Тоискин В.С., Петренко В.И., Бибарсов М.Р., Мишин Д.Ю. Системы радиосвязи

Подождите немного. Документ загружается.

161

Сущность активной мгновенной ретрансляции заключается в том, что

сигнал ретранслируется без промежуточного запоминания в РС, т.е. "мгно-

венно". Задержка в передаче сообщения в этом случае в основном определя-

ется временем распространения сигнала на участках РЛКС.

Достоинства РЛКС с активной мгновенной ретрансляцией:

возможность дальней связи в реальном масштабе времени;

использование одного РС для одновременной работы многих ЗС в

составе радиолиний и сетей КС;

снижение требований к аппаратуре ЗС по величинам мощностей

передатчиков и чувствительности приёмников (по сравнению с пассивной

ретрансляцией), что упрощает конструктивное исполнение, уменьшает стои-

мость и позволяет создавать достаточно компактные ЗС, вплоть до малогаба-

ритных переносных.

Недостатки РЛКС с активной мгновенной ретрансляцией:

сравнительно низкая разведзащищенность;

подверженность РС воздействию преднамеренных помех;

ограниченная пропускная способность РС;

возможность возникновения взаимных помех при одновременной

работе нескольких ЗС через один РС.

При активной

задержанной ретрансляции ретранслируемые сигналы

запоминаются на некоторое время на РС. Этот способ находит применение в

тех случаях, когда высота полета ИСЗ невелика и области обзора земных

станций не пересекаются. Ретрансляторы связи при этом кроме приемо-

передающего оборудования оснащается запоминающим и считывающим

устройствами.

При нахождении ИСЗ в области обзора ЗС

(см. рис.7.2) по командной

радиолинии с ЗС

или по сигналу программно-временного устройства (ПВУ)

самого ИСЗ на нём включается приемная и запоминающая аппаратура. ЗС

на частоте

передает информацию в адрес ЗС

, которая принимается прием-

ным устройством РС и записывается в запоминающем устройстве. При вы-

ходе из области обзора ЗС

по команде с Земли или со своего ПВУ вся

ретрансляционная аппаратура на ИСЗ выключается и спутник летит в режиме

радиомолчания. В области обзора ЗС

на РС включается передающее и счи-

тывающее оборудование и сигнал на частоте

' передается ("сбрасывается") в

сторону Земли для ЗС

Достоинства способа:

неограниченная дальность связи;

невысокие требования к энергетическому потенциалу РЛКС вслед-

ствие небольших наклонных дальностей;

достаточно высокая скрытность и помехозащищенность.

Недостатки способа:

задержки в передаче информации;

сложность аппаратуры РС;

162

- повышенные требования к системам обнаружения и слежения ЗС за

низколетящими ИСЗ.

Простейшим

пассивным ретранслятором в СКС является надувная

сфера из пластиковой пленки, поверхность которой покрыта слоем отра-

жающего материала. Диаметр сферы может достигать нескольких метров.

Первый пассивный ретранслятор "Эхо-1" (США, 1960г.) имел диаметр сферы

30м, "Эхо-2" - 42м.

Достоинства способа пассивной ретрансляции:

высокая надежность, обусловленная отсутствием радиоаппаратуры

РС;

долговечность (до 25 лет);

высокая помехозащищенность, т.к. РЛКС в меньшей степени под-

вержены воздействию естественных и искусственных помех;

отсутствие нелинейных искажений сигнала в РС и взаимных помех

между каналами;

гибкость системы - изменение частоты, вида сигнала не требуют

изменений на РС.

Недостатком способа является необходимость высокого энергетиче-

ского потенциала РЛКС. Так для получения мощности сигнала на входе при-

емника 1,5·10

-13

Вт при диаметре сферы РС 30 м высоте расположения сферы

36 тыс. км и длине волны 10 см мощность передатчика ЗС должна быть

47кВт, а при длине волны 1 м - 4,7 МВт.

7.1.3 Достоинства и недостатки космической связи

Космическая связь как род связи имеет много общего с другими ро-

дами связи, такими как электросвязь, радиорелейная,

тропосферная, ионо-

сферная, прямой видимости. Наряду с этим имеет место и ряд специфических

особенностей.

1. Ретрансляция сигналов осуществляется через движущийся ретранс-

лятор, установленный на ИСЗ. Движение РС происходит на большом удале-

нии от Земли. В связи с этим построение и эксплуатация систем космической

связи основывается на знании закономерностей движения ИСЗ. Необходимо

в любой момент времени знать положение ИСЗ на орбите для наведения ан-

тенн ЗС на ИСЗ, постоянно ориентировать антенны РС на районы земного

шара где расположены ЗС.

2. ИСЗ находится в условиях космической среды. На работу радио-

технического оборудования ИСЗ оказывает влияние ряд факторов, которые

необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации

ИСЗ. К таким

факторам относятся: высокий вакуум; специфические условия теплообмена,

связанные с трудностями отвода тепла и перегревом аппаратуры; солнечные

и космические излучения; воздействия частиц метеорного вещества, магнит-

ных и гравитационных полей; влияние радиационных поясов Земли и др.

3. Современные ИСЗ являются необслуживаемыми объектами, это

обуславливает повышенные требования к надежности и живучести

аппарату-

163

ры. Процессы управления и эксплуатационного обслуживания должны быть

автоматизированы.

4. Высота полета ИСЗ достигает десятков тысяч километров, наклон-

ные дальности находятся в этих же пределах. Следовательно, имеет место

значительное ослабление сигнала как за счет распространения радиоволн в

свободном пространстве, так и за счет поглощения энергии радиоволн в ат-

мосфере Земли. Суммарные

ослабления мощности сигнала достигают 200 дБ.

Это обуславливает необходимость обеспечения высоких энергетических ха-

рактеристик РЛКС.

5. Через один РС работают одновременно и независимо друг от друга

несколько ЗС, СКС работает в так называемом режиме многостанционного

доступа, что предопределяет ряд специфических проблем.

Связь через ИСЗ обладает рядом достоинств, выдвигающих ее на одну

из

главенствующих ролей.

1. Возможность обеспечить информационный обмен между пунктами,

находящимися в зоне радиовидимости и удаленными друг от друга на раз-

личные расстояния, при активной мгновенной ретрансляции.

2. Возможность организации прямых каналов между любыми ЗС в зо-

не связи, а также обеспечения работы в режиме незакрепленных каналов, при

котором каналы в пределах обслуживаемой

территории могут оперативно

переключаться в соответствии с изменяющимися во времени потребностями.

3. Возможность передачи циркулярных сообщений на большую зону

связи.

4. Независимость качества каналов и их стоимости от расстояния ме-

жду ЗС.

5. Экономичность системы. Стоимость канало-километра системы

космической связи, начиная с 200 км для проводной связи и с 1500 км для

радиорелейной

и тропосферной связи, ниже.

6. Универсальность РЛКС в отношении передаваемой информации.

По РЛКС могут быть организованы различные виды связи: телефонная, теле-

графная, телевизионная, факсимильная, передача данных. В современных

СКС все виды информации передаются в единой цифровой форме.

7. Качественные показатели каналов СКС могут быть выдержаны

весьма высокими и соответствовать нормам на

наземные каналы связи.

Имеются и недостатки систем космической связи как общие, прису-

щие всем родам связи, так и специфические.

Невысокая скрытность.

Возможность организации преднамеренных помех, особенно по

входу приемника РС.

Возможность разрушения всей системы путем вывода из строя об-

щих РС.

Низкий уровень сигнала на входе приемных устройств ЗС.

Наличие эффекта Доплера, задержки сигнала, нарушение непре-

рывности при переходе в работе с одного ИСЗ на другой.

164

6. Большие первоначальные затраты при создании СКС. Следует от-

метить, что большинство трудностей, вытекающих из недостатков СКС, яв-

ляются либо технически разрешимыми, либо учитываются организационны-

ми мероприятиями при планировании и организации связи.

Далее рассмотрим основные законы, согласно которым осуществляет-

ся движение ИСЗ.

7.1.4 Законы Кеплера

Траектория движения ИСЗ называется его

орбитой.

Правильный выбор орбиты ИСЗ имеет важное значение как с точки

зрения качества радиосвязи, так и с точки зрения экономичности ССС.

Движение ИСЗ в пространстве определяется следующими основными

факторами:

притяжением ИСЗ Землей;

торможением ИСЗ в атмосфере Земли;

влиянием Луны, Солнца, иных планет;

световым давлением, магнитным полем Земли;

влиянием несферичности Земли, неравномерностью распределения

ее массы.

Однако влияние этих факторов невелико по сравнению с земным при-

тяжением. Результатом этого влияния являются т.н. возмущения траектории

ИСЗ, т.е. отклонения ее от некоторой идеальной траектории, учитывающей

лишь силы притяжения Земли.

Описание движения ИСЗ в поле земного тяготения даже без учета

других

факторов является сложной задачей, поскольку Земля имеет сложную

форму и неравномерное распределение массы. В частности, Земля слегка

сплюснута в направлении оси вращения. Экваториальный радиус Земли ра-

вен 6 378 245м, полярный 6 356 864м, а экваториальное сечение Земли напо-

минает эллипс с небольшим эксцентриситетом.

Однако в первом приближении можно считать, что движение спутни-

ка

происходит в поле тяготения шарообразной Земли со сферически симмет-

ричным распределением плотности.

Невозмущенное движение спутника в центральном поле тяготения

Земли подчиняется эмпирически найденным законам Кеплера (немецкий

ученый Иоганн Кеплер 27.02.1571г.-15.11.1630г., активный сторонник учения

Н. Коперника, один из творцов небесной механики), строгий математический

вывод которых был получен гораздо позже. (Свои законы

Кеплер нашел для

орбит планет относительно Солнца)

Эти соотношения позволяют сделать ряд важных предварительных

выводов относительно параметров орбиты ИСЗ, поэтому их целесообразно

напомнить (в современном толковании).

1-й закон Кеплера. Орбита спутника Земли лежит в неподвижной

плоскости и является эллипсом, в одном из фокусов которого находится

центр масс Земли.

165

Уравнение эллипса в полярных координатах с центром в фокусе F

имеет вид

(

)

cos1cos1

⋅+

−

где

r - радиус - вектор спутника;

а - большая полуось орбиты;

пА

⋅

−

- эксцентриситет орбиты; (смещение фокусов относи-

тельно центра)

ν - истинная аномалия (угол между радиус-вектором спутника и на-

правлением в перигей П);

Р=а(1-е

) - фокальный параметр орбиты.

Иллюстрация сказанного поясняется рис. 7.4.

ось апсид

Рисунок 7.4 - Обозначения: F

и F

-фокусы эллипса, а -большая, b - малая полуоси, r -

радиус - вектор спутника

Фокальный параметр определяет размеры орбиты, а эксцентриситет её

форму, причем для эллипса 0 <

е < 1, а для окружности е = 0.

Апогей А и перигей П являются концами большой оси эллипса, а ли-

ния их соединяющая называется

осью апсид. (от греческого "апсидос" -

"свод", "арка")

(Понятия

эксцентриситет, перигей, апогей, линия апсид введены

Гиппархом - величайший астроном Древней Греции. (~ 100г. до н.э.)).

Таким образом, орбита спутника - одно из конических сечений: ок-

ружность, эллипс, парабола или гипербола,

Из 1-го закона Кеплера следует, что невозможно расположить орбиту

спутника так, чтобы она была вся в северном полушарии, например, была

полностью над территорией России. Спутники, появляющиеся

над террито-

рией России, обязательно появляются и в южном полушарии.

166

2-й закон Кеплера. Радиус - вектор спутника (отрезок прямой, со-

единяющий центр Земли и спутник) в равные промежутки времени описыва-

ет равные площади.

Иллюстрация 2-го закона Кеплера представлена на рис. 7.5.

Δν

ΔS

Δν

ΔS

r + Δr

Рисунок 7.5 - Иллюстрация 2-го закона Кеплера

Площадь сектора, описанного радиус - вектором за время Δt равна:

ΔS≈

(r+Δr)·sin U≈

ΔU,

где

U - истинная аномалия (угол между радиус - вектором спутника и на-

правлением в перигей П).

Разделив обе части равенства на Δ t и устремив Δ t к нулю, получим:

lim

=⋅==

→Δ

где

kpc ⋅= , k -константа, p- фокальный параметр.

Из этого выражения следует, что угловая скорость

вращения спут-

ника в общем случае непостоянна и обратно пропорциональна квадрату рас-

стояния

r. Эта скорость увеличивается к перигею П и уменьшается к апогею

А.

2-й закон Кеплера имеет большое значение для выбора эксцентриси-

тета орбиты и для ориентации орбиты относительно зон обслуживания ЗС. В

частности, очевидно, что апогей следует располагать над зоной обслужива-

ния, поскольку в этом случае продолжительность одного сеанса связи будет

максимальна. Ясно и то, что чем больше эксцентриситет (вытянутость) орби-

ты, тем большую часть периода

T обращения вокруг Земли спутник будет

“виден” в зоне обслуживания, т.е. повышается коэффициент его использова-

ния. Вместе с тем с увеличением эксцентриситета

е усложняется решение

проблемы борьбы с влиянием эффекта Доплера.

3-й закон Кеплера. Отношение квадратов периодов обращения

спутников равно отношению кубов больших полуосей их орбит.

В математическом виде этот закон может быть записан:

167

(

)

()

mmT

где m

, m

,- массы центральных и движущихся точек;

, Т

- сидерические, или звездные (измеренные по звездам) периоды

обращения материальных точек по отношению к неподвижному наблюдате-

лю, при

>>m

и m

>>m

⋅π

==⇒

, μ − гравитационный пара-

метр

μ=3,986·10

км

/с

. (Например, сидерический период вращения Земли

вокруг своей оси равен 23 часа 56 минут).

Важным следствием из 3-го закона Кеплера является то, что период

обращения

T можно подбирать, изменяя величину большой полуоси. В част-

ности, для геостационарного спутника период обращения должен быть равен

периоду обращения Земли вокруг оси (24час). Это достигается при

a=42,2тыс. км.

Важно отметить, что уменьшать

T можно до определенного предела.

Этот предел связан с тем, что с уменьшением

a спутник снизится, и орбита

заходит в плотные слои атмосферы, где сопротивление воздуха тормозит

движение спутника, он быстро “сходит” с орбиты и сгорает в плотных слоях

атмосферы. Наконец, пределом снижения орбиты является поверхность Зем-

ли.

Законы Кеплера отражают движение спутника относительно плоско-

сти его орбиты. Движение спутника относительно земного наблюдателя (ЗС)

гораздо сложнее, поскольку наблюдения проводятся с поверхности Земли,

которая вращается относительно плоскости орбиты, а именно это движение

интересует нас с точки зрения слежения за ИСЗ, наведения антенн ЗС и оп-

ределения продолжительности сеанса связи.

Кроме того, законы Кеплера отражают идеальные орбиты, однако в

силу взаимного влияния планет солнечной системы в действительности

тра-

ектории орбит ИСЗ - это сложные пространственные кривые, которые можно

рассматривать как эллиптические лишь в течение времени первых двух обо-

ротов после вывода на орбиту.

7.1.5 Параметры орбит ИСЗ

Из теории движения тел в пространстве (т.н. небесной механики) из-

вестно, что движение ИСЗ описывается системой дифференциальных урав-

нений шестого порядка. Следовательно, орбита ИСЗ однозначно определяет-

ся шестью независимыми постоянными величинами, называемыми

парамет-

рами орбиты

. Эти параметры позволяют определить координаты ИСЗ и со-

ставляющие вектора скорости в любой точке его орбиты и в любой момент

времени.

параметр. Величина большой полуоси

)(

пA

168

где R

- средний радиус Земли;

- высота ИСЗ в апогее;

- высота ИСЗ в перигее.

2 параметр. Эксцентриситет орбиты

)(

ПA

−

= .

3 параметр. Наклонение орбиты i - угол между плоскостью орбиты и

плоскостью экватора (или осью вращения Земли

Z и перпендикуляром N к

плоскости орбиты с направлением в ту сторону, откуда вращение ИСЗ на-

блюдается против часовой стрелки). Наклонение может составлять от 0

до

180

(см. рис. 7.6), причем ИСЗ движущиеся в направлении вращения Земли

имеют наклонение от 0

до 90

Плоскость экватора

Плос

ко

ст

орб

ит

Рисунок 7.6 - Наклонение орбиты

4 параметр. В любой момент времени t орбита ИСЗ пересекает плос-

кость экватора в двух точках, называемых узлами. Различают

нисходящий

узел - точку, проходя которую ИСЗ переходит из северного полушария в

южное полушарие и

восходящий узел - точку перехода ИСЗ из южного по-

лушария в северное.

Долгота восходящего узла Ω (см. рис. 7.7) отсчитывает-

ся как угол в плоскости экватора от оси

ОХ на точку весеннего равноденст-

вия против часовой стрелки (если смотреть со стороны положительного на-

правления оси

Z) до прямой, соединяющей начало координат с восходящим

узлом (линия узлов).

параметр. Т.к. плоскость орбиты сохраняет свое положение относи-

тельно звезд, а Земля вращается в процессе суточного движения относитель-

но них, долгота восходящего узла равномерно меняется во времени от 0

до

360

. Поэтому как элемент орбиты долготы восходящего узла определяют

отнеся их к каким-либо определенным моментам времени, например, к

мо-

ментам прохождения спутником перигея

- момент времени t

169

долгота восходящего узла

<Ω<360

на точку весеннего

равноденствия

плоскость экватора

Рисунок 7.7 - Долгота восходящего узла

6 параметр. Аргумент перигея - угловое расстояние перигея от вос-

ходящего узла - т.е. угол

ω, отсчитываемый в плоскости орбиты от направле-

ния на восходящий узел до направления на перигей (рис. 7.8). Аргумент пе-

ригея может находиться в пределах от 0

до 360

. (Аргумент перигея - это

угол в плоскости орбиты между линией узлов и линией апсид. Измеряется в

направлении движения ИСЗ от восходящего узла к перигею орбиты).

перигей

апогей

восходящий

узел

линия узлов

линия апсид

Рисунок 7.8 - Аргумент перигея

170

7.1.6 Классификация орбит

В зависимости от параметров различают следующие орбиты:

1. По высоте:

низкие; h

< 7 тыс. км;

средневысотные; 7 < h

< 18 тыс. км;

высокие, h

> 7 тыс. км.

2. По периоду обращения:

непериодические (асинхронные);

синхронные Т

=24 часа;

квазисинхронные Т=Т

/k (k - целое число).

3. По форме:

круговые;

эллиптические.

4. В зависимости от наклонения плоскости орбиты:

полярные;

экваториальные;

наклонные.

Синхронная экваториальная орбита называется

геостационарной.

(Круговая, с периодом обращения 24 часа в сторону вращения Земли, с на-

клонением

i=0

и h

=35875 км над экватором). При ее использовании отсут-

ствуют перерывы в связи, ИСЗ освещает значительную площадь поверхно-

сти.

Достоинства геостационарных орбит ИСЗ для систем связи:

связь осуществляется непрерывно, круглосуточно, без переходов с

одного (заходящего) ИСЗ на другой;

на антеннах ЗС могут быть упрощены (или даже исключены) сис-

темы автоматического сопровождения ИСЗ; механизм привода антенны мо-

жет быть облегчен, упрощен, сделан более экономичным;

достигается более стабильное значение ослабления сигнала на трас-

се между земной и космической станцией;

отсутствует частотный сдвиг (или становится очень малым), обу-

словленный эффектом Доплера;

зона видимости ИСЗ - около 1/3 земной поверхности;

трех геостационарных спутников достаточно для создания глобаль-

ной связи.

Данный тип орбит широко используется, однако число ИСЗ на ней

уже достаточно велико, появилась проблема ЭМС.

В настоящее время находят наиболее широкое применение высокоэл-

липтические орбиты с периодом обращения в 12 часов, наклонение орбиты

63,4

, высота апогея порядка 40 000км, перигей составляет порядка 500км. На

орбитах данного типа работают ИСЗ системы «Молния-2, 3».

При выборе орбит необходимо учитывать следующее.

С увеличением апогея расширяется зона освещенности, однако

увеличиваются энергетические затраты и время запаздывания сигнала.