Зона радиовидимости спутника.

Спутниковые сети связи с использованием геостационарных

Ретрансляторов

Общая характеристика спутниковых сетей, использующих ГСР

Уникальной особенностью ГО является неподвижность (на практике — достаточно малая подвижность) ГСР относительно земной поверхности. Это позволяет:

• во многих практических приложениях использовать на ЗС антенны с фиксированным наведением, что существенно удешевляет оборудование и позволяет отказаться от услуг высококвалифицированного обслуживающего
персонала;

• обеспечить непрерывность связи с использованием единственного ГСР;

• минимизировать негативное влияние доплеровского сдвига частоты;

• обеспечить почти непрерывное питание бортовой аппаратуры от первичного источника энергии («ночь» на ГО длится не более 72 минут).

Конфигурация типовой спутниковой сети связи, базирующейся на геостационарных спутниках-ретрансляторах (ГССС), приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1 Конфигурация типовой ГССС

В состав ГССС обычно входят:

1. Один или несколько ГСР, образующих космический сегмент сети.

2. Совокупность земных станций (ЗС), оборудованных приемо-передающей
аппаратурой, являющихся по отношению к сети источниками и потребителями информации.

3. Одна или несколько центральных станций (ЦС), обеспечивающих управление процессами информационного обмена и функционирования сети.

4. Командно-измерительная станция (КИС), обеспечивающая управление
функционированием систем ГСР и коррекцию его движения по орбите.

Земные станции обмениваются между собой информацией через ГСР, который
для этого должен, как минимум, принимать излучаемые передающими ЗС сверхвысокочастотные (СВЧ) сигналы, переносить частотный спектр принимаемых сигналов в другую область частот, усиливать и переизлучать преобразованные по частоте сигналы в направлении приемных ЗС.

Земные станции выполняют также функции узлов сопряжения (шлюзов) между наземными сетями (пользователями) и ССС. С этой целью в ЗС осуществляется преобразование форматов и протоколов передачи данных» используемых
в наземных сетях, в форматы и протоколы, позволяющие эффективно использовать связные ресурсы спутниковых каналов.

В зависимости от назначения и пропускной способности основные параметры и конструктивные особенности ЗС современных ГССС колеблются в широких пределах, начиная от портативных персональных терминалов типа «трубка в руке» с выходной мощностью в доли ватт и фиксированных малогабаритных станций с диаметром антенн 0,5-2 метра с выходной мощностью 1-20 Вт до весьма громоздких конструкций с большими антеннами диаметром 25-30 метров и передатчиками мощностью до десятков кВт, оформленных в виде специально построенных зданий в специально выбранных местах.

Через ЦЗС центры управления сетью координируют и протоколируют процесс функционирования сети. В частности, через ЦЗС осуществляется синхронизация всех ЗС в составе сети, обеспечивается процедура включения новых ЗС в сеть, распределяются между ЗС связные ресурсы сети, архивируются данные об использовании этих ресурсов каждым пользователем, осуществляется маршрутизация информационных потоков по каналам связи сети, выполняется тарификация.

Зона радиовидимости спутника.

Одним из важных достоинств геостационарной орбиты является возможность
обеспечения значительной области обслуживания. Размеры области обслуживания ограничиваются следующими условиями:

1. В пределах области обслуживания угол возвышения, или, что тоже самое,
угол места антенн земных станций γ (угол между направлением на точку
стояния ГСР и плоскостью местного горизонта) не должен быть менее некоторого порогового значения γ_мин, определяемого назначением сети. Малые
углы возвышения приводят к возможности затенения ГСР местными предметами, окружающими ЗС, к увеличению потерь полезного сигнала в атмосфере и шумов антенной системы ЗС, обусловленных радиошумовым излучением Земли. Для сетей фиксированной спутниковой службы, в которых
затенение можно исключить путем выбора места установки ЗС, угол γ ограничивается снизу величиной 10°-12°. Для сетей же персональной подвижной службы угол возвышения ГСР над горизонтом должен быть не менее 30°.

2. В любой точке области обслуживания при заданных параметрах ЗС на линии
связи должны обеспечиваться энергетические соотношения не хуже заданных.

Область земной поверхности, удовлетворяющая условию 1, называется

областью видимости ГСР, а условию 2 — областью покрытия. Область

обслуживания определяется пересечением областей видимости и покрытия.

Определим основные геометрические соотношения в ГССС.

Рис. 1.2. Геометрия ГССС

С учетом связи между сферическими и прямоугольными координатами (рис. 1.2.) координаты земной станции и ГСР будут соответственно равны:

Тогда расстояние r (дальность связи) между земной станцией с координатами
ψ (широта) и φ (долгота) и ГСР с точкой стояния на долготе φ_р равно:

где r₃ = 6375 км — радиус Земли, h - 35875 км - высота ГО.

— угол возвышения ретранслятора над горизонтом:

— граница области видимости ГСР определяется следующим уравнением:

— угол обзора β области видимости из точки стояния ГСР равен:

В силу ряда причин минимальная величина угла возвышения антенны ЗС ограничивается значением γ_min = 10°-12°. При, например, γ_min=11.5°, получим:
ψ= 70°, β = 17°, r= 40500 км. Это соответствует диаметру области видимости около 15600 км и площади 190 млн. км². На рис. 1.3. показаны области видимости
геостационарного CP.

Рис. 1.3. Области видимости ГСР

При увеличении γ_min размеры области видимости сокращаются. Так, например, при увеличении минимально допустимого угла возвышения от 11,5° до 30° диаметр области видимости уменьшается до 11300 км, а её площадь сокращается почти в два раза. Возможность обслуживания единственным ГСР огромных территорий является основным достоинством ГССС. В то же время проблематичность обслуживания высокоширотных областей является недостатком.

Границу области покрытия обычно определяют по пороговому минимально
допустимому уровню мощности, излучаемой ретранслятором в её направлении.
Часто в качестве указанного порогового значения выбирают уровень мощности,
на 3дБ меньший уровня в направлении максимального излучения. Контур области покрытия в основном определяется характеристиками бортовой передающей антенны и может быть сделан достаточно сложным.

В большинстве случаев (за исключением глобальных ССС) требуемая область обслуживания оказывается меньше области видимости ГСР. При этом задачи выбора геометрических параметров ГССС могут быть сформулированы
следующим образом. По заданному контуру области обслуживания:

• определить точку стояния ГСР, максимизирующую минимальное значение угла возвышения антенн ЗС в пределах области обслуживания;

• определить точку стояния ГСР, максимизирующую минимальное значение угла возвышения антенн ЗС в пределах области обслуживания;

• при заданном значении γ_min найти совокупность точек стояния (дугу ГО),
в которых возможно размещение ГСР;

• определить точку прицеливания луча передающей антенны ГСР (точку
земной поверхности, в направлении которой излучается максимальная
мощность), минимизирующую требуемое сечение луча;

• выбрать форму сечения луча антенны ГСР (в большинстве практических
случаев круглую или эллиптическую);

• в случае эллиптической формы сечения луча выбрать оптимальные параметры эллипса (углы раскрыва по осям) и его ориентацию в системе координат ГСР, минимизирующую площадь сечения луча.

1.2. Характерные особенности радиоканалов связи через ГСР

состоят в следующем:

1. Спутниковые каналы из-за их значительной протяженности (35875-
41000 км) задерживают сигналы на сравнительно большое время (задержка распространения) — 120-136 мс в одном направлении. При направленной
передаче информации такая задержка несущественна, но при интерактивной связи (телефония, видеоконференцсвязь, мультимедийные приложения
и т.д.) она может приводить к ощутимым неудобствам. Наличие задержки
усложняет и снижает эффективность управления процессом информационного обмена в сети, которое применяется с целью более экономного использования связных ресурсов.

2. Спутниковые радиоканалы в значительной степени подвержены воздействию внешних источников шумов и помех естественного и искусственного
происхождения.

3. Большая дальность связи приводит к значительному ослаблению сигналов
в свободном пространстве (рассеянию энергии и поглощению мощности в
различных слоях атмосферы), что в сочетании с большим уровнем внешних
шумов требует для обеспечения заданной достоверности передачи информации весьма значительных энергозатрат. Стремление снизить эти затраты и повысить пропускную способность ГССС обуславливает необходимость

использования оптимальных или близких к ним структур передаваемых
радиосигналов и способов их обработки.

4. Спутниковые каналы связи являются каналами с переменными параметрами, что обусловлено неопределенностью положения ГСР в пространстве, его ориентации и, главным образом, разбросом параметров атмосферы
Земли на трассе распространения радиосигналов. Коэффициент передачи
по мощности канала изменяется во времени, причем характер этого изменения содержит регулярную и случайную составляющие.

Геостационарный ретранслятор, как космическая станция, включает в себя следующие основные системы:

1. Бортовой ретрансляционный комплекс (БРТК), являющийся полезной
нагрузкой ГСР и выполняющий все необходимые сетевые функции космического сегмента.

2. Систему коррекции орбиты.

3. Систему ориентации.

4. Систему энергообеспечения.

5. Систему терморегулирования, поддерживающую температурный режим аппаратуры ГСР в пределах, обеспечивающих сё нормальное функционирование.

6. Информационно-управляющую систему, обеспечивающую взаимодействие с командно-измерительной станцией, сбор и обработку измерительной
информации, формирование, распределение и исполнение различных команд, обеспечивающих необходимые режимы работы систем ГСР.

Теоретически неподвижный относительно земной поверхности ГСР на практике дрейфует относительно своей номинальной точки стояния, что обусловлено неизбежным отличием параметров орбиты от номинальных и влиянием различных возмущающих воздействий. Смещение ГСР относительно рабочей позиции имеет периодическую и регулярную составляющие, возникающие по следующим причинам:

• при отличии угла наклонения орбиты от нулевого спутник колеблется относительно рабочей точки в направлении север — юг с периодом 24 часа
и амплитудой равной углу наклонения орбиты;

• при отличии орбиты ретранслятора от круговой он совершает суточные
колебательные смещения относительно точки стояния в направлении
восток — запад, причем амплитуда смещения пропорциональна эксцентриситету орбиты;

• если период вращения ГСР менее 24 часов, он «уходит» из рабочей точки
в восточном направлении, а в противном случае — в западном;

• переменность во времени вектора гравитационного притяжения в связи с изменением пространственного расположения Земли, Солнца и Луны, давление света, потоки космических частиц и другие дестабилизирующие факторы приводят к суточным, месячным и годовым циклическим, а также направленному смещениям ГСР относительно номинальной точки стояния.

На практике перечисленные факторы действуют одновременно и приводят к
сложной траектории движения ГСР в пространстве, причем, если не приняты
специальные меры, спутник постепенно увеличивает амплитуду своих колебаний
и перестает выполнять свою целевую функцию.

Поскольку использование ГСР предусматривает обслуживание заданной области земной поверхности, необходимо ограничить перемещение спутника в пространстве таким образом, чтобы все ЗС сети постоянно находились в области его обслуживания. Кроме того, смещение ГСР по долготе для исключения взаимного влияния соседних спутников жестко регламентируется международными нормами. Стабилизация ГСР по широте и долготе обеспечивается с помощью бортовой системы коррекции орбиты, использующей в качестве исполнительных элементов различные типы маломощных ракетных двигателей, создающих в необходимых направлениях небольшие ускорения.