662_Nosov_V.I._Obespechenie_ehlektromagnitnoj_sovmestimosti_

ся и переизлучаются наравне с полезным сигналом (происходит отбор мощности передатчика на излучение шумов), суммируясь с помехами в линии «вниз».

2.2. ССС на базе негеостационарных орбитальных группировок ретрансляторов

В настоящее время наряду с ГССС, много лет успешно функционирующими в режиме коммерческой эксплуатации, на начальном этапе предоставления услуг связи и в процессе проектирования находятся множество ССС нового типа, которые потенциально могут обеспечить своим пользователям более широкий спектр услуг с более высоким качеством. Это ССС на негеостационарных орбитах (НССС), включая низкоорбитальные сети – LEO, в состав орбитальных группировок которых входят от десятков до сотен КА. Последние успехи в области микроэлектроники и космических технологий позволили удешевить массовое производство космических аппаратов данного типа.

Необходимость предоставления широкого класса услуг подвижным абонентам, абонентам в малонаселенных и труднодоступных районах, в районах Крайнего Севера и приполярных областей, а также совершенствование конструкции и технологии производства бортовых радиотехнических комплексов в совокупности с применением новых информационных технологий значительно повысили интерес к этим сетям связи.

Как уже упоминалось в разделе 1, ГССС имеют такие существенные недостатки, как:

1.Большое время распространения радиосигналов между абонентами (около 250 мсек), что приводит к появлению эффекта эха. Эта же причина объясняет и высокую стоимость наземных станций ГССС (особенно станцийшлюзов при передаче информационных потоков на скоростях свыше 2 Мбит/с) из-за необходимости обеспечения требуемых энергетических характеристик космических радиолиний. Каждая ЗС представляет в этом случае достаточно громоздкую сложную конструкцию, для размещения которой не всегда легко отыскать место (особенно в городе) и обеспечить её сопряжение с наземными сетями связи. Это привело к тому, что ГССС обладают высокой стоимостью эксплуатации, требуют использования мощных передатчиков, используют в основном стационарные ЗС с зеркальными параболическими антеннами, имеют ограничения по мобильности абонентов, К тому же и стоимость терминалов составляет свыше нескольких тысяч долларов.

2.Пространственный дефицит для размещения новых СР на геостационарной орбите (в частности, из-за необходимости обеспечить требования электромагнитной совместимости различных ССС).

3.Невозможность предоставления услуг связи в высоких широтах и др.

81

Этих недостатков нет у НССС, либо они выражены в меньшей степени. Основными особенностями НССС по сравнению с ГССС являются:

меньшая высота орбит КА (от 700-1500 км у LEO, до 10000-20000 км

уМЕО, и, как следствие, существенно меньшая задержка распространения сигналов;

небольшие энерго- и массогабаритные характеристики КА. Например, масса низкоорбитальных КА, как правило, не превышает 250-750 кг;

высокая скорость изменения топологии сети и малая продолжительность времени радиовидимости (например, в LEO средняя продолжительность времени радиовидимости и неизменной топологии каналов связи составляет только 6-7 минут). Вследствие этого в конце 80-х годов точное предварительное позиционирование антенн абонентов было сложно реализовать. Но сейчас данная проблема решена с помощью фазированных антенных решеток;

высокие доплеровские сдвиги частот (около 40 кГц в L-диапазоне);

использование более высоких, чем для ГССС, углов возвышения антенн терминалов, например 20°-40°, что обеспечивает надежность связи около

99,9%, и др.

Другие отличия LEO НССС от ГССС приведены в таблице 2.1. (в таблице условно LEO разбиты на два класса: легкие (весом до 125 кг) и тяжелые (весом до 500-700 кг).

Первыми широкомасштабными системами НССС были российские МЕОсистемы с тремя спутниками на эллиптической орбите «Молния» и LEOсистема «Стрела». В тот же период времени аналогичные системы появились и за рубежом. Первой коммерческой являлась LEO-система Iridium [4, 5].

Таблица 2.1. – Основные качественные характеристики НССС и ГССС

82

Негеостационарными группировками спутников-ретрансляторов являются СР, размещенные на круговых орбитах высотой менее геостационарной, а также на эллиптических орбитах.

Эллиптические орбиты привлекательны для избирательного покрытия одного из земных полушарий. На рис. 2.7. показана 12-часовая эллиптическая орбита, покрывающая, за исключением приэкваториального пояса, северное полушарие.

83

Рис. 2.7. – Эллиптическая орбита

Высота точки перигея орбиты выбирается минимально возможной с учетом дестабилизирующего влияния остаточной атмосферы Земли и составляет примерно 500 км. Поскольку скорость движения СР по орбите возрастает по мере уменьшения ее высоты, он быстро пересекает на низких высотах южное полушарие и при угле наклонения орбиты около 90 градусов в течение длительного времени «зависает» над северным полушарием. Высота точки апогея 12-часовой эллиптической орбиты сопоставима с высотой геостационарной орбиты и составляет примерно 40000 км. Для непрерывного покрытия полушария во времени достаточно трех спутников, длительность сеанса связи с каждым из которых равна 8 часов.

Наряду с отмеченными достоинствами, эллиптическим орбитам присущи и существенные недостатки: значительное изменение дальности в течение сеанса связи, большой доплеровский сдвиг частоты, необходимость использования на ЗС следящих антенных систем, сложность и высокая стоимость вывода тяжелых спутников связи на орбиты с большим углом наклонения.

Заслуживает внимания также и баллистическая структура системы «Кентавр», предложенная российскими разработчиками. Баллистическая структура системы обеспечивает реализацию эффекта псевдогеостационарности (неподвижности спутника) над широтой около 63 градусов. Эффект обеспечивается развертыванием четверки спутников на особых двенадцатичасовых высокоэллиптических орбитах.

Каждая четверка спутников является одним базовым сегментом системы. В базовом сегменте обеспечивается синхронизация включения/выключения бортовых ретрансляторов на апогейных участках орбиты. Так как на этих участках спутники практически неподвижны относительно земной поверхности, для аппаратуры потребителя создается эффект непрерывного положения

84

космической станции в одной точке. Один базовый сегмент обеспечивает две зоны неподвижности (позиции), что, по сути, эквивалентно развертыванию двух геостационарных спутников связи. Полная автономность сегментов позволяет последовательно развертывать новые сегменты (без взаимной синхронизации) в интересах новых пользователей, в целях расширения зон обслуживания или повышения пропускной способности.

Фактически данная система использует новый природный ресурс – два кольца псевдогеостационарности ретранслятора (Северное и Южное полушарие) над широтой 63 градусов, что в совокупности близко к объему геостационарной орбиты.

Данный класс орбитальных группировок имеет следующие особенности:

использование нового природного ресурса – псевдогеостационарной орбиты, реализующей принципы геостационарной, но на широтах 63°;

значительные углы видимости на территориях выше широты 35е, где расположены государства с максимальным объемом трафика – Европа, США, Канада, а также Россия и страны СНГ. Как следствие этого – устойчивая работа

вусловиях пересеченной местности и городской застройки;

возможность поэтапного развертывания широкомасштабной системы спутниковой связи с практически глобальным покрытием, запуска в коммерческую эксплуатацию уже на первом этапе с относительно небольшими начальными финансовыми вложениями;

возможность использования РН легкого класса, отсутствие квот и очередей на запуски спутников системы.

Высота круговых орбитальных группировок на низких орбитах LEO лежит в пределах от 700 до 1500 км. Ограничение снизу обусловлено наличием остаточной атмосферы Земли, а сверху – околоземными радиационными поясами Ван Аллена, снижающими надежность и долговечность главным образом первичных источников питания, а также радиоэлектронной аппаратуры.

Простые и дешевые малые ретрансляторы в НССС используются для низкооперативной передачи коротких цифровых сообщений, в том числе и речевых в цифровой форме. Интерактивный режим информационного обмена не предусматривается. Орбитальные группировки таких ретрансляторов делают некорректируемыми, что позволяет существенно снизить стоимость космического и наземного сегментов сети и, соответственно, предоставляемых информационных услуг. В процессе функционирования вследствие воздействия различных дестабилизирующих факторов параметры орбит ретрансляторов изменяются, поэтому обеспечить полное покрытие области обслуживания практически невозможно. В подобных сетях передача сообщений обычно осуществляется в режиме электронной почты и сводится к следующему: пользовательотправитель цифрового сообщения набирает его на своем терминале и включает его в режим прослушивания. Формат сообщения предусматривает включе-

85

ние в его служебную часть адресов отправителя и получателя, а также информации об объеме сообщения.

Тяжелые низкоорбитальные ретрансляторы используются в ССС, обеспечивающих полное покрытие области обслуживания с нулевым временем ожидания сеансов связи, что позволяет поддерживать интерактивный режим информационного обмена между любой парой пользователей в масштабе времени, близком к реальному. При этом во избежание возникновения «брешей» в области обслуживания необходимо с весьма высокой точностью поддерживать расчетные баллистические параметры орбитальной группировки, что возможно лишь при периодической коррекции этих параметров в процессе эксплуатации сети. Для этого каждый ретранслятор снабжается системой коррекции орбиты (двигательная установка + соответствующий запас топлива + подсистема приема, распределения и исполнения команд), а наземный сегмент дополняется ко- мандно-измерительными станциями.

В основе построения ССС на базе больших низкоорбитальных ретрансляторов лежит принцип, аналогичный используемому в наземных сотовых сетях связи. Область обслуживания сети разбивается на ряд фиксированных зон обслуживания. Геометрические размеры и размещение зон обслуживания на поверхности Земли определяются концепцией построения сети, в частности параметрами орбитальной группировки ретрансляторов. Каждый из пользователей сети «приписывается» к конкретной зоне обслуживания. В любой момент времени каждая зона обслуживается как минимум одним из ретрансляторов группировки. Динамика движения спутников по орбитам и вращение Земли приводят к тому, что одна и та же зона обслуживается в различные интервалы времени разными ретрансляторами. В результате возникает необходимость в реконфигурации каналов связи сети, поскольку часть каналов «разрывается» и заменяется вновь организуемыми каналами. Реконфигурация каналов отрицательно сказывается на качестве информационного обмена, и следует стремиться к минимизации частоты этих событий. Количественной оценкой частоты реконфигурации каналов связи является средняя (или, что менее объективно, максимальная) продолжительность сеанса связи ретранслятора с зоной обслуживания.

Одной из ключевых проблем при разработке НССС является организация межзонового информационного обмена, необходимого для поддержания связи между пользователями, находящимися в разных зонах обслуживания.

Качественные характеристики возможных способов организации в межзоновой связи приведены в таблице 2.2.

86

Таблица 2.2 – Характеристики возможных способов организации межзоновой связи

В пользу круговых ОГ на низких и средних орбитах по сравнению с геостационарными обычно приводятся следующие аргументы:

1.Поскольку затухание сигналов в свободном пространстве прямо пропорционально квадрату расстояния, относительно небольшая дальность связи при прочих равных условиях позволяет существенно снизить требования к энергетическим характеристикам аппаратуры пользователей и ретрансляторов. Это дает возможность, в частности, поставить на рынок новые привлекательные информационные услуги - высокоскоростную персональную фиксированную спутниковую связь и глобальную персональную подвижную связь по ценам, приемлемым для широкого круга пользователей.

2.Относительно небольшая дальность связи обеспечивает небольшие задержки распространения, что позволяет организовать интерактивный режим информационного обмена пользователей в масштабе времени, близком к реальному (при использовании ГСР задержка распространения составляет 250-270 мс).

3.Рассредоточенность негеостационарных спутников над поверхностью Земли позволяет обеспечить работу пользователей при больших углах возвышения ретрансляторов практически в любой точке земной поверхности. Область обслуживания ГСР при минимально допустимом угле возвышения 10°

простирается по широте в пределах 70°, а при увеличении минимально допустимого угла возвышения до 30° сокращается до 50°.

Концепции построения и технический облик НССС и космических аппаратов значительно отличаются от известных для ГССС и наземных телекоммуникационных систем. В то же время математический аппарат и методы комплексных исследований НССС развиты недостаточно, В связи с этим имеющихся в литературе результатов исследований, подтвержденных практикой, явно недостаточно. Вследствие этого, если сравнить концепции построения проектируемых или заявленных ранее проектов НССС, видно, что каждая из этих систем уникальна по своим принципам построения. Более того, принципы построения этих систем взаимоисключающие, а некоторые базовые технические

87

решения, принятые к реализации на начальных этапах системотехнического проектирования, были просто неоправданны. Это говорит, в частности, и о том, что до настоящего времени нет глубоких концептуальных проработок построения НССС, недостаточно полно разработана система получения качественных и количественных оценок тех или иных альтернативных вариантов построения сетей. [2]

2.3. Разделение частотного ресурса спутникового ретранслятора между земными станциями

Многостанционная передача через спутниковый ретранслятор. Если представить каждую ЗС сети как некий совокупный источник информации (в том смысле, что сигнал каждой ЗС может переносить информацию от большого количества пользователей сети), то СР с непосредственной ретрансляцией можно рассматривать как устройство объединения радиосигналов от многих ЗС.

В соответствии с классической теорией линейного объединения и разделения каналов из суммы большого числа сигналов можно безошибочно выделить отдельные слагаемые, если объединяемые сигналы ортогональны (разде-

лимы) [3, 4].

Исходя из выполнения приведенного условия, различают:

–частотное разделение каналов – ЧРК (FDMA – Frequency Division Multiple Access). При ЧРК объединяемые сигналы совпадают во времени, но не перекрываются их спектры;

–временное разделение каналов – ВРК (TDMA – Time Division Multiple Access). При ВРК сигналы не совпадают во времени, а их спектры полностью перекрываются;

–разделение каналов по форме – РКФ (CDMA – Code Division Multiple Access). При РКФ уплотняемые сигналы перекрываются во времени и по спектру.

Многостанционный доступ с частотным разделением (МДЧР). В этом случае для каждого ствола (т. е. для каждой станции) выделяется определенная несущая частота (f1, f2,..., fn). Разнос между парой соcедних несущих выбирается таким, чтобы была исключена возможность взаимного перекрытия спектров при модуляции (рис. 2.8, а). При этом величина защитного частотного интервала между сигналами соседних по частоте станций выбирается равной 0,2 – 0,6 от полосы занимаемой полезным сигналом.

88

f

а)

Тк

б)

Рис. 2.8. – Многостанционный доступ с разделением по частоте (а) и по времени (б)

Таким образом, в этой системе на вход ретранслятора поступает сложный сигнал, представляющий собой систему n модулированных гармонических сигналов, являющихся несущими частотами всех ЗС. Прохождение такого сложного сигнала через общий бортовой ретранслятор, представляющий собой нелинейное устройство, приводит к следующим нежелательным явлениям:

возникновению переходных помех из-за АМ-ФМ преобразования;

подавлению сигналов тех земных станций, уровень которых на входе ретранслятора по каким-либо причинам (например, вследствие замираний) окажется меньше уровней сигналов других станций. Это подавление может доходить до 6 дБ. Для устранения этого явления необходимы соответствующий контроль и регулировка уровней сигналов, излучаемых с каждой земной станции. Такая регулировка на каждой земной станции может производиться автоматически сопоставлением принятых с ретранслятора уровней сигналов различных стволов (станций);

возникновению переходных помех между стволами и снижению выходной мощности ретранслятора из-за нелинейности амплитудной характеристики тех каскадов ретранслятора, которые являются общими для всех стволов, принятых с земных станций. Снижение выходной мощности обусловливается появлением продуктов нелинейности, на которые расходуется часть мощности ретранслятора.

Для учета неслучайных факторов, влияющих на коэффициенты передачи каналов по мощности, можно, например, использовать ряд ЗС с антеннами разного диаметра, увеличивая диаметр для станции, находящихся ближе к периферии зоны обслуживания (увеличивается дальность связи, падает коэффициент

89

усиления антенны ретранслятора и увеличиваются потери в атмосфере). Для учета случайных факторов (ошибки наведения антенны ЗС, состояние атмосферы на трассе распространения радиосигналов и пр.) необходимо оперативное управление излучаемой мощностью. Для необслуживаемых ЗС такое управление осуществляется через ЦС, что отвлекает часть связных ресурсов сети. Необходимость обеспечения равенства мощностей полезных сигналов на входе ГСР усложняет аппаратуру связи, приводит к дополнительным энергетическим потерям и является очевидным недостатком ЧРК.

Перечисленные явления приводят к тому, что при заданном значении переходных помех между каналами, с увеличением числа земных станций, т. е. с увеличением числа каналов, одновременно усиливаемых ретранслятором, приходится снижать скорость передачи в каждом канале. Отсюда, чем большее число станций входит в систему МДЧР, тем меньшая скорость передачи может быть обеспечена.

Многостанционный доступ с временным разделением (МДВР). При использовании ВРК передача информации через ретранслятор осуществляется кадрами фиксированной длительности Тк (рис. 2.8б). Кадры разбиваются на n слотов длительностью Тсл = Тк/n. Слот закрепляется за одной из ЗС сети, в который она «вставляет» свои информационные посылки в виде пакетов фиксированного объема.

При ВРК отсутствуют перекрестные помехи, обусловленные многосигнальным режимом работы усилителя мощности ретранслятора, отсутствуют энергетические потери, связанные с различием мощностей полезных сигналов на входе ретранслятора, отсутствуют защитные частотные интервалы между каналами.

За счёт этого при ВРК энергетический выигрыш бортовой аппаратуры по сравнению с ЧРК составит ориентировочно 5-9 дБ, что позволяет ожидать увеличения при том же ретрансляторе пропускной способности сети в 3-7 раз.

С другой стороны, при ВРК полоса частот, занимаемая каждой станцией сети равна полосе ретранслятора ∆fк = ∆fретр.

При ВРК ЗС работают в импульсном режиме, излучая в среднем такую же мощность, что и при ЧРК, но требуют передатчиков с пиковой мощностью в n раз большей. Поскольку пиковая мощность во многом определяет стоимость оборудования, это является достаточно серьезным недостатком ВРК.

Каждый передаваемый пакет для синхронизации аппаратуры приемной станции снабжается синхропосылкой. Типовая структура пакета показана на рис. 2.9. Синхропосылка содержит как минимум три основных фрагмента — сигнал для захвата частоты и фазы принимаемого колебания, сигнал для выделения тактовой частоты принимаемых символов, сигнал для определения начала информационной части (первого значащего бита) принимаемого пакета — преамбулу.

90