЗС к повторным испытаниям.

Измерение величины затухания в передающем (приемном) антенно-волноводном тракте.

Состав измерительной аппаратуры ЗС:

- измеритель затуханий и КСВН панорамный (рефлектометр);

- волноводный короткозамыкатель.

Для измерений величины затухания в передающем антенно-волноводном тракте (АВТ) собрать схему измерений по рисунку 4.4.

Рисунок 4.4 – Структурная схема измерений в антенно-волноводном тракте ЗС

Измерение добротности приема G/T ЗС производится Анализатором спектра с помощью спутника на геостационарной орбите и Контрольной станции.

Для подтверждения правильности полученных результатов рекомендуется проводить измерения в диапазоне частот приема и промежуточной частотах.

G/T = L_FS + L_ATМ + B + K – ЭИИМ_SAT/ЗС + (P_C – P_N)

Рисунок 4.5 – Структурная схема измерений добротности приема G/T ЗС

Методика измерений

1.   КрС передает опорную несущую на частоте и при уровне, определенным в плане испытаний. При необходимости Центральная станция управления сетью обеспечивает регулирование коэффициента усиления ретранслятора по запросу КрС.

2.   КрС измеряет уровень ЭИИМ, обеспечиваемый спутником при передаче опорной несущей, и рассчитывает соответствующий уровень ЭИИМ в направлении ЗС.

3.   При установке антенны в направлении спутника ЗС измеряет уровень опорной несущей у интерфейсов высокой и промежуточной частоты. При измерениях по радиомаяку используемая полоса частот разрешения должна быть согласована между КрС и ЗС. ЗС сообщает измеренные значения КрС.

4.   При малом сдвиге частоты относительно опорной несущей (например, 100 кГц) ЗС измеряет уровень шума.

5.   ЗС отводит антенну от направления на спутник, предпочтительно по азимуту, на угол не менее 5^о. При повороте антенны контролируется уровень шума. Движение антенны должно быть прекращено, когда уровень шума перестает уменьшаться.

6.     Измеренное значение уровня шума сообщается КрС.

7.   ЗС подключает анализатор спектра к интерфейсу высокой частоты, и, проводя операции, измеряет уровень шума. ЗС сообщает измеренное значение на КрС.

8.   Повторяется операция по п.7 при подключении анализатора спектра к интерфейсу промежуточной частоты.

9.   ЗС сообщает соответствующие поправочные коэффициенты и полосу частот на КС. ЗС возвращает антенну в положение пеленга на спутник.

10. КС сообщает уровень ЭИИМ спутника в направлении на ЗС и рассчитывает отношение G/T.

Так как в общем случае измерения выполняются при помощи анализатора спектра, необходимо вводить поправки на воспроизводимый на экране уровень шума в полосе частот анализа и на детектирование. В современных анализаторах спектра такая коррекция достигается за счет программного обеспечения, которое позволяет непосредственно считывать нормированный уровень шума (маркер шума). Если такая функция отсутствует, для получения правильных значений оператор должен обратиться к соответствующим указаниям по пользованию измерительным прибором.

Типичными являются следующие величины, используемые для коррекции наблюдаемого на экране уровня шума:

преобразование из полосы разрешения в шумовую полосу частот -0,8 дБ;

комбинированная поправка на характеристики детектора и логарифмическое детектирование кривой+2,5 дБ.

Типичная суммарная поправка составляет +1,7 дБ. В этом случае действительный уровень шума на 1,7 дБ выше, чем наблюдаемый на экране.

4.6 Земные станции для приема ТВ

В области телевидения ИСЗ в настоящее время используются для международного обмена телевизионными программами, для распространения телевизионных программ среди вещательных организаций, наземных телевизионных передатчиков для ретрансляции, среди кабельных сетей, а также для непосредственного телевизионного вещания (НТВ), который позволяет вести непосредственный прием.

В течение последних лет, благодаря достигнутым успехам в развитии СВЧ техники, появилась возможность создания сравнительно простых и недорогих установок с антеннами приемлемых размеров для индивидуального приема телевизионных передач не только радиовещательной, но и фиксированной службы. Поэтому многие телезрители разных стран приобретают установки для приема телепередач со спутников ФСС. В этом отношении наибольший интерес представляют те спутники ФСС, передатчики которых работают на частотах, смежных с частотами РСС (11,7…12,5 ГГц). Таковы полосы частот 10,7…11,7 и 12,5…12,75 ГГц. В пределах этих частотных полос работают передатчики спутников международной организации спутниковой связи IntelSat, Европейская организация спутниковой связи EutelSat, а также спутников, принадлежащих коммерческим ассоциациям Telecom (Франция), Kopernicus (ФРГ), Astra (Люксембург) и др.

В системах телевидения телевизионные радиосигналы, излучаемые спутниковыми передатчиками, значительно отличаются от сигналов, излучаемых наземными центрами. Яркостной сигнал изображения передается спутниковым ретранслятором с частотной модуляцией несущей частоты. Особенностью является также использование в спутниковых системах непосредственного телевизионного вещания несущей частоты, расположенной в диапазоне сантиметровых волн, к которым относится диапазон 12 ГГц, в отличие от наземного телевидения, работающего на метровых волнах. На таких высоких частотах передача принятого сигнала от антенны к телевизионному приемнику с помощью коаксиального кабеля, как это принято в наземном телевидении, просто невозможна. Эти особенности требуют соответствующего  построения схемы телевизионного приемника или дополнительного устройства (приставки) к стандартному телевизору, предназначенному для приема наземного телевидения.

 В аналоговых системах спутникового телевидения применяется ЧМ модуляция яркостного сигнала. Преимуществами ЧМ являются также невысокие требования к линейности амплитудной характеристики тракта и возможность работы выходного каскада спутникового передатчика в режиме насыщения, в котором достигается высокий КПД.

Еще один вид обработки, нашедший применение только в спутниковых системах вещания, - введение в состав ТВ сигнала на передающей стороне дополнительного низкочастотного модулирующего сигнала, обеспечивающего более равномерное рассеяние (дисперсию) энергии ТВ сигнала в полосе частот ствола с целью уменьшения помех другим системам связи, в первую очередь радиорелейным линиям. При неблагоприятных сюжетах изображения (равномерно освещенное поле) почти вся мощность сигнала может сосредоточиться в узкой полосе частот и привести к многократному превышению нормы по излучаемой мощности. Добавление сигнала пилообразной или треугольной формы частотой от единиц герц до десятков килогерц позволяет добиться эффективного рассеяния независимо от сюжета. Девиация несущей сигналом дисперсии зависит от требуемой степени рассеяния и выбирается равной от 600 кГц (рекомендация МККР для всех спутниковых ТВ систем) до 4 МГц (в системе "Москва").

Исключение сигнала дисперсии на приеме достигается применением схем фиксации уровня видеосигнала: при девиации более 1 МГц дополнительно используются специальные следящие устройства. Сигнал звукового сопровождения телевидения в традиционных системах с ЧМ передается обычно совместно с сигналом изображения на поднесущей частоте, расположенной выше его спектра. Для достижения необходимой помехозащищенности передача осуществляется методом частотной модуляции поднесущей, причем девиацию частоты поднесущей выбирают, как правило, большей, чем в наземном телевидении - до 100 и даже 150 кГц. Значение поднесущей также выше и составляет 7,0...7,5 МГц при полосе видеосигнала 6 МГц, 5,8...6,8 МГц при полосе 5 МГц и 5...6 МГц при полосе 4,2 МГц, что позволяет уменьшить переходные помехи из канала изображения в канал звукового сопровождения и облегчить требования к фильтрации сигналов.

При необходимости передачи совместно с сигналом изображения более чем одного звукового сигнала (звуковое вещание, звуковое сопровождение на иностранных языках, стереозвук) используются несколько поднесущих частот, расположенных выше спектра видеосигнала. Их число ограничено возникновением перекрестных помех и ухудшением качества ТВ изображения из-за уменьшения доли девиации несущей, приходящейся на видеосигнал. Практически с удовлетворительным качеством удается передать два-четыре дополнительных сигнала. Например, в спутниковых ТВ каналах, организованных через европейские ИСЗ Eutelsat II и Astra наряду с основным каналом звукового сопровождения сформированы еще до четырех высококачественных звуковых каналов, используемых для передачи монофонических или стереофонических программ. Передача ведется методом ЧМ на поднесущих частотах 7,02, 7,20, 7,38, 7,56 МГц звуковой сигнал подвергается адаптивным пред-искажениям и компандированию (система Wegener Panda 1).

Компандирование применяется для повышения помехоустойчивости передачи звуковых сигналов. Оно подразумевает сжатие динамического диапазона передаваемого сигнала в соответствии с изменением огибающей звукового сигнала и восстановление исходного динамического диапазона на приеме. Различают "управляемые" компандеры, в которых информация об исходном динамическом диапазоне передается в отдельном канале управления (с частотой 11000±125 Гц), и "неуправляемые", в которых эта информация содержится в передаваемом сигнале. При управляемом компандировании звуковых сигналов, уменьшается влияние изменения остаточного затухания канала, а обычная компандерная система снижает уровень внутриканальных помех канала передачи (динамический диапазон сигналов на выходе компрессора D_ВЫХ._К и на входе экспандера D_ВХ.Э одинаковы и связаны с динамическим диапазоном сигналов на входе и выходе канала DC соотношением D_C/D_ВХ.Э=β=1/α,

где β – коэффициент экспандирования, α – коэффициент компрессии.

Выигрыш в помехозащищенности благодаря компандированию достигает в среднем 12...13 дБ при наличии сигнала и по 20 дБ паузе сигнала. Управляемый компандер применялся в системе "Москва", неуправляемый - в системе "Москва - Глобальная".

Более эффективным энергетически и свободным от перекрестных помех способом передачи нескольких звуковых сигналов является передача на поднесущей в дискретной форме. Сигналы отдельных каналов преобразуются в цифровую форму и объединяются (мультиплексируются) в общий цифровой поток, который модулирует по фазе поднесущую частоту, расположенную выше спектра видеосигнала. Этот способ, например, используется в японской системе НТВ ВS-3. Поднесущая 5,73 МГц модулируется цифровым потоком со скоростью 2,048 Мбит/с, содержащим ИКМ звуковые сигналы, импульсы коррекции ошибок, контрольные импульсы. В системе образуются либо четыре звуковых канала с полосой 15 кГц, либо два канала очень высокого (студийного) качества с полосой 20 кГц.

Применяется способ передачи звуковых сигналов в спектре видеосигнала с разделением их во времени - в интервале обратного хода луча или в свободных строках. Рассматриваемый способ применялся в системе "Орбита", в которой с помощью широтно-импульсной модуляции обеспечивалось формирование одного канала с полосой 10 кГц или двух каналов с полосой 6 кГц. Современный уровень дискретной схемотехники позволяет существенно увеличить пропускную способность метода. Эти возможности реализованы в стандарте МАС.

В системах типа МАС аналоговые сигналы яркости и цветности сжимаются во времени и передаются поочередно, что позволяет избежать перекрестных искажений сигналов яркости и цветности, снизить шумы в канале цветности благодаря переводу его в область низких частот, повысить разрешающую способность изображения за счет более широкой полосы частот сигналов яркости и цветности. Сжатие аналогового сигнала осуществляется стробированием сигнала с некоторой тактовой частотой, преобразованием отсчетов в цифровую форму, накоплением их в буферной памяти, ускоренным считыванием с новой, более высокой тактовой частотой и обратным преобразованием в аналоговую форму.

Звуковые сигналы преобразуются в цифровую форму и передаются в интервале обратного хода луча. Высшая частота в спектре звукового сигнала составляет 15 кГц частота стробирования выбрана равной 32 кГц. В зависимости от требований к качеству звучания используется линейное аналого-цифровое преобразование с точностью 14 бит/отсчет либо почти мгновенное компандирование с точностью 10 бит/отсчет, помехоустойчивое двухуровневое кодирование обеспечивает эффективную защиту от ошибок. Скорость цифрового потока в разных вариантах составляет от 352 до 608 Кбит/с.

Цифровые системы вещания. Основным алгоритмом кодирования стал MPEG стандарт. Алгоритм, положенный в основу стандартов MPEG включает определенный базовый набор последовательных процедур.

В качестве исходного используется компонентный ТВ сигнал RGB, затем он матрицируется в сигнал YUV; дискретизация, как и в цифровом стандарте "4:2:2" осуществляется с тактовыми частотами 13,5 МГц для сигнала яркости и 6,76 МГц для цветоразностных сигналов. На этапе предварительной обработки удаляется информация, затрудняющая кодирование, но несущественная с точки зрения качества изображения. Обычно используется комбинация пространственной и временной нелинейной фильтрации.

Основная компрессия достигается благодаря устранению избыточности ТВ сигнала. Различают три вида избыточности - временную (два последовательных кадра изображения мало отличаются один от другого), пространственную (значительную часть изображения составляют однотонные одинаково окрашенные участки) и амплитудную (чувствительность глаза неодинакова к светлым и темным элементам изображения).

Для спутниковою телевидения более перспективным, безусловно, является MPEG2, рассчитанный на обработку входного сигнала с чересстрочной разверткой и различными скоростями цифрового потока (4...10 Мбит/с и более), каждой из которых соответствует определенная разрешающая способность. По этому параметру в стандарте определены четыре уровня: низкий (на уровне бытового видеомагнитофона), основной (студийное качество), телевидение повышенной четкости с 1440 элементами на строку и полное ТВЧ с 1920 элементами.

Можно рассчитать, что в спутниковом канале с пропускной способностью 20...25 Мбит/с можно передать четыре-пять программ хорошего качества, соответствующего магистральным каналам подачи программ, или 10. .12 программ с качеством, соответствующим видеомагнитофону стандарта VHS.

Составной частью в стандарты МРЕG1 и МРЕG2 входят алгоритмы передачи звуковых сигналов с цифровой компрессией, позволяющие уменьшить скорость цифрового потока в шесть-восемь раз без субъективного ухудшения качества звучания. Один из широко используемых методов получил название MUSICAM.

В стандарте DVB применяется каскадное помехоустойчивое кодирование. Внешний код - укороченный код Рида-Соломона (204.188) с t=8, обеспечивающий "безошибочный" прием (вероятность ошибки на выходе менее 10^-10) при вероятности ошибки на входе менее 10^-3. Внутренний код - сверхточный с относительной скоростью 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 или 7/8 и длиной кодового ограничения К=7, декодирование осуществляется по алгоритму Витерби с мягким решением. Вид модуляции - четырехпозиционная ФМ.

На приемной стороне декодер осуществляет все вышеописанные операции в обратном порядке, восстанавливая на выходе изображение, весьма близкое к исходному.

Под телевидением высокой четкости (ТВЧ) понимают передачу изображения с числом строк, приблизительно вдвое превышающий тот показатель у существующих стандартов, и форматом кадра (отношение ширины кадра к его высоте) 16:9. Объем информации, содержащийся в каждом кадре ТВЧ изображения, возрастает в пять-шесть раз по сравнению с обычным телевидением. Передача сигналов изображения в спутниковом канале осуществляется с помощью ЧМ сигнала звукового сопровождения - методом четырехпозиционной ФМ.

В ближайшее время ожидается принятие национального стандарта ТВЧ в США, пригодного для использования как в наземных, так и в спутниковых системах.

Принятие каждой группой стран своего собственного стандарта ТВЧ может затруднить международный ТВ обмен, как это произошло уже в прошлом со стандартами черно-белого ТВ и системами цветного телевидения. В последнее время под эгидой Международного союза электросвязи предпринимаются усилия по созданию единого мирового стандарта ТВЧ.

Разработанные в рамках стандарта MPEG-2 методы цифровой компрессии полностью применимы к ТВЧ и позволяют уже сегодня передать ТВЧ сигнал со скоростью цифрового потока 20…30 Мбит, что примерно соответствует пропускной способности спутникового ВЧ ствола с полосой пропускания 27... 36 МГц.

 Система спутникового телевидения «Москва» была введена в строй в 1980 году и использовала пять спутников типа «Горизонт» (по международной классификации «Стационар»), размещенные на геостационарной орбите. Спутник С4 с координатой 14⁰ з.д. рассчитан на обслуживание Европы; С5 с координатой 53⁰ в.д. обслуживал центральную часть России со сдвигом по времени на 2 часа; С13 с координатой 80⁰ в.д. - Зауралье со сдвигом 6 часов; С7 с координатой 90⁰ в.д. - восточную Сибирь со сдвигом 6 часов; С7 с координатой 140⁰ в.д. - Чукотку, Камчатку и остров Сахалин со сдвигом 8 часов.

Система «Москва» предназначена для приема сигнала со спутников наземными приемными установками «Москва» с последующей подачей к маломощным наземным телевизионным передатчикам (мощностью до 100 Вт.

Линия «Земля-Космос» работает в диапазоне 6 ГГц, а линия «Космос-Земля» на частоте 3675 МГц. Мощность спутникового передатчика составляет 40 Вт. Параболические антенны земных приемных установок имеют диаметр апертуры 2,5 м и спиральный облучатель, который необходим для приема сигнала с круговой поляризацией.

 На рисунке 4.6 изображена структурная схема приемной стойки «Москва».

Вход – входной сигнал от МШУ;

ПС – ствольный полосовой фильтр;

СМ – смеситель;

УУм – усилитель- умножитель частоты   гетеродина;

УГ – управляемый гетеродин;

ПУПЧ – предварительный усилитель ПЧ;

УПЧ – усилитель ПЧ;

ФПЧ – фильтр ПЧ;

ЧД – частотный детектор;

ВУ – видеоусилитель;

Видео – выход видеосигнала;

Cигн. дисп. – выделенные c помощью полосового фильтра сигналы дисперсии (сигнал треугольной формы частотой 2Гц) управляют частотой гетеродина так, чтобы сохранить неизменной промежуточную частоту 70МГц; по сути, таким образом сигналы дисперсии, введенные на передающей стороне для выравнивания энергетического спектра радиосигнала и облегчения проблем ЭМС, на приемной стороне исключаются;

ДМ – делитель мощности;

ОСЧ – порогопонижающий демодулятор с обратной связью по частоте (понижение порога ЧМ на 4…5 дБ);

УНЧ –усилитель НЧ;

Эксп – экспандер, составная часть управляемого компандера;

ЗВ – выход канала звукового сопровождения ТВ (1кл.);

РВ – выход канала радиовещания (1кл.).

Система спутникового телевидения «НТВ-Плюс» представляет собой первую в России систему подлинно спутникового телевидения непосредственного приема.

В январе 1994 и ноябре 1995 года на геостационарную орбиту были выведены спутники телевизионной ретрансляции типа «Галс-1» и «Галс-2». Мощность передатчиков, установленных на этих спутниках, составляет соответственно 85 и 45 Вт.

Через указанные спутники вещательная компания «НТВ-Плюс» ведет ретрансляцию телевизионных тематических программ.

Передатчики их трансиверов работают на частотах 11,91928 ГГц (широкий луч) и 11,76584 ГГц (узкий луч). По специальным командам с Земли антенны спутника могут коммутироваться на тот или другой передатчик, а также может быть изменено направление их излучения на тот или другой регион по заказу арендатора.

В 1999 году «НТВ-Плюс» взяла в аренду французский спутник TDF-2 и перевела его с прежней позиции 19* з.д. на новую 36* в.д, где находятся спутники «Галс». Этот спутник содержит три транспондера с несущими частотами 11,881, 12,034 и 11,804 ГГц.

25 мая 2000 года на орбиту был выведен еще один спутник Eutelsat-W 4, позволивший расширить зону вещания. Он выведен на позицию 36* в.д. и обслуживает европейскую часть России, Белоруссии и части Украины. Он содержит 8 транспондеров с полосой частот каждого по 33 МГц, из которых 6 будут использоваться для передачи телевизионных программ в цифровой форме. Благодаря частотному уплотнению, каждый ретранслятор может передавать по 8 программ. Eutelsat-W 4 содержит 19 ретрансляторов, что позволит транслировать до 100 телевизионных программ, большей частью в цифровой форме.

Так как передача телевизионных программ ведется в цифровой форме и с применением кодирования, то на стороне телезрителя должен быть установлен цифровой тюнер с гнездом для карты-ключа. Эта карта содержит в себе интегральную микросхему памяти, которая несет в себе все необходимые данные для декодирования принятого сигнала.

Состав установки непосредственного приема.

На рисунке 4.7 представлена структурная схема наземной установки для непосредственного приема телевизионных передач, ретранслируемых искусственными спутниками Земли.

Рисунок 4.7 – Структурная схема приемной установки

В связи с тем, что принятый антенной сигнал может иметь один из используемых видов поляризации, на выходе антенны устанавливается поляризатор, который выделяет электромагнитные волны, имеющие ту поляризацию, которая необходима, и отсеивает сигналы других видов поляризации. Управление поляризатором обычно осуществляется дистанционно.

Принятый антенной сигнал должен быть подан, как обычно, на вход радиоприемника (тюнера), в котором он должен быть усилен, выделен из массы других сигналов и помех, неизбежно принятых антенной, и преобразован в такую форму, на которую рассчитан бытовой телевизионный приемник.

Во избежание сильного ослабления сигнала диапазона сантиметровых волн в кабеле между поляризатором и тюнером устанавливается преобразователь частоты (конвертер), в котором осуществляется предварительное усиление сигнала и преобразование несущей частоты из диапазона 12 ГГц в первую промежуточную частоту, которая обычно находится в диапазоне 950…1750 МГц. На этой частоте сигнал по коаксиальному кабелю подается на вход тюнера. На выходе тюнера образуется стандартный телевизионный сигнал дециметрового диапазона, пригодный для воспроизведения бытовым телевизионным приемником.

Таким образом, приемная установка для спутникового телевидения обычно состоит из антенны, облучателя с поляризатором, объединенных в одну конструкцию, короткого волновода, соединяющего облучатель с конвертером, коаксиального кабеля, соединяющего конвертер с тюнером, и самого тюнера. В современных конструкциях облучатель, поляризатор и конвертер образуют единое целое, называемого высокочастотной головкой (ВЧ-головка), что исключает необходимость использования волновода. Указанные составляющие установки конструктивно делятся на два блока: наружный блок, куда входят антенна с ВЧ-головкой, и внутренний блок, состоящий из тюнера и блока питания всей установки.

Иногда в приемных установках высокого класса используется дистанционное управление направлением антенны на тот или другой спутник. Для этого антенна снабжается электродвигателями, а в состав тюнера входит устройство управления приводом антенны с запоминающим устройством, которое называется позиционером.

Мощность спутниковых передатчиков невелика и расстояние между геостационарным спутником и поверхностью Земли превышает 36000 км, что также приводит к значительному ослаблению сигнала.

По указанным причинам напряженность поля принимаемого сигнала в точке приема на поверхности Земли также оказывается достаточно малой. Поэтому для непосредственного приема спутникового телевидения применяют специальные приемные антенны. Типы применяемых антенн приведены в таблице 4.1.

Диаметр антенны зависит от уровня мощности принимаемого со спутника сигнала. Облучатель располагается в фокусе отражателя и предназначен для передачи сигнала к последующим элементам приемного устройства. Большое значение также оказывает на коэффициент усиления антенны диаграмма направленности самого облучателя. Важно не допустить, чтобы облучатель принимал сигналы из-за кромки отражательного зеркала. Наиболее простым облучателем является открытый конец волновода, к которому обычно присоединяется рупор для согласования волнового сопротивления волновода с открытым пространством и предотвращения возможности приема сигнала непосредственно из пространства. Волноводы круглого сечения технологичнее в производстве и лучше согласуются с сигналами разных видов поляризации. Кроме того, диаграмма направленности открытого конца круглого волновода или канонического рупора является осесимметричной и одинаково принимает сигналы, отраженные от разных точек антенного отражателя. Волноводы прямоугольного сечения и пирамидальные рупоры сложнее использовать при круговой поляризации сигнала, а прием ими сигналов, отраженных различными точками поверхности параболоида, оказывается неодинаковым.

В наземных приемных установках спутникового телевидения нашли применение облучатели, выполненные с использованием электромагнитной линзы, которая представляет собой несколько концентрически расположенных цилиндров. Такая конструкция облучателя показана на рисунке 4.8 Облучатель выполнен в виде отрезка кругового волновода, который открытым концом направлен на отражатель. На расстоянии в полволны от закрытого конца установлены петли связи. Петля «а» воспринимает сигналы с горизонтальной поляризацией, а петля «б» - с вертикальной. Один конец петли припаян к внутренней стенке волновода, а другой выводится наружу через небольшое отверстие и подключается к выходной клемме конвертера.

Для защиты от климатических воздействий облучатель помещается в герметичный кожух из высокочастотного диэлектрика. На рисунке 4.9 показан внешний вид промышленных облучателей.

 Поляризаторы. В связи с тем, что разные программы передаются с разными направлением линейной или круговой поляризацией возникает необходимость переключения поляризатора с приема сигнала вертикальной поляризации на прием горизонтальной и наоборот. Проволочная петля поляризатора является выводом сигнала, который соединяется с входной цепью конвертера. В зависимости от поляризации принятого сигнала, то есть от направления вектора магнитной составляющей, петля связи устанавливается в определенной точке поперечного сечения волновода, чтобы плоскость петли была перпендикулярна направлению магнитной составляющей поля. Аналогичную связь может выполнять изолированный от стенок волновода металлический зонд, который воспринимает электрическую составляющую электромагнитного поля. Положение зонда определяется направлением поляризации сигнала: он должен быть установлен параллельно электрической составляющей поля внутри волновода. Переключение поляризации может осуществляться поворотом специального элемента волновода, содержащего петлю связи или зонд, с помощью шагового электродвигателя. Такая механическая система переключения из-за наличия подвижных элементов обладает недостаточно высокой надежностью и позволяет получить лишь два фиксированных направления поляризации: либо вертикальной, либо горизонтальной.

Более надежно в работе устройство электромагнитных поляризаторов, которое обеспечивает поворот плоскости поляризации сигнала в зависимости от изменения силы тока, протекающего по катушке с ферритовым сердечником. Такие устройства не содержат движущихся элементов конструкции и позволяют осуществлять плавную регулировку. Это оказывается необходимо в связи с тем, что излученный спутником сигнал имеет поляризацию параллельную или перпендикулярную поверхности Земли только в том случае, если спутник размещен на той долготе, что и точка приема. Если же долгота спутника не совпадает с долготой точки приема, направление поляризации из-за кривизны поверхности Земли становится наклонным: и чем больше разница долгот, тем больше угол наклона. Когда при этом необходимо принимать сигналы от нескольких спутников, для каждого из них приходится плавно изменять положение поляризатора изменением значения управляющего тока.

В том случае, когда одной антенной обслуживается два раздельных телевизионных приемника, зрители этих приемников выбирают программы, сигналы которых имеют разные направления поляризации. Для решения подобной проблемы используют более сложные поляризаторы, которые содержат две ортогональные (расположенные под углом 90^о) петли связи или два таких же зонда, сигналы с которых подаются на раздельные выходы.

В случае необходимости преобразовать круговую поляризацию в линейную используют специальные преобразователи круговой поляризации в линейную. Один из таких преобразователей показан на рисунке 4.10.

Его конструкция содержит элемент кругового волновода, внутри которого установлена пластина из высокочастотного диэлектрика и две петли связи или два зонда, расположенных под углом 45^о к диэлектрической пластине. В результате в зонах действия каждой петли связи или зонда существует уже линейная поляризация сигнала, соответствующая их положениям. Такой преобразователь может быть установлен так же внутри облучателя, показанного на рисунке 4.9.

Антенны, предназначенные для непосредственного приема спутникового телевидения, располагаются, как правило, на сравнительно большом расстоянии от тюнера, которое исчисляется порой десятками метров. Задача передача сигнала сантиметрового диапазона от антенны непосредственно к приемному устройству решается достаточно просто благодаря использованию преобразователя частоты. Рассмотрим структурную схему высокочастотной головки, образующей наружный блок. На рисунке 4.11 приведена полная структурная схема установки для непосредственного приема спутникового телевидения. На пути от антенны к приемному устройству уже нет необходимости оставаться в пределах сантиметрового диапазона. Поэтому главным узлом высокочастотной головки является преобразователь частоты, подобный преобразователю супергетеродинного радиоприемника.

Преобразователь состоит из первого гетеродина Г и первого смесителя См 1, который обычно собирается по балансной схеме. Особенность этого преобразователя состоит в следующем. Перестройку по частоте с одного канала на другой удобнее производить в приемном устройстве. Поэтому гетеродин головки работает на фиксированной частоте, примерно 10 ГГц, а преобразователь является конвертером.

Частота первого гетеродина стабилизирована диэлектрическим объемным резонатором. На выходе конвертера первая ПЧ равна разности между частотой входного сигнала и частотой гетеродина и в отличие от супергетеродинного приемника не постоянна, а лежит в диапазоне 950…1750 МГц.

Любой преобразователь частоты вносит дополнительный уровень шумов, которые накладываются на сигнал. Для того чтобы в процессе преобразования частоты не ухудшить отношение уровня сигнала к уровню шумов, между поляризатором П и конвертером устанавливается широкополосный малошумящий транзисторный усилитель входного сигнала МШУ.

Полосовой фильтр ПФ служит для отделения помех, лежащих в полосе зеркального канала, еще до того, как они смогут попасть на вход конвертера, включенный между МШУ и конвертером.

С выхода конвертера сигнал ПЧ подается по кабелю на внутренний блок.

Список литературы

1.   Регламент радиосвязи.- т.1.- М.: Радио и связь, 1985г.-509с.

2.   Приложение к Регламенту радиосвязи.-т.1. ч. 1.-М.: Радио и связь, 2004г.

3.    ITU. 1994-ITU-Recommendations. ITU-R SNG Series. Satellite News Gathering. ITU-Recommendation Assembly.-Geneva,1994.-22p.

4.   ITU. 1994-ITU-Recommendations 1994. SF Series. Vol. Frequency sharing and coordination between the fixed-satellite service and the fixed service..-Geneva,1994.-133p.

5.   МСЭ. МККТ. Синяя книга. Т. III-2. Общие аспекты цифровых систем передачи; Оконечное оборудование. Рекомендации G.700- G.795. – 615 с.

6.   VSAT System and Earth Station. Handbook on Satellite Communications, Supplement №3 // ITU Radiocommunication.- Bureau, 1995.

Ю. А. Бутузов, Е. В. Ползик