Рис. 12.1. Структурная схема радиосвязи через ИСЗ 4 - второй приемник ретранслятора; 5 - второй передатчик ретранслятора; 12 - детектор ЗС 8; 13 - приемник ЗС 8; 14 - приемная антенна ЗС 8; 16 - передающая антенна ЗС 15; 17 - передатчик ЗС 15; 18 - модулятор ЗС 15

с частотой поступают на разделительный фильтр 6, усиливаются приемником 2, преобразуются в частоту и поступают к передатчику 3 бортового ретранслятора. С выхода передатчика 3 колебания с частотой 2 через РФ подводятся к бортовой антенне и излучаются в сторону Земли. Эти колебания принимаются антенной 19 ЗС 15, подводятся к приемнику 20 и детектору 21, на выходе которого выделяется сигнал и,. Передача от ЗС 15 к ЗС 8 сигнала происходит на частоте аналогичным образом, причем на бортовом ретрансляторе осуществляется преобразование колебаний с несущей частотой 3 в колебания с частотой f.

ЗС соединяются с узлами коммутации сети связи (например, с междугородной телефонной станцией - МТС), с источниками и потребителями программ телевидения, звукового вещания с помощью наземных соединительных линий.

Очень распространенным и экономически выгодным является использование связных ИСЗ для организации ТВ и радиовещания.

В настоящее время под спутниковым ТВ и радиовещанием понимается как передача ТВ сигналов (со звуковым сопровождением), так и радиовещательных звуковых сигналов от одного или нескольких земных передатчиков, связанных с центрами формирования ТВ и радиопрограмм, через ИСЗ на сеть земных приемных установок и распределение этих программ с целью доведения их до абонентов (телезрителей или радиослушателей) с помощью наземных средств связи (ретрансляторов различной мощности, СКТВ, средств коллективного и индивидуального приема). Как правило, в зоне обслуживания связным ИСЗ располагается сеть приемных ЗС различных типов. Для обеспечения высокого качества принимаемых ТВ и звуковых сигналов в спутниковых системах связи из-за очень больших расстояний между ЗС и ИСЗ принимают следующие меры [1];

1) увеличивают мощность передатчика ЗС до 5...10 кВт;

2) усложняют приемопередающие антенны ЗС;

3) используют малошумящие усилители (смесители на входе приемников);

4) повышают эффективность приема с ЧМ за счет увеличения девиации частоты.

В зависимости от типа ЗС и назначения системы спутниковой связи различают следующие службы радиосвязи:

-фиксированная спутниковая служба (ФСС) - служба радиосвязи между ЗС, расположенными в определенных фиксированных пунктах, при использовании одного или нескольких спутников;

- подвижная спутниковая служба - между подвижными ЗС с участием одного или нескольких ИСЗ;

- радиовещательная спутниковая служба (РВСС) - служба радиосвязи, в которой сигналы спутниковых ретрансляторов предназначены для непосредственного приема населением. При этом непосредственным считается как индивидуальный, так и коллективный прием на сравнительно простые и недорогие установки с абонентским качеством. В нашей стране к ФСС относятся системы Орбита-2 , Экран , Москва ; РВСС только создается.

12.2. Орбиты спутников связи

Орбита - это траектория движения ИСЗ в пространстве. В системах связи могут использоваться ИСЗ, движущиеся по орбитам, которые отличаются следующими параметрами: формой (круговая или эллиптическая); высотой над поверхностью Земли Н или расстоянием от центра Земли; наклонением, т.е. углом / между экваториальной плоскостью и плоскостью орбиты. В зависимости от выбранного угла / орбиты подразделяются на экваториальные (/= 0), полярные (/= 90 ) и наклонные (О / < 90°). Эллиптические орбиты, кроме того, харак-

теризуются апогеем и перигеем, т.е. расстояниями от Земли соответственно до наиболее удаленной и до ближайшей точки орбиты.

Движение ИСЗ определяется законом Кеплера, причем для точных расчетов орбиты спутника должно учитываться не только притяжение Земли, но и поля тяготения других небесных тел (Луны, Солнца и дру- гих планет).

Особый интерес представляет геостационарная орбита - круговая орбита, находящаяся в экваториальной плоскости (/ = 0) и удаленная от поверхности Земли на расстояние около 36 ООО км. Если запустить ИСЗ на такую орбиту, то период обращения спутника вокруг Земли будет равен 24 ч, т.е. периоду обращения Земли вокруг своей оси. При условии совпадения направления вращения Земли с направлением движения спутника по орбите такой спутник будет казаться неподвижным относительно земного наблюдателя, т.е. стационарным относительно Земли (геостационарным). В действительности спутник, математически точно запущенный на геостационарную орбиту (ГСО), не остается неподвижным, а из-за эллиптичности Земли, действия возмущающих внешних сил медленно уходит из заданной точки и совершает периодические (суточные) колебания по долготе и широте. Поэтому на ИСЗ должна быть система автоматической стабилизации и удержания его в заданной точке ГСО. Это следствие является очень важным, так как позволяет осуществлять через ИСЗ круглосуточные радиосвязь и радио- и ТВ вещание и использовать земные приемные установки с простыми неподвижными антеннами, не требующими автоматического наведения на ИСЗ. Зона видимости одного геостационарного ИСЗ охватывает почти треть поверхности Земли, однако полярные районы, находящиеся выше 75-78° северной и южной широт, обслуживаются плохо, так как ИСЗ виден в этих районах под малыми углами с земной поверхности. Это вызывает дополнительное ослабление сигналов в атмосфере Земли, повышенный уровень шумов и ухудшение условий приема из-за отражений сигнала от поверхности Земли и местных предметов.

В настоящее время на ГСО находятся нескопько сотен ИСЗ связи и вещания, что приводит к необходимости международного регулирования и координации использования этой орбиты во избежание взаимных помех между различными системами связи. В нашей стране на ГСО в настоящее время находятся ИСЗ типа Горизонт , Экран , Экспресс , Галс .

В ближайшее время планируется запуск на ГСО спутников новой спутниковой системы связи Ямал . Группа ИСЗ Ямал-ЮО будет работать по принципу ФСС, а спутники Ямап-ЗОО будут использоваться для РВСС. Спутниковая система Ямал создается для обслуживания газопроводов, создания систем служебной связи, мониторинга земной поверхности и выполнения других специальных функ-

ций. Однако около половины связного потенциала будет представлено для решения социальных задач, т.е. для телевизионного вещания.

Для сравнения следует отметить, что если суточные угловые перемещения ИСЗ Горизонт на орбите составляют 1°, ИСЗ Галс - 0,2°, то у спутников типа Ямал составят всего 0,1°. Недостаточно совершенная система позиционирования ИСЗ Горизонт требует дополнительной системы автоматического слежения антенн на ЗС. Для более совершенных ИСЗ типа Ганс ипи Ямал дополнительная система слежения не требуется. Рабочий ресурс для ИСЗ Горизонт , Галс , Ямал составляет соответственно менее 5, 7 и 10 пет.

Применительно к условиям нашей страны важное практическое значение имеет орбита типа Молния , на которую выводятся ИСЗ Молния , используемые системой связи и вещания России. Данная орбита с периодом обращения 12 часов имеет вытянутую эллиптическую орбиту с высотой апогея около 40 тыс. км и перигея - 500 км. Наклонение плоскости орбиты составляет / = 63,4°. В течение времени суток, равного 6-8 часам, спутник в районе апогея сравнительно медленно перемещается по ограниченной области небесной сферы. Это хотя и требует наличия подвижных антенн и систем наведения на ЗС, но позволяет сделать антенны ЗС неповоротными и упростить требования к системам их наведения на ИСЗ [2].

Зона обслуживания ИСЗ на орбите типа Молния несколько больше зоны видимости геостационарного спутника (из-за бопьшой высоты спутника в апогее). Причем она охватывает практически все северное полушарие, в котором находится наша страна. Для обеспечения круглосуточной работы необходимо запускать на орбиту три-четыре ИСЗ, спедующих друг за другом через равные интервалы времени, и использовать их поочередно для передачи информации.

На высокоэллиптическую орбиту планируется запуск ИСЗ Ямал-200 , предназначенных дпя создания национальной мобильной и персональной связи.

В последнее время наметилась тенденция использования связных ИСЗ, находящихся на низких орбитах (расстояние до Земли в пределах 700-1500 км). Системы связи с испопьзованием ИСЗ на низких орбитах благодаря значительно меньшему (практически в 50 раз) расстоянию от Земли до спутника имеют ряд преимуществ перед системами связи на геостационарных спутниках. Во-первых, это меньшее запаздывание и затухание передаваемого сигнапа, а во-вторых, бопее простой вывод ИСЗ на орбиту. Основным недостатком подобных систем явпяется необходимость выведения на орбиту большого количества спутников для обеспечения длительной непрерывной связи. Это объясняется сравнительно небольшой зоной видимости отдель-

НОГО ИСЗ, что усложняет связь между абонентами, находящимися на большом расстоянии друг от друга [3, 4].

Создание низкоорбитальных систем связи идет полным ходом. Например, в США с участием европейских фирм активно реализуются системы Iridium и Globalstar, которые будут оказывать услуги связи и в России.

Космический комплекс Iridium состоит из 66 космических аппаратов, размещенных на круговых орбитах с наклонением 86° и высотой 780 км. Спутники размещаются в орбитальных плоскостях, в каждой одновременно находятся 11 ИСЗ. Угловое расстояние между соседними орбитальными плоскостями составляет 31,6°, за исключением 1-й и 6-й плоскостей, угловой разнос между которыми около 22°. Антенная система каждого ИСЗ формирует 48 узких лучей. Взаимодействие всех ИСЗ обеспечивает глобальное покрытие Земли услугами связи. Система Globalstar состоит из 48 спутников на 8 орбитах с наклонением 52°. В нашей стране ведутся работы по созданию собственных низкоорбитальных спутниковых систем связи, например: Сигнал , Гонец ,

Для изучения особенностей работы низкоорбитальных спутниковых систем рассмотрим схему прохождения в ней сигналов (рис. 12.2). В этом случае на каждой ЗС должны быть установлены две антенны (А, и Аг), которые могут осуществлять передачу и прием сигналов с помощью одного из спутников, находящегося в зоне взаимной связи. На рис. 12.2 показаны ИСЗ, движущиеся по часовой стрелке по одной низкой орбите, часть которой показана в виде дуги тп. Анализируемая система спутниковой связи работает следующим образом. Сигнал от 3Ci через антенну А, поступает на ИСЗ4 и ретранслируется через ИСЗз, ИСЗ2, ИСЗ, к приемной антенне А, ЗС2. Таким образом, в этом случае для ретрансляции сигнала используются антенны А, и сегмент орбиты, содержащей ИСЗ4-ИСЗ1. При выходе ИСЗ4 из зоны, лежащей левее линии горизонта аа, передача и при-

ИСЗ4 /ИСЗз ИСЗ2 ИСЗ5 -С>--*-г-0-

0 -1

Рис. 12.2. Система связи с несколькими ИСЗ на низкой орбите

ем сигнала будут вестись через антенны А2 и сегмент орбиты, содержащий ИСЗ5-ИСЗ2. Затем передача и прием сигналов будут осуществляться антеннами А, и сегментом орбиты, состоящим из спутников ИСЗб-ИСЗз и т.д.

Поскольку каждый ИСЗ может наблюдаться с достаточно большой территории на поверхности Земли, можно осуществить связь между несколькими ЗС через один общий связной ИСЗ. В этом случае спутник оказывается доступным многим ЗС, поэтому такая система называется системой связи с многостанционным доступом.

Использование ИСЗ, движущихся по орбите с малой высотой, упрощает аппаратуру ЗС, так как при этом возможно снижение усиления земных антенн, мощности передатчиков и работа с приемниками, имеющими несколько большую эквивалентную шумовую температуру, чем в случае геостационарных спутников. Однако в этом случае усложняется система управления движением большого числа ИСЗ по орбите.

Низкоорбитальные спутниковые системы связи найдут применение как средства подвижной радиосвязи в дополнение наземных сотовых радиосетей, так и в качестве фиксированной радиосвязи в удаленных и труднодоступных районах. Кроме того, они будут использоваться:

- для передачи данных по типу электронной почты; -для обмена деловой информацией;

- для персонального радиовызова;

-для определения местонахождения и передачи информации о местонахождении подвижных объектов;

-для экономического, промышленного и научного мониторинга земной поверхности.

В стадии разработки находится новая система связи из совокупности низкоорбитальных спутников Teledesic, с помощью которой планируется развернуть всемирную сеть передачи данных [4]. В первоначальном варианте проекта системы Teledesic предполагается запуск 840 связных спутников, оснащенных сканирующими антенными системами с высоким коэффициентом усиления, покрывающих всю поверхность Земли сетью из 20 ООО больших зон обслуживания, каждая из которых будет состоять из 9 малых зон. В пределах любой малой зоны абоненты сети смогут принимать и пересылать информацию со скоростью от 16 кбит/с до 2 Мбит/с. Спутники будут связаны с наземной телекоммуникационной сетью посредством высокопроизводительных ЗС. Однако и сами низкоорбитальные спутники связи сформируют независимую сеть, где каждый из них будет обмениваться данными с девятью соседями, используя высококачественные каналы межспутниковой связи. Эта неиерархическая структура должна сохранить работоспособность при отказах отдельных спутников, при локальных перегрузках и выходе из строя части средств связи с на-