Особенности передачи сигналов в космическом пространстве

Запаздывание сигнала.

Большая протяженность линии связи между земными станциями и ретранслятором, находящимся на борту ИСЗ, приводит к запаздыванию сигналов. Это определяется тем, что для прохождения расстояния , м, сигналу требуется время:

, (9.1)

где – протяженность линии связи от ЗС, находящейся в точке "а", через ИЗС до ЗС, находящейся в точке "б" (рисунок 4.1.2); с = 3·10⁸ м/с – скорость света; Н – расстояние от спутника до поверхности Земли. Отсюда следует, что при Н = 36000 км (то есть в случае геостационарного спутника) величина запаздывания составит приблизительно 250 мс. Запаздывание сигнала при передаче дуплексных телефонных разговоров приводит к появлению вынужденных пауз в разговоре, потери "контакта" между абонентами, то есть ограничивает естественность беседы [1].

Эхосигналы.

Запаздывание сигналов приводит к появлению заметных для абонентов эхосигналов, возникающих при переходе с четырехпроводных цепей связи на двухпроводные из-за неидеальности дифференциальных систем. Эхо сигналы проявляются в виде прослушивания абонентом своего разговора, задержанного на время, равное удвоенному времени распространения сигнала между абонентами. С учетом (9.1)

. (9.2)

Особенно заметны эхосигналы при больших значениях t_эха. Для систем связи, использующих спутники, движущиеся по орбитам с км (то есть для геостационарных спутников) t_эха ≈ 500 мс. В этих случаях следует обеспечить затухание эхосигналов до величины, равной примерно 60 дБ относительно уровня полезного сигнала. Необходимое затухание эхосигналов осуществляется с помощью эхозаградителей.

Эффект Доплера.

Одной из особенностей систем связи через ИСЗ является возникновение эффекта Доплера, вызываемого движение спутника относительно ЗС. Обозначим через ν_r ту компоненту скорости движения ИСЗ, которая совпадает с линией радиосвязи ИСЗ – ЗС и условимся считать величину ν_r отрицательной в случае уменьшения расстояния между ИСЗ и ЗС и положительной при увеличении этого расстояния [16].

Известно, что при движении источника сигнала со скоростью ± ν_r частота принимаемых колебаний f связана с частотой излучаемых колебаний f₀ соотношением

. (9.3)

Здесь с – скорость света.

Обычно всегда выполняется условие ν_r/c << 1, поэтому при движении источника сигнала в сторону приемника . Отсюда изменение частоты, вызванное эффектом Доплера

. (9.4)

Наиболее сильно эффект Доплера будет проявляться в системах связи, использующих не геостационарные орбиты (в системе "Молния" на рабочем участке орбиты ). В системах связи с геостационарными ИСЗ эффект Доплера может иметь место при коррекции положения спутника на орбите.

Отметим, что в соответствии с (9.4) эффект приводит не только к изменению частоты излучаемых колебаний, а следовательно, и несущей частоты, но и вызывает деформацию спектра передаваемого сообщения. Так, если модуляция осуществлялась колебанием с частотой F, принятое колебание на выходе детектора с учетом эффекта Доплера будет иметь частоту . Поэтому при модуляции колебаниями с частотами F₁=1 кГц и F₂ = 10⁴ кГц на выходе детектора при получим соответственно частоты Гц и Гц. Отсюда следует, во-первых, что верхние частоты в спектре сообщения будут изменяться на большую величину, а во-вторых, что ширина спектра принятого колебания будет отличаться от ширины спектра модулирующих колебаний (в приведенном примере почти на 100 Гц).

Диапазоны рабочих частот систем связи через ИСЗ [12].

Выбор полос частот, выделяемых для работы систем связи через ИСЗ, определяется следующими основными условиями:

особенностями распространения электромагнитных колебаний через атмосферу;

интенсивностью шумов, вызванных радиоизлучениями различных внешних источников (Солнце, Луны, планет, атмосферы Земли и других);

возможностью работы систем связи через ИСЗ в выделяемых полосах частот совместно с другими радиослужбами при допустимых значениях радиопомех.

Согласно регламента радиосвязи [2],, отводятся следующие полосы частот игнал на входе приемных устройств. Мощность сигнала на входе приемника может быть определена по формуле:

. (9.5)

Здесь А_∑ – суммарное ослабление сигнала на участке между антеннами; V(t) – множитель ослабления не превышаемый в течение t (%) времени; А_п и А_пр – характеризуют соответственно затухание (ослабление) сигнала в фильтрах, стоящих между выходом передатчика и антенной, и выходом приемника и антенной; K_пол – величина поляризационных потерь, обусловленных как не идентичностью поляризационных характеристик антенн, так и изменением плоскости поляризации, вызванным эффектом Фарадея.

Особенности аппаратуры

Передающие устройства земных станций.

Эти устройства аналогичны передающим устройствам тропосферных линий связи. Частотная или фазовая модуляция колебаний осуществляется методами, используемыми в РРЛ прямой видимости и в тропосферных линиях связи [12].

На рисунке 9.13 приведена структурная схема передающей части аппаратуры "Градиент", которая работает в полосе частот 5975…6225 МГц и устанавливается на каждый ствол земной станции (ЗС). Передаваемые сообщения (многоканальный телефонный сигнал или телевизионный сигнал совместно со звуковым сообщением) подаются на вход (Вх) модулятора (М). Здесь осуществляется частотная модуляция колебаний промежуточной частоты, которые поступают к преобразователям ПР. На выходе ПР получаются ЧМ колебания в указанной выше полосе частот мощностью 3 Вт. Последующие усиление (до 3 или 10 кВт) осуществляется в мощных усилителях (МУ) на клистронах с КПД не менее 25%. Выходы МУ подключены к переключателю Пк, с помощью которого можно подключить к устройству сложения (УС) первый или второй комплект ПР и МУ и тем самым осуществить резервирование этих блоков (время переключения на резерв не более 200 мс). Отметим, что посредством УС к антенной системе можно подключить несколько таких же комплектов аппаратуры, то есть осуществить передачу через одну антенну нескольких стволов, каждый из которых занимает полсу 34 МГц. Контроль за работой осуществляется блоками К.

Рисунок 9.13. Структурная схема передающего устройства "Градиент"

Передающие устройства систем связи через ИСЗ отличаются от передающих устройств других систем связи, рассмотренных в предыдущих главах тем, что в них производится ограничение мощности и вводятся специальные сигналы дисперсии [12].

Приемные устройства земных станций.

Одной из основных особенностей приемных устройств земных станций является применение малошумящих усилителей на входе и антенн с большим коэффициентом усиления, достигающим 52…60 дБ [14].

Рассмотрим структурную схему приемного устройства "Орбита-2" (рисунок 9.14), рассчитанного для работы в полосе частот 3400…3900 МГц. Колебания, принимаемые антенной, проходят переключатель комплектов П и поступают на вход одного из малошумящих охлаждаемых параметрических усилителей (МШУ), а затем – на вход преобразователя и предварительного усилителя ПЧ (ПР; ПУПЧ). С выхода ПУПЧ колебания поступают на основной УПЧ и частотный детектор, которые находятся в стойке П (Ст. П). На выходе этой стойки в зависимости от вида принимаемого сигнала можно получить либо многоканальное телефонное сообщение, либо сигнал изображения совместно со звуковым сопровождением. Разделение последних осуществляется фильтром Ф. На рисунке 9.14 показано, что МШУ, ПР и ПУПЧ полностью резервированы, переход на резерв осуществляется автоматически переключателем П посредством аппаратуры контроля и резервирования (КР) в течение 250 мс. Основными параметрами описанного приемного устройства являются: эффективная шумовая температура, отнесенная ко входу – 80…90 К; коэффициенты усиления; МШУ – 40 дБ, ПУПЧ – 23 дБ, основного УПЧ 55 дБ. Система АРУ поддерживает выходной уровень ПЧ с точностью ±1 дБ при изменении входного уровня на ±10 дБ; полоса тракта ПЧ по уровню 1 дБ – 34 МГц, полоса МШУ по уровню 1 дБ – 250 МГц.

Рисунок 9.14. Структурная схема приемного устройства "Орбита-2"

Аппаратура "Орбита-2" позволяет создавать и многоствольный вариант приема; для этого с выходов МШУ, показанных на рисунке 9.14, колебания подаются на несколько параллельно включаемых блоков ПР; ПУПЧ [23].

Антенны.

В приемных и передающих устройствах используются антенные системы с усилением 50…60 дБ и малыми боковыми лепестками – рупорно-параболические и параболические антенны с переизлучателем (антенны Кассегрена). Наряду с этим, антенная система должна обеспечивать непрерывное слежение за движением ИСЗ. Это необходимо даже при использовании геостационарных ИСЗ, так как из-за неточностей выведения на орбиту они имеют некоторое перемещение и требуют коррекции движения. Отметим, что современные требования определяют допустимое смещение геостационарных ИСЗ на ±0.1 относительно номинального значения долготы. Поэтому антенные системы с узкой диаграммой направленности должны быть снабжены соответствующими поворотными устройствами, которые обеспечивают перемещение антенны в пространстве либо по заранее составленной программе, либо с помощью специальной системы слежения по максимальному значению принимаемого с ИСЗ сигнала. Второй способ может быть непосредственно реализован только на приемных антеннах, от которых данные, характеризующие направление приемной антенны на спутник, могут быть переданы на систему, управляющую движением передающей антенны. При передаче этих данных в них вносятся соответствующие поправки, учитывающие как некоторый территориальный разнос приемной и передающей антенн, так и их конструктивную неидентичность.

Бортовая приемопередающая аппаратура.

Одним из основных требований, предъявляемых ко всем комплексам, входящим в состав бортовой аппаратуры ИСЗ, является их высокая надежность, обеспечивающая безотказную работу аппаратуры в условиях космического пространства в течении длительного времени. Этому требованию должны отвечать не только отдельные детали и компоненты, входящие в состав аппаратуры, но и технологические приемы, используемые при изготовлении аппаратуры. Выбор варианта схемы бортового оборудования должен определяться минимальными массой, размерами, потребляемой мощностью [16].

На рисунке 9.15 приведена структурная схема приемопередатчика системы связи "Молния-1" [20]. Прием и передача сигналов осуществляется общей антенной А, которая через разветвитель Р₁ и фильтры Ф₁ и Ф₂ присоединяется ко входу приемников и выходу передатчиков. Сигналы с несущими частотами f₁ и f₂, принимаемые с земных станций, поступают к разветвителю Р₂ (рисунок 9.15) и через фильтры Ф₃ и Ф₄ подводятся к смесителям См, УПЧ и ограничителям Огр. После выравнивания ограничителями амплитуд принятых сигналов последние подаются к смесителям, в которых осуществляется преобразование промежуточной частоты в СВЧ. Затем сигналы с несущими частотами f₂ и f₄ через фильтры Ф₅ и Ф₆ и разветвитель Р₃ подводятся к двухкаскадному усилителю на ЛБВ. Охлаждение ЛБВ осуществляется жидкостью, которая проходит через наружные радиаторы, излучающие тепло в космическое пространство.

Рисунок 9.15. Структурная схема ретранслятора "Молния-1"

Для обеспечения продолжительной работы и повышения надежности бортовой приемопередающей станции используются холодное резервирование комплектов аппаратуры и автоматическая система проверки, которая состоит из имитатора колебаний с несущей частотой земных станций (ИНЗ), контрольно-измерительного устройства (КИУ), программно-временного устройства (ПВУ) и коммутатора комплексов (КК). При обнаружении неисправного комплекта он заменяется одним из двух резервных.