Спутниковые ретрансляторы: виды, особенности и их роль в системах связи

Оборудование связи, обеспечивающее соединение между собой двух и более радиопередатчиков, находящихся на значительном расстоянии друг от друга, называется ретранслятором.

Орбиты, где находятся спутниковые ретрансляторы, бывают:

● Экваториальными (наклонение орбиты — 0º):

Геостационарная орбита выступает разновидностью экваториальной. Здесь спутник вращается с угловой скоростью, соответствующей скорости вращения Земли, в определенном направлении, не имеющем отличий от направления вращения планеты.

● Полярными (наклонение равно 90º):

При таком типе орбиты земные станции снабжаются системами слежения, используемыми для наведения антенны на спутник и его последующего сопровождения.

● Наклонными (имеющими отличное от 0º наклонение):

Позволяют устранить недостатки геостационарной орбиты (ограниченную емкость, большие задержки при передаче информации, отсутствие обслуживания в приполярных областях), однако требуют запуска не менее 3-х спутников на одну орбиту из-за их перемещения относительно наблюдения с Земли, что обеспечивает постоянный доступ к связи.

Устройства, представляющие собой электропроводящую среду, механическую конструкцию конкретного вида, или небесное тело специально созданной или заранее известной формы, которое способно направленно рассеивать или отражать электромагнитное излучение диапазона рабочих частот определенной линии связи и выступать промежуточным пунктом данной линии.

Ретрансляторы пассивного типа обслуживают сети связи, созданные из практически неограниченного количества линий, имеющих различные частоты радиосигналов, что достигается отсутствием взаимных помех на отражателе, обладающем линейными характеристиками.

При работе пассивного ретранслятора требуемый уровень сигнала обеспечивается:

● Увеличением размеров, эффективности передающей, принимающей антенн;

● Усилением мощности радиопередающего устройства;

● Снижением скорости передачи информации;

● Сужением используемой частотной полосы.

В качестве подобных ретрансляторов на линиях радиорелейной связи применяются отражатели (уголковые или плоские), антенные системы (зеркальные комплексы), однако такие спутники практически не используются.

Конструкцию подобного устройства составляют одна или несколько антенн, радиоприемник, источник электропитания, радиопередатчик средства автоматизации, дистанционного управления, контроля аппаратуры.

Активные ретрансляторы могут обслуживать определенное количество линий связи, имеют ограниченную пропускную способность. Во избежание возникновения взаимных помех на передающем и приемном концах оборудования применяется разделение сигналов (временное, кодовое, частотное). Ретранслятор оснащается системой контроля, предотвращающей перегрузку передатчика сигналом у выхода, а также дополнительным комплектом оборудования, что повышает надежность системы.

Демодулирует принятый сигнал, а затем модулирует его заново, что обеспечивает двойную коррекцию ошибок: на спутнике и приемной аппаратуре земной станции. Однако данный метод отличается сложностью, а также значительной задержкой передачи сигнала.

Устанавливаемое на спутниках устройство радиотехнического типа, которое принимает, переводит в другую частоту, усиливает сигнал с последующей его передачей к наземной спутниковой станции. Выступает разновидностью активных ретрансляторов, не демодулирует принятый сигнал, а также не модулирует его для последующей передачи.

Ретранслятор состоит из приемных, передающих или комбинированных (приемопередающих) антенн, имеющих собственные фидерные тракты, а также транспондеров, количество которых может достигать нескольких десятков.

Транспондер состоит из нескольких элементов:

● Частотного преобразователя;

● Малошумящего усилителя;

● Ствольного фильтра;

● Усилителя мощности (выходного каскада);

● Канального усилителя.

Принцип работы устройства заключается в следующем: сигнал с центральной частотой транспондера на прием подается к малошумящему усилителю с последующим предварительным усилением. После образовавшегося сдвига по частоте сигнал с центральной частотой на передачу проходит к ствольному фильтру, где формируется установленная полоса пропускания. Затем канальный усилитель преобразует сигнал до уровня, необходимого для адекватной работы мощного каскада у выхода. После этого сигнал проходит к передающей антенне.

Оценка энергии линий связи через подобный ретранслятор осуществляется при помощи базового уравнения радиосвязи. При этом должны быть учтены технические характеристики устройства. Для коэффициента усиления транспондера оценка производится путем объединения малошумящего и канального усилителей в один, работающий в линейном режиме.

Один тип подобных устройств принимает и осуществляет преобразование входных сигналов при отсутствии их обработки на борту. Другой тип имеет в составе один или несколько канальных процессоров или полнодоступную матрицу высокой частоты, используемую для коммутации каналов. Основное преимущество прозрачных ретрансляторов — простота реализации, поскольку они производят только аппаратное преобразование сигнала на промежуточной частоте без фильтрации каналов, демодуляции. Недостатками подобных устройств выступает присутствие нелинейных эффектов, интермодуляционных помех.

В ретрансляторе, имеющем один канальный процессор, принятый сигнал у выхода приемника разделяется на несколько каналов, в каждом из которых происходит прозрачное преобразование. Комбинированный тип предполагает установку процессора в одном или нескольких каналах, что обеспечивает использование различных скоростей передачи, алгоритмов кодирования и т. д.

Обеспечивает эффективное усиление мощности, которое возникает за счет вызванного нелинейностью искажения сигнала.

К недостаткам нелинейных усилителей относятся:

● Интермодуляционные помехи, которые появляются из-за взаимодействия различных несущих. Происходит потеря полезной мощности, переходящей в энергию помех, а также внесение в канал связи паразитных искажений;

● Нелинейное преобразование амплитудной модуляции, приводящее к изменению амплитуды у выхода устройства;

● Превращение амплитудной модуляции в фазовую, где колебания могут привести к нарушению точности передачи при использовании любой схемы, в основе которой лежит модуляция фазы;

● Избыточное ослабление сигналов относительно сильных (до 18 дБ).

Ретрансляторы отличают несколько основных параметров:

Основной показатель, определяющий эффективность функционирования космического аппарата (КА) и зависящий от энергетических параметров последнего (изотропно излучаемой мощности, добротности), параметров антенных систем, а также способов доступа, обработки данных на борту спутника.

Представлена произведением мощности подводимого к антенне сигнала на ее абсолютный коэффициент усиления. Значения ЭИИМ как правило не превышают 30−45 дБ/Вт для систем с космическим аппаратом на геостационарной орбите, 20−35 дБ/Вт для средних орбит, 5−25 дБ/Вт — у низких.

Определяется соотношением усиления антенны и общей шумовой температуры бортового приемного устройства. Добротность не должна выходить за границы диапазона от -12 до +3 дБ/К.

Оказывает влияние на условия электромагнитной совместимости ретранслятора с другой электронной аппаратурой и подлежит жесткому регламенту. Параметры бортовых антенн в каждом лучше подбираются так, чтобы создаваемая на поверхности Земли плотность потока мощности не зависела от направления излучения, оставаясь постоянной.

Проблему передачи сигнала на большие расстояния, возникающую вследствие воздействия различных факторов (погодные условия, рельеф, геомагнитная обстановка), решают системы ретрансляции. Принцип их действия заключается в установке дополнительного приемника‑передатчика на определенном расстоянии от осуществляющего передачу центра. Приемопередающее устройство принимает сигнал от источника, передавая его к следующему ретранслятору.