Лекция 10. ЭИИМ передающей станции; добротность приемной станции; типовые значения энергетических параметров ЗС и КС

Цель лекции: ознакомиться с основными энергетическими параметрами ССС.

Рассмотрим один участок спутниковой линии связи, состоящей из передающего и приемного устройств, передающей и приемной антенны и тракта распространения.

Энергетический потенциал передающей станции оценивается эквивалентной изотропно-излучаемой мощностью (ЭИИМ в дБВт).

ЭИИМ ЗС задается частотным планом и не должна превышать максимальное для данного класса ЗС значение.

Максимальная ЭИИМ ЗС складывается из мощности излучения всех подключенных к антенне передатчиков, увеличенной на коэффициент усиления антенны. Величина максимальной ЭИИМ вычисляется по формуле

ЭИИМ = 10 * lg[ Р₁ + Р₂ + : + Р_N ] – L_АВТ + G_П=Е

где: Р₁, Р₂, Р_N – максимальные мощности передатчиков, Вт, на входе антенно-волноводного тракта (АВТ);
L_АВТ – затухание антенно-волноводного тракта , дБ;
G_П – усиление антенны на передачу, дБ.

Неточность поддержания ЭИИМ, не выше точки снижения коэффициента усиления на 1 дБ, на выходе передающего устройства, при любых возмущающих воздействиях, кроме изменений условий распространения в свободном пространстве должна быть не более +2 дБ в течение 24 ч.

Энергетический потенциал приемной станции достаточно полно характеризует добротность приемной станции (в дБ/К).

Значение энергетической добротности приемной системы земной станции нормируется во всем диапазоне рабочих частот для условий чистого неба. Величина добротности, дБ/К, определяется по формуле

G/Т = G_ПР – 10 * lg[T_Σ] (10.1)

где G_ПР – усиление антенны на прием пересчитанное к входу МШУ, дБ;
Т_Σ – суммарная эквивалентная шумовая температура антенны и малошумящего усилителя (МШУ), пересчитанная к входу МШУ, град. Кельвина.

Для практических расчетов все составляющие суммарной шумовой температуры удобно пересчитать к облучателю приемной антенны

Т_Σ=Т_А+Т₀(1/η_ПР – 1)+Т_ПР/ η_ПР (10.2)

где Т_А – результирующая шумовая температура антенны, К;

Т₀=290 К – физическая температура окружающей среды;

η_ПР – коэффициент передачи (по мощности) волноводного тракта приемной станции от облучателя антенны до входа приемника;

Т_ПР – собственная шумовая температура приемника, К.

Шумовая температура приемных антенн ЗС и ИСЗ зависят от шумовой температуры атмосферы, Т_А, шумовой температуры, обусловленной тепловым излучением Земли, Т_З, и шумовой температуры, обусловленной шумами космического происхождения Т_КОСМ.

Шумовая температура приемника обусловлена его собственными тепловыми шумами, зависит от типа приемника, и, в основном, определяется шумовой температурой входного МШУ, зависящей также от частоты. Наиболее рациональным является МШУ, шумовая температура которого близка к результирующей шумовой температуре антенны.

Антенная система, включая антенно-волноводный тракт ЗС, должна обеспечить передачу и прием сигналов соответствующих по полосе частот и поляризации параметрам космического аппарата.

Минимальное значение коэффициента усиления антенны земной станции нормируется во всем диапазоне рабочих частот. Величина коэффициента усиления антенны на передачу (и прием), дБ, определяется по формуле

Gа = 10 * lg[K * (πD/λ)² ] (10.3)

где D и λ – диаметр антенны и длина волны, выраженные в одних единицах;
К = 0,5 – 0,7 – коэффициент использования поверхности раскрыва антенны.

Уровень первого бокового лепестка ДН антенны на передачу (и прием) не должен превышать минус 14 дБ относительно уровня главного лепестка.

Типовая ЗС (рисунок 10.1) системы фиксированной спутниковой связи (ФСС) состоит из следующих основных узлов:
- станция космической связи (СКС);
- каналообразующая аппаратура (КОА);
- оконечное оборудование;
- аппаратура соединительных линий.

Станция космической связи обеспечивает прием и передачу информации по спутниковому каналу. Она включает в себя антенную систему, приемо-передающее оборудование и преобразователи частоты. Размеры антенны и мощность передатчика определяются ЭИИМ спутника и качеством его приемных антенн, а также частотной полосой передаваемого сигнала.

Каналообразующая аппаратура формирует и обрабатывает модулирующий сигнал, обеспечивает процедуру многостанционного доступа (мультиплексирование / демультиплексирование сигналов), кодирование и декодирование сигналов, их модуляцию-демодуляцию. Связь каналообразующей аппаратуры с СКС осуществляется на промежуточной частоте, обычно 70 МГц, иногда - 140 МГц.

Состав оконечного оборудования зависит от назначения земной станции и вида передаваемой информации. Для сетей передачи данных это могут быть сборщики/разборщики пакетов, пакетные коммутаторы и т.д. В системах телефонной связи сюда входят модемы, кодеры и декодеры, коммутаторы и АТС.

Рисунок 10.1 – Структурная схема земной станции

Аппаратура соединительных линий предназначена для сопряжения земных станций с наземными линиями связи и аппаратурой пользователей.)

Структурная схема ЗС «Москва» приведена в [1].

Под КС обычно понимаются спутники-ретрансляторы. Они состоят из двух основных узлов: космической платформы и бортового ретранслятора – рисунок 10.2.

Бортовой ретранслятор (рисунок 10.3) принимает сигналы земных станций, усиливает их и передает на землю. С помощью бортовых антенн, передаваемый спутником сигнал фокусируется в один или несколько лучей, чем обеспечивается формирование необходимой зоны обслуживания.

Основными характеристиками спутников связи являются количество радиочастотных каналов (ретрансляторов) или стволов, мощность передатчиков в каждом стволе (обычно представляемая как эквивалентная изотропно излучаемая мощность или ЭИИМ), количество и размеры зон обслуживания. Для уменьшения взаимных помех передача сигнала со спутника (Downlink) ведется на частоте, отличной от частоты передачи сигнала с земли на спутник (Uplink). Поэтому ретрансляторы спутника имеют в своем составе преобразователи частоты. Обычно частота Downlink ниже, чем линии Uplink.

Космическая платформа предназначена для поддержания работы спутника связи. Основными функциями космической платформы являются обеспечение бортового ретранслятора электропитанием и удержание спутника на заданной орбите. Электропитание бортовой аппаратуры осуществляется обычно от солнечных батарей и резервных аккумуляторов.

Рисунок 10.2 – Схема узлов спутника

Количество, размеры и формы зон обслуживания определяются конструкцией антенн.

Рисунок 10.3 – Упрощенная схема бортового ретранслятора (3 ствола)

Под влиянием гравитационных сил спутник отклоняется от заданной орбиты, из-за чего необходимо периодически проводить ее коррекцию, используя специальные реактивные двигатели, установленные на спутнике. Поэтому значительную долю веса геостационарных спутников составляет вес двигательной установки и горючего для корректирующих двигателей. Запас горючего для коррекции орбиты, наряду с надежностью и долговечностью бортовой аппаратуры, определяет срок активного существования спутников связи.

Оперативное управление бортовыми системами и их контроль осуществляется бортовой вычислительной машиной. Кроме того, вся телеметрическая информация о состоянии систем спутника передается на землю. Наземный комплекс управления (НКУ) по результатам телеметрического контроля и измерения параметров орбиты спутника передает на него команды по коррекции орбиты и управлению бортовой аппаратурой.

В зависимости от диаграммы направленности бортовых антенн ИСЗ характеризуется зоной покрытия – частью поверхности земного шара, в пределах которой обеспечивается уровень сигналов от ИСЗ, необходимый для приема с заданным качеством на ЗС.

В связи с нестабильностью водится понятие гарантированной зоны обслуживания, в которой обеспечивается сохранение указанных ранее условий приема и передачи при любых сочетаниях отклонений ИСЗ и антенны ИСЗ от среднего положения.

Типовые структурные схемы бортовых ретрансляционных комплексов описаны в [1].