8.9. Назначение, состав и основные параметры бортовой аппаратуры

Бортовые ретрансляторы устанавливают на спутниках, ис­ пользуемых в сетях связи. Ретрансляторы осуществляют прием сигналов от передающих земных станций, усиление этих сигналов и передачу сигналов обратно на Землю в направлении земных станций. Поскольку обычно спутники - это многофункциональные устройства с несколькими параллельными стволами передачи и приема, каждый ствол часто образует отдельный ретранслятор. В состав бортовой аппаратуры спутника входят: приемо­ передающие антенные комплексы, приемо-передающее оборудо­ вание, а также системы обеспечения теплового режима, ориента­ ции, стабилизации и коррекции положения в пространстве.

В ретрансляторах обычно обеспечивается многостанцион­ ный доступ. Большинство ретрансляторов - многоствольные. Как указывалось выше ствол ретранслятора - тракт приемопередачи одного или нескольких радиосигналов, являющийся частью об­ щего приемопередающего тракта с общим для этих радиосигналов выходным усилителем мощности. При этом каждому стволу ретранслятора отводится определенная полоса частот (например, 40, 80, 120 МГц), зависящая от объема передаваемой по нему ин­ формации и вида модуляции. Число стволов может достигать 20 и более. Радиосигналы стволов могут разделяться по частоте, про­ странству и поляризации. Число стволов и занимаемая ими сум­ марная рабочая полоса частот в значительной мере определяют пропускную способность системы связи [8.1].

Выходная мощность передатчика бортового ретранслятора во многом определяет качественные характеристики системы свя­ зи. Максимальная мощность ограничена ресурсом источников пи­ тания; возможностью отвода тепла во внешнее пространство; дол­ говечностью и надежностью электронных приборов при повыше­ нии мощности; невозможностью работы выходных каскадов передатчиков в режиме, близком к режиму насыщения, из-за нели­ нейных искажений ретранслируемых радиосигналов. Выходная мощность отдельных стволов бортового ретранслятора обычно от нескольких единиц до сотен ватт.

К числу основных параметров ретранслятора обычно отно­ сят эффективную мощность излучения. Она выражается в деци­ бел-ваттах (дБВт) и равна произведению мощности передатчика подведенной к антенне, на коэффициент усиления бортовой ан­ тенны. Например, в случае ретранслятора с антенной на линии вниз, с коэффициентом усиления около 15,5 дБ при мощности пе­

редатчика 10 дБВт за вычетом потерь в фидере, эффективная мощность составляет 10+15,5=25,5 дБВт. Если на ретрансляторе установлены несколько передающих антенн или многолучевая ан­ тенна, то эффективную излучаемую мощность определяют для каждой антенны или луча. Число лучей также является парамет­ ром ретранслятора.

Мощность как первичных источников питания так и потреб­ ляемая аппаратурой являются важными параметрами бортовой аппаратуры, так как энергетические возможности на борту спутни­ ка ограничены и определяются, как правило, площадью панелей солнечных батарей. Во многих существующих спутниковых систе­ мах мощность первичных источников питания имеет порядок 1 кВт.

Важный параметр системы спутниковой связи - срок службы, т.е. время наработки до полного отказа стволов ретранслятора, определяемое с заданной вероятностью. В современных сетях связи срок службы спутника - 7 лет и более. Срок службы геоста­ ционарных спутников во многом зависит и от запасов топлива для двигателей, корректирующих орбиту. Аппаратура бортового ретранслятора должна отвечать ряду специфических требований:

1.Быть готовой к длительной эксплуатации в условиях кос­ мического пространства, для которого характерны вакуум, невесо­ мость, радиация, отсутствие свободной конвекции, коронные раз­ ряды, потеря смазки, воздействие метеоров и др.

2.Иметь при заданных параметрах минимальную массу для

снижения стоимости вывода спутника на орбиту.

3. Выдерживать ускорения и вибрации, возникающие при запуске спутника и коррекции траектории.

Эти и другие подобные требования противоречивы и труд­ новыполнимы. Так трудно реализовать значительную выходную мощность ретранслятора по необходимости минимальных массе и габаритах ретранслятора при больших перепадах температуры и сохранении стабильных параметров аппаратуры. По этим причи­ нам бортовая аппаратура существенно отличается по конструкции от подобной аппаратуры, работающей в наземных условиях. Неко­ торые особенности этой аппаратуры указаны ниже [8.1]:

1. Во многих спутниках - ретрансляторах основное оборуд вание размещают в герметичных отсеках с газовой средой, что обеспечивает приемлемые температурные режимы аппаратуры, защищает ее от космических излучений, микрометеоров и т.п. Однако это приводит к увеличению массы спутника, усложнению технологии подготовки его к запуску и существенно возрастает опасность метеоритного поражения с последующей разгерметиза­ цией, что может привести к выходу ретранслятора из строя. В свя­

зи с этим наметилась тенденция к более широкому использованию негерметизированных ретрансляторов.

Диэлектрические детали аппаратуры могут заряжаться в космосе электронами, входящими в состав космических лучей, а также вторичными электронами. При этом разность потенциалов между этими деталями и прилегающими к ним другими элемента­ ми конструкции может превышать критические напряжения пробоя или микроразрядов. Электроны с высокой энергией, проникающие извне в блоки ретранслятора, вызывают накопление зарядов на диэлектрических материалах этих блоков. Возникающие при этом разряды генерируют паразитные сигналы непосредственно внутри аппаратуры и не могут быть ослаблены внешними защитными уст­ ройствами.

2. В герметизированном отсеке, где размещается основная часть аппаратуры, автоматически поддерживается заданный тем­ пературный режим с помощью устройства обеспечения теплового режима. Такая система необходима из-за отсутствия естественной конвекции в космическом пространстве в условиях неравномерно­ го нагревания спутника и отдельных его узлов при освещении Солнцем и полете в тени Земли: перепады температуры состав­ ляют от +60 до -150С. Из-за отсутствия конвекции имеет место только теплообмен через излучение.

3. Из-за отсутствия воздушной пленки между соприкасающи­ мися металлическими поверхностями в космосе происходят потеря смазки и увеличение коэффициента трения, поэтому трущиеся по­ верхности деталей бортовых устройств изготавливают с примене­ нием золота, серебра и других ковких металлов, выполняющих

вкосмосе функцию нелетучих смазочных материалов.

4.Радиационное воздействие вызывает изменение свойств металлов и органических материалов.

5.Поскольку ретранслятор необслуживаемый все операции на борту производятся автоматически либо по командам с Земли. Информация о состоянии бортовых систем поступает на Землю по каналу телеметрии.

6.Для ретранслятора характерны специфические системы питания: либо солнечные батареи, либо при нахождении спутника

втени Земли - аккумуляторы. Разрабатываются и другие перспек­ тивные источники питания.

Бортовые ретрансляторы могут быть разделены на гетеро­ динные; с однократным преобразованием частоты; с демодуляци­ ей радиосигналов.

Ретрансляторы гетеродинного типа. Этот вид широко распространен на практике. Упрощенная схема ствола такого ретранслятора представлена на рис.8.7 Здесь fnMи fne - частоты приема и передачи, МШУ - малошумящий усилитель радиочасто­ ты, П1 и П2 - преобразователи частоты, УПЧ - усилитель проме­ жуточной частоты, Г1 и Г2 - гетеродины, МВУ - мощный выходной усилитель СВЧ. Усилитель МВУ обычно собирается на ЛБВ, реже - на клистроне.

Рис. 8.7

В случае применения общей антенны для приема и переда­ чи примерная схема ретранслятора имеет вид рис.8.8. Здесь УПЧ1 и УПЧ2 - усилители промежуточной частоты, АО - амплитудные ограничители, ПФ - полосовые фильтры. Тракты приема и переда­ чи в этом случае развязываются с помощью поляризационного селектора ПС и фильтров Ф1 и Ф2. Преобразование частот в трак­ тах приема и передачи осуществляется с помощью отдельных ге­ теродинов Г1, Г2. Разность частот гетеродинов равна величине сдвига частот. Применение общего выходного усилителя ОУ пере­ датчика может сопровождаться возникновением на выходе ОУ значительных комбинационных составляющих со средними часто­ тами вида (mfnfli + nfnfl2), что составляет недостатки подобных структур. На рис.8.8 ПУ - предварительный усилитель, ФВ - фер­ ритовый вентиль.

Рис. 8.8

Бортовые ретрансляторы с однократным преобразовани­ ем частоты. Такие ретрансляторы часто применяются в послед­ нее время. В этом случае частота принимаемого радиосигнала ствола с частотой fnMсдвигается на величину fCABи преобразуется в передаваемый СВЧ сигнал с частотой

^пд — ^пм — ^сда-

При этом тракт промежуточной частоты отсутствует, и в каж­ дом стволе осуществляется лишь одно преобразование частоты, а не два, как в гетеродинном ретрансляторе (рис.8.8). Значение частоты сдвига fcflB зависит от используемых в данной сети ра­ диосвязи полос частот. В широко распространенном случае fnM=6 ГГц, fnA = 4 ГГц, fcae = 2 ГГц. В других сетях радиосвязи может быть другой, например 750 МГц. Распределением усиления между трактами до преобразователя частоты и после него удается полу­ чить устойчивый режим таких ретрансляторов.

Рассмотрим структурную схему многоствольного бортового ретранслятора с однократным преобразованием частоты и одно­ лучевыми антеннами на линиях вверх и вниз. Одна из двух прием­ ных антенн - А1 принимает сигналы нечетных стволов с левой кру­ говой поляризацией ЛКП (рис.8.9,а), а вторая - А2 - сигналы чет­ ных стволов с правой круговой поляризацией ПКП (рис.8.9,б). Это позволяет упростить разделение по частоте сигналов соседних стволов. Принятые каждой антенной сигналы усиливаются общими малошумящими усилителями МШУ и разделяются фильтрами РФ.

а)

Рис. 8.9

Далее сигналы каждого ствола сдвигаются по частоте в пре­ образователях П и усиливаются предварительными и оконечными усилителями У1 и У2 на ЛБВ, объединяются в устройстве объеди­ нения УО и поступают к соответствующим передающим антеннам АЗ и А4. Эти антенны также могут работать с ортогональными по­ ляризациями. Для уменьшения объема оборудования МШУ и П

вряде случаев делают общими для группы стволов и объединяют

вобщую конструкцию - приемник.

Бортовые ретрансляторы с демодуляцией сигналов на

борту. Демодулировать сигнал на борту ретранслятора целесооб­ разно по следующим причинам: необходимость выделения и пе­ реформирования на борту многоканальных сообщений перед их отправлением к земной станции; целесообразность изменения ти246

па или глубины модуляции на линии вниз по сравнению с линией вверх; осуществление в ретрансляторе регенерации передавае­ мых с земной станции цифровых сигналов.

При оценке структуры ретранслятора с демодуляцией сигна­ лов следует учитывать, что после запуска спутника невозможно изменить вид модуляции.

Однако подобные сети связи лишены универсальности, при­ сущей сетям с ретрансляторами без демодуляции. Структурная схема такого варианта приведена на рис.8.10 [8.6].

После фильтра Ф и усилителя принимаемых сигналов МШУ, разделения в цепи РФ, преобразования в сигналы промежуточной частоты и усиления в УПЧ демодулированные в Дем сигналы по­ ступают на входы устройства обработки и переформирования мно­ гоканальных сообщений УОП МС, в котором может осуществлять­ ся переформирование многоканальных сигналов, регенерация цифровых сигналов и т.д. Переформирование сигналов на борту целесообразно, если стремятся минимизировать количество обо­ рудования на земной станции за счет усложнения бортового ретранслятора. При этом в передающей части каждой земной станции осуществляется многоадресное формирование стволов: многоканальное сообщение, передаваемое по единственному стволу данной земной станции, включает в себя информацию для различных земных станций. При единственном стволе приема на каждой станции, в котором передаются сообщения для данной станции от других земных станций сети необходимо в УОП МС из исходных групповых сигналов сформировать новые, каждый из которых предназначен лишь для одной земной станции. Перефор­ мирование многоканального сигнала на борту перспективно для дальнейшего развития спутниковой связи.

Энергоснабжение бортовых станций обеспечивает получе­ ние электрической энергии, ее распределение и хранение, когда не функционируют первичные источники. Основным средством электроснабжения бортовой аппаратуры служат фотоэлектриче­ ские солнечные батареи, основу которых составляют полупровод­ никовые фотоэлементы. Типовая мощность солнечной батареи на единицу площади от 10 до 110 Вт/м2 со средним КПД от 7 до 11 %, в лучших образцах до 15 % (предел - 25 %). Срок жизни солнечной батареи ограничивается метеорной эрозией. Снижение мощности происходит в среднем на 8 % в год. Отношение массы батареи к ее площади составляет 3...13,5 кг/м2 Каждый фотоэлемент обес­ печивает ЭДС 0,3...0,4 В. Батареи крепят либо на корпусе спутни­ ка, либо на специальных откидывающихся панелях [8.1].

Мощность, потребляемая от солнечной батареи Рсб, склады­ вается из максимальной необходимой мощности для питания обо­ рудования и мощности, необходимой для зарядки аккумуляторов. Для обеспечения мощности Рсб площадь поверхности батареи должна равняться отношению РСб/Р<>. где Р0 - удельная мощность батареи, создаваемая падающей солнечной радиацией к концу ее срока службы. Удельная мощность батареи зависит от точности ее ориентации на Солнце. При нормальной ориентации батарея пло­ щадью 1 м2 может генерировать до 140 Вт Обычно ориентировоч­ но полагают Р0 = 70... 100 Вт/м2

Создание тонкопленочных фотоэлементов путем напыления на фольгу кремния в вакууме арсенида галлия или сульфида кремния с площадью элементов 50... 100 см2 со слоем вещества 0,025...0,05мм позволяет уменьшить массу батареи. Однако КПД их составляет всего лишь 2...3%, вследствие чего их необходимая площадь увеличивается по сравнению с фотоэлементами из кри­ сталлического кремния. Батареи, ориентированные на Солнце, используют при требуемой мощности больше нескольких сотен ватт, что характерно для многофункциональных спутников и осо­ бенно для спутников ТВ вещания. Характеристики солнечных эле­ ментов ухудшаются из-за деградации структуры вследствие бом­ бардировки ее электронами и протонами солнечного ветра. Для защиты солнечных элементов от радиации используется покрытие их кварцем или специальной пленкой с добавкой цезия.