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

Подождите немного. Документ загружается.

201

7.3.2 Принципы построения бортовых ретрансляторов

Бортовой ретранслятор (БРТР)- радиотехническое приемопередаю-

щее устройство, установленное на ИСЗ и предназначенное для приема сигна-

лов от передатчика ЗС (одной или нескольких), их усиления и дальнейшей

передачи в направлении приемника ЗС (одной или нескольких)

Ретрансляторы различаются:

по числу и способу формирования стволов;

по диапазону частот (полосе частот);

по виду передаваемой информации в стволах;

по виду обработки информации на борту;

по способу преобразования сигнала;

по числу, типу конструктивным особенностям антенн;

по типу источника питания и т.д.

Основными элементами ретранслятора являются:

бортовые антенны,

фидеры и приемное устройство,

устройство преобразования и обработки сигнала,

усилитель мощности,

источник электропитания.

Кроме аппаратуры БРТР на ИСЗ располагаются командная и телемет-

рическая аппаратура, системы ориентации и стабилизации, защиты от не-

санкционированного включения и выключения и т.д.

Особенностью БРТР является то, что он работает в условиях ближне-

го космоса. Эти условия характеризуются:

невесомостью;

глубоким вакуумом (давление порядка 10

-4

...10

-14

мм рт. ст.);

возможностью попадания в метеоритные потоки;

воздействием интенсивной солнечной радиации;

воздействием космического и рентгеновского излучения.

Эти необычные условия функционирования определяют соответст-

вующие требования к схемно-конструктивному построению БРТР.

К ним следует отнести:

обеспечение автономного (необслуживаемого) надежного функ-

ционирования в условиях воздействия комплекса факторов;

минимальная масса при заданных надежностных и энергетических

показателях;

оптимальная для установки на ИСЗ форма;

оптимальное использование внутреннего пространства с целью

обеспечения необходимых условий терморегулирования, удобства доступа к

узлам (технологичности) и их замены перед стартом;

минимальное влияние динамических нагрузок и неравномерности

распределения масс в полете на другие системы ИСЗ, главным образом на

системы ориентации и стабилизации;

202

- способность выдерживать вибрации, ускорения и удары в процессе

запуска и коррекции орбиты, основным источником которых является рабо-

тающий двигатель самого КА и ракеты носителя (частота вибрации

2...1000Гц);

способность выдерживать резкое изменение температур (-150

С до

+60

С).

Одной из основных проблем является проблема энергетического обес-

печения. Мощность сигнала на выходе БРТР (или ствола) зависит от назна-

чения системы,

·пропускной способности ретрансляторов, чувствительности

приемных устройств,

·характеристик антенн, и ограничивается ресурсом и

возможностями источника питания. Решение

этой проблемы сводится преж-

де всего к задаче увеличения КПД ретранслятора.

=Р

пол

ист

где

пол

- полезная мощность подводимая к передающей антенне;

ист

- мощность, потребляемая ретранслятором от бортового источни-

ка питания.

Решение задачи требует использование в выходных каскадах УМ эко-

номичных по питанию электронных приборов (ЛБВ, клистронов, транзисто-

ров). Наиболее часто применяются ЛБВ. Они обладают высоким коэффици-

ентом усиления по мощности (30-40 дБ), возможностью работы в импульс-

ном и непрерывном режимах, сравнительно высоким КПД (25%-30%),

малой

массой и габаритами, долговечностью (до 20 тыс. часов), высокой надежно-

стью, жесткостью конструкции, вибростойкостью.

Основным недостатком клистронов является узкополосность, досто-

инством большая простота, меньшее по сравнению с ЛБВ количество номи-

налов питающих напряжений, несколько более высокий КПД.

В последние годы в выходных каскадах УМ БРТР стали использовать

твердотельные приборы (транзисторы (биполярные

, полевые) и лавинно-

пролетные диоды). Развитие СВЧ твердотельных усилителей идет по 2 на-

правлениям:

- создание более мощных СВЧ транзисторов и диодов;

- суммирование мощностей полупроводниковых усилителей с помо-

щью многополосных схем, фазированных антенных решеток и в общем резо-

наторе.

Основными преимуществами твердотельных передатчиков по сравне-

нию с электровакуумными являются: большая долговечность,

меньшее зна-

чение питающих напряжений, меньшие масса и габариты, более высокий

КПД, мгновенная готовность к работе. Недостатки: критичность к отклоне-

ниям от нормального режима по питанию (требуются меры защиты), ограни-

ченная мощность, причем с ростом частоты мощность уменьшается пропор-

ционально

Другим путем решения энергетической проблемы является обеспече-

ние надежного приема сигналов с мощным уровнем. Основная трудность

здесь - снижение шумовой температуры

203

=Т

+b·Т

+Т

пр

где

b - коэффициент, обуславливающийся снижением уровня космиче-

ских шумов за счет приема их боковыми лепестками антенн по сравнению с

главным лепестком;

- шумовая температура Земли;

- шумовая температура Космоса;

пр

- шумовая температура приёмника, приведённая к его входу.

С применением МШУ и кристаллических смесителей в современных

БРТР удается снизить

до 800-600

К.

Важным элементом БРТР являются антенны. К ним предъявляются

такие

требования как:

- ограниченные размеры;

- способность выдерживать большие ускорения и вибрационные на-

грузки во время запуска;

- минимальная масса и высокая работоспособность в условиях вакуума,

теплового и ВЧ излучения Солнца, солнечного давления, ионизирующих из-

лучений и т.д.

Для их изготовления используется магний, титан, алюминий, инвар,

бериллий и др.

В качестве антенн

1-го поколения использовались раскладывающиеся

параболические, зеркальные, одиночные штыревые, спиральные, рупорные,

решетки из спиральных антенн. В дальнейшем нашли применение рупорно-

параболические, антенны, обеспечивающие пространственную селекцию в

сочетании с поляризационной, многолучевые антенны. Усиление антенн

БРТР составляет 20-40 дБ.

При конструировании БРТР необходимо учитывать условия вакуума:

- отсутствие конвекции воздуха, приводящее к необходимости регули-

рования

теплообмена;

- возникновение коронного разряда, что требует мер защиты от пробоя;

- сублимация (испарение) материалов, что требует их специального

подбора и соответствующего запаса на испарение;

- изменение прочности материалов;

- потеря смазки, ведущая к нарушению работы механизмов из-за воз-

никновения "сухого" трения (применение поверхности из ковких материа-

лов).

Итак, БРТР представляет

собой сложное и дорогое устройство, для

обеспечения работоспособности которого, после вывода на орбиту, принима-

ется целый ряд специальных мер.

7.3.3 Типовые структурные схемы бортовых ретрансляторов

Аналогично принципам построения ретрансляторов РРЛ бортовые

ретрансляторы строятся по тем же принципам:

гетеродинному принципу, при котором основное усиление сигнала

по напряжению происходит на сравнительно низкой промежуточной частоте

204

пч

. Это основной принцип, обеспечивающий хорошее усиление при полосе

частот 40...120 МГц (рис. 7.30). Принятый антенной сигнал на частоте

пр

по-

ступает на вход БРТР, преобразуется в сигнал ПЧ. На

пч

в УПЧ осуществля-

ется основное усиление БРТР в заданной полосе. В следующем преобразова-

теле осуществляется повышающее преобразование усиленного сигнала ПЧ в

сигнал частоты передачи

пер

, которая после дополнительного усиления в вы-

ходном мощном каскаде (ЛБВ, клистрон), излучается в сторону Земли (ТВ -

вещания - “Экран”, стволы спутников связи “Молния”, “Радуга”).

г1

г2

УПЧ

УМ

пч

= f

пр

-f

г1

пч

пер

= f

пч

г2

пер

пр

Рисунок 7.30 - Гетеродинный принцип построения бортовых ретрансляторов

- с однократным преобразованием частоты (линейный БРТР), при

котором усиление происходит на высокой частоте (рис. 7.31). Ретрансляторы

этого типа обеспечивают меньшее усиление, но более широкополосны

(200...250МГц); (Поступающий на вход БРТР от антенны сигнал с централь-

ной частотой

пр

появляется на выходе БРТР в полосе частот передачи с цен-

тральной частотой

пер

, в результате однократного понижающего преобразо-

вания, выходная полоса частот от входной достаточно далека во избежание

возможного самовозбуждения ретранслятора. После преобразования сигнал

частоты

пер

усиливается в одном или нескольких выходных УВЧ для доведе-

ния мощности до заданного значения и направляется передатчиком в сторону

Земли).

УВЧ

пер

пр

УВЧ

Рисунок 7.31 – Принцип построения бортовых ретрансляторов с однократным

преобразованием частоты

- с демодуляцией или с обработкой сигнала на борту (рис.7.32). Об-

работка сигналов применяется с целью регенерации сигналов в цифровых

205

системах. (Принятый на частоте f

пр

сигнал преобразуется в сигнал промежу-

точной частоты

пч

, усиливается в тракте ПЧ и демодулируется демодулято-

ром (Дем). Демодулированный НЧ сигнал поступает на модулятор (Мод) че-

рез устройство изменения структуры сигнала ИСС, и далее на выход усили-

теля мощности и в антенну. Чаще всего используют тогда, когда необходимо

изменить способ или интенсивность модуляции на линии ИСЗ-Земля, для ре-

генерации сигналов и коммутации лучей).

Рисунок 7.32 – Принцип построения бортовых ретрансляторов с обработкой сигнала на

борту

В качестве типовой на рис. 7.33 представлена структурная схема

ретранслятора “Молния-1”.

ПС

G G

Рисунок 7.33 – Структурная схема ретранслятора “Молния-1”

Вопросы контроля

1. Дайте определения космической системе, спутниковой системе,

космической радиосвязи, спутниковой радиосвязи, земной станции, космиче-

ской станции.

2. Что понимают под областью обзора земной станцией?

3. Чем отличается зона радиовидимости от зоны покрытия?

206

4. Какие радиолинии космической связи используются в настоящее

время?

5. Каковы условия осуществления радиосвязи через ИСЗ между двумя

земными станциями в едином масштабе времени?

6. Что понимают под наклонной дальностью?

7. Какие существуют способы ретрансляции сигналов через ИСЗ?

8. Перечислите достоинства и недостатки радиолиний космической

связи с активной мгновенной ретрансляцией.

9. Перечислите достоинства и

недостатки радиолиний космической

связи с активной задержанной ретрансляцией.

10. Перечислите достоинства и недостатки радиолиний космической

связи с пассивной ретрансляцией.

11. В чем заключаются специфические особенности космической свя-

зи?

12. Каковы достоинства связи через ИСЗ?

13. В чем заключаются недостатки систем космической связи?

14. Какиеми основными факторами определяется движение ИСЗ в

пространстве?

15. Сформулируйте 1-

й закон Кеплера.

16. Сформулируйте 2-й закон Кеплера.

17. Сформулируйте 3-й закон Кеплера.

18. Дайте определение понятиям эксцентриситет, перигей, апогей, ли-

ния апсид.

19. Поясните физический смысл параметров орбиты.

20. Каким образом классифицируются орбиты?

21. Какая орбита называется геостационарной?

22. Перечислите достоинства геостационарных орбит.

23. Что необходимо учитывать при выборе орбит?

24. Что понимают под

многостанционным доступом?

25. В чем заключается принцип многостанционного доступа?

26. Что является основной проблемой многостанционного доступа?

27. В чем состоит задача разработчика многостанционного доступа?

28. Как можно выделить по признакам различимости сигналов спосо-

бы многостанционного доступа?

29. Перечислите достоинства и недостатки МДЧР.

30. Перечислите достоинства и недостатки МДВР.

31. Каковы основные энергетические особенности, возникающие

при

МДЧР?

32. В чем заключается сущность метода многостанционного доступа с

временным различением сигналов?

33. Для чего необходима синхронизация в системах с МДВР?

34. Какие методы синхронизации используются в системах с МДВР?

35. Назовите особенности аппаратуры земных станций.

36. Для чего служит аппаратура программного наведения?

207

37. Каким образом осуществляется компенсация доплеровского сдви-

га на РЛКС?

38. Дайте определение бортовому ретраслятору.

39. Каким образом различаются бортовые ретрансляторы?

40. Перечислите основные элементы ретранслятора.

41. Перечислите основные требования к схемно-конструктивному по-

строению бортовых ретрансляторов.

42. Какие проблемы возникают при построении бортовых ретрансля-

торов?

43. Перечислите основные требования ка антеннам бортовых ретранс-

ляторов.

44. По каким принципам строятся бортовые ретрансляторы?

208

8 Перспективы развития систем радиосвязи

Перспективы развития систем радиосвязи определяются основными

направлениями развития Взаимоувязанной сети связи. К числу таких направ-

лений относятся:

- расширение первичной сети, т.е. увеличение числа действующих

линий связи, сетевых станций и узлов коммутации. При этом расширение

первичной сети осуществляется в основном путем дальнейшего развития су-

ществующих сетей линий радиосвязи и внедрения линий нового типа - воло-

конно-оптических. В более отдаленном будущем предполагается внедрение

космических оптических линий связи, работающих

в радиодиапазоне;

- неуклонное повышение технико-экономических показателей от-

дельных элементов первичной сети и сети в целом на основе использования

принципов интеграции и комплексной автоматизации, а также предпочти-

тельного развития более выгодных с технико-экономической точки зрения

средств передачи и коммутации;

- развитие вторичной сети системы связи: увеличение числа и каче-

ства каналов связи, расширение сферы предоставляемых услуг и т.д.

Указанные направления тенденции обусловили частные тенденции

развития средств связи, основными из которых являются:

- широкое внедрение цифровых средств передачи и коммутации;

- освоение все более ВЧ диапазонов для целей радиорелейной и

спутниковой связи;

- освоение оптического диапазона и использование ВОЛС;

- внедрение вычислительной и микропроцессорной техники.

Основные направления развития средств радиосвязи в виде войск в

общем виде совпадают с рассмотренными выше. Однако с учетом возрас-

тающих возможностей противника эти направления приобретают большую

актуальность, особенно с точек зрения надежности и достоверности передачи

информации и помехозащищенности используемых каналов передачи.

Рассмотрим некоторые перспективы совершенствования

систем ра-

диосвязи и особенности СРС вида войск.

8.1 Совершенствование УКВ систем радиосвязи

В области УКВ СРС сегодня заметен весьма ощутимый прогресс.

Это прежде всего связано с разработкой новых стандартов на ССПР-

ОП в группе европейских стран, в США и Японии. В связи с изменением

экономической ситуации в стране эти системы

начинают интенсивно прони-

кать в нашу страну. Однако их использование в интересах системы связи ви-

да войск являются весьма отдаленной перспективой, а устройство и работа

требуют отдельного рассмотрения.

В настоящее время на замену аппаратуре "Брелок" начинает поступать

аппаратура "Блеск" (15Э1273). Система "Блеск" представляет собой совокуп-

ность взаимодействующих между собой и оконечной

аппаратурой комплек-

209

сов автоматизированной адаптивной по частоте УКВ радиосвязи. В состав

системы входят комплексы 15Э1273 - (1),-2,3,4/6,5/7,8,9,10,11,12.

Особенностью комплексов является возможность осуществления син-

хронного переходя на заранее подготовленные частоты (режим ЗПЧ), а также

адаптивного выбора частот для связи (режим А). Для обмена служебной ин-

формацией между комплексами в системе используется отдельный команд-

ный канал в

котором с целью обеспечения скрытности используется для ана-

лиза помеховой обстановки в полосе рабочих частот.

Информация передается посредством ЧМ либо ОМ, при этом органи-

зуется соответственно один или два (ОМН и ОМВ) канала ТЧ для передачи

телекодовой информации либо закрытой речевой информации. Диапазон ра-

бочих частот 30,0 - 76,0 МГц. При выходной мощности 400

Вт дальность свя-

зи составляет до 120 км. Управление комплексами осуществляется с ПДУ

("Момент" или "Бархан-5").

8.2 Совершенствование средств радиорелейной связи

Важнейшими тенденциями развития РРЛ являются:

увеличение рабочих частот,

создание магистральных систем большой емкости,

внедрение цифровых методов передачи,

использование современной элементной базы и

унификация аппаратуры.

В настоящее время в РРЛ используется аппаратура, работающая в

диапазонах 2, 4, 6 и 8 ГГц. Тенденция увеличения частот выражается в ин-

тенсивном освоении диапазонов, расположенных выше 10 ГГц (11, 13 и 15

ГГц). Это увеличит пропускную способность РРЛ и упростит проблему пере-

дачи цифровых потоков с большой скоростью. Однако для обеспечения вы-

сокой надежности связи на

этих частотах в условиях больших атмосферных

осадков потребуется уменьшить протяженность пролетов РРЛ. В результате

возрастает число станций на линиях и увеличится объем оборудования, но

зато стоимость антенных опор уменьшится, так как снизится их высота.

В настоящее время стал возможным переход к производству третьего

поколения РРСП, для которого характерно использование следующих

уст-

ройств: полностью транзисторных мощных УСВЧ передатчиков и малошу-

мящих УСВЧ приемников; микрополосковых устройств в тракте передачи

сигналов СВЧ, обладающих малыми габаритами и выполненных на основе

технологии, позволяющей автоматизировать процесс их изготовления; гиб-

ридно-интегральных микросхем ГИС в широкополосном тракте ПЧ; гетеро-

динов на транзисторах, непосредственно на СВЧ. Развитие аппаратуры

третьего

поколения становится возможным благодаря разработке и освоению

технологии изготовления полевых арсенид галлиевых СВЧ транзисторов,

тонкопленочных микрополосковых элементов СВЧ диапазона, высокоста-

бильных диэлектрических резонаторов для автогенераторов и фильтров СВЧ.

Следствием такого обновления элементной базы становится снижение энер-

210

гопотребления приемопередатчиков, повышение эксплуатационной надеж-

ности РРСП.

Аппаратура третьего поколения РРСП рассчитана на установку в кон-

тейнерах совместно с автономными источниками электропитания. Строи-

тельство контейнерных ПРС характеризуется высоким уровнем индустриа-

лизации, причем весь комплекс радиотехнического оборудования может

быть настроен и испытан в заводских условиях. Снижение энергопотребле-

ния приемопередатчиков облегчает строительство РРЛ

в районах, где отсут-

ствуют стационарные линии электропередачи. Повышение надежности аппа-

ратуры применением только полупроводниковых активных элементов

уменьшает эксплуатационные расходы и трудозатраты на техническое об-

служивание.

Широкое внедрение цифровых методов передачи ожидается в бли-

жайшие годы на РРЛ для внутризоновой и местной связи. Предполагается

разработка нового семейства как аналоговой, так

и цифровой радиорелейной

аппаратуры, работающей в диапазоне 8 ГГц, для внутризоновой связи, а так-

же цифровых систем для местной связи, работающих как в традиционных

диапазонах, так и в диапазонах 13 и 15 ГГц. Создается аппаратура РРЛ для

внутризоновой связи («Ракита-8»), работающая в диапазоне 8 ГГц, с пропу-

скной способностью 480 телефонных каналов ИКМ (скорость передачи циф

рового потока 34,368 Мбит/с) и аппаратура для местной связи («Пихта-2»),

работающая в диапазоне 2 ГГц с пропускной способностью 30 телефонных

каналов ИКМ (скорость цифрового потока 2,048 Мбит/с). В этих системах с

целью сужения полосы частот применяются многопозиционные методы мо-

дуляции.

В дальнейшем предполагается создание цифровых магистральных

РРЛ (в том числе работающих в

диапазоне 11 ГГц) со скоростью передачи

цифрового потока 139,264 Мбит/с (1920 каналов ИКМ). Эти системы обеспе-

чат возможность передачи не только телефонных, но и телевизионных сигна-

лов в цифровой форме.

Совершенствование и развитие цифровых РРСП ведется двумя путя-

ми: использованием аппаратуры аналоговых РРЛ для передачи цифровых

сигналов со скоростями 2 Мбит/с на поднесущей

частоте совместно с анало-

говым сигналом основной полосы или 8 Мбит/с в отдельном цифровом ра-

диостволе, охваченном общей с другими аналоговыми радиостволами систе-

мой управления и контроля аппаратуры РРЛ; внедрение полностью цифро-

вых РРСП со скоростями передачи 2...140 Мбит/с как в диапазонах частот до

10 ГГц, так и выше 10 ГГц, где

преимущество этих систем перед аналоговы-

ми проявляется больше вследствие применения регенераторов, а, следова-

тельно, отсутствия накопления шумов на РРЛ с большим числом пролетов.