662_Nosov_V.I._Obespechenie_ehlektromagnitnoj_sovmestimosti_

Максимальная температура шумов атмосферы с осадками не превышает 260 0К и начинает играть существенную роль для малых углов места в диапазонах частот выше 5 ГГц.

Третье слагаемое (1.23) и (1.24) яркостная температура Земли Тз определяется кинетической температурой Т0 = 290 0К, но при определении Тз для КС следует учитывать вид и характер земной поверхности, попадающей в зону видимости антенны КС. Для бортовых антенн ГО ИСЗ с глобальным охватом следует принимать Тз + Та ≈ 260 0К, а для антенн с узким лучом Тз + Та может составлять 100 260 0К.

Для антенн ЗС яркостная температура излучения атмосферы, отраженного от Земли Тз + Та.з, дополняет термодинамическое излучение Земли и в сумме они дают излучение с яркостной температурой близкой к 290 0К [4, 5].

Рис. 1.16. – Зависимость шумовой температуры атмосферы (с учётом осадков) от частоты и угла места

Рассмотрим четвертую составляющую (1.23) и (1.24) шумовой температуры антенны, обусловленную омическими потерями в антенне

где ам - потери в материале зеркала антенны.

Рассмотрим последнюю составляющую в (1.23) Тоб. Иногда антенны ЗС от воздействия осадков укрывают радиопрозрачным обтекателем, дающим небольшой прирост шумовой температуры, который можно не учитывать в сухую

41

погоду. Во время сильных дождей на поверхности обтекателя может образоваться водяная пленка, которая явится причиной поглощения сигнала. Это яв-

ление следует учитывать при подсчете ТА.зс: для ≈ 5 15°, Тоб ≈ 4 8 0К, а для

→ 90°, Тоб ≈ 12 20 0К.

Эквивалентная шумовая температура приемника. Рассмотрим по-

следнюю составляющую (1.22) Тпр. Шумовая температура приемника в основном определяется шумовой температурой входного малошумящего усилителя (МШУ) и обусловлена его собственными тепловыми шумами, которые зависят от типа приемника. Применение МШУ характерно для ССС, т.к. позволяет существенно увеличить чувствительность приемника.

На входе приемных устройств, как КС так и ЗС, должно обеспечиваться необходимое соотношение сигнал-шум, поэтому стараются подобрать такие параметры МШУ, чтобы это условие выполнялось. Дополнительно повысить чувствительность приемника можно, поместив МШУ вне помещения, вблизи облучателя антенны, а во внутреннюю часть приемника сигнал передавать по АВТ. Для достижения большей надежности применяют резервирование МШУ с автоматическим переключением на резервный комплект.

Необходимо учитывать, что вклад шумов на участке «вверх» примерно в 5 10 раз меньш е, чем на участке «вниз», Тсум.кс = (5 10) Тсум.зс.

Антенна приемной системы ИСЗ ориентирована на Землю и, следовательно, эквивалентная шумовая температура приемной системы КС не может быть меньше эквивалентной шумовой температуры среды, в которой она находится, т.е. Тсум.кс ≥ Т0. С другой стороны, эквивалентная шумовая температура усилителя приемника должна быть минимальной, однако снижать ее целесообразно до значений, сравнимых с шумовой температурой антенны ТА.

Таким образом: в зависимости от диапазона частот Тмшу кс изменяется в пределах от 300 до 2500 0К, а Тмшу.зс изменяется в пределах от 15 до 300 0К.

Первым МШУ, нашедшим широкое применение, был параметрический охлаждаемый усилитель (ПУ). В ПУ имело место как бы "бесшумное" преобразование энергии колебаний одной частоты, называемое частотой накачки, в энергию колебаний другой частоты на элементе с переменной реактивностью (варактор).

После них стали применять неохлаждаемые ПУ на основе варакторов с барьером Шотки на арсениде галлия или на основе твердотельных генераторов накачки на основе диодов Ганна или лавинно-пролетных диодов, которые давали Тмшу.зс ≈ 60 90 0К. В настоящий момент ПУ вытеснены значительно более простыми транзисторными усилителями (ТрУ), которые превосходят неохлаждаемые ПУ. Чаше других применяются ТрУ на полевых транзисторах.

В последние годы получена шумовая температура Тмшу.зс ≈ 12 15 0К в диапазоне 4 ГГц и 18 22 0К в диапазоне 11 ГГц. Коэффициент усиления МШУ

42

ЗС обычно равен 40 50 дБ для многоствольных станций и 30 40 дБ для одноствольных.

В приемнике КС диапазона 6 ГГц применяют МШУ на полевых транзисторах или транзисторы на электронах с высокой подвижностью (High Electron Mobility Transistor) -НЕМТ-транзисторы с Тмшу кс = 70 100 0К и коэффициентом усиления 32 40 дБ. МШУ диапазона 14 ГГц состоит из двух полевых транзисторов, соединенных вместе для уменьшения размеров, и имеет шумо-

вую температуру Тмшу кс = 120 240 0К, а коэффициент усиления 26 40 дБ.

КС непосредственного спутникового ТВ вещания диапазона 18 ГГц имеет двухкаскадный МШУ, выполненный на НЕМТ-транзисторах с шумовой температурой Тмшу кс = 300 350 0К и коэффициентом усиления 28 30 дБ.

1.6. Определение энергетических параметров спутниковых линий

связи

Произведем расчет линии связи между двумя мобильными пользователями (абонентскими терминалами). На линии вниз (Земля-спутник) мощность сигнала на входе приёмника спутникового ретранслятора определяется форму-

лой [3, 4, 6]:

вх.кс = э.зс∙пр.кс , (1.26)вверх∙доп

где Lвверх – затухание сигнала в свободном пространстве на линии вверх; Lдоп – дополнительные потери сигнала в атмосфере;

Рэ..зс – ЭИИМ ЗС; Gпр.кс – коэффициент усиления приёмной антенны КС.

Затухание сигнала в свободном пространстве на линии вверх определяется по формуле (1.15), а дополнительные потери по формуле (1.16).

Дополнительные потери сигнала Lдоп, обусловленные поглощением радиоволн в атмосфере, зависят от используемой частоты, угла места земной станции, климатических условий и т.д. Их значение может варьироваться в пределах от 1,5 дБ до 6 дБ.

Полная мощность шумов, создаваемых на входе приемного устройства КС определяется по формуле (1.21). При этом полоса частот шумов Пш определяется полосой частот сигнала и зависит от позиционности модуляции M и скорости передачи данных R

где α – коэффициент скругления спектра, современные методы обработки сигналов позволяют достичь значения α = 0.2, однако в большинстве действующих систем связи α = 0.35.

Результирующее значение сигнал/шум (SNR – Signal Noise Ratio) на линии вверх с учетом (1.26) и (1.27) определяется выражением

По аналогии с (1.28) определим результирующее отношение SNR на линии вниз

Поскольку в ССС для связи двух абонентских терминалов используется одновременно линия вверх и линия вниз, то на входе приёмника абонентского терминала суммарное (результирующее) отношение сигнал/шум будет определяться с учётом формул (1.28) и (1.29).

Для удобства обозначим отношение сигнал/шум через h = (Рс/Рш). Тогда результирующее отношение сигнал/шум можно определить из выражения

Из (1.30) следует

Далее полученное значение суммарное отношение сигнал/шум сравнивается с допустимым для данной позиционности модуляции М отношением с/ш

hдоп.

1.7.Орбиты ИСЗ

При построении ССС могут быть использованы следующие типы орбит:

геостационарная орбита {GEO — Geostationary Earth Orbit};

низкие круговые орбиты {LEO — Low Earth Orbit};

44

В то же время, среди особенностей геостационарной орбиты следуют отметить значительное расстояние и время (около 250 мсек) распространения радиосигналов. Данные факторы требуют использования мощных передатчиков для обеспечения необходимых энергетических характеристик радиолиний и подавления эффекта эха. Также особенностью ГСР является невозможность предоставления услуг связи в высоких широтах.

Негеостационарными группировками спутников-ретрансляторов являются СР, размещенные на круговых орбитах высотой менее геостационарной, а также на эллиптических орбитах. Чем ниже орбита, тем меньше область обслуживания каждого СР. Поэтому для обслуживания достаточно больших территорий земной поверхности требуется много спутников - от нескольких десятков до нескольких сотен. Период обращения ретрансляторов на низких орбитах составляет 90-120 минут, а максимальное время видимости спутника из фиксированной точки земной поверхности не превышает 10-15 минут. Для данного типа орбиты характерны высокие доплеровские сдвиги частот (около +/–40 кГц в L- диапазоне).

Низкоорбитальные ретрансляторы (LEO) размещаются на круговых орбитах высотой 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. Как правило имеют небольшие энерго- и массогабаритные характеристики (250-750 кг).

Возможные орбиты средневысотных спутников (MEO) находятся на высотах от 10 до 20 тыс. км. Продолжительность пребывания СР в зоне радиовидимости ЗС составляет 1,5 – 2 часа, а орбитальный ресурс средневысотных спутников лишь незначительно меньше, чем у геостационарных. Период обращения спутника вокруг Земли выбирается равным 6 часов (при высоте орбиты 10350 км). Это приводит к повторению траектории подспутниковой точки через каждые 4 витка орбиты, что значительно упрощает процесс информационного обслуживания пользователей.

Для спутниковых систем на круговых низких и средних орбитах характерно снижение требований к энергетическим характеристикам аппаратуры пользователей и ретрансляторов, меньшие задержки распространения сигналов. Рассредоточенность негеостационарных спутников над поверхностью Земли позволяет обеспечить работу пользователей при больших углах возвышения ретрансляторов практически в любой точке земной поверхности.

Эллиптические орбиты (EEO) привлекательны для избирательного покрытия одного из земных полушарий за исключением районов, близких к экватору. Для таких спутников характерно то, что в силу закона сохранения энергии их угловая скорость в апогее значительно меньше, чем в перигее. Поскольку скорость движения СР по орбите возрастает по мере уменьшения ее высоты, он

46

быстро пересекает на низких высотах южное полушарие и при угле наклонения орбиты около 90 градусов в течение длительного времени находится 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. Эллиптическим орбитам присущ ряд существенных недостатков: 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. На рис 1.18 приведены примеры ИСЗ на различных орбитах.

Подавляющая часть существующих ССС использует для размещения СР геостационарную орбиту, основными достоинствами которой являются возможность непрерывной круглосуточной связи и практически полное отсутствие доплеровского сдвига частоты. Вследствие этого при достижимых на сегодняшний день точностях удержания СР в рабочей точке на орбите и систем ориентации бортовых антенн на ЗС нет необходимости использовать достаточно сложные и дорогие следящие системы наведения антенн. Это существенно снижает стоимость наземного сегмента ССС и затраты на его эксплуатацию.

Число спутников-ретрансляторов на геостационарной орбите ограничивается международными нормами. Для обеспечения приемлемой электромагнитной совместимости разных ССС угловой разнос ГСР на орбите должен быть не меньше одного градуса. Геостационарная орбита близка к насыщению. В 2000- м году общее число действующих коммерческих ГСР превысило две сотни, а их результирующая полоса пропускания составила более 200 ГГц. В связи с этим наблюдается тенденция к переходу от количественного развития ГСР к качественному путем наращивания пропускной способности каждого ретранслятора с целью максимально эффективного использования выделенных позиций на геостационарной орбите. [1, 4, 5]

Параметры орбит спутников Земли. Орбитой называется траектория движения ИСЗ в пространстве. Орбиты определяются многими факторами, основным из них является притяжение Земли.

Среди других факторов, влияющих на орбиту, можно отметить: торможение спутника в атмосфере Земли, влияние Солнца, Луны, планет и других небесных тел. Это влияние весьма мало и учитывается в виде так называемого возмущения орбиты спутника, т.е. отклонения истинной траектории движения ИСЗ от идеальной, вычисленной в предположении, что спутник движется только под действием притяжения Земли.

47

Рис. 1.18. – Виды орбит ИСЗ

Поскольку Земля является телом сложной формы с неравномерным распределением массы, то вычислить идеальную траекторию сложно. В первом приближении считают, что спутник движется в поле тяготения шарообразной Земли со сферически-симметричным распределением массы. Такое поле тяготения называется центральным.

Принцип радиосвязи через ИСЗ показан на рис. 1.19. Радиосвязь должна быть установлена между ЗС1 и ЗС2, размещенными в пунктах А и В. Прямые АА' и ВВ', касательные к поверхности Земли в точках А и В, являются линиями горизонта этих ЗС. ИС31, движущийся по орбите M-N, может одновременно наблюдаться со станций А и В при движении его по участку орбиты В'А'.

Следовательно, электромагнитные колебания, излучаемые антенной системой станции А в направлении ИС31, могут быть приняты бортовой аппаратурой спутника и после их усиления и преобразования по частоте направлены в сторону Земли, где будут приняты антенной станции В при условии, что антенны ЗС ориентированы на ИС31.

48

ИСЗ1

B A

M N

ИСЗ2

Рис. 1.19. – Принцип радиосвязи через ИСЗ

Рассмотрим случай, когда спутник ИС32 движется по орбите m-n и не может одновременно наблюдаться со станций А и В, т.к. высота орбиты ниже точки пересечения линий АА' и ВВ'. Поэтому сигнал, принимаемый бортовой аппаратурой на ИС32 не может быть передан на станцию В в режиме реального времени.

Работа системы в этом случае может быть построена следующим образом: ИС32, пролетая над станцией А, принимает сообщения, которые после усиления подаются на бортовую аппаратуру с устройством памяти. Когда ИС32 будет пролетать над станцией В, включится бортовой передатчик и произойдет передача информации, принятой спутником от станции А.

Основные параметры, характеризующие движение спутника, могут быть определены с помощью законов Кеплера, которые формулируются применительно к ИСЗ Земли следующим образом:

Первый закон Кеплера – орбита спутника Земли лежит в неподвижной плоскости, проходящей через центр Земли, и является эллипсом, в одном из фокусов которого находится центр Земли,

Второй закон Кеплера – радиус-вектор спутника (отрезок прямой, соединяющий спутник, находящийся на орбите, и центр Земли) в равные промежутки времени описывает равные площади,

Третий закон Кеплера – отношение квадратов периодов обращения спутников равно отношению кубов больших полуосей орбит.

Рассмотрим основные геометрические соотношения орбиты.

В соответствии с первым законом Кеплера орбита ИСЗ представляет собой эллипс, в одном из фокусов которого лежит центр Земли (рис. 1.20).

49

Уравнение эллиптической орбиты ИСЗ в полярной системе координат [3, 4]

= ⁄(1 + cos ),

где r – модуль радиуса-вектора ( расстояние от ИСЗ до центра Земли);

– истинная аномалия (угловая координата радиуса-вектора), которая определяется углом между линией, соединяющей центр Земли с перигеем, и линией, проведённой из центра Земли в точку орбиты, в которой находится ИСЗ.

Истинная аномалия отсчитывается от линии, направленной на перигей в направлении движения ИСЗ; ρ – фокальный параметр = (1 − 2); е – эксцентриситет орбиты, 0 < е < 1; а – большая полуось эллипса.

При е = 0 (r = ρ) эллипс превращается в окружность, его фокусы сливаются с центром. Такая орбита называется круговой.

Точка эллиптической орбиты, соответствующая минимальному расстоянию до центра Земли, называется точкой перигея орбиты rп, а соответствующая максимальному расстоянию – называется точкой апогея орбиты rа.

Другие параметры орбиты представлены на рис. 1.21. Высота орбиты (высота ИСЗ над поверхностью Земли) Н = r – R, где R = 6371 км. – средний радиус Земли Важная характеристика орбиты спутника – наклонение ее плоскости к плоскости экватора Земли, определяемое углом i между этими плоскостями. По наклонению различают экваториальные (i = 0°), полярные (i = 90°) и наклонные (0° < i < 90°) орбиты.

50