Спутниковые радиолинии

 Back Оглавление

Для организации спутниковой радиолинии необходимы две земные станции и спутник, обращающийся на орбите вокруг Земли. Комплекс Земных станций, один или несколько спутников, обращающихся на околоземной орбите, и систему управления ими называют системой спутниковой связи (ССС). Принципиально возможны два пути организации связи с использованием искусственных спутников Земли (ИСЗ):

С системами первого типа эксперименты проводятся уже несколько десятков лет, но, несмотря на использование пассивных спутников различного типа, пока не удалось получить на Земле устойчивого отраженного сигнала, достаточного для создания надежной радиолинии. Системы второго типа обеспечивают устойчивый радиосигнал и ныне активно применяются для создания радиолиний дальней связи самого различного назначения, в том числе и для использования в компьютерных сетях. В сравнении с наземными линиями связи, организуемыми по кабельным линиям, спутниковая связь обладает такими преимуществами, как короткое время развертывания, возможность ее использования в труднодоступных районах, мобильность. При достаточном энергетическом потенциале радиолинии может быть организован канал с широкой полосой пропускания, а значит и с высокой скоростью передачи. К недостаткам спутниковых радиолиний следует отнести подверженность внешним помехам, возможность постановки прицельных преднамеренных помех, что важно для военных и других радиолиний, требующих высокой надежности, возможность перехвата информации, передаваемой по радиолинии, высокую стоимость эксплуатации. В ряде применений ограничительной является большая задержка сигнала, обусловленная большой длиной радиолинии земля - спутник - земля и обратно. Для ИСЗ с высокими орбитами она может достигать 0.3 с. при распространении сигнала в одном направлении, а с учетом обратного канала - до 0.6 с.

Построение спутниковых связных комплексов

Рис.1 Типовая структура спутниковой радиолинии.

Рис.2 Комплексирование глобальной ССС с наземным сегментом сети связи.

Принципы построения и функционирования спутниковых систем связи, зоны взаимной видимости определяются параметрами орбиты спутника. Параметрами орбиты являются: высота орбиты от поверхности Земли в перигее и апогее, наклонение плоскости орбиты к плоскости экватора, эллипсность орбиты, смешение ее центра или фокуса (для эллипсовидных орбит) от Центра Земли.

Типы используемых орбит.

 По этому признаку все ССС делятся на Таблица 1

Показатель Геостационарная орбита Средневысотная орбита Низкоорбитальная орбита
Высота орбиты, км 36 000 5000-15 000 500-2000
Количество КА в ОГ 3 8-12 48-66
Зона покрытия одного КА (угол радиовидимости 50), % от поверхности Земли 34 25-28 3-7
Время пребывания КА в зоне радиовидимости (в сутки) 24 ч 1,5-2 ч 10-15 мин
Время переключения с одного спутника на другой, мин Не требуется 50 8-10
Время переключения из одного луча в другой, мин 10-15 5-6 1,5-2,0
Относительный максимальный доплеровский сдвиг 610-8 66 10-6 6(1,8-2,4) 10-5
Угол радиовидимости КА на границе зоны обслуживания, 0 5 15-25 10-15

Орбиты

Геостационарная орбита

 Большинство существующих ССС используют наиболее выгодную для размещения спутников геостационарную орбиту, основными достоинствами которой являются возможность непрерывной круглосуточной связи в глобальной зоне обслуживания и практически полное отсутствие доплеровского сдвига частоты, обусловленного движением спутника относительно Земной станции.
Геостационарные спутники, располагаясь на высоте примерно 36 тыс. км в плоскости экватора и двигаясь со скоростью вращения Земли, как бы "зависают" над определенной точкой земной поверхности, которая располагается на экваторе (так называемой подспутниковой точкой). В действительности положение геостационарного спутника на орбите не является неизменным: он испытывает незначительный "дрейф" под воздействием ряда факторов, вызывающих деградацию орбиты. При этом изменение положения орбиты за год может достигать 0,920. Основными параметрами, определяющими угловой разнос между соседними КА, являются пространственная избирательность бортовых и наземных антенн, а также точность удержания КА на орбите.
Зоны взаимной видимости земных станций через спутники на геостационарной орбите, расположенные под углом 120°, показаны на рис.3.


Рис.3 ССС в составе 3-х ИСЗ на стационарной орбите и зоны видимости
(Карта в меркаторской проекции)


Из рисунка видно, что зона охвата геостационарных ИСЗ не включает в себя высокоширотные районы (выше 76,50 с.ш. и ю.ш.), т. е. действительно глобальное обслуживание не гарантируется.
Связь через геостационарный ИСЗ не имеет перерывов в обслуживании, обусловленных взаимным перемещением спутника и наземной станции, а система из трех спутников обеспечивает охват практически всей территории земной поверхности. Однако на краях зоны видимости антенна должна быть направлена на спутник под углом места около нуля около 0 градусов, что делает связь неустойчивой. Обычно считают нормальным угол наклона оси диаграммы направленности к земной поверхности 3 - 7 градусов, что соответственно уменьшает зону взаимной радиовидимости земных станций.
Другой недостаток - задержка сигнала. Спутники на геостационарных орбитах оптимальны для систем радио- и телевизионного вещания, где задержки в 250 мс (в каждом направлении) не сказываются на качественных характеристиках сигналов. Системы радиотелефонной связи более чувствительны к задержкам, а поскольку суммарная задержка в системах данного класса составляет около 600 мс (с учетом времени обработки и коммутации в наземных сетях), даже современная техника эхоподавления не всегда позволяет обеспечить связь высокого качества. В случае "двойного скачка" (ретрансляции через наземную станцию - шлюз) задержка становится неприемлемой уже более чем для 20% пользователей.
Бурное развитие спутниковой связи, особенно в последнее десятилетие, привело к тому, что на геостационарной орбите стало очень "тесно" и возникли проблемы с размещением новых КА. Дело в том, что в соответствии с существующими международными нормами орбитальный разнос между геостационарными КА должен составлять не менее 1 градуса. Это означает, что на орбите можно разместить не более 360 спутников. Что же касается сокращения углового разноса между точками стояния ИСЗ на орбите, то на современном уровне развития техники это невозможно из-за взаимных помех.

Средне- и низковысотные орбиты

 Спутники на средних высотах перемещаются относительно земных станций, зоны взаимной радиовидимости через них меньше, поэтому требуется использование земной станции - шлюза, либо межспутниковых линий связи, позволяющих передать сигнал на тот спутник, в зоне видимости которого находится приемная земная станция. Однако при этом число спутников, находящихся в зоне видимости земной станции, может составлять 2 - 3 и более, что позволит выбрать для связи спутник, находящийся под большим углом к земной поверхности. Для организации мобильной и персональной связи эти системы стали использоваться только в последние 5 - 7 лет. Сегодня наиболее интенсивно осваиваются низкие наклонные и полярные орбиты высотой 700 - 1500 км, а также экваториальные высотой 2 тыс. км.
Спутники на низких орбитах обладают значительными преимуществами перед другими КА по энергетическим характеристикам, но проигрывают им в продолжительности сеансов связи и времени активного существования КА. Если период обращения спутника составляет 100 мин, то в среднем 30% времени он находится на теневой стороне Земли. Аккумуляторные бортовые батареи испытывают приблизительно 5 тыс. циклов зарядки/разрядки в год, вследствие чего срок их службы, как правило, не превышает 5 - 8 лет.
Однако чем меньше высота орбиты, тем меньше мгновенная зона обслуживания, а, следовательно, для глобального охвата требуется значительно большее количество спутников, сложная система межспутниковых связей для ретрансляции сигналов, сложная система управления для поддержания постоянства орбитальной группировки. Если низкоорбитальная система должна обеспечить глобальную связь с непрерывным обслуживанием, то необходимо, чтобы в орбитальную группировку входило не менее 48 КА. Период обращения спутника на этих орбитах составляет от 90 мин до 2 ч, а максимальное время пребывания КА в зоне радиовидимости не превышает 10 - 15 мин.

Эллиптические орбиты

 Основными параметрами, характеризующими тип эллиптической орбиты, являются период обращения спутника вокруг Земли и эксцентриситет (показатель эллиптичности орбиты). В настоящее время используются несколько типов эллиптических орбит с большим эксцентриситетом - Borealis, Archi-medes, "Молния", "Тундра" (табл. 2). Все указанные орбиты являются синхронными, т.е. спутник, выведенный на такую орбиту, вращается со скоростью Земли и имеет период обращения, кратный времени суток.
Для спутников на эллиптической орбите характерно то, что их скорость в апогее значительно меньше, чем в перигее. Следовательно, ИСЗ будет находиться в зоне видимости определенного региона в течение более длительного времени, чем спутник, орбита которого является круговой.
Так, выведенный на орбиту КА "Молния" (апогей 40 тыс. км, перигей 460 км, наклонение 63,50о) обеспечивает сеансы связи продолжительностью 8 - 10 ч, причем система всего из трех спутников поддерживает глобальную круглосуточную связь. Эллиптические орбиты с более низким апогеем, например Borealis (апогей 7840 км, перигей 520 км) или Archimedes (апогей 26 737 км, перигей 1000 км), предназначены для обеспечения региональной связи. Высокоэллиптическая орбита может иметь апогей либо в северном полушарии, либо в южном. Соответственно зона обслуживания охватывает либо северное полушарие, либо южное. Так, например, через геостационарный спутник с Европейской территории России односкачковая связь с Североамериканским континентом невозможна. Спутник на высокоэллиптической орбите решает эту задачу.
Системы с ИСЗ на эллиптических орбитах также не лишены "природных" ограничений. Постоянство местоположения КА на эллиптической орбите обеспечивается только при двух значениях наклонения плоскости орбиты к экватору - 63,4 град. и 116,6 град. Это объясняется воздействием неоднородностей гравитационного поля Земли, из-за которого большая ось эллиптической орбиты испытывает вращательный момент, что приводит к колебаниям широты подспутниковой точки в апогее.

Рис.4 Зона видимости для спутников типа "Молния"

Таблица 2

Тип орбиты Высота апогея*, км Период обращения, ч Число витков в сутки
Borealis 7840 3 8
Archimedes 28000 8 3
"Молния" 40000 12 2
"Тундра" 71000 24 1
* Высота перигея для всех указанных типов орбит составляет 500 км

Prev Предыдущий Next Следующий
Hosted by uCoz