Супутникові лінії зв'язку

Супутниковий зв'язок використовується, наприклад, в системах далекого телефонного та телевізійного зв'язку; в системах прямого радіомовлення та телебачення; в системах зв'язку між судами і морськими портами; в системі пошуку аварійних суден.

Супутниковий зв'язок - один з видів радіозв'язку, заснований на використанні штучних супутників землі як ретрансляторів. Супутниковий зв'язок здійснюється між земними станціями, які можуть бути як стаціонарними, так і рухливими.

Супутниковий зв'язок є розвитком традиційної радіорелейного зв'язку шляхом винесення ретранслятора на дуже велику висоту (від сотень до десятків тисяч км). Так як зона його видимості в цьому випадку - майже половина Земної кулі, то необхідність у ланцюжку ретрансляторів відпадає - в більшості випадків достатньо і одного.

Для передачі через супутник сигнал повинен бути модулювати. Модуляція виробляється на земній станції. Модульованого сигналу підсилюється, переноситься на потрібну частоту і поступає на передавальну антену.

Супутникові лінії зв'язку використовуються, як і радіорелейні у сантиметровому діапазоні хвиль. Супутникові лінії діють за принципом ретрансляції сигналів, яка здійснюється апаратурою, що розміщена на штучному супутнику землі (ШСЗ). Фактично ШСЗ - це ретранслятор радіорелейної лінії піднятий на велику висоту.

Супутникові лінії дозволяють здійснювати багатоканальний зв'язок на дуже великі відстані. На геостаціонарній орбіті висотою 36000 км супутник обертається з швидкістю обертання Землі (один оберт за 24 години). У цьому випадку можна за допомогою трьох супутників розміщених під кутом 120° забезпечити зв'язок на території всієї земної поверхні.

Передача і прийом інформації від джерела до користувача називається зв'язком. При передачі повідомлення перетворюються в передавач і сигнали, що передаються по лінії зв'язку. Сигнали, які є носіями повідомлення приймаються приймачем, в якому відбувається їх перетворення у повідомлення.

Лінією зв'язку називають фізичне середовище, яке використовується для передачі і прийому сигналів від передавача до приймача. У системах проводового зв'язку це може бути проводове повітряне коло, кабельне коло, або хвилевод. У системах радіозв'язку - область простору, в якому розповсюджуються електромагнітні хвилі від передавача до приймача. У системах оптичного зв'язку - світловод, або атмосфера.

Під каналом зв'язку розуміють сукупність технічних засобів, що забезпечують одночасну і незалежну передачу повідомлень по загальні лінії зв'язку. Цими засобами є передавач, ЛЗ і приймач.

1. Історія створення супутникового зв'язку

У 1945 році в статті "позаземні ретранслятори" ("Extra-terrestrial Relays"), опублікованій в жовтневому номері журналу "Wireless World", англійський учений, письменник і винахідник Артур Кларк запропонував ідею створення системи супутників зв'язку на геостаціонарних орбітах, які дозволили б організувати глобальну систему зв'язку. Згодом Кларк на запитання, чому він не запатентував винахід (що було цілком можливо), відповідав, що не вірив у можливість реалізації подібної системи за свого життя, а також вважав, що подібна ідея повинна приносити користь усьому людству. Перші дослідження в галузі цивільної супутникового зв'язку в західних країнах почали з'являтися в другій половині 50-х років XX століття. У США поштовхом до них послужили зрослі потреби в трансатлантичної телефонного зв'язку.

12 серпня 1960 фахівцями США був виведений на орбіту висотою 1,5 км надувна куля. Цей космічний апарат називався "Ехо-1". Його металізована оболонка діаметром 30 м виконувала функції пасивного ретранслятора. Інженери працювали над першим у світі комерційним супутником зв'язку Early Bird, 20 серпня 1964,коли 11 країн підписали угоду про створення міжнародної організації супутникового зв'язку Intelsat (International Telecommunications Satellite organization), але СРСР до їх числа не входив з політичних причин. 6 квітня 1965 в рамках цієї програми був запущений перший комерційний супутник зв'язку Early Bird ("рання пташка") зроблений корпорацією COMSAT. За сьогоднішніми мірками супутник Early Bird (INTELSAT I) володів більш ніж скромними можливостями: володіючи смугою пропускання 50 МГц, він міг забезпечувати до 240 телефонних каналів зв'язку.В кожний конкретний момент часу зв'язок могла здійснюватися між земною станцією в США і тільки одній з трьох земних станцій у Європі (у Великобританії, Франції або Німеччині), які були з'єднані між собою кабельними лініями зв'язку. Надалі технологія зробила крок вперед, і супутник INTELSAT IX вже мав смугою пропускання 3456 МГц. В СРСР довгий час супутниковий зв'язок розвивалися лише в інтересах Міністерства Оборони СРСР. В силу більшої закритості космічної програми розвиток супутникового зв'язку в соціалістичних країнах йшло інакше ніж у західних країнах. Розвиток цивільної супутникового зв'язку почалося угодою між 9 країнами соціалістичного блоку про створення системи зв'язку "Інтерсупутник" яка була підписана тільки в 1971 році.

2. Супутникові ліні ї зв'язку

Супутникова лінія - це лінія зв'язку між земними станціями за допомогою одного ШСЗ, включає в себе ділянку Земля - супутник (рис. 1.1, лінія вгору) і ділянка супутник - Земля (лінія вниз).

Рис.1.1.Супутникова лінія [Банкет В.Л.,Дорофеев В.М. Цифровые методы в спутниковой связи,1988]

Земні станції з'єднуються з вузлами комутації мережі зв'язку (наприклад, з міжміського телефонного станцією - МТС), з джерелами та споживачами програм телебачення, звукового мовлення з допомогою наземних з'єднувальних ліній (див. мал. 1.1).

Лінії супутникового зв'язку складаються з двох ділянок: Земля - супутник і супутник - Земля. В енергетичному сенсі обидві ділянки виявляються напруженими; перша - через прагнення до зменшення потужності передавачів та спрощення земних станцій (особливо в системах з великою кількістю малих прийомально-передаваючих земних станцій, що працюють в режимі необслуговуваності), другий - із-за обмежень на масу, габаритні розміри і енергоспоживання бортового ретранслятора, що лімітують його потужність.

Основна особливість супутникових ліній - наявність великих втрат сигналу, обумовлених загасанням (ослабленням і розсіюванням) його енергії на трасах великої фізичної протяжності. Так, при висоті орбіти ШСЗ 36 тис. км загасання сигналу на трасі може досягати 200 дБ. Крім цього основного загасання в просторі сигнал в лініях супутникового зв'язку схильний до впливу великого числа інших факторів, таких як поглинання в атмосфері, фарадеєвського обертання площини поляризації, рефракція, деполяризації і т. д. З другого боку, на приймальний пристрій супутника і земної станції крім власних флуктуаціоних шумів впливають різного роду перешкоди у вигляді випромінювання Космосу, Сонця і планет.. У цих умовах правильний і точний облік впливу всіх факторів дозволяє здійснити оптимальне проектування системи, забезпечити її впевнену роботу і в той же час виключити зайві енергетичні запаси, що приводять до невиправданого збільшення складності земної і бортової апаратури.

Оскільки, норми на деякі якісні показники супутникових каналів (у тому числі на відношення сигнал-шум) мають статистичний характер. Це змушує проводити кількісну оцінку обурюючих факторів також статистично, тобто при розрахунках вводити не тільки кількісну міру дії того або іншого чинника, але й імовірність його появи.

Необхідно враховувати характер і число переданих сигналів, а також характер їх перетворення (обробки) в супутниковому ретрансляторі. У найпростішому випадку, наприклад, при передачі програм телебачення, бортовий ретранслятор працює в односигнальному режимі, типовому для наземних радіорелейних ліній, і лише підсилює ретранслющий сигнал. При передачі телефонних сигналів з багатостанційним доступом через бортовий ретранслятор проходить кілька сигналів, розділених по частоті, часу або формі, що надають взаємний вплив, який повинен враховуватися при розрахунку енергетиці супутникових ліній. При цьому залежно від типу і призначення системи на борту може застосовуватися та чи інша обробка сигналу, в тому числі його повна регенерація, що зменшує накопичення шумів і спотворень, що виникають на ділянках траси.;

Існують два основних методи розрахунку супутникових ліній як в односігнальном, так і в многосігнальном режимах.

Стосовно до односигнального режиму розрахунок доцільно проводити по ділянках, а в многосигнальному режимі - або по ділянках, або за допомогою узагальненого рівняння, що враховує всі фактори, супутні проходженню декількох сигналів через загальний тракт бортового ретранслятора.

2.1 Орбіти ШСЗ

Основною ланкою супутникової лінії зв'язку (СЛЗ) є ШСЗ, вибір орбіти якого визначає дальність зв'язку, її тривалість і зону впевненого прийому, охоплювану супутником на поверхні Землі.

Орбіта ШСЗ характеризується конфігурацією (кругової, еліптичної), кутом нахилу площини орбіти щодо екваторіальній площині, заввишки в апогеї і перигеї, часом повного звернення, кутом між площиною фокальній еліпса орбіти і віссю обертання Землі.

Вибір еліптичної орбіти обумовлює нерівномірність руху ШСЗ і дозволяє «затримати» ШСЗ в області точки найбільш віддаленої від Землі, що збільшує дальність зв'язку і тривалість сеансу зв'язку.

В залежності від кута нахилу до площини екватора розрізняють екваторіальні, полярні і похилі орбіти. По висоті над поверхнею Землі орбіти бувають нізковисотнимі (до 7000 км); середньовисотних (7000-18 000 км); геостаціонарними (35 800 км), екваторіальними квазісінхроннимі (менше 35 800 км).

На рис. 7.9 показана залежність дальності зв'язку Д від висоти орбіти Н, де Я0 - радіус Землі. Як випливає з рис. 7.9, дальність зв'язку визначається висотою орбіти: чим вона вища, тим дальність Д (перекривається поверхню кола Землі) буде більше.

2.2 Особливості передачі сигналів

На відміну від радіорелейних тропосферних і іоносферних ліній супутникові лінії зв'язку характеризуються більшою протяжністю між земними станціями і ретрансляторами, що встановлюються на ШСЗ, що призводить до запізнювання сигналів. Так, при h ? 36 000 км (геостаціонарна орбіта) величина запізнювання складе близько 250 мс. Це веде до появи пауз при телефонній розмові і, внаслідок віддзеркалень в тракті передачі, до появи луна-сигналів, який затримується в порівнянні з основним на час, рівне подвоєному часу поширення сигналу між абонентами.

Для усунення ехо-сигналів в тракт передачі включають луна-загороджувачі, які замикають його при виникненні при прийомі луна-сигналу.

У супутникових системах із-за руху ШСЗ з великою швидкістю щодо земної станції спостерігається ефект Доплера, який проявляється в зміні несучої частоти коливань і в деформації переданого сигналу.

Рис. 7.10. Структурні схеми одноствольної активного ретранслятора (а) і активного ретранслятора ШСЗ «Молния-1» (Ь): ФСВЧ - фільтри надвисоких частот; ПФ - смугові фільтри; СМ - змішувач; Гн-генератор несучої частоти; ППЧ - підсилювач проміжної частоти; ОА - обмежувач амплітуд; ПУЛБВ - проміжний підсилювач на лампі біжучої хвилі (ЛБХ); В - вирівнювач; ОУЛБВ -крайовий підсилювач на ЛБХ.

У трактах зв'язку супутникових систем діють шуми різного походження: власні шуми приймачів, шуми антени, фідерних ліній, радіовипромінювання Сонця, Місяця, планет і космічних джерел. Присутність шумів викликає ослаблення сигналу, що необхідно враховувати при проектуванні систем зв'язку через ШСЗ.

2.3 Методи ретрансляції. При побудові систем зв'язку через ШСЗ можна використовувати пасивну або активну ретрансляцію

До переваг пасивної ретрансляції відносяться: відсутність апаратури на ШСЗ, звідки слід висока надійність ретрансляції і мала вартість ШСЗ; можливість ретрансляції практично необмеженого числа сигналів різних систем зв'язку. Недоліки пасивної ретрансляції: великі габаритні розміри антенного обладнання, отже, самого ШСЗ, що призводить до необхідності запуску таких супутників на орбіти з високим перигеєм, щоб збільшити їх довговічність; велике загасання сигналів при проходженні відстаней між земними станціями, що ускладнює і здорожує устаткування земних станцій (вимагає збільшення потужності передавачів, чутливості приймачів, спрямованості антен).

В даний час частіше застосовуються ШСЗ з активними ретрансляторами, які, хоча і мають меншу надійність і призначені для ретрансляції тільки цілком певного числа незалежних зв'язків, володіють дуже суттєвою перевагою - приймально-передаваючаа апаратура, встановлена на борту ШСЗ, посилює ретранслюється сигнали, знижуючи, завдяки цього, загальне загасання між земними станціями. Посилення сигналу забезпечує його високий рівень на вході приймачів земних станцій, отже, дозволяє знизити обсяг і вартість обладнання цих станцій при забезпеченні високої якості зв'язку.

Розрізняють такі види активної ретрансляції: із затримкою в часі й миттєву (в реальному масштабі часу). У першому випадку сигнал, прийнятий на ШСЗ, запам'ятовується і передається на Землю через деякий час, наприклад при входженні ШСЗ в зону радіовидимості земної приймальні станції. Цей ВНД не знайшов широкого розповсюдження і застосовується у разі передачі малих обсягів інформації, так як вимагає установки на ШСЗ запам'ятовуючих пристроїв.

При миттєвої ретрансляції забезпечується більша пропускна здатність ретранслятора в реальному масштабі времеяж. На рис. 7.10, а представлена структурна схема одноствольної активного ретранслятора, де дуплексор призначений для підключення сигналів передавача і приймача ШСЗ до антені.

Орбіти супутникових ретрансляторів

Орбіти: 1 - екваторіальна, 2 - похила, 3 - полярна

Орбіти, на яких розміщуються супутникові ретранслятори, підрозділяють на три класи:

? екваторіальні

? похилі,

? полярні.

Важливою різновидом екваторіальній орбіти є геостаціонарна орбіта, на якій супутник обертається з кутовою швидкістю, що дорівнює кутової швидкості Землі, в напрямку, що збігається з напрямком обертання Землі. Очевидною перевагою геостаціонарній орбіти є те, що приймач в зоні обслуговування "бачить" супутник постійно.

Однак геостаціонарна орбіта одна, і всі супутники вивести на неї неможливо. Іншим її недоліком є велика висота, а значить, і велика ціна виведення супутника на орбіту. Крім того, супутник на геостаціонарній орбіті нездатний обслуговувати земні станції в приполярної області.

Похила орбіта дозволяє вирішити ці проблеми, однак, через переміщення супутника щодо наземного спостерігача необхідно запускати не менше трьох супутників на одну орбіту, щоб забезпечити цілодобовий доступ до зв'язку.

Полярна орбіта - граничний випадок похилій (з нахилом 90 ?). При використанні похилих орбіт земні станції обладнуються системами стеження, що здійснюють наведення антени на супутник [10]. Станції, що працюють з супутниками, що знаходяться на геостаціонарній орбіті, як правило, також обладнуються такими системами, щоб компенсувати відхилення від ідеальної геостаціонарній орбіти. Виняток становлять невеликі антени, що використовуються для прийому супутникового телебачення: їх діаграма спрямованості досить широка, тому вони не відчувають коливань супутника біля ідеальної точки.

3. Системи супутникового зв'язку

Супутникові системи зв'язку (ССЗ) відомі давно, і використовуються для передачі різних сигналів на протяжні відстані. З моменту|із моменту| своєї появи супутниковий зв'язок нестримно розвивався, і у міру накопичення досвіду|досліду|, вдосконалення апаратури, розвитку методів передачі сигналів стався перехід від окремих ліній супутникового зв'язку до локальних і глобальних систем.

3.1 VSAT-станция| супутникового зв'язку

До станцій супутникового зв'язку типа|типу| VSAT| відносяться станції супутникового зв'язку, що володіють певними характеристиками, описаними в Рекомендаціях №№ 725-729 ММКР.

При передачі телефонного трафіку супутникові системи утворюють групові тракти (сукупність технічних засобів|коштів|, що забезпечують проходження групового сигналу, тобто декілька телефонних підканалів об'єднуються в один супутниковий) і канали передачі (сукупність засобів|коштів|, що забезпечують переду сигналів від однієї крапки|точки| в іншу). Канали і групові тракти ССЗ широко використовуються на ділянках магістральною і внутрішньозоновою телефонних мереж|сітей|, у ряді випадків на місцевих лініях зв'язку ССЗ дозволяють:

- організувати прямі закріплені канали і тракти між будь-якими пунктами

- зв'язки в зоні обслуговування ІСЗ, а також працювати в режимі незакріплених каналів, при якому супутникові канали і тракти можуть оперативно перемикатися|переключати| з одних направлень|напрямів| на інших при зміні потреб трафіку на мережі|сіті|, а також використовуватися найбільшефективно - повнодоступними пучками.

Привабливою особливістю станцій VSAT| |з'являється|є можливіст|спроможність|ь їх розміщення в безпосередній близькості від користувачів, які завдяки цьому можуть обходитися без наземних ліній зв'язку. Взагалі станціями VSAT| називаються станції, що володіють певними характеристиками, описаними в рекомендаціях 725-729 ММКР.

Ще одним параметром, що дозволяє класифікувати ССЗ, є|з'являється| використання протоколу. Перші супутникові системи були беспротокольними| і пропонували користувачеві прозорий канал. Недоліко|нестачею|м таких систем бул|з'являлася|а, наприклад, передача інформації користувача без, як правило, підтвердження її доставки приймаючою стороною. Інакше кажучи, в подібних системах не обумовлені правила діалогу між учасниками обміну інформацією. В цьому випадку якість ССЗ визначається якістю супутникового каналу. При типових значеннях вірогідност|ймовірності|і помилки на символ в межах 10-6..10-7 передача великих файлів через супутникові системи, навіть з використанням різних перешкодостійких код утруднена, якщо не сказати, що неможлива. Сучасні ССЗ використовують протокол, що підвищує надійність зв'язку при збереженн|зберіганні|і високої швидкості обміну інформацією між абонентами.

3.2 Система SCPC

Схема роботи SCPC-системи

3.3 TES-система

Схема роботи TES-системи||

3.4 Система PES

Структура PES-системы|

4. Недоліки супутникового зв'язку

Слабка перешкодозахищеність. Величезні відстані між земними станціями і супутником є причиною того, що відношення сигнал / шум на приймачі дуже невелике (набагато менше, ніж для більшості радіорелейних ліній зв'язку). Для того, щоб у цих умовах забезпечити прийнятну вірогідність помилки, доводиться використовувати великі антени, малошумні елементи та складні перешкодостійкі коди. Особливо гостро ця проблема стоїть в системах рухомого зв'язку, тому що в них є обмеження на розмір антени і, як правило, на потужність передавача.

Вплив атмосфери. На якість супутникового зв'язку роблять сильний вплив ефекти в тропосфері і іоносфері.

Поглинання в тропосфері. Поглинання сигналу атмосферою знаходиться в залежності від його частоти. Максимуми поглинання припадають на 22,3 ГГц (резонанс водяної пари) і 60 ГГц (резонанс кисню). У цілому, поглинання істотно позначається на поширенні сигналів з частотою вище 10 ГГц (тобто, починаючи з Ku-діапазону). Крім поглинання, при поширенні радіохвиль в атмосфері присутній ефект завмирання, причиною якого є різниця в коефіцієнтах заломлення різних шарів атмосфери.

Іоносферні ефекти. Ефекти в іоносфері обумовлені флуктуаціями розподілу вільних електронів. До іоносферних ефектів, що впливає на поширення радіохвиль, відносять мерехтіння, поглинання, затримку розповсюдження, дисперсію, зміна частоти, обертання площини поляризації. Всі ці ефекти послаблюються зі збільшенням частоти. Для сигналів з частотами, великими 10 ГГц, їх вплив невелика.

Ефект	100 МГц	300 МГц	1 ГГц	3 ГГц	10 ГГц
Обертання площини поляризації	30 обертів	3,3 оберта	108°	12°	1,1°
Додаткова затримка сигналу	25 мс	2,8 мс	0,25 мс	28 нс	2,5 нс
Поглинання в іоносфері (на полюсі)	5 дБ	1,1 дБ	0,05 дБ	0,006 дБ	0,0005 дБ
Поглинання в іоносфері (у середніх широтах)	<1 дБ	0,1 дБ	<0,01 дБ	<0,001 дБ	<0,0001 дБ

Сигнали з відносно низькою частотою (L-діапазон і частково C-діапазон) страждають від іоносферного мерехтіння, що виникає через неоднорідностей в іоносфері. Результатом цього мерехтіння є постійно змінюється потужність сигналу.

Висновок

Основна ідея створення систем супутникового зв'язку проста. Вона полягає в розміщенні проміжного ретранслятора системи зв'язку на штучному супутнику Землі (ШСЗ). Супутник рухається за досить високою орбіті тривалий час без витрат енергії на цей рух. Енергопостачання бортового ретранслятора і інших систем ШСЗ здійснюється від сонячних батарей, що працюють майже весь час під променями нічим не затемненого Сонця.

На достатньо високій орбіті ШСЗ «бачить» дуже велику територію - близько однієї третини поверхні Землі, тому через його бортовий ретранслятор можуть безпосередньо зв'язуватися будь-які станції, що знаходяться на цій території. Трьох ШСЗ може бути достатньо для створення майже глобальної системи зв'язку. У той же час сучасні технічні засоби дозволяють створити досить вузький промінь, щоб при необхідності сконцентрувати енергію передавача ШСЗ на обмеженій площі, наприклад на території невеликого держави. Це створює можливість ефективно використовувати ШСЗ для обслуговування невеликих зон. Слід зазначити, що траса радіопроменем між ШСЗ і земної станцією (ЗС) проходить зазвичай під значними кутами до земної поверхні, що зменшує її довжину в земній атмосфері й послаблює втрати сигналу в атмосферної вологи, зменшує вплив шумового випромінювання Землі на прийом сигналів земними станціями.

По викладеним причин супутниковий зв'язок, що почала свій розвиток у середині 60-х років з появою радянського ШСЗ «Молния» і американського «Телстар», в останні роки швидко розвивається у всьому світі. Створено велику кількість систем супутникового зв'язку та мовлення, різних за функціями, обслуговуваній зоні, складу, ємності.

Список використаних джерел

1. Вишневський В.І., Ляхов А.И., Кравець С.Л., Шахнович І.В. Історичний нарис розвитку мережевих технологій / / Широкосмугові мережі передачі інформації. - Монографія (видання здійснено за підтримки Російського фонду фундаментальних досліджень). - М.: «Техносфера», 2005. - С. 20. - 592 с. - ISBN 5-94836-049-0

2. Корнийчук В.И.,Макаров Т.В.,Панфилов И.П.,Оптичиские системы передачи,для вузов,К.,Техника,1994,391ст.

3. Семенов А.Б.,Срижаков С.К.,Сунчелей И.Р.,Структурные кабельные системы,М.,2001

4. Системы радиосвязи,уч. для вузов,Н.И. Калашников,Э.И. Крупицкий,И.Л. Дороднев,В.И. Носов,ред.Калашникова,М.,радио и связь,1988,352 ст.

5. Мирский Г.Я.,Электроные измирения,М.,Радио и связь,1986,440 ст.

6. Жураковский Ю.П.,Назаров В.Д.,Каналы связи,К.,1985(дуже любе її приводити в приклад)!

7. Гроднев И.И.,Верник С.М.,Линии связи,учеб.для вузов,М.,Радио и связь,1988,544ст.

8. Бондаренко О.В.,Збірник методичних вказівок до лаб.роб. по курсу «Лінії передачі»,част.2,Одесса,2004,119ст.

9. Каналы связи / Ю.П Жураковский,В.Д. Назаров. - Вища шк. Головное изд-во,1985.- 232с.