Общие принципы и концепции построения спутниковых систем связи

Основой создания системы спутниковой связи (ССС) выступает установка ретранслятора на КА — космическом аппарате. Передвижение последнего долгое время происходит без энергозатрат, а системы получают питание от солнечных батарей. Высокоорбитальный КА способен охватить около трети земной поверхности, а его бортовой ретранслятор связывает между собой существующие на данной территории станции. В основе построения связи лежит ретрансляция сигнала спутниковой аппаратурой от осуществляющих передачу земных станций к приемным устройствам.

ССС состоит из нескольких сегментов:

Включает несколько равномерно размещенных на орбитах спутниковых ретрансляторов.

Космические аппараты состоят из:

● Центрального процессора;

● Антенных систем;

● Радиоэлектронного оборудования, составляющего бортовой радиотрансляционный комплекс;

● Систем стабилизации, ориентации;

● Аккумуляторов, солнечных батарей (электропитание).

Число входящих в орбитальную группировку спутников зависит от охватываемой территории, а также соотношения между объемом и стоимостью оказываемых услуг, простотой и устройством спутникового терминала.

Состоит из сети устанавливаемых пользователями спутниковых абонентских станций (стационарных или подвижных), а также включает:

● Центр, управляющий системой

ЦУС следит за космическими аппаратами, рассчитывает их координаты, сверяет, корректирует время, производит диагностику бортового оборудования, передает телеметрическую информацию. Также центр контролирует запуск, точность ввода/вывода КА на орбиту и с нее, разрешает нештатные ситуации.

● Центр, запускающий космические аппараты

Разрабатывает программу запуска, собирает ракету-носитель, производит предстартовую проверку, устанавливает полезную нагрузку КА. После запуска центр измеряет траекторию полета, а сведения предает в ЦУС.

● Центр, управляющий связью

Рассчитывает спутниковый ресурс, контролирует его использование, а также управляет связью. При возникновении нештатных ситуаций центр переходит в режим поддержки связи, имеющий повышенную нагрузку или реконфигурирует сеть.

Зависит от номенклатуры услуг, предоставляемых ССС: определения местоположения пользователей, связи абонентов друг с другом, с ТфОП, сотовыми сетями.

Абонентское оборудование включает:

● Переносные спутниковые терминалы (до 700 г);

● Мобильные терминалы (до 2.5 кг).

С помощью этого сегмента производится контроль связи через управляющий центр.

Организация ССС зависит от типа используемого искусственного спутника Земли, параметров земных станций, вида связи.

Системы связи строятся на трех разновидностях ИСЗ с участием следующих типов орбит:

● Высокой эллиптической

Период обращения ИСЗ по данной орбите составляет 12 часов. Она отличается большим размером зоны обслуживания, охватывая значительную область северного полушария.

● Геостационарной

Представляет собой круговую орбиту, находящуюся в плоскости экватора, где зона охвата составляет около ⅓ земной поверхности, а период оборота ИСЗ равен 24 часам. Высота ее составляет 35 875 км. Орбита движется синхронно с вращением Земли, поэтому относительно земной поверхности спутник остается неподвижным.

● Низковысотной

Плоскость таких орбит наклонена относительно экваториальной плоскости, а высота варьируется от 200 до 2000 км. Отличается экономичностью, поскольку запуск легкого ИСЗ осуществляется при помощи недорогих установок.

Две земные станции, между которыми настраивается связь, имеют прямые и касательные, выступающие линиями горизонта данных станций. Поэтому движущийся спутник может одновременно наблюдаться с обеих станций при его перемещении по участку орбиты. Вследствие этого излучаемые антенной системой ЗС электромагнитные колебания в первой условной точке в направлении спутника могут быть приняты его бортовым оборудованием, после чего усиливаются, преобразуются и направляются к Земле, где принимаются антенной ЗС во второй условной точке. Антенны ЗС должны быть постоянно ориентированы на ИСЗ, поэтому при перемещении последних, антенны должны поворачиваться и непрерывно «следить» за движением спутника.

Для построения подобной СС на каждой ЗС должны находиться две антенны, которые могут принимать, передавать сигналы участием одного из спутников, например, первого, расположенного в зоне взаимной связи. Когда он выйдет из данной зоны, связь будет осуществляться через второй спутник при участии второй антенны. При выходе из зоны вышеупомянутого спутника передавать, принимать сигналы будет третий вместе с первой антенной и т. д. Для получения стабильной связи между двумя станциями расстояние между соседними ИСЗ должно быть меньше зоны. Количество спутников при выборе такого метода зависит от параметров орбиты, а также расстояния, существующего между пунктами связи.

Подобный доступ представляет собой метод, при котором вся зона обслуживания разделяется на многочисленные узкие области, охватываемые лучами диаграмм направленности, исходящими от антенн.

Подобный доступ характеризуется выделением определенной несущей частоты для каждой станции. Разнос между двумя соседними несущими подбирается так, чтобы исключить взаимное наложение спектров во время модуляции. Работа станций на строго определенной частоте позволяет множеству устройств осуществлять трансляцию данных на одной территории.

Данный способ подразумевает поочередную работу земных станций, осуществляемую через ретранслятор. Поэтому все ЗС могут осуществлять свои функции на одной несущей частоте и должны обладать единой системой синхронизации для включения и выключения передающих устройств строго по очереди.

Трансляция спутникового сигнала в космическом пространстве характеризуется несколькими особенностями.

Возникает из-за большой протяженности линии связи, существующей между ЗС и расположенным на борту ИСЗ ретранслятором, поскольку для преодоления расстояния сигналу необходимо время. Проявляется появлением вынужденных пауз во время разговора двух абонентов.

Вызываются запаздыванием сигналов, появляются вследствие перехода с 4-проводных цепей связи на 2-проводные вследствие несовершенства дифференциальных систем. Эхосигналы ощущаются как прослушивание абонентом собственного разговора.

Возникает из-за перемещения спутника относительно ЗС и представляет собой перемену частоты принимаемых сигналов из-за взаимного перемещения приемника и передатчика. Эффект Доплера будет выражен сильнее в СС, использующих не геостационарные орбиты. Работа с геостационарными орбитами будет вызывать подобный эффект при коррекции орбитального положения спутника.