Author: Камнев Е.Ф. Аболиц А.И. Акимов А.А. Белов А.С. Бобков В.Ю. Пелехатый М.И.
Tags: электротехника художественная литература электричество
ISBN: 978-5-903185-37-5
Year: 2009
Text
СИСТЕМЫ
СПУТНИКОВОЙ связи
С ЭЛЛИПТИЧЕСКИМИ ОРБИТАМИ,
РАЗНЕСЕНИЕМ ВЕТВЕЙ
И АДАПТИВНОЙ ОБРАБОТКОЙ
х
/\
Системы
спутниковой связи
с эллиптическими орбитами,
разнесением ветвей
и адаптивной обработкой
Под редакцией д.т.н., профессора Е.Ф. КАМНЕВА
ГЛОБСАТКОМ
Москва
2009
УДК 621.396.946
ББК84.Р7
К18
Авторы: Камнев Е.Ф., Аболиц А.И., Акимов А. А., Белов А.С., Бобков В.Ю., Пелехатый М.И.
Системы спутниковой связи с эллиптическими орбитами, разнесением ветвей и
адаптивной обработкой. — М.: Глобсатком, 2009. — 724 с.: ил.
15ВЫ 978-5-903185-37-5
Основное внимание в книге уделено, во-первых, актуальности и преимуществам приме¬
нения высокоэллиптической орбиты (ВЭО) для спутниковой связи, в том числе мобильной, в
географических условиях России, во-вторых, методам разнесения в условиях воздействия по¬
мех и разного рода замираний: пространственным — с использованием адаптивных антенных
решеток, а также передачи через несколько ретрансляторов (спутниковых и/или наземных),
и временным (частотно-временным) — на основе пов торения, кодирования пакетов, глубокого
перемежения сигналов.
Первая часть посвящена рассмотрению обширной потребительской среды в сочетании с
уникальными свойствами ВЭО типа «Молния», позволяющими предоставлять услуги спут¬
никовых телекоммуникаций па территории России с максимальной надежностью и эффектив¬
ностью. Во второй и третьей частях содержатся аналитические оценки энергетики в линиях
связи, вместе с эмпирически полученными зависимостями для разных условий прохождения
сигналов, и рассматриваются пути защиты от мешающих воздействий в каналах с постоян¬
ными или переменными параметрами и внешними помехами (случайными или организован¬
ными).
В четвертой части книги приводятся предложения по построению новых систем спутни¬
ковой связи (ССС) на базе ВЭО типа «Молния», решающих задачи обеспечения телерадиове¬
щания, мультимедиа, технологического и экологического мониторинга многочисленных объ¬
ектов для удаленных, труднодоступных районов и подвижных средств, нс охватываемые ССС
с геостационарной орбитой.
Данная книга может быть полезна разработчикам и операторам телекоммуникационных
систем и сетей, преподавателям ВУЗов, аспирантам, студентам различных специальностей в
области радиосвязи.
УДК 621.396.946
15ВЫ 978-5-903185-37-5 © Е.Ф. Камнев, А.И. Аболиц, А.А. Акимов, А.С. Белов,
В.Ю. Бобков, М.И. Пелехатый, 2009
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА 9
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ. ЗАРОЖДЕНИЕ, РАЗВИТИЕ,
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ
И ВЕЩАНИЯ В МИРЕ 16
1. Краткий исторический экскурс 16
2. Модель и основные структурно-функциональные компоненты
систем спутниковой связи 27
3. Развитие и современное состояние фиксированной спутниковой связи ... .41
03.1. Зарубежные системы ФСС 43
03.2. Орбитальная группировка и сети спутниковой связи в России 65
4. Спутниковое телевизионное и звуковое вещание 77
04.1. Развитие непосредственного телевизионного вещания 78
04.2. Системы непосредственного звукового вещания 81
5. Мобильная спутниковая связь 89
05.1. Структурно-параметрические свойства и классификация
систем ПСС 90
05.2. Системы подвижной спутниковой связи 95
05.3. Персональная спутниковая связь 112
6. Мультимедийные системы спутниковой связи 136
06.1. Службы стационарной (фиксированной) спутниковой связи 137
06.2. Мобильные приложения 148
ЧАСТЬ 1. ВЫСОКОЭЛЛИПТИЧЕСКАЯ ОРБИТА
И ПУТИ ЕЕ ДАЛЬНЕЙШЕГО ОСВОЕНИЯ 165
ГЛАВА 1. РОЛЬ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ В НАЦИОНАЛЬНОЙ
ИНФОРМАЦИОННОЙ ИНФРАСТРУКТУРЕ, СФЕРЫ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ, УСЛУГИ 168
1.1. Фактор решающего влияния инфраструктуры
на состояние экономики, освоение природных ресурсов,
развитие хозяйственной, жилищной и социальной сфер
в регионах России 169
1.2. К оценке роли спутниковой связи и потребностей в новых ССС 175
1.3. Потребительская среда спутниковой связи 185
1.4. Современные телекоммуникационные услуги новых ССС 195
3
ГЛАВА 2. ПРЕИМУЩЕСТВА И АКТУАЛЬНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
ЭЛЛИПТИЧЕСКИХ ОРБИТ ДЛЯ ОБСЛУЖИВАНИЯ ТЕРРИТОРИИ
РОССИИ И ПОЛЯРНЫХ РАЙОНОВ 214
2.1. О проблемах применения ССС на ГСО для обслуживания
территории России, прилегающих государств и акваторий 215
2.2. О целесообразности создания новых ССС с использованием ВЭО ... 220
2.3. Использование СССЭО для населения и государственных структур ... 223
2.4. Сценарии применения СССЭО для корпоративных нужд 232
ГЛАВА 3. ЭЛЛИПТИЧЕСКАЯ ОРБИТА - ОБЩИЙ СЛУЧАЙ
СПУТНИКОВЫХ ОРБИТ. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
И ПОКАЗАТЕЛИ 251
3.1. Показатели орбитального построения 252
3.2. Пространственно-временные характеристики орбит 254
3.3. Элементы ЭО и свойства движения КА 256
3.4. Построение мгновенных зон радиовидимости 262
3.5. Время радиовидимости (временная ЗРВ) 266
ГЛАВА 4. ГРУППИРОВКИ КА НА ГЕОСИНХРОННЫХ
ЭЛЛИПТИЧЕСКИХ ОРБИТАХ 270
4.1. Высокоэллиптическая 12-часовая орбита типа «Молния» 271
4.2. Высокоэллиптическая 24-часовая орбита и группировки
типа «Тундра» 280
4.3. Виртуальные геостационарные группировки на базе шести-
и восьмичасовых ЭО 287
4.4. Изменение углов связи при движении КА на рабочем участке ЭО .... 297
ГЛАВА 5. ФОРМИРОВАНИЕ И ДИНАМИКА ЗОН ПОКРЫТИЯ
ДЛЯ ВЭО ТИПА «МОЛНИЯ» В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ДИАГРАММЫ
НАПРАВЛЕННОСТИ И ОРИЕНТАЦИИ БОРТОВОЙ АНТЕННЫ 310
5.1. Динамика зоны покрытия луча бортовой антенны при постоянной
ориентации оси ДН в подспутниковую точку и фиксированном
положении относительно плоскости орбиты 310
5.2. Динамика зоны луча в случае прицеливания оси ДН
в подспутниковую точку и фиксированного положения
бортовой антенны относительно плоскости экватора 316
5.3. Особенности динамики зон в случае слежения антенным
лучом за наземной точкой прицеливания при ориентации
бортовой системы координат относительно плоскости орбиты 319
5.4. Особенности динамики зон в случае слежения антенным
лучом за наземной точкой прицеливания при ориентации
антенной системы координат относительно плоскости экватора 324
4
ГЛАВА 6. ВЛИЯНИЕ РЕЛЬЕФА МЕСТНОСТИ НА УСЛОВИЯ
РАДИОВИДИМОСТИ КА 329
6.1. Структура исходных файлов и доступ к данным 332
6.2. Исправление ошибок в файлах 335
6.3. Алгоритмы расчета условий радиовидимости 338
6.4. Метод расчета характеристик затенения рельефом
по заданному азимуту 341
6.5. Построение зон закрытия рельефом и гистограмм видимости КА 344
6.6. Углы видимости над рельефом при движении
по заданному маршруту 353
ЧАСТЬ 2. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ КАНАЛОВ
И СИСТЕМ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ
КОДИРОВАНИЯ, СЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ
И ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СЕЛЕКЦИИ 357
ГЛАВА 7. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ФОРМИРОВАНИЯ
И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ
ДИСКРЕТНОЙ ИНФОРМАЦИИ 360
7.1. Формирование сигналов в основной полосе (в первичном коде) 361
7.2. Методы модуляции 365
7.3. Сложные сигналы и способы их построения 374
7.3.1. Сигналы с псевдослучайной фазовой манипуляцией (ФМ-11С11) . . 375
7.3.2. Формирование ПСП с заданными корреляционными
свойствами 377
7.3.3. Результаты исследования непериодических АКФ 387
7.3.4. Ансамбли двоичных ПСП 391
7.3.5. Импульсные последовательности 393
7.3.6. Частотно-временные сигналы 395
ГЛАВА 8. ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫЙ ПРИЕМ, ДЕМОДУЛЯЦИЯ
И СИНХРОНИЗАЦИЯ В ПРИЕМНИКАХ ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ.. 397
8.1. Потенциальная помехоустойчивость 397
8.2. Демодуляция дискретных сигналов и их помехоустойчивость 402
8.3. Синхронизация в системах цифровой связи 414
8.3.1. Тактовая синхронизация
8.3.2. Кадровая синхронизация 421
ГЛАВА 9. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОЕ КОДИРОВАНИЕ, МЕТОДЫ
ДЕКОДИРОВАНИЯ И КОРРЕКТИРУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ КОДОВ 425
9.1. Блочные коды 425
9.1.1. Коды Хэмминга 428
9.1.2. Циклические коды 429
5
9.2. Граничные оценки для блоковых и сверточных кодов 433
9.3. Сверточные коды 438
9.4. Алгоритм декодирования Витерби 442
ГЛАВА 10. КОРРЕКТИРУЮЩИЕ КОДЫ В КАНАЛАХ
С ПАКЕТАМИ ОШИБОК 450
10.1. Блочные коды с разнесением символов в каналах
с пакетами ошибок 453
10.2. Специальные классы рекуррентных кодов 459
10.4. Каскадные системы кодирования 465
10.5. Турбокоды и их основные характеристики 468
ГЛАВА 11. КАНАЛ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ С ПЕРЕМЕННЫМИ
ПАРАМЕТРАМИ И АДДИТИВНЫМ ШУМОМ 487
11.1. Аналитические модели замираний 488
11.2. Помехоустойчивость канала с общими замираниями и АБГШ 492
11.3. Помехоустойчивость и обработка последовательных
одночастотных сигналов в канале с МЛЗ
при межсимвольных искажениях 496
11.4. Адаптивная коррекция при одночастотных сигналах
как средство защиты от межсимвольных искажений 501
11.5. Помехоустойчивость при адаптивной коррекции 507
11.6. Учет влияния разброса задержек 510
11.7. Адаптивные корректоры с решающей обратной связью 512
ГЛАВА 12. ПОДАВЛЕНИЕ ПОМЕХ С ПОМОЩЬЮ АДАПТИВНЫХ
ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК 517
12.1. Типы антенных решеток 518
12.2. Функциональная схема адаптивной антенной решетки 531
12.3. Повышение эффективности приема сигнала за счет
настройки диаграммы направленности 533
12.4. Принципы подавления помех в АФАР 535
12.5. Подавление помех путем пространственной фильтрации 538
12.7. Многоэлементная антенная решетка 542
ЧАСТЬ 3. ЭНЕРГЕТИКА, РАЗНЕСЕНИЕ ВЕТВЕЙ ПРИЕМА-
ПЕРЕДАЧИ, ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В ЛИНИЯХ СВЯЗИ 552
ГЛАВА 13. ЭНЕРГОЧАСТОТНЫЕ СООТНОШЕНИЯ В ЛИНИЯХ
СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ 555
13.1. Энергетика участков в линиях связи 556
13.2. Энергочастотный потенциал прямой и обратной линий 560
6
13.3. Пропускная способность линий спутниковой связи 566
ГЛАВА 14. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ И ВРЕМЕННЫЕ
ЗАДЕРЖКИ В ЛСС, ВЫЗВАННЫЕ ЗАМИРАНИЯМИ 572
14.1. Замирания типа затенения и блокирования 573
14.2. Модели многолучевого распространения 579
14.3. Статистическая модель для смешанных условий 584
ГЛАВА 15. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАЗНЕСЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ
ПРИЕМНЫХ БОРТОВЫХ АНТЕНН И АДАПТИВНАЯ ОБРАБОТКА
В РЕТРАНСЛЯТОРЕ 588
15.1. Многолучевые антенны с зеркальными отражателями 589
15.2. Фазированные антенные решетки 598
15.3. Адаптивные антенные решетки и методы обработки 602
15.4. Когерентное весовое сложение в спутниковом ретрансляторе
при пространственном разнесении ветвей приема 607
ГЛАВА 16. ВРЕМЕННОЕ РАЗНЕСЕНИЕ В МУЛЬТИСЕРВИСНЫХ ССС
С ПАКЕТНОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ СИГНАЛОВ 617
16.1. Временное разнесение при символьном и пакетном кодировании.... 620
16.2. Модель многопрограммных вещательных ССС с пакетными
методами передачи информации 624
16.3. Системы и форматы сигналов цифрового радиовещания
с разнесением ветвей 629
16.4. Параметры и форматы пакетной передачи видео
в интерактивной мультисервиспой системе ОУВ-8/52-КС5 641
16.5. Управление параметрами многостанционного доступа,
разнесения сигналов и скорости передачи информации 652
ГЛАВА 17. РАЗНЕСЕНИЕ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ-ПРИЕМА
ПРИ РЕТРАНСЛЯЦИИ ЧЕРЕЗ НЕСКОЛЬКО СР 657
17.1. Зоны радиовидимости и обслуживания
при многократном покрытии 660
17.2. Особенности и характеристики условий распространения
при угловом разнесении нескольких СР 666
17.3. Влияние пространственного разнесения СР
при различных сценариях развертывания ОГ 670
ЧАСТЬ 4. РЕАЛИЗАЦИЯ ССС С ВЫСОКОЭЛЛИПТИЧЕСКОЙ
ОРБИТОЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПЕРВООЧЕРЕДНЫХ
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ЗАДАЧ 675
ГЛАВА 18. НОВЫЕ ПОДХОДЫ К ПОСТРОЕНИЮ ССС
С ПОВЫШЕННЫМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТИ ... 675
7
ГЛАВА 19. ГЛОБСАТКОМ - НОВЫЙ ПРОЕКТ ССС НА БАЗЕ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЭО 687
ГЛАВА 20. МУЛЬТИСЕРВИСНАЯ ШИРОКОПОЛОСНАЯ ССС
НОРДМЕДИАСТАР С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КА НА ВЭО 697
ЛИТЕРАТУРА 709
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 721
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА
Президентом страны в октябре 2008 года одобрена подготовленная
Правительством Концепция долгосрочного социально-экономического
развития Российской Федерации и основные параметры прогноза со¬
циально- экономического развития Российской Федерации на период
до 2020—2030 годов.
В этом документе основной акцент сделан на освоении регионов РФ,
расположенных в удаленных и труднодос тупных районах со сложным
рельефом местности. И процесс освоения этих районов, и работа новых
предприятий, построенных в этих районах, немыслимы без наличия там
развитой инфраструктуры связи с предоставлением всем пользователям
(и предприятиям, и физическим лицам) полного спектра современных
инфокоммуникационных услуг (речь, данные, аудио, видео). Поскольку
такая инфраструктура в указанных районах в настоящее время отсут¬
ствует, ее необходимо создавать там в первую очередь — чтобы процесс
их освоения мог начаться как можно быстрее и осуществлялся высоки¬
ми темпами (в соответствии с утвержденными параметрами прогноза).
Учитывая удаленность и труднодоступность районов освоения, соз¬
дание там развитой инфраструктуры связи с полным набором современ¬
ных инфокоммуникационных услуг возможно только на базе использо¬
вания связных ресурсов систем спутниковой связи.
Существующие российские системы спутниковой связи (ССС) бази¬
руются на использовании спутниковых ретрансляторов (СР) на геоста¬
ционарной орбите (ГСО) - типа Экспресс-АМ (спутниковый оператор
ФГУП «Космическая связь») и типа Ямал (спутниковый оператор ОАО
«Газпром-космические системы»), В настоящее время (и это сохранится
в обозримом будущем) указанные СР не имеют свободных ресурсов но
удовлетворению растущих потребностей большого числа существующих
операторов связи, с которыми уже заключены долгосрочные соглашения
о предоставлении в аренду спутниковых каналов. По этой причине труд¬
но рассчитывать наю, что в указанных ССС в ближайшее время появит¬
ся достаточный ресурс, который можно было бы использовать для созда¬
ния новой мощной инфраструктуры связи в неосвоенных районах.
В ряде случаев возникнут и чисто технические трудности, связанные
с тем, что в районах со сложным рельефом нельзя избежать затенений
спутников связи на ГСО препятствиями (горами, лесом), приводящих
или к полному отсутствию связи, или к ее неустойчивости. Особенно
заметно это проявится при связи с такими подвижными объектами как
поезда, автомобили, речные суда.
9
Обеспечи ть непрерывность и надежность спу тниковой связи в рай¬
онах РФ со сложным рельефом местности можно только при исполь¬
зовании ССС с космическими аппаратами (КА) на высоких эллипти¬
ческих орбитах (ВЭО), в частности, орбите типа «Молния». Спутники
таких ССС видны с земных станций (ЗС), расположенных в указанных
районах, обычно под очень высокими углами (около 50° — 60°). В этих
условиях затенения практически полностью исключаются.
Проведенные на электронных картах с помощью математического
моделирования исследования условий радиовидимости спутников на
ГСО и на ВЭО (орбита типа «Молния») с земных станций, находящих¬
ся в различных регионах РФ, показали, что эффект затенения рельефом
местности К А на геостационарных орбитах наблюдается даже в южных
районах страны (например, на территории Республики Алтай, в Чечен¬
ской Республике), где углы видимости спутников иа ГСО без учета рель¬
ефа составляли бы более 30°. Наличие гор приводит к отсутствию ра¬
диовидимости на значительной части таких территорий даже в благо¬
приятных для таких спутников условиях.
В то же время КА на высоких эллиптических орбитах в этих районах
видны с ЗС под углами места около 60° и эффект их затенения рельефом
оказывается существенно ниже (охватывает значительно меньшие пло¬
щади этих территорий), чем для спутников связи на ГСО.
Такие же исследования условий радиовидимости применительно к
случаю установки ЗС на вагоне поезда и его следованию по ж/д маги¬
стралям РФ показали, что с ЗС на ж/д вагоне спутники связи на ГСО
в среднем видны примерно в 15% времени, тогда как спутники на ВЭО
видны практически в 100% времени — за исключением прохождения по¬
езда в необорудованных для связи тоннелях. Если рассматривать не все
ж/д магистрали РФ (включая ее европейскую часть), а только в азиат¬
ской части, то процент видимости К А на ГСО будет еще меньше (в сред¬
нем, менее 10%), тогда как условия видимости с таких ЗС спутников
связи на ВЭО практически останутся теми же (около 100%).
Поскольку при освоении удаленных и труднодоступных районов РФ
будет широко использоваться автомобильный (летом и зимой) и речной
(летом) транспорт, условия видимости КА на ГСО с ЗС, установленных
на этих подвижных средствах, будут еще более тяжелыми — из-за зате¬
нения их лесом и покрытыми лесом берегами. Время видимости спутни¬
ков на ГСО в этих случаях не будет превышать, в среднем (5—7)%. В та¬
ких же условиях видимость спутников связи на ВЭО будет по-прежнему
около 100%, поскольку, как отмечалось, в этих районах углы видимости
будут очень высокими (в пределах 60°—90°).
10
В Концепции очень большое внимание уделяется экологическим во¬
просам борьбе с загрязнениями земли, воды и воздуха вредными ве¬
ществами, выделяемыми в процессе своей деятельности различными
производствами. Для решения данной задачи вблизи от таких произ¬
водств необходимо устанавливать многокомпонентные датчики эколо¬
гического мониторинга, информация от которых должна передаваться
в Центры экологического мониторинга. В рассматриваемых условиях,
когда новые производства (включая нефтепроводы, газопроводы, заво¬
ды по добыче и переработке полезных ископаемых, глубокой перера¬
ботке древесины и т. п.) будут находиться в удаленных и труднодоступ¬
ных районах РФ, единственным вариантом создания системы передачи
информации от многочисленных датчиков экомониторинга в Центры
(которые могут размещаться на больших удалениях от вредных произ¬
водств) является использование спутниковых каналов связи.
Ввиду нахождения датчиков экологического мониторинга вблизи
земной поверхности, ЗС, устанавливаемые рядом с датчиками, смогут
работать только через спутники связи на ВЭО, поскольку видимость
спутников на ГСО в этих условиях, как показывают расчеты, не пре¬
высит 2 — 5%. Вследствие очень высоких углов видимости КА на ВЭО
(в пределах 60°—90°), радиовидимость и, следовательно, надежность
связи останутся очень высокими (около 100%).
В Концепции социально-экономического развития РФ большое вни¬
мание уделено также освоению Северного Полярного бассейна — начи¬
ная от побережья и в акватории российской части Северного Ледовитого
океана планируется построить большое число морских портов, морских
платформ для геологоразведки месторождений и добычи углеводородов,
построить большое число танкеров для перевозки добытых углеводоро¬
дов (в том числе, для перевозки сжиженного газа), создать на современ¬
ном техническом уровне мощный ледокольный флот РФ, многократно
увеличив пропускную способность Северного морского пути.
К задаче столь интенсивного освоения Севера также нельзя серьезно
приступить без создания мощной инфраструктуры связи, с предостав¬
лением всем пользователям (предприятия, физические лица, коренное
население Севера) всего спектра современных инфокоммуникационных
услуг (речь, данные, аудио, видео), поскольку в настоящее время такая
инфраструктура практически отсутствует. При решении этой задачи
альтернативы системам спутниковой связи на базе ВЭО не существует.
В полярных районах спутники на ГСО вообще не видны — исключая не¬
сколько уникальных мест на побережье или островах Северного Ледови¬
того океана, где удалось организовать неустойчивую спутниковую связь
11
через КА на геостационарных орбитах, установив земные станции высо¬
ко над уровнем океана, на вершинах имеющихся там небольших гор.
Одной из продекларированных в Концепции задач освоения Север¬
ного Полярного бассейна является обеспечение полетов авиации (гру¬
зовые и пассажирские авиарейсы) по кроссполярным трассам, с резким
сокращением времени полета (и расхода горючего) при следовании воз¬
душных судов из Азии в Северную Америку. К этой же задаче примыка¬
ет и предоставление всего спектра современных инфокоммуникацион-
ных услуг пассажирам авиалайнеров. Созданная инфраструктура связи
на базе использования ресурсов ССС со спутниками на ВЭО позволяет
решить и эту задачу.
Министерством транспорта РФ подготовлена Транспортная страте¬
гия на период до 2030 года, которая была рассмотрена и принята на засе¬
дании Правительства РФ в октябре 2008 года. В рамках этой стратегии,
в частности, поставлена задача значительного увеличения транзитного
(через Россию) транспортного обмена для перевозки людей и грузов ме¬
жду Азией и Европой, который сейчас оставляет всего около 1% общего
транспортного обмена между этими континентами.
Ведущую роль в решении данной проблемы, как и многих других в
рамках транспортной стратегии, также смогут сыграть системы со спутни¬
ками связи на ВЭО, которые, как было показано выше, в наибольшей степе¬
ни подходят для решения задач связи с подвижными объектами. При этом
ССС с КА на высоких эллиптических орбитах могут весьма эффективно
решать как задачи управления движением всех видов транспорта (и в инте¬
ресах безопасности движения, и в интересах повышения пропускной спо¬
собности всех путей движения различных видов транспорта — авиамаги¬
стралей, ж/д магистралей, автомагистралей, рек и других водоемов), так и
задачи предоставления всего спектра современных инфокоммуникацион-
ных услуг (речь, данные, аудио, видео) пассажирам (передвигающимся на
любых видах транспорта) и всему обслуживающему персоналу.
При решении задачи увеличения транзитного (через Россию) транс¬
портного обмена между Азией и Европой роль систем спутниковой связи
со спутниками связи на ВЭО особенно велика: именно предоставление
всего спектра современных телекоммуникационных услуг может стать
весьма важным фактором для привлечения людей из стран Азии и Ев¬
ропы к использованию этого транспортного коридора (в комфортных
условиях, с обеспечением всего набора мультимедийных услуг).
Поскольку российская группировка спутников связи на ВЭО (ор¬
бита типа «Молния»), используемая для решения задач военной связи в
интересах Вооруженных Сил РФ, в настоящее время практически пре-
12
кратила свое существование, а разработка новых спутников для ее заме¬
ны ведется недостаточными темпами, Министерство Обороны РФ и Ге¬
неральный штаб ВС РФ могут поставить вопрос о возможностях задей¬
ствования (на коммерческой основе) части связного ресурса перспектив¬
ных ССС со спутниками связи на ВЭО, предлагаемых к созданию ООО
«Глобсатком» на основе частно-государственного партнерства. С такой
же инициативой могут выступить и другие силовые ведомства — ФСО,
ФСБ, МВД, МЧС. С такой же инициативой может выступить и госу¬
дарство в целом, поставив вопрос об использовании (на коммерческой
основе) части связного ресурса этих ССС в интересах управления стра¬
ной, для предоставления всего спектра инфокоммуникационных услуг
другим заинтересованным министерствам и ведомствам, имеющим тер¬
риториально распределенные по регионам РФ подчиненные структуры,
а также администрациям регионов РФ.
Понимая все это, специалисты ООО «Глобсатком» при разработке
обликов перспективных ССС предусмотрели возможности появления
вышеназванных инициатив, закладывая такие технические решения,
которые позволили бы этим системам спутниковой связи быть систе¬
мами двойного назначения.
Обычно препятствием на пути использования части свободных
ресурсов гражданских ССС в интересах ВС РФ и других силовых ве¬
домств является то обстоятельство, что все существующие на сегодняш¬
ний день гражданские системы (и на базе спутников связи Экспресс-АМ,
и на базе спутников связи Ямал») не имеют возможности обеспечивать
защиту своих каналов от случайных или преднамеренных помех со сто¬
роны наземных радиоэлектронных средств.
Достаточно часто в последнее время стали появляться и такие экзо¬
тические случаи, когда в качестве источников помех выступают нечест¬
ные операторы связи, пытающиеся задействовать для своих целей уже
кем-то занятые связные ресурсы гражданских ССС, вытесняя арендато¬
ров этих ресурсов путем использования более мощных земных станций
спутниковой связи.
Есть и другое обстоятельство, которое стоит на пути широкого ис¬
пользования ВС РФ и другими силовыми ведомствами связных ресур¬
сов гражданских систем спутниковой связи — это уже упоминающееся
выше положение, что в настоящее время на спутниках связи этих ССС
свободные ресурсы отсутствуют. По мнению экспертов, такая ситуация
будет иметь место еще продолжительное время. Это означает, что нель¬
зя рассчитывать на существенный вклад российских гражданских ССС
(со спутниками связи на ГСО) даже в решение тех задач связи в рамках
13
Концепции долгосрочного социально-экономического развития Россий¬
ской Федерации, которые технически могли бы выполняться с исполь¬
зованием ресурсов спутников связи на геостационарных орбитах. Для
этого у них нет и достаточно долго не будет свободных связных ресурсов
(все они уже давно сданы в долгосрочную аренду различным операторам
связи, в том числе зарубежным).
Наряду с приведенными положениями государственных концепции,
в последние несколько лет в печатных изданиях и в Интернете появи¬
лись многочисленные публикации (в том числе, и представителей раз¬
личных ведомств РФ) на темы, связанные с необходимостью повыше¬
ния безопасности перевозки людей и грузов, решением задач по геолого¬
разведке и освоению уже разведанных полезных ископаемых, огромной
важностью рационального освоения лесных богатств нашей страны, их
спасения от болезней, пожаров и разворовывания, решением задач ра¬
ционального освоения наших биоресурсов, их спасения от загрязнения
вод отходами от различных производств (и в реках, и в окружающих
РФ морях), развитием в нашей стране туристического бизнеса, задачами
предоставления всего спектра мультимедийных услуг пользователям,
находящимся на подвижных объектах различного типа. Специалисты
ООО «Глобсатком» провели детальное рассмотрение путей решения
указанных вопросов, поставленных самой жизнью.
В результате этих изысканий был сделан вывод, что наиболее рацио¬
нальным решением всех вышеуказанных задач является использование
связных ресурсов систем со спутниками на высоких эллиптических ор¬
битах — в этом случае все проблемы решаются не только наиболее полно,
но и в самые сжатые сроки, с наименьшими финансовыми затратами.
В материалах данной книги, подготовленных творческим коллек¬
тивом специалистов ООО «Глобсатком», содержатся основные положе¬
ния по целому ряду упомянутых выше и других системно-технических
вопросов, связанных с особенностями построения ССС с ВЭО для ре¬
шения важнейших задач экономического и оборонного возрождения
России. Указанные материалы являются неотъемлемой частью иссле¬
дований, которые должны предшествовать этапам системного и эскиз¬
ного проектирования ССС вообще и содержать аналитические оценки
преимуществ и специфических свойств эллиптических орбит, методов
функционирования, структуры и параметров спутниковых систем с та¬
кими орбитами, в частности.
Книга состоит из вводной и четырех основных частей. Вводная часть
содержит исторический обзор и описание наиболее известных отечест¬
венных и зарубежных ССС в их развитии от момента зарождения спут-
14
пиковой связи до наших дней. Часть первая посвящена актуальности
применения, особенностям и характеристикам эллиптических орбит,
обоснованию уникальных свойств и параметров ВЭО типа «Молния»
применительно к условиям России и Арктического бассейна. Во вто¬
рой части книги рассматриваются вопросы помехоустойчивости линий
спутниковой связи (ЛСС) в условиях аддитивного шума, с учетом из¬
менений параметров канала, вызванных замираниями различного вида,
а также при воздействии внешних помех, при этом большое внимание
уделено вопросам кодирования, в частности, турбокодам, пакетным ме¬
тодам, и синтезу фазированных антенных решеток, в том числе, адап¬
тивных (ААР). В третьей части описываются и анализируются энергети¬
ческие характеристики ЛСС с учетом потерь, вызванных замираниями
(общими и многолучевыми) и затенениями, имеющими место при связи
в движении из-за наличия разного рода препятствий, а также методы
борьбы с ними, основанные на разнесении ветвей приема-передачи —
пространственном, временном, частотном, их комбинациях и различных
видах кодирования. В четвертой части в виде обликов ССС представле¬
ны предложения ООО «Глобсатком» по построению систем с использо¬
ванием ВЭО типа «Молния» на основе применения новых системно-тех¬
нических решений: адаптивной обработки в ветвях разнесения борто¬
вых антенн оригинальной конструкции, с подавлением («обнулением»)
внешних помех и когерентным, с весом, сложением полезных сигналов;
пакетных методов передачи и импульсных передающих устройств ЗС;
частотно-временного разделения сигналов станций (МР-ТЭМА) с вре¬
менным разнесением (перемежением) и турбо-кодированием. Предлага¬
ется несколько вариантов ССС, работающих в разных диапазонах час¬
тот, имеющих различное назначение и обеспечивающих выполнение как
государственных, в том числе, в интересах силовых ведомств, так и кор¬
поративных задач на базе самоокупаемости.
От коллектива авторов хочется выразить особую благодарность спе¬
циалистам, участвовавшим в подготовке рукописи и представившим мате¬
риалы к отдельным разделам книги: Аносову А.М. (раздел 1 вводной час¬
ти), Александрову Ю.Н. (к разделам 15.3,15.4), Байлему М.Н. (к части 4),
Дьячковой М.Н. (разделы 3,4 вводной части), Магвеенко И.П. (к главам
1, 2), Павлкжу В.В. (к главе 11), Томскому В.С. (к главам 1, 2), Чечину Г.В.
(к разделу 2.1, главе 6).
Генеральный директор ООО «Глобсатком»
Доктор технических наук, профессор,
Академик Международной Академии связи Е.Ф. Камнев
15
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ.
ЗАРОЖДЕНИЕ, РАЗВИТИЕ, СОВРЕМЕННОЕ
СОСТОЯНИЕ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ
И ВЕЩАНИЯ В МИРЕ
1. КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ЭКСКУРС
История спутниковой связи начинается с выведения на низкую око¬
лоземную орбиту первого в мире искусственного спутника Земли, запу¬
щенного в СССР 4 октября 1957 года, который передавал короткие радио
сигналы в УКВ диапазоне. Эта дата во всем мире признается офици¬
альным началом эры освоения космоса и хозяйственной деятельности
человека в окружающем Землю пространстве.
Первые спутники связи гражданского применения были запущены
на орбиты в середине 60-х годов прошлого века практически одновремен¬
но в США и СССР, но это были существенно разные спутники-ретранс¬
ляторы (СР). Американский спутник 5упсот-3 в августе 1964 года был
выведен на геостационарную орбиту (ГСО) в орбитальную позицию над
Тихим океаном. Это был, по современным меркам, миниатюрный косми¬
ческий аппарат (КА) с ограниченными возможностями. Он имел форму
цилиндра диаметром 71 см и высотой 39 см.
Первый советский спутник связи Молния-1 был выведен на высо¬
коэллиптическую орбиту (ВЭО) с апогеем в северном полушарии в ап¬
реле 1965 г. Он был создан в ОКБ-1 (ныне РКК «Энергия» им. акаде¬
мика С.П. Королёва). С 1966 г. разработка и производство Молний раз¬
личных модификаций были поручены КБ прикладной механики (за¬
тем НПО ПМ, ныне ОАО «Информационные спутниковые системы»
им. академика М.Ф. Решетнёва).
Как первые, так и все последующие
спутники Молния были оснащены
ретрансляторами, разработанными
Московским НИИ Радиосвязи. Ещё
ранее были опубликованы и первые
отечественные труды, в которых
подробно описывалось использова¬
ние ВЭО для целей связи [1, 2].
По сравнению с 5упсот-3 КА
Молния-1 был по существу спутник
Рис. 1
16
нового поколения. Его вес составляет ~1,6 т. В космосе разворачиваются
6 панелей солнечных батарей (СБ), обеспечивавших мощность на выходе
СР, равную 40 Вт. Две антенны — приёмная и передающая разводятся в
разные стороны и раскрываются (рис. 1). На линии Земля—Космос ис¬
пользовался диапазон ~ 0,8 ГГц, а на линии Космос—Земля ~ 1 ГГц. Для
нашей страны с огромной территорией и слабо развитой инфраструкту¬
рой спутниковая связь имеет особое значение и создание в 1967 г. на базе
трёх КА Молния-1 первой отечественной системы спутниковой связи
(ССС) было настоящим прорывом. Система обеспечивала телефонно-
телеграфную связь центральных станций, расположенных в Подмоско¬
вье, с районами Дальнего Востока (Уссурийск и Петропавловск-Камчат-
ский), Сибири (Улан-Удэ), Средней Азии (район озера Балхаш).
Вскоре после первого запуска Молнии-1 через СР на ВЭО впервые
в мире были проведены сеансы высокоскоростной передачи цифровой
информации с использованием относительной фазовой манипуляции
(ОФМ), предложенной в СССР и США незадолго до этого и применяе¬
мой до настоящего времени практически во всех ССС [3].
После выполнения программы пробных и испытательных сеансов
связи, передачи телевидения (ТВ) началась трансляция программ Цен¬
трального ТВ на сеть специально созданных земных станций (ЗС) с
12-метровыми параболическими антеннами (система Орбита), а так¬
же передача радиовещательных программ и газетных полос. К концу
1967 г. в СССР было построено 20 станций системы Орбита, что позво¬
лило увеличить аудиторию первой программы всесоюзного телевиде¬
ния на 20 млн человек в регионах Урала, Сибири и Дальнего Востока
(рис. 2).
События в области освоения ССС развивались стремительно, и уже
в начале шестидесятых годов началось их интенсивное использование в
интересах военных и правительственных приложений, как в США, так
и в СССР. Первая экспериментальная передача информации на земную
станцию, которая явилась прообразом сухопутных средств Миноборо¬
ны, состоялась более 40 лет назад, вскоре после запуска Молнии-1. Для
этого был разработан макет мобильной станции на базе РЛС орудийной
наводки СОН-4, имевший поворотную параболическую антенну диамет¬
ром около 2,5 м. Естественно, по своим габаритам это была достаточно
тяжелая конструкция, но она позволила отработать технические реше¬
ния, которые затем привели к созданию значительно более легких ЗС.
Высокая энергетика радиолиний со спутниками Молния-1 позво¬
лила создать и параллельно ввести в эксплуатацию ССС Корунд и ком¬
плекс Ручей. Эти средства использовались в интересах обороны страны
17
КОНТАК
ЗС «ОРБИТА»
ЗС «ОРВИ ГА»
«ОРБИТА»
телефония
телеграфия
центральное ТВ
радиовещание
газетные полосы
СС «КОНТАКТ»
(«СУРГУТ»)
Рис. 2
для организации телефонных и телеграфных связей с войсками, распо¬
ложенными в любом регионе нашей страны, а также для передачи сиг¬
налов оповещения. Система Корунд на базе модернизированного КА
Молния-1 с 3-ствольным ретранслятором Бета была принята на воору¬
жение в 1975 г. и в дальнейшем количество спутников в составе системы
увеличено с 4-х до 8 И, 51.
Тогда же начались работы по мобильной спутниковой связи. Стан¬
ции, установленные на подвижных объектах, работали во время стоян¬
ки и небольших перемещений, затем совершенствование космического
и земного сегментов ССС позволило постепенно переходить к работе в
движении. При этом, как отмечалось выше, особую заинтересованность
в такого рода связи, проявляли специальные и транспортные ведомства.
Мощные бортовые передатчики позволили отечественным разработчи¬
кам в 1973 г. первыми создать перевозимую и самолетную спутниковые
станции Контакт для телефонной связи во время визитов и перелетов
руководства страны, которое высоко оценило качество спутниковых те¬
лефонных каналов.
В дальнейшем работы по подвижной спутниковой связи (ПСС) про¬
должались промышленными НИИ и КБ применительно как к сухопут-
18
ным подвижным средствам, возимым и переносным, гак и к остальным
видам транспортных средств — морским и воздушным судам, железно¬
дорожным поездам.
В результате, менее чем за 10 лет в обеих странах были созданы сис¬
темы связи для управления, прежде всего, силами стратегических на¬
ступательных вооружений — ракетно-ядерным оружием, стратегической
авиацией и военно-морским флотом. Одновременно начали создаваться
сети связи для управления войсками видов вооруженных сил и разве¬
дывательные спутники, называемые в средствах массовой информации
спутниками-шнионами. Спутниковая связь «-спустилась» до тактиче¬
ских звеньев управления сухопутными силами и средствами на поле
боя, стимулировала развитие высокоточного оружия, совместного при¬
менения средств связи, управления, компьютерной обработки информа¬
ции и разведки. К концу шестидесятых годов стратегические наступа¬
тельные средства и флоты обеих сверхдержав были оснащены спутнико¬
вой связью, успешно проверенной в локальных военных конфликтах.
Вопросам исследования и научно-технического развития ССС с ис¬
пользованием ВЭО в те годы было уделено немало внимания |1, 2, 6, 7,
и др.]. Однако в мире по ряду причин, упоминаемых ниже, возоблада¬
ла тенденция преимущественного создания и применения спутников-
ретрансляторов на ГСО, что на многие десятилетия предопределило
известный перекос в развитии спутниковой связи вообще и в России,
прежде всего. Это задержало внедрение ССС с использованием ВЭО,
имеющих серьезные достоинства, в особенности, применительно к рос¬
сийским природным и климатическим условиям.
Первый отечественный геостационарный спутник связи Радуга, ис¬
пользовавшийся в интересах обороны страны и народного хозяйства,
был запущен в 1975 г. На базе этого КА и земных станций тина Кри¬
сталл, Ливень, Легенда (как стационарных, так и подвижных) создана
Единая Система Спутниковой Связи (ЕССС), первая очередь которой
(ЕССС-1) была введена в строй в 1980 г., вторая — в середине 1990-х г.г.
Эта система явилась первой ССС, построенной по цифровым принци¬
пам передачи информации и многостанционного доступа. Большая роль
в разработке, создании и внедрении ЕССС принадлежит коллективам
специалистов 16 ЦНИИИС МО, МНИИРС, МНИРТИ, КБ КРТЗ [5].
В 1976 г. был выведен на ГСО спутник ТВ вещания с бортовой антен¬
ной в виде фазированной решетки (ФАР), на базе которого в дециметро¬
вом диапазоне волн создана система Экран. В этой системе использова¬
лись установки как коллективного, так и индивидуального, непосредст¬
венного приема ТВ программ с антеннами вибраторного типа.
19
Важным этапом развития гражданской спутниковой связи и ве¬
щания в России стало создание геостационарных СР фиксированной
службы (ФСС) типов Горизонт и Экспресс. Первый 7-ствольный спут¬
ник Горизонт (5 стволов в диапазоне 6/4 ГГц, один ствол в диапазоне
14/11 ГГц и один - в 1,6/1,5 ГГц) был выведен на ГСО в 1979 году и с
этого момента до запуска КА Экспресс в 1994 году являлся основным для
систем спутниковой связи России и стран СНГ. Всего было изготовлено
более сорока КА Горизонт, последние экземпляры эксплуатировались
уже в начале этого века. Основным разработчиком Горизонтов и Экс¬
прессов является НПО ПМ (ныне ОАО ИСС им. М.Ф. Решетнева), их
полезная нагрузка (ретрансляторы) создавалась в РНИИКП, а ведущая
роль в использовании СР и построении наземных сетей принадлежит
НИИ радио (НИИР).
Космические аппараты следующего поколения Экспресс с 12-ю ство¬
лами (10 в диапазоне 6/4 ГГц и два в диапазоне 14/11 ГГц) разрабаты¬
вавшиеся в период экономической перестройки в стране, оказались не¬
достаточно надежными и были заменены новыми модификациями КА
Экспресс-АМ.
КА Горизонт и Экспресс имели по одному мощному стволу ретранс¬
ляции (до 80 Вт) с относительно узкими диаграммами направленности
(ДН) антенн шириной 5° х 5° и обеспечивали функционирование систе¬
мы распределения ТВ программ Москва. Для приема ТВ использовались
ЗС с антеннами диаметром 2,5 м и принятый сигнал поступал в мест¬
ную сеть наземного вещания. В том же стволе передавались программы
звукового вещания (ЗВ) и сигналы изображений газетных полос. Для
работы в сетях Москва и Экран выпущено около 20 тысяч земных при¬
емных станций. Благодаря этим сетям в СССР была создана система
5-зонового двухпрограммного ТВ вещания.
На базе спутников Горизонт и Экспресс развивались ССС с частот¬
ным многостанционным доступом (МДЧР) с применением ЗС, имеющих
диаметр антенн 2,5—7 м, и с временным многостанционным доступом
(МДВР) с ЗС, имеющими антенны диаметром 12 м, эксплуатировались
также системы распределения ЗВ Орбита-РВ, Радикал.
Еще до начала 90-х годов прошлого столетия для национальной
спутниковой группировки России настал тяжелый период, когда новые
КА не запускались, а старые подходили к концу срока эксплуатации и
функционировали с ухудшенными параметрами по удержанию на орби¬
те, числу работающих стволов, излучаемой мощности и т. д. Работы по
созданию перспективных КА и необходимое для этого финансирование
были сведены к минимуму.
20
В результате к концу 90-х гг. сложилась критическая ситуация с
российской орбитальной группировкой. Ее состояние и качество не со¬
ответствовало мировому уровню, большинство КА выработало ресурс
и находилось за пределами срока службы. Возникла угроза потери не
только новых спутников, но и орбитальных позиций на ГСО, закреплен¬
ных за Россией. В этих условиях отраслям, структурам и предприятиям,
ответственным за развитие ССС, оказалось не до прогресса в области
системно-технических и технологических решений - в первую очередь
необходимо было сохранить группировку. После дли тельных согласо¬
ваний в начале 2000 г. было принято Постановление правительства по
обновлению национальной спутниковой группировки и необходимому
для этого финансированию.
Одновременно было принято решение о создании новых СР в коо¬
перации с зарубежными разработчиками, выражавшееся в закупке по¬
лезной нагрузки, т. е. ретрансляционного оборудования (стволов-транс¬
пондеров), у компаний А1саСе1, ЫЕС и др. Это привело к фактической
потере имевшегося у России производственно-технического потенциа¬
ла по разработке и созданию бортовых ретрансляторов для спутников
гражданского назначения. Зато в результате принятых экстренных мер
с 2000 г. по 2002 г. были удачно выведены на ГСО три первых КА нового
поколения Экспресс-А (17-ствольный СР — 12 стволов диапазона 6/4 ГГц
и 5 — диапазона 14/11 ГГц), а к октябрю 2004 г. на ГСО находились и экс¬
плуатировались еще три КА — серии Экспресс-АМ. В последующий пе¬
риод происходило наращивание орбитальной группировки российских
спутников связи коммерческого назначения (табл. 03.10, 03.11).
Наряду с развитием космической группировки под эгидой государ¬
ственного заказчика — ФГУП «Космическая связь» (ГПКС) и головного
подрядчика-разработчика ОАО «Информационные спутниковые систе¬
мы им. академика М.Ф. Решетнева» созданы также корпоративные СР
Ямал (ОАО «Газком»). В настоящее время на ГСО запущены: сначала КА
Ямал-100 (10 стволов в диапазоне 6/4 ГГц), затем их заменил Ямал-200
(36 эквивалентных стволов с шириной полосы по 36 МГц в диапазонах
6/4 и 14/11 ГГц) и разработан наиболее совершенный СР Ямал-300 с по¬
вышенной пропускной способностью (табл. 03.10).
Параллельно с системами распределения ТВ программ создавалась
и разворачивалась система непосредственного вещания (СНТВ) в реко¬
мендованном для этих целей плановом диапазоне частот 12 ГГц, позво¬
лявшая принимать сигнал от СР непосредственно на домашние прием¬
ные установки с небольшими антеннами. Для приема сигналов НТВ в
России используются КА международной системы Евтелсат У/4 (стволы
21
СР арендуются с 2000 сода) и 1'нтум 1 (напущен и 1998 году). Внедрение
подобных ССС с тало возможным благодаря осноспию новых диапазоне^
час тот, элементов мощных выходных каскадом с повышенным кпд и ма-
лошумящих устройств (МШУ), как на КА, так и на ЗС. Сегодня в СНТВ
нсмол ьзу юте я цифровые методы передачи программ ГГВ, что позволяет
в стволах с полосой частот 33 МГц передавать до 6 7 программ.
Однако приходится констатировать, что российские разработки
спутниковых ретрансляционных комплексов и, в особенности, земных
средств, по основным показателям уступают зарубежному оборудова¬
нию, что является следствием отмеченных выше, а также ряда других
обстоятельств, характеризующих организацию работ в области спутни¬
ковой связи вообще, и систем фиксированной спутниковой службы, со¬
ставляющих львиную долю коммерческих ССС, в частности. Принятая
на период до 2015 г. Федеральная космическая программа, учитываю¬
щая в целом мировые тенденции прогресса в данной отрасли, деклари¬
рует, главным образом, аппаратно-технологический уровень развития
космических комплексов, но фактически не затрагивает системно-тех¬
нических проблем построения новых перспективных ССС и повышения
их эффективности в телекоммуникационных аспектах.
Зарубежные ССС
Одновременно за рубежом, прежде всего, в США, непрерывно созда¬
вались геостационарные спутники и системы связи и вещания коммер¬
ческого назначения, содержащие большое количество стволов ретранс¬
ляции и земных станций различных типов.
Географическое положение США и многих «стран-сателлитов» бла¬
гоприятствовало развитию и использованию систем с геостационарной
орбитой, расположенной в плоскости экватора и потому обеспечиваю¬
щей преимущественное обслуживание средних широт. Данное обстоя¬
тельство, в совокупности с известным свойством «неподвижности» КА
на ГСО относительно ЗС (но, к сожалению, без учета других, не столь
выгодных особенностей, о которых речь пойдет ниже), во многом способ¬
ствовало созданию предпосылок для исторического феномена развития
спутниковой связи, который заключается в подавляющем преобладании
систем с ГСО и связанных с ними общесистемных, технических и тех¬
нологических решений.
По охватываемой территории, размещению и принадлежности зем¬
ных станций, структуре управления зарубежные ССС делятся на ме¬
ждународные (глобальные и региональные), национальные и ведомст¬
венные. Значительная часть существующих и вновь создаваемых ССС
22
до начала нового столетия была предназначена для обеспечения теле¬
фонного трафика и передачи данных, как на международных, так и на
национальных линиях. В зависимости от потребностей общества, техни¬
ческих и экономических возможностей разные страны проявляют раз¬
личную степень активности в области использования и развития спу т¬
никовой связи — от эпизодической аренды каналов в международных и
региональных системах до создания собственных национальных ССС,
проведения крупномасштабных разработок и экспериментов.
К числу основных международных ССС фиксированной службы
(ФСС) относятся, прежде всего, Интелсат и Евтелсат.
Консорциум ИНТЕЛСАТ образован в 1964 г. 11-ю странами, объеди¬
нившими свои возможности, а на сегодня его членами стали более 150
государств. Финансовой основой организации являются капиталовложе¬
ния стран-участниц, доход делится между ними пропорционально вкла¬
ду. Через спутники системы ИНТЕЛСАТ, размещенные в разных позици¬
ях ГСО над Атлантическим, Индийским и Тихим океанами, передается
примерно 2/3 международного телефонного трафика, осуществляется
значительный объем геле- и радиовещания, при этом часть с тволов сда¬
ется в аренду более чем 30 странам для организации национальных ССС.
В 1998 г. в результате реструктуризации из состава консорциума была
выделена независимая компания Ыех^ Зкуез За1еШ1е$ Ы.У. (N83), которой
передана часть спутников для самостоятельной эксплуатации.
За прошедшие годы разработаны и эксплуатировались десять поко¬
лений (серий) КА 1Ше1за1, при этом каждый следующий тип СР характе¬
ризуется применением технических новшеств, возрастанием энергоре¬
сурса и пропускной способности. В настоящее время в системе исполь¬
зуются около 30 спутников серий 1п1е1$а1-6, 7, 8, 9, 10 (рис. 03.1), а также
широкий круг земных станций различных стандартов (табл. 03.1).
Ретрансляторы КАШе1за(в каждой позиции ГСО имеют значитель¬
ное количество стволов (транспондеров), различающихся размерами зон
обслуживания (шириной диаграмм направленности антенн) и выходной
мощностью передающих устройств. По своему статусу и общей зоне об¬
служивания (30) система Интелсат является глобальной. 30 каждого
ствола ретранслятора определяются формой и шириной ДН луча бор¬
товой антенны, присоединённой к этому стволу. В зависимости от ДН
различают глобальную (близкую к зоне радиовидимости КА), «лолу-
глобальную», зональные и локальные (узкие) зоны обслуживания. Кро¬
ме того, на спутниках установлены антенны, формирующие контурные
диаграммы направленности с поляризационной развязкой лучей для
создания различных 30, а также перенацеливаемые антенны.
23
Организация ЕВТЕЛСАТ учреждена в 1977 г. Официальная её реги¬
страция в статусе Европейской международной организации относится
к 1985 г. Основная задача организации — эксплуатация и развитие спут¬
ников ЕШеЬаё для фиксированной (и подвижной) связи в Европе.
В настоящее время ЕВТЕЛСАТ включает более 50 стран. Правитель¬
ства стран-членов, называемые Сторонами, ратифицируют Конвенцию
ЕВТЕЛСАТ. Члены компании периодически встречаются для рассмот¬
рения резолюций и рекомендаций, относящихся к общей политике п
долгосрочным задачам. РФ вступила в ЕВТЕЛСАТ в 1994 году, ее ин¬
тересы представляет ФГУП «Космическая связь» (ГПКС). Совет уча¬
стников Организации состоит из инвесторов, которыми, как правило,
являются национальные операторы, эксплуатирующие государственные
и частные сети электросвязи. Участники используют спутники не толь¬
ко для собственных сетей электросвязи, по и сдают их в аренду другим
пользователям.
Космический сегмент ССС в настоящее время содержит КА ЕиСеЕаС
серий Но( ВЫ, Щ ЗехаС, а также К А серий Бита ВЫ и АйапНс ВЫ. Разра¬
ботка первых спутников семейства Е11ТЕЕЗАТ-1 была начата консорциу¬
мом ВпВзЬ Аегозрасе по инициативе Европейского космического агентст¬
ва (ЕКА) в рамках программы ЕС5 (Европейские спутники связи). После
запуска и проверки работоспособности на орбите спутники были пере¬
даны организации ЕВТЕЛСАТ, которая обеспечивает их коммерческую
эксплуатацию, а ЕКА осуществляет техническое обслуживание КА на
орбите с помощью большой центральной ЗС (ЦЗС), находящейся в Реду
(Бельгия). Первый спутник был запущен 17 июня 1983 г.
Изначально контракт, заключенный в мае 1986 г. с консорциумом
АегозраНа1 на создание следующей серии — ЕиШзаРИ, предусматривал
три спутника с продлением контракта еще на пять дополнительных КА.
Четвертый и пятый КА Еи1еЬа1-Н были модифицированы для охвата
своим широким лучом Москвы и прилегающих регионов, шестой — Но1
ВЫ 1 — для обеспечения его смежного расположения с КА Еи1ека1-11-Е1
в точке стояния 13° в.д. В дальнейшем в этой точке ГСО были размещены
КА Но1 ВЫ 2,3, 4,5, с выделением ее для образования кластера с целью
трансляции ТВ и радиопрограмм.
В июне 1995 г. организация заключила контракт с Аегозраиа1 на соз¬
дание грех КА серии V/на базе новой космической платформы ЗрасеЬиз
3000. Кроме того, контракт предусматривал расширение орбитальной
группировки (ОГ) еще на четыре аналогичных спутника. В табл. 03.3
представлен перечень и расположение действующих КА организации
ЕВТЕЛСАТ.
24
К числу международных относятся также ССС фиксированной служ¬
бы и одноименные организации ИНТЕРСПУТНИК, АЗИАСАТ, АРАБ-
САТ, а также ССС подвижной спутниковой службы (11СС) ИНМАРСАТ.
Международная организация подвижной (морской) спутниковой
связи ИНМАРСАТ созданная в 1979 году, объединяет более 80 госу¬
дарств и ее мобильные (абонентские) ЗС работают в диапазоне частот
1,6/1,5 ГГц. В системе эксплуатируются КА прежних поколений (Ин-
марсат-2, 3) и недавно созданные КА нового поколения Ипмарсат-4.
Разработаны абонентские земные станции (АЗС) различных стандар¬
тов для передачи речи и данных. Запуск КА типа Инмарсат-3 и, особен¬
но, Инмарсат-4 с узкими лучами антенн позволил значительно сокра¬
тить массогабаритные показатели абонентских терминалов. В России
используется региональная береговая станция (РЗС) системы Ипмар-
сат в г. Находка. Число абонен тов системы в РФ составляет порядка
10 тысяч.
Одним из новых направлений развития ПСС является внедрение
воздушной подвижной спутниковой связи и связи на морских судах в
диапазоне ФСС для расширения аудитории пользователей услуг путем
предоставления более качественной связи и широкополосного доступа в
Интернет пассажирам и экипажам воздушных и морских судов. В част¬
ности, на Всемирной радиоконференции в 2003 г. (ВКР-03) был положи¬
тельно решен вопрос о выделении (на вторичной основе) полосы частот
(14,0—14,5) ГГц для воздушной ПСС на линии Земля - космос при связи
через КА ФСС. Разработаны также международные рекомендации для
организации на морских судах доступа в Интернет.
В заключение отметим, что прогресс в области спутниковой свя¬
зи гражданского и военного применения активно способствовал уско¬
рению развития космических технологий, микроэлектроники, опти¬
ки, вычислительной техники, систем управления, материаловедения
и других направлений прикладной науки и техники. В США заказы и
гражданских и военных ведомств в этих сферах выполнялись частными
компаниями, которые в условиях рыночной экономики были заинте¬
ресованы в скорейшем внедрении идей и технологий в массовое произ¬
водство. В целом, спутниковая связь инициировала и стимулировала
многие глобальные инновации прошлого века в сфере телекоммуника¬
ций и информатизации, радикально изменившие все стороны жизни
людей во всем мире.
В СССР и затем в России подобные процессы протекали иначе. Во¬
енный паритет сохранялся до начала 90-х годов и по многим позициям
техника спутниковой связи военного назначения не только не уступала,
25
но и опережала зарубежный уровень. Однако в гражданские приложе¬
ния передовые технологии не переходили в силу отсутствия организа¬
ционных возможностей и экономических стимулов у государственных
оборонных предприятий для инициатив в этом направлении. В конце
80-х — начале 90-х в оборонных отраслях промышленности СССР была
сделана попытка организации конверсионных разработок, которая, од¬
нако, не привела к ожидаемым результатам.
Таким образом, отечественные спутниковые системы и сети связи
сыграли выдающуюся роль в общественно-политической жизни 20-го
века. Но сегодняшняя действительность такова, что для достижения
успеха в этой области необходим решительный прорыв путем объеди¬
нения усилий пока еще сохранившегося потенциала российских орга¬
низаций и специалистов при соответствующем внимании и политиче¬
ской воле со стороны государства.
26
2. МОДЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ
СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ КОМПОНЕНТЫ
СИСТЕМ СПУТНИКОВОЙ связи
Система спутниковой связи (ССС) может бы ть определена как соз¬
даваемая с использованием ракетно-стартовых комплексов, орбитальной
группировки (ОГ) космических аппаратов (КА) и вспомогательных под¬
систем многоуровневая совокупность линий спутниковой связи (ЛСС),
Ж - ракета-носитель
СМ - стартовая позиция
ТП - техническая позиция
ДУМ - центр управления полетом
КИП - командно-измерительный пункт
ЬС - бортовые системы
КА - космический аппарат
СР - спутниковый ретранслятор
ОЗС - оконечная земная станция (ЗС)
УЗС - узловая, АЗС - абонентская ЗС
ЦЗС - центральная ЗС
ЗР - земной ретранслятор
СКУ - станция контроля и управления
КС - координирующая станция
Рис. 02.1
27
включающих земные станции (3С),
среду распространения, сну!пико¬
вые ретрансляторы (СР) и наземные
ретрансляторы (НР), синтезируемая
по определенным правилам, принци¬
пам, критериям в виде распределенной
функциональной структуры с мно¬
жеством параметров (информацион¬
но-сигнальных, электрических, про¬
странственно-временных, спектраль¬
но-частотных, механических и др.), со¬
стоящих во взаимосвязи и определяю¬
щих показатели назначения, качества,
эффективности сис темы, а, в конечном
и тоге, предоставляемые пользователю
услуги. Состав такой ССС, имеющей
подмножес тва компонентов на разных
уровнях, приведен на рис. 02.1 |8|.
Необходимо, для определенности, уточнить понятие «система спут¬
никовой связи» в отношении ее границ. В состав ССС иногда включают
оконечное оборудование пользователя, соединительные линии, интер¬
фейсы, узлы коммутации и сопряжения с наземными сетями (телефон¬
ными, вещательными, сотовыми, интегральными и пр.). Подобные ком¬
плексы телекоммуникаций будем называть сетями спутниковой связи,
использующими ССС как физическую, канальную среду.
Таким образом, под ССС далее понимается совокупность много¬
станционных линий, соответствующих, главным образом, физическому
и канальному уровням эталонной модели открытых систем (ЭМВОС),
т. е. участкам ЛСС от входа каналообразующей аппаратуры (кодема) пе¬
редающей ЗС до выхода декодера принимающей ЗС («от кодека до коде¬
ка»), В свою очередь, данная совокупность ЛСС может быть представле¬
на внутрисистемной многоуровневой макромоделью [8], приведенной на
рис. 02.2. В соответствии с такой концепцией и принятым определением
ССС далее основное внимание будет уделено нижним пяти уровням мо¬
дели: орбитальному, множественному, линейному, ретрансляционному
и станционному.
Орбитальное построение
Выбор типа, высоты и параметров орбиты (орбит), формирование
структуры орбитальной группировки (ОГ) и количества КА являются
Рис. 02.2
28
первоочередными задачами проектирования ССС. Тип орбиты опреде¬
ляется многими факторами. По геометрической форме орбиты делятся
на круговые и эллиптические с тем или иным эксцентриситетом. По углу
наклонения / плоскости орбиты к плоскости земного экватора — на эк¬
ваториальные (■/ = 0°), полярные (г = 90°), наклонные (г - любое, кроме
0° п 90°). По соотношению периода обращения Т1>б вокруг земного шара
с земными или солнечными сутками — на несинхронные, квазисинхрон-
ные, синхронно-суточные (геосинхронные), солнечно-синхронные.
По высоте орбиты условно подразделяют на низкие (до -2000 км),
средние (5000—20 000 км) и высокие (свыше 20 000 км). Иногда их делят
на геостационарные (ГСО) т. е. геосинхронные с нулевым наклонением,
и негеостационарные (НГСО), т. е. все остальные, в том числе низкие
(НО) и средние (СО) круговые, средние и высокие (по высоте апогея)
эллиптические (СЭО, ВЭО). Низкие орбиты в большей степени подвер¬
жены прецессии, что влияет на их эффективность, средние и высокие
НГСО — воздействию радиационных поясов Земли.
Высота и эксцентриситет эллиптической орбиты, а также аргумент
широты, определяют размеры зоны мгновенной радиовидимости, ско¬
рость ее перемещения и положение подспутниковых точек, т. е. трассу
движения КА. От других трех основных элементов ЭО — наклонения,
долготы восходящего узла и аргумента перигея существенно зависит
географическое положение отдельных зон и зоны обслуживания (30)
ССС в целом [7].
Зона обслуживания заданной территории является важнейшей ха¬
рактеристикой орбитального построения. По обслуживаемой зоне ОГ
(охвату, обзору), или зоне покрытия, ССС могут быть разделены на гло¬
бальные и региональные (национальные, континентальные, локальные),
с непрерывным или прерывистым но времени (периодическим, либо не¬
регулярным) обзором.
Множественный доступ
Обеспечение множественного доступа к общему ретранслятору, яв¬
ляется стержневой проблемой спутниковой связи. Исторически это по¬
нятие связывается с задачей разделения сигналов многих ЗС при их со¬
вместной передаче через общий тракт (ствол, луч) одного СР, т. е. много-
станционного доступа (МД) внутри линии связи. Вопросам многостан¬
ционного доступа посвящено большое количество работ. Существуют
различные подходы к их анализу, классификации, оценкам способов
обеспечения. В последующем изложении, наряду с традиционными ас¬
пектами многостанционной работы в одной ЛСС, будут затронуты во¬
29
просы, относящиеся к много спутниково му доступу, в частности, при
пространственных методах разнесения сигналов в случае наличия за¬
мираний, а также разного рода помех.
В зависимости от признака разделения сигналов ЗС (каналов), пере¬
даваемых в общем тракте СР, обычно принято выделять три основных
(базовых) метода МД:
— с частотным разделением (МД4Р);
— с временным разделением (МДВР);
— с кодовым разделением (МДКР).
Каждый из этих методов принципиально допускает как синхронное,
так и асинхронное во времени разделение сигналов. На практике чаще
применяются асинхронный доступ с частотным и кодовым разделением
и синхронный МДВР.
Существует достаточно много разновидностей и комбинаций этих
методов, а также принципов формирования разделяемых сигналов.
Например, при МДВР сигналы ЗС, преобразуемые в цифровую форму,
обычно сжимаются во времени и собираются в пакеты определенной
длительности, следующие друг за другом в соответствии с заданной оче¬
редностью, причем то и другое также зависит от многих факторов.
На каждой несущей частоте той или иной ЗС может передаваться
либо один сигнал (один канал на несущую — ОКН), либо несколько сиг¬
налов, уплотненных во времени (ВУ). Временное объединение сигналов
разных станций, передаваемых на одной несущей через СР, называют
также временным разделением каналов (ВРК) или временным уплотне¬
нием. Комбинацию методов МД на одной или разных несущих частотах
принято обозначать как МДВР-МДЧР, МДКР-МД4Р, МДВР-МДКР и
наоборот.
На прямом (ЦЗС-АЗС, УЗС-АЗС) и обратном (АЗС-ЦЗС, АЗС-УЗС)
направлениях передачи через СР могут применяться разные методы раз¬
деления, как и на участках вверх и вниз при обработке (демодуляции и
регенерации) сигналов в СР.
Если учитывать динамику изменения интенсивности потока сооб¬
щений, т. е. трафик, его временные и статистические свойства, то харак¬
теристики эффективности МД будут зависеть и от способа предоставле¬
ния каналов или ресурсов системы абонентам. По этим признакам раз¬
личают способы МД :
— с закрепленными каналами, или фиксированный доступ, когда
распределение каналов не зависит от трафика;
— с предоставлением каналов по требованию (МДГ1КТ), или по за¬
просу абонента;
30
с поиском свободного капала;
- г произвольным (случайным) доступом к СР.
Линия спутниковой связи
Базовым физическим звеном любой ССС является линейный уро¬
вень, охватывающий ЛСС, образованные передающей ЗС, СР и прини¬
мающей ЗС (ЗС-СР-ЗС). Производными от этой (симплексной) ЛСС
могут считаться ее составные части — линии на участках вверх (ЗС-СР,
ЗР-СР), вниз (СР-ЗС, СР-ЗР), а также межспутниковые линии (СР-СР,
СР-ЗР-СР). Обычно при расчетах линий спутниковой связи рассматри¬
вают однонаправленный пучок линий от многих ЗС, проходящий через
общий приемо-передающий тракт СР.
Многостанционный тракт ретрансляции является общим устройст¬
вом для всех ЗС и характеризуется фиксированными выходной мощно¬
стью Рср, полосой частот Д/ и уровнем собственного шума Д^01|). Его ос¬
новные функции — усиление и преобразование смеси сигналов. В связи
с этим мешающими факторами следует считать не только непосредст¬
венное воздействие поступающих на его вход помех, но и снижение вы¬
ходной мощности полезных сигналов из-за отбора ее помехами, а также
образование дополнительных мешающих составляющих в результате
линейного и нелинейного взаимодействия входных сигналов между со¬
бой и с помехами.
Из приведенных положений следует, что участки вверх и вниз нерав¬
нозначны с точки зрения воздействия внешних помех. Первый, из-за дос¬
тупности СР с большой территории, более подвержен такому влиянию
со стороны радиотехнических средств, поэтому оптимальное построе¬
ние системы должно предполагать максимальное ослабление помех на
участке вверх.
Решение задачи обеспечения наилучших в определенном смысле
(оптимальных) условий приема сигналов на фоне помех в ЛСС подчи¬
нено исходным требованиям, предъявляемым к ССС при ее проектиро¬
вании. Радика;!ьными средствами борьбы с помехами, помимо повыше¬
ния собственно энергопотенциала ЗС и сигнальных методов, являют¬
ся пространственная селекция и разнесение, фильтрация и адаптивная
корреляционная обработка в СР, способы и разновидности которой рас¬
сматриваются ниже.
Ретранслятор
Ретрансляционный уровень вместе со станционным (по ЗС) фор¬
мируется непосредственно техническими, аппаратными компонентами
ССС, их структурно-функциональным назначением и взаимосвязями.
31
Если в основу рассмотренных выше более высоких уровней положены в
основном принципы и категории, относящиеся к общесистемным конфи¬
гурациям, то ретрансляционный и станционный уровни вносят решаю¬
щий вклад в анализ и синтез ССС в виде параметров оборудования.
Вместе с тем структура и параметры СР взаимозависимы с орбиталь¬
ным построением, энергетическими и массогабари гпымн показателями
КА. Ретрансляционный комплекс часто называют полезной нагрузкой
спутника, а остальные бортовые подсистемы (энергоснабжения, термо¬
регулирования, ориентации, управления и т. д.) — вспомогательными,
обеспечивающими функционирование СР.
В состав бортового ретрансляционного комплекса (БРК) одного КА
могут входить СР нескольких связных сегментов (подсистем). В состав
БРК любого СР входят приемные, передающие иди приемо-передающие
бортовые антенны, со своими облучателями, поворотными устройства¬
ми, фидерными трактами (АФУ), и собственно ретрансляторы (РТР),
т. е. приемо-передающее (ствольное) ВЧ (РЧ) оборудование, в ряде слу¬
чаев с элементами обработки, модуляции-демодуляции, регенерации,
коммутации сигналов.
К основным характеристикам бортовых антенн относятся: контур
покрытия (конфигурация луча), форма и ширина диаграммы направ¬
ленности (ДН), коэффициент усиления, уровень боковых лепестков, тип
поляризации, шумовая температура, приложенная мощность.
Антенны современных СР, к каким бы спутниковым службам они не
относились, играют очень важную общесистемную роль: во-первых, они
определяют зону (зоны) обслуживания и архитектуру ССС; во-вторых,
от типа и размера (апертуры) антенны во многом зависит энергетика
линий связи и использование бортовых ресурсов; в-третьих, бортовые
антенны обеспечивает пространственную и/или поляризационную раз¬
вязку сигналов разных стволов, лучей и в целом СР, находящихся в раз¬
ных орбитальных позициях, что позволяет повторно использовать одни
и те же полосы частот (ПИЧ).
Устройство антенны зависит от конструкции КА. Так, на спутнике,
стабилизированном вращением, отсутствует обращенная к Земле па¬
нель, что приводит к размещению зеркала с вынесенным облучателем
на платформе с обратным вращением. Примером является СР Интел-
сат-6.
Для КА, стабилизированного по трем осям и имеющего фиксирован¬
ную, обращенную к Земле панель, возможны разные варианты: а) зер¬
кало монтируется на этой панели, а облучатели выносятся на штанге
вблизи его фокуса (СР Интелсат-5)', б) зеркало крепится на штанге,
32
а облучатель располагается на корпусе КА, что позволяет уменьшить
длину фидера, но требует развертывания антенны в космосе после вы¬
ведения на орбиту (СР Арабсат); в) непосредственно излучающие пло¬
ские антенны на корпусе КА (СР Арабсат, Глобалстар и др.). При этом
на большинстве СР используются отдельные антенны для приема и для
передачи.
Ниже, в частях 3, 4, будет рассмотрен предлагаемый авторами аль¬
тернативный принцип размещения плоских антенн на раскрываемых
после выведения на орбиту «крыльях» КА, подобных панелям солнеч¬
ных батарей.
Многие современные и перспективные ССС используют бортовые
многолучевые антенны (МЛА), преимущества которых, в особенности
для ПИЧ, упомянуты выше. Они также допускают разделение чередую¬
щихся лучей по поляризации. В таком случае покры тие 'требуемой зоны
может быть обеспечено соприкасающимися лучами четырех типов, ис¬
пользующих всего две полосы частот.
В качестве МЛА применяют гибридно-зеркальные со сферически¬
ми рефлекторами и линзовые антенны с вынесенными облучателями, а
также фазированные решетки разных модификаций. Сферические зер¬
кала имеют достаточно большой уровень боковых лепестков ДН, невы¬
сокий коэффициент использования площади раскрыва {кип) и трудно
реализуются при увеличении размеров. Линзовые МЛА с зонированием
позволяют снизить уровень боковых лепестков, однако он будет возрас¬
тать по мере отклонения от центральной частоты рабочей полосы частот
МЛА.
Наиболее широкие возможности по многолучевому обслуживанию,
формированию сложных контурных ДН, адаптивному изменению уси¬
ления и выходной мощности в лучах имеют фазированные и адаптивные
антенные решетки (ААР) в сочетании с различными схемами обработки
и коммутации сигналов. Эти МЛА, как и зеркальные, формируют ши¬
рину ДН и усиление в луче также за счет общей апертуры, с помощью
т.н. лучеобразующих систем и адаптивных устройств обработки, в ча¬
стности, описываемых ниже, в Части 3.
Приемо-передающие тракты в составе РТР, называемые стволами
или транспондерами, присоединяются к общим, индивидуальным ан¬
теннам, либо к лучам МЛА. При этом разделение сигналов стволов или
лучей достигается различными способами и методами, упомянутыми
выше.
Основными характеристиками (показателями) СР (БРК, ствола,
луча) являются:
33
эффективная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ), т.о.
произведение выходной мощности передатчика РТР на усиле¬
ние передающей антенны, с учетом потерь в тракте АФУ;
— добротность приемной системы, т. е. отношение усиления при¬
емной антенны, с учетом потерь в АФУ, к шумовой температуре
приемной системы РТР;
— плотность потока мощности (ППМ) у поверхности Земли, опре¬
деляемая ЭИИМ на единицу площади поверхности при задан¬
ной орбите;
— коэффициент усиления тракта РТР;
— полоса частот ретрансляции;
— выходная мощность передатчика РТР;
— шумовая температура приемной системы.
По структуре приемо-передающего тракта РТР могут иметь одно¬
кратное или двукратное преобразование час тоты. И первом случае про¬
исходит переход из полосы частот приема сразу в полосу передачи. Во
втором случае входная радиочасто та (Р4) преобразуется в промежуточ¬
ную (ПЧ), а затем в выходную, т. е. в частоту передачи.
Структурная схема приемо-передающего тракта СР в значительной
степени зависит от назначения ССС и предъявляемых к ней требований
(целевых функций). Она должна синтезироваться на основе технико¬
экономических соображений с учетом этих требований.
При прямой ретрансляции оптимизация энергетики и использова¬
ния полосы частот в ЛСС во многом зависит от параметров сквозного
тракта СР вообще и на высоком уровне усиления, т. е. выходного каскада
РТР — усилителя мощности (УМ), в частности. В качестве последнего
применяются обычно лампы бегущей волны (ЛБВ) или твердотельные
усилители с выходной мощностью от единиц до десятков Вт.
Указанные электронные приборы имеют принципиально нелиней¬
ные передаточные характеристики, прежде всего из-за наличия режи¬
ма насыщения за счет ограничения выходной мощности. Это приводит
к появлению комбинационных составляющих при усилении несколь¬
ких (многих) сигналов и, в результате, к нелинейным внутрисистемным
помехам. Кроме того, амплитудно-фазовая конверсия (АФК), также
свойственная этим приборам, вызывает дополнительные искажения
сигналов.
Существуют разные возможности борьбы с нелинейными помехами.
Наиболее часто применяемый путь — работа УМ в квазилинейном режи¬
ме, т. е. со снижением входной мощности передатчика СР относительно
уровня насыщения. Возможными средствами для этого являются регу¬
34
лирование коэффициента усиления РТР или применение управляемых
аттенюаторов. В качестве способов линеаризации, а также ослабления
АФК, могут использоваться АРУ на более низких уровнях усиления,
обеспечивающая требуемый динамический диапазон сигналов, и пре¬
дыскажения различного типа на входе УМ. При наличии на входе СР
преобладающего сильного сигнала более эффективным по сравнению с
АРУ оказывается применение мягкого (плавного) ограничения в тракте
до УМ. С целью уменьшения уровня комбинационных продуктов иногда
рекомендуется применение вместо ЛБВ полевых транзисторов, которые
имеют улучшенную линейность вблизи области насыщения.
В определенных случаях могут быть применены РТР с жестким ог¬
раничением до усиления в выходном каскаде. Это позволяет выходному
прибору, в частности, ЛБВ, работать в энергетически наиболее выгодном
режиме насыщения, однако комбинационные составляющие при много¬
сигнальной передаче будут иметь максимальную интенсивность. Но их
мешающее воздействие, т. е. уровень нелинейных помех в приемнике ЗС,
могут быть ослаблены и сведены к минимуму благодаря соответствую¬
щему выбору параметров сигналов: несущих частот (при неравномерном
разносе), базы (применение шумоподобных сигналов), взаимной ортого-
нализации (синхронизации) сигналов [8].
Нелинейность и связанная с нею проблема комбинационных по¬
мех свойственна при работе СР, главным образом, в режимах прямой
ретрансляции. При демодуляции, регенерации и вообще обработке сиг¬
налов на борту КА, когда появляется возможность формирования еди¬
ного группового многостанционного сигнала в РТР, например, методом
ВРК на участке вниз, эта проблема снимается.
Одним из наиболее часто упоминаемых достоинств применения
обработки сигналов в ретрансляторе (ОСР), помимо работы СР в ре¬
жиме насыщения, является возможность регенерации сигналов, т. е.
исключения накопления шумов и других помех от участка к участ¬
ку ЛСС. Это приводит, в первую очередь, к тому, что коэффициент
ошибок в ЛСС суммируется на линиях вверх и вниз, тогда как при
прямой ретрансляции он определяется результирующим отношени¬
ем сигнал/помеха в приемнике ЗС. Эффект от регенерации на борту
зависит от соотношения энергопотенциалов участков ЛСС и полосы
частот ретрансляции.
Особым случаем ОСР является защита от внешних помех, сосре¬
доточенных по спектру (узкополосных), по времени (импульсных) или
распределенных по полосе и во времени (широкополосных). Обработка
смеси полезных сигналов и узкополосных помех заключается в частот¬
35
ной режекции пораженных участков с помощью пассивных или актив¬
ных фильтров разного типа. К первым могут быть отнесены, например,
амплитудно-частотные ферритовые ограничители, ко вторым — дина¬
мические фильтры-компенсаторы на основе апостериорных оценок вход¬
ных процессов.
Широкополосные импульсные помехи подвергаются адаптивной
временной режекции, а распределенные и непрерывные во времени —
корреляционной обработке. Интеграция устройств обработки, фази¬
рующих и облучающих элементов приемных бортовых антенн позво¬
ляет, кроме пространственной селекции и формирования сложной фор¬
мы ДН, осуществлять различными способами также пространственную
режекцию помех и эффективное подавление их по боковым лепесткам.
Во всех этих случаях, помимо непосредственной защиты от помехи,
при ОСР преследуется не менее, а зачастую и более важная цель -- борь¬
ба с отбором полезной выходной мощности СР помехой.
Другой важный аспект применения ОСР с демодуляцией и регене¬
рацией — обеспечение в СР функций коммутации (каналов и пакетов)
разнообразных видов, основанных на сочетаниях частотного, кодового,
временного и пространственного разделения сигналов [9,10]. В наиболь¬
шей степени это относится к ССС с многолучевыми СР. Примером яв¬
ляются системы и спутники Интелсат, Италсат, Олимпус, АСТ5, Ири-
диум и др.
Широкие возможности адресной маршрутизации для полносвязных
сетей любой архитектуры с переносом, по сути дела, узлов (центров)
коммутации на борт КА могут реализовываться как при зональном, так
и при глобальном обслуживании в ССС. Определяющими критериями
во всех случаях здесь являются технико-экономическая целесообраз¬
ность и такие показатели как надежность, живучесть, технологичность
принимаемых решений.
Земные станции
ЗС, являющаяся оконечным передающим и/или приемным звеном
линии спутниковой связи, представляет собой многофункциональный
комплекс радиотехнического и связного оборудования, соединяемого на¬
земными линиями с пользователями. Станционный уровень считается
нижним в модели ССС по ряду признаков, в частности: наиболее близко¬
му к пользователю расположению, выполнению функций каналообразо¬
ван ия, аппаратурному (электрическому и механическому) характеру.
С другой стороны, данный уровень как бы замыкается с самым верх¬
ним — архитектурно-топологическим, в том смысле, что он отражает фи-
36
зическое, программно-аппаратное содержание признаков архитектуры,
определяет набор услуг и качество канала связи, т. е. реализует основ¬
ные требования пользователя, которого остальные уровни могут прямо
не затрагивать. Данное обстоятельство является подтверждением це¬
лостности, взаимосвязанности и самодостаточности принятой модели
ССС.
По своему назначению ЗС в составе ССС как системы передачи клас¬
сифицируются чаще всего как центральные (ЦЗС), узловые, зоновые
или региональные (УЗС, РЗС), оконечные, абонентские (ОЗС, АЗС), на¬
зываемые также в ряде случаев терминалами (ЗСТ), абонентскими или
пользовательскими терминалами (АТ, ПТ).
По характеру применения для той или иной спутниковой службы ЗС
подразделяются на стационарные (в основном используемые для ФСС,
а также в качестве ЦЗС для других служб, станций фидерных линий),
транспортируемые (перевозимые), подвижные (сухопутные, морские,
железнодорожные, самолетные и т. д.), носимые, в том числе ручные,
портативные (мобильные терминалы) и пр.
ЗС также могут классифицироваться и стандартизироваться в за¬
висимости от размера антенн, диапазона рабочих частот, излучаемой
мощности, архитектуры сети и др. характеристик [9].
В состав оборудования любой ЗС входят:
— антенно-фидерное устройство (АФУ) с системой наведения ан¬
тенны, автосопровождения и фидерным трактом;
— радиочастотные компоненты — РЧ и ПЧ усилители, гетеродины,
синтезаторы и преобразователи частоты;
— аппаратура каналообразования и многостанционного доступа
модемы, кодеки, устройства уплотнения, разделения, формиро¬
вания и обработки сигналов;
— интерфейсное оборудование для соединения с наземными сетя¬
ми и линиями связи;
— аппаратура предоставления каналов, управления, контроля и
сигнализации;
— оборудование энергоснабжения и электропитания.
Основные параметры антенной подсистемы ЗС: коэффициент уси¬
ления, диаметр зеркала или площадь апертуры, ширина диаграммы
направленности, точность наведения, уровень боковых лепестков ДН,
шумовая температура, тип поляризации принимаемой (излучаемой) РЧ
волны, излучаемая или принимаемая антенной мощность. В ЗС приме¬
няются, как правило, совмещенные приемо-передающие антенные уст¬
ройства.
37
Основные характеристики приемопередающего тракта ЗС: шумо¬
вая температура приемной системы, коэффициенты усиления входного
устройства (МШУ), ВЧ и ПЧ усилителей, выходная мощность, полосы
пропускания по РЧ и ПЧ, скорость передачи или полоса частот сообще¬
ний, тип модуляции, кодирования и разделения сигналов, требуемые ко¬
эффициент (вероятность) ошибок по битам или отношение сигнал/шум
на выходе демодулятора, уровень внеполосных паразитных излучений,
интермодуляционных продуктов, фазовых шумов, амплитудно- и фазо¬
частотных искажений и пр.
Комбинации указанных параметров и характеристик компонентов
ЗС образуют ряд наиболее важных показателей, оптимизируемых с уче¬
том назначения и архитектуры ССС и определяющих технический об¬
лик системы в целом:
— эффективная изотропно-излучаемая мощность (ЭИИМ) ЗС,
равная произведению выходной мощности передатчика на уси¬
ление антенны, с учетом потерь в тракте АФУ;
— параметр качества или добротность ЗС, равная отношению уси¬
ления антенны на прием к шумовой температуре приемной сис¬
темы, с учетом потерь в тракте АФУ;
— скорости передачи битов информации, символов, пакетов, с уче¬
том методов кодирования и формирования сигналов, типа моду¬
ляции;
— коэффициент (вероятность) ошибок по битам и соответствую¬
щее ему отношение энергии сигнала к спектральной плотности
результирующей помехи (шума) в линии связи.
Таковы основные принципы построения ССС и их составных ком¬
понентов (уровней). В следующих разделах вводной части будут рас¬
смотрены наиболее распространенные примеры создания и применения
ССС разных служб за 50-летний период существования спутниковой
связи и вещания.
В соответствии с Регламентом радиосвязи (РР), в зависимости от
назначения и типа используемых ЗС различают три основных службы
спутниковой связи:
— фиксированная спутниковая служба (ФСС) предназначена для
организации связи между стационарными пользователями.
В первое время системы ФСС использовались исключительно
для организации магистральных линий связи большой протя¬
женности и зоновой связи. В настоящее время более широкое
распространение получили системы связи на основе малых ЗС-
терминалов типа УЗАТ (Уегу 5та11 АрегШге Тегтта!);
38
Таблица 02.1
Земля-космос
Космос земля
Полоса частот, ГГц
Служба
Полоса частот, ГГц
Служба
0,148-0,15005
Подвижная
0,137-0,137825
Подвижная
0,235-0,322
Подвижная
0,40015-0,401
Подвижная
0,3354-0,3999
Подвижная
0,62-0,79
Вещание
0,406-0,4061
Подвижная
1
1,452 -1,492
Вещание
1
1,610-1,6265
Подвижная
1
1,525- 1,559
Под ннжная
1
1,6315-1,6605
Подвижная
1
1,6265 1.6315
Подвижная
8
1,97-2,01
Подвижная
8
2,16-2,2
11 од в и ж н а я
8
2,67-2,69
Подвижная
8
2.4835 2,52
11однижпая
С
5,725-7,075
Фиксирован.
8
2,52-2,67
Вещание
X
7,9-8,4
Фиксирован,
и подвижная
С
3,4-4,2
Фи ксирован.
Ки
10,7-11,7
Фидер, линии
С
4,5-4,8
Фиксирован.
Ки
12,5-13,25
Фиксирован.
X
7,25 7,75
Фиксирован.
Ки
13,75-14,5
Фиксирован.
Ки
10,7-11,7
Фиксирован.
Ки
14,5-14,8
Фидер, линии
Ки
11,7-12,5
Вещание
17,3-18,1
Фидер, линии
Ки
12,5-12,75
Фиксирован.
Ка
27,5-31
Фиксирован.
17,7-21,2
Фиксирован,
и подвижная
V
42,5-43,5
Фиксирован.
Ка
22,5-23,0
Вещание
V
47,5-49,2
Фидер, линии
Ка
37,5-40,5
Фиксирован,
и подвижная
а
49,2-50,2
Фиксирован.
<2/У
43,5-47,0
Подвижная
0.
50,4-51,4
Фиксирован.
— радиовещательная спутниковая служба (РСС) предназначена
для непосредственного приема телевизионных и радиовещатель¬
ных программ населением. При этом непосредственным считает¬
ся как коллективный, так и индивидуальный прием;
— подвижная спутниковая служба (ПСС) предназначена для органи¬
зации связи между подвижными объектами или между подвижным
объектом и стационарным пользователем. Первоначально ПСС
рассматривалась как служба специального назначения для орга¬
низации морской, воздушной, автомобильной и железнодорожной
спутниковой связи. В настоящее время идет процесс ориентации
ПСС и на обеспечение услуг персональной связи (ПерСС).
39
Кроме выше перечисленных, из РР известны также службы, относя¬
щиеся к космической радиосвязи: межспутниковая, радиоопределения,
метеорологическая спутниковая, космических исследований, навигаци¬
онная спутниковая, любительская спутниковая, исследования Земли,
космической эксплуатации, радиоастрономическая.
В этой книге будет уделено более пристальное внимание мобильной
спутниковой связи, как широкому понятию, которое может включать
в себя элементы ССС всех служб. К тому же ПСС и, тем более ПерСС,
исследованы и реализованы в целом значительно слабее, чем системы
ФСС. Наметившиеся в последнее 10-летие тенденции повышения мо¬
бильности, персонализации, конвергенции видов и технологий связи
способствуют, с одной стороны активизации работ по мобильным ССС,
ас другой -- известному стиранию граней между традиционными служ¬
бами ФСС и ПСС, или РСС и ПСС. Однако фактором, сдерживающим
эти процессы, является регламентирование диапазонов частот для каж¬
дой из служб, а также их перегруженность. Распределение полос частот
для трех основных спутниковых служб согласно Регламенту радиосвязи
приводится в таблице 02.1.
40
3. РАЗВИТИЕ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ
ФИКСИРОВАННОЙ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ
В соответствии с определением Регламен та радиосвязи, фиксиро¬
ванная спутниковая служба — это служба радиосвязи между земными
станциями с заданным местоположением, когда используется один или
несколько СР. Земные станции ФСС расположены в фиксированных
точках на поверхности Земли. В отличие от них, в РР станции, распо¬
ложенные на спутнике, т. е. ретрансляционные, называют космически¬
ми (КС).
В настоящее время, за редким исключением, все линии спу тниковой
связи (ЛСС) между передающей и принимающей ЗС ФСС организуются
через один спутник. Эти линии состоят из двух час тей участка вверх
между передающей ЗС и СР и участка впив между СР и принимающей
ЗС. В перспективе будут применяться линии связи ФСС между двумя
ЗС с использованием двух или более спутников, связанных между со¬
бой непосредственно, без промежу точной ретрансляции. Такая линия,
называема я межспутниковой, относится к межепутпиковой службе.
К ФСС также обычно причисляют фидерные линии, то есть линии
от ЗС, расположенной в заданной фиксированной точке, к КС, или на¬
оборот, по которым передается информация для спутниковой службы
радиосвязи, иной, чем ФСС. В эту категорию входят, например, линии
связи вверх для радиовещательных спутников РСС и линии связи ме¬
жду береговыми ЗС и спутниками морской подвижной спутниковой
службы.
Исторически основными видами сообщений, передаваемыми через
линии ФСС, были много- и малоканальная телефония, телеграфия, фак¬
симиле, данные, отчасти телевизионные и звуковые программы. Линии
связи вниз, по которым направляются сигналы двух последних упомя¬
нутых видов передачи, исключаются из ФСС в том случае, если они не¬
посредственно принимаются широкой аудиторией пользователей, по¬
скольку тогда они относятся к радиовещательной спутниковой службе
(РСС).
Системы ФСС часто организуются на основе аренды или покупки
одного или нескольких имеющихся стволов СР (транспондеров) на су¬
ществующих спутниках Интелсат, Евтелсат и др. Если трафик доста¬
точен, иногда оправдано приобретение отдельного спутника. В таких
системах часто работает большое число ЗС (от нескольких десятков до
нескольких тысяч), так что доля земного сегмента в общей стоимости
системы преобладает. Задача, следовательно, состоит в максимально
41
возможном упрощении земных станций, с целью уменьшения затрат на
их покупку и эксплуатационные расходы.
Тенденция использования упрощенных, недорогих, при массовом
производстве, земных станций на местах существует и будет возрас¬
тать (особенно для малоканальной телефонной связи и приема телеви¬
зионных программ). Эти станции имеют антенны небольшого диаметра
(например, от 1,2 до 5 м), с фиксированным наведением, маломощные
передатчики (несколько ватт) и компактную аппаратуру для связи и со¬
единения с наземной сетью. Конструкция этих станций должна быть
надежной, для их обслуживания не должен требоваться постоянный
штат и они должны рассчитываться на местные условия (географиче¬
ские, климатические, демографические, использование первичных ис¬
точников энергии и т. д.).
Станции подобной конструкции применяются в целях предоставле¬
ния услуг связи для деловой деятельности и управления, для телефо¬
нии, передачи данных и изображений и т. д. Эти станции могут устанав¬
ливаться в помещениях пользователя или в непосредственной близости
к группе пользователей, для того чтобы максимально сократить протя¬
женность наземных линий.
Наиболее распространена, особенно в диапазоне Ки (14/12 ГГц),
служба ФСС, использующая ЗС типа У5АТ (Уегу 5ша11 АреНиге
Тепшпа1), называемые иногда мини- и микротерминалами. Они рабо¬
тают в распределенных сетях, при двусторонней связи между центром,
или главной станцией (НиЬ 51аНоп, ЦЗС, РЗС) с относительно боль¬
шой антенной, и удаленными объектами: деловыми конторами, учеб¬
ными центрами, другими учреждениями на местах, где используются
ЗС. Простые и относительно дешевые земные станции могут работать
только в ССС со стволами, имеющими относительно высокую ЭИИМ,
получаемую за счет мощных бортовых усилителей и/или направлен¬
ных антенн.
Часто при использовании ФСС термин спутниковая сеть применя¬
ется для обозначения полной системы, которая включает ЛСС, а также
все наземные средства передачи и коммутации, необходимые для уста¬
новления связи между абонентами сети. Обычно используются понятия:
телефонные, телевизионные сети, сети передачи данных, сети общего или
ограниченного пользования, открытые и закрытые сети.
Сети ССС классифицируются также в зависимости от организации
линий связи между различными ЗС, т. е. архитектурой, конфигурацией
или топологией сети. Существуют односторонние, в том числе распре¬
делительные и собирающие сети и двусторонние сети — наиболее об¬
42
щий случай применения ФСС, с линиями связи: от пункта к пункту,
от пункта ко многим пунктам, ячеистые, звездообразные, смешанные
сети.
03.1. Зарубежные системы ФСС
ИНТЕЛСАТ
Система Интелсат включает космический и земной сегмент. В ССС
используются КА типа 1п1е1$а1-У1, VII, VIII, IX, X, ведущие свое начало
от первых КА на ГСО типа Телстар, и широкий ассортимент ЗС мно¬
гих стандартов с размерами антенн до 30 м. Спутники 1п1еЫа1 разных
модификаций различаются по числу и параметрам стволов, зонам об¬
служивания.
Космический сегмент состоит из группировки спутников-ретранс¬
ляторов (СР) и наземного управляющего комплекса. Ретрансляторы КА
в каждой позиции ГСО имеют значительное количество стволов-транс¬
пондеров, отличающихся размерами зон обслуживания (шириной ДН
антенн) и выходной мощностью передающих устройств, т. е. ЭИИМ, доб¬
ротностью приёмных устройств и рабочими полосами частот.
В зависимости от ширины ДН бортовой антенны различают гло¬
бальную (близкую к зоне радиовидимости КА), «полуглобальную», зо¬
нальные и локальные (узкие) зоны обслуживания. Основные характе¬
ристики СР, зоны обслуживания, полосы и диапазоны рабочих частот
спутников 1п1еЬа{ содержатся в таблице 03.1 [9, 11].
КА 1п!е1за1-5 проектировались в 80-х годах с учетом увеличения бу¬
дущих потребностей в спутниковой связи. Основной задачей при разра¬
ботке этой серии КА было увеличение числа приемопередающих ство¬
лов СР, многократное использование отведенного рабочего диапазона
частот (ширина полосы частот 500 МГц в С- диапазоне) и переход к более
высокочастотному Ки-диапазону (14/11ГГц). Объявленный конкурс вы¬
играла фирма Рогб Аегозрасе, с которой в сентябре 1976 г. был заключен
контракт на разработку, изготовление и обслуживание семи КА серии
1п(е1за{-5.
Первый запуск КА этой серии состоялся в декабре 1980 г. Спутник
1п1е1заЬ-5, в отличие от предыдущих, имел более совершенную стабили¬
зацию — трехосную, а ретрансляционное оборудование — четырехкрат¬
ное использование полосы частот в С-диапазоне за счет пространствен¬
ного и поляризационного разноса. Впервые был применен Ки-диапазон
частот. Кроме того, на КА были установлены антенны, формирующие
контурные диаграммы направленности с поляризационной развязкой
43
К А (СР)
ПисГза: V
1п1с1ха1: УА. В
1и1с1хщ VI
601 605
1п1с1ха[\'1Г\ 11А
701 709:706 707
Позиция на ГСО
31,5', 177° з.д.
91,5' в.д.
18', 21,3' з.д.
57е, 180° в.д.
19,9“ з.д.. 27,5
50,5°, 157', 60°,
33°,64,Г в.д.
Г, 50°,
53‘ з.д.; 55, 66',
85°, 180° в.д.
Гол запуска
1982, 1981, 1981
1989. 1986, 1985,
1985
1991, 1991, 1990,
1989
1994, 1996,1995,
1993,
Расчетный срок суще¬
ствования, лот
7
7
14
14
Масса КА, кг
1012
1160
1823
1473
Мощность энергопи¬
тания. Вт
1205
1280
2250
4000(5300)
Число стволов СР
(С +Ки)
21+6
26+6
38-110
26+10(14)
Зона обслуживания1
ГЛ; 2x11171; 2хЗЛ;
2хУЛ (14/11)
ГЛ; 2x11171: 2хЗЛ;
2хУЛ;2хУЛ
(14/11)
ГЛ; 2x11171;
4хЗЛ;2\УЛ;
2хУЛ (14/11)
ГЛ; 2хГ1171;
4хЗЛ:УЛ;ЗхУЛ
(14/11)
Мощность на ствол,
Вт
8,5 (ГЛ; 11 ГЛ)
1,5 (ЗЛ); 10 (УЛ
14/11)
8,5 (ГЛ; ИГЛ)
4.5 (ЗЛ); 10 (УЛ
14/11)
10/16 (ГЛ, ИГЛ);
5,5/10 (ЗЛ);
20/40 (14/11)
20/30 (ГЛ; УЛ);
10/16(11171; ЗЛ);
35/50 (14/11)
ЭИ ИМ, дБ Вт
23,5 (1Л);
29(11171; ЗЛ);
44/41 (УЛ 14/11)
23,5 (ГЛ);
29(ПГЛ; ЗЛ); 33
(УЛ); 44/41 (УЛ
14/11)
26,5(171); 31
(ИГЛ; ЗЛ); 34
(УЛ); 47/44 (УЛ
14/11)
26/29 (171); 33
(ИГЛ; ЗЛ); 33/36
(УЛ); 47/45 (УД
14/11)
Полосы частот ствола,
МГц
36 и 72
16x36; 14x72;
12x36: 34x72;
10x36; 22x72;
4x112(8x112)
Добротность СР, дБ/К
-14 (ГЛ);
-9,2 (ИГЛ);
-1х1(УЛ 14/11)
-12 (ГЛ);
-8,5 (ИГЛ);
-1х1,5(УЛ14/11)
Пропускная способ¬
ность, каналы
1 ГЛ - глобальный луч, Г1ГЛ — полуглобальпый луч, ЗЛ — зоновый луч, УЛ - узкий луч.
лучей для создания различных зон обслуживания, а также две перена¬
целиваемые антенны.
К 1985 г. Роге! Аегозрасе в рамках дополнительного контракта под¬
готовил к запуску первый модифицированный КА 1пЬе1$сЛ-5А. В С-диа-
пазоне были введены глобальные лучи, создаваемые рупорными антен¬
нами, с развязкой по поляризации. Кроме того, были установлены ство¬
лы С-диапазона, подключенные, совместно со стволами Ки-диапазона,
к перенацеливаемым антеннам. В результате, емкость СР увеличилась
на 25%. Запуск трех КА дополнительной серии [пЫзаГ-бА был осуществ¬
лен в период 1985—86 гг. с РН АТЬА5/СЕКТА11К.. Запуск четвертого КА
в мае 1986 г. при помощи РН АШАИЕ был неудачным. Всего дополни-
44
Таблица 03.7.
1псе1.ча1 К
1псе1!>ас VIII
801,802
1иСе1.‘>аС У111-А
805,806
1пСе1ха( IX
902 905,907
1н1с1хаг IX
901,906
1п1е1ха1 X
10, 10 02
21,5° з.д.
31,5“ з.д.
33“ в.д.
166“ и.д.
55,5° з.д.
24,5”, 27,5'
34,5";58“ з.д.
60”; 62° и.д.
64° и.д
18” з.д.
68.5'н.д.
Г з.д.
1992
1997
1998
2001-2003
2001 2003
2004
10
7
7
14
14
10
1512
1012
1160
1823
1473
1512
3155
1205
1280
2250
4000(5300)
3155
16
38+6
28+3
44+14
42+ 14
45+ 16
ЗЛ (Бирона)
ЗЛ (Америка)
2хГЛ; 2хПГЛ;
4хЗЛ; 2хУЛ
(14/11)
2хГ1ГЛ;
1хУЛ (14/11)
2хГЛ;2хГ1 ГЛ;
(4 5)хЗЛ
2хУЛ(14/11)
2хГЛ;2х11ГЛ;
4x3/1:
2хУЛ (14/11)
2x171; ЗхШ71;
2x3/1:
ЗхУ/1 (14/11)
62,5
8,5 (ГЛ; Г1ГЛ)
4,5 (ЗЛ); 10
(УЛ 14/11)
8,5 (ГЛ; ИГЛ)
4,5 (ЗЛ); 10
(УЛ 14/11)
10/16 (ГЛ;
ИГЛ); 5,5/10
(ЗЛ); 20/40
(14/11)
20/30 (1/1:
УЛ), 10/16
(11171; 3/1);
35/50 (14/11)
62,5
50
34,5 (ПГЛ;ЗЛ);
44/41
(УЛ 14/11)
37,5 (Г1ГЛ);
49,7
(УЛ 14/11)
36/37
(ПГЛ;ЗЛ)
47 (УЛ 14/11)
36/37
(И ГЛ;ЗЛ) /I);
47 (УЛ 14/11)
37 (11171; ЗЛ);
47,7
(УЛ 14/11)
54
8+11
19+5
8+11
8+11
8+15
-11,2 (ГЛ);
-5(ПГЛ);
0(ЗЛ)0
(УЛ 14/11)
-11,2(171);
-5 (ПГЛ); 0
(ЗЛ)
0 (УЛ 14/11)
12000 ТФ, 2
ТВ
15000 ТФ,
2 ТВ
35000 ТФ,
ЗТВ
-
13200 ТФ
иди 32 ТВ
тельная серия включала шесть КА. Последний КА этой серии 1п1еЬа1-515
был запущен в январе 1989 г. Срок активного существования спутников
1шеЫа1-5 и 5А составлял 7 лет.
Дальнейшее развитие системы было связано с серией спутников
Ше18а1-6 (601—605), которые по своим функциональным возможно¬
стям, пропускной способности и сроку активного существования долж¬
ны были превосходить КА предыдущей серии. Предполагалось создать
одиннадцать КА 1п1е1за1-6. Однако стоимость изготовления каждого со¬
ставляла 130—150 млн долл. В результате в 1987 г. было принято реше¬
ние о создании более дешевого КА, ограничившись задачей вывода на
ГСО пяти КА серии 1п1е15а(-6, последние из которых функционируют
45
до настоящего времени. Первый запуск 1теЫаС-6 сос тоялся в 1989 г. с
помощью РН АК.1АКЕ-4. Общие затраты составили 296 млн долл. Дол¬
гое время КА этой серии оставались самыми крупными коммерческими
спутниками. В СР С-диапазона было достигнуто 6-кратное повторное
использование частот (ПИЧ) в двух полуглобальных и четырех зональ¬
ных лучах за счет разной круговой поляризации и пространственного
разнесения. В диапазоне Ки разнесение осуществляется за счет ортого¬
нальной линейной поляризации.
Решение о создании новой серии 1п1;е18а{-7, хотя и было принято,
но еще более года рассматривались различные варианты технической
реализации КА. Программа предусматривала создание пяти спутников.
При этом предполагалась плановая замена К А 1п1еЬа1-5А при обеспе¬
чении преемственности для уже действующих наземных сетей. Кроме
того, была поставлена задача увеличения ЭИИМ и добротности прием¬
ников СР в Ки-диапазоне частот и повышения ЭИИМ и добротности в
С-диапазоне, как для глобального, так и для узкого лучей, аналогично
имеющимся на 1п1е1$а1-5А. Это имело целью снижение затрат на вновь
создаваемые земные станции и увеличение гибкости распределения
трафика.
Выходные каскады передатчиков диапазона 4 ГГц мощностью 10, 16,
20 и 30 Вт в этом СР выполнены твердотельными, что позволило значи¬
тельно повысить линейность усилителей. Число узких лучей в диапазо¬
не 14/11 ГГц увеличено до трех, мощность передатчиков составляет 35
или 50 Вт. Шесть из 10 стволов диапазона 14/11 ГГц могут переключать¬
ся на орбите из диапазона 10,95—11,2 ГГц в диапазоны 11,7—11,95 ГГц
(для работы на Америку), либо 12,5—12,75 ГГц (на Европу и Азию).
Кроме того, обычным требованием являлось увеличение срока ак¬
тивного существования. Первый КА 1пСе15аС-7 был выведен на геостацио¬
нарную орбиту в октябре 1993 г. с помощью РН АК.1АКЕ-4. Стоимость
его изготовления составила около 110 млн долл., а общие затраты, с уче¬
том запуска — примерно 232 млн долл.
В декабре 1990 г. организация ИНТЕЛСАТ заключила дополни¬
тельный контракт на разработку серии из трех модифицированных КА
1п1е1за1-7А (706—708). Модификация была связана с решением задачи по
увеличению пропускной способности в Ки-диапазоне частот, добротно¬
сти и ЭИИМ в интересах создания наземных сетей У5АТ, при исполь¬
зовании антенн с малым диаметром (до 1,8 м), а также требовалось уве¬
личение ЭИИМ для четырех стволов С-диапазона частот в интересах
служб телевизионного вещания. К 1997 г. на геостационарную орбиту
было выведено восемь спутников 1п1еЫа1-7/7А.
46
Еще в 1991 г. аналитическая группа организации ИНТЕЛСАТ вы¬
явила существенное повышение роста потребительского рынка в облас¬
ти услуг спутниковой связи в регионах Тихого и Индийского океанов.
Прогнозы показали, что КА серии 1п(е15а(-7/7А не могут обеспечить все
возрастающие запросы.
В декабре 1991 г. был объявлен конкурс на создание нового К А се¬
рии 1пШ8а1-8. Первоначально эта серия предполагалась из девяти КА,
однако исполнители определены не были. Кроме того, концепция орга¬
низации в 1993 г. начала видоизменяться в смысле расширения задач,
возлагаемых на систему.
На это оказали влияние исследования существенного роста потреб¬
ностей в телевизионном вещании в Азиатско-Тихоокеанском регионе.
Затем аналогичные задачи возникли и применительно к обслуживанию
Американского континента, в котором, кроме того, наблюдалось актив¬
ное развитие сетей У5АТ.
В результате шестой КА (ШеЬаС-вОб) был адаптирован для обслу¬
живания Американского континента. Одной из особенностей спут¬
ников этой серии является самая высокая энергетика транспондеров
С-диапазона.
ЫЬеЫаЬ-К. Наряду с традиционными для организации ИНТЕЛСАТ
задачами в области спутниковой связи и вещания, в конце 80-х годов
была предпринята разработка КА 1п1е1$а1-Кс целью обеспечения транс¬
атлантического телевизионного вещания. Этот спутник начал функцио¬
нировать в 1992 г. в точке стояния 21,5° з.д. Все стволы ретрансляцион¬
ной аппаратуры работали в Ки-диапазоне частот. Затем в ИНТЕЛСАТ
рассматривлась возможность создания СР в /Си-диапазоне для глобаль¬
ных сетей двухстороннего обмена видеоинформацией и деловыми со¬
общениями, который предполагалось вывести в точку стояния 95° в.д.
(.1п1еЫа1-К-ТУ).
Следующая серия — ЫШзаЬ-Э — предназначена для замены 1п1е1$а1-6.
Разработанная компанией Зрасе Зу51еш/Еога1, она включает семь КА, ори¬
ентированных на высококачественную передачу цифровых каналов на ма¬
лые ЗС типа У5АТ, станции приема непосредственного вещания, доступа в
Интернет, репортажной службы, за счет дальнейшего повышения ЭИИМ
стволов-транспондеров, широкого применения контурных антенн.
На рис. 03.1 представлено размещение КА 1п1е1$а1 на геостационар¬
ной орбите [11].
Земной сегмент ИНТЕЛСАТ развивался параллельно с космиче¬
ским сегментом.
47
Земные станции системы подразделяют по диаметру и добротности
антенн, приведённой ко входу МШУ, на 13 различных стандартов. Пер¬
воначально использовались станции с диаметром антенны 30 м и доб¬
ротностью С/Т = 40,7 дБ/К (стандарт А+) в диапазоне частот 4/6 ГГц.
Высокая добротность была необходима для приёма сигналов с маломощ¬
ных СР. Таких станций в системе использовалось более 250.
Стоимость станции и её эксплуатационные параметры определяют¬
ся диаметром антенны. Поэтому при создании КА разработчики сле¬
довали принципу: сложный и дорогой спутник — простые и дешевые
земные станции. Этот принцип четко прослеживается при непрерывной
модернизации спутников ШГеЬа!.
Так, в обновленном для станций стандарте А++ рекомендуемый диа¬
метр антенны уменьшен до 15—18 м, а требуемая добротность составляет
35 дБ/К. Ориентировочная цена станции 8 млп долл.
Земной сегмент включает более 600 станций стандарта А, располо¬
женных по всему миру.
Основные параметры современной станции стандарта А++:
Добротность С/Т в секторе рабочих углов
на частоте 4 ГГц, дБ/К 35
ЭИИМ (типичное значение), дБВт 81
Стабильность ЭИИМ, включая точность
прицеливания антенны, дБ +0,5
Боковые лепестки рек. 1ТГ1-К.5.580-5
Коэффициент эллиптичности 1,06
В системе применяются для различных сетей и служб станции дру¬
гих стандартов (табл. 03.2). Причем экономическая выгода при выборе
стандарта станции в каждом конкретном случае может быть определяю¬
щей. Например, это касается ЗС стандарта В или станций стандарта Р1
(стоимость последних составляет 2 млн долл.) В результате эквивалент¬
ные затраты на создание, развитие и поддержание системы, приведенные
к одному году, постоянно снижаются. Так, в период с 1985 по 1999 гг. они
снизились в 2—3 раза.
Параметры ЗС определены документом 1пЫза1; 1Е35 602 геу.1.
Наиболее крупные из станций обслуживают от 12 до 24 человек. За¬
траты на каждого человека в год достигают примерно 100 000 долл.
Общая стоимость ЗС (включая сооружения и прочее недвижимое
имущество) составляет около 4 млн долл. Затраты окупаются за 2,5 г.
эксплуатации станции при достаточно большом трафике. Следует от-
49
Таблица 03.2
Стандарт
станции
ИНТЕЛСАТ
Диаметр
антенны, м
Диапазон
частот, ГГц
Добротность,
дБ/К
Сеть, служба
А+
30
6/4
35,0
Магистральная теле-
А++
15...18
6/4
35,0
фония, телевидение
В
11
6/4
31,7
'Го же
с+
15
14/11
39,0
'Го же
С+ +
И...13
14/11
37,0
То же
И1
4,5...5
6/4
22,7
У15ТА
т
11
6/4
31,7
То же
Е1
3,5
14/11
25,0
Коммерческая
Е2
5,5
14/11
29,0
Коммерческая (ШК,
В5)
ЕЗ
8
14/11
34,0
'Го же
Р1
4,5—5
6/4
22,7
Коммерческая
Р2
7
6/4
27,0
То же
РЗ
9
6/4
29,0
Коммерческая
(ЮК.В5)
С
1,2...2,5
14/11; 6/4
3,7... 21
1пТе1пеС
2
2,4
14/11; 6/4
16,5
Национальные
службы
метить, что станции, построенные в последние годы, включают мень¬
ший штат сотрудников (5—7 чел.) и, соответственно, экономически
более выгодны.
Виды сетей и принципы организации связи
Система Интелсат содержит ряд служб, которые используются для
организации сетей связи, как на временной, так и на постоянной основе.
Сети работают в аналоговом и цифровом режимах. В аналоговом режи¬
ме организованы следующие службы:
ЧРК/ЧМ — частотное уплотнение каналов, образующих стандартные
группы в 12,60 и т. д. каналов, передаваемых на несущей методом частот¬
50
ной модуляции, и многостанционный доступ с частотным разделением
несущих (МДЧР) в стволе;
КЧРК/ЧМ — группа телефонных каналов с частотным уплотнением
индивидуальным канальным сжатием информации на передающей зем¬
ной станции, передаваемых на несущей методом частотной модуляции, и
многостанционный доступ с частотным разделением несущих (МДЧР)
в стволе;
ВИСТА — Супер ВИСТА — система передачи телефонии или низко¬
скоростных данных в изолированные или удаленные пункты (МДЧР);
Службы вещания — передача ТВ и ЗВ программ на отдельных несу¬
щих, в объединенной группе каналов с частотным уплотнением, методом
ЧМ или ФМ, при МДВР, МДЧР.
В цифровом режиме были организованы службы:
ЮК (ЫЪегтесИаЬе Иа(а Ка(е) — передача данных с промежуточной ско¬
ростью — общее название цифровых служб связи для предоставления ус¬
луг первичной международной коммутируемой телефонной сети обще¬
го пользования. ШК. несущие передаются на скоростях от 64 кбит/с до
44,736 Мбит/с. Метод передачи — обычно ВУ-ФМ/МДЧР или ФМ-МДЧР
со скоростью кода К = 3/4.
Предоставляемые услуги: телефония, передача данных, цифровое
ТВ, видеоконференции, распространение звуковой и печатной инфор¬
мации.
В дальнейшем на основе интеграции указанных видов услуг возник¬
ли цифровые сети с интегральным обслуживанием — узкополосные и
широкополосные (У-ЦСИО и Ш-ЦСИО).
1В5 (1п1е1тЬ Визтезз Зегь&ё) или Служба деловой связи Интелсата
(ДСИ) — интегрированная цифровая служба для удовлетворения тре¬
бований деловой среды. ДСИ работает как в диапазонах 14/11—12 ГГц,
так и в 6/4 ГГц. Она обеспечивает полный набор услуг, включая переда¬
чу речевых сообщений, данных и видеоконференций. Служба реализует
стандарт открытой сети для оборудования, такого как модемы и кодеки
для видеоконференций, обеспечивая совместимость с международными
сетями. ДСИ предлагает передачу данных в диапазонах скоростей от 64
до 8448 кбит/с и глобальные покрытие, используется для предоставле¬
ния услуг глобальной и национальной связи, в частности :
— телефония;
— передача данных с низкой и высокой скоростью;
— звуковые и видеоконференции;
— факсимиле;
— компьютерное проектирование;
51
-- элек тронное распространение документов;
- элек тронный перенос фондов;
— распространение звуковой информации.
МДВР (многостационный доступ с временным разделением) — для
передачи телефонии, данных, звуковых программ или изображений га¬
зетных полос, ЦСИО и т. д. Скорость передачи — до 120 Мбит/с. Пропу¬
скная способность ствола достигает при цифровой интерполяции речи
до 1500 телефонных каналов. При трафике менее 100 телефонных кана¬
лов выгоднее применять режим ШК.
ОКН/ИКМ/ФМ — передача с закрепленными одиночными на каж¬
дой несущей каналами (ОКН) методом импульсно-кодовой модуляции
(ИКМ) с фазовой манипуляцией.
Были организованы также каналы ТЧ для коммутируемых сетей об¬
щего пользования, низкоскоростная передача данных, среднескоростная
передача данных (48, 50, 56 кбит/с), двусторонние аудиоконференции.
Интелнет, или служба У5АТ ИНТЕЛСАТ. Применима для многих
целей, включая речевую связь, передачу факсимильных сообщений, рас¬
пределение новостей, системы метеорологических данных, службы опо¬
вещения о чрезвычайных ситуациях, обмен данными между буровыми
и нефтепроводами, видеоконференции, ввод интерактивных данных от
главных компьютеров и расширение местных сетей радиосвязи.
Служба Интелнет привлекательна для пользователей систем, ко¬
торые ищут возможности гибкого расширения своей деятельности и
уменьшения сроков внедрения. В действующую сеть Интелнет могут
быстрее вводиться дополнительные земные станции (по мере их посту¬
пления и установки), таким образом давая возможность расширения
службы при необходимости. Сети с использованием недорогих ЗС могут
обеспечить интерактивное обслуживание с помощью терминалов, имею¬
щих небольшие антенны. Самые малые терминалы работают только на
прием. Дополнительные возможности Интелнет заключаются в том, что
перевозимые ЗС могут обеспечить как речевую связь, так и передачу
данных на скоростях передачи вплоть до скоростей, соответствующих
стандартам Т1 или СЕПТ.
Сети У5АТ используются в Интелнет на лизинговой (арендной) ос¬
нове, для внутренней аренды, а также аренды многократного пользова¬
ния. Все три указанные услуги основаны на аренде ширины полосы, ко¬
торую определяет пользователь, исходя из качества обслуживания. Это
отличает их от служб, основанных на предоставлении несущих, таких
как 1В8 или ШК., где емкость продается порциями с пропускной способ¬
ностью 64 кбит/с и имеет гарантированный уровень характеристик.
52
ЕВТЕЛСАТ
Спутники Еи1е1$а1 имеют ряд модификаций, определяемых их на¬
значением, которые, как и в ИНТЕЛСАТ, различаются по числу и пара¬
метрам транспондеров, зонам обслуживания и т. д. СР Еи(е1аа( в каждой
позиции на ГСО (табл. 03.3) имеют значительное количество стволов-
транспондеров, отличающихся антеннами и выходной мощностью пе-
Таблица 03.3
Модель КА
Точка стояния,
град в.д.
Дата запуска
Тин ракетоносителя (РИ)
Е11ТЕЕ5АТ 11 -Р1
15,5
30 август, 1990
Анапе 4 \’38
Е1ГГЕЕ5АТ 11-Е2
48,6
15 январь, 1991
Анапе VI1
Е1)ТЕЬ5АТ 11-ЕЗ
21,7
7 декабрь. 1991
А(1аь2,А(.' 102
ЕЕ1ТЕЦ5АТ И-Е4
10,2
9 мюль, 1992
Анапе У51
НОТВ11Ш- 1
13,0
28 март, 1995
Анапе
НОТВПШ-2
13,0
21 ноябрь, 1996
АЙаз 2А
НОТВПШЗ
13,0
2 сентябрь, 1997
Анапе 4
НОТ ВПШ 4
13,0
27 февраль, 1998
Анапе У106
НОТВПШ5
13,0
9 октябрь, 1998
Ас1аз НА
Е1ГТЕЕ5АТ\М2
16,0
5 октябрь, 1998
Анапе 4
Е1ГГЕЕ5АТ \УЗ, 6
7,0; 21,5
12 апрель, 1999
Ас1аз 2
ЕЕ1ТЕЕ8АТ Ш
36,1
24 май,2000
АЙаз ЗА
Е11ТЕЕ5АТ \У1К.
10,1
7 сентябрь 2000
Анапе 4
5Е5АТ 1
36,0
18 апрель,2000
РгоСоп-ОМ
ЕШЮВПШ 1
28,5
8 марта 2001
Анапе 5
АТЦВ1К0 2
19 з.д.
25 сентябрь 2001
Анапе 4
АТЬВНШЗ
5 з.д.
5 июль 2002
Анапе 5
НОТВПШ6
13
21 август 2002
АНаз 5
АТЬ В1КО 1
12,4 з.д.
28 август 2002
Анапе 5
Е1ГГЕЦ5АТ У/5
70,5
20 ноябрь 2002
Оека 4
ЕШЮВПШ
33,2
27 сентябрь 2003
Анапе 5
5Е5АТ2
53
29 декабрь 2003
Ргосоп-ОМ
ЕЕ1ТЕЕ5АТ \МЗА
7
16 март 2004
РгоСоп
НОТ ВПШ7А
13,0
11 март 2006
Анапе 5
НОТВНШ8
13,0
5 август 2006
РгоЮпМ-ВМ
53
редающих устройств, т. е. ЭИИМ, добротностью приёмных устройств,
рабочими полосами частот [27].
Самая первая серия спутников — ЕиШза^-1 была разработана компа¬
нией ВпШЬ Аегозрасе в кооперации с другими европейскими компания¬
ми в 1983 г. Запуск первого КА Еи(еШ-1Е1 осуществлен 16 июня 1983 г.
с помощью РН АШАЫЕ-1 с космодрома Коигои (Французская Гвиана)
и спутник выведен в точку стояния 13° в.д. Однако через 15 месяцев он
прекратил свое существование. Второй КА этой серии был запущен 4 ав¬
густа 1984 г. и выведен в ту же точку стояния. Серия спутников Еи1е1$а1-
1 включала пять КА. Запуск третьего 16 сентября 1985 г. был неудач¬
ным (взрыв третьей ступени РН АШАНЕ-3). Последний КА этой серии
ЕШе1за1-1Е5, был выведен на геостационарную орбиту в июле 1988 г. в
точку стояния 21,5° в.д. и впоследствии переведен в точку 12,5°з д. в фев¬
рале 1999 г.
Разработка второй серии спутников ЕиШза^-П началась в мае 1986 г.
после заключения контракта между организацией ЕВТЕЛСАТ и Ев¬
ропейским консорциумом АегозраПа1 (включает в себя компании Анг¬
лии, Франции, Германии, Бельгии, Швеции, Италии, Испании). Серия
Еи1еЬа1-11 существенно отличается от предыдущей. Первый запуск КА
серии осуществлен 30 августа 1990 г. Последний КА этой серии был
потерян после взрыва третьей ступени РН АШАИЕ-44ЕР (24 января
1994 г.).
Спутник ЕиШааЬ-Н имел 7 транспондеров с полосой пропускания
72 МГц и 9 - с полосой 36 МГц. Мощность передатчика каждого ство¬
ла — 50 Вт. Шесть широкополосных транспондеров постоянно рабо¬
тали в диапазоне 10,95-11,2 ГГц, четыре узкополосных — в диапазоне
12,5 — 12,75 ГГц, а еще шесть — пять узкополосных и один широкополос¬
ный — могут независимо переключаться из диапазона 11,45-11,7 ГГц в
диапазон 12,5—12,75 ГГц и обратно.
Прием и передача сигналов осуществляются двумя антеннами, услов¬
но названными «восточная» и «западная», работающими каждая с двумя
ортогональными поляризациями. На прием все стволы подключены к
восточной антенне в режиме широкого луча, формирующего зону с об¬
щеевропейским охватом. В зависимости от положения переключателей
формируются два вида лучей на передачу: 1) широкий, с европейским
покрытием и средней ЭИИМ, составляющей (44-46) дБВт на всей тер-
ригории Европы, 2) узкий («суперлуч»), охватывающий Центральную
Европу и подключенный к широкополосным стволам-транспондерам с
горизонтальной поляризацией и ЭИИМ (50-52) дБВт (стволы 20, 21,22,
34). Основные параметры первых КА ЕиШза{ приведены в таблице 03.4.
54
Таблица 03.4
Параметр
Е1ГГЕ 1.5 АТ-1
Е1ТЕБ5АТ-П
Число антенн
Две приемные, четыре
передающие
Передающая, приемо-пе¬
редающая
Зона обслуживания
Широкие эллиптические
лучи
Широкий и узкий кон¬
турные лучи
Перераспределение стволов по
зонам обслуживания
Нет
Есть
Максимальная ЭИИМ ствола,
дБВт:
широкий луч
узкий луч
41
45
46 48
51 53
Выходная мощность ствола, Вт
20
50
Число рабочих стволов
10
16
Мощность СБ в конце срока
службы, Вт
834
3013
Срок службы, лет
7
9
Масса КА, кг:
при запуске
на орбите
1185
680
1712
1038
Габаритные размеры КА, м
2,5 х 2,5 х 2,5
2,8 х 2,0 х 2,5
Размах солнечных батарей, м
13,8
22,7
В 1995 г. КА ЕиЬе1за1-Н получили название Но{ ВгЫ. В марте 1995 г.
в позицию 13° в.д. на ГСО был выведен первый из них. Во избежание
взаимных помех 16 стволов нового спутника занимают полосу частот
11,2—11,53 ГГц, не выделенную в свое время для Еи(еЬа(-Н-Р1. Отличи¬
тельной особенностью КА Но1 ВЫ явилась специально разработанная
передающая бортовая антенна с лучом, обеспечивающим широкую зону
обслуживания на востоке. В 1996 и 1997 гг. в ту же позицию 13° в.д. были
запущены спутники Но1ВШ2 и 3, соответственно. Эти СР, как и преды¬
дущие ЕиШзаЬ-Н, имеют два луча — широкий и «суперлуч».
В 1998 г. в ту же точку был выведен НоС ВгЫ4 с 20 стволами на борту.
Из них 13 работают в диапазоне 10,7—10,95 ГГц, используемом в настоя¬
щее время только на КА Л$1га. В том же 1998 г. в позицию 13° в.д. был
выведен Но1 Вггй 5. На двух этих КА, как и на последующих, установ¬
лен блок цифровой обработки с мультиплексором 5кур1ех, позволяю¬
щим объединять на борту в общий поток отдельные цифровые пакеты,
передаваемые различными ЗС на участке вверх. В 2002 и 2006 гг. в той
же точке добавились еще три К А Но(ВЫ~ 6, 7А и 8.
55
Таким образом, с конца 1998 г. в точке 13° в.д. образован кластер, и
котором одновременно работают по 5 —6 СР семейства НоСВггс!, трансли¬
рующие сегодня свыше 1100 цифровых телеканалов (на домашние при¬
емники (ОТН) через антенны типа «суперлуч» и на телерадиовещатель¬
ные центры через широкие лучи) для более чем 120 млн пользователей
Европы, Сев. Африки, Среднего Востока, а также западных районов РФ,
ОАЭ и пр. Однако, и это «сообщество» европейских широковещательных
СР вместе с консорциумом ЕВТЕЛСАТ продолжает расширяться, при¬
влекая все больше клиентов из различных регионов, причем не только
Восточного, но и Западного полушария.
Так, начиная с некоторого времени (2001—2003 гг.) для обслужива¬
ния преимущественно Центральной и Западной Европы на основе КА
НоС ВгЫ появилась серия спутников под названием Еиго ВгЫ. Им были
выделены специальные позиции на ГСО: 28,5°, 25,5°, 33°, 4° и 9° в.д. с це¬
лью расширения клиентской базы в Европе, дополнительно к КА в точке
13° в.д. Для этого спутники НоЬВхгДЗ, НоЬВггй 5 были переведены в по¬
зиции 4° и 25,5° в.д. под названиями Еиго ВгЫ 4, Еиго Вггй 2, а в осталь¬
ные точки запущены три новые КА: Еиго Вггс11, 3 и 9 (табл. 03.3) с числом
транспондеров Ки диапазона, равным 24, 20 и 20, соответственно.
Кроме того, в ЕВТЕЛСАТ появилось семейство из 4-х КА под назва¬
нием АЫапйс Вггс11—4, в позициях ГСО 12,5°, 8°, 5°, 7° в.д., соответствен¬
но. Указанные спутники предназначены, в основном, для обеспечения
межконтинентальной широкополосной связи (вещание, мультимедиа и
пр.) Европа — Америка, но имеют широкие функциональные возможно¬
сти для взаимодействия между любыми зонами покрытия и их комби¬
нациями. Антенны этих СР, подобных Но1 ВШ, имеют широкие, узкие
и перенацеливаемые лучи, а также достаточное число стволов (15 —20),
причем и С-диапазона (АйапИс Вт13), необходимых для образования
клас теров и обслуживания, в частнос ти, Панафриканских стран, Сред¬
него Востока и Карибского бассейна.
Несколько ранее (в конце 90-х гг. прошлого столетия) в особую
группу «флота» ЕВТЕЛСАТ были выделены СР 8еза1: (ЗФепа-Еигоре
ЗаСеПйез), предложенные для обслуживания новой для консорциума
Евро-Азиатской зоны — от Атлантики до Дальнего Востока, включая
Африку и Центральную Азию. Эти спутники созданы российским НПО
прикладной механики им. М.Ф. Решетнева (космическая платформа) со¬
вместно с А1саЫ Зрасе (полезная нагрузка) и выводятся на ГСО с помо¬
щью РН ПРОТОН. Первый из них (табл. 03.3), запущенный в 2000 г. в
точку стояния 36° в.д. (общую с одним из других КА компании ЕВТЕЛ¬
САТ), имеет 18 стволов-транспондеров, 6 из которых могут подключать-
56
Таблица 03.5
Параметры
ПОТ ВПШ
2
НОТ В1 КО
3
НОТ ВПШ
6
НО Г В1КН
7А
НО Г В1КН
8
Рабочий диапазон
частот, ГГц:
передача
прием
11,55-12,1
13,85-14,0
17,3-17,7
10,75-12,75
13,85-14,0
17,3-17,7
19.7- 20,2
10.7- 11,2
11.4- 11,7
12.5- 12,75
10,7-12,75
Число рабочих ство¬
лов
20
20
32(28+4)
(Ки +Ка)
38
64
Мощность энергопи¬
тания КА(СБ) в конце
срока службы, Вт
5600
5600
9000
10 000
14 000
Срок службы, лет
12
12
12
15
15
Масса КА, кг:
при запуске
на орбите
2900
1150
2700
1150
3800
4100
1740
4900
Масса полезной на¬
грузки, кг
680
900
1200
1350
2160
Энергопотребление
РТР, Вт
4250
4900
7400
7600
11 200
Максимальная
ЭИИМ.дБВт:
широкий луч
узкий луч
52
56
52.5
56.5
53
56
53
53
Выходная мощность
ствола, Вт
120
120
115,130
110
90
Добротность ствола
(С/Т), дБ/К
в максимум
на границе зоны
0
-7
-4
-11
-3
-12
-4
-4
ся к различным широким или узким (перенацеливаемым) лучам и ра¬
ботать либо внутри лучей, либо перераспределять нагрузку между их
зонами покрытия (указанными регионами). Второй, более мощный по
энергопараметрам, КА 5еаа12 выведен в точку 53° в.д. (2003 г.), содер¬
жит 24 транспондера Ки-диапазона с высокой ЭИИМ и используется
двояким образом: на базе аренды российской компанией части емкости
(12 стволов) у ЕВТЕЛСАТ, либо в непосредственно в составе российской
орбитальной группировки под названием Экспресс ЛМ22.
Основные технические характеристики КА, создаваемых на базе
рассмотренных спутников серии Но( Вггс1 представлены в таблице 03.5.
Некоторые параметры К А 8е$аХ приведены в табл. 03.6.
57
Таблица 0.3.6
Параметр
Сесат 1
С есат2
Масса спу тника на орбите
2550 кг
2770
Минимальный срок службы
10 ле г
12 .чет
Число стволов
18
24
Диапазон частот на линии вверх
14 ГГц
14
Диапазон частот на линии вниз
И ГГц
11
ЭИИМ в зоне покрытия, дБВт
41-47,4
42-52
Выходная мощность ствола, Вт
87
103
Добротность ствола (С/Т), дБ/К
+4
+7
в максимум
-3
+4
на границе зоны
Послоса пропускания ствола, МГц
72
54
Два луча:
от Западной Бироны
Б в рои ей с к ий контур,
фиксированный широкий
до Байкала
перенацеливаемый
узкий
перепацел иваемый
В ближайшее время ожидается также появление в точке кластера
(пе^ЬЬоигЬооб) 13° в.д. еще двух больших КА высокой мощности - Но1
Вггс! 9 и 10, по крайней мере, один из которых способен резервировать
транспондер любого из КА, находящегося в этой позиции ГСО.
На смену КА серии ЕиЬеЫаЬ-Н пришли спутники новой генерации —
серии, обозначаемой XVи ориентированной, прежде всего, на услуги теле-
и радиовещания под эгидой ЕЕШ (Еигореап ВгоабсазНп^ Т_1пюп),а также
многих ведущих европейских телеканалов, таких, как ВВС, К.ешег8, ЭРА
и др. КА этой серии (XVI—МЛ>) отличаются высокой гибкостью при пере¬
распределении нагрузки между лучами бортовых антенн, среди которых
появились перенацеливаемые лучи (ПЛ), имеют высокие ЭИИМ и разно¬
образные зоны охвата. СР серии XVработают, главным образом, в диапазо¬
не Ки, с пропускной способностью транспондеров, увеличенной на 50%.
Расчетный срок службы спутников серии XV превышает 12лет. На
ряде этих СР также установлены и начали осваиваться в летных усло¬
виях транспондеры диапазона Ка (миллиметровых волн).
Первый спутник XVI (10° в.д., запущен в 2000 г.) оснащен 24 ство¬
лами-транспондерами с полосой частот по 72 МГц. Спутники 1К2, №3
(16° в.д. и 7° в.д., запущены в 1998—99 гг., в 2004 г. в точку 7° в.д. вы¬
веден ^ЗА) имеют транспондеры с шириной полосы частот 72 МГц и
36 МГц. Как и ряд спутников НоЬВггА, СР серии V/имеют ПЛ бортовых
антенн: два на XVI и по одному на №2, ХЗ/З, У/4. Каждый из лучей может
направляться, независимо от остальных, в любую точку земной поверх-
58
Таблица 03.7
Параметр
Е11ТЕБ5АТ
XV1
ЕиТЕБЗАТ
Е1ГГЕЕ5АТ
XV 3, \У6
Е1ГГЕБ5АТ
\\М
Общее кол-во стволов
24
34(27)
34(28)
32(31)
Диапазон частот СР, ГГц
(линия КА-Земля)
10,95-11,70
12,50-12,75
10,95-11,70
12,50-12,75
10,95- 11,70
12,50-12.75
11.70 -12,50
(РСС)
Кол-во стволов
24
21
13
21
13
19
6
6
Ширина полосы частот,МГц
72
36
72
36
72
33
33
33
Мощность энергопитания
КА (СБ) в конце срока, Вт
5840
5840
5840
5840
Срок службы, лет
12
12
12
12
Масса КА, кг:
при запуске
на орбите
2700
1680
2700
1680
2700
1680
3200
Масса полезной нагрузки,кг
580
695
Энергопотребление РТР, Вт
4800
4800
5050
5100
ЭИИМ, дБВт:
Фиксированный луч
Перенацеливаемый луч
40-47
42-52
40-49
42-52
40-47
42-52
40-45
42-52
47 - 52
42-52
Выходная мощность ствол а,
Вт
90
90
90
60
85
Добротность ствола (С/Т),
ДБ/К
максимум
на границе зоны
-10
-3
-9
-1
-10
-3
-10
-5
-3
+2
ности в пределах зоны видимости. Все транспондеры присоединены к
антенне с широким фиксированным лучом (ФЛ) на линии вверх, каж¬
дый спутник имеет наборы стволов на обоих участках ЛСС, при этом
каждый ствол в отдельности может переключаться от ПЛ к ФЛ. В ре¬
зультате связь может быть обеспечена в пределах ФЛ, между ФЛ и ПЛ,
или между ПЛ.
Спутник Ш (36° в.д., запущен в 2000 г. и делит эту позицию с
8е$а1-1) оборудован 31 стволом-транспондером, 19 из которых под¬
ключены к антеннам российских зон покрытия, а 12 могут подклю¬
чаться на линии вверх либо к африканскому ФЛ, либо к ПЛ. На ли¬
нии вниз 6 стволов постоянно подключены к африканскому лучу, а
другие 6 — к перенацеливаемому. На этом СР компанией НТВ+ арен¬
довано 16 стволов.
В таблице 03.7. приведены некоторые данные по спутникам этой се¬
рии. В 2009 г. планируется запуск спутника 1Р7, который дополнит №4 и
59
полностью заменит 5еш1-1. Под эти цели 1Т7 будет иметь до 27 транспон¬
деров, а также еще 24 ствола с ФЛ и 12 — с ПЛ для НТВ в России. Сверх
этого на нем предусмотрено до 29 транспондеров для НТВ и мультиме¬
диа в Африке. Таким образом, этот СР будет иметь до 100 транспонде¬
ров [26, 27].
Виды сетей и организация связи в ЕВТЕЛСАТ
Спутники ЕиЫза1 обеспечивают поддержку общенациональных и
международных государственных служб электросвязи (телефон, теле¬
граф, телекс, факс, видеотекст, передача данных, ТВ и ЗВ), а также спе¬
циализированных служб (радионавигация, спутниковое радиовещание,
космические исследования, метеорология, аэрофотосъемка для иссле¬
дования природных ресурсов и пр.).
Трафик, обслуживаемый спутниками ЕиСеЬаС, включает:
— программы ТВ и ЗВ для кабельной сети и для непосредственно¬
го приема;
— программы сетей Евровидения и Еврорадио;
— каналы сбора новостей с помощью сну гни ков;
— каналы внутренней и международной телефонии;
— каналы передачи данных для выделенных сетей деловой инфор¬
мации.
Телевидение и радио для распределения
по кабелю и прямого приема
Стволы для трансляции телевидения и радио, как правило, сдают в
аренду на полное время. Каналы телевидения и радио в настоящее вре¬
мя передаются спутниками Еи1е1за1 для кабельной ТВ сети и для непо¬
средственного приема.
Непосредственный прием телевидения может производиться с по¬
мощью антенн диаметром 60—80 см. В настоящее время прием может
осуществляться в рабочей зоне широкого луча, который включает все
страны-члены организации ЕВТЕЛСАТ, а также страны Северной Аф¬
рики и Ближнего Востока.
Сети Евровидения и Еврорадио в рамках ЕСР. Европейский Союз ра¬
диовещания (ЕСР) использует с 1984 г. два ствола ЕиСеЬаЬ для ежедневных
обменов программами Евровидения, а с 1989 г. для службы Еврорадио.
С января 1993 г. ЕСР перевел свой трафик сети обмена программа¬
ми со спутников Еи1еЬа1-1 на четыре широкополосных ствола, подклю¬
ченных к широкому лучу Еи1е1за1-ПЕ4. Это позволило ЕСР обеспечить
передачу до шести цифровых каналов телевидения студийного качест¬
во
ва в сочетании со звуком, а также высококачественных радиопередач.
Благодаря расширенному охвату луча ‘’УЛбЬеат» Еи1еЬа1-11Е4, ЕСР смог
обслуживать всех своих членов в Европе, Северной Африке и на Ближ¬
нем Востоке.
Сбор новостей с помощью спутников. Новости собирают при помо¬
щи передвижных репортажных станций. Под управлением ЕВТЕЛСАТ
находится бюро резервирования, которое обеспечивает координацию
запросов на сбор новостей, а также запросов абонентов в режиме разде¬
ления по времени.
Внутренняя и международная телефония. Шес ть с тволов служат
для организации цифровой коммутируемой телефонной сл ужбы с пере¬
дачей информации через сеть, которая имеет более 20 земных станций,
распределенных по всей Европе.
Для эксплуатации общественных телефонных линий может преду¬
сматриваться аренда на все 100% времени занятос ти. Например, Испа¬
ния использует один ствол для организации сети передачи данных, Да¬
ния — для организации национальных телефонных линий совместно с
Фарерскими островами и т. д.
Выделенные сети. Пятнадцать стволов на ЕШеЬа1-11Р2, ЕЗ и Е4М
были закреплены за трафиком бизнеса. Различные варианты примене¬
ния включают в себя дистанционную печать, телеконференции с пере¬
дачей изображения, передачу данных, пожарную охрану, компьютерные
соединения и др. Пользователи связаны системой через общую антенну
(находящуюся, например, в пределах какого-либо телепорта) или через
индивидуальную, установленную на их объектах.
В процессе своего развития организация ЕВТЕЛСАТ осознала, что
при определенных потребностях в связи может понадобиться обеспече¬
ние прямого доступа пользователь — пользователь. Поэтому была разра¬
ботана спутниковая многоцелевая система (СМС), чтобы обеспечить ряд
цифровых служб электросвязи, включая сети связи пункта с пунктом,
пункта с многими пунктами и У5АТ, на всей территории Европы, как
на востоке, так и на западе. Эта система обладает высокой гибкостью и
дает возможность пользователям работать как в соответствии с общими
техническими требованиями ЕВТЕЛСАТ, так и создавать сети, приспо¬
собленные для собственных нужд.
Число сетей СМС измеряется сотнями, охватывая области от про¬
стых линий связи пункта с пунктом до полностью интерактивных сетей
У5АТ с центральными станциями. Размеры антенн варьируются в пре¬
делах от 0,75 м до более, чем 9 м, а скорость передачи информации — от
9,6 кбит/с до 2 Мбит/с. Сфера применения охватывает несколько дело¬
61
вых секторов, включая видеоконференции, телефонию, дистанционную
печать, распределение финансовых данных, связь между компьютерами,
распределение цифровых видео/звуковых сигналов. В службе СМС ЕВ-
ТЕЛСАТ осуществляет либо «розничную продажу» мощности и шири¬
ны полосы частот, либо продажу целых стволов-транспондеров или их
отдельных частей в службе т.н. цифровой аренды (О^Ееазе), предостав¬
ляя пользователям возможность управлять определенными ресурсами
мощности и ширины полосы частот.
Примеры национальных ССС
ИТАЛСАТ (Италия)
Электросвязь в Италии развивается в направлении создания интег¬
рированной цифровой сети. Около 70% узловых станций, все коаксиаль¬
ные и радиорелейные магистрали уже к 1993 г. были цифровыми. Кро¬
ме того, в 1994—1995 гг. введены в эксплуатацию волоконно-оптические
линии связи большой емкости. Полный переход па цифровые средства
передачи информации намечался к 2000 г. Предполагалось широкое раз¬
витие 15ЭК сетей.
Средством интеграции сетей электросвязи является специализи¬
рованный спутник с цифровой отработкой и коммутацией потоков на
борту. Наземные терминалы спутниковой системы в этих условиях яв¬
ляются составной частью общей сети электросвязи, что позволяет мак¬
симально гибко использовать возможности СР. КА ИаЬаЬ-Н был создан
по инициативе космического агентства Италии и успешно выведен на
геостационарную орбиту в 1991 г. в точку стояния 13,2° в.д. До 1993 г. СР
находился в экспериментальной эксплуатации.
Ретрансляционная аппаратура ИаЬа1-Р1, подключенная к многолуче¬
вым антеннам, обеспечивает работу наземных терминалов в составе нижне¬
го иерархического уровня общегосударственной сети. Это позволяет гибко
подстраиваться под изменение трафика и экономить пропускную способ¬
ность для развития и расширения сети 180И. Сети, которые поддержива¬
ются ретрансляционной аппаратурой с многолучевой антенной, обеспечи¬
вают передачу речи (скорость 32 Кбит/с), цифровых потоков (п ■ 64 Кбит/с,
где п < 30), видеоинформации (до 2 Мбит/с) и цифрового телевизионного
вещания (до 70 Мбит/с). Часть ретрансляционной аппаратуры работает че¬
рез антенну, формирующую луч е общим охватом территории Италии.
В целях проведения экспериментальных исследований в области
распространения радиоволн в регионах Европы на КА установлены
дополнительные ретрансляторы-маяки, излучающие сигналы на час¬
тотах 20, 40 и 50 ГГц. Второй КА Иа1$а1-Р2, запуск которого состоялся
62
Таблица 03.8
Параметр
На1аа1-Т1
НаЬаС Т2
Масса КА, кг:
при запуске
1867
1970
сухая
952
1008
Общее энергопотребление, Вт
КА
1690
1810
Полезная нагрузка
1171
1250
Минимальный срок активного сущест-
5
8
вования,лет
Потенциальная пропускная способ¬
ность СР, каналы по 32 Кбит/с
12 000
24 000
Основные технические параметры полезной нагрузки КА НаЫаЬ
Диапазон частот, ГГц: передача
прием
20
30
Ширина рабочей полосы частот луча, МГц
120
Пропускная способность луча, Мбит/с
147
Ширина ДН луча, град
0,4
ЭИИМ луча.дБВт
57
Добротность С/Т, дБ/К: в максимуме
16-18
на границе зоны
10
Число лучей
6
в 1996 г., отличается тем, что на нем дополнительно установлена аппа¬
ратура для организации подвижной спутниковой связи в Б-диапазоне
частот.
Один из транспондеров ИаЫа.1 работает в диапазоне частот 30/20 ГГц
и имеет многолучевую антенну, покрывающую семью лучами террито¬
рию Италии. Лучи антенны имеют пространственную развязку более
20 дБ. Их точность прицеливания поддерживается в режиме автосопро¬
вождения за счет формирования сигнала ошибки (отдельный четырех¬
рупорный облучатель) при приеме сигналов наземных маяков (рабочая
частота маяков 29 473 и 29 463 МГц) и передаче управляющих воздейст¬
вий на рефлекторы антенн. Бортовой ретрансляционный комплекс пре¬
дусматривает межлучевые связи.
Принятый на участке вверх информационный сигнал преобразует¬
ся на промежуточную частоту 140 МГц и демодулируется. После реге¬
нерации сигналов и их адресации осуществляется модуляция (()Р5К),
распределение потоков по лучам и преобразование в ответный сигнал
диапазона 20 ГГц.
63
Для общего охвата территории Италии в состав СР включен отдель¬
ный ствол, работающий на приемопередающую антенну с шириной ДН
1,06х 1,55° и не имеющий аппаратуры обработки сигналов. Входной
сигнал в диапазоне частот 30 ГГц переносится в промежуточный диа¬
пазон частот 12 ГГц, после чего преобразуется в диапазон 20 ГГц. Ан¬
тенна (размер раскрыва 0,66x0,88 м) выполнена по однозеркальной
схеме и формирует один луч с вертикальной поляризацией для приема
и передачи.
ТЕЛЕКОМ (Франция)
Программа создания системы спутниковой связи Те1есот-1 была раз¬
работана в 1979 г. по инициативе правительства Франции. Образование
национальной системы диктовалось необходимостью увеличения объ¬
емов связи между Францией и ее заморскими территориями, а также
создания системы связи (независимой от общедоступных сетей) в ин¬
тересах армии Франции, и самое главное —необходимостью создания и
развития цифровых сетей связи на территории страны.
Первый КА ТЕЬЕСОМ-1А был выведен на геостационарную орби¬
ту в августе 1984 г. В интересах армии он включал в себя специальную
ретрансляционную аппаратуру Зугасизе (диапазон частот 8/7 ГГц). По¬
следующие К А типа Те1есот-1 были выведены на орбиту в мае 1985 г.
(Те1есот-1В) и в марте 1988 г. (Те1есот-1С).
Таблица 03.9
Масса КА, кг:
при запуске
сухая
2180
1084
Масса полезной нагрузки, кг
484
Мощность солнечных батарей, Вт
3500
Размах солнечных батарей, м
22
Рабочий диапазон частот, МГц:
14000-14500, 7900-8395,
прием
5925-6425,12500-12750,
передача
7250-7745,3700-4200
Число стволов: Ки, X, С- диапазоны
11,5, 10
Выходная мощность стволов, Вт: (Ки, X, С-)
50, 20 и 40, И
Полоса пропускания ствола, МГц: Ки-диапазон: 11
стволов
36
X-диапазон: 1 ствол, 3 ствола,1 ствол
60,40,80
С- диапазон: 6 стволов, 4 ствола
50,92
64
Новая серия КА Те1есот-2 предназначена для плановой замены
Те1есот-1. Пропускная способность СР Те1есот-2 увеличена почти в 4
раза. В настоящее время действуют КА серии Те1есот-2, выведенные в
1995—96 гг. в точки 3° в.д., 5° и 8° з.д.
Головная компания по созданию КА Те1есот-2 А1сасе1 Езразе. Все
спутники созданы компаниями МаНа и А1саге1 Езразе и оснащены
ретрансляционной аппаратурой Зугасизе-П. Основные параметры КА
серии Те1есот-2 приведены в таблице 03.9.
Отметим, что КА Те1есот 2С (3° в.д.) и Те1есот 20 (8° з.д.) эксплуати¬
руются организацией ЕВТЕЛСАТ, обслуживая северные районы Фран¬
ции и франкоговорящее население в регионах Европы.
03.2. Орбитальная группировка
и сети спутниковой связи в России
Текущее на февраль 2009 г. сос тояние российской спутниковой груп¬
пировки КА ФСС и РСС представлено в таблице 03.10.
Как следует из таблицы, суммарное число стволов национальной
космической группировки, исходя из эквивалентного (одному ство¬
лу) значения полосы 36 МГц на отдельных СР, составляет 419. В пе¬
ресчете к настоящему времени Россия имеет практически 3 ствола
на миллион населения, что ниже аналогичного показателя в США и
Европе.
В целом развитие спутниковой связи общего (коммерческого) при¬
менения происходит эволюционным путем. Считается, что параметры
полезной нагрузки СР серий Экспресс-АМ, приведенные в таблице 03.11
[12], должны находиться в соответствии с задачами удовлетворения по¬
требностей населения в распределении общегосударственных, регио¬
нальных, местных и коммерческих программ телевидения и звукового
вещания, а также развития сетей передачи данных, Интернета, органи¬
зации мультисервисной связи через земные станции У5АТ.
В сентябре 2004 года был подписан контракт на изготовление двух
спутников связи — Экспресс-АМЗЗ и Экспресс-АМ44. Заказчиками КА
выступают Минкомсвязи России, Федеральное космическое агентство
(Роскосмос) и ФГУП «Космическая связь». Головным подрядчиком по
созданию спутников является ОАО «Информационные спутниковые
системы им. академика М.Ф. Решетнева». Полезная нагрузка для них
создается компанией ТЬакз А1еша Зрасе. КА Экспресс-АМЗЗ и АМ44 —
это шестой и седьмой спутники серии АМ, которые ОАО ИСС создает
по заказу упомянутых организаций.
65
Таблица 03.ю
№
Позиция
на ГСО
КА
Количество стволов по ТУ
1
ФСС
РСС
Всего стволов
4/6
11/14
0,7/6
12/17
Фи-
зич.
Экви в.
1
14° з.д.
Экспресс-А4
14
5
19
Тэ
2
11° з.д.
Экспресс-АЗ
12
5
17
17 '
3
11° з.д.
Экспресс-АМ44
10
16*(24)
26
34 ‘
4
36° в.д
Евтелсат-\\^4
16
16
16
5
40° в.д.
Экспресс-АМ1
16
12 *(18)
28
34
6
49° в.д.
Ямал-200
18(36)
18*
36
7
53° в.д.
Экспресс-АМ22
24*(36)
24
36
8
55° в.д.
Ямал-302
12*(24)
12
24
9
56° в.д.
Бонум-1
8
8
8
10
80° в.д.
Экспресс-АМ2
12+4*(8)
12*(18)
28
38
И
80° в.д.
Экспресс-МД1
8
8
8
12
90° в.д.
Ямал-200
8*(18)
6*(12)
15
30
Ямал-301
8*(16)
6*(12)
14
28
13
96,5° в.д.
Экспресс-АМЗЗ
10
16*(24)
26
34
14
99° в.д.
Экран-М
2
2
2
15
103° в.д.
Экспресс-А2
12
5
17
17
16
140° в.д.
Экспресс-АМЗ
12+4*(8)
12*(18)
28
28
Итого (по диапазонам частот)
192
201
2
24
306
419
Итого (по службам)
393
26
-
419
"“Стволы с полосой пропускания 54/72 МГц. В скобках — число эквивалентных стволов
в пересчете на полосу 36 МГц
Сети спутниковой связи с малыми земными станциями
Создание сетей с малыми земными станциями (прежде всего, класса
У5АТ) в России стало новым шагом в развитии ССС на основе мощных
стволов СР, повышения чувствительности приемных устройств, приме¬
нения эффективных методов модуляции, кодирования и многостанци¬
онного доступа.
Наиболее широко станции типа У5АТ применяются сегодня для ор¬
ганизации:
66
— выделенных корпоративных и ведомственных сетей с предостав¬
лением широкого спектра интегрированных, в том числе муль¬
тимедийных, услуг;
— связи с удаленными абонентами и подключения их к сети общего
пользования (ТФОП) в крупных административных центрах;
— обеспечения оперативной связи в чрезвычайных ситуациях.
Сегодня ЗС УЗАТ предоставляют не только услуги телефонии и
передачи данных, но и позволяют принимать НТВ, обеспечивать инте¬
рактивный доступ в Интернет, работать в режимах интегрированного
сервиса. В России, в связи с отсутствием развитых телефонных сетей,
исторически распространено использование станций с антеннами диа¬
метром до 4 м (которые часто относили к категории УЗАТ) для создания
линий связи в удаленных районах, местной и внутризоновой связи. В то
же время, в связи с достаточно высокой стоимостью спутниковых линий
(в том числе аренды даже части спутникового ствола), а также наличием
двух скачков в ЛСС, приводящих к ухудшению качества телефонного
обмена, наблюдается тенденция использования сетей УЗАТ в большей
степени для передачи данных. Хотя при этом часто используется аппа¬
ратура мультиплексирования, например, разработки фирм Слзсо, Ые^
Впс1§е, когда на одной несущей методом временного уплотнения пере¬
даются и данные, и телефония.
Появление двух скачков при сопряжении сетей Единой системы
электросвязи страны (ЕСЭ) является следствием ее иерархической
структуры — деления на магистральную, зоновые и местные сети. Если
линия связи между селом и городом организуется с помощью спутни¬
ковых каналов, в обход телефонной станции, нарушается нумерация.
В данном случае задача решается с применением электронных АТС, в
программном обеспечении которых могут быть заложены все необходи¬
мые варианты соединений населенных пунктов, причем с учетом осо¬
бенностей среды распространения, например, задержки на спутниковых
линиях. Однако такие АТС в российской глубинке, где есть большие
потребности в спутниковой связи, практически отсутствуют. Подобные
проблемы требуют специального рассмотрения разработчиков и проек¬
тировщиков ССС.
В то же время при построении выделенных сетей УЗАТ могут приме¬
няться собственные принципы коммутации и сигнализации, создается
свое программное обеспечение, т. е. определенные трудности, связанные
с сопряжением, снимаются. Это является одной из причин более широ¬
кого распространения УЗАТ в корпоративных сетях связи. Таким обра¬
зом, на территории России наибольшее количество зарегистрированных
67
Параметры
АМ22
(53° в.д.)
АМ1 (40° в.д.)
АМН ~~1
(96,5° в.д.)
Ки
Ки
с
ь**
Ки
Рабочий диапазон частот,
МГц:
-Земля-КА
13750-14500
14000-14500
5925-6475
1637,9110,25
14250-14500
6084,32±0,25
1652,3710,25
-КА-Земля
10950- 11200
10950-11200
3650-4150
1536,41+0,25
10950 11200
11450-11700
11400-11700
3758,62±0,25
1543,7010,25
12500-12750
— маяк
11200
11199,75
3800
-
11200
Число активных стволов
24
18
9
1
4
Ширина полосы частотство-
ла, МГц (число стволов)
54
54
36
0.5
54
Выходная мощность иередат-
чика, Вт (число стволов)
103,5
95
48 (8),
30
120
120(1)
Максимальная ЭИИМ.дБВт:
—луч 4°х4°, иеренацел.
52
-
-
-
-
— луч 3,5°х7°, иеренацел.
50
-
-
-
51
- луч еврои. узкий, контур.
50
49
-
-
— луч европ. широк., кон г.
48
47
-
-
-
— луч российский, контур.
-
-
431
-
- луч индийский, контур.
-
48
-
~
-
— луч глобальный
-
-
зг
29
-
— маяк
12
9
9
-
12
Максимальная С/Т, дБ/К:
— луч 4°х4°, иеренацел.
+6
-
-
-
-
— луч 3,5°х7°, иеренацел.
+5
-
-
-
+5
— луч европ. узкий, контур.
+6
+5
-
-
-
- луч еврои. широк., копт.
+4
+3
-
-
-
— луч российский, контур.
-
-
+4
-
-
— луч индийский, контур.
-
+6
-
-
-
— луч глобальный
-
-
-10
-12
-
Тим поляризации
— передача
Х/У
Х/У
КС
КС
Х/У
— прием)
У/Х
У/Х
ьс
IX
-
Примечания.
1) частоты С- и Ки-диапазоиов указаны с точностью до 1 МГц, для Б-диапазона с точностью до
0,01 МГц;
2) ЭИИМ и С/Т для лучей с контурной диаграммой направленности указаны в точках локальных
максимумов.
*ЭИИМ на 3-4 дБ больше указанного значения при подключении 6-го ствола.
•^Параметры ствола Ь-диапазона на спутниках Экспресс-АМ2, 3 аналогичны и в таблице не иоказа-
п ы
68
Таблица 03.11
АМ11
(96,5° в.д.)
АМ2 (80° в.д.)
АМЗ (140° в.д.)
С
Ки
с
Ь
Ки
с
ь
5775 -6525
14000-14500
5775-6525
1637,91±0,25
14000-14500
5775- 6525
1637,91 ±0,25
6084,32±0,25
6084,32±0,25
1652,37+0,25
6084,32±0,25
1652,37±0,25
3450-4200
10950-11200
3450-4200
1536,41±0,25
10950-11200
3450-4200
1536,41 ±0,25
3758,62±0,25
11450-11700
3758,62±0,25
1543,70±0,25
11450-11700
3758,62+0,25
1543,70+0,25
3800
11200
3800
-
11200
3800
-
26
12
16
1
12
16
1
40
54
40 (12), 72(4)
0,5
54
40(12), 72(4)
0,5
40(10),
90(8),
60(11)
30
90(8),
60(11)
30
75(15),
140(4)
100(5)
140(4)
100(5)
110(1)
53
53
47,5
-
47
—
48,5
42/44/46
47/49
44/47
-
48/50
44/47
-
32*
_
32*
29
-
32*
-
9
12
9
-
12
9
-12
+6
+6
+3
+3
_
+3
_
+2
+4
+3
-
+4
+3
-10
-
-10
-12
-
-10
КС
Х/У
КС
КС
Х/У
КС
КС
ЬС
У/Х
ЬС
КС
У/Х
ЬС
КС
69
Оператор, системный
интегратор
Общ. кол.
ЗС
Технология
Начало
работы
Кол. ЦЗС *
Глобал-Телепорт (Синтерра)
11000
НЫЗ.СПа!
2007
4(М, НПП, X)
Сеть Телеком (Аке§го5ку)
3400
01гес\Уау
(НЫ5)
2005
4(МО,
Д.Х)
ЗАО Айпинет (1Р-№1)
2000
ОкесАУау
2000
1 (М)
ОАО Газком
314
52
ПУВ-КС5
Ыех1аг (ЫЕС)
2006
1999
1(МО)
1 (М)
ЗАО Московский телепорт
186
1П1гесТ
1992
1(М)
ООО РуСат
1000
БткЗиаг, 1лпк
\Уау (У1аза1)
2003
1(М)
Вэб Медиа Сервис (НеПоз№(:)
2973
ЫпкЗсаг
(У1аза1)
2000
1(М)
1(И)
Огап§е Визтезз Зетсез
850
5СР8
ТОМА (Ю1гесС)
1996
2005
19(М, И, X,...)
ЗАО Рэйс Телеком (5РШ™)
850
МР-ТОМА,
ЫпкЗсаг
2004
1(МО)
ОАО ЮСТТЕЛЕКОМ
700
01а1А\уау, 5ку
Еб^е, 5аШе1
2004
2(Д)
1(М)
ОАО КБ «Искра»
2194
01гес\Уау, 5СР
2004
2(К)
ЗАО Дозор Телепорт
350
Ш1гес1
2006-
2(М,П)
ГНУ Вузтелекомцентр
310
01гес\Уау4000
2004
2(М,П)
Современная гуман. академия
300
5ку51аг, 5куЕс1§е
2005
1(М)
Томский университет
200
01гес\Уау
2005
1(Т)
ООО Ройлком
150
Ыпкз^аг
2005
1(М)
ФГУП Морсвязьспутник
50
ОУВ-КС5
2006
1(М)
Условные обозначения: М — Москва; МО — Медвежьи озера; Д — Дубна; И — Иркутск;
К — Красноярск; ПП — Павлово-Посад; П — Санкт-Петербург; Т — Томск; X — Хабаровск
ЗС типа У8АТ приходится на долю коммерческих сетей (до 70%). Это, в
первую очередь, сети банковских (Банкир-1, 2, 3 ЦБ РФ) и ресурсо-до¬
бывающих компаний (ОАО «Лукойл», «Газпром» и др).
Как показывает анализ современного состояния дел с организацией
сетей У8АТ в регионах России, основными операторами и системными
интеграторами коммерческих сетей ССС являются ФГУП «Космиче¬
ская связь» (ГПКС), предоставляющее орбитальный ресурс, ЗАО «Гло-
балТелепорт» (группа компаний «Синтерра»), «Вэб Медиа Сервисез»
(НеНозКеГ), ОАО КБ «Искра», а также некоторые местные операторы.
Главная область применения сетей, создаваемых этими компаниями —
магистральная, зоновая, корпоративная связь с частичным охватом на¬
селенных пунктов уровня райцентров.
70
Таблица 03.12
Используемый ресурс
Распределение ЗС по феде
зальным округам
ЦФО
СЗФО
УФО
ДФО
ЮФО
11ФО
СФО
Экспресс-АМ 1,2,3
1430
880
1980
1430
880
4400
Экспресс-АМ1, 3,
Ямал-200
612
102
476
612
306
612
680
Ямал-201
600
80
160
60
140
660
300
Ямал-201
74
61
49
27
56
34
65
1-904, Ямал-201,
Экспресс-АМ2, 3
И
1
34
118
3
6
13
Ямал-200,
1п1е1за1;-904
190
200
150
30
160
80
190
Экспресс-АМ2, 3, 22
536
89
565
595
178
49
684
Экспресс-АМ1, 3
Ямал-200, N53
139
15
34
156
25
50
331
Экспресс АМ-22
162
51
136
229
51
221
Экспресс-АМ1, 2
14
7
14
532
14
119
Экспресс-АМ2
2194
Экспресс-АМ2
Ямал, 1У4, Бонум
Ямал-200
Ямал-100, 200
Ямал-200
Экспресс-АМ2
В настоящее время на рынке спутниковой связи России работает
около 30 операторов, внедряющих технологии УЗАТ. К 2005 году ими
эксплуатировалось порядка 1500 ЗС, но уже в 2008 г. их число прибли¬
зилось к 30 000.
Распределение самых крупных спутниковых операторов и исполь¬
зуемых ими технологий по федеральным округам РФ, согласно данным
из [13], приведено в табл. 03.12.
Показательными являются также данные по состоянию заявок на
получение частот для новых сетей спутниковой связи, поданных в ГКРЧ,
которые в целом характеризуют планы и возможности развития. Из них
следует, что спутниковая связь является привлекательной для многих
организаций и ведомств, которые находят или собираются изыскивать
71
средства для её внедрения. В заявках упоминаются самые различные
типы систем, как для сетей общего пользования, так и для выделенных
сетей связи, в том числе, например, несколько сотен ЗС для развития
сетей распределения программ звукового вещания. Вместе с тем, как
отмечается в материалах конференции «У5АТ Еогигп 2008», ресурс рос¬
сийской группировки СР исчерпан и не позволяет в полной мере удов¬
летворить запросы рынка практически до 2010 г. [20].
При этом надо отметить, что развитие спутниковой связи вообще
продолжает происходить в условиях жесткой конкуренции со стороны
волоконно-оптических линий. Операторы спутниковой связи, в силу
экономической необходимости, становятся и операторами ВОЛС, как
это, например, происходило с «Рустел» и «Телеросс». Однако оптиче¬
ский кабель все чаще доходит до городов, по одновременно повышаются
роль и удельный вес спутниковых технологий для организации связи
с более мелкими поселками, населенными пунктами, хозяйственными
объектами, т. е. на «последней миле».
В целом следует заключить, что сети У8АТ в России развивают¬
ся все же достаточно медленно. В мире число ЗС У5АТ составляет, по
разным данным, от 400 до 900 тысяч. Исследования российского рынка
показывают, что по объемам и потребностям резервы роста достигают
7—10% от мирового уровня. Решение проблемы активного разверты¬
вания ССС с сетями У8АТ в сельских и удаленных районах, на мест¬
ном уровне, в интересах широких слоев населения, производственных
и муниципальных структур, возможно одновременно с наращиванием
спутникового ресурса, при повышении платежеспособности пользо-
вателей-физических лиц, дальнейшем совершенствовании законода¬
тельной и нормативной базы, обеспечении государственной поддержки
и частичного финансирования из госбюджета, местных бюджетов для
корпоративных и муниципальных заказчиков, имеющих статус юри¬
дического лица.
Структура сетей У5АТ и их применение в региональных ССС
Как показала практика эксплуатации, структура сети является од¬
ним из самых важных показателей для выбора каналообразующей ап¬
паратуры, обеспечивающей предоставление каналов (закрепленных, по
расписанию или по требованию) при определенных методах многостан¬
ционного доступа, модуляции, обработки сигналов, т. е., в итоге, являю¬
щейся основой любой ЗС.
При работе ЗС между собой, в сети типа «звезда», но через централь¬
ную (региональную) станцию, время распространения из-за двух скач¬
72
ков достигает 0,6 с, что неприемлемо для телефонной связи, но допусти¬
мо для многих приложений, связанных с передачей данных.
В случае организации связи по схеме «каждый с каждым» имеется
возможность соединения за один скачок, а ЦЗС (или любая выделенная
станция сети) обеспечивает в данном случае только организацию вызова
и предоставления каналов. Задержка при этом уменьшается в два раза
и оказывается приемлемой для телефонной связи, других приложений.
Земные станции в этом случае известным образом усложняются.
На базе стволов, арендуемых операторами на геостационарных спут¬
никах Экспресс, Ямал, Еи1е1за1, созданы и развиваются региональные
распределительные ТВ-сети (Алтайский и Краснодарский край) и ре¬
гиональных сетей связи (Республика Татарстан, Чукотский АО и др.).
Определенная часть операторов У5АТ, главным образом, выделенных,
коммерческих сетей, завязана на зарубежный спутниковый сегмент и
имеет в этом плане долговременные контрактные отношения на выгод¬
ных условиях. На Чукотке строится сеть на базе станций У5АТ в коо¬
перации компании «Кросна» и ЛОНИИР. Сеть работает с предоставле¬
нием каналов по требованию (ПКТ), как и в Якутии, где также исполь¬
зована аппаратура ПКТ этого разработчика.
Во всех этих случаях ЗС устанавливаются на узлах, являющихся
транзитными, т. е. последующая доставка ТВ программ и каналов поль¬
зователям предусматривает применение наземных сетей (эфирных или
кабельных), что далеко не всегда реализуется, в особенности в горной и
труднодоступной местности.
В отдельных регионах — Башкортостане, Ханты-Мансийском АО,
Республике Якутия (Саха), Ямало-Ненецком АО, Самарской, Кемеров¬
ской обл. и др. — наблюдается процесс интеграции различных услуг
спутниковой связи (телефонии, передачи данных, доступа в Интернет,
телерадиовещания). Созданы интегрированные спутниковые (мульти-
сервисные) телекоммуникационные сети (СМТС) Дальневосточного и
Сибирского федеральных округов. В частности, в СМТС ДФО были ус¬
тановлены ЗС в нескольких пунктах Магаданской области и Корякско¬
го АО, построен ЦКС «Хабаровск», установлена ЗС в Петропавловске-
Камчатском.
Имеются немногочисленные примеры проектов по развитию Севера,
удаленных территорий, малых народностей, поддержанных.в свое вре¬
мя государством. В частности, могут быть указаны направления связи
в регионах, где невозможно организовать связь наземными средствами,
даже на ограниченных расстояниях: таможенный пункт Лотта—Мур¬
манск; Ловозеро—Краснощелье и Ловозеро—Сосновка в Мончегорском
73
районе Мурманской области; долгое время работавшие две линии связи
между Нарьян-Маром и Архангельском. В таких случаях берет на себя
расходы местное АО «Электросвязь» (пример с Ловозером). Причем из¬
вестно, что местные разговоры проходят бесплатно для населения, т. е.
доходов такие линии не приносят. Поминутные тарифы начисляются
при организации междугородной связи.
Компания «Телеросс» (в составе группы компаний «Голден Телеком)
работает на рынке спутниковой связи с 1991 года и спутниковые линии
организует в комплексе с наземными междугородными и международ¬
ными. Эта компания арендует целый ствол с шириной полосы 72 МГц
на КА ЫЫ$а1 (83° в.д.) и для населения, т. е. когда заказчиком выступало
АО «Электросвязь», было реализовано всего несколько проектов. Име¬
ется в виду организация внутризоновой связи между центром региона и
поселками, до которых наземными средствами практически подобрать¬
ся, либо это очень дорого. Так, например, компания «Телеросс» по зака¬
зу АО «Электросвязь» Хабаровского края построила две спутниковые
линии на базе технологии УЗАТ в поселках Аян и Чумикан. Это очень
небольшие населенные пункты, но связь гам (как и везде) необходима.
Подобные работы были проведены также в Архангельской области, на
Соловках, в Иркутской области. Сеть «Телеросс» включает 15 крупных
центров в больших городах России и эти региональные ЗС выполняют
функции центральных в зоновых сетях.
Планируют развитие своих сетей и другие операторы. Относительно
новой услугой, которую многие операторы предлагают, является доступ
в Интернет. Одним из первых таких операторов, является, например,
«Московский телепорт». «Ямал-Телеком» закупил оборудование для
развития спутниковой связи также на базе станций типа УЗАТ. В каче¬
стве каналообразующей аппаратуры предполагается использовать обо¬
рудование компании СПа! для передачи данных и низкоскоростной (во-
кодерной) телефонии.
На базе оборудования компании ИЕС и емкости ствола № 7 КА Экс-
пресс-А2 в точке 80° в.д. развернута собственная сеть ГПКС. Она имеет
смешанную топологию и соответствующую архитектуру, организована
под управлением ЦЗС в Дубне и обеспечивает связь ряда российских
регионов с Москвой (Чечня, Коми, Якутия, Архангельская и Мурман¬
ская области), а также небольшое число зональных сетей, работающих
как через ЦЗС, так и через узловые ЗС (в Якутии, Архангельской, Мур¬
манской обл.). ЗС УЗАТ имеют антенны диаметром от 2,4 до 4,8 м, мощ¬
ность передатчика 5 или 20 Вт, скорость передачи от 9,6 до 2048 кбит/с,
при основной скорости на прием/передачу 64/128 кбит/с.
74
Большая ССС Северо-Восточного региона («СВР») в составе 28 стан¬
ций создана НПО «Кросна» по заказу «Ростелекома» с участием обла¬
стных АО «Электросвязь». Сеть предназначалась для замены морально
устаревшей и выработавшей ресурс системы тропосферной связи «Се¬
вер». Она охватывает, в основном, областные и районные центры Якутии,
Чукотки, Магаданской обл., Красноярского края, Ямало-Ненецкого АО,
а также несколько менее крупных поселков. ЗС «Кросна-М-А,В,С» были
созданы для работы в С-диапазоне через стволы КА Горизонт (145° в.д.),
Экспресс-А2 (80° в.д.), Ямал (90° в.д.) и имеют размеры антенн от 2,5 м
(абонентские) до 4,8 м (узловые), а также 7 м (ЦЗС в г. Хабаровске). Стан¬
ции, предназначенные для работы в ТФОП, имеют скорости передачи 32
кбит/с (основной цифровой канал), 128—512 кбит/с (групповые потоки) и
комплектуются в основном отечественным оборудованием. В отдельных
типах ЗС использовались импортные модемы и мультиплексоры, но сей¬
час эти элементы освоены НПО «Кросна» и ТОО «РАДЭМС».
В Ненецком автономном округе (НАО) спроектирована сеть, состоя¬
щая из 33 станций УЗАТ (первая очередь 12 ЗС) производства СПа1 и
работающая через ствол КА Зе$а1. Она охватывает несколько зон с ма¬
лонаселенными пунктами, обеспечивая решение проблемы «последней
мили» при связи с абонентами ТФОП через узловую ЗС в г. Нарьян-Мар,
выход в междугородную телефонную сеть страны через ЦЗС ОАО «Ко-
минком» и связь между поселками НАО. Абонентские ЗС УЗАТ коллек¬
тивного пользования в населенных пунктах, построенные на базе обору¬
дования Рага \Уау, используют полносвязную архитектуру с технологией
БАМА, имеют антенны диаметром 2,4 м, передатчик мощностью 8 Вт,
обеспечивая передачу данных и речи со скоростями до 9,6—16 кбит/с.
Общий вес станции — 8,5 кг, энергопотребление — до 130 Вт.
Создание сети НАО — один из первых немногочисленных примеров
системного решения по оборудованию комплексов спутниковой связи с
предоставлением каналов по требованию на базе абонентских станций
коллективного пользования и доведением их до малонаселенных пунк¬
тов отдаленных районов и сельской местности в интересах населения, а
также совершенствования местного управления.
Таким образом, сети У8АТ использу ются для организации местной
и внутризоновой связи усилиями областных АО «Электросвязь» и опе¬
раторов-интеграторов. Из отечественных производителей потенциаль¬
ными возможностями изготовления и поставки аппаратуры для сетей
УЗАТ и, в комплексе, легких ЗС с антеннами до (1,5—2,5) м обладают
АО «Ижевский радиозавод», «Кросна», «Сабтел» совместно с ЛОНИИР.
Но они испытывают сильную конкуренцию со стороны ведущих зару¬
75
бежных фирм, таких, как ЫЕС, Ни§Ьез Ые^огк 5уз1;ет, СПаС, зарекомен¬
довавших себя на российском рынке и выпускающих легкое, дешевое и
надежное оборудование.
Следует иметь в виду, что суть большинства работ по реализации
сетей У5АТ состоит в предоставления телекоммуникационных услуг
в условиях относительно крупных населенных пунктов (уровня рай¬
центров) и на базе предварительно выполняемых проектов установки
стационарных ЗС в заранее выбранных (с использованием топографи¬
ческих и геодезических данных) местах, наиболее удобных с точки зре¬
ния связи через СР на ГСО. Тем самым целенаправленно учитываются
рельеф местности, другие особенности, препятствующие организации
линий прямой видимости через спутники на ГСО, т. е. априори устраня¬
ется или ослабляется их негативное влияние, и в первую очередь, при
относительно малых углах видимости СР (порядка 10°—20°), типичных
для многих регионов России. Для ряда телекоммуникационных прило¬
жений, прежде всего, мобильных, такой подход не приемлем.
76
4. СПУТНИКОВОЕ ТЕЛЕВИЗИОННОЕ
И ЗВУКОВОЕ ВЕЩАНИЕ
Современные спутниковые средства ФСС широко используются для
вещания и распределения программ ТВ и ЗВ (таблица 04.1). До 40% на¬
селения в мире может принимать по эфиру или кабелю ТВ программы,
получаемые со спутников. В России вторичное распределение программ,
принятых со спутника, осуществляется, в основном, через эфир, за ру¬
бежом, в особенности, в Европе, — по кабелю. Кабельным распределе¬
нием ТВ программ, в том числе принятых со спутника, охвачено только
около 2 млн россиян.
Между тем, при использовании ВЭО, благодаря видимос ти спутника
под большими углами с большинства приемных антенн, устанавливае¬
мых на крышах домов России, следует ожидать значительного возрас¬
тания (не менее, чем на порядок) числа пользователей — за счет намного
более простого и дешевого распределения каналов ТВ по внутридомовым
кабельным, либо беспроводным местным сетям в пределах ограниченной
территории удаленных и труднодоступных населенных пунктов.
Для организации распределения и вещания ТВ программ исполь¬
зуются СР, работающие в плановых диапазонах частот радиовещатель¬
ной спутниковой службы (РСС) в районе 12 ГГц, в диапазоне частот
620 —790 МГц и в координационных диапазонах ФСС в соответствии с
международным Регламентом радиосвязи.
Резкому увеличению числа передаваемых программ в мире способ¬
ствовал переход на цифровые методы обработки и передачи видео- и ау¬
диоинформации. В частности, в странах Западной Европы этот переход
произошел очень быстро и в настоящее время объем аналогового теле¬
видения там примерно в 15—20 раз меньше, чем цифрового. При задейст¬
вовании 30 многоствольных КА в Европе на сотню каналов аналогового
ТВ вещания (в среднем по одной программе в стволе) приходится поряд¬
ка 1500 программ цифрового ТВ, передаваемых пакетами до 8 программ
на каждой несущей.
В России через спутники ГПКС и ОАО «Газком» распределяется до
80 программ коммерческого ТВ и примерно столько же — государствен¬
ного и регионального ТВ. Примерно поровну число ТВ программ делит¬
ся между спутниками, относящимися к ФСС и РСС. Потенциальные
возможности космического сегмента, существующего и перспективного,
составляют сотни программ в цифровом виде.
В настоящее время российские федеральные программы распреде¬
ляются в пять временных поясов аналоговыми и цифровыми методами.
77
При этом следует учесть, что все еще многие из них передаются в анало¬
говом виде, занимая целый ствол СР, т. е., в пределе, до 10% пропускной
способности спутниковой группировки. Коммерческие ТВ программы
в основном передаются цифровыми методами.
К 2005 году все пять передающих ЦЗС ФГУП «Космическая связь»
были подготовлены для передачи сформированных цифровых паке¬
тов федеральных программ через соответствующие спутники связи.
В соответствии с программой запусков КА гражданского назначения
обеспечена возможность распределения всех пяти пакетов для терри¬
тории России и двух — на зарубежные российские станции в системе
Москва-Глобалъная. На земную сеть поставляются одно-, двух- и трех¬
программные станции спутникового приема цифровых сигналов 1-го и
2-го класса. Приемники первого класса имеют резервирование, снабже¬
ны двумя видеовыходами в стандарте СЕКАМ и двумя выходами сте¬
реофонических звуковых каналов — один для звукового сопровождения
ТВ, второй — для выделения программы звукового вещания, передавае¬
мого в общем с ТВ транспортном потоке.
Для приема федеральных программ в цифровом формате на дейст¬
вующей сети предполагалось установить 5,5 тысяч ЗС типа Москва-Ц
(3,6 тысячи вместо действующих ЗС и около 2 тысяч новых, вместо стан¬
ций Экран). При этом число требующихся комплектов приемников-деко¬
деров составило около 12 тысяч, с учетом необходимости установки на
одной ЗС нескольких декодеров для приема разных программ ТВ.
04.1. Развитие непосредственного телевизионного вещания
Исторически применение спутников для передачи и распределения
ТВ программ можно рассматривать как путь, с помощью которого теле¬
визионная служба создала собственную систему передачи. До появления
спутников связи телевидение передавалось из студий на региональные
или местные телевизионные центры-передатчики через сети СВЧ ра¬
диорелейных линий, которые в то время были единственным средством
доставки на большие расстояния с достаточной шириной полосы. Ме¬
ждународной системы передачи ТВ программ радиосредствами (и, как
следствие, прямой передачи на большие расстояния) не было. В середи¬
не 60-х годов прошлого века первое поколение спутников связи сделало
возможным доставку ТВ программ на межконтинентальные расстоя¬
ния, но это требовало дорогих земных станций, чтобы их можно было
использовать для замены региональных или местных СВЧ сетей. В 70-х
годах национальные спутники с высокими ЭИИМ, или даже арендован-
78
Таблица 04.1-
Спутник
Диапазон
частот линии
вниз, ГГц
ЭИИМ, дБВт
Земные станции
Тип (антенна)
Функции
ИНТЕЛСАТ
(глобальные, по-
луглобальные или
зональные ретранс¬
ляторы)
4
17-29
Стандарты:
А, В, С
(32-7 м)
Передача ме¬
ждународных
программ
ЕВТЕЛСАТ
(Евролучи)
11-12
35-40
15—6 м
Передача ме¬
ждународных
программ
Национальные спут¬
ники
(Арабсат, Канада,
Китай, Бразилия,
Индия, Индонезия,
США и т. д.)
4
30-38
11—3 м
Передача
программ для
националы-! ых
сетей и распре¬
деление про¬
грамм на ТВТ11
ИНТЕЛСАТ и ЕВ¬
ТЕЛСАТ
(ретрансляторы с
узким лучом)
11-12
40-52
6 1,2 м
твтп
Национальные спут¬
ники
(Канада, Франция,
США и т. д.)
2,6
43
3 м
Распределение
программ на
твтп
Арабсат, Индия,
Франция, Германия,
Япония
12
55-64
1,5 — 0,45 м
Прямое веща¬
ние, РСС
ные ретрансляторы ИНТЕЛСАТ, позволили не только передавать ТВ
программы на отдаленные ТВ телецентры, но и успешно конкурировать
с радиорелейными сетями. После появления более мощных спутников
(в диапазоне 6/4 ГГц и перспективных, в диапазоне 14/11—12 ГГц), улуч¬
шения технологий приема и массового производства небольших, менее
дорогих земных станций в начале 80-х годов был сделан следующий шаг.
Он выразился в замещении региональных или городских ретрансляци¬
онных центров и передаче программ непосредственно групповым объ¬
ектам (на местные сети кабельного ТВ, отели, суда и т. д.), а затем и на
домашние приемники, т. е. появилось непосредственное телевещание
(НТВ), или, в зарубежной транскрипции — сНгесСЧо-Ьоте (ЭТН).
В 1994 г. был выведен на ГСО над США 16-ствольный СР компа¬
нии Хьюз (Нц§Ьез) для непосредственного цифрового телевещания в
диапазоне Ки под названием Е>В5-1 (Оиес! Вгоабсаз! ЗаЕеШСе). Позднее
79
в ту же позицию ГСО были запущены еще два КА — йВЗ-2, 3. Выход¬
ная мощность каждого транспондера (120 Вт) позволила обеспечивать
прием на терминалы с антенной диаметром до 45 см до 240 цифровых
ТВ-программ, что привело к новому этапу соперничества с кабельным
телевидением и ВОЛС. Затем, к концу 90-х гг. на базе этих КА появилась
мультимедийная услуга БкесТУ, привлекшая еще миллионы пользова¬
телей. Сейчас службы НТВ получили широкое распространение.
В Европе непосредственное спутниковое ТВ принимает более 20%
населения, а вместе с кабельным — до 70%, в США — 30%. В России на¬
селения, которое могло бы принимать программы СНТВ, не менее 50%,
на самом же деле им пользуется только 1%.
Как видно из таблицы 03.10, РФ обладает достаточно развитой груп¬
пировкой КА ФСС (Экспресс-А и Экспресс-АМ) и КА РСС для НТВ
(Экран-М^ Еи(е1за1\№4 и Бонум). В России первым спутником вещания
является Экран, несмотря на то, что в те годы, когда он был запущен
(1976 г.), официально считалось, ч то в стране нет непосредственного ТВ,
хотя сигналы системы Экран (в диапазоне 6,0/0,7 ГГц) можно было при¬
нимать на установки индивидуального типа с четырехвибраторными
антеннами. В перспективе, в связи с истечением срока существования
действующего КА Экран-М, зоны его обслуживания будут покрывать¬
ся наземными телевизионными передатчиками, на которые программы
должны доставляться со спутников в цифровом виде по системе Моск-
ва-Ц (6/4 ГГц).
Первым отечественным СР для НТВ, использующим плановый
диапазон частот РСС, был выведенный на орбиту в начале 90-х го¬
дов 3-ствольный СР Галс-ТВ, работающий в диапазоне 12 ГГц на ли¬
нии вниз и 17 ГГц на линии вверх. Следующим этапом явилось при¬
обретение 8-ствольного СР Бонум 1 и запуск его на орбиту в 1998 г.
в позицию 56° в.д. Позднее, в 2000 г. на ГСО был запущен спутник
Евтелсат-У/4 (36° в.д.), на котором Россия арендует 16 стволов (из 31) с
полосами частот по 33 МГц (17/12 ГГц) для СНТВ.
В связи с большим интересом к системам СНТВ еще в 1977 году
состоялось первое планирование орбитально-частотных позиций для
службы РСС. Это позволило выделить всем членам МСЭ, т. е. практи¬
чески всем странам, примерно пропорциональное количество присвое¬
ний, с учетом населения и площадей охватываемых территорий. В ре¬
зультате РФ в настоящее время выделены пять позиций: 36°, 56°, 86°,
110° и 140° в.д. Что касается перспектив развития СНТВ, то выбор оп¬
тимальных орбитальных позиций для обеспечения распределения ТВ
программ на территории России зависит от того, какая цель ставится
80
перед системами — охват основной массы населения или покрытие всей
территории страны.
В первом случае могут быть предложены схемы покрытия страны
программами НТВ, основанные на использовании двух или трех КА в
орбитальных позициях 36° в.д., 56°, а также 86° или 110° в.д. |12|:
1. Использование двух КА в позициях 36° и 56° в.д. обеспечивает
покрытие 55% территории и охват 93% населения.
2. Использование трех КА в орбитальных позициях 36°, 56° и 86° в.д.
обеспечивает покрытие до 93% территории и охват до 98% населения.
3. Использование трех КА в орбитальных позициях 36°, 56° и 110°
в.д. обеспечит покрытие до 95,5% территории и охват до 98% населения.
Для реализации варианта, обеспечивающего охват почти 98,5% на¬
селения страны, дополнительно к КА Еи1еЫа1-М/4 (36° в.д.) и Бонум-1
(56° в.д.) необходимо было бы запус тить еще один СР с возможностями
вещания, в позицию 86° или 110° в.д.
Однако, необходимо помнить, что приведенные цифры весьма услов¬
ны, ибо они охватывают, в значительной степени, территории, где обес¬
печение покрытия (наличие радиовидимости) КА на ГСО (в том числе,
при углах места 10° и менее) не учитывает рельефа местности и других
препятствий на пути распространения сигналов, принимаемых от СР. То
есть, как и при телефонной связи, обмене данными, установка станций
приема ТВ у пользователя подразумевает выбор позиции на местности
с открытым обзором в южном направлении на КА, что далеко не всегда
возможно, как в городах, так и в отдаленных районах, а при мобильной
связи вообще исключено.
В этом смысле установка приемных антенн ЗС на крышах домов и
применение КА на ВЭО явились бы кардинальным решением проблемы
широкого распространения НТВ.
Данная книга содержит ряд новых предложений по применению
для СНТВ высокоэллиптической орбиты — в частности, с целью ох¬
вата территорий и абонентов, не обслуживаемых СР на ГСО, а также
подвижных объектов.
04.2. Системы непосредственного звукового вещания
Спутниковое непосредственное радио (звуковое) вещание на инди¬
видуальные приемники стало возможным после выделения на ВАКР-92
специальных полос частот в разных диапазонах. Россия, как страна, от¬
носящаяся к Району 1 (согласно делению Регламента радиосвязи) может
создавать свои системы в диапазоне частот 1452—1490 МГц. Высвобож-
81
грамм из специально построенной Национальной студии радиопередач.
С начала работы в эфире в феврале 2002 г. стоимость месячной подписки
на пакет радиопрограмм составляла 12 долл. США, а пожизненно можно
подписаться за 500 долл. США.
На передающей стороне исходные аналоговые аудиосигналы оциф¬
ровываются и подвергаются процедуре сжатия при помощи собст¬
венного варианта сжатия ЬисепСз Регсер1иа1 аисНо собег сотргеззюп
а1§огйЬт. Затем они зашифровываются при помощи собственной сис¬
темы условного доступа. Несмотря на то, что, как уже отмечалось, па¬
раметры орбитальной группировки обеспечивают высокий угол воз¬
вышения спутников на территории США, в системе приняты дополни¬
тельные меры по минимизации вероятности пропадания фрагментов
полезного сигнала из-за затенения приемных антенн предметами ок¬
ружающей среды.
Во-первых, в крупных городах США с многоэтажной застройкой,
а также на Аляске и Гавайях, дополнительно установлены наземные
ретрансляторы (НР), которых понадобилось 105 штук. Каждый НР
представляет собой приемную станцию спутниковой связи Ки-диапа-
зона с антенной диаметром 0,9 м, преобразующую частоту сигнала в диа¬
пазон 2,3 ГГц, в котором далее осуществляется наземное вещание. Сиг¬
налы на НР поступают от центра радиовещания через геостационарный
СР Ки-диапазона АМС-6. Во-вторых, в системе 5ти$ реализована идея
разнесения по линиям (маршруту) передачи. Сигнал каждого радиове¬
щательного канала передается всеми спутниками и всеми НР. В-треть¬
их, компоненты сигнала каждого радиовещательного канала разносятся
во времени на 4 секунды. Это позволяет избежать потери контента даже
при кратковременном (не более 4 секунд) затенении всех источников
радиосигнала, поскольку в разных линиях теряются различные фраг¬
менты принимаемого сигнала.
Згпт предлагает автомобильные и стационарные радиоприемники,
которые при необходимости, можно использовать и в качестве перенос¬
ных (портативных). К каждому приемнику должна быть присоединена
внешняя антенна, которая входит в состав продаваемого комплекта. Ме¬
сто расположения антенны имеет важнейшее значение для получения
уровня сигнала на входе приемника, обеспечивающего высокое качест¬
во радиопрограмм. (От пользователей из ряда районов США получено
немало рекламаций на низкий уровень полезного сигнала и, соответст¬
венно, качество радиоприема).
Типичным примером приемников системы может служить первый
портативный приемник Згггиз ЗШеИо. Он оснащен запоминающим уст-
84
ройством объемом 2 Гбайт, что позволяет сохранять радиопередачи об¬
щей продолжительностью до 100 часов. Емкость встроенного источника
питания обеспечивает приблизительно 30 часов непрерывной работы.
Приемник совместим с \\П-р1 технологией. Это позволяет, в случае не¬
качественного приема спутниковых каналов на внутреннюю антенну,
получать программы из Интернета.
В феврале 2007 г. компания Зшиз ЗаГеШГе КасИо объявила о наме¬
рении слияния с ХМ $а1е11йе КасИо, которое позволит объединить тех¬
нические ресурсы двух компаний и таким образом создать единую на¬
циональную спутниковую систему непосредственного радиовещания
США.
В 2002—2004 годах наблюдалось широкое проникновение этих двух
служб цифрового спутникового вещания в США, сохраняется их пози¬
тивное влияние на промышленность, и все внимательно наблюдают за
ростом этой отрасли. К концу 2004 года спутниковое радио имело при¬
близительно 2,5 млн подписчиков. В конечном счете, предполагалось,
что к 2006 году число подписчиков спутникового радио может достиг¬
нуть 15 млн, что соответствует проникновению около 7% во все автомо¬
били США.
\УогШ Зрасе
Одним из быстро развивающимся в мире проектов цифрового НЗВ
в настоящее время является глобальная система спутникового цифро¬
вого радиовещания 1УогШ Зрасе на Африку, Азию, Южную Америку и
Европу, использующая геостационарные СР, а также ее американский
национальный вариант для территории США. Основанная в 1990 г. ком¬
пания \УогЫ Зрасе в течение длительного времени являлась партнером
ХМ 5а1е11йе КасИо по созданию новых технологий и развитию в США
системы спутникового радиовещания. В это же время она активно рабо¬
тала и вкладывала средства в создание собственной почти глобальной
системы СНЗВ с ожидаемой аудиторией более 4,5 млрд слушателей.
Космический сегмент системы Ш>гЫЗрасе состоит из трех геостацио¬
нарных спутников: А/пЗШг{21° в.д.), запущенного в 1998 г. и предназна¬
ченного для обслуживания стран Африки, бассейна Средиземного моря
и Ближнего Востока; АзгаЗЬаг (105° в.д.), запущенного в 2000 г. для Азии
и Дальнего Востока; Атеп31аг(95° з.д.), запущенного в 2002 г. для обслу¬
живания Южной и Центральной Америки. В 2002 г. ^огЫ Зрасе заклю¬
чила соглашение о запуске четвертого спутника для стран Европы.
При построении такого рода глобальных (транснациональных) сис¬
тем каждая страна-учредитель (или арендатор) сети стремится контро¬
85
лировать процесс радиовещания на своей территории с учетом нацио¬
нальных особенностей, политико-экономической обстановки и т. д. При
наличии нескольких вещателей нет необходимости собирать информа¬
цию (контент) от них на некую центральную ЗС для объединения, а за¬
тем транслировать суммарный поток на всю область обслуживаемой
системы. Поэтому СР У/огШ Зрасе позволяют объединять информаци¬
онные потоки непосредственно в ретрансляторе, используя бортовую
обработку. Например, в ЕВТЕЛСАТЕ достаточно давно и успешно ис¬
пользуются бортовые мультиплексоры типа Зкур1ех на вещательных
спутниках Но1ВШ-4,5,6 и У/ЗА.
Администрация компании в своей политике радиовещания на¬
строена в первую очередь на вещание для стран третьего мира. Её ин¬
тересуют не столько развлекательные передачи, сколько возможность
транслировать общеобразовательные и новостные программы в стра¬
ны Африки, Ближнего Востока, Индию. Поэтому помимо всемирных
радиосетей, таких как ВВС, В1оотЬег§, СЫЫ 1п1егпа1лопа1, к системе
имеют доступ и многие локальные, например, А1пса Беагшп§ СЬаппе1,
канал индийских новостей ЗаЬага 33 и др. Абонентская плата варьиру¬
ется в зависимости от уровня благосостояния населения. Стоимость
месячной подписки составляет около 10 долларов для европейцев, 5
долларов — для населения стран Ближнего Востока и 2 доллара — для
жителей Индии.
Полезная нагрузка каждого из спутников ^/огШ Зрасе включает в
себя 2 транспондера — один с непосредственной ретрансляцией, обеспе¬
чивающий передачу сигналов от центра вещания, второй с бортовой об¬
работкой, осуществляющий прием, демодуляцию частотно разнесенных
каналов и их мультиплексирование в единый цифровой поток с времен¬
ным разделением каналов. Этот ретранслятор используется для переда¬
чи программ локальными вещателями.
С целью эффективного покрытия областей обслуживания в нем ис¬
пользованы трехлучевые передающие антенны с шириной лучей около
6°, работающие в разных частотных полосах. Общий вещательный центр
передает три разнесенных по частоте потока в полосе частот 2,5 МГц для
каждого луча, имеющих одинаковый контент (по одному потоку на ка¬
ждый передающий луч). Локальные вещатели работают в режиме один
канал (программа) на несущую, что позволяет гибко перераспределять
число каналов между ними и облегчает взаимную синхронизацию. Че¬
рез каждый СР можно ретранслировать до 288 каналов со скоростью пе¬
редачи 16 кбит/с (до 96 каналов на луч). Скорость передачи по каждому
каналу может быть повышена до 128 кбит/с. Фидерные линии системы
86
работают в диапазоне 7025—7075 МГц (Х-диапазон), а абонентские — в
диапазоне 1467—1492 МГц (Ь-диапазон).
\\^огМ Зрасе ориентирована на обслуживание, в основном, стацио¬
нарных пользователей. Прием ведется на малогабаритные слабонаправ¬
ленные антенны с шириной ДН порядка 30° и коэффициентом усиления
около 14 дБ. Антенна ориентируется в направлении ближайшего спут¬
ника. Стоимость приемника составляет 100—200 долл.
Спутники системы У/огЫ Зрасе созданы по контракту с компани¬
ей Ма1га Магсош Зрасе (в настоящее время Аз1пит) на базе платформы
Е1Ж05ТАК. 2000+. Выведение на орбиту осуществляется ракетой-но¬
сителем АК.1АЫЕ-4. Конструктивно три спутника системы практически
одинаковы. Стволы ретрансляторов, мощностью 150 Вт каждый, раз¬
работаны компанией А1са1е1 Зрасе. Диаметр передающей антенны око¬
ло двух метров. Энергоотдача солнечной батареи в начале/конце срока
службы составляет 6000/5500 Вт. Корпус спутника имеет форму парал¬
лелепипеда размерами 1,7 х 2,6 х 3 м. Размах раскрытых панелей солнеч¬
ной батареи 28 м. Масса спутника на орбите (в начале эксплуатации)
около 1700 кг. Расчетный срок службы 12 лет. Стоимость каждого спут¬
ника составляет около 90 млн долл.
\\А>г1с1 Зрасе (США) и А1саЫ Зрасе (Франция) подписали согла¬
шение о стратегическом партнерстве с целью создания космической
системы цифрового радиовещания (ИЗВ) для Европы. Планирует¬
ся создание системы со сплошной зоной покрытия по всей Европе,
передающей до 100 радиопрограмм высочайшего качества для вла¬
дельцев автомобильных, стационарных и портативных радиоприем¬
ников. Отметим, что эта спутниковая система позволит мобильным
пользователям непрерывно принимать радиопрограммы, перемеща¬
ясь по территории всей Европы, не меняя частоты настройки радио¬
приемника в поисках радиостанции, как вынуждены делать сейчас
автоводители.
ХУогШ Зрасе уже сегодня предоставляет радиослушателям (купив¬
шим недорогой адаптер или карту для подключения спутникового ра¬
диоприемника к персональному компьютеру) доступ к мультимедийным
услугам и Интернет-ресурсам:
— передача текста и видеоизображений, в дополнение к радиопро¬
граммам (в частности, ленты Интернет-агентств новостей, обра¬
зовательные программы);
— данные о движении транспорта, прогноз погоды и постоянно
обновляемая информация о наиболее оптимальных маршрутах
движения.
87
дение этого диапазона от других радиослужб должно было завершить¬
ся в 2007 г.
На самом раннем этапе примером аналогового спутникового ЗВ в
России являлись ССС с многопрограммным вещанием Орбита-РВ и Ин¬
терспутник (для соцстран), передававшие ЗВ на сеть радиоцентров для
последующего распределения в регионах. Для этого им были выделены
участки частотных диапазонов 2,6; 3,7—4,2; 10,7—12,75 ГГц. Как и в те¬
левидении, СНЗВ аналоговым способом реализовано в таких отечест¬
венных системах, как Москва, Экран, Москва-Глобальная, а также через
спутники 1п1е1за1, Еи1е1$а{, Аз1га и др. в их основных рабочих диапазонах
частот.
Цифровое спутниковое радиовещание стандарта ЭЗК (01§йа1
За^еИйе КасИо) впервые было продемонстрировано на международной
радиовыставке в Берлине в 1989 г. В соответствии с этим стандартом, в
общем цифровом потоке со скоростью 20,48 Мбит/с в полосе 14 МГц мо¬
жет передаваться 16 стерео или 32 монофонических программ. Первы¬
ми СР, через которые началась трансляция ЦЗВ, были ТУ-ЗАТ(частота
11,977 ГГц) и Коретгкиз (12,625 ГГц).
Сегодня использование спутникового непосредственного звуково¬
го вещания (СНЗВ) для охвата всей территории России признано акту¬
альной задачей и создание специальных СР для этой цели Экспресс-РВ
нашло отражение в Федеральной космической программе.
За рубежом в настоящее время внедрено три системы СНЗВ на базе
специализированных спутников, относящиеся к РСС:
— У1огЫ Зрасе — запущены геостационарные СР для обслуживания
Азии (1999 г), Африки (2001 г.) и Америки (2002 г.);
— Зтиз КасИо (Сириус) на базе трех высокоэллиптических спут¬
ников с периодом обращения 24 часа (первый из них запущен в
2001 году);
— ХМ КасИо на базе двух геостационарных спутников (первый за¬
пущен в 2002 г.).
Системы Зтиз КасИо и ХМ КасИо предназначены для обслуживания
территории США. В Европе подобную систему СНЗВ было намечено
вводить после 2006 г. во всех системах СНЗВ в целях снижения скоро¬
сти передачи и повышения сигналов.
Сириус
Зтиз — первая в мире система цифрового спутникового ЗВ, исполь¬
зующая ВЭО. Предложила ее компания СО КасИо (с 1999 г. Зтиз ЗашПйе
КасИо), являющаяся держателем ряда патентов в области спутниково¬
82
го радиовещания и образованная в 1990 г. в Вашингтоне. 17 января
1995 г. Федеральная комиссия по связи США (РСС) выделила компа¬
нии «СО КасИо» полосу частот в 5-диапазоне для использования в сис¬
темах высококачественного спутникового ЗВ. Цифровое радиовещание
осуществляется в диапазоне 2,32—2,3325 ГГц, занимаемая полоса частот
составляет 12,5 МГц.
Изначально планировалось строить космический сегмент системы
на базе двух мощных геостационарных спутников связи, размещенных
в точках стояния 80 и 110 градусов западной долготы. Однако в начале
1998г. компания радикально поменяла концепцию построения косми¬
ческого сегмента и решила использовать три СР, равномерно распреде¬
ленных на эллиптической орбите с наклонением 63,4 градуса и периодом
обращения 24 часа. Применение ССС с КА 5тиз на ВЭО с указанным
наклонением обеспечивает достаточно большие углы возвышения над
горизонтом. Такая орбита позволила значительно улучшить прием ра¬
диосигналов и программ ТВ в северных районах, вплоть до Аляски.
Два из трех спутников, одновременно находящихся над Северной
Америкой, видны под углами места от 50° до 90° (каждый один, в за¬
висимости от региона) в зоне покрытия шириной 70°—80° по долготе,
что достаточно для качественного и уверенного приема радиопрограмм
в США. При этом в значительной мере исключатся «мертвые зоны», в
которых прием сигналов невозможен, повышается помехоустойчивость
приема, в особенности, в промышленных районах.
Спутники изготовлены на заводе компании Зрасе 5у5Гешз/Ьога1
(55/Ь) на базе платформы ЬЗТЗОО и практически одинаковы. Запус¬
ки осуществлялись с космодрома «Байконур» ракетой-носителем Про-
тон-К с разгонным блоком ДМ4. 81пиз-1 запущен 30 июня, Згпиз-2 — 5
сентября, Зтиз-З — 30 ноября, все в 2000 г. Типичными параметрами
рабочей орбиты являются наклонение 63,4 градуса, период обраще¬
ния 1436 минут, максимальное удаление от поверхности Земли (в апо¬
гее) — 46 970 км, минимальное удаление (в перигее) — 24 600 км. Масса
спутников 3800 кг, запас топлива 2200 кг, система энергообеспечения
мощностью 10 кВт в начале срока службы включает в себя две панели
солнечных элементов и батарею никель-водородных аккумуляторов.
Система Зтиз ЗаЫШе КасИо ориентирована, в основном, на мобиль¬
ных пользователей, главными из которых являются автолюбители, пу¬
тешествующие по стране или живущие в пригородной зоне, пассажиры
междугородного и международного транспорта (автобусы, поезда), в том
числе, туристического, владельцы маломерного флота, водители-«даль-
нобойщики». Она обеспечивает круглосуточную передачу 135 радиопро-
83
Этот проект позволит вещателям предлагать программы высокого
качества по всему европейскому континенту. Радиослушатели смо¬
гут принимать любые программы, в том числе на своем родном язы¬
ке, находясь дома, в дороге или за рубежом. Европейская спутнико¬
вая система станет последним компонентом глобальной системы IУогЫ
Зрасе. Вероятно, что первыми, на кого будет ориентирован европей¬
ский спутник, станут Россия и страны Восточной Европы, поскольку
международные радиовещатели являются сегодня самыми активны¬
ми заказчиками возможностей У1огМЗрасе. В развитии проекта спут¬
никового радиовещания на Россию могут быть заинтересованы го¬
сударственные вещатели, получающие уникальную возможность для
экономичного распространения общероссийских радиовещательных
программ, а затем и частные радиовещатели оценят его широкие биз¬
нес возможности.
Однако проекты СНЗВ, использующие геостационарные спутни¬
ки связи, принципиально не решают задачу сплошного покрытия тер¬
ритории России, в особенности ее северной части, высококачествен¬
ным радиовещанием. Здесь становится актуальным непосредственное
спутниковое цифровое радиовещание, в том числе, на подвижные объ¬
екты, с использованием отечественных СР на высокоэллиптических
орбитах.
С целью внедрения СНТВ и СНЗВ в России разработаны техниче¬
ские предложения по системам ГлобСатКом и НордМедиаСтар на
базе ВЭО, основные положения которого нашли отражение в данной
работе.
88
5. МОБИЛЬНАЯ СПУТНИКОВАЯ СВЯЗЬ
Согласно Регламенту радиосвязи (РР) подвижная спутниковая
служба определяется как радиосвязь между подвижными земными стан¬
циями и космической станцией, либо между подвижными ЗС, посредст¬
вом одной или нескольких космических станций. Кроме того, в соответ¬
ствии с РР, служба ПСС может включать также фидерные линии, т. е. пря¬
мые и обратные радиолинии от/к стационарных станций, находящихся
в определенном фиксированном пункте и передающих (принимающих)
информацию служб, отличных от ФСС, в данном случае ПСС.
Регламентом радиосвязи определено также деление Г1СС на сухо¬
путную, морскую и воздушную службы, в зависимости от принадлеж¬
ности и вида подвижных средств, на которых установлены ЗС-терми-
налы: автомобильные или железнодорожные (транспортные), морские
или воздушные суда, спасательные средства, радиомаяки указатели
места бедствия. Каждая из этих служб имеет собственные частотные
распределения в РР. Таким образом, до определенного времени под ПСС
понимали вид коммуникаций, при котором оконечные ЗС (АТ), переме¬
щающиеся вместе с подвижным объектом, обеспечивали, как правило,
связь в движении или, эпизодически, на стоянке, абонентам, следую¬
щим за терминалом.
Как следует из определений, в отличие от ФСС и РСС, применяе¬
мых, главным образом, для общего пользования, ПСС представляет наи¬
больший интерес для разного рода транспортных, силовых, аварийно-
спасательных, производственно-технологических, мониторинговых, до¬
бывающих и т. п. служб и ведомств.
В конце прошлого — начале нынешнего столетия благодаря бурно¬
му освоению новых электронных и космических технологий произошел
качественный скачок в развитии мобильной связи. Появились реали¬
зованные проекты систем персональной спутниковой связи (ПерСС),
которая, будучи мобильной, не может быть однозначно отнесена к под¬
вижной, по определению РР. Ибо в любой момент времени она может
становиться стационарной, являясь фактически полуподвижной-полу-
фиксированной и позволяя портативным переносным ЗС-терминалам
следовать за абонентом, не «привязанным» к той или иной определен¬
ной службе, либо средству передвижения. Решение этой задачи, стояв¬
шей перед исследователями и разработчиками с первых лет становле¬
ния спутниковой связи, совпало с появлением общемировых тенденций
мобильности, глобализации и персонализации всех видов телекомму¬
никаций.
89
Кроме того, в конце 20-го века были реализованы системы мобиль¬
ного спутникового вещания, сначала звукового, а затем и телевизионно¬
го, которые относятся к радиовещательной спутниковой службе (РСС),
предназначенной для непосредственного приема программ населением,
и не только по назначению, но и по своим техническим особенностям
могут быть причислены как к персональным, так и к мобильным теле¬
коммуникациям.
Учитывая сказанное, далее будем придерживаться понятия ПСС в тех
случаях, когда речь идет о системах, средствах, технологиях, удовлетво¬
ряющих определению РР в указанном выше смысле. В остальных же (бо¬
лее широких, либо менее определенных) областях применения восполь¬
зуемся более общим понятием мобильная спутниковая связь (МСС).
Особенностью традиционных систем ПСС является радиальная ар¬
хитектура, при которой мобильные абоненты (АТ) могут связываться со
своими ведомственными, корпоративными центрами, абонентами на¬
земных сетей общего пользования или иных (выделенных, корпоратив¬
ных) сетей, а также между собой, только через центральные (зональные,
береговые, базовые) земные станции (ЦЗС, БЗС). При этом участки ли¬
ний связи АТ-СР (вверх) и СР-АТ (вниз) называются абонентскими, а
участки ЦЗС, БЗС-СР и СР-ЦЗС, БЗС — фидерными линиями.
В Регламенте радиосвязи, документах Всемирных радиоконферен¬
ций (ВКР) для абонентских линий подвижной спутниковой связи (а так¬
же, отчасти, и РСС) распределены полосы частот (на первичной или вто¬
ричной основе), в основном, в сильно загруженных диапазонах ДЦВ —
Р, Ь, 5, а также в менее освоенных миллиметровых диапазонах — Каи
более высоких ()/V(таблица 02.1).Фидерным линиям выделяются, как
правило, участки диапазонов ФСС — С, X, Ки, Ка.
В связи с относительно узкими участками частотного спектра, вы¬
деленными в указанных диапазонах, и бурным освоением технологий
мобильной связи 3-го и последующих поколений, а также специфиче¬
скими особенностями данного вида связи, в настоящее время имеет
место значительный дефицит частотно-орбитального ресурса, во мно¬
гом затрудняющий эффективное развитие мобильных телекоммуни¬
каций.
05.1. Структурно-параметрические свойства
и классификация систем ПСС
К принципиальным особенностям МСС, определяющим облик и
техническую реализуемость ССС, относятся:
90
— необходимость максимально возможного уменьшения массы и
размеров АТ, их антенных устройств;
— использование слабонаправленных, либо следящих за спутни¬
ками антенн в процессе изменения местоположения АТ, СР, либо
того и другого;
— сильная подверженность влиянию неоднородностей рельефа ме¬
стности, лесных массивов, деревьев, строений и т. д. при переме¬
щении, приводящему к переменному затуханию и переотраже-
нию сигналов на участках распространения.
Все это обусловило появление целого ряда технологических проблем
и ограничений, отличающих данный вид связи от ФСС, в первую оче¬
редь, по энергетике радиолиний.
Эволюция ПСС привела в последнее десятилетие к широкому ис¬
пользованию негеостационарных орбит (НГСО), что, с одной стороны,
способствует повышению энергетической эффективности линий связи
и систем в целом, но в то же время требует дополнительных затрат на
создание орбитальных группировок. Помимо снижения высоты орби¬
ты возможным решением проблемы дефицита энергетики может быть
улучшение энергохарактеристик СР — как за счет мощности источников
питания (солнечных батарей) космического аппарата (КА), так и посред¬
ством увеличения размеров (т. е. усиления и направленности) бортовых
антенн. Оба пути оказывают существенное и разностороннее влияние
на общий облик, функциональные и потребительские возможности сис¬
тем МСС, поэтому они требуют дальнейшего изучения и освоения на
практике.
В результате подверженности влиянию местных предметов при вза¬
имном перемещении АТ и СР, в каналах МСС появляются замирания
разного типа, эффекты, связанные с многолучевостью при отражениях
сигналов, а также погодными условиями и осадками, причем послед¬
ние проявляются сильнее по мере перехода в более высокочастотные
диапазоны.
Таким образом, весьма острой проблемой при внедрении МСС сле¬
дует считать достижение энергобюджета спутниковых линий связи меж¬
ду АТ и СР (на абонентском участке), необходимого для обеспечения на¬
дежной и достоверной передачи информации. Это предполагает, наряду
с применением высокоэффективных методов модуляции и кодирования,
обеспечение дополнительных энергетических запасов на абонентских
участках ЛСС (как вниз, так и вверх), по сравнению с системами ФСС
и РСС со стационарным приемом, использование различных методов
разнесения ветвей приема и передачи.
91
Специфика систем мобильной спутниковой связи обуславливает
и их классификацию по статусу, системным решениям, технологиям,
характеристикам. Целесообразность некоего, хотя бы приближенного,
структурирования важна для последующего изложения, а также для
системного анализа уровня развития МСС вообще. Существующие и
проектируемые системы МСС могут быть классифицированы, с опре¬
деленной степенью условности, по ряду признаков:
— международные (глобальные, региональные) и национальные (зо¬
нальные, ведомственные) — по статусу, охвату территорий, при¬
надлежности, структуре управления;
— ГСО и НГСО — низкоорбитальные, среднеорбитальные, с круго¬
выми и эллиптическими орбитами высотой до 20 000 км, высо¬
коэллиптические (ВЭО), с апогеем орбит от 20 000 км и более, с
различным орбитальным построением -- по типу, высоте орбит,
составу и структуре ОГ космических аппаратов;
— многофункциональные и специализированные — по количеству
видов и степени интеграции оказываемых услуг, назначению, со¬
держанию (контенту) передаваемой информации (речь, данные,
факс и т. д.);
— низкоскоростные — для передачи данных (сообщений) с времен¬
ной задержкой или в реальном времени с использованием отно¬
сительно лёгких КА;
— низко- и среднескоростные — для предоставления более широ¬
кого набора услуг связи как в телефонном режиме, так и по пе¬
редаче данных, факсу и т. д.;
— высокоскоростные (широкополосные) с интеграцией многих ус¬
луг, включая вещание, мультимедиа, доступ в Интернет;
— с возимыми (установленными на подвижном объекте), транспор¬
табельными (перевозимыми, но работающими вне подвижного
объекта), носимыми (типа кейса, ранца и т. п.), портативными
(ручными, карманными), необслуживаемыми (радиомаяки, дат¬
чики) терминалами — по типу АТ.
Кроме того, если ГСО и ВЭО системы имеют ОГ, включающие отно¬
сительно небольшое количество КА — обычно не более 4—8, то другие
НГСО системы часто называют многоспутниковыми, т.к. их ОГ могут
содержать от одного до нескольких десятков КА. В свою очередь НО, СО
системы, в зависимости от числа КА в ОГ, энерго-массовых характери¬
стик СР и, соответственно, информативности, т. е. пропускной способ¬
ности, количества каналов и номенклатуры услуг, часто подразделяют
на «большие» и «малые».
92
1| и ! II II
Пользовательский Космический Наземный Сетевой Наземные
сегмент сегмент сегмент интерфейс сети
1 — центр управления спутниками, 2 - центр управления сетью ССС, 3 - центр адмииистр. управления,
4 — узлы наземного обмена данными, 5 — шлюзы (станции сопряжения (СС) с наземной сетью)
Рис. 05.1
Как отмечалось выше, в зависимости от характера услуг и с уче¬
том функционального назначения, принадлежности используемых або¬
нентских терминалов, далее будем подразделять МСС на два больших
класса:
— системы подвижной связи (СПСС), в которых спутниковый тер¬
минал, как правило, является принадлежностью средства пере¬
движения, но при этом допускается использование различных
модификаций ЗС, выполненных в виде транспортируемых (пе¬
ревозимых), либо неподвижных (для связи в малонаселенных,
труднодоступных и удалённых районах);
— системы персональной связи (СПерСС), когда АТ с параметра¬
ми, близкими к ручной телефонной трубке, есть принадлежность
пользователя, и на этот, наиболее энергетически напряженный
случай рассчитано предоставление комплексных услуг, хотя мо¬
жет предусматриваться использование и других типов ЗС-тер-
миналов (мобильных или стационарных).
Отметим еще раз, что такое деление является условным, так как в
системах того и и другого класса имеются возможности работы с раз¬
личными типами ЗС-терминалов, а название «персональная» характе¬
ризует часто лишь приоритетность использования ручных (носимых,
карманных) абонентских терминалов.
93
Структура системы МСС показана на рис. 05.1.
В общем случае в состав систем мобильной связи входят кос¬
мический, наземный и пользовательский сегменты, а также земные
станции управления и координации. Космический сегмент включа¬
ет в себя спутники вместе с ретрансляторами в составе ОГ. Назем¬
ный сегмент состоит из незначительного количества стационарных
центральных, береговых или базовых, а также зональных ЗС, являю¬
щихся часто станциями сопряжения-шлюзами с наземными сетями
и обеспечивающими сетевой интерфейс. Пользовательский сегмент
является наиболее массовым и состоит из большого числа АТ разных
типов, формирующих радиоинтерфейс, а также оборудования сопря¬
жения с оконечными устройствами пользователей {пользовательский
интерфейс).
Мобильная спутниковая связь, как и другие виды коммуникаций,
развивается поэтапно, так что системы и технологии МСС охватывают
несколько поколений, хотя и не ярко выраженных. К первому поколе¬
нию могут быть отнесены системы на базе спутников Инмарсат-2 и Го¬
ризонт; ко второму — многие глобальные и региональные (использую¬
щие ГСО и НГСО) системы: Инмарсат-3, М8АТ, ЕМ8, МоЬИеЗа(, Ор1ш,
Иридиум, Эллипсо, Ариес, Турайа, Гаруда и другие, развивающие и до¬
полняющие их; к третьему — новые проекты и реализованные решения,
поддерживающие тенденции широкополосности, мультимедийности,
интеграции и конвергенции различных видов связи.
В целом необходимо иметь в виду, что, помимо определенной услов¬
ности приведенной классификации, часто возможно также известное
пересечение классификационных признаков. Например, глобальные
системы, обеспечивая обслуживание (покрытие) до 90% земной поверх¬
ности, могут использовать как ГСО (Инмарсат), так и низкие, средние
орбиты {Иридиум, Эллипсо, Орбкомм и др.). В то же время региональные,
национальные системы различного класса и назначения, имеющие свою
специфику, также ориентируются либо на ГСО {М8АТ, ЕМ8, МоЬИеЗа1,
ОрЫ$, МВЗАТ), либо на НГСО того или иного типа.
Среди немногочисленных, но важных факторов, формирующих общ¬
ность облика систем МСС, по крайней мере, применительно к первым
двум поколениям, могут быть указаны следующие:
— многостанционный доступ к общему тракту СР при прямой
(сквозной) ретрансляции и радиальной архитектуре, т. е. орга¬
низация связи оконечных ЗС-терминалов с пользователями на¬
земных сетей и аналогичными спутниковыми абонентами через
центральные (зональные) ЗС (станции сопряжения);
94
— централизованный контроль и доступ к спутниковым ресурсам,
обеспечение предоставления абонентам каналов в каждой под¬
спутниковой зоне региональной координационной (операцион¬
ной) станцией или станцией управления;
— использование относительно узкополосных каналов для переда¬
чи телефонной, телексной, факсимильной информации и низко-,
среднескоростных данных.
В остальном, несмотря на схожие классификационные и структур¬
но-функциональные признаки, многие системы, использующие тот или
иной тип орбит, по своим принципам построения, совокупности пара¬
метров и применяемым технологиям, стандартам обычно различаются,
являясь во многом оригинальными, хотя и решая схожие или близкие
задачи по предоставлению телекоммуникационных услуг.
Ниже будут рассмотрены проекты МСС, получившие наиболее ши¬
рокое применение; в формализованном, табличном виде представлены
возможности, характеристики, параметры большинства систем и техно¬
логий МСС, отмечены их особенности, достоинства и недостатки.
05.2. Системы подвижной спутниковой связи
Инмарсат
До начала 90-х годов в мире существовала практически одна ком¬
мерческая система мобильной спутниковой связи широкого пользова¬
ния — международная СПСС Инмарсат, заявленная как глобальная и
предназначенная, в основном, для предоставления услуг связи морским
судам и службам, а позднее — воздушным и сухопутным транспортным
средствам (службам). Кроме того, в СССР в 80-е годы была организова¬
на ведомственная система ПСС под разными названиями {Океан, Море,
Волна), созданная на базе единственного ствола Ь-диапазона спутников
Горизонт, с общей пропускной способностью 2—4 телефонных канала.
Работа системы Инмарсат началась (первый этап) в 1982 г. Ее орби¬
тальная группировка вначале включала три типа СР: Интелсат-5 с ус¬
тановленным на нем ретранслятором Ь-диапазона, Мареке и Марисат,
срок активного существования которых окончился в 1995 г. Затем был
создан КА Инмарсат-2, выведенный в точки геостационарной орбиты
над Индийским (63° в.д.), Тихим (176,5° в.д.) и Атлантическим (26°з.д.,
54° з.д.) океанами.
Для обслуживания пользователей на первых этапах развития ПСС
использовались антенны спутников-ретрансляторов с глобальным лу¬
чом диаграммы направленности (ДН) и, в основном, оконечные ЗС (АТ)
95
стандарта Инмарсат-А, образующие аналоговые телефонные, а также
телеграфные каналы. Было выпущено много модификаций станций это¬
го типа, имевших стоечные или блочные конструкции, антенны диамет¬
ром порядка 0,9—1,2 м и вес от десятков до сотни кг. В частности, среди
российских можно назвать ЗС Волна-С и Айсберг производства Севасто¬
польского радиозавода, использовавшиеся как в Инмарсате, так и при
работе через КА Горизонт.
Помимо глобальных антенн на борту КА и преимущественно ана¬
логовых методов передачи информации, среди особенностей СПСС на
первом этапе следует отметить:
— обеспечение двухсторонней связи морских судов и других мо¬
бильных объектов через береговые с танции С диапазона (по фи¬
дерной линии БЗС-СР) с абонентами телефонной сети общего
пользования (ТФОП) или, как правило, тем же способом (с ис¬
пользованием ретрансляции через БЗС методом «двойного скач¬
ка») — с аналогичными абонентскими станциями-терминалами;
— применение низкоскоростной (до 2400 бит/с) передачи данных
(ПД) в полосе телефонного канала;
— установку относительно крупных по габаритно-весовым и энер¬
гомассовым характеристикам АС, имеющих зеркальные антен¬
ны диаметром порядка 1 м с электромеханическим приводом, в
основном на больших и средних судах.
Позднее, при переходе к следующему поколению Инмарсата, были
разработаны ЗС (АТ) и соответствующие подсистемы, обеспечивающие
передачу сообщений цифровыми методами:
— Стандарт-В, рассчитанная на предоставление услуг Стандарта-
А и, кроме того, двухстороннюю передачу данных со скоростями
потока до 64 кбит/с и возможностью его уплотнения цифровым
ТФ каналом со скоростью кодирования речи 16 кбит/с;
— Стандарт-С для передачи/приема коротких сообщений со ско¬
ростями 300 бит/с и 600 бит/с, при установке на автомобилях
междугородных перевозок, а также малых морских судах;
— Стандарт-М — переносной АТ для дуплексной цифровой теле¬
фонной связи со скоростью кодирования речи 6,4 кбит/с и воз¬
можностью передачи данных или факса в полосе ТФ канала
(2400 бит/с);
— Стандарт-АЭРО для воздушной службы, обеспечивающий циф¬
ровую передачу речи со скоростями от 2,4 до 19,2 кбит/с, двух¬
стороннюю среднескоростную передачу данных (до 9,6 кбит/с) и
коротких сообщений со скоростью 600 бит/с.
96
Пропускная способность линий связи на первых этапах СПСС Ин-
марсат составляла несколько десятков (до 40) ТФ каналов, которые
предоставляются абонентам ПСС через береговую станцию по запросу,
с закреплением канала на время передачи. Благодаря этому, при неболь¬
шой временной загрузке спутникового канала каждой АС, система могла
обеспечить достаточно насыщенный трафик, т. е. обслуживать несколь¬
ко сот морских судов и других пользователей.
Переход к цифровым методам передачи информации и технологиям
создания бортовых ретрансляционных комплексов с более высокими
энергетическими характеристиками, в частности, за счет использования
направленных антенн с несколькими (5—7) лучами, привел к повыше¬
нию пропускной способности СПСС в целом и уменьшению массы, га¬
баритов, энергопотребления подвижных земных станций.
Эти возможности были реализованы частично в первом и, в особен¬
ности, во втором поколении СПСС — с появлением КА Инмарсат-3, раз¬
работанного ЬоскЬееб МагНп (рис. 05.2, а). Пропускная способность сис¬
темы с СР третьего поколения возросла почти на 2 порядка и составила
около4000 ТФ каналов. К 1998 г. число ЗС Инмарсат, работающих через
четыре КА на ГСО, достигло нескольких десятков тысяч.
97
Мобильный терминал Мини-М
Ткгапе&Ткгапе ТТ-3060А
Мобильный терминал Стандарт-С
Ткгапе&Ткгапе ТТ-3022С
Морской терминал ТТ-3064А
Сарза/ МагШте Те1еркопе
Мобильный мультимедийный терминал
МиниМ4 Иега ЪУогШ Соттитса1ог
Рис 05.3
Кроме абонентских ЗС морской подвижной службы Инмарсат-А и
ее цифровой модификации Инмарсат-В стали более активно внедряться
в эксплуатацию легкие терминалы массового применения, прежде все¬
го для сухопутной ПСС. В качестве стандарта Инмарсат-М появилась
станция из класса переносных АТ размером с кейс, а ее модификации
Инмарсат Мини-М имеют вид ноутбука и могут использоваться (скорее
по техническим возможностям, нежели по цене) для персональной спут¬
никовой связи (рис. 05.3).
Современной версией, одновременно, Инмарсата-В и Мини-М мо¬
жет считаться универсальный высокоскоростной терминал Инмарсатп-
М4 весом 5 кг, позволяющий, помимо подключения к сетям 15ИМ, пе¬
редавать данные и видео со скоростью до 64 кбит/с в пакетном режиме,
дополняя наземный стандарт СРК5 и обеспечивая доступ в Интернет.
98
Началась также эксплуатация стандарта Инмарсат-АЭРО, предна¬
значенного для связи с самолетами гражданской авиации. Кроме того,
КА Ипмарсат-3 позволяет определять местоположение абонентов, ис¬
пользуя сигналы космической навигационной системы СР5, а также
уточнять эти измерения с помощью собственных КА.
Таким образом, с начала 80-х годов мобильная спутниковая связь
претерпела существенные изменения, приобрела качественно новые
свойства, на несколько порядков повысилась ее пропускная способность.
В настоящее время в состав Инмарсата входят одиннадцать спутников:
четыре — второго поколения, пять — третьего поколения и два — четвер¬
того поколения. Космический сегмент обслуживает поверхность Зем¬
ли, разделенную на 4 региона: восточный регион Атлантического океана
(АОК.-Е), западный регион Атлантического океана (АОКЛУф регион Ин¬
дийского океана (ЮК) и регион Тихого океана (РОК). Таким образом,
система охватывает 85% поверхности земного шара, исключая северные
и южные полярные области. Основные характеристики СР и ЗС-терми-
налов Ипмарсат приведены в табл. 05.1, 05.2.
До определенного времени данная система обслуживала, в основном,
малоинформативных абонентов. Прежде всего, это суда, находящиеся в
море, которым спутниковый ТФ канал требуется на небольшое число
минут в сутки при нормальных условиях плавания, а острая необходи¬
мость возникает лишь в случае аварийных ситуаций.
В последнее десятилетие сфера применения системы значительно
расширилась. А с появлением в 2005 г. спутников нового поколения Ин-
марсат-4 с большим параболическим антенным отражателем (рис. 05.2),
многолучевым лучеобразующим устройством на борту и, как следствие,
многозоновым покрытием территории обслуживания, количество и про¬
пускная способность ретранслируемых через СР каналов еще более воз¬
росли — до 40 000 каналов и 432 кбит/с, соответственно. Это позволило
основному мировому оператору мобильной спутниковой связи развер¬
нуть широкополосную глобальную сеть (ВСАМ) и привлечь значитель¬
ное число новых пользователей.
Однако все же следует отметить, что тарифная плата за пользова¬
ние ее каналами была и остается пока достаточно высокой (несколько
долларов/мин). Очевидно, в связи с этим даже при появлении более
легких портативных терминалов использование системы Инмарсат в
известной степени продолжает быть ограниченным, как для широких
слоев населения, так и для многих ведомственных и корпоративных
клиентов, производственно-технологических служб, организаций, кам¬
паний.
99
о
о
Таблица 05.1
Название системы
Инмарсат-1
Инмарсат-2
Инмарсат-3
Волна
Марафон
ЕМ5
Евтелтраке
М5АТ
МоЬПеза!
Статус системы
М
(глоб. по д
еждународная
олготс, ±75° по широте)
национальная
(Россия)
региональная
(Европа)
регион;
(США, Кан
рал
альная
ада) (Авст-
ия)
Название КА
Мареке
Марисат
Инмар¬
сат-2
Инмар¬
сат-3
Горизонт
Аркос, Ма-
як(ВЭО)
Италсат,
Артемис
Евтелсат-1
АМ5С,
М5АТ
ОРТШ
Точки стояния
КА на ГСО
26\У,
63,180Е
15,5; 54Ш
64,5; 178Е
15,5; 54№
64,178Е
11\У,40,80,
103,140 Е
13,5; 160Ш
40,
90,145,5Е
10,2Е, 16,4Е
25,5Е
106,55У,
101\У
156,160Е
Масса КА (старт/
орбита), кг
1200/760
1900/1200
2030
2500
2000/1100
/680
1750/1200
/2500
Мощн. СБ (начало/
конец), Вт
1200/1000
2600/1730
2400
/1450
/900
3150/2500
/3000
Полоса частот
абонентской линии,
МГц
1525-1559 («вниз»)
1626,5-1660,5 («вверх»)
1530—1559
1631,5-1660
1530-1559
1631.5-1660
10950-11200
14000-14500
1530-1559
1634,5-1660
1545-1559
1646,5-1660
Полоса частот фи¬
дерной линии, МГц
3600-3630 («вниз»)
6430-6445 («вверх»)
3675-4125
6000-6450
4041-4070
6366-6395
12731-12750
14231-14250
11450-11700
10750-10950
13000-13500
12250-12750
14000-14500
Кол-во лучей СР
в Ь-диап.
1111.
1III.
1ш.+5уз.
1ш.
1ш+3уз.
1ш+3уз
1ш.
7уз.
1уз.
ЭИИМ СР Ь-диап.,
дБВт
32-34
39
47,7
26
44-47
42.5-45,5
41-43
57
47
Добротность СР
Ь-диап. дБ/К
-12,5
-4,8
-17
-5
-2
-3,5
-2,7
-1,5
Кол-во кап. СР
(4,8 кби т/с)
40
126(4)
4000(46)
4
170
2000
3200
1100
Таблица 05.2
Тип АТ
Характеристика^^
Инм-А
Инм-В
Инм-
С
Инм-М
Инм-
АЭРО
Инм-
МиниМ
Инм-
М4
САК
ЫЕС-
52
Ргос1а1
Ше$1лп-
^Ьои$
-1000
ЕиГеГ
1:гася
Глобалстар
Год начала эксил.
1982
1992
1991
1993
1990
1997
2004
1998
1999
1998
1995
2000
ЭИИМ, дБВт
36
33
14
27
12-25
16
30
12-16
13
12-16
19
-(5-6)
Добротность, дБ/К
-4
-4
-23
-12
-13-26
-22
-24
-18
-5
-22
Энергопотребл., Вт:
— деж. режим
700-
30
15
ед. Вт
0,35
15
30
6-24 ч
-пд
1500
110
80
дсс. Вт
20
65
35
25
105
2-8,5 ч
Скор, перед., кбит/с :
—речь
Анал.
16
—
6,4
2,4-9,6
4.8
4.8
6.6
4.2
1-5
6
— данные
2,4
56/64
0,6
2,4
0,6-9,6
2,4
64
2.4/4.8
0.6/1,5
2,4/4,8
9,6
Габариты, мм
ЮООх
750 х
180х
179х
270х
35 5х
ЗООх
250 х
305х
320х
20x65x45
ЮООх
750
165х
220х
200х
275х
240х
110 х
178х
230х
62x62x39
2000
(ант)
50
125 +
52
68
64
113 +
53
ПО
77x57x48
240 х
280х
335 х
(мнут.
(трубки)
170 х
210 (ант)
170x85
обор.)
75
Масса (с ист. пит.), кг
300-
12-
2,2 с
2,5 с ант.
2,2 (с
4.2 (с
4.5
4,3 +
3.5 +
4.0 +
0,35-0,45
700
14,5
ант.
а к.,ант)
ант.)
4.4
3,2ант
3,5
Тип, размеры антен¬
пара¬
реше¬
спи¬
решетка
реше¬
реше¬
штырь
спи¬
штырь
плоек.
спираль
ны АТ, м
бол ич.
тка
раль
0,4-0,5
тка
тка
“1м.
раль
-1м.
сп ир.
0,1 м
О -1м
0,8-1
Н~
0.8x0.35
купол
130
купол
рем.
0.46 м
х 105
1
Региональные системы на ГСО
Помимо ССС Инмарсат, в 90-е гг. прошлого столетия появились ре¬
гиональные и национальные СПСС, использующие ГСО. К таковым от¬
носятся практически аналогичные по техническим решениям системы
МЗАТи АМ8С (Атепсап МоЬПе ЗаСеПйе СогрогаПоп), разработанные для
североамериканского континента Канадой (фирма ТМ1) и США (фирма
АМ$С).
Первые спутники этих СПСС были запущены в 1995 г. в точки ГСО
106,5° и 101° з.д., соответственно. Их главной особенностью явилась ус¬
тановка на борту космической платформы Н5-601 (производства Ни§Ьез)
двух антенн (приемной и передающей, работающих диапазоне I) раз¬
мером 6 х 5 м, покрывающих 6-ю лучами территорию Сев. Америки и
обеспечивающих более высокие, по сравнению с Ипмарсатп-3, ЭИИМ и
добротность СР (табл. 05.1). При этом для фидерной линии использован
частотный диапазон Ки.
Наземный сегмент систем включает три типа ЦЗС с разной энерге¬
тикой и подсистему управления в составе сетевого операционного цен¬
тра, двух центров управления (основного и резервного), а также каналов
связи между этими центрами и ЦЗС. Данная наземная структура позво¬
ляет создать общерегиональную сеть и независимые территориальные,
локальные сети при едином централизованном управлении.
В пользовательский сегмент, как и в Инмарсате, входит порядка
10 типов (стандартов) станций-терминалов Ь-диапазона, отличающих¬
ся размерами и ДН антенн (всенаправленные, слабонаправленные, на¬
правленные), т. е. добротностью (от -22 до -9 дБ/К), ЭИИМ (от 4 дБВт)
и, соответственно, возможностями работы в движении.
Системы ориентированы на передачу всех видов сообщений со
скоростями до 9,6—16 кбит/с и использование малых ЗС подвижных
морской, сухопутной, воздушной спутниковых служб для телефонной
связи и передачи данных, диспетчеризации, управления воздушным
движением и наземным транспортом, предоставления широковеща¬
тельных голосовых (в частности, диспетчерское радио) и технологи¬
ческих услуг.
Решавшая близкие, но более ограниченные по пропускной спо¬
собности задачи отечественная система ПСС Волна была органи¬
зована на базе геостационарных спутников Горизонт в диапазоне
1,5/1,6 ГГц на абонентских линиях и в диапазоне 6/4 ГГц на фидер¬
ных линиях. Использовались четыре КА Горизонт на позициях 11°
з.д, 40° в.д., 90° в.д. и 145° в.д., две БЗС в г. Находка и три БЗС в г.
Гусь-Хрустальный.
102
Срок гарантированной работы КА Горизонт истек (КА Горизонт на
позиции 145° в.д. запущен в июне 2000 г.). Сохранение работоспособно¬
сти системы зависит от наличия космического сегмента. Его возмож¬
ности исчерпывались в связи с тем, что на КА Экспрессу пришедших на
смену КА Горизонт, отсутствовал ствол ретрансляции в Ь-диапазоне.
В системе Волна использовались АТ только стандарта Инмарсат-Л (диа¬
метр антенны 1,2 м). Необходимо было модернизировать базовые стан¬
ции с тем, чтобы они могли работать с терминалами стандартов С, М
(диаметр антенны 0,4 м). Для сохранения работоспособности системы
и выделяемого ей частотного ресурса в настоящее время на российских
СР семейства Экспресс-АМ установлен малоинформативный ретранс¬
лятор ПСС, подобный стволу Б-диапазона СР Инмарсат предшествую¬
щего поколения.
В России были разработаны также проекты Марафон и Триада, пре¬
дусматривающие использование не только ГСО, но и ВЭО типа «Мол¬
ния». По своим характеристикам, прежде всего в части пользователь¬
ского сегмента, они близки к стандартам Инмарсата-3. Однако эти про¬
граммы не были реализованы из-за отсутствия финансирования.
В Европейском регионе создана ГСО система ЕМ5(Еигореап МоЬПе
За^еПйез) на базе ретрансляционных комплексов (отдельных стволов,
транспондеров) диапазонов Б (абонентская линия) и Ки (фидерная ли¬
ния), установленных на двух КА Италсат-Г2 (13,2° в.д.), являющимися
многоствольными спутниками национальной системы ФСС, и КА Ар-
темис, относившегося к т.н. релейным и экспериментальным програм¬
мам. Переход в диапазон Ки дает возможность в качестве сетевых, зо¬
нальных ЗС использовать более легкие, в том числе перевозимые, стан¬
ции типа У5АТ.
Бортовые антенны СР обеспечивают покрытие континента одним
лучом, более узким, чем глобальный (ЭИИМ = 42—45 дБВт, С/Т =
= -2 дБ/К), что позволяет, в частности, организовать цифровую ТФ
связь и ПД со скоростью передачи до 4,8 кбит/с через переносные тер¬
миналы с одноэлементной (например, спиральной), направленной в вер¬
тикальной плоскости антенной с усилением 7 дБ (служба М5ВЫ). В се¬
тях этого типа возможен децентрализованный доступ к ресурсам СР, а
также связь по принципу «каждый с каждым» (до 2400 бит/с) с исполь¬
зованием МДКР (СНМА). Низкоскоростная передача данных (по анало¬
гии со стандартом Инмарсат-С) предусмотрена через малогабаритный
терминал подсистемы Продат, антенна которого может встраиваться в
крышу автомобиля. На рис. 05.4, бив табл. 05.2 приведены образцы раз¬
работанных для этих целей ЗС и некоторые их параметры.
103
В указанных режимах систе¬
ма ЕМ5 используется множеством
служб различных назначений и при¬
надлежностей, от общедоступных,
дополняющих наземную, в частно¬
сти, сотовую и транкинговую связь,
до частных, корпоративных, государ¬
ственных сетей и ведомств (полиция,
транспорт, медицина, силы быстрого
реагирования и т. д.).
Примерно в тот же период (1993—
94 гг.) развернута еще одна круп¬
ная СПСС под названием МоЬИе5а1
(ОрШз), предназначенная для обслу¬
живания регионов Австралии, приле¬
гающих акваторий и ориентирован¬
ная, в основном, по протоколам ра¬
диодоступа и сетевым интерфейсам,
на сухопутную ПСС в объеме пользо¬
вательских услуг, аналогичных стан¬
дартам Инмарсат-М, С.
Два спутника серии АиззаЬ-В1 и
В2 (позднее заменен на ВЗ), разрабо¬
танные на базе платформы Н5-601,
выведены в точки ГСО 160° и 156°
в.д. Эти СР являются комбиниро¬
ванными, в том смысле, что содержат
8 стволов ретрансляции ФСС с кон¬
турными ДН, работающих в Ки диа¬
пазоне и охватывающих регионы Ав¬
стралии, Океании и Новой Зеландии,
плюс один ствол ПСС Ь-диапазона с
локальным лучом и большой выход¬
ной мощностью (150 Вт), обеспечивающей ЭИИМ = 46—48 дБВт на краю
зоны, т. е. в прибрежных районах континента.
В системе имеются две сетевые ЦЗС (основная и резервная), соеди¬
ненные с управляющим центром и имеющие выход в наземные ТФ и
15ВЫ сети. Общая емкость всех сетей, благодаря достаточно высокой
для узкополосных линий энергетике, достигает 1000 цифровых кана¬
лов, имеющих скорости 6,6 кбит/с для передачи речи и 2,4 кбит/с для
б)
Рис. 05.4
104
ПД, факса. В качестве абонентских терминалов применялись станции 51
фирмы КГЕС и УУезИпфоизе Зепез 1000, близкие к стандарту Инмарсат-М
(ЭИИМ = 6 дБВт, С\Т = -18 дБ/К), но более компактные (рис. 05.4, а).
Система дополняет сети сотовой связи, занимающие 5% территории
Австралии, и распространяет их на все регионы континента. В после¬
дующем она была развита для обслуживания выделенных, закрытых
пользовательских сетей (С1ГС — СЬзеб Изег Сгоир) со своими ЦЗС, а
также передачи данных между отдельными АТ («точка-точка») с повы¬
шенной скоростью до 64 кбит/с.
Большое внимание системам МСС исторически уделяется и в Японии.
Разработки и исследования там начали проводиться в конце 80-х гг. про¬
шлого столетия, начиная с запуска на ГСО экспериментальных спутни¬
ков серии ЕТ5 для отработки принципов мобильной связи с портативны¬
ми, подвижными автомобильными и корабельными терминалами. В ча¬
стности, в 1988 г. в точку 150° в.д. был выведем первый из них ЕТ5-У,
работающий в Б-диапазоне ПСС и в С-диапазоне фидерной линии, затем
появился ЕТ5-У1, с ретранслятором 5-диапазона и бортовым рефлектором
диаметром 3,5 м.
Особо важный задел японскими компаниями был создан для рабо¬
ты МСС в диапазоне миллиметровых волн. В конце столетия в точку
121° в.д. выведен СР КОМЕТ5-1, обеспечивающий покрытие Японии
и ее территориальных вод узкими лучами в полосах частот 31/21 и
47/44 ГГц.
Другой класс ГСО систем представляют разработанные на рубеже
90-х гг. проекты Еи(екгасз, ОтпИгасз, основанные на использовании пока
нетрадиционных для ПСС технологий и стволов Ки-диапазона геоста¬
ционарных спутников ФСС (Еи(е1за(, ЗрасепеЬ, М5АТ). Они направлены
на предоставление услуг по диспетчерскому управлению и связи с под¬
вижными объектами, передаче формализованных сообщений и сбору
данных об их техническом состоянии и местоположении.
Стволы Ки диапазона имеют ЭИИМ = 40—46 дБВт и добротность
минус 3,5 дБ/К, при этом один из них работает в прямом направлении,
другой в обратном. Как правило, на весь регион (общую зону обслужи¬
вания СР с контурным лучом ДН бортовой антенны) имеется 1—2 ста¬
ционарные мощные ЦЗС, связанные наземными каналами с диспетчер¬
скими центрами (табл. 05.1). ЗС-терминалы имеют слабо направленные
антенны с шириной ДН порядка 6° по азимуту, 40° по углу места, ЭИИМ
около 19 дБВт и отличаются малыми размерами.
Такое построение системы приводит к заметной асимметрии ско¬
ростей передачи информации, позволяя передавать в прямом направ-
105
лении (ЦЗС-АТ) до 5—10 кбит/с, а в обратном (АТ-ЦЗС) — лишь сотни
бит/с. В то же время, оно позволило устанавливать малые терминалы
в массовом количестве, в частности, на автомобилях междугородных
линий, для контроля грузовых перевозок. СПСС с подобными же зада¬
чами, но с использованием т.н. «малых» низкоорбитальных спутников
создаются как альтернативные, либо дополняющие упомянутые раз¬
работки.
В заключение раздела отметим, что, несмотря на исторически сло¬
жившееся лидирующее положение систем с ГСО, им присущ ряд осо¬
бенностей, затрудняющих решение специфических задач ПСС и по¬
вышение их пропускной способности. К числу таких недостатков от¬
носятся:
— временные задержки распространения сигнала, которые при
двухскачковом режиме речевой связи через центральную, зо¬
нальную ЗС не удовлетворяют требованиям по качеству обслу¬
живания;
— уменьшение углов связи для АТ, находящихся в средних и вы¬
соких широтах (более 40 градусов), существенно затрудняет ус¬
ловия работы из-за влияния рельефа и местных предметов (де¬
ревьев, строений и т. д.);
— максимальные, по отношению к большинству других орбит,
дальности и, следовательно, потери на трассе, превышающие
190—200 дБ даже в диапазоне ДЦВ, что препятствует упроще¬
нию, уменьшению размеров, массы, энергопотребления как на¬
земной аппаратуры ЗС, АТ, так и полезной нагрузки КА, прежде
всего антенно-фидерных устройств.
Снижение орбиты СР рассматривается как одно из альтернативных
направлений развития и совершенствования МСС. В этой области, еще
до разработки многоспутниковых НГСО систем ПерСС получили рас¬
пространение т.н. «малые» (по размерам, энергетическим возможностям
и количеству КА), низкоорбитальные группировки, обеспечивающие пе¬
редачу неречевых сообщений относительно небольших объемов и с не¬
высокой скоростью, причем в начале преобладала передача с накопле¬
нием в бортовой памяти и задержкой во времени.
К числу таковых относятся, в частности, применяемые в нашей стра¬
не международная система поиска и спасения Коспас-Сарсат, а также
отечественная НО система Гонец-Д. С начала 80-х гг. прошлого столетия
разрабатывалось много подобного рода проектов. Ниже описаны наибо¬
лее известные из них.
106
Малые низкоорбитальные системы для передачи данных
Основными областями применения малых НО СПСС являются пе¬
редача коротких текстовых и цифровых сообщений, мониторинг состоя¬
ния и местоположения подвижных объектов, экологический, промыш¬
ленный, специализированный мониторинг.
Спутники-ретрансляторы таких систем весят от десятков до несколь¬
ких сотен кг, работают в низкочастотной области ДЦВ или МВ диапазоне
и ориентированы, главным образом, на сеансную, низкоскоростную пе¬
редачу данных, в частности, цифровой компьютерной, формализованной
информации. Их отличительными особенностями являются:
— пакетный режим передачи с предоставлением каналов по тре¬
бованию или в опросном режиме (с перерывами в обслужива¬
нии);
— использование легких, портативных терминалов с ненаправлен¬
ными антеннами;
— как правило, групповой запуск малых КА на орбиту, группиров¬
ки которых не обеспечивают непрерывной во времени радиови¬
димости с ЗС;
— существенно более низкая стоимость услуг по сравнению с более
информативными системами ПСС и ПерСС.
Гонец
Эту российскую систему планировалось создавать в 2 этапа с исполь¬
зованием современных технических решений в области спутниковых и
сетевых технологий. К настоящему времени реализован первый этап
(1991—2004 гг.) — развернута система с работой по расписанию и/или
задержкой доставки сообщений типа «электронная почта» (Гонец-Д1).
Она включает орбитальную группировку из 9 КА (вес каждо¬
го 240 кг) на круговой приполярной орбите высотой 1500 км, центр
управления связью (г. Москва), три региональные ЗС (г. Москва,
г. Железногорск Красноярского края и г. Южно-Сахалинск), земные
средства пользователей на базе различных типов АТ. Основной объем
трафика составляют сообщения, передаваемые внутри регионов про¬
тяженностью около 4000 км, определяемой размером зоны обслужи¬
вания КА.
Терминалы, программное обеспечение которых настроено на группо¬
вой режим обслуживания, работают по жесткой программе, определен¬
ной при вводе в систему. Количество терминалов в группе, работающих
в коротком интервале через СР, зависит от объема передаваемой инфор¬
мации. РЗС рассчитывает зоны уверенного обслуживания АТ своего
107
региона каждым спутником системы и заказывает в центр управления
связью (ЦУС) необходимый ресурс. ЦУС распределяет общий ресурс
системы и составляет расписание работы АТ, а РЗС в выделенное время
организует групповой сеанс связи или обслуживание отдельных групп
абонентов, например, сбор информации.
Наряду с ориентацией системы на региональное обсл уживание даже
один спутник системы обеспечивает глобальность обслуживания с пе¬
рерывами, т. е. передачу сообщений от одного абонента к другому при их
расположении в разных регионах земного шара. В случаях невысоких
требований к оперативности доставки переданное на спутник сообще¬
ние запоминается и направляется получателю, когда он находится в зоне
радиовидимости КА.
Гонец-Д1 работает в диапазоне частот 200 - 300 МГц. Пропускная
способность системы из 6 КА — около 100 Мбит/сутки. Время доставки
информации в режиме «электронная почта» при расположении отпра¬
вителя и получателя в зоне радиовидимости одного К А не более 2 мин.
Одной из основных характеристик системы является время ожидания
сеанса связи, которое при ограниченном составе ОГ носит дискретный
характер и изменяется случайным образом в некоторых пределах
Система способна обслуживать до 4000-10 000 терминалов, в зави¬
симости от интенсивности обращения, объемов передаваемой инфор¬
мации и режима обслуживания. Объем сообщения, передаваемого при
одном обращении к спутниковому каналу (в одном, примерно минутном
сеансе) — до 100 Кбит. Скорость передачи информации в спутниковом
канале составляет 2,4 кбит/с.
Имеется несколько модификаций АТ: для мобильных и стационар¬
ных объектов, обслуживаемых (информация готовится и ставится в оче¬
редь на передачу с участием оператора) и необслуживаемых (АТ, состы¬
кованные с внешним вычислительным комплексом, осуществляющим
сбор и подготовку данных, или АТ для отслеживания местоположения
подвижных объектов).
Терминалы Гонец-Д1 постоянно находятся в режиме приёма инфор¬
мации. При обнаружении сигнала управления от РЗС, в составе которо¬
го имеется информация о разрешении ему работы с КА в данном сеансе
связи, АТ автоматически осуществляет приём и передачу информации
в выделенный интервал времени. Базовая скорость передачи и приема
составляет 2,7 кбит/с. Кроме того, в сеансе связи АТ получает подтвер¬
ждение о достоверной записи передаваемой информации с борта КА.
Квитирование приема является обязательным условием функциониро¬
вания ведомственных подсистем.
108
Таблица 053
X?
Параметры
Гонец
Орбком
"I
Скорость передачи
2,4 кбит/с
АСТ2,4 кбит/с
14,8 кбит/с;
УСДТ! 57,6 кбит/с
' 3
Сбор- передача данных с
любых видов датчикв
+
+
' 4
Пропускная способность
ГонецД1 — 100 Мбит/су-
тки; временной ресурс —
74,5 мин/сутки
1 КА - 60 тыс. сообщ/час
28 КА 5млн. сообщ/день
по 5 байтов
5
Количество телепортов в
России
ЦУС (основной и резерв¬
ный), РС и АС
3-6 УСД; ЦУС и АС
6
Мощность терминала або¬
нента, Вт
1+10
до 1 Вт
7
Стоимость системы,
$США
220 млн
космич.сегмент —175 млн
8
Стоимость абонентск.
терминала, $США
от 1000 до 3000
200:550
9
Стоимость телепорта, $
нет данных
10 млн
10
Состояние разработки
Но плану 6 КА Гонец
Д1М- 2009-2010 гг.
Последний К А - 111
кв.1998 г.
Система работает
ЦУП - Центр управления полетом; ЦУС — центр управления сетью; СС - станция
сопряжения; БНЦ — баллистико-навигационный центр; РС — региональная станция;
АС — абонентская станция; КА — космический аппарат; БС — базовая станция; УС —
узловая станция; УСД — узел спутникового доступа.
Многие задачи, связанные с мониторингом подвижных объектов,
чрезвычайными ситуациями и т. д., а также оперативной передачей ТФ
информации, требуют непрерывности связи. В связи с этим, начиная с
2000 г. в соответствии с Федеральной космической программой ведутся
работы по второму этапу — созданию многофункциональной системы
Гонец-Д1М, которые находятся в стадии разработки рабочей докумен¬
тации, изготовления макетов и опытных образцов.
В соответствии с планами развития предусматривается работа сис¬
темы в дополнительной полосе частот диапазона 300—400 МГц со зна¬
чительно увеличенной пропускной способностью, доведением скоро¬
стей передачи информации до 9,6 и 64 кбит/с на участках вверх и вниз,
соответственно, а также свободным доступом потребителей к каналам
связи.
Орбитальная группировка вначале должна была состоять из 12 К А
(в 4-х орбитальных плоскостях, по 3 КА в каждой, с наклонением 82,5°
и разнесением плоскостей по долготе на 45°). Затем, в 2008 г. число КА
было увеличено до 24, что позволяет охватить всю территорию России.
109
Предполагается, что ввод 5-7 региональных станций позволит обеспе¬
чить связью на территории РФ около 200 тыс. пользователей.
Система Гонец-Д1М, наряду с выполнением функций Гонца-Д1, пред¬
назначена для решения следующих задач:
— передача любой информации, сегментированной на пакеты, в
цифровом виде;
— диспетчерская радиотелефонная связь подвижных и стационар¬
ных абонентов в зоне радиовидимости КА;
— определение местоположения подвижных объектов (самолётов,
морских судов, железнодорожного и других видов транспортных
средств);
— автоматизированный сбор данных различного назначения с дат¬
чиков контроля состояния объектов, в том числе необслуживае¬
мых.
Система создается с учётом возможности ее дальнейшего развития в
направлении увеличения ОГ и числа рабочих каналов, количества обслу¬
живаемых абонентов и сокращения времени доставки информации. Пред¬
полагается, что наращивание ОГ до 24-48 КА позволит обеспечить персо¬
нальную связь в глобальной зоне обслуживания, а также повысить опера¬
тивность доставки сообщений на Крайнем Севере и Дальнем Востоке.
Основные характеристики системы Гонец первого этапа приведены
в табл. 05.3.
Орбкомм
Международная система Орбкомм разработана в США и предназна¬
чена для двусторонней передачи сообщений, автоматизированного сбора
данных и определения местоположения объектов, предоставления услуг
электронной почты (Х.400, Х.25).
Космический сегмент состоит из 36 (на первом этапе из 28) НО спут¬
ников весом 43 кг, из которых 32 (24) КА выводятся на круговые орбиты
высотой порядка 800 км, по 8 КА в четыре (три) равномерно разнесенные
плоскости с наклонением 45° и 4 КА находятся на круговых околополяр-
ных орбитах. Легкий ракетоноситель Пегас, запускаемый с самолета,
выводит на орбиту одновременно восемь спутников. Таким образом, ОГ
обеспечивает глобальное покрытие, при диаметре зоны обслуживания
одного СР, составляющем около 5000 км.
На борту КА установлены три передатчика. Первый имеет мощность
40 Вт и транслирует данные на абонентском участке по 10 частотным
каналам (МДЧР) со скоростью 4,8 кбит/с в полосе частот 138—139 МГц.
Второй имеет мощность 5 Вт и предназначен для передачи по фидерной
110
линии (на несколько ЦЗС и БЗС) сигналов от АТ, уплотненных методом
ВРК, с групповой скоростью 57,6 кбит/с. Третий высокостабильный пе¬
редатчик мощностью 1 Вт, работающий на частоте 400,1 МГц, выполняет
функции радиомаяка для автоподстройки ЗС.
Передача на линии вверх (абонентский участок) со скоростью
2.4 кбит/с обеспечивается по 6 каналам (МДЧР), каждый из которых
может быть настроен на любую частоту в полосе 148—150 МГц, а по фи¬
дерной линии — на частоте 149,6 МГц в полосе 50 кГц. При этом сигналы
АТ и ЦЗС демодулируются в СР, после чего первые уплотняются в груп¬
повой поток временным методом, а вторые, наоборот, разуплотняются
для передачи на АТ методом МДЧР. Кроме того, на борту КА установлен
приемник СРЗ.
Одной из особенностей системы Орбкомм является использование
частотного диапазона на вторичной основе. Пользователям предостав¬
ляются свободные каналы, которые появляются в промежутках между
передачей в наземных мобильных службах. При этом должно выпол¬
няться условие отсутствия взаимных помех с гой и другой стороны.
Решение этой задачи осуществляется размещенной на спутнике т.н.
Системой динамического распределения доступных каналов (СДРДК).
Основной смысл ее работы заключается в том, что каждые 8 секунд
она осуществляет сканирование в диапазоне 148,0—149,9 МГц с шагом
2.5 кГц, определяет свободные каналы и представляет их мобильным
ЗС-терминалам для передачи сообщений на спутники.
Наземный сегмент системы включает в себя стационарные ЦЗС,
РЗС, или станции сопряжения, а также региональные центры управле¬
ния выполняющие контроль трафика в той или иной стране и взаимо¬
действие сетей, и центр управления всей сетью (ЦУС) Орбкомм, нахо¬
дящийся в ее штаб-квартире (шт. Вирджиния).
Станции сопряжения являются промежуточным звеном между ре¬
гиональными центрами управления и собственно СПСС. Количество и
местоположение станций сопряжения определяется в зависимости от
размеров обслуживаемой территории и требований к оперативности
связи. При одновременной радиовидимости КА с АТ и РЗС время дос¬
тавки сообщения составит 1—2 мин.
На каждой стационарной ЗС (СС), как правило, размещаются две
большие антенны со следящими системами, высокочастотный тракт,
оборудование обработки сообщений, модемное и программное обеспе¬
чение для обмена с ЦУС.
Пользовательский сегмент базируется на двух основных типах тер¬
миналов: стационарном (в т.ч. необслуживаемом) — для сбора данных, и
111
мобильном — для двухсторонней связи, к которым могут подключаться
дисплей с клавиатурой или внешнее устройство сопряжения с аналого¬
выми линиями.
Компанией Орбкомм, совместно с другими компаниями, разработа¬
на серия АТ-коммуникаторов, например, автомобильные ЕЬ-2000 (фир¬
ма ЕНз^га), для речных судов КХ-С7000, КХ-С7004 (Рапазошс), сухопут¬
ные мобильные и стационарные Сотсог300В, Тгаккег211 (фирма Тоггеу
Заепсе).
Ряд портативных коммуникаторов снабжены встроенными дисплея¬
ми для отображения принимаемых и передаваемых сообщений, коор¬
динат местоположения, буквенно-цифровым наборным полем для под¬
готовки передаваемого сообщения, стандартным интерфейсом КЗ-232.
Размер передаваемого/принимаемого сообщения может составлять от
6 до 250 знаков (до 2 кбайт).
В частности, терминалы вместе со станциями сопряжения могут ра¬
ботать в следующих режимах (ручных или автоматических):
— Ба1:а№1: — необслуживаемый, по запросу с КА, с квитированием;
— МарЫе!; — для сбора данных о местоположении, по опросу с КА;
— 5есигеЫе<; — для передачи экстренных, аварийных сигналов;
— УйаКе1; — универсальный, с двухсторонним пакетным обме¬
ном.
Для приема сигналов навигационных спутников в режиме определе¬
ния местоположения имеется встроенная СРЗ-антенна. Прием других
сообщений осуществляется с использованием гибкой штыревой антен¬
ны (около 1 м). Основные параметры системы и оборудования приведе¬
ны в таблице 05.3.
05.3. Персональная спутниковая связь
Развитие систем ПСС в направлении уменьшения массогабаритных
и энергетических параметров АТ и повышения эффективности борто¬
вых антенн СР привело к появлению персональной спутниковой связи,
предполагающей не только работу из подвижных объектов, но и сле¬
дование терминала за абонентом, т. е. использование ручных (карман¬
ных), носимых (типа кейса), легких автомобильных АТ. Характерной
отличительной особенностью спутниковых персональных терминалов,
обусловленной их портативностью, являются ненаправленные или сла¬
бонаправленные антенны и сверхмаломощные передающие устройства.
В связи с требованиями биозащиты мощность АТ типа ТФ трубки долж¬
на ограничиваться, по разным источникам, 50—300 мВт.
112
Первоначально для систем ПерСС предусматривалось использова¬
ние участков диапазона ДЦВ, выделенных РР подвижной спутниковой
службе. Позднее, ввиду высокой загруженности этого диапазона и ог¬
раничений по пропускной способности при малых габаритах оборудо¬
вания, появились предложения о создании АТ и СР, рассчитанных на
работу в более высокочастотных диапазонах, в частности, X, Ки, Ка.
Здесь следует отметить, что, поскольку нет четких, регламентиро¬
ванных определений, к персональным часто относят и стационарные,
например, настольные, либо коллективные по использованию (в част¬
ности, для таксофонов) терминалы с направленными или слабонаправ¬
ленными антеннами, которые обладают более широкими возможностя¬
ми по энергетике и рабочим диапазонам час тот, отводимым как ФСС,
так и ПСС.
Таким образом, под персональной спутниковой связью обычно по¬
нимается предоставление услуг широкого спектра, для подвижных и
фиксированных абонентов, рассчитываемое на самый энергетически на¬
пряженный случай — применение АТ с параметрами ручной телефонной
трубки, но предусматривающее использование и других типов мобиль¬
ных и стационарных терминалов.
Как отмечалось выше, одной из главных особенностей, усложняю¬
щей реализацию систем ПерСС, помимо ограниченной энергетики в ли¬
ниях связи, является подверженность влиянию местных предметов в
процессе перемещения, в особенности при критических углах места АТ.
В результате современные СПерСС, в отличие от наземной сотовой свя¬
зи, устойчиво работают только при прямой видимости между АТ и СР,
т. е. на достаточно открытой местности.
Поэтому проблемы развития МСС, относимых ко второму поколе¬
нию, сводятся, прежде всего, к обеспечению энергетических возможно¬
стей и условий для надежной и (в отличие от рассмотренных выше ма¬
лоинформативных НО систем), непрерывной в реальном времени переда¬
чи (и приема) разнообразной, но все же узкополосной, низкоскоростной
информации (речевой, факсимильной, видео, разного рода данных) с
использованием портативных (носимых, карманных, ручных, «датчи-
ковых», необслуживаемых) абонентских терминалов. Попытки решения
такого рода задач имеют место в целом ряде современных НГСО и ГСО
систем с тяжелыми («большими») СР.
При тех ограничениях, которые наложены на размеры, т. е. ЭИИМ и
добротность носимого терминала, существуют три основных пути повы¬
шения энергопотенциалов на абонентских участках ЛС: 1) уменьшение
затухания в свободном пространстве, т. е. снижение орбиты спутника;
113
2) повышение ЭИИМ и добротности СР; 3) использование нескольких
разнесенных каналов передачи через разные СР, либо ретрансляторы на¬
земных сетей. Причем, поскольку шумовая температура приемной сис¬
темы СР обычно находится на пределе реализации, а уменьшение высо¬
ты орбиты также не беспредельно, действенным средством повышения
энергопотенциала (ЭП) участка вверх является увеличение размеров
приемной бортовой антенны.
В предложенных в последние годы системах ПерСС эволюционно
развиваются первые два направления. Так, рассматриваемые ниже спут¬
ники Иридиум, Глобалстар, Айко и др. выводятся на низкие или средние
орбиты и используют относительно эффективные, но небольшие по раз¬
мерам антенны, а СР Гаруда и Турайа, запускаемые на ГСО, обеспечи¬
вают необходимые ЭП за счет применения разворачиваемых в космосе
зеркальных антенн с намного большими размерами (диаметром поряд¬
ка 12 м), а также повышения излучаемой мощности ретрансляторов, т. е.
использования высокоэнергетических космических платформ. При этом
с целью покрытия достаточно обширных региональных зон обслужива¬
ния и, одновременно, повторного использования частот (ПИЧ), борто¬
вые антенны образуют большое количество лучей, исчисляемое десятка¬
ми и сотнями, между которыми тем или иным образом распределяется
выходная мощность СР.
Все же, несмотря на качественное улучшение энергетических воз¬
можностей систем в целом, в линиях связи с АТ сохраняется известный
дефицит энергопотенциала, в особенности при работе на малых углах
связи. Это не способствует достижению постоянной надежности и пре¬
пятствует увеличению скорости передачи информации в каналах, т. е.
реализации широкополосных, в частности, мультимедийных услуг, а,
следовательно, и причислению систем такого типа к третьему поколе¬
нию мобильной связи.
5.3.1. НГСО системы с круговыми орбитами
В начале 90-х появились сообщения о разработке за рубежом низко-
и среднеорбитальных СПерСС массового применения, которые сперва
вызывали настороженность, затем постепенно переходившую в живой
интерес. Характерными чертами такого рода больших НГСО систем яв¬
ляются: многоспутниковые группировки с многолучевой архитектурой
и бортовыми МЛА в виде активных фазированных решеток (АФАР), но
значительно меньших размеров, чем на ГСО, и почти глобальные зоны
обслуживания.
114
Среди наиболее передовых в технологическом отношении проек¬
тов выделяется ССС Иридиум. Постановка дела в образованной для
реализации этой системы компании позволила воспользоваться не
только появившимися к этому времени сверхновыми электронными
и аппаратно-программными технологиями, но и уделить значительное
внимание оригинальным системно-сетевым решениям и их рекламе,
не жалея средств на огромные финансовые затраты. Затем стали из¬
вестны и другие зарубежные системы, такие как Глобалстар, Эллипсо,
Айко (/СО) и др.
Настоящий бум проектов и подачи заявок на разработку НГСО низ¬
коорбитальных, средневысотных (круговых и эллиптических) косми¬
ческих систем приходится на период смены глобальных политических
ориентиров, время ухода от программы стратегической оборонной ини¬
циативы, когда колоссальные материальные, экономические средства,
технические достижения и человеческие усилия, израсходованные на
разработку военных систем, оказались недостаточно востребованными.
Поэтому был предложен ряд конверсионных программ, в том числе по
запуску спутников связи коммерческого назначения, в частности, для
подвижной телефонной связи в реальном времени. Среди большого ко¬
личества таких проектов реализуемыми, в технологическом и экономи¬
ческом плане, стали Иридиум и Глобалстар.
Вслед за этим и в России появился ряд предложений по низкоорби¬
тальным системам подвижной и персональной связи такого же класса,
отношение к которым не могло не измениться и у нас. К таковым следует
отнести Курьер, Коскон, Гонец, Сигнал и многие другие. Однако сегодня
следует констатировать, что большинство из объявленных проектов, за
исключением, может быть, Гонца, не получило достаточного развития и
указанные системы не были реализованы. На причинах этого мы оста¬
новимся ниже.
Тогда же в России сложилась ситуация, при которой обеспечение
персональной спутниковой связи стало возможным, главным образом,
на пути создания т.н. российских сегментов международных НГСО
систем Иридиум, Глобалстар. Рассмотрим их основные особенности и
технические характеристики, а затем, с целью иллюстрации возможно¬
стей данного направления развития ПерСС, коснемся некоторых других,
пока не реализованных проектов.
Иридиум
Этот проект, в котором ведущую роль сыграла всемирно извест¬
ная компания Мо1ого1а, отличается, безусловно, новаторством, ориги¬
115
нальностью, передовыми идеями и в то же время особой судьбой. Для
СПерСС Иридиум были выбраны низколетящие спутники с высотой ор¬
биты 780 км, в 1,5—2 раза меньшей, чем у многих других НО систем (что
приводит к нахождению спутников примерно в течение половины вит¬
ка в тени Земли и способствует снижению их энергетической емкости).
Соответственно потребовались большее количество спутников в ОГ и
более частое переключение при переходе от одного К А к другому.
Космический сегмент включает 66 рабочих и 6 резервных КА, распо¬
ложенных на шести равномерно разнесенных круговых орбитах (плос¬
костях) с высотой 780 км и наклонением 86,4°, т. е. по 11 (плюс 1) СР
в каждой плоскости. При таком построении ОГ система обеспечивает
глобальное покрытие и обслуживание, кроме того, создается известная
избыточность в перекрытии зон смежных СР по мере приближения к
полюсам Земли.
На каждом СР установлены три вида бортовых антенных устройств:
— 6 МЛА типа активных фазированных антенных решеток (АФАР),
используемых на абонентских линиях Ь-диапазона и формирую¬
щих 48 парциальных лучей (по 8 лучей каждая) с диаметром
зоны покрытия луча порядка 600 км;
— 4 антенны для связи со станциями сопряжения по фидерным
линиям Ка-диапазона;
— 4 волноводно-щелевые антенны межспутниковых линий связи
(МЛС), работающих также в диапазоне Ка, с 4 ближними КА,
находящимися в той же орбитальной плоскости и в двух смеж¬
ных плоскостях.
Многолучевое покрытие в абонентских линиях применяется, как и
в ГСО системах, для повышения энергопотенциала ЛС и организуется,
по аналогии с сотовыми сетями С5М, в виде групп парциальных зон
(кластеров), что обеспечивает повторное использование, т. е. экономию
выделенной полосы частот.
Для обеспечения многостанционной связи внутри зоны каждого
луча применен метод МДВР (ТОМА) с временным дуплексным разно¬
сом (ТИЭ) при работе СР и АТ в одной и той же полосе частот на прием
и передачу, что является оригинальным решением и, наряду с межспут¬
никовой связью, отличает систему Иридиум от всех других известных
СПерСС.
Использование временного разделения между станциями, а также
и временного дуплекса означает, что система является полностью син¬
хронной. То есть для передачи и приема терминалам назначаются вре¬
менные слоты в общем кадре, формирование которых осуществляется
116
при условии приема единого для всей системы синхросигнала с бор¬
та КА. При работе в пакетном формате (в режиме один пакет на несу¬
щую) длина пакета в структуре кадра приема и передачи принята равной
8,28 мс, кадр имеет длительность 90 мс и состоит из 8 слотов, а также
защитных промежутков.
Информация от нескольких терминалов в течение кадра передает¬
ся на участке вверх с электрической (групповой) скоростью 180 кбит/с,
а принимается от СР со скоростью 400 кбит/с. При этом для передачи в
системе выделено 64 частотных канала, включая служебные (сигнали¬
зация, запросы и т. д.) с разносом 160 кГц и на прием — 29 каналов (в том
числе каналы синхронизации, управления и сигнализации) с разносом
350 кГц. Учитывая быстрое перемещение КА и большое число «сколь¬
зящих» лучей, время между переходами АТ из зоны одного луча (соты)
в другую (процедура «хэндовера») соизмеримо с минутой, что потре¬
бовало от разработчиков сложных алгоритмов переключения рабочих
частот, поддержания синхронизма АТ и соответствующего аппаратно-
программного обеспечения.
Все указанные функции, а также процедуры по вызову абонентов,
запросу, предоставлению, маршрутизации каналов, осуществляются с
применением демодуляции, регенерации и коммутации сигналов в СР.
На каждой станции сопряжения (СС) имеется абонентская база данных,
позволяющая регистрировать вызовы и направлять сообщения через
коммутатор СР по нужному маршруту, с помощью адресных комбина¬
ций, содержащихся в начале информационных пакетов, формируемых
и излучаемых АТ.
Наземный сегмент включает 15—20 шлюзовых станций сопряжения,
расположенных по всему миру (в частности, 2—3 в США) и несколько
центров управления системой (ЦУС), а также сетевых административ¬
ных центров.
Две СС или ЦУС могут работать в фидерных линиях Ка-диапазона
одновременно через один СР по 6 частотным каналам каждая, со скоро¬
стью порядка 12 Мбит/с и с использованием помехоустойчивого коди¬
рования. При обеспечении энергетических запасов в ЛС (предусмотрен¬
ных на случаи осадков) на участке вниз порядка 12—15 дБ и на участке
вверх 25—30 дБ это позволяет организовать через один СР до 1500 дуп¬
лексных абонентских каналов.
Связь между абонентами, находящимися в зонах обслуживания раз¬
ных КА, осуществляется без участия СС, с помощью межспутниковых
линий, что также является уникальным для действующих систем тех¬
ническим решением.
117
Для межспутниковых линий назначено 8 частотных каналов по
25 МГц в выделенной полосе (200 МГц) Ка-диапазона. Групповая ско¬
рость передачи в каждом канале — 25 Мбит/с, при использовании поме¬
хоустойчивого кодирования с прямым исправлением ошибок. Это соот¬
ветствует порядка 1200 информационных каналов.
Антенна МЛС имеет возможность сканирования в азимутальной плос¬
кости при ширине ДН в угломестной плоскости 5° и усилении 36 дБ.
Абонентские терминалы системы Иридиум разработаны фирмами
Мо1ого1а и Куозега в нескольких модификациях для мобильного (вози¬
мого) и портативного (ручного) вариантов. Они могут быть только спут¬
никовыми, либо двухмодовыми (МсИит/С5М). Предусмотрены также
коллективные мобильные (МХ11) терминалы и стационарные установки
типа таксофонов для малонаселенной местности.
Антенна спутникового радиотелефона выполнена в виде 4-заходной
спирали с усилением 1—3 дБ, имеет круговую по азимуту и слабона¬
правленную ДН по углам места в верхней полуплоскости. ЭИИМ АТ
достигает 6—8 дБВт, добротность — минус 23 дБ/К. АТ работает в дуп¬
лексном режиме со скоростью 2,4 кбит/с с использованием сверточного
кодирования и перемежения, автоматической компенсации допплеров¬
ского сдвига и изменения дальности до КА.
Основные технические параметры космического сегмента системы
приведены в таблице 05.4. Более подробные данные по характеристикам
СПерСС можно найти в [8,14,15,16].
Однако, несмотря на многие высокоэффективные идеи и высокотех¬
нологичные, пионерские решения система Иридиум оказалась не вос¬
требованной в той степени, как это прогнозировалось разработчиками
и производителями. В проект была вложена, по разным оценкам, бес¬
прецедентная сумма — от 4 до 6 млрд долл. Но по всему миру ее услуга¬
ми воспользовались приблизительно лишь 80 тыс. абонентов. В России
Иридиум предоставлял услуги менее чем 1000 пользователям, тогда как
планируемое количество абонентов исчислялось сотнями тысяч, а в пер¬
спективе — несколькими миллионами.
Средний расчетный тариф за минуту разговора составлял
3 долл./мин., тогда как в период привлечения клиентов в 1999 г. цена
минуты разговора снижалась до 1,6 долл., затем возрастала. До бан¬
кротства средняя стоимость персонального телефона была установ¬
лена в 3000 долл., затем снизилась до 1000—1500 долл. Такой же спад
произошел в эксплуатационных расходах. Все это сделало невозмож¬
ной широкую коммерческую эксплуатацию системы и привело к бан¬
кротству.
118
Таблица 05.4
Название системы
Иридиум
Глобалстар
АЙКО
Гонец
Орбкомм
Тип орбиты
низкая
низкая
средняя
низкая
низкая
Высота орбиты,км
780
1414
10360
1500
750-970
Количество КА
66-77
48
10-12
6; 48
48
Кол-во плоск./КА в
плоек.
6/11
8/6
2/5
2/3;6/8
6/8;2/1
Наклонение орбиты,
град.
86,3
52
45
83
50-90
Угол обзора Земли,
град*
122,5
108
44
105,6
120
Диаметр зоны р/вид.,
км *
4250
5830
12900
6046
4200
Наклонная даль¬
ность, км *
2330
3480
14400
3650
2300
Масса КА, кг (старт/
орбита)
689/317
450/250
5200/2200
225/-
40
Мощн. СБ (начало/
конец), Вт
1600
1250
6200/3500
60/-
80
Сумм. вых. мощность
СР, Вт
450
400
600
20/-
20
Кол-во лучей СР,
общ./сечен.
48/8
16/5
163/14
1/-
1
Но, как показал опыт, накопленный во время эксплуатации, пер¬
вопричиной неуспеха Иридиума явились не только слишком высокие
затраты на систему и, как следствие, слишком большая себестоимость
оборудования и услуг. Существуют мнения, что имели место ошибки в
маркетинговой политике компании-оператора, а также и недоработки
технического характера, что, в общем-то, присуще любым новым пред¬
приятиям, тем более столь масштабным.
Как уже отмечалось, большую роль в СперСС играют энергетиче¬
ские запасы в линиях связи. Но даже запас порядка 16 дБ, заложенный
в расчеты, в ряде случаев, в частности, при затенении трассы распро¬
странения сигналов из-за недостаточных углов места, не обеспечивал
приемлемую готовность и надежность функционирования Иридиума с
использованием ручных терминалов. Также установление межконтинен¬
тальной связи с помощью большого количества межспутниковых соеди¬
119
нений приводило к сбоям, отказам в бортовом программном обеспече¬
нии и для формирования орбитальной группировки пришлось вывести
на орбиту на 50% большее количество КА. Уже эти примеры наводят на
мысль не только о недоработках, но и о принципиальных системных
просчетах, в частности, выборе недостаточных размеров (т. е. усиления)
бортовых антенн.
После банкротства компания Иридиум ЫХ была выкуплена МО
США и реорганизована. В настоящее время она работает в коммерче¬
ском, но, видимо, «щадящем» режиме, без прежнего непомерного «прес¬
са» самоокупаемости и используется в интересах МО США.
Глобалстар
Система Глобалстар, появившаяся на рынке МСС в 1999 г., не на¬
много позже Иридиума, создана консорциумом фирм из США и дру¬
гих стран, в который входят, в частности, 38 Ьога1 (разработчик КА),
Одакютт (разработчик МДКР-СЭМА), А1каСе1 (разработчик связной
бортовой аппаратуры) и др. Как показало время, заложенные в нее сис¬
темно-технологические решения оказались более взвешенными и отра¬
ботанными. По разным экспертным оценкам затраты на ее создание со¬
ставили не менее 3 млрд долл, и превысили первоначальные проектные
расчеты почти в 2 раза.
Система заявлена для организации глобальной спутниковой под¬
вижной и персональной, телефонной и факсимильной связи, а также
передачи данных. Однако фактически, по зоне обслуживания, она яв¬
ляется поясной, т. е. выбранное орбитальное построение обеспечивает
надежную (при углах места не менее 20°) связь абонентам, расположен¬
ным южнее 70° с.ш. и севернее 70° ю.ш., и покрывает более плотно сред¬
ние широты от 20° до 50° с.ш. Действующая ОГ Глобалстар обеспечивает
углы места более 30° до 62,5° с.ш.
Глобалстар предоставляет: вокодерную телефонную связь со скоро¬
стями до 6 кбит/с (в зависимости от типа речепреобразующего устройст¬
ва (РПУ) АТ); передачу данных со скоростью до 9,6 кби г/с; возможность
организации двухстороннего обмена короткими текстовыми и речевыми
сообщениями; определение места нахождения пользовательских терми¬
налов; ряд других услуг связи, реализуемых в различных модификаци¬
ях терминалов.
Космический сегмент Глобалстар включает группировку из 48 низ¬
коорбитальных спутников, расположенных на круговых орбитах высо¬
той 1414 км в 8 плоскостях с наклонением 52° (по 6 КА в плоскости).
При глобальным охвате по долготе зона обслуживания системы распа¬
120
дается на множество отдельных зон, равное количеству КА в ОГ. В свою
очередь, каждая из них представляет собой совокупность зон покрытия
(ячеек) лучей бортовых МЛ А, применяемых в диапазонах Б и 8 на або¬
нентских участках вверх и вниз, соответственно. Число лучей МЛА на
прием и передачу равно 16, причем внешние граничные лучи имеют не¬
сколько более узкие ДН с целью компенсации потерь распространения
на краях зон покрытия КА.
ЭИИМ СР в каждом луче составляет порядка 30 дБВт, при диа¬
метре бортовой антенной фазированной решетки около 1 м, тогда как
общая ЭИИМ в фидерной линии, имеющей бортовую антенну с широ¬
кой ДН, равна 10 дБВт. Соответственно, добротности приемной сис¬
темы СР составляют минус 12 дБ/К и минус 26 дБ/К. Как и в других
НГСО системах, несмотря на расчетные запасы (порядка 10 дБ), здесь
также имеет место дефицит энергетики, приводящий к сбоям вызова
или перерывам, в особенности при малых рабочих углах связи (менее
20°), в случаях возникновении препятствий на участках распростра¬
нения сигналов.
На абонентских участках в ЛС каждого луча применен миогостанци-
онный доступ с комбинацией кодового и частотного разделения (МДКР-
МДЧР), а между лучами — также кодовое разделение сигналов, т. е. ПИЧ
с размерностью кластера, равной 1. Таким образом, ЛС каждого луча
всех СР занимают одну и ту же общую полосу частот, выделенную сис¬
теме. Эта полоса равна 16,5 МГц и разделена на 13 субполос шириной
по 1,25 МГц, в каждой из которых для разделения каналов применяется
технология СЭМА (МДКР), являющаяся спутниковой модификацией
стандарта 18-95 сотовой связи и беспроводного доступа 18-95М(8).
Структура орбитальной группировки обеспечивает одновремен¬
ную радиовидимость для АТ в основной зоне обслуживания несколь¬
ких (до 4-х) пространственно разнесённых КА. Благодаря этому за счёт
применения когерентного сложения или автовыбора и оптимальной об¬
работки сигналов, принятых от нескольких КА, повышается устойчи¬
вость и надежность связи.
Алгоритмы формирования и обработки вызова и запроса АТ на вхо¬
ждение в связь, определения и назначения номера рабочей частоты, луча,
КА, процедуры перехода соединения из луча в луч и др. осуществляются
в системе Глобалстар по принципам наземных сетей стандарта 18-95, с
учетом специфики спутникового канала. При движении спутника и тер¬
минала, с помощью каналов пилот-сигнала, синхронизации, персональ¬
ного вызова в прямом направлении и канала доступа от АТ в обратном
происходят: вхождение в синхронизм, «мягкая» и «жесткая» эстафет¬
121
ная передача («хэндовер») внутри луча (смена частоты несущей), внут¬
ри СР (смена луча) и между СР, динамическое управление мощностью
в РЗС и АТ.
В наземном сегменте все виды спутниковой связи подвижных або¬
нентов обеспечиваются через РЗС, называемые также станциями сопря¬
жения (СС) или Са1е\уау (шлюз). Помимо СС в состав наземного сег¬
мента входят Центры управления космическим сегментом, или спут¬
никовыми операциями (50СС) и сетью, или наземными операциями
(СОСС). В зоне обслуживания каждого спутника, по аналогии с сис¬
темами на ГСО, находится региональная ЗС, которая передает и при¬
нимает на фидерном участке через общий СР сигналы оконечных ЗС-
терминалов, находящихся в зонах всех 16 лучей. Таким образом, число
РЗС увеличивается по сравнению с системами на ГСО пропорционально
количеству КА.
Каждый абонент системы Глобалстар закреплен за определенной
станцией сопряжения, которая с одной стороны (по радиочастоте) свя¬
зана с КА, находящимися в ее зоне видимости, а с другой стороны, вы¬
полняя функции центра коммутации, имеет выход в сети общего поль¬
зования. СС состоит из 4-х подсистем: радиотехнической, подсистемы
МДКР, коммутационной и подсистемы управления.
Радиотехническая подсистема работает в С-диапазоне, в ее состав
входят 4 антенно-фидерных устройства (АФУ) с зеркалами диаметром
3,5 м и усилением 50,4 дБ на прием, 47,9 дБ на передачу. Из четырех ан¬
тенн три являются рабочими, обеспечивающими связь с тремя КА, а
одна — резервной.
РЗС обеспечивает прием и передачу сигналов в 8 частотных полосах
шириной по 16,5 МГц при двух поляризациях — правой и левой круго¬
вой, т. е. имеет 16 автономных трактов на прием и передачу в рабочем
диапазоне фидерной линии. В свою очередь, преобразование одинако¬
вых несущих частот сигналов абонентских линий, работающих в одних
и тех же 16 частотных полосах Б-диапазона с разделением (между луча¬
ми) по пространству и одновременно методом МДКР, в восемь смежных
частотных полос С-диапазона с двумя поляризациями происходит в СР
методом гетеродинирования со сдвигом по частоте.
В пользовательском сегменте Глобалстара применяются абонент¬
ские станции-терминалы нескольких типов: портативные (трубка в
руке), возимые (устанавливаемые на подвижных средствах), стацио¬
нарные (например, телефонный таксофон). Они имеют отличающиеся
параметры, поскольку используют разные антенны и передающие уст¬
ройства.
122
Так, выходная мощность передатчика портативных АТ составляет
600 мВт, а передатчика для подвижной и стационарной станций — до
2 Вт и более. В модификациях ручного АТ используется спиральная ан¬
тенна длиной 0,1 м с усилением —1 дБ, в возимых АТ — всенаправленная
спиральная антенна длиной 0,46 м (усиление 0 дБ), в стационарных —
решетка диаметром 0,3 м, составленная из нескольких спиралей длиной
0,46 м, с коэффициентом усиления 6 дБ.
Энергопараметры персональных АТ (табл. 05.2) примерно такие же,
как у других систем ПерСС: ЭИИМ -- минус 5 - 6 дБВт, добротность —
минус 21—22 дБ/К. Ручные терминалы Глобалстара в виде трубки вы¬
пускаются в двух- и трехмодовых вариантах, т. е. обеспечивают возмож¬
ность связи в наземных сотовых сетях СЗМ, СЭМА (13-95), ЭАМРЗ.
Стационарные абонентские терминалы могут использоваться совме¬
стно с АТС учрежденческой и местной связи, с сетями наземной под¬
вижной ведомственной связи, с оборудованием ОЕСТ, с таксофонами,
персональными ЭВМ и т. п.
В абонентских линиях связи Глобалстара предусмотрены опреде¬
ленные энергетические запасы, позволяющие ослабить влияние зами¬
раний. Перечень и качество услуг приближаются к услугам наземных
сотовых систем связи стандартов 15-95 и СЗМ. Однако, как показали ре¬
зультаты испытаний и эксплуатации этой и других систем ПерСС, такие
запасы должны быть значительно увеличены, чтобы можно было достиг¬
нуть надежности и качества связи, сопоставимых с сотовыми сетями не
только на открытых трассах.
Российский сегмент системы Глобалстар
Оператором и эксклюзивным поставщиком услуг персональной
спутниковой связи системы Глобалстар в России является ЗАО «Гло-
балТел», учредителями которого стали ОАО «Ростелеком» и «С1оЬа1з1;аг
Б.Р.».
Работы по созданию российского сегмента (РС) были завершены
полностью, технические средства сертифицированы и приняты в экс¬
плуатацию. На основании лицензии Минсвязи ЗАО «ГлобалТел» с но¬
ября 2000 г. начал коммерческую эксплуатацию российского сегмента.
Российский сегмент системы включает в себя три станции сопряже¬
ния, объединённые каналами связи между собой и с телефонной сетью
общего пользования, а также центр управления, центр поддержки абонен¬
тов, сервисный и биллинговый центры. Станции сопряжения размещают¬
ся в окрестности городов Москва, Новосибирск и Хабаровск, что позволя¬
ет обеспечивать услуги МСС практически на всей территории РФ.
123
Канальный ресурс российского сегмента системы Глобалстар состав¬
ляет 8000 каналов, из расчета 2000 каналов на каждый спутник при одно¬
временно работающих над территорией России четырех КА. При расчёт¬
ной нагрузке от одного абонента 0,0063 эрл (при потерях 2%) максималь¬
ное (потенциальное) число абонентов для РС может составить ~1,3 млн.
Качество речи оценено при проведении сертификации не ниже 3,5 бал¬
лов, что сравнимо с качеством наземных проводных систем связи.
Российский сегмент постоянно находится в стадии модернизации.
В частности, завершена разработка и проведены испытания многока¬
нальных терминалов для увеличения скорости передачи данных с 9,6
до 32 и 64 кбит/с, разработан авиационный терминал на базе закупае¬
мых у фирмы ()иа1сотт стационарных изделий. Выполнена разработка
и завершена сертификация терминалов типа СЗР-2800М для морских и
речных судов.
В 2004 г. компания «ГлобалТел» начала предоставление услуг пакет¬
ной передачи данных с использованием АТ типа СЗР-1600, С5Р-2800М,
модемов С5Р-1620, позволяющих осуществлять доступ в Интернет со ско¬
ростью до 7—8 кбит/с по единому тарифу во всей зоне обслуживания.
Сегодня услуги МСС стали доступны не только на территории Рос¬
сии, но и в странах СНГ, в Монголии, Японии и в Афганистане, где те¬
лефонами системы Глобалстар пользуются организации, оказывающие
гуманитарную и медицинскую помощь. Все соединения абонентов в зоне
обслуживания осуществляются на СС российского сегмента, что обес¬
печивает единую стоимость трафика, независимо от дальности связи.
Компания «ГлобалТел» обслуживает порядка 20 000 абонентов. Ос¬
новные клиенты — корпоративные пользователи, различные промыш¬
ленные, добывающие, транспортные компании, правительственные, го¬
сударственные, международные организации. Взаимодействие россий¬
ских абонентов с региональными сетями других операторов системы
Глобалстар обеспечивается в соответствии с Международным много¬
сторонним соглашением о роуминге для предоставления услуг всем або¬
нентам системы при их нахождении на территории взаимодействующих
сетей. Заключены соглашения на предоставление услуг роуминга прак¬
тически со всеми национальными операторами сотовой связи стандарта
СЗМ, международными операторами
АЙКО Глобал (1СО)
С проектом этой среднеорбитальной системы, который до настоя¬
щего времени не реализован, выступили в конце 20-го столетия соз¬
данная под эгидой Инмарсата компания 1СО С1оЬа1 и Ни^Ьез Зрасе &
124
Соттишсаиопз 1п1:1пс. Рассмотрим кратко специфические черты этого
проекта, характеризующие еще одно направление возможных систем¬
ных решений в области ПерСС.
Космический сегмент. Первой и главной особенностью АЙКО явля¬
ется орбитальное построение с использованием 2-х плоскостей с пятью
КА в каждой, выводимыми на круговую орбиту высотой 10 360 км с на¬
клонением 45°, при еще двух резервных КА. Отметим, что СР спроекти¬
рованы на базе тяжелой космической платформы Хьюз Н5-601 и имеют
полетную массу 2750 кг.
Для обеспечения уровней сигнала, которые могли бы позволить
организовать связь с АТ карманного типа, на СР используются МЛА
5-диапазона с 163 лучами, охватывающие всю видимую поверхность
земного шара. Антенны С-диапазона (5/7 ГГц), в котором работают
станции сопряжения, имеют двойную поляризацию и также глобаль¬
ную зону обслуживания.
В системе АЙКО, как в Иридиуме и Глобалстаре, приходится во
время сеанса связи переходить из луча в луч, от одного СР к друго¬
му. Например, в Иридиуме абонент может находиться около минуты в
зоне одного луча и в течение 6 минут — одного КА. Но здесь, благода¬
ря существенно более высокой орбите и, соответственно, замедлению
движения КА относительно Земли, обеспечиваются значительно боль¬
шие длительность непрерывной связи в луче и рабочие углы места, чем
в НО системах, что важно в условиях ограниченных энергетических
возможностей. Минимальный и средний углы связи для этого типа
орбиты превышают для большинства обслуживаемых территорий 20°
и 40°, соответственно.
Согласно проектным материалам АЙКО полезная нагрузка КА, пре¬
жде всего приемопередающее радиочастотное оборудование абонентских
линий 5-диапазона и цифровой процессор (ЦП), потребляет 70% всей
мощности бортовых источников и представляет собой полностью циф¬
ровое решение по формированию лучей МЛА и назначению канальных
частотных полос. Такая «цифровизация» является еще одной принци¬
пиальной особенностью проекта.
Благодаря высокоэффективной системе ориентации в подспутнико¬
вую точку и бортовому цифровому процессору 127-элементная совме¬
щенная приемопередающая АФАР формирует фиксированные (непод¬
вижные относительно обслуживаемой территории) «точечные» лучи
шириной около 4° и с усилением порядка 28—30,5 дБ. Перекрывающие¬
ся лучи МЛА образуют непрерывное покрытие, а их ДН с боковыми
лепестками формируются таким образом, чтобы обеспечивалось ПИЧ
125
в каждых 4-х парциальных зонах (сотах). При этом цифровое формиро¬
вание лучей учитывает кривизну Земли и их удаление от центра зоны
видимости с КА (надира), так что существует 19 типов лучей по конфи¬
гурации, а также временной задержке и допплеровскому сдвигу, которые
тоже выравниваются процессором.
Второй важнейшей функцией ЦП является распределение частот¬
ных позиций (каналов) при МДЧР по лучам. Процессор, принимая
сигналы фидерной линии, преобразованные в полосу частот порядка
400 МГц, переводит их для последующей обработки во временную об¬
ласть, без применения демодуляции и регенерации сигналов. Происхо¬
дит лишь их разделение на 490 отфильтрованных каналов с полосой 170
кГц, каждый из которых может быть подключен к любому из 163 лучей
на любой частоте с шагом 150 кГц в пределах общей полосы 30 МГц, от¬
веденной системе. То есть каждый из 490 каналов может рассматривать¬
ся в качестве виртуального ствола-транспондера, распределение кото¬
рых по лучам осуществляется на любом участке орбиты по командам с
Земли через т.н. систему управления ресурсами СР.
Наземный сегмент АЙКО по составу и структуре подобен осталь¬
ным СПерСС, а в основе его архитектуры лежат принципы СЗМ. Прежде
всего это относится к сетевому и транспортному уровням (интерфейсам,
технологиям коммутации, доступа, установления соединений), а также к
формату сигналов, предусматривающему МДВР с шестью канальными
интервалами (слотами), электрической скоростью передачи 36 кбит/с,
при скорости передачи одного канала 4,8 кбит/с, с учетом помехоустой¬
чивого кодирования.
В составе наземного сегмента — 12 т.н. узлов спутникового доступа
(УСД), выполняющих функции РЗС, СС, расположенных по всему миру
и соединенных между собой линиями передачи данных наземной маги¬
стральной сети. Каждый УСД включает ЗС с пятью большими антен¬
нами диаметром 7,6 м, центры коммутации и регистры, совмещаемые с
СЗМ, линии привязки к наземным сетям. Основной и запасной Центры
управления сетью, управления спутниковой группировкой, резервиро¬
ванные центры тарификации и управления предназначены для непре¬
рывного функционирования и эксплуатации системы АЙКО.
Пользовательский сегмент, как и в других системах, представляет
собой набор терминалов нескольких типов — ручных, карманных и ав¬
томобильных, морских, самолетных. АТ имеют антенны с усилением от
1—2 дБ (четырехзаходная спираль длиной 140 и диаметром 14 мм для
ручного варианта) до 10—11 дБ, при ЭИИМ от —4 дБВт (средняя) и 6—7
дБВт (пиковая, в пакете) до 12 дБВт, добротности от -24 до -14 дБ/К.
126
5.3.2. Системы с эллиптическими орбитами
Кроме низких и средних круговых орбит имеются предложения по
применению для подвижной и персональной связи эллиптических орбит
с различными высотами апогея (На) — от нескольких тысяч км (низкие
ЭО) до десятков тысяч км (СЭО, ВЭО). Среди заявленных, наиболее из¬
вестных зарубежных проектов могут быть отмечены Эллипсо, АгсНгтейез,
среди российских — Зеркало-КС, Полярстар, РСПСС (таблица 05.5).
Эллипсо
Система разработана корпорацией ЕШрзаС (США) совместно с ком¬
паниями Израиля, Канады, Мексики и Австралии. Она предназначена
для развития телекоммуникационных служб со слабо развитой инфра¬
структурой в интересах пользователей, которые плохо обеспечены суще-
Таблица 05.5
Название системы
Эллиисо
(ВогеаИз)
Архимед
(Агс1птес1е$)
Полярная
звезда
Зеркало-КС
Тип орбиты
низкая
средняя
высокая
высокая
Высота апогея/перигея, км
7840/520
27300/525
39800/530
50540/21000
Количество КА
8
15
4
2
Количество плоскостей/
КА в плоскости
2/4
15/1
4/1
2/1
Наклонение орбиты, град.
116,6
-63
63,4
60
Угол обзора Земли, мин./
макс., град.*
52,5/105
21,5/30,5
15,5/19
12,6/15
Диаметр ЗРВ, макс./мин.,
км*
11990/
6000
15375/
14430
16040/
15650
6000 (30)
Наклонная дальность,
макс./мин., км*
10600/
3650
31970/
21970
44650/
36400
55400/
46850
Масса КА, кг (орбита)
730
2200
2100
5500
Мощность энергопитания
КА, Вт
1780
2900
3500
4000
Суммарная выходная мощ¬
ность СР, Вт (»)
250
-600
320
400
Количество лучей СР,
6(37)
28
32
133
Срок активного существо¬
вания КА, лет
5
12
8-10
10
* - при углах места 10°
127
ствующими средствами мобильной и стационарной телефонной связи.
Для этого с 1995 г. создаётся ОГ, состоящая из спутников-ретранслято¬
ров, расположенных на ЭО с высотой апогея порядка 8 тыс. км, которая
может быть отнесена к СЭО, и земные средства прямого доступа або¬
нентов к системе (АТ).
Проект ЕШрзо является уникальным в смысле применения двух ти¬
пов ОГ и разделения почти глобальной зоны обслуживания на две-
приполярную и экваториальную. При этом учитывалось, что в северном
полушарии, на широтах более 40°, плотность населения гораздо выше,
чем в южном. Здесь расположена практически вся Европа, половина
США, Канада, часть Японии и Китай. В южном полушарии население
сосредоточено, в основном, на территории от экватора до 40° ю. ш.
Первая ОГ КА ВогеаИз состоит из 8 спутников, которые располага¬
ются на двух наклонных (116,6°) эллиптических орбитах (в двух сдви¬
нутых на 90° плоскостях ЭО, по 4 КА в плоскости) и предназначена для
обслуживания северного полушария. Апогей и перигей орбит имеют со¬
ответственно высоты 7840 и 520 км, при этом период обращения спут¬
ника составляет около 3 ч. Вторая группировка СопсогсИа состоит из
6 спутников, расположенных на круговой экваториальной орбите вы¬
сотой около 8 тыс. км и предполагает обслуживание, главным образом,
южного полушария, полностью охватывая тропики обоих полушарий и
обеспечивая там непрерывную связь.
В последующем предполагается довести число КА ВогеаНз до 12 —
для более полного обслуживания северного полушария и полярных
районов южного, а увеличение количества КА СопсопНа до 9 позволит
реализовать двукратное покрытие региона между 40° ю. ш. и 40° с. ш.
Для выведения нескольких СР на рабочие орбиты может использовать¬
ся одна ракета-носитель.
Спутники системы обладают сравнительно малым весом (650-
УЗО кг). Антенна СР (АФАР) формирует лучи, которые для связи с
абонентами работают в Ь и 5-диапазонах в полосах частот, аналогич¬
ных Глобалстару. Фидерная линия использует С и Ки-диапазоны на
участках вниз и вверх, соответственно. Имеется также возможность
изменения поляризации сигналов в различных лучах бортовой антен¬
ны, что позволяет увеличить число повторно используемых частотных
каналов.
Судя по рекламным сообщениям, как и в Глобалстаре, используется
метод МДКР, но с большими полосами широкополосных (шумоподоб¬
ных) сигналов — 2,5 и 5 МГц, соответствующими более позднему стан¬
дарту сс1та2000. Наземный и пользовательский сегменты Эллипсо по
128
архитектуре и техническим характеристикам также близки к другим
проектам НО систем.
Агскгтес1еа
Система спроектирована по заказу Европейского космического
агентства канадской компанией Зраг Аегозрасе ЬЫ для обслуживания
территорий Европы, Дальнего Востока и большей части Северной Аме¬
рики. Решение этих задач предложено с использованием среднеэллип¬
тических 8-часовых орбит с апогеем над Северным полушарием, низким
перигеем (На = 27—28 тыс. км, Нп = 500—1000 км) и зоной обслужива¬
ния выше 30—40° с.ш.
ОГ АгсЫте(1е$ по более ранним источникам включает 6 спутников,
по другим данным она состоит из трех групп но 5 КА, выводимых на ЭО
в равномерно разнесенные плоскости с наклонением около 63° и рабо¬
чим участком, начиная с высот порядка 20 гыс. км. Такое орбитальное
построение позволяет, помимо улучшения эиергобюджета ЛС по срав¬
нению с более высокими ЭО и ГСО, за сче т избыточности СР равномер¬
но распределить в пространстве и времени в пределах обслуживаемой
территории их апогеи и зоны радиовидимости. Тем самым повышается
кратность покрытия, т. е. возможность одновременного использования
нескольких СР земными станциями, возрастают усредненные по всем
долготам рабочие значения углов места для выбранной широты и эти
углы становятся более стабильными. Или, иначе говоря, создается эф¬
фект квазистационарности орбиты, поэтому такую ОГ называют иногда
«виртуальной ГСО».
Кроме того, степень влияния местных предметов зависит и от ази¬
мутальных углов направления на СР, причем для круговых и эллипти¬
ческих орбит с равными высотами оно проявляется также по-разному, в
силу особенностей ЭО при движении СР вблизи апогея. При круговых,
тем более низких, орбитах изменение азимута происходит чаще за счет
меняющегося с большей скоростью положения КА на орбите, тогда как
в случае ЭО решающую роль играет место расположения ЗС. В связи с
этим для ЗС с фиксированными координатами рабочие углы азимута
при ЭО меняются в основном от витка к витку и по мере роста числа КА
в ОГ, т. е. разнесения точек апогея по долготе, это изменение уменьшает¬
ся, если иметь в виду работу через любой СР [4.12—4.14].
СР АгсМтеАез предлагалось оснастить 6-лучевой бортовой антенной
Е-диапазона диаметром 5 м и, помимо ПерСС с типовым оборудованием
наземного и пользовательского сегментов, использовать также для массо¬
вого звукового вещания на стационарные и мобильные радиоприемники.
129
Полярная звезда
Назначение этой российской системы, предложенной в 1996 г. АО
«Газком», РКК «Энергия», АО «Ростелеком» в партнерстве с корпорацией
35/Ьога1, состояло в обеспечении подвижной и персональной связи через
СР на высокой эллиптической орбите в качестве дополнения к системе
Глобалстар. На ее базе предполагалась решать следующие задачи:
— организация ПСС и ПерСС для потребителей России, находя¬
щихся в северных и средних широтах;
— обеспечение телефонной связью и другими видами связи сель¬
ских, удаленных и труднодоступных районов страны;
— обеспечение связью добывающих отраслей Заполярья, Северно¬
го морского пути и северных авиатрасс между Западным и Вос¬
точным полушариями.
Предложения по созданию системы базировались на использовании:
4-х КА на ВЭО (типа «Молния»), позволяющей обслуживать террито¬
рию России при углах места 30 -90°; метода МДКР (СЭМА по моди¬
фицированному стандарту 13-95) и способов обработки шумоподобных
сигналов, применяемых в НО системе Глобалстар; модифицированной
для ВЭО базовой платформы КА Ямал, а также технических заделов
РКК «Энергия» по созданию разворачиваемых в космосе крупногаба¬
ритных антенных отражателей.
При построении ретрансляционного комплекса предполагалось ис¬
пользовать бортовое оборудование и АФАР Ь и 5-диапазонов СР Гло¬
балстар в качестве облучателей для 8 и 6-метровых параболических
отражателей. По замыслу разработчиков, это должно обеспечить та¬
кую же плотность потока мощности на входе СР и у поверхности Зем¬
ли, как и в случае НО КА Глобалстар и, следовательно, использование
персональных АТ типа телефонной трубки, разработанных для этой
системы.
Кроме того, в системе Полярная звезда предлагается использовать
стационарные терминалы с антеннами 0,3—1,0 м и мини-АТС, предназна¬
ченные для организации телефонной связи в сельской, труднодоступной
и удаленной местности, а также мобильные терминалы, устанавливае¬
мые на все виды транспорта. Управление системой производится цен¬
тральной станцией, а взаимодействие с ТФОП — через сеть БЗС-шлю-
зов, которые размещаются на территории России. Система должна пре¬
доставлять набор стандартных услуг при канальных скоростях передачи
информации до 9,6 кбит/с.
На современном этапе создание космического комплекса под тем же
названием планировалось в рамках Федеральной космической програм¬
130
мы к 2010 г. Предполагается, что ос¬
новным его назначением будет обес¬
печение цифрового радиовещания и
мобильной связи с КА на высокоэл¬
липтической орбите.
Зеркало-КС
Эскиз этого оригинального про¬
екта спутника, разработанного в на¬
шей стране более 15 лет назад, но не
реализованного, приведен на рис. 05.5.
Его основой явилась конструкция раз¬
вертываемой в космосе антенны-реф¬
лектора диаметром до 15—30 м, в фо¬
кальной плоскости которой вместе с
решеткой облучателей устанавлива¬
ется контейнер с ретрансляционным
оборудованием. Реализуемая таким
образом МЛА с 133 лучами шириной
0,8° и усилением 45 дБ (при диаметре
15 м) предназначена для обеспечения Рис. 05.5
связи в Б-диапазоне с низкоэнергети¬
ческими, в частности, ручными, АТ с
ориентируемой антенной, имеющей ДН шириной 60° и усиление около
10 дБ.
На обратной стороне фокального контейнера СР расположена зер¬
кальная антенна диаметром 1,5 м с 19 лучами шириной 2,6°, работающая
в С-диапазоне (6/4 ГГц), для связи с фиксированными абонентами. Мак¬
симумы излучения этих лучей совпадают по направлению с максимума¬
ми центральных из каждых семи лучей большой антенны, а по ширине
ДН этих лучей охватывает всю семерку лучей 1-диапазона.
ОГ системы строится на базе двух последовательно сменяющих друг
друга КА, выводимых на высокоэллиптическую суточную орбиту с пе¬
риодом обращения 24 часа, наклонением около 60°, высотами апогея
#а« 50 500 км и перигея Нп« 21 000 км. Это позволяет обслуживать об¬
ласть диаметром около 6000 км с центром на уровне 45—50° с.ш., охва¬
тывающую средние и северные широты России.
Архитектура системы и организация связи основана на использова¬
нии СР с обработкой и коммутацией сигналов на борту [17].
131
5.3.3. Системы с ГСО
Совсем недавно считалось практически не реальным использование
геостационарных КА для подвижной связи непосредственно с ручным
терминалом, подобным сотовому телефону. Это объяснялось невозмож¬
ностью установления надежной линии связи между ручным терминалом
с выходной мощностью менее одного ватта и геостационарным СР, т.к. по¬
требовалось бы иметь на спутнике антенну диаметром 12—20 м. Такие ан¬
тенны, если и упоминались, то в рамках закрытых военных программ.
Согласно многим зарубежным источникам, изменение глобальной
политической ситуации и появление возможности применения достиже¬
ний военной техники для коммерческих целей привели и к изменениям
в области МСС. В результате почти одновременно ряд операторов связи
Азиатско-Тихоокеанского бассейна заказали разработку нескольких ре¬
гиональных систем подвижной и персональной связи на базе ГСО: Аг-
рани, ЕАТЗ (заявка от Великобритании), АсеЗ (Аыа Се11и1аг 5а1еШ1е) со
спутником Гаруда (Индонезия), Турайя (ОАЭ) и др.
Поскольку это системы региональные, в них используются 2—3 гео¬
стационарных КА и наземные базовые станции (станции сопряжения).
Системы основываются на применении многолучевых бортовых антенн
диаметром около 12 м, формирующих посредством узких лучей сотовую
структуру покрытия земной поверхности, что позволяет работать на не¬
направленную антенну абонентского терминала, но без больших запасов
по энергетике, присущих наземной сотовой связи.
Антенны изготавливаются на разных спутниках по оригинальным
технологиям, при этом к конструкции антенн предъявляются высокие
требования, как по точности изготовления, весу, так и по возможности
развертывания в космическом пространстве.
Распространенным вариантом больших антенн на ГСО являются
гибридно-зеркальные антенны (ГЗА), где вместо одного обычного об¬
лучателя используется решетка, содержащая набор облучателей и диа¬
граммо-образующую систему. Заметное усложнение облучающей систе¬
мы антенны позволяет значительно расширить круг решаемых ею функ¬
циональных задач. Например, обеспечить создание контурных или ве¬
ерных диаграмм направленности, электронное пространственное ска¬
нирование без механического привода, возможность «эфирного сложе¬
ния» мощности нескольких парциальных передатчиков взамен одного
мощного передатчика ЗС.
Стоимость региональных систем персональной связи на базе ГСО
КА существенно ниже стоимости систем с низко- и среднеорбиталь¬
132
ными группировками. В связи с этим выбор геостационарных КА для
построения региональных систем оказывается целесообразным для
приэкваториальных стран. Для ПСС России более эффективны высо¬
коэллиптические орбиты [8]. Об этом речь пойдет ниже, а в данном раз¬
деле кратко рассмотрены два наиболее известных проекта зарубежных
систем ПСС, использующих ГСО. Их сводные характеристики приве¬
дены в таблице 05.1.
Гаруда (АСе8)
В феврале 2000 г. российской ракетой-носителем ПРОТОН был вы¬
веден на геостационарную орбиту (123° в.д.) первый спутник индоне¬
зийской системы Ав1а Се11и1аг ЗаСеИйе Зуз1ет (ЛСе5). СР, получивший
название Гаруда, предназначен для предоставления услуг ПерСС. На
тот момент это был самый тяжелый (4500 кг) из всех КА, произведенных
компанией ЬоскЬееб Маг1лп МапеПа 8ув1ет (БММЗ) на базе платфор¬
мы А2100, и также самый большой коммерческий груз, выведенный на
орбиту с помощью РН ПРОТОН.
Для работы системы заявлено 4 точки на ГСО (80,5°; 118°; 123°;
135° в.д.) для КА, на которых установлены две зеркальные антенны диа¬
метром 12 м (приемная и передающая) абонентских линий, имеющие 140
лучей, формируемых пассивной ФАР из 88 облучателей, при суммарной
ЭИИМ СР по всем лучам до 73 дБВт и добротности около 15 дБ/К.
Таким образом, реализуемая добротность и ЭИИМ СР (не менее
50 дБВт для каждого луча) значительно выше по сравнению с СПСС
первых поколений. Однако это позволяет получить на участках вниз
и вверх (прямого и обратного направлений, соответственно) соотноше¬
ния сигнала и шумов, достаточные для передачи цифровой информации
лишь со скоростями не более 5—10 кбит/с (при отсутствии ощутимых
энергетических запасов) [ 18, 19].
Система АСе5 является региональной и предоставляет следующие
услуги: двустороннюю цифровую телефонную связь; передачу факсов
(стандарт 1Т11-Т С-3), данных со скоростями 2,4—9,6 кбит/с, коротких
текстовых сообщений (5МЗ); определение координат абонентов с помо¬
щью приемников ОРЗ (с точностью до 100м); автоматическую сигнали¬
зацию, пейджинг.
Спутниковый радиоинтерфейс системы базируется на наземном со¬
товом стандарте С5М-900 с предоставлением низкоскоростных каналов
передачи речи и данных, так что АСе8 может совершенствоваться вместе
с развитием систем 2-го поколения мобильной связи, в частности, путем
внедрения более широкополосных услуг на основе СРК5 (технологии
133
передачи данных с использованием пакетной коммутации со скоростью
115 кбит/с) и далее ЕБСЕ — ускоренной передачи данных (со скоростью
384 кбит/с). Таким образом, Гаруда поддерживает систему 2,5С, как пе¬
реходный этап к третьему поколению (11МТ5/1МТ-2000).
Система, общая стоимость которой по проекту составляет 750—
900 млн долл., запущена в экспериментальную эксплуатацию в середине
2000 г., когда фирмой Эрикссон были поставлены первые 1000 абонент¬
ских терминалов стоимостью 900 долл., и рассчитана на обслуживание
2 млн абонентов из расчета 5 мин. разговоров на абонента в день. Тарифы
на услуги составляют 35—45 центов за разговоры внутри страны, 55—
75 центов — для внутрирегиональных и 65—95 центов — для межрегио¬
нальных вызовов. Компания АСеЗ имеет лицензии на предоставление
услуг ПСС в Индонезии, Таиланде, Филиппинах, Тайване, Малайзии,
Пакистане и Шри-Ланке.
Турайа
Система, разработанная Ни§Ьез Зрасе апс! Соттишса1юп, принад¬
лежит ОАЭ, является региональной и предоставляет те же виды услуг
связи, что и рассмотренные выше. Ее зона обслуживания покрывает тер¬
риторию от северной Африки до западного Китая, включая Ближний
Восток, Центральную и Южную Азию, Европу (всего 99 стран с населе¬
нием 1,8 млрд чел.). Основные потенциальные пользователи находятся
в ОАЭ, Египте, Индии, Турции, странах северной Африки.
Космический сегмент Турайа содержит КА на геостационарной
орбите в позициях 44° и 28,5° в.д., разработанный Воет§ СЕМ на базе
платформы НЗ-702. Самыми технологически сложными компонентами
спутника являются крупногабаритная разворачиваемая в космосе прие¬
мопередающая МЛА размером 12,25 м и цифровой процессор управле¬
ния диаграммообразующей схемой (лучами) и коммутацией линий свя¬
зи. В качестве облучателя крупногабаритной антенны используется 128-
элементная активная ФАР.
Бортовой процессор обеспечивает одновременную обработку
13 750 абонентских каналов (эквивалентных 4,8 кбит/с) и реконфи¬
гурацию, в зависимости от потребностей трафика, 250—300 сверхуз¬
ких лучей бортовой МЛА, благодаря которым достигается 30-кратное
ПИЧ. В любой из лучей может быть направленно до 20% мощности
передатчиков.
Вся рабочая полоса частот Б-диапазона 30 МГц разделена на частот¬
ные каналы, ширина которых составляет 27,7 кГц. Скорость передачи
сигналов в этом групповом канале, формат которых образуется по тех¬
134
нологии СЗМ (методом временного объединения в виде кадров из вось¬
ми абонентских интервалов) равна 46,8 кбит/с. Таким образом, как и в
Иридиуме, АИКО, здесь применяется метод многостанционного доступа
МДЧР-МДВР.
Наземный сегмент системы включает центр управления полетом
КА и оперативный центр сети в ОАЭ (г. Шарджа), а также региональ¬
ные наземные шлюзовые станции (РЗС-СС). Абонентские терминалы
обеспечивают работу в двух основных режимах: спутниковом и сотовом
стандарта СЗМ.
Общая стоимость программы — более 1,2 млрд долл. Стоимость
персональных АТ 600 долл., тариф -- 0,5—2 долл./мин. Коммерческая
эксплуатация системы началась в мае 2001 г. К концу 2001 г. планиро¬
валось привлечь 250 тыс. абонентов, а к 2004 г. - 1,8 млн пользовате¬
лей, главным образом, в приэкваториальных регионах. Функциониру¬
ет также российский сегмент системы, обслуживающий порядка 1000
абонентов.
В целом по ГСО системам СПерСС второго поколения следует за¬
ключить, что энергетика на их абонентских участках весьма ограниче¬
на, а пропускная способность линий обратного направления сравнима с
более традиционными СПСС (уменьшение ЭИИМ АТ компенсируется
усилением приемной антенны СР). В прямом направлении ЭП линии
связи, по сравнению с системами ПСС и, к примеру, с АТ типа Стан-
дартп-С, несколько возрастает за счет усиления антенн с большой апер¬
турой и возможностью повышения излучаемой выходной мощности в
лучах.
Энергобюджет геостационарных систем ПерСС является более де¬
фицитным по сравнению с известными НГСО системами, что вполне ес¬
тественно, т.к. их космический и пользовательский сегменты находятся
на пределе реализуемых на сегодня технических возможностей, а высота
орбиты максимальная.
Перспективные решения по повышению пропускной способности
каналов ПерСС и обеспечению более разнообразных, широкополосных
телекоммуникационных услуг предлагаются в рамках программ, кото¬
рые предусматривают увеличение размеров антенн и выходной мощно¬
сти СР, рабочих полос ретрансляции, применение бортовой обработки
сигналов на базе цифровых микропроцессоров, в сочетании с дальней¬
шим освоением диапазона Ка и более высокочастотных миллиметро¬
вых диапазонов (V и С)), а также интеграцию с наземными каналами
беспроводной связи.
135
6. МУЛЬТИМЕДИЙНЫЕ СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОЙ связи
Появление и развитие мультимедийных спутниковых систем
(ММССС), которые нередко называют также мультисервисными, свя¬
зано с глобальной цифровизацией, интеграцией и конвергенцией теле¬
коммуникационных служб, сетей и технологий, получившими широкое
распространение на рубеже веков. По сути дела, системы мультимедиа
можно считать результатом интеграции всего спектра инфокоммуни-
кационных услуг, к которой шли различные виды связи на протяжении
многих десятилетий [21]. Еще одним мотивом, способствовавшим воз¬
никновению мультимедиа, явилось бурное и беспрецедентное шествие
Интернета.
Указанные факторы привели к глубокому интегрированию циф¬
рового телерадиовещания и других медийных приложений не только с
технологиями и стандартами Интернета, но и с телекоммуникациями
в целом. Те и другие сферы сегодня чрезвычайно быстрыми темпами
завоевывают мировое информационное пространство и одновременно
конкурируют друг с другом. Разработаны проекты, системно-сетевые
и аппаратно-программные средства, обеспечивающие совместное рас¬
пространение мультисервисной информации (видео и звук, речь, дан¬
ные, новостной, развлекательный, образовательный, технологический
контент и т. д.) как по каналам вещания, так и через сетевую среду, в
частности, Интернет.
Современные стандарты цифрового вещания семейства БУВ (Бц^Ы
УИео Вгоабсазип^), БАВ (Б1§йа1 Аибю ВгоабсазНщ*), комплексирован-
ные со сжатием и кодированием изображений и звука классов ^ЕС,
МРЕС (МоПоп РюШге ЕхреН Сгоир), предусматривают инкапсуляцию,
т. е. вложение, мультиплексирование данных Интернета в состав сво¬
их групповых транспортных потоков, передаваемых по традиционным
каналам телевещания. В то же время развиваются, осваиваются и вне¬
дряются программно-аппаратные технологии распространения муль¬
тимедиа, в частности, ТВ и ЗВ в реальном масштабе времени, через все¬
мирную, региональные и локальные \УЕВ-сети, использующие Интер¬
нет-протоколы.
По аналогии с Интернетом и службами передачи данных, тем более
с телефонией, передача видео становится интерактивной, для чего воз¬
никает необходимость в обратных каналах от абонентов и пользовате¬
лей. Широковещательные сети и средства коммуникаций сближаются с
традиционными связными двунаправленными системами, в частности, с
системами широкополосного абонентского доступа. Причем, по отноше-
136
нию к последним эта тенденция наиболее заметна, поскольку и при ин¬
терактивном вещании, и при абонентском доступе пользователям (зри¬
телям, слушателям, абонентам) для получения доступа к информации
путем запроса требуются значительно менее информативные обратные
каналы связи. То есть, в большинстве случаев имеет место ярко выра¬
женная асимметрия трафика прямого и обратного направлений, в соче¬
тании с радиальной (радиально-узловой) архитектурой. В частности,
итерактивное непосредственное телерадиовещание, видео по запросу и
т. п., совмещаемые с Интернетом, можно считать примерами широкопо¬
лосного удаленного доступа к мультимедийным услугам [22].
Таким образом, само понятие мультимедиа предполагает множество
аспектов объединения разнообразных информационных услуг, от пере¬
дачи речи, факсимиле и электронной почты до видеоконференций, те¬
левещания и доступа к базам данных. В силу указанной специфики, а
также в связи с еще относительно малыми сроками приенения, много¬
численные формы и примеры предоставления такого рода интегриро¬
ванных услуг не могут быть жестко привязаны к принятым в Регламенте
радиосвязи принципам деления радиослужб, в частности, спутниковых,
на фиксированные, подвижные, вещательные и ряд других, охватывая в
большинстве своем несколько или даже все эти традиционные службы,
вместе взятые.
Вместе с тем, немаловажно отметить, что эволюционные процес¬
сы одновременно способствовали появлению отличительных призна¬
ков системно-технологического характера, в соответствии с которыми
ММССС сегодня возможно и целесообразно классифицировать на не¬
сколько типов и направлений проектирования, создания, применения.
06.1. Службы стационарной (фиксированной)
спутниковой связи
К двум известным и распространенным на практике видам спут¬
никовых мультисервисных систем могут быть отнесены ССС на базе
спутников ФСС, РСС существующего и последующих поколений, ассо¬
циируемых с использованием Ки и Ка диапазонов, соответственно. Как
следует из раздела 3, первые характеризуются применением интерак¬
тивных сетей типа У5АТ, использующих, в основном, диапазон Ки при
ЛСС с прямой ретрансляцией и скоростями передачи порядка десятков
Мбит/с в прямом направлении и сотен Кбит/с — в обратном. Тогда как
отличительными чертами ММССС следующего поколения являются:
переход в более высокочастотные диапазоны (Ка, V, ()), цифровая об¬
137
работка с коммутацией на борту КА, использование бортовых МЛА с
узкими (т.н. карандашными) лучами. На их основе создаются сверхши¬
рокополосные сети с интегральным обслуживанием и пропускной спо¬
собностью до десятка Гбит/с, ориентированные на использование мно¬
гоуровневых Интернет-протоколов. Такие ССС нового поколения под¬
робно освещены в [15], поэтому останавливаться на них не будем.
Рассмотрим здесь более детально ССС, относящиеся к первому типу
и базирующиеся на современных типах СР и ЗС, некоторые свойства
которых отмечены в предыдущих разделах. Отличительными особен¬
ностями подобных систем, позволяющими эволюционно переходить от
традиционных узкополосных услуг к предоставлению новых, более со¬
временных и высокоскоростных мультимедийных, тина интерактивного
вещания, видео по запросу, доступа в Интернет и т. д., являются:
— повышение ЭИИМ вновь создаваемых СР за счет увеличения
выходной мощности стволов-транспондеров и КНД (т. е. габари¬
тов) антенн;
— наращивание числа стволов СР и полосы ретрансляции за счет
выделения новых участков диапазонов (до 18 ГГц), пространст¬
венных и поляризационных методов повторного использования
частот;
— организация запросных спутниковых каналов путем использо¬
вания приемо-передающих интерактивных ЗС вместо приемных,
применявшихся только для СНТВ;
— обеспечение современных и перспективных цифровых стандар¬
тов передачи широкополосного контента на всех уровнях модели
архитектуры открытых систем: кодирования источника (МРЕС-
2,4; БАВ), радиоинтерфейса (ОУВ-5/32-КС5), управления дос¬
тупом (МАС), сетевом и транспортном (ТСР/1Р), протоколов бо¬
лее высоких уровней.
В свою очередь, модель АОС может трансформироваться в модель
управления передачей применительно к Интернет-протоколам ТСР/
ИОР/1Р (Тгапзпйззюп Соп1го1 Рго1:осо1/изег Ба1а§гат Рго1осо1/1п1егпе1:
Рго1осо1).
Уже отмечалось, что на практике сегодня в качестве средств орга¬
низации телевещания и мультисервисных сетей наибольшее распро¬
странение получили спутниковые ретрансляторы и земные станции Ки
диапазона, относящиеся к ФСС и РСС. Последняя служба в массовом
количестве обеспечивает непосредственное аналоговое ТВ вещание на
домашние приемные установки с параболическими антеннами (БТН —
П1гес1-1о-Ноте), одновременно с интенсивным переходом к базовому
138
цифровому стандарту ОУВ-5/32. Что касается средств ФСС, то они так¬
же получают все более широкое применение для доступа в Интернет и
приема вещания с использованием того же стандарта с интерактивным
обратным каналом (БУВ-КСЗ).
Космический сегмент фиксированной службы базируется на ство¬
лах- транспондерах СР, размещаемых в многочисленных точках ГСО и
работающих в основном, в Си, Ки диапазонах. Энергетические парамет¬
ры и полосы частот стволов определяют пропускную способность линий
связи отечественных и зарубежных ССС и, следовательно, эиергомассо-
вые характеристики и типы применяемых земных станций.
К наиболее крупным международным системам ФСС, используе¬
мым для мультимедиа, относятся Евтелсат (семейства СР: Еи(е1за(
V/1-5, НоЬ Вггд, 1-8, 8е8а1), Интелсат (спутники 8- 10-го поколений),
Интерспутник (СР: ЬМ1 — ЬоскНееО МагВп йДепфШшк, Экспресс-АМ),
АгаЪза1\л др. Для организации мульгисервисных сетей в России ис¬
пользуют орбитальную группировку геостационарных СР Экспресс-
АМН, 22,33, 44\ Ямал-200,300; Бонум-1, а также зарубежные КА.
В современных и, в особенности, перспективных системах ФСС
большую часть бортового ресурса зарубежных и отечественных много¬
ствольных СР составляют транспондеры, работающие в полосах частот
Ки диапазона: 12,75—14,75 ГГц на участке вверх и 10,7—12,75 ГГц на уча¬
стке вниз. Для сети НТВ-Плюс в стволах РСС (СР Евтелсат У/4, Бонум-
1) на участке вверх выделена полоса 17,3—18,1 ГГц. Кроме того, находят
применение более высокочастотные диапазоны — 19,7—20,2 ГГц; 29,5—
30 ГГц (вверх), которые в наибольшей степени будут освоены в ММССС
следующего поколения.
Как уже отмечалось, количество стволов спутниковой связи на каж¬
дом СР, в зависимости от его типа (тяжелый, средний, малый), составляет
от нескольких единиц до нескольких десятков, полосы частот каждого
ствола стандартизированы в пределах от 33 до 72—144 Мгц. Главные ти¬
повые энергопараметры — ЭИИМ и энергетическая добротность (чувст¬
вительность) в стволах передачи ТВ вещания и данных Интернета в Ки
диапазоне, в зависимости от ширины лучей бортовых антенн, имеют мак¬
симальные значения до (48—56) дБВт и +(4—10) дБ/К, соответственно.
Основные показатели отечественных и зарубежных спутников ФСС,
РСС, имеющих соответствующий ресурс пропускной способности, пре¬
доставляемый для организации операторских и корпоративных мульти-
сервисных сетей на территории России, приведены в таблицах раздела 3.
Указанные характеристики позволяют передавать широкополосную ин¬
формацию ТВ, Интернета и пр. в прямом направлении (от больших цен¬
139
тральных и региональных ЗС) со скоростями до 30—40 Мб и т/с (в ре¬
жиме одной несущей). При этом сигналы вещания могут направляться
как в общем потоке с данными Интернета через одну и ту же ЦЗС, так и
через отдельные станции провайдеров тех и других услуг. Пропускная
способность линий связи от каждой из малых ЗС-терминалов (АТ) в об¬
ратном направлении составляет, как правило, до 2 Мбит/с.
Оконечные станции подразделяются на три основных класса: наибо¬
лее простые и дешевые ЗС, работающие только на прием (например, при
ТВ, ЗВ или 1Р-вещании); относительно недорогие приемопередающие
(интерактивные) ЗС типа УЗАТ с асимметричным трафиком в прямом
и обратном направлениях; более сложные и дорогие приемопередающие
(двунаправленные, с симметричным трафиком) ЗС (см. ниже).
Поскольку, по сравнению с большинством наземных систем, в спут¬
никовой связи ограниченным является не только частотный, но и энер¬
гетический ресурс радиолиний, здесь до последнего времени, в основ¬
ном, применяются наиболее помехоустойчивые методы кодирования и
модуляции с числом позиций сигнала, как правило, не превышающим
4-х - ФМ-2 (ВРЗК), ФМ-4 (()Р5К), и реже - ФМ-8, КАМ-16. Другие опе¬
рации, связанные с преобразованием сигналов, — мультиплексирова¬
ние, скремблирование и т. д., с учетом специфики спутниковых каналов,
близки к современным цифровым технологиям и стандартам, приме¬
няемым также в наземных видах радиосвязи, вещания и абонентского
радиодоступа.
Рассмотрим распространенные типы земных станций ФСС, РСС
вместе с некоторыми мультимедийными особенностями их использо¬
вания.
Центральные и зональные станции
ЗС для передачи и приема больших объемов различной информа¬
ции являются капитальными сооружениями, состоящими из нескольких
антенн и оборудования, размещаемого в помещениях. Применительно к
ТВ\мультимедиа данные станции обычно используются для передачи
многих программ, обеспечивая обмен между студиями, в том числе мо¬
бильными (ПТС), либо доставку отредактированного видео, графическо¬
го, аудио материала на ЗС пользователей — региональные, коллективные,
индивидуальные. Эти ЗС обычно входят в состав телепортов, которые
производят сбор, редактирование, монтаж и компрессию сигналов.
Распределению видеопрограмм через спутник на сети кабельного
ТВ (СКТВ), телецентры и наземные ретрансляторы, коллективные ан¬
тенны (системы ЗМАТУ) сначала отводилась довольно значительная
140
ниша на рынке. Позднее большие ЗС, относящиеся как к РСС, так и к
ФСС, стали использоваться для непосредственного распространения
программ индивидуальным пользователям (ЭТИ), что стало возмож¬
ным благодаря появлению более мощных спутников-ретрансляторов.
Владельцами таких передающих станций являются национальные опе¬
раторы телекоммуникаций общего пользования, вещательные компа¬
нии, операторы связных спутников или провайдеры услуг.
Такие ЗС имеют антенны диаметром до 12 м для диапазона частот
Ки и до 30 м для С-диапазона. В действительности, наибольший объем
трансляций осуществляется в диапазоне Ки, поэтому самые большие
антенны используются редко.
Оконечные (абонентские) станции
С развитием новых технологий появились двунаправленные ЗС,
имеющие скорость на прием и передачу до десятка Мбит/с и позволяю¬
щие создавать сети, которые не требуют центральных коммутационных
станций, обеспечивая при этом высокое качество обслуживания. Такие
станции, в частности, типа УЗАТ, называемые иногда полнофункцио¬
нальными (или симметричными по трафику) предназначены обычно
для предоставления интегрированных услуг: телефонии, видеоконфе¬
ренцсвязи, обмена данными, дистанционного образования, телемеди¬
цины и др. Они оптимизированы, прежде всего, для выделенных, кор¬
поративных сетей.
Что касается передачи более высокоскоростных потоков вещатель¬
ного характера, то они должны приниматься на абонентских ЗС, обеспе¬
чивая доступ к информационным ресурсам и базам данных, сосредото¬
ченным в крупных центрах, и в этом случае архитектура сетей является
радиальной. Несколько лет назад, прежде всего в связи с необходимо¬
стью доступа в Интернет, к видеоуслугам по запросу, такие централизо¬
ванные сети стали снова широко востребованы, в связи с чем получили
интенсивное развитие интерактивные ЗС типа УЗАТ с асимметричным
трафиком. Сейчас такие станции позволяют передавать речь, данные и
видеоинформацию с относительно небольшими скоростями (порядка
1—2 Мбит/с) и принимать т.н. потоковое (в реальном времени) ТВ ве¬
щание, Интернет, телефонные сообщения, мультимедиа со скоростями
до 40—60 Мбит/с [15, 22].
По сравнению с ЗС симметричного двунаправленного обмена в ин¬
терактивных станциях УЗАТ не предусматривается связь между собой
и все функции коммутации обеспечивает ЦЗС (НиЬ-31а1юп — Н5), ус¬
танавливаемая чаще всего в республиканских и областных центрах и
141
имеющая наземные соединительные линии со многими источниками
широкополосного информационного ресурса (контента).
В России определенная активизация интерактивных сетей стала
возможной благодаря качественным сдвигам в развитии ОГ спутников
связи Экспресс-АМ, Ямал-200,300, использованию СР Евтелсат-№4, Но1
ВШ, а также строительству ЦЗС. Однако пока этот процесс сдержива¬
ется, в частности, ввиду отсутствия единых стандартов на протоколы и
интерфейсы ЗС УЗАТ разных производителей, в основном зарубежных,
а также процедурной сложности и значительных затрат на оформление
разрешительных документов.
Стоимость зарубежных полнофункциональных ЗС находится в пре¬
делах до (25—35) тыс. долл., тогда как отечественные ЗС обходятся при¬
мерно на (5—10) тыс. долл, дешевле, даже с учетом накладных расходов и
затрат на установку. Интерактивные станции УЗАТ, благодаря относи¬
тельной простоте, значительно дешевле — порядка (2000—3000) долл.,
в связи с чем они потенциально могут пользоваться спросом у малых
компаний и отдельных физических лиц.
Радиоинтерфейс
Для обеспечения многостанционного доступа при доставке контента
в прямом направлении в интерактивных мультимедийных сетях УЗАТ
используется временное уплотнение (МДВУ/ТБМ). При этом единый
информационный поток формируется обычно с помощью технологий
БУВ-5/52 в соответствии с открытыми стандартами ЕТ51 ЕЫ 300 421
и ЕЙ 302 307.
Согласно первой версии стандарта БУВ-8, нашедшей широкое при¬
менение за последние 5—7 лет, исходный, объединенный во времени
цифровой поток нескольких ТВ программ (т.н. мультиплекс, в состав
которого могут вводиться (инкапсулироваться) и данные Интернета),
преобразованных в цифровую форму методом МРЕС-2, для передачи
по спутниковому каналу должен быть подвергнут двухступенчатому
помехоустойчивому кодированию. При этом в качестве внешнего кода
стандартом предусмотрено использование кода Рида-Соломона (РС), а
внутреннее кодирование с исправлением основных ошибок, осуществ¬
ляется сверточным кодом (СК) с декодированием по Витерби. Методы
модуляции высокоскоростного потока — наиболее распространенные в
ССС и энергетически эффективные двоичная ФМ (ВРЗК) и двукратная
(четверичная) ФМ ((^РЗК).
Более новая версия стандарта ЕЫ 302 307 основана на применении, в
качестве внутреннего, более эффективного кодирования с низкой плот¬
142
ностью проверки на четность (Ьо\у Эепзйу Рагйу СЬеск собез — БЭРС),
а внешнего — кода Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ), позволяющих
почти приблизиться к границе Шеннона для каналов с аддитивным бе¬
лым шумом (АБГШ). Энергетический выигрыш, получаемый за счет
применения такой сигнально-кодовой конструкции, создает возмож¬
ность использования не свойственных ранее спутниковым каналам
энергетически менее эффективных многопозиционных методов моду¬
ляции — фазовой, с числом позиций более 4, в час тности, 8ФМ (8Р8К) и
квадратурной (амплитудно-фазовой), с числом позиций 8, 16,32:8КАМ,
16КАМ, 32КАМ (8()АМ, 160ДМ и т. д.). Такие сигнальные конструкции,
как известно, имеют преимущества в использовании полосы частот, де¬
фицит которой становится все более ощутимым при реализации новых
ССС, т. е. обеспечивают более высокую спектральную эффективность
(бит/Гц). Благодаря этому, в случаях, когда полоса частот в ЛСС огра¬
ничена и имеется запас по энергетике, повышение пропускной способ¬
ности может составить до 30%, т. е. скорость группового потока в прямом
направлении достигает 70—80 Мбит/с.
Кроме того, в рамках стандарта ЭУВ-52 могут автоматически обес¬
печиваться функции адаптации скорости кодирования и модуляции
(АКМ), регулирования мощности по качеству принимаемого сигнала с
помощью обратной связи от ЗС-терминала, а также изменения скорости
передачи в обратном канале под управлением ЦЗС [20]. Это особенно
важно для оптимизации использования ограниченного спутникового
ресурса, повышения надежности, качества связи и, в целом, эксплуата¬
ционной рентабельности для операторов при наличии в ЛСС меняю¬
щихся условий распространения, вызванных осадками, затенениями,
многолучевыми замираниями.
В контексте проблемы частотного дефицита особо следует остано¬
виться на освоении и широком внедрении устройств кодирования/деко-
дирования (компрессии) потоков информации в стандарте МРЕС-4 для
вещательных и мультимедийных целей. Одна из составляющих этого
стандарта под названием Ас1уапсес1 Ук1ео СосИп§ (АУС/Н.264), разрабо¬
танного в 2003 г. (Н.264 — номер Рекомендации МСЭ), имеет характе¬
ристики, позволявшие изначально передавать видеоданные меньшего
объема, в частности поддерживать видеоконференцсвязь при более низ¬
ких скоростях (т.н. базовый профиль приложений). После усовершен¬
ствования параметров компрессии для мобильных приложений (рас¬
ширенный профиль) и, что особенно важно при спутниковой связи с
ОУВ-5/32, для вещания стандартной четкости (основной профиль) был
получен существенный выигрыш — примерно в 2 раза по скорости пе¬
143
редачи цифрового потока в сравнении с МРЕС-2 [23]. Позднее, в 2004 г.
был разработан еще один стандарт — УС-1, который также превосходит
МРЕС-2 по эффективности кодирования одного источника аналогово¬
го контента и позволяет обеспечить при обычном разрешении скорость
потока компрессированных данных около 2 Мбит/с. Для изображений
высокой четкости (формат 720р) хорошие результаты дос тигаются при
скорости потока от 4 до 6 Мбит/с [22]. Эти весьма ценные, с точки зре¬
ния экономии полосы частот в ЛСС при цифровом телерадиовещании,
возможности МРЕС-4 были продемонстрированы компанией ЗЕЗ (Люк¬
сембург) на СР типа А$Ьга в 2005 г.
Для обратного канала в 2000 г. по инициативе той же компании ЗЕ8-
АзИа принят европейский стандарт ЭУВ-КСЗ (КеСигп СЬаппе1 ЗаЫПсе)
или стандарт ЕТСИ ЕШ01790, ориентированный на асимметричный
трафик для обеспечения доступа в Интернет и поддерживающий также
прием цифрового ТВ в стандарте ЭУВ-3.
В 2002 г. ЕТСИ были опубликованы рекомендации под названием
ТесЪтса1 Нерон — ТК101790, в которых содержится подробное описание
построения системы интерактивного спутникового абонентского досту¬
па к информационным ресурсам, а также терминалов (АТ), сходных с ЗС
типа УЗАТ. Согласно ТК101790 такие АТ должны работать в диапазонах
частот Ки и Ка и для них рекомендованы названия:
— 51Т (За^еПйе 1п1;егас1луе Тегпнпа1) — (10,7—12,75)/(29,5- 30) ГГц;
- ЗИТ (5аЫ1ке Изег Тегтта1) - (17,7-20,2) ГГц, (21,4- 22)/(27,5 -30)
ГГц.
В разъяснениях к стандартам и рекомендациям указывается, что
данные интерактивные АТ могут работать и в других разрешенных по¬
лосах частот РСС и ФСС. Однако практически сегодня интерактивные
сети с использованием стандарта ЭУВ-КСЗ или близких к нему модифи¬
каций ряда компаний-производителей создаются на базе ЗС типа УЗАТ,
работающих в традиционных С и Ки диапазонах. При этом разработаны
программно-аппаратные технологии обработки, мультиплексирования,
маршрутизации, присоединения к оконечным устройствам — компью¬
терам, телевизорам, телемедицинским терминалам, игровым пристав¬
кам и т. II.
Согласно стандарту ОУВ-КСЗ рекомендуемым способом МД в об¬
ратном направлении является пакетный метод, основанный на ком¬
бинации МДВР-МДЧР (МР-ТОМА), предусматривающий изменение
частоты в канале по определенному алгоритму (командам ЦЗС, либо
автоматически, при перегрузке, ухудшении качества канала) и широко
используемый в реализованных зарубежных ССС и технологиях этого
144
класса. Минимальная скорость передачи в обратном канале согласно
первой версии стандарта — 144 Кбит/с. При достаточной отводимой по¬
лосе (например, 20—30 Мгц) возможна организация многих частотных
каналов ТОМА. Здесь же даны рекомендации по ограничению ЭИИМ
терминала до 40—50 дБВт при выходной мощности до 2 Вт, значениям
промежуточной частоты на выходе/входе внешнего блока оборудова¬
ния — 950—2150 Мгц/2500—3000 (или, как опции, 20—60 Мгц), а также
частотам управления внешним блоком.
Основной метод модуляции в обратном канале — ДФМ(4ФМД)Р5К)
в сочетании с турбокодированием, при скоростях передачи информации,
согласно стандарту для ИУВ-32, от 208 до 4285 Кбит/с. Доступ пользо¬
вательских терминалов к обратному каналу может быть либо фикси¬
рованным, с гарантированной полосой частот, либо с предоставлением
полосы по требованию, а также с произвольным обращением по методу
«тактированная» АЬОНА.
Типичный комплект оборудования пользователя ЗС-тсрминала со¬
стоит из параболической антенны с закрепленным на ней внешним СВЧ-
блоком (СЮИ) и радиомодемом с ПЧ-интерфейсом, выполненным в виде
самостоятельного (внутреннего) устройства (ЮС), либо в виде карты,
устанавливаемой в персональный компьютер. Сочетание модема с муль¬
типлексором и маршрутизатором позволяет использовать одну оконеч¬
ную ЗС для группы пользователей.
Ряд известных компаний, таких как \Та5а1, ОйаР, Ни§Ьез Ые1^огк
5уз1етз (РШ5), РЫШрз предлагают набор оборудования, реализующе¬
го необходимую конфигурацию сетей и качество спутниковых каналов.
Это, в частности, плата-приемник сигналов для установки в компью¬
тер (РС-ЭУВ сагс!), универсальный многопортовый маршрутизатор и
коммутатор пакетов (1Р-ОУВ За^еНйе Котйег). Сервер-маршрутизатор,
который предлагается для Интернет-провайдеров, обеспечивает адрес¬
ную доставку 1Р-пакетов по запросу (как для одного, так и для группы
пользователей) и многоадресную маршрутизацию. Он обеспечивает нор¬
мальную работу практически неограниченного количества пользовате¬
лей при многоадресном приеме 1Р-пакетов и доступе в Интернет. Эта
технология, в частности, внедряется в России компаниями Сеть-Сервис,
Ые1:ж)гк ЗузСетз Сгоир.
В качестве примера каналообразующего внутреннего оборудования
(Ш11), совмещаемого со стандартным внешним РЧ оборудованием стан¬
ций У8АТ (антенной и приемо-передающим блоком — СЮИ) и постав¬
ляемого на российский рынок компанией У1а5аС могут быть приведе¬
ны модемы (терминалы, устанавливаемые непосредственно у пользо¬
145
вателя) с торговыми марками ЫпкЗСаг и Ыпк№ау Первый из них пред¬
назначен для работы в вещательных спутниковых сетях с топологией
«звезда» и обратным каналом в соответствии со стандартом БУВ-КСЗ.
Он имеет модификации для БУВ-8, которая функционирует на рынке
уже несколько лет, и новую — для БУВ-52 (1лпк$1аг82), обеспечиваю¬
щую описанные выше характеристики. Оборудование 1лпк\Уау имеет
во многом те же функции, также выпускается в двух модификациях и
способно взаимодействовать с Ыпк 51аг, но предназначено для работы
в сетях с полносвязной топологией (типа «каждый с каждым»). В част¬
ности, 1лпкУ^ау32 поддерживает двунаправленный обмен высокоскоро¬
стной информацией между малыми оконечными ЗС по протоколам 1Р
(непосредственно, либо через ЦЗС) с использованием МР-ТБМА, тур¬
бо-кодов, ЦРЗК или 8Р5К [24].
Таким образом, спутниковый доступ в сети Интернет из России, как
и прием значительного объема программ цифрового ТВ, в настоящее
время осуществляется, в основном, на базе импортного оборудования.
Спутники-ретрансляторы
Тенденция развития систем ФСС, РСС и сопутствующих им сетей
УЗАТ такова, что непрерывно появляются все более тяжелые СР с воз¬
растающими размерами, массой и мощностью источников энергопита¬
ния. Это диктуется необходимостью, как увеличения числа стволов-
транспондеров, так и повышения их излучаемой мощности, т. е., в ре¬
зультате, наращивания общей пропускной способности ММССС.
Кроме того, все большее число зарубежных мультимедийных спут¬
ников нового поколения оснащается многолучевыми антеннами и уст¬
ройствами (процессорами) бортовой цифровой обработки и коммутации
сигналов на базе микропроцессоров с солидным энергопотреблением.
Принимаемые в разных по размерам и конфигурации зон обслужива¬
ния лучах бортовых МЛА, сигналы от множества ЗС оказываются раз¬
несенными но пространству, и, кроме того, по поляризации, благодаря
чему также повышается пропускная способность систем, в особенности,
в условиях дефицита частотного ресурса.
Показательными в плане проявления указанных тенденций являют¬
ся программы и проекты реализации новых спутниковых технологий ве¬
дущими европейскими компаниями космической индустрии, разрабаты¬
ваемые, в частности, на базе использования тяжелых космических плат¬
форм Еигоз1:аг Е3000 (ЕАБЗ АзПшт) и ЗрасеЬиз 4000 компании ТЬа1ез
А1еша Зрасе (ТАЗ). Совместно с ТАЗ российским предприятием ИСС
им. М.Ф. Решетнева намечено создание платформы Экспресс 4000 [25].
146
Платформа Е3000 прошла солидную летную квалификацию и ис¬
пользована при создании спутников новых поколений (последних се¬
рий) для крупнейших международных ССС: \птагт1-4Р1, Р2, Ног ВЫ
8,Еи1е1$а1 \УЗА, 1п1еЬа110—02. Эта космическая платформа позволяет
иметь массу К А на орбите около 6000 кг и обеспечить энергопотребление
14 000 Вт, при сроке активного существования 15 лет. На ее базе также
создается КАНоЬВЫ 10 с 64 транспондерами. В рамках сотрудничества
с российскими космическими компаниями в НПО им. Хруничева раз¬
рабатывается спутник Экспресс-АМ4, содержащий 63 ствола-транспон¬
дера, работающих в диапазонах Ки, Ка, С, И.
На основе платформы ТЬа1ез А1еша ЗрасеЬиз 4000 будет создан КА
ЕиХеЬаЬ ХУЗВ, содержащий 56 стволов, запуск которого в точку ГСО 7°
в.д. предполагается во 2-м квартале 2010 г. В 2010 г. планируется так¬
же выведение на ГСО на базе этой платформы спутника компании ЕВ-
ТЕЛСАТ под названием КА-5АТ, предназначенного для трансляции ТВ
программ и мультимедиа в диапазоне Ка с использованием 80-лучевой
антенны [27].
На базе Экспресс 4000 также предложено реализовать проект КА
Арктика-МС в рамках многоцелевой космической системы (МКС) Арк¬
тика.
В качестве еще одного примера может быть указан один из самых
тяжелых спутников связи гРЗТАК, имеющий массу 6,3 т и мощность
источников питания 15 КВт, выведенный на ГСО в августе 2005 г. На
нем установлены 97 стволов-транспондеров и, в частности, антенны
диапазона Ки, образующие 84 узких луча шириной менее 1° (на пере¬
дачу и прием) для связи и приема информации Интернета/мультиме-
диа в локальных густонаселенных районах Юго-Восточной Азии и Ав¬
стралии через стационарные ЗС-терминалы (типа УЗ АТ) с антеннами
диаметром 75—100 см. Благодаря таким энергопараметрам, при ЭИИМ
ретранслятора в лучах порядка (52—53) дБВт обеспечивается прием
данных со скоростью до 4 Мбит/с, а передача в обратном направлении —
до 2 Мбит/с. Кроме того, бортовые антенны КА имеют 3 контурных и 7
относительно широких региональных лучей, используемых для подачи
сигналов вещания на более тяжелые стационарные ЗС, распределяю¬
щие далее программы по наземной сети [28].
Таким образом, наряду с повышением мощности бортовых источни¬
ков питания, изыскиваются технологические пути увеличения размеров
и совершенствования конструкции бортовых антенн, хотя, чем выше рабо¬
чие частоты (по сравнению, например, с диапазонами дециметровых волн
Б и 5), тем более жесткие требования предъявляются по точности профи-
147
ля и обработки поверхности отражателей. Поэтому до последнего времени
в сантиметровых диапазонах волн применялись относительно небольшие
(порядка 2—3 м диаметром) антенны, умещающиеся под обтекателем КА,
с формируемыми, контурными (зЬарес!) диаграммами направленности.
Сейчас ведущими в этой области компаниями [29, 30] создаются склад¬
ные конструкции значительно больших размеров (до 30 м) для работы не
только в Ь, 3, но и в С, Ки, Ка диапазонах. Это делается как с целью более
точного и с меньшими потерями формирования обширного («полугло-
бального», регионального) контурного покрытия, так и для сосредоточе¬
ния значительной части энергии лучей в узких локальных зонах.
Все это означает появление новых возможностей для возрастания
уровня мощности принимаемых сигналов на обоих участках ЛСС и, со¬
ответственно, объемов и скоростей передачи информации, необходимых
при доставке широкополосных услуг вещания/мультимедиа, в особен¬
ности, на мобильные терминалы. В свою очередь, прогресс в области
приемных бортовых антенн позволяет ослабить ограничения по орга¬
низации обратного канала в мобильной и персональной связи, а также
таких относительно новых служб как сбор (телевизионных) новостей
($N0 — За1еИй:е Иехуз Са1Ьепп§).
Надо отметить, что многие из указанных новаций, в частности, циф¬
ровая обработка и коммутация на борту, методы формирования слож¬
ных диаграмм направленности бортовых антенн и т. д. проходят апро¬
бацию в реальных условиях — путем заказа и выполнения демонстраци¬
онных проектов, которым в европейских программах отводится весьма
важная роль [31]. Разработанные образцы устройств устанавливаются
на эксплуатируемые СР и выводятся на ГСО «попутно» со штатной по¬
лезной нагрузкой. При этом с минимальным техническим и финансовым
риском происходит отработка системных, технологических, сетевых ре¬
шений и коммерческих моделей предоставления услуг совместно с про¬
ектируемыми наземными средствами и системой управления будущих
ссс.
06.2. Мобильные приложения
Одним из условий современного развития телекоммуникаций явля¬
ется предоставление клиентам полного набора мультимедийных услуг.
До некоторого времени считалось, что указанные потребности в наи¬
большей степени соответствуют и могут удовлетворяться фиксирован¬
ными и вещательными (наземными и спутниковыми) службами. Но в
последние годы существенно возросла роль мобильного мультимедиа.
148
В результате мультисервисные сети сейчас одинаково быстро развива¬
ются и в области сотовой радиосвязи и в сфере беспроводного доступа,
в том числе мобильного спутникового.
Эволюция ССС, относящихся к разным службам, а также появле¬
ние цифровых технологий и стандартов, подобных ЭУВ, привели к за¬
метному стиранию граней между всеми типами и службами этого вида
телекоммуникаций. Причем основой такого сближения, в соответствии
с отмеченными выше особенностями, явились необратимые тенденции
движения к многофункциональности, широкополосности и мобильно¬
сти систем, сетей, услуг.
Провозглашенная в качестве одного из стратегических направлений
развития в 21-м веке конвергенция мультимедийных сетей и услуг, ра¬
дио- и телевизионного вещания (РВ, ТВ) с беспроводными наземны¬
ми и спутниковыми сетями третьего и следующих поколений (ЗС, 4С)
состоит в сближении гармонизации и оптимизации широкополосной
сетевой архитектуры по многим критериям взаимодействия, универса¬
лизации алгоритмов, протоколов и интерфейсов на всех ее уровнях.
В частности, большое значение придается унификации радиоинтер¬
фейсов, т. е. согласованию функций, параметров, форматов передачи-
приема сигналов на нижних уровнях эталонной модели взаимодействия
открытых систем (ЭМВОС). Это играет немаловажную роль с точки зре¬
ния улучшения надежности и помехоустойчивости приема, в частности,
повышения энергетической избыточности передачи, борьбы с многократ¬
ными, многолучевыми отражениями и селективными замираниями.
В большинстве проектов спутниковых систем прошедшего десятиле¬
тия, в особенности мобильных, при их технологическом разнообразии,
предлагались в общем-то близкие по назначению узкополосные услуги,
аналогичные сотовой связи второго поколения (2С). При этом почти все
системы подвижной и персональной спутниковой связи предусматри¬
вали определенную интеграцию с наземными сетями наиболее распро¬
страненных сотовых стандартов (С5М, СОМА, ОАМР5) на уровне т.н.
двух-, трехмодовых абонентских терминалов-трубок.
Одной из главных предпосылок перехода к третьему поколению мо¬
бильной связи (ЗС/1МТ-2000/иМТ$), охватывающему как наземную,
так и спутниковую компоненты, явилось условие предоставления более
высокоскоростных услуг, которые должны поддерживаться, в зависимо¬
сти от скорости движения абонента и зоны обслуживания, в следующих
пределах [32]:
— до 2048 Кбит/с при ограниченной мобильности в локальной
зоне;
149
— до 144 Кбит/с при высокой мобильности (до 120 км/час в широ¬
кой зоне покрытия);
— до 64—144 Кбит/с при глобальном покрытии для спутникового
компонента.
Однако последующие проекты мобильных ССС, упоминаемые ниже,
пошли еще дальше, ибо в них предусматриваются более широкополос¬
ные потоки для целей вещания и доступа в Интернет. Таким образом,
мобильные спутниковые телекоммуникации (как связь, так и вещание)
на очередном этапе своего развития должны стать средством предос¬
тавления всего спектра комплексных, мультимедийных услуг широко¬
полосного доступа, рассчитанным на энергетически напряженные слу¬
чаи применения АТ с массо-габаритными параметрами кейса, ручной
телефонной трубки, «наладонного» компьютера, других видов носимых,
возимых или стационарных ЗС-терминалов.
Под эгидой МСЭ совместно с ЕТС И в 2000 г., наряду со стандар¬
тами наземной мобильной связи 3-го поколения, разработаны реко¬
мендации по спутниковой составляющей 30, в которых наибольшее
внимание уделено радиоинтерфейсам на обоих участках ЛСС. В них
отмечается, что при развитии систем ПСС следует максимально стре¬
миться к общности параметров модуляции, кодирования, многостан¬
ционного доступа наземного и спутникового компонентов, насколько
это возможно, с учетом специфики ССС. Вместе с тем признается, что
при решающей роли энергетики спутниковых линий связи и типов ор¬
бит в указанных и многих других системно-технологических характе¬
ристиках неизбежны большие или меньшие различия, в связи с чем
отдельные принятые стандарты могут рассматриваться как открытые
и «произвольные». Одной из основных рекомендаций в контексте за¬
дач интеграции наземного и спутникового компонентов ЗС является
также максимальное сближение технических и конструктивных па¬
раметров терминалов, выполняемых часто в виде единого (двух- или
многомодового) устройства.
В частности, одна из Рекомендаций МСЭ [33] содержит подробные
спецификации следующих радиоинтерфейсов (А, В, С, Б, Е, Р) в качест¬
ве спутниковых стандартов для 3-го поколения мобильной связи:
— ЗМ-СБМА — разработан на основе адаптации наземного радио¬
интерфейса \УСБМА к спутниковому компоненту с различными
орбитальным построениям и высотами группировки СР;
— 1У-С/ТОМА — основывается на гибридной технологии кодового и
временного методов разделения каналов, по этому признаку бли¬
зок к аналогичному наземному стандарту и также не относится
150
к какой либо конкретной конфигурации и высоте орбитальной
группировки;
— ЗАТ-СИМА — предусматривает использование \У-СОМА в сис¬
теме ПСС с 48-ю спутниками на низких (ЬЕО — 1_о\\- ЕапЬ ОгЬк)
орбитах (высотой порядка 1400 км), запускаемыми в 8 плоско¬
стей с наклонением 54°, которую можно считать развитием сис¬
темы Глобалстар;
— ЗШ-И — относится к системам на средних (МЕО — МесИит ЕагсЬ
ОгЬк) круговых орбитах высотой 10390 км с запуском 5—6 СР в
две плоскости с наклонением 45°, применением т.н. «точечных»
лучей бортовой МЛА и комбинацией РОМА (между лучами) и
ТОМА (внутри лучей), аналогом которой является проект 1СО\
— ЗК1-Е — разработан для систем с ГСО, основным требованием
к которым являются поддержка Интернет-протоколов, много¬
адресное вещание (ти11лсаз1пщ), обеспечение полной незави¬
симости («прозрачности») от вида услуг и характера графика,
при ТИМА с элементами АТМ на уровне управления доступом
(МАС — Мийлр1е Ассезз Соп1го1);
— 5а1сот2000 — рассчитан на глобальную низкоорбитальную (вы¬
сотой порядка 860 км) группировку из 96 спутников (по 12 в 8
плоскостях), запускаемых на приполярные орбиты (наклонение
98,8°), при использовании двух радиоинтерфейсов (ЕИМА/
ТБМА и РИМА/СИМА, РБЦ/ТОВ), а также межспутниковой
связи по принципам системы Иридиум.
Сегодня ситуация с реализацией этих стандартов и достижением
многих заложенных в них требований такова, что спутниковые проек¬
ты, которые были на слуху еще менее 10 лет назад, становятся историей.
В самые первые годы нового столетия лавинообразный процесс инно¬
вационных предложений в области ССС несколько ослабился — с тем,
чтобы начать снова набирать силу, но уже на следующем уровне разви¬
тия 5-ИМТЗ. В этом смысле следует иметь в виду перспективные про¬
граммы и проекты по мобильной спутниковой связи в планах Европей¬
ского сообщества (ЕС) и Европейского космического агентства (ЕКА)
на ближайший и более далекие периоды.
При этом согласно [34, 35] и многим другим источникам, в качестве
приоритета рассматривается многоуровневая конвергенция услуг МСС
с широковещательными, а также многоадресными мультимедийными
службами (ВгоабсазС Микюаз!) и Интернетом. С этими целями в 2000—
2001 гг. развернута серия мобильных программ ЕКА под общим назва¬
нием АКТЕ5 (Аскапсеб КезеагсЬ т Те1есоттитса1лоп5 5уз1етз) [31].
151
Весомым результатом проведения в жизнь совместных программ ЕС
и ЕКА можно считать ввод в 2005 г. системы с двумя КА нового поко¬
ления Инмарсат-4, создававшейся в течение последнего десятилетия.
Сеть, организованная еще на базе Инмарсат-3 и развитая в новом поко¬
лении, получившая статус Широкополосной глобальной сети (ВСАЫ -
ВгоабЬапй С1оЬа1 Агеа Ые1\Уогк), расширяет зону обслуживания и харак¬
теристики ЗС. Она предусматривает также использование двух/трехмо-
довых терминалов с интеграцией более высоких уровней (прежде всего
транспортного) протоколов мобильной связи 2-го и последующих поко¬
лений (СЗМ/СРК5/1ШТ5).
Данная система сначала была предназначена для связи типа «точка-
точка» с использованием портативных или полу-фиксированных терми¬
налов. Сейчас в рамках одного из элементов программы ЕСА (АКТЕЗ 3)
предложено расширение спектра услу г сети (ВСАЫ Ех1епСюп) до мульти-
вещательных («точка-многоточка»). По существу, почти глобальная сеть
с КА Инмарсат-4 может рассматриваться в идейном плане как промежу¬
точное звено между МСС с предоставлением узкополосных (до 64 кбит/с)
услуг (передача речи, факс, данные, 15БМ) и мобильным спутниковым
телевидением, между архитектурой с симметричным информационным
обменом и широкополосными вещательными сетями, использующими
относительно менее информативные обратные каналы для обеспечения
интерактивности.
Причем тот фактор, что энергетическую избыточность легче обеспе¬
чить в прямом направлении, т. е. от центра к малым терминалам (за счет
мощности передающих устройств КА и бортовых антенн, тогда как в об¬
ратной линии на участке вверх нет другой возможности, кроме увели¬
чения размеров антенн), в значительной мере способствует реализации
ярко выраженной асимметрии прямого и обратного потоков.
В современной СПСС с СР Инмарсат-4 благодаря 9,5-метровым
бортовым МЛА и почти десятикратному повышению выходной мощ¬
ности полезной нагрузки (по сравнению с КА Инмарсат-3) достигает¬
ся возможность передачи на мобильные АТ более высокоскоростных
(до 1 Мбит/с) потоков мультимедийного контента (видео, аудио, Интер¬
нет, 1Р-телефония и пр.). При образовании 250 узких лучей-транспонде¬
ров, работающих в полосе частот Ь-диапазона, это позволяет обеспечить
в каждом луче достаточный энергопотенциал для работы в движении
при скоростях передачи от 216 до 432 кбит/с в прямом направлении (на
участке вниз) и от 72 до 144 кбит/с в обратном (на участке вверх) [36].
Дальнейшее продвижение стандарта ТВ/мультимедиа, в частности,
на базе ВУВ-5/52, в этом диапазоне все еще ограничивается энергетикой
152
космического сегмента. Таким образом, для многих современных спут¬
никовых проектов, относящихся к непосредственной доставке контента
пользователю, в частности, телерадиовещанию, мультимедийным и Ин¬
тернет-приложениям, прежде всего мобильным, характерна направлен¬
ность на создание более тяжелых КА с увеличенными размерами, как
солнечных батарей, так и бортовых антенн.
Кроме того, проблемы энергетического дефицита и надежности ра¬
боты спутниковых радиолиний, в особенности при использовании ма¬
лых терминалов в условиях затенения рельефом местности, раститель¬
ностью, городскими постройками и внутри зданий, решаются с помощью
различных способов разнесения — сигнального, пространственного, вре¬
менного. Поэтому во многих проектах, посвященных конвергенции се¬
тей связи и вещания, широкое распространение получили, в частности,
стандарты широкополосного СЭМА в комплексе с различными мето¬
дами разнесения и последующего когерентного (типа гаке), логического
или другого способа сложения ретранслируемых сигналов, в том числе
передаваемых одновременно как по спутниковым, так и по наземным
каналам.
Проекты мобильного радиовещания
Достижения в процессорной схемотехнике, методах обработки и
кодирования звука, изображений сделали реальным отображение про¬
грамм ТВ, графической, другой видеоинформации не только на экранах
домашних или мобильных телевизоров, установленных в транспортных
средствах, но и в малогабаритных портативных АТ-приемниках, следую¬
щих за пользователем. Это относится как к наземным, так и к спутни¬
ковым системам передачи.
Одним из первых примеров персонализации спутниковых мультиме¬
дийных услуг явились проекты для звукового вещания. Это, в частности,
рассмотренные выше системы 8гпиз 8а(е11Ие Кайю и ХМ 8а1е11пе КасИо,
относящиеся к РСС, но ассоциируемые с мобильными ММССС и ис¬
пользующие цифровые стандарты 5-ЭАКЗ — (5а1еШ1е Э1§йа1 АисНо КасИо
Зетсе). Для глобального спутникового цифрового радиовещания кор¬
порацией \\А>гЫ Зрасе также была создана система, основанная на при¬
нятом МСЭ еще в 1992 г. стандарте ЭЗВ (Э1§йа1 Зоипб ВгоабсазИп^).
Спутники системы ШШ8расе не разрабатывались специально для
мобильного вещания и имеют обычные энергетику и размеры антенн.
Но этого оказалось достаточно для мобильного приема программ в при¬
экваториальной зоне (при кодировании исходной аудиоинформации в
стандарте МРЕС-2 Ьауег III, фотоизображений — в стандарте ^ЕС) со
153
скоростями от 16 до 128 Кбит/с, в зависимости от требуемого качества
приема контента и типа антенны, чувствительности приемника.
При приеме на территории европейских стран имеет место дефицит
энергетики спутниковых радиолиний с ГСО из-за небольших углов свя¬
зи. Именно поэтому в системе предусмотрена одновременная разнесен¬
ная передача и прием программ через два КА — А/п31аг, АтепзСаг, а также
использование наземной ретрансляции сигналов, приходящих со спут¬
ника. В связи с этим МСЭ-Р рекомендованы два всемирных стандарта
для Б5В. Один из них известен как и предусматривает только спут¬
никовый прием, в основном на простые (персональные) портативные АТ-
приемники. Второй — Бн, относится к гибридной системе разнесенного
спутникового и наземного (через промежуточные ретрансляторы) прие¬
ма для доставки вещательных услуг на транспортные средства коллек¬
тивного пользования (автобусы, поезда), находящиеся в движении с вы¬
сокой скоростью. Оба стандарта применяются в сетях IУогШ Зрасе.
Радиоинтерфейсы, в частности, методы модуляции и кодирования,
принятые для того и другого стандартов (Р3 и Он) близки (хотя и не
идентичны) стандартам семейства БУВ — спутниковому и наземному,
соответственно. Первый основан на МДЧР (РБМА) с одним каналом
на несущую (ЗСР5) и ()Р5К в канале, второй — на одночастотных сетях
(ЗРК) и модуляции СОРОМ для линий наземной ретрансляции и мо¬
бильного приема.
Службам ОЗВ (иногда их называют ОКБ — Б1§1Ы КасИо Вгоайсаз!)
выделена на всемирной основе полоса частот 40 Мгц в Ь-диапазоне
(1452—1492 Мгц), из них для \Уог1с1 Зрасе вместе с наземным сегментом
определен участок 1467—1492 Мгц. При этом наземные ретрансляторы
могут использовать и другие полосы, выделенные радиовещательной
службе, включая 8 и УВЧ диапазоны.
Спутниковое мобильное ТВ/мультимедиа
В 2004 г. в семействе цифровых телевизионных стандартов появил¬
ся мобильный стандарт БУВ-Н (НапсШеЫ), предусматривающий прием
программ эфирного ТВ на портативный «наладонный» (ра1ш1ор) теле¬
визор и конвергенцию с мобильными сетями 3-го поколения, а также
мультисервисными платформами и сетями передачи данных на основе
1Р-протоколов.
ММССС, как показывает опыт, развиваются по сценарию, близко¬
му к БУ В-5Н. Причем на данном этапе, как отмечалось выше, основные
проблемы в этой сфере относятся к физическому и канальному уровням
(энергетика, замирания, эффект Допплера и т. гг). Ряд вопросов возни¬
154
кает также по взаимодействию с сетями существующего спутникового
ТВ стандарта БУВ/52-КС8. Тем не менее, уже имеются примеры реа¬
лизации систем мобильного спутникового вещания (ЗЭМВ — ЗаЫЫе
01§И:а1 МиЬлтесЬа Вгоабсаз!;).
В 2004 г. выведен на ГСО японский спутник МВ8аХ-1 (МоЬПе
ВгоаНсазНп^ ЗаЫЫе), абонентские терминалы которого похожи на об¬
разцы реализации стандарта ЭУВ-Н. В Европе также имеется ряд про¬
ектов, относящихся к ЗОМВ и основанных, кроме того, на стандартах
ЗС/ИМТЗ. Разработан проект мультимедийных «мобильных приложе¬
ний и услуг, основанный на взаимодействии систем спутниковой и на¬
земной связи», названный МАЕ8ТКО (МоЬПе АрПсаЫопз & зЕтсез ЬазеП
оп ЗаЫЫе & Теггез1:па1т1;еКлуОгст8) [37].
Первая действующая система мобильного спутникового телевеща¬
ния построена на базе спутников МВ8а1 производства 35-Еога1, заказан¬
ных компанией МВСО (Япония), имеющих, как и СПСС на ГСО, 12-мет¬
ровые антенны, но значительно большие выходные мощности, приходя¬
щиеся на каждый луч-транспондер — до 120 Вт. Это стало возможным
благодаря солидной общей мощности полезной нагрузки и, главное, ог¬
раниченной зоне обслуживания (Япония и Ю. Корея с прилегающими
акваториями), т. е., соответственно, относительно малому количеству
лучей МЛА — всего 16.
Система работает в полосе 25 МГц 3-диапазона (2630—2655 МГц)
на участке вниз и обеспечивает передачу более 60 программ цифрового
видео- и аудиовещания, каналов ПД, доступ в Интернет со скоростями
до 128 кбит/с и использованием МРЕС-4 в качестве одного из стандар¬
тов для формирования цифровых потоков. В основу радиоинтерфейса
положен метод МДКР/СЭМА, с эффективным помехоустойчивым коди¬
рованием и разнесенным приемом по спутниковым и наземным каналам
с когерентным сложением ветвей (гаке).
Ведущими японскими и корейскими компаниями-производителями
(ТосЫЬа Согр., ИТТ ВгЛа, 5К Те1есот о^ Когеа и др.) создан ряд порта¬
тивных автомобильных и персональных терминалов-приемников в виде
миниатюрных телевизоров, ручных трубок, РБА с тюнерными смарт-
картами. Одна из моделей — «наладонный» приемник ТВ/аудио/медиа
фирмы ТосЫЬа имеет размеры (75 х 112 х 22)мм и вес около 200 г, вклю¬
чая 3,5-дюймовый ЖК дисплей, батарею питания и антенну. Подача ве¬
щательных программ и другого контента через МВ8а1 на терминалы или
наземные ретрансляторы производится от стационарных центров в диа¬
пазоне частот 12 ГГц, а также от земных станций, работающих в полосе
5-диапазона.
155
По сообщениям корейских агентств, число пользователей системы,
передвигающихся в различных видах транспорта в часы пик и при этом
смотрящих или слушающих новости, в течение первого года достигло
несколько сот тысяч. Японцы назвали это Революцией Персонального
Вещания.
Европейский проект МАЕ8ТКО/МОИ18 разработан консорциу¬
мом европейских исследовательских организаций при основной роли
А1саЫ Зрасе, затем ТЬа1ез А1еша Зрасе, совместно с подпрограммой ЕКА
АКТЕЗ-З. Как объявлено исполнителями, проект направлен на ликви¬
дацию определенного застоя в области мобильной спутниковой связи,
наметившегося после Всемирной радиоконференции (XVКС-2001).
Этот проект ориентирован на выполнение ряда принципиальных и
необходимых для решения данной задачи положений, к которым отно¬
сятся:
— применение крупноапертурной бортовой МЛА с эквивалентным
диаметром не менее 8—9 м, а также обеспечение необходимой
мощности излучения на участке вниз за счет относительно ма¬
лого (порядка 5—10) количества лучей с шириной диаграммы на¬
правленности около 1°;
— использование для передачи сигналов вещания/мультимедиа на
мобильные абонентские терминалы полос частот 5-диапазона,
выделенных для спутникового компонента ЗС и смежных с по¬
лосами, определенными для наземной составляющей 1МТ-2000/
ЕГМТЗ;
— интегрирование спутниковых и наземных терминалов, а также
протоколов, интерфейсов и услуг по всем уровням эталонной мо¬
дели взаимодействия открытых систем.
Кроме того, в проекте МАЕ8ТКО на уровне радиоинтерфейса преду¬
сматривается инновационное гибридное решение, основанное на разне¬
сенной передаче нескольких радиосигналов с одним и тем же контен¬
том, поступающих на вход терминала от одного или нескольких спут¬
ников и от наземных стационарных станций (например, базовых стан¬
ций ИМТЗ), ретранслирующих сигналы, принимаемые со спутников.
Все это, вместе с использованием ^СЭМА и т.н. «бесшовных» сетевых
технологий, должно обеспечить прием мультимедийной информации
со скоростями 384—768 кбит/с на первом этапе, а в перспективе — до
2—5 Мбит/с. При этом обратные каналы могут быть образованы также
через спутниковый сегмент.
Имитационные испытания фрагмента такой гибридной сети, вклю¬
чающей два наземных ретранслятора (базовые станции сотовой связи)
156
и эмулятор спутникового ретранслятора, проведены в июле-сентябре
2004 г. в Монако в рамках проекта МОБ15 [38]. Более полный фрагмент,
но также с имитатором спутника, организован и испытан во Франции
в 2005 г. Одной из главных задач экспериментов была проверка сетевых
принципов обеспечения преемственности со следующими поколениями
мобильной связи (ТозГепщ* ЗС).
Компанией ТЬа1ез А1ета Зрасе при поддержке ЕКА в рамках про¬
граммы АКТЕ5 ведется разработка полезной нагрузки 5-диапазона
для установки на КА Еи1еЫа1 ]У2А, не имевший ранее транспондеров,
работающих в этом диапазоне. Запуск нового КА с ретрансляторами
диапазона МСС, финансируемый ЗЕ5 С1оЬа1 и ЕиСе1за1 СоттишсаГюпз
как операторами вновь создаваемой спутниковой сети мобильного
мультимедиа, использующей новый стандарт ОУВ-ЗН, намечен на
2009 год.
Наконец, в качестве средства для организации мобильного циф¬
рового вещания/мультимедиа могут быть применены и спутниковые
ретрансляторы Ки, Ка диапазонов, широко используемые в рассмотрен¬
ных выше системах ФСС и РСС. Последние, как известно, в массовом
количестве обеспечивают непосредственное ТВ вещание на домашние
приемные установки с параболическими антеннами, причем с интен¬
сивным переходом в последние годы к базовому цифровому стандарту
ВУВ-5/52.
Один из сценариев такого сближения ТВ вещания и ММССС на ос¬
нове космического сегмента, создаваемого и для решения других, тради¬
ционных задач стационарной связи и вещания, состоит в эволюционном
аппаратно-программном совершенствовании земных мобильных терми¬
налов, главным образом, сопровождающих транспортные средства: ав¬
томобили, поезда, воздушные и морские суда.
Причем, как отмечалось, многие новые европейские проекты имеют
экспериментальный или демонстрационный характер, когда их полез¬
ная нагрузка выводится на орбиту попутно с основным ретрансляци¬
онным оборудованием эксплуатируемых КА Еи1еЫа1, 5Е8 и др. систем.
Это имеет свои преимущества с точки зрения затрат на разработку, эко¬
номического и технического риска, позволяя испытывать разного рода
новации, в том числе и в сфере мобильного приема ТВ, в натурных ус¬
ловиях, на реальных спутниковых линиях, не требующих каких-либо
капиталовложений, кроме аренды и эксплуатационных расходов. При¬
мером такого подхода является, в частности, проект МОМ/СЬУ (МОЫ1е
\УИеЪапс1 С1оЬа1 Ыпк зУз^ет), выполняемый в составе т.н. 6-й Рамочной
Программы ЕС (РР6).
157
В телекоммуникационных программах ЕКА и ЫА5А существует
также целая серия проектов, направленных на создание малогабарит¬
ных, «не выступающих наружу», следящих антенных систем, работаю¬
щих в движении, с автоматическим электронным или комбинирован¬
ным (с электромеханическим) управлением — определением местополо¬
жения, наведением, сопровождением КА. Для этой цели применяются
т.н. «многослойные» технологии и соответствующее программное обес¬
печение. Учитывая специфику связи в движении, наличие «мелькаю¬
щих» препятствий для радиосигнала, многолучевых замираний и т. п.,
на уровне радиоинтерфейса, наряду с эффективными способами моду¬
ляции, кодирования, множественного доступа, широкое распростране¬
ние получают пакетные методы передачи с обратными каналами и про¬
граммируемой памятью, позволяющие повысить надежность и качество
приема в масштабе времени, близком к реальному.
Мобильные терминалы
С целью совершенствования спутникового приема при движении на
автомобилях, поездах, а также для пешеходов, в том числе внутри зда¬
ний, в системах ЗЭМВ нового поколения, в рамках программы АК.ТЕ5,
созданы и разрабатываются новые мини- и микротерминалы, работаю¬
щие в 5, Ки, Ка-диапазонах и реализуемые, в частности, в системе Ин-
марсат-4, а также в других создаваемых ССС.
Благодаря относительному снижению энергетического дефицита в
линиях спутниковой связи за счет бортовых МЛА, интеллектуальных
направленных антенн ЗС и методов приема, может решаться задача соз¬
дания мини- и микротерминалов, способных предоставлять более широ¬
кий спектр услуг, в том числе мультимедийных, а не только обменивать¬
ся речевыми или короткими цифровыми сообщениями, как это имеет
место в МСС первых поколений.
В рамках многих европейских проектов создаются терминалы для
подвижных средств (автомобилей, автобусов, поездов, морских и воз¬
душных судов), работающие в движении, в том числе через спутники
на наклонных орбитах. Очевидно, что основной проблемой при этом,
наряду с компенсацией эффекта Допплера, является разработка сле¬
дящих антенных систем, электрически и механически вписывающихся
в конструкцию подвижного объекта. В данной области имеется много
технических предложений и решений, включая способы электронного
сканирования и сопровождения спутников на разных орбитах, при ав¬
томатическом определении местоположения с помощью навигационных
средств, электронного компаса и т. п.
158
Рис. 06.1
Подобного рода технологии, опи¬
сываемые в 3 части книги, предла¬
гаются и в разработанных авторами
проектах НордМедиаСтар, Глоб-
СатКом.
Большое внимание уделяется
обеспечению приема ТВ и доступа в
Интернет при нахождении пользова¬
теля в том или ином виде транспор¬
та, либо в условиях, когда недоступ¬
ны обычные стационарные средства
связи. В частности, проект СагВиМу [31] для работы в системе ЗОМВ
предусматривает услуги доставки пассажирам аудио и видео контента
по т.н. методу «быстро скачай и запомни» («ризЬ апб з(:оге»), применимые
для «трубок в руке» (ЪапсШеЫ).
В состав коллективного внутрисалониого устройства входят пять
основных блоков: спутниковый модем — оптимизированный, совмести¬
мый с 5-ОМВ приемник, поддерживающий протоколы нижних уровней
на базе архитектуры ЗОН (ЗоЛшаге Оебпес! КасНо); сервер ЗОМВ — цен¬
тральный процессор, управляющий доставкой услуг; местное ЗУ с боль¬
шой (дневной) памятью; два интерфейса — автомобильный и беспровод¬
ный (рис. 06.1).
С помощью беспроводного интерфейса контентные услуги достав¬
ляются на ручные терминалы-трубки пассажирам автобуса или судна,
а с использованием соединений типа \УХАК или В1иеГо1Ь устройство
СагВисШу обеспечит доступ для многих пользователей, не имеющих
средств мультимедиа.
Такая «концепция посредничества» (ргоху сопсер!) применяется в
подвижных терминалах наряду с совмещением функций \УЬАК-серве-
ра, а также маршрутизацией трафика при взаимодействии (межсоеди¬
нении) ручных трубок и доступе абонентов стационарных и мобильных
(в том числе ТПУГГЗ) локальных сетей в спутниковые сети.
Подвижные, портативные, полустационарные АТ индивидуального
пользования разрабатываются в рамках программ перспективных мо¬
бильных систем, работающих не только в Ь, 5, но и в Ки, Ка диапазонах.
По этому признаку мобильные спутниковые терминалы могут быть раз¬
делены на несколько классов, различающихся по энергетическим пока¬
зателям, габаритам и весу АТ, а, следовательно, и по рабочим скоростям
передачи информации, прежде всего на линии вниз. Последние, в свою
очередь, определяются также и параметрами СР. При этом основным от-
159
Таблица 06.2
Терминал
< 10 км/ч
<120 км/ч
< 250 км/ч
носимый
мсс
Индивидуальный
Вверх: 0,16
Вниз: 6
Вверх: 0,16
Вниз: 6
Н/д
Вверх: 0,16
Вниз: 6
Коллективный
Вверх:
0,512/2
Вниз: 16
Вверх: 0,512/2
Вниз: 16
Вверх:2
Вниз: 16
Вверх:
0,512/2
Вниз: 16
СРК.5
Индивидуальный
0,15
0,15
0,15
0,15
Коллективный
ЛМ),15 »
№<0,15 ч
№<0,15 ч
Ах0,15 ч
ИМТ5
Индивидуальный
2
0,384/0,5122>
0,144/0,384 2)
2
Коллективный
Ш2 »
/УхО,384/0,512
2) 1)
№<0, 144/0,384 2>ч
Ш2 »
\УЬАИ
Индивидуальный
11/5,5/2/1
Н/Д3>
Н/д •»
11/5,5/2/1
Коллективный
11/5,5/2/1
Н/д»
Н/д» 1
11/5,5/2/1
» коллективный терминал может быть образован объединением ^индивидуальных
терминалов;
2) планируется;
3) настоящая реализация ограничена низкоскоростными приложениями, напри¬
мер в местах парковок.
личительным признаком того или иного вида терминала являются тип,
размер, усиление и способ наведения антенны.
К первому классу могут быть отнесены ставшие уже традиционными
мобильные (портативные, возимые, полустационарные) АТ, работающие
в полосах частот диапазонов Ь, 5 и имеющие по этой причине ненаправ¬
ленные или слабонаправленные антенны. Примерами таких терминалов
являются вышеупомянутые абонентские ЗС, работающие в глобальной
сети ВСАК через спутники Инмарсат-4. Основная техническая проблема
применения станций этого класса — развитие спутниковых систем в диа¬
пазонах ПСС, решающих задачу доставки широкополосного мультиме¬
дийного контента с использованием обратного интерактивного канала.
К второму классу мобильных АТ отнесем ЗС типа У5АТ, СЗАТ, 51Т,
ЗИТ диапазона Ки, прежде всего устанавливаемые на подвижных объ¬
ектах (наземных, морских и речных, воздушных) и имеющие зеркально¬
параболические антенные устройства, способные наводиться и сопрово¬
ждать СР в процессе движения. В этом случае, при сохранении размеров
рефлектора, соизмеримых с 0,6—1,2 м, даже при работе через существую¬
щие спутники, в частности, Евтелсат, Интелсат, Экспресс-АМ, а тем бо¬
лее через новые, более мощные СР (например, КА-5АТ, 1Р8ТАК), дости¬
160
гается пропускная способность в прямом и обратном каналах, близкая к
стационарным ЗС-терминалам ФСС, РСС. Это означает, что существует
реальная возможность обеспечения широкополосного доступа к услу¬
гам ССС для обособленных мобильных абонентов, пассажиров транс¬
портных средств — пользователей коллективных локальных сетей, по
аналогии с технологиями СагВиМу.
В настоящее время активно развивается также направление созда¬
ния малогабаритных плоских антенн Ки диапазона типа пассивных ре¬
шеток на базе полосковых СВЧ-технологий [39,40]. Они предназначены,
в основном, для автомобилей, имеют усиление порядка 10 дБ и могут
быть использованы для приема вещательных программ, а в дальнейшем,
с появлением больших бортовых антенн этого диапазона, -- для инте¬
рактивного широкополосного доступа.
Наконец, в качестве перспективных АТ третьего класса могут быть
рассмотрены терминалы, проектируемые и применяемые в мультиме¬
дийных спутниковых системах Ка-диапазона, позволяющего, во-первых,
ослабить влияние частотного дефицита традиционных диапазонов и,
что немаловажно, сократить размеры антенн мобильных терминалов,
придав им ряд новых свойств.
Эволюция создания средств МСС в диапазоне Ки происходит таким
образом, что при установке относительно малогабаритных параболиче¬
ских антенн ЗС традиционной конструкции (типа УЗАТ) на подвижные
объекты основное внимание уделяется их стабилизации и ориентации в
пространстве с целью наведения и слежения за спутником. При перехо¬
де к диапазону Ка большая роль отводится самой излучающей системе
и электронным методам формирования диаграммы направленности, в
том числе наведения и автосопровождения. То есть, имеет место ори¬
ентация на плоские, невыступающие антенные решетки, габариты ко¬
торых в диапазонах миллиметровых волн весьма невелики.
Кроме этих типов АТ в качестве весьма показательного примера ин¬
теграции наземных и спутниковых средств широкополосного доступа
может быть указан многомодовый терминал, разработанной в проекте
ЗШТЕЭ [41]. В нем спутниковый сегмент и наземные компоненты — мо¬
бильный СРК5/1МТ-2000 и фиксированный доступ (\УЬАЫ) дополняют
друг друга с целью предоставления пользователю доступа к Интернет-
услугам с гарантированным качеством ((ЮЗ) независимо от его место¬
положения. В зависимости от нескольких факторов, таких как зоны об¬
служивания, экономические соображения, тип услуг и т. п., автомати¬
чески или в ручном режиме может выбираться наиболее подходящий
сегмент для передачи 1Р трафика.
161
Проектом предусмотрено несколько различных решений, оптими¬
зированных для автомобильного или портативного вариантов. В част¬
ности, наиболее оптимальные с рыночной точки зрения спутниковые
широкополосные терминалы для мобильных приложений будут бази¬
роваться на трех конфигурациях, разработанных в рамках данного про¬
екта:
— тип А: автомобильный терминал с плоской антенной (не высту¬
пающей) предназначен для индивидуального пользования, ан¬
тенна является активной решеткой и не изменяет внешний вид
автомобиля;
— тип В: автомобильный терминал с выпуклой пассивной антен¬
ной, предназначенный для коллективного использования, кото¬
рый может устанавливаться в поездах, автобусах, грузовиках и
т. п.;
— тип С: переносной терминал, позволяющий осуществлять лег¬
кую транспортировку и обеспечивать быструю подготовку к ра¬
боте; может использоваться в штаб-квартирах, учреждениях, ин¬
ститутах, при дальних поездках; антенна может иметь дистанци¬
онное управление с грубой ручной настройкой и автоматическим
наведением.
Применяются технологии спутникового доступа: ТОМ (на линии
вниз) и МР-ТОМА (на линии вверх) с модуляцией ()Р5К на обоих на¬
правлениях. При этом используется кодирование с прямым исправле¬
нием ошибок: на линии вниз — код Рида-Соломона (76, 60) с проверкой
на четность 10/9, на линии вверх — код стандарта БУВ-З.
Рис. 06.2 иллюстрирует внутреннюю структуру многомодового мо¬
бильного терминала (ММТ), а таблица — скорости передачи при разных
скоростях движения транспортного средства. Терминалы СРК.5,1МТ-
2000, \УВАЫ рассматриваются как альтернативные технологии приме¬
нения совместно со спутниковым компонентом. Автомобильная и пере¬
носная версии ММТ будут иметь определенные различия в конструкции
элементов.
Наиболее критичным элементом ММТ является автомобильная
антенна, поскольку она должна представлять собой активную фазиро¬
ванную решетку, спроектированную с учетом габаритных ограничений,
обусловленных ее размещением на крыше автомобиля. Система наве¬
дения антенны является еще одной критической технологией, которая
должна обеспечить необходимое слежение за спутником при различных
условиях функционирования, например при движении автомобиля со
скоростью более 80 км/ч или при нестабильных дорожных условиях.
162
Навигационное оборудование
Цифровая
карта
СР8
приемник
Управление
антенной
СРКЗЛ1МТ8/тАЫ
терминалы
Рис. 06.2
Следует все же иметь в виду, что некоторые проекты различных на¬
правлений развития мобильного мультимедиа, в частности, вещания,
как одного из наиболее емких видов контента, предполагают доставку
ТВ программ с пониженным качеством относительно принятых стан¬
дартов, тем более, телевидения высокой четкости (ТВЧ).
Как показывает оценка пропускной способности спутниковых ра¬
диолиний, при многих, даже кардинальных, усовершенствованиях мас¬
совая передача контента со скоростями не менее 1,5—2 Мбит/с и более
высокими, принятыми в существующих стандартах цифрового веща¬
ния, в частности, ЭУВ-8 с МРЕС-2, будет вызывать определенные труд¬
ности. Это означает, что, по крайней мере, на первых этапах, приспо¬
собление уже освоенных системно-технических возможностей, каким
является использование спутников РСС, ФСС в диапазонах Ки, Ка,
либо создание новых целевых систем мобильного приема ТВ/мульти-
медиа в диапазонах, определенных для ЗС, потребует дополнительной
разработки стандартов, отражающих специфику данного вида телеком¬
муникаций.
К сожалению, в нашей стране применение новейших технологий
МСС, мобильного вещания/мультимедиа пока реально возможно лишь
на пути использования зарубежных достижений. При таком положе¬
нии развертывание деятельности по предоставлению мобильных услуг
можно прогнозировать в направлениях системно-сетевого интегриро¬
вания аппаратных и программных средств импортного земного обо¬
рудования в существующую наземную инфраструктуру, определения
163
технических, экономических и регуляторных условий их использова¬
ния, стандартизации параметров и технологических решений, а также
частотных присвоений и их координации для вновь создаваемых оте¬
чественных сетей.
Вместе с тем, многие принципы построения ССС, системно-техни¬
ческие и аппаратно-программные решения заложены в новые россий¬
ские проекты ГлобСатКом и НордМедиаСтар с использованием ВЭО,
предложенные авторами данной книги. Базирующиеся на современных
технологиях, эти решения имеют, с одной стороны, объективно-исто¬
рический характер и потому не могут не пересекаться с рассмотренны¬
ми выше, а с другой — являются результатом развития ряда прошлых
отечественных разработок специального характера.
В то же время они дополняют и развивают результаты проводив¬
шихся ранее работ, относящихся к ССС с геостационарными спутни¬
ками. Реализация проектов позволит решить многие социальные, про¬
изводственные, оборонные задачи, в том числе, пока не решаемые ни¬
какими, даже самыми современными телекоммуникационными сред¬
ствами, зарубежными или отечественными, тем самым подтвердив ис¬
ключительно важную роль спутниковой связи в экономическом воз¬
рождении России.
164
ЧАСТЬ 1
ВЫСОКОЭЛЛИПТИЧЕСКАЯ ОРБИТА И ПУТИ
ЕЕ ДАЛЬНЕЙШЕГО ОСВОЕНИЯ
Сегодняшние потребности в спутниковой связи и сопутствующих
приложениях, несмотря на ее широкое распространение и интенсивное
развитие в мире, все еще далеки от насыщения. В значительной степе¬
ни это относится к нашей стране с ее природно-географическими и со¬
циально-экономическими особенностями. За последнее десятилетие за
рубежом появилось множество проектов ССС, в основу ко торых положе¬
ны новые, прогрессивные системно-технологические решения. В первую
очередь благодаря этому целый ряд проектов, вызвавших наибольший
интерес и привлекших внимание как профессионалов, гак и пользова¬
телей, в конечном счете был реализован.
В России процесс развития гражданской спутниковой связи, если и
продолжается, то, к большому сожалению, вялым, эволюционным путем,
ограничиваясь, главным образом, ставшими уже традиционными обще¬
системными принципами, заложенными еще в 80-е годы. Эго выража¬
ется в наращивании емкости и количества выводимых на ГСО универ¬
сальных стволов-ретрансляторов ФСС российских, а также зарубежных
спутников, работающих, как правило, со стационарными станциями в
диапазоне частот С и Ки. При этом в качестве главной цели государст¬
венной политики в данной области провозглашено сохранение, поддер¬
жание и развитие в указанном направлении существующей отечествен¬
ной орбитальной группировки. Соответственно, львиная доля государ¬
ственных и привлекаемых средств инвесторов расходуется на обеспе¬
чение выполнения этой, хотя и важной, но не единственной задачи, при
тиражировании и постепенной модернизации имеющихся наработок по
спутникам семейства «Экспресс». Такое положение дел, по-видимому,
сохранится и в обозримом будущем.
В то же время в мире активно, разносторонне и целенаправленно
реализуется ряд новых направлений разработок, по своим общесистем¬
ным принципам и технологиям развивающих подходы, сложившиеся в
сфере создания традиционных систем ФСС. К таковым относятся мо¬
бильная (подвижная и персональная) спутниковая связь с использова¬
нием разнообразных типов орбит, непосредственное теле- и радиовеща¬
ние, мультимедийные и мультисервисные ССС с подвижными объекта¬
ми, сбор данных (мониторинг) с необслуживаемых и подвижных объек¬
тов, передача теленовостей и репортажей с мест событий, также идущие
165
к мобильным приложениям. В частности, для новых систем, независимо
от принадлежности к той или иной спутниковой службе, характерны
признаки конвергенции услуг, сетей и технологий, а также глубокой ин¬
теграции с наземными службами, например, мобильной связью 3-го и
4-го поколений.
При этом, несмотря на частотный дефицит, все же продолжается ос¬
воение новых полос частот, в частности, в 1,5, Ка и более высоких диа¬
пазонах, считающихся у нас «труднодоступными» из-за ограничений
ведомственного характера, либо в связи с отсутствием элементной базы.
Среди множества новых проектов и программ особое место занимают
ССС с использованием эллиптических орбит, в частности, с высоким
апогеем.
Как за рубежом, так и в России, системы с высокоэллиптической ор¬
битой (ВЭО), в частности, типа «Молния», для общегражданских нужд
до сих пор не получили соответствующего применения. Вместе с тем, как
будет показано ниже, в большинстве регионов РФ они способны обеспе¬
чивать высокую надежность передачи информации благодаря бульшим
углам связи по сравнению с ГСО, а для широт выше 60 град, вообще
являются наиболее приемлемыми (тем более, если при использовании
ЗС не предъявлять требований проведения предварительных геодези¬
ческих измерений с целью недопущения т.н. «углов закрытия»).
Многие российские проекты и разработки в течение ряда лет не ос¬
таются в стороне от этих путей развития ССС, а по ряду направлений
они отличаются оригинальностью и новизной по сравнению с зарубеж¬
ными. Так, благодаря многолетним усилиям наших специалистов, в пер¬
спективных, в том числе международных проектах и документах ста¬
ло уделяться больше внимания использованию высокоэллиптических
орбит. Хотя в целом, для зарубежных разработок, это остается все еще
экзотикой, тогда как применительно к российским условиям (а также,
например, канадским, скандинавским) можно утверждать, что при реше¬
нии многих важнейших телекоммуникационных задач ВЭО жизненно
необходима. В российских проектах предлагаются, в частности, реше¬
ния по повышению надежности и устойчивости спутниковой связи, оп¬
робованные и зарекомендовавшие себя ранее в специальных системах
оборонного назначения.
Думается, что сегодняшние проекты ССС, рассчитанные на совер¬
шенствование и создание новой телекоммуникационной инфраструк¬
туры, прежде всего для российской глубинки, мобильных приложений,
решения специальных и производственно-технологических задач, таких
как мониторинг объектов, будут иметь шансы на успех только при повы¬
166
шении внимания государства и внедрении новых научно-технических
решений по всем основным уровням ССС — орбитальному, множествен¬
ному и линейному, ретрансляционному и станционному, в частности:
— применения высокоэллиптической орбиты с оптимальными па¬
раметрами;
— альтернативных методов построения СР и приема на борту КА с
пространственным разнесением и адаптивной обработкой боль¬
шого числа ветвей;
— синфазных антенных решеток, применяемых для компоновки на
КА антенных систем с большой эффективной площадью и имею¬
щих малую массу;
— использования плоских излучающих элементов в антенных сис¬
темах ЗС и СР;
— пакетного и импульсного режимов работы ЗС;
— новейших методов эффективного кодирования;
— эффективных способов многостанционного доступа, в частно¬
сти, МДВР на многих частотах (МР-ТОМА), при цифровой об¬
работке в СР;
— наиболее экономичного по занимаемой полосе частот стандарта
цифрового телевизионного вещания МРЕС-4.
Рассмотрению проблем, связанных с этими и рядом других систем¬
но- технологических аспектов, и посвящена данная книга.
167
ГЛАВА 1. РОЛЬ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ
В НАЦИОНАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ
ИНФРАСТРУКТУРЕ, СФЕРЫ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ, УСЛУГИ
Практические цели и задачи модернизации российской телекомму¬
никационной инфраструктуры (ТИ), результаты реализации её фраг¬
ментов и подсистем прямо связаны с развитием производительных сил
и их распределением по территории РФ.
В триаде базовых инфраструктурных отраслей (БИО) — транспорт,
связь, энергетика — подобающее место принадлежит сетям и системам
связи, позволяющим внедрять телеинформациоиные технологии во все
сферы деятельности и повышать на этой основе эффективность исполь¬
зования человеческого капитала. В свою очередь информатизация ра¬
бочих процессов ведет к ресурсо- и энергосбережению, повышению по¬
лезности, удобства и безопасности всех видов человеческого бытия - от
сырьевых и добывающих отраслей до процессов управления социумом
и создания культурных ценностей.
Современные системы связи позволяют обеспечивать население и
хозяйственную сферу разнообразными телекоммуникационными услу¬
гами, включая многопрограммное цифровое телерадиовещание, доступ
в Интернет, собирать информацию от обслуживаемых и необслуживае¬
мых объектов на громадной территории, осуществлять дистанционное
управление функционированием производства и сложного оборудова¬
ния. Все вместе это радикально снижает издержки на всех этапах произ¬
водственной деятельности, создает для людей достойные, комфортные
условия на работе и в быту, позволяет уменьшать риски от техногенных
аварий и, в целом, повышть уровень безопасности труда и жизни.
Географическими областями, где современная связь и, в частности,
вновь создаваемые ССС, найдут безусловное применение, являются, в
первую очередь, регионы российского Севера, включая Полярный бас¬
сейн, Сибирь и Дальний Восток. По размаху территории это составляет
более 70%, по численности населения — порядка 20%. Важно отметить
также некоторые известные положения из географии и статистики: пя¬
тая часть России лежит за Полярным кругом, 90% наших морских гра¬
ниц — это Арктика, более 90% газа и 80% нефти, 40% мировых запасов
никеля и платины, пушнина, золото, алмазы, ценные породы рыб, нако¬
нец, свыше 20% национального дохода — это тоже Арктика. Такие богат¬
ства — жизненная сила и основа государства. Вместе с тем, указанные
168
регионы катастрофически уступают остальным российским, не говоря
уже о европейских, по темпам экономического роста, уровню жизни на¬
селения, бюджетной обеспеченности, целому ряду других показателей.
При сохранении указанных тенденций речь об их преодолении
может идти в рамках сценариев антикризисного управления, которое
должно начинаться с базовых инфраструктурных отраслей. Только ра¬
дикальная модернизация инфраструктуры на основе современных ин¬
формационных технологий и оборудования, производимого не только за
рубежом, но и на отечественных предприятиях, позволит поднять кон¬
курентоспособность основных отраслей реальной экономики России.
1.1. ФАКТОР РЕШАЮЩЕГО ВЛИЯНИЯ
ИНФРАСТРУКТУРЫ НА СОСТОЯНИЕ ЭКОНОМИКИ,
ОСВОЕНИЕ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ, РАЗВИТИЕ
ХОЗЯЙСТВЕННОЙ, ЖИЛИЩНОЙ И СОЦИАЛЬНОЙ СФЕР
В РЕГИОНАХ РОССИИ
До выхода в свет основополагающих государственных документов
[1.1, 1.2] в 2006—07 г.г. был разработан комплексный проект развития
Востока России [1.3], цель которого — выявление возможностей и усло¬
вий для динамичного и стабильного развития региона, позволяющего,
прежде всего, обеспечить существенное повышение качества жизни насе¬
ления, а с ним и привлекательности региона для проживания. Под Восто¬
ком страны в данном проекте понимаются Сибирский и. Дальневосточный
федеральные округа, но в него могут быть включены и другие смежные
регионы. Большая часть проекта посвящена перспективам развития клю¬
чевых отраслей экономики Востока страны и возможностям реализации
в этих отраслях крупных инвестиционных проектов. При этом в боль¬
шинстве случаев источником информации об инвестиционных проектах
являлись данные компаний, предполагающих его реализацию.
Объективные условия развития экономики на Востоке страны по¬
зволяют сделать вывод о том, что наиболее реалистичным прорывным
сектором экономики в этих регионах является освоение природных ре¬
сурсов и их переработка, вплоть до самых высоких стадий передела.
В числе перспективных отраслей, в каждой из которых на сегодня есть
по несколько масштабных проектов с объемом инвестиций от 1 млрд
долл. США и выше, присутствуют все подотрасли топливно-энергети¬
ческого комплекса, черная и цветная металлургия, газохимия, лесопро¬
мышленный комплекс. Восток страны должен стать новой базой нефте-
и газодобычи, вторым (наряду с европейским северо-западом) центром
169
производства продукции лесопромышленного комплекса с высокой сте¬
пенью переработки, имеются шансы для возникновения крупных цен¬
тров химической промышленности. На Востоке страны должны поя¬
виться туристические центры как российского, так и международного
значения.
Реализация наиболее значимых инвестиционных проектов на Вос¬
токе страны, безусловно, будет способствовать росту и других произ¬
водств. Новые рабочие места и рост доходов населения создадут условия
для развития производства потребительских товаров (особенно в сфере
АПК), жилищного строительства (а с ним и промышленности строи¬
тельных материалов), сферы телекоммуникационных услуг. Реализация
крупных инвестиционных проектов приведет к росту загруженности ин¬
фраструктуры, прежде всего телекоммуникационной и транспортной, а
это и дополнительные налоги, и развитие строительства. Активизация
экономической деятельности неизбежно приведет и к развитию рыноч¬
ной инфраструктуры — банков, страховых компаний и пр.
Вполне вероятно развитие машиностроения, ориентированного на
удовлетворение нужд добывающей промышленности и перерабатываю¬
щих сырье производств. Способность масштабных проектов кардиналь¬
ным образом повлиять на изменение ситуации в регионе определяет пер¬
воочередное внимание к ним со стороны государства. Крупные инве¬
стиционные проекты позволяют принципиальным образом изменить
ситуацию с безработицей, доходами населения и тем самым создать ус¬
ловия как минимум для развития производства потребительских това¬
ров и услуг. Такие проекты позволяют окупить бюджетные вложения в
инфраструктуру, которая даст возможность не только реализовать эти
проекты, но и в целом увеличит доступность регионов, их обеспечен¬
ность электроэнергией и связью. Это, в свою очередь, станет и допол¬
нительным стимулом для привлечения новых инвестиций, и шагом на
пути повышения качества жизни населения.
Таким образом, важнейшим фактором, сдерживающим экономиче¬
ское развитие регионов Востока в целом и реализацию существующих
масштабных инвестиционных проектов в частности, является недоста¬
точный уровень развития транспортной, энергетической и телекомму¬
никационной инфраструктуры. Одновременно транспортно-логистиче¬
ские функции и производство электроэнергии должны стать условием
специализации восточных регионов, а их возрождение немыслимо без
средств связи.
В проектах отмечается необходимость совместных усилий государ¬
ства и частного бизнеса в развитии Востока страны (частный бизнес
170
вкладывает средства в инвестиционные проекты, государство - в ин¬
фраструктуру), т. е. неизбежной организации государственно-частного
партнерства как основного механизма развития региона.
Однако при этом одним из серьезных препятствий в решении всей
проблемы является неизбежные миграционные процессы. Нельзя не
сказать, что по коэффициентам миграционного прироста (на 10 тыс. че¬
ловек), показывающим, хочет или не хочет население жить в тех или
иных регионах, ситуация в Сибирском, и особенно в Дальневосточном
Федеральном округе наихудшая в стране. К сожалению, миграционный
отток с Востока страны остановить в последние годы так и не удалось.
Причем фактический миграционный отток, скорее всего, выше офици¬
ального. Массовая миграция ведет к ухудшению структуры населения,
поскольку уезжает самая молодая и активная, самая образованная и
востребованная его часть. Эго в свою очередь означает, что Сибирь и
Дальний Восток лишаются трудовых ресурсов, а потери восполняются
китайской иммиграцией.
Следует иметь в виду, что в проблеме миграции не все однозначно.
Цифры фактического оттока населения являются скорее относитель¬
ными, а на самом деле процесс сдерживается все теми же материальны¬
ми причинами — отсутствием у одних людей средств на переселение,
которые «выбить» у государства, как известно, сложно, если возможно
вообще. Так, на решение жилищных вопросов стоящих на очереди (и со¬
ставляющих порядка 3% от общего числа жителей региона) мигрантов
казна выделяет в год примерно те же 3% от необходимой суммы. Такими
темпами проект переселения сможет быть выполнен не ранее чем через
120—130 лет.
Кроме того, стремление к изменению места жительства внутри само¬
го региона проявляется избирательно. Следует учитывать, что многих
других людей пока удерживают на месте все еще действующие «север¬
ные» зарплаты и пенсии. Ведь по данным статистики, средние зарплаты,
например, в Ханты-Мансийском округе, Якутии, на Чукотке, в Коряк¬
ском АО в несколько раз выше среднероссийских. Проекты развития
Востока направлены на создание крупных добывающих и промышлен¬
ных зон, центров, призванных сосредоточить и удержать в этих районах
значительное количество рабочей силы, человеческого интеллекта. По¬
ложительный опыт по созданию подобного рода образований в совет¬
ские времена есть (Мирный, Нефтеюганск и т. п.).
Соседство с Китаем формирует дополнительные вызовы и угро¬
зы для развития Востока страны. Это не только китайская миграция,
особенно нелегальная, но и огромные масштабы сырьевого экспорта в
171
Китай, и разница в темпах экономического роста между российскими
и китайскими территориями, причем отнюдь не в пользу российских.
В условиях информационной открытости, близости китайской границы
российское население явственно ощущает эту разницу в темпах эконо¬
мического роста (когда по другую сторону границы растут и процветают
города), и это становится дополнительным фактором роста социальной
напряженности на Востоке страны.
К сожалению, отставание России от Китая по динамике роста насе¬
ления и экономики не сокращается. Таким образом, преодоление отста¬
вания регионов Востока страны критически важно как по экономиче¬
ским, так и политическим причинам.
Итак, ликвидация «узких» мест в инфраструк туре является одним
из главных условий развития экономики восточных регионов. Из дан¬
ных Рейтингового агентства «Эксперт РЛ» прямо следует, что реализа¬
ции огромного ресурсного потенциала регионов восточной части стра¬
ны препятствует главным образом дефицит инфраструктуры. Средний
рейтинг природно-ресурсного потенциала регионов Востока страны за¬
метно выше средне-российского. В то же время рейтинг инфраструктур¬
ного потенциала для регионов Востока значительно уступает среднему
по России.
И здесь необходимо учитывать исключительную важность совмест¬
ного развития транспортной и информационной инфраструктуры. Во-
первых, создание транспортной инфраструктуры необходимо собствен¬
но для освоения природных ресурсов Востока страны. Значительная
часть этих ресурсов (в т. ч. запасы нефти и газа, угля, руд черных и цвет¬
ных металлов, лесные ресурсы) находится в районах, не имеющих и не
могущих иметь сколько-нибудь приемлемого уровня развития инфра¬
структуры. Речь должна идти о наличии как фиксированной, на мест¬
ности, так и мобильной инфраструктуры, немыслимой без связи, в част¬
ности, в районах, не пригодных для постоянного, стационарного жилья,
на транспорте, в местах чрезвычайных ситуаций.
Во-вторых, развитие той и другой инфраструктур позволит вос¬
точным регионам стать полноценной частью транспортного коридора
«Азия—Европа» (Тихоокеанский регион—Европа). А это и снижение
транспортных издержек для российских производителей (за счет боль¬
шей загруженности железных дорог, сокращения сроков перевозок), и
дополнительные доходы от оказания информационных услуг. В частно¬
сти, одним из наиболее масштабных и проработанных является проект
глобальной межконтинентальной магистрали для транзита энергети¬
ческих, транспортных и информационных потоков между Евразией и
172
Америкой через Берингов пролив. Проект поддержан на межгосударст¬
венном уровне США, Канадой и Японией, разрабатывается с участием
экспертных групп этих стран крупнейшими транснациональными кор¬
порациями. Ведущую роль в числе поддерживающих компаний играет
ОАО РЖД, крупные отечественные нефтяные компании [1.1, 1.2].
В [1.1] сообщается о принятии в конце 2007 года принципиального
решения между РФ, в лице Газпрома, Францией и Норвегией, в лице
крупнейших национальных компаний, о совместном освоении штокма¬
новского газоконденсатного месторождения в Баренцевом море, откры¬
того в 1989 году. Проект предполагает через несколько лет приступить
к промышленной добыче углеводородного сырья и продаже его на евро¬
пейских рынках. Для России и Европы это, возможно, самый крупный
инфраструктурный проект за всю историю совместной хозяйственной
деятельности.
Огромное значение имеет и развитие трубопроводного транспорта.
Без него невозможны сколько-нибудь масштабное освоение нефтяных
и газовых месторождений, экспортные поставки нефти и газа, развитие
нефте-газопереработки и связанной с ними химической промышленно¬
сти, газификация регионов Востока страны. В свою очередь функциони¬
рование трубопроводов немыслимо без дистанционного контроля, т. е.
мониторинга их состояния. Аналогичная ситуация будет иметь место в
энергетике и многих других сферах деятельности.
Одной из центральных и приоритетных задач всех проектов, содер¬
жащихся в [1.1—1.3], становится телекоммуникационная подготовка
площадок для строительства основных сооружений по добыче различ¬
ных природных ресурсов, информационное обеспечение производствен¬
ных процессов и социальной среды. При этом телекоммуникационные
проекты должны начинаться самыми первыми, без развитых систем и
средств связи дальнейшее продвижение проектов в подавляющем боль¬
шинстве случаев невозможно.
При любых сценариях и программах модернизации экономики серь¬
езнейшей задачей станет соблюдение экологических стандартов, требо¬
ваний и ограничений при реализации проектов любого уровня — гло¬
бальных, региональных, локальных и местного значения [1.4]. В [1.5] из¬
ложено предложение по введению российского бизнеса в экологические
правовые рамки и стандарты ответственного поведения, которые сами
по себе обеспечивают прочные позиции в стратегической и тактической
перспективе, сообщают ему дополнительную устойчивость. Реализация
таких предложений возможна при условиях взаимной ответственности
бизнеса и государственной власти, совместного видения перспектив дол¬
173
госрочного, открытого и прозрачного сотрудничества. Все эти обстоя¬
тельства выдвигают качественно новые требования к телекоммуника¬
ционной поддержке хозяйственной деятельности и информационного
обеспечения самих проектов вместе с социальной средой, в которой они
будут развиваться и реализовываться. В частности, неизмеримо возрас¬
тает роль экологического мониторинга.
В заключение раздела отметим некоторые особенности развития
инфраструктуры для Заполярья. Отметим, что Мурманская и Архан¬
гельская области, хотя и относятся по географическим определениям к
Заполярью, в полной мере таковыми не являются. Для них характерны
существенная освоенность береговой зоны, высокий уровень развития
промышленности и оборонной инфраструктуры, удовлетворительное
развитие транспортных сетей.
Все остальные территории российского Заполярья сильно постра¬
дали после проведения неудачных мероприятий по реставрации в РФ
капиталистических отношений. Практически деградировали сети гид¬
рометеорологических пунктов и станций, многочисленных научных экс¬
педиций и постоянных станций наблюдения за геофизическими, атмо¬
сферными и гидрологическими процессами, прекратились работы гео¬
логических партий. С этих территорий выехали на «большую землю»
около полутора миллионов человек. Эта обвальная неуправляемая «ми¬
грация» нанесла российскому северу существенный ущерб.
Традиционная деятельность северных народов — оленеводство, до¬
быча сиговых пород рыб в устьях северных рек и пушной промысел ока¬
зались под угрозой полного исчезновения. Поголовье домашних оленей
сократилось с 2,2 миллионов голов в 1989 году до нескольких сот тысяч
голов в конце прошлого века. В конце восьмидесятых годов доходы от
оленеводства и северного рыболовства в СССР превышали два милли¬
арда долларов — при том, что продукция в очень ограниченных объемах
поставлялась на внешние рынки.
Сегодня традиционные промыслы северных народов начинают воз¬
рождаться на новой хозяйственной основе. Предприимчивые люди на¬
чинают с чисто коммерческими целями восстанавливать поголовье се¬
верных оленей с целью продажи продукции переработки на европейских
рынках, где цены на мясо, меха и медицинские препараты от переработки
оленей очень высоки и делают этот бизнес привлекательным и перспек¬
тивным. Но кадровая проблема должна уже сегодня решаться на новой
основе. Молодое поколение местных жителей, имеющих опыт, навыки
и знания для организации оленьих стад до состояния их эффективно¬
го использования, требуют выполнения определенных условий труда с
174
минимальными требованиями по энергоснабжению, обеспечению связи
и комфортных условий труда и отдыха. Работодатели, не имея альтерна¬
тивы на рынке трудовых ресурсов, вынуждены удовлетворять эти тре¬
бования и готовы к закупке соответствующего оборудования и средств
обеспечения. Таким образом, формируется рыночная основа для восста¬
новления традиционных промыслов местного населения и сохранения
культуры и уклада жизни малых народов Севера.
Информационно-телекоммуникационное обеспечение программ
возрождения Севера и Востока России может быть реализовано, преж¬
де всего, с помощью спутниковых систем. Применение современных тех¬
нологий для построения бортовой аппаратуры СР и абонентских стан¬
ций позволит создать гибкую многофункциональную инфраструктуру
с эффективными экономическими решениями и уникальными техни¬
ческими возможностями по оказанию услуг связи. При этом для мно¬
гочисленных мобильных пользователей пассажиров и персонала всех
видов транспорта, оленеводов, охотников, рыбаков, геологов, моряков,
полярников, туристов и т. д. будет организовано мультисервисное об¬
служивание с помощью терминалов, по размерам и весу мало отличаю¬
щихся от сотовых телефонов.
1.2. К ОЦЕНКЕ РОЛИ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ
И ПОТРЕБНОСТЕЙ В НОВЫХ ССС
Вопросы использования, роли и места спутниковой связи в теле¬
коммуникационной инфраструктуре страны продолжают интересовать
общественность и профессионалов [1.6—1.9]. Интерес к теме обусловлен
тем, что все яснее становится необходимость модернизации инфраструк¬
туры страны, приведения её в соответствие с потребностями экономи¬
ческого и социального развития страны, преодоления растущего «циф¬
рового неравенства» конечных пользователей.
Несмотря на повсеместно признаваемую исключительную роль
спутниковой связи в создании российской региональной инфраструк¬
туры, воплощение ее в жизнь на современном системно-технологическом
уровне развития является непростой задачей и происходит крайне тя¬
жело п сегодняшних экономических условиях. Причины этого, на наш
взгляд, кроются не только в экономике, трудностях с финансированием,
но и в организационных упущениях.
До середины 80-х г.г. прошлого столетия существовало два «центра
тяготения» в этой области — Министерство связи и Министерство обо¬
роны, работавшее по данной тематике совместно с Министерством про¬
175
мышленности средств связи (Минпромсвязи) и их научно-исследова¬
тельскими и производственными организациями. При этом Министер¬
ство общего машиностроения, впоследствии преобразованное в Россий¬
ское космическое агентство (Роскосмос), также активно участвовало в
создании спутникового сегмента, хотя формально не было ответствен¬
ным за системные разработки в целом. Затем, по известным причинам,
прежде всего, в связи с ликвидацией Минпромсвязи, остался фактиче¬
ски один такой государственный «центр» — Минсвязи (ныне Минком-
связи), продолжающее партнерство с Роскосмосом, причем роль послед¬
него заметно возросла.
Вместе с тем, организационная и моральная поддержка научно-тех¬
нического развития спутниковой связи со стороны государства сего¬
дня представляется недостаточно убедительной. Как это не покажется
странным, в стране фактически нет органа, отвечающего за новые разра¬
ботки ССС в целом. Известно, что космические комплексы и их создание
планируются Роскосмосом, прежде всего исходя из собственных ресур¬
сов и возможностей, а земные средства связи являются заботой самих
операторов, либо пользователей.
Позволим высказать предположение, что главную, и, вероятно, един¬
ственную свою задачу в области спутниковой связи Минкомсвязи видит
в заказе, поддержании и коммерческой эксплуатации существующей ор¬
битальной группировки спутников (эти функции возложены на ФГУП
«Космическая связь»). Тогда как вопросы технической политики по бо¬
лее широкому и радикальному развитию, исследованиям ССС в инте¬
ресах многих государственных ведомств и населения, по-видимому, не¬
посредственно не входят в 'его компетенцию, либо рассматриваются по
остаточному принципу [1.10]. Структуры, рассматривающие разработки
и предложения по системам спутниковой связи, как единому целому,
существуют, в лучшем случае, на межведомственном (причем, совеща¬
тельном) уровне, что не может способствовать полнокровному развитию
данного вида телекоммуникаций. Надо отметить, что такая аномальная,
на наш взгляд, ситуация существовала и прежде, ее истоки лежат в да¬
леких 60-х, но в те времена она в большей степени могла регулироваться
благодаря главенствующей роли Минобороны и ВПК [1.1 Г].
Сегодня же, при наличии, по сути дела, двух монополистов в облас¬
ти внедрения ССС — государственного (ФГУП «Космическая связь») и
корпоративного (ОАО «Газпром—космические системы»), а также непре-
кращающихся «финансовых проблем», выработка единой государствен¬
ной политики в этой сфере, принятие обязательных решений с обосно¬
ванными путями и сроками развития, проведение конкурсов на созда¬
176
ние новых ССС, становятся весьма малоэффективными, формальными,
не приводящими к положительным результатам.
Помимо предпринятых государством усилий по восстановлению в
начале нынешнего десятилетия жизненно и политически необходимой
российской орбитальной группировки, основанной на концепции коли¬
чественного тиражирования однотипных стволов-транспондеров ФСС,
дальнейшего продвижения к более широкому, качественному совершен¬
ствованию ССС в перспективных направлениях не наблюдается.
В то же время, иод эгидой Европейского сообщества и Европейского
космического агентства, в партнерстве с ведущими мировыми компа-
ниями-производителями (Хьюз, Боинг, Лорал, Талес Алениа, Алкатель
и др.) на протяжении последних 10 лет выполняется целый ряд программ
по активнейшему развитию служб ПСС одновременно с конвергенцией
фиксированной, подвижной связи и вещания, спутниковой и наземной
составляющих мобильной связи 3-го и последующих поколений. Новые
реализуемые разработки включают интерактивный прием спутникового
цифрового телевещания и доступ в Интернет в самолетах, поездах, реч¬
ных и морских судах, автобусах, автомобилях, сбор технологической и
навигационной информации с подвижных объектов.
У нас в стране примером стратегического планирования в области
ССС могут служить Концепции развития отрасли и национальной сис¬
темы спутниковой связи и вещания, одобренные НТС Минсвязи [1.12,
1.13]. По видимому, в силу сложившегося в этом ведомстве круга задач
и взглядов, данные документы имеют ограниченный, односторонний
характер, традиционно охватывая, главным образом, ФСС, вещание и
практически не затрагивая таких перспективных сфер как мобильная
и персональная связь, ее корпоративные приложения (производствен¬
но-технологические, все виды транспорта, мониторинг), в комплексе с
процессами конвергенции.
В таких условиях заявителям и разработчикам новых проектов ССС,
зачастую весьма прогрессивных, не остается иного выхода, как самим
заниматься их «пробиванием» и поиском инвестиций в течение многих
лет. Однако, за последние 15—20 лет практически ни одно принципиаль¬
но новое и важное, прежде всего для государства, предложение в облас¬
ти новых ССС довести до реализации не удавалось. Результат этого —
нарастающее отставание от зарубежных достижений. Лишь некоторые
из новых элементов работ были внесены в Федеральную космическую
программу России на 2006—2015 г.г., но финансирование многих из них
предусмотрено из т. н. не бюджетных средств, в связи с чем сроки реа¬
лизации ежегодно сдвигаются.
177
В процессе по существу инициативных разработок и поиска инве¬
сторов одной из первоочередных задач, мало свойственных техническо¬
му профилю работ, но обязательных, точнее «навязанных» рыночными
(или псевдорыночными) «правилами игры», считается составление биз¬
нес-планов с оценкой потребностей пользователей в услугах и в самой
предлагаемой или создаваемой продукции, в данном случае ССС.
Само по себе понятие потребностей является достаточно широким,
обобщенным и требует конкретизации. Традиционно для сферы связи
оно включает такие категории как: предоставляемые услуги или решае¬
мые ССС задачи; объемы и другие параметры передаваемой/доставляе¬
мой пользователю информации, коими могут быть ожидаемый трафик
или вероятностно-временные характеристики (ВВХ), в частности, опе¬
ративность и надежность своевременного доведения информации; типы,
энерго-массо-габаритные и эксплуатационные показатели используемо¬
го абонентского оборудования.
В качестве интегральной меры выражения потребностей для ССС,
основной характеристикой которых является пропускная способность,
чаще всего используют количество потенциальных потребителей того
или иного вида предоставляемых системой услуг (телефонных, передачи
данных, вещательных, мультимедийных, сбора информации и др.). Од¬
нако этот показатель, сам по себе трудно определяемый, обычно может
иметь разные толкования и, соответственно, числовые значения.
Обращаясь к проблеме прогнозирования потребностей и финансово-
экономических показателей эффективности любой системы, тем более
такой большой, как ССС, нельзя не отметить, что эта проблема еще ме¬
нее однозначна в количественном выражении, допускает самые разные
взгляды и подходы, чему есть множество примеров, в качестве одного из
которых можно привести [1.7]. Об этом свидетельствует и имеющийся
печальный опыт последних двух десятилетий, а точнее отсутствие опы¬
та решения подобных проблем в условиях российской рыночной эконо¬
мики, ибо они неоднократно поднимались и обозначались, но так и не
доведены до логического результата. Такое положение дел может быть
объяснено, по крайней мере, двумя причинами: сложностью, разнопла¬
новостью самой проблемы и, возможно, неправомерностью ее постанов¬
ки в ряде случаев, а затем последующей трактовки в том виде, как это
часто понимается.
Следует вспомнить, что в ранний период, а именно в первые 20 лет
после появления спутниковой связи, вопрос о потребностях ставился
не менее остро, но это относилось скорее к самому виду связи: нужна
она ли не нужна для решения той или иной, общей или частной зада¬
178
чи? Спутниковый (и не только орбитально-частотный) ресурс являлся
(и является) государственной монополией поэтому ни о каких бизнес-
планах, ни о каком маркетинге речи быть не могло, хотя сама по себе эф¬
фективность — целевая, военная, экономическая — была необходимым
условием. Так же как понимание «роли и места» ССС в общей (единой)
системе связи страны или вооруженных сил.
Можно привести другой пример, из другой области и несколько
иного плана, но весьма характерный с точки зрения вопроса о потреб¬
ностях. В начале 80-х г.г. прошлого века сотовая связь зарождалась без
целенаправленных коммерческих изысканий, в том числе в части ана¬
лиза потребностей. Позже она появилась на рынке телекоммуникаций
в значительной степени как «дитя» научно-технического прогресса,
но далеко не источник прибыли, тем более сверхдоходов. Лишь позд¬
нее начали появляться достаточно робкие прогнозы потребностей и
объемов продаж, которые не были точно предсказаны, а затем и были
превышены в десятки раз. Этот пример есть свидетельство того, что
предложение часто является первопричиной, т. е. рождает спрос, но
не наоборот.
Вообще же, если увязывать оценку потребностей в услугах, обору¬
довании того или иного вида связи с маркетинговыми исследованиями,
то можно высказать мнение, что понятие маркетинга относится, скорее
всего, к рекламе, сбыту и услугам готовой продукции. И наоборот, выра¬
зить сомнение в правомерности безусловного применения этого понятия
к вновь создаваемой, еще не опробованной ССС, тем более на проект¬
ном этапе разработки. Хотя предварительный анализ рынка услуг всегда
может быть полезным, как и технико-экономическое обоснование новой
разработки, строить на их основе долговременную коммерческую стра¬
тегию (тем более в условиях сегодняшнего экономического кризиса) не
всегда целесообразно. При этом вопрос упирается, во-первых, в досто¬
верность необходимых для экономических оценок исходных данных по
потребностям и характеристикам пользователей, прежде всего их коли¬
честву и покупательной способности, во-вторых, в финансовые и произ¬
водственные возможности реализации этих данных, а также заложен¬
ных в проект системно-технических решений.
Что касается такой рыночной категории как платежеспособность,
то этот вопрос также далеко не однозначен. И, если применительно к на¬
селению, т. е. физическим лицам, достоверность сведений о ней на этапе
прогнозирования лежит в области статистики, то в остальных случаях,
в частности, относящихся к корпоративным пользователям и задачам,
необходимо руководствоваться многими критериями, показателями
179
спроса при оценках ожидаемой эффективности для ССС и образуемых
ими каналов.
В частности, применительно к новым, проектируемым ССС еще не
известны примеры реализации схемы типа «инновационное предложе¬
ние — маркетинг — бизнес-план — инвестирование — разработка — изго¬
товление — сбыт» в действии, по крайней мере, в российских условиях.
В то же время можно привести ряд негативных в этом смысле зарубеж¬
ных коммерческих проектов ССС (Иридиум, Глобалстар, Скайбридж и
др.), по которым проводились грандиозные, по всем классическим пра¬
вилам, дорогостоящие маркетинговые исследования, но они не нашли
ожидавшегося уровня сбыта.
По видимому, возможны различные сценарии прогнозирования по¬
требностей и пользовательской среды ССС, возможные при проектиро¬
вании новых ССС.
1. В качестве примера наиболее простого рыночного варианта на
базе уже произведенного, готового оборудования может быть приведе¬
на продажа спутниковых услуг, предоставляемых при использовании
стандартных стволов СР, входящих в состав действующей российской
группировки на ГСО, с известными энергетическими, частотными и про¬
чими параметрами, совместно с ЗС (например, типа У5АТ), также имею¬
щими стандартные, гарантированные эксплуатационные характеристи¬
ки. Такого рода услуги, традиционные для отрасли «связь», предостав¬
ляются через региональных операторов электросвязи, которые, в свою
очередь, являются субподрядчиками у ФГУП «Космическая связь», как
госзаказчика, и должны обеспечивать государству возмещение затрат
на поддержание группировки СР. При подобной, или близких моделях
в отрасли «связь» устанавливаются тарифы, производятся платежи и
финансовое планирование после выведения спутников на орбиту. Отме¬
тим, что в силу указанных выше обстоятельств такой подход не имеет
пока примеров для взаиморасчетов с пользователями мобильной спут¬
никовой связи.
Данный сценарий и принятая концепция развития [1.13] положены
в основу оценки потребностей в «спутниковом ресурсе для инфоком-
муникационных наземных сетей РФ», выполненной в [1.6], хотя терми¬
нология, согласно которой спутниковый ресурс отнесен к наземным се¬
тям, как справедливо отмечено в [1.7], не может не вызывать недоумения.
На самом деле имеется в виду, что потребителем спутникового ресурса
является Единая сеть электросвязи (ЕСЭ), в прошлом Взаимоувязан¬
ная сеть связи (ВСС), еще ранее Единая автоматизированная сеть связи
(ЕАСС) страны, включающая, среди прочих видов телекоммуникаций,
180
спутниковый компонент. Спутниковые услуги в [1.6] понимаются как
услуги электросвязи, предоставляемые в соответствии с ФЗ «О связи»
через операторов, действующих на «сформировавшемся рынке услуг» в
условиях «реального спроса и реальных потребностей», что можно трак¬
товать именно так, как указано выше по поводу продажи готовой про¬
дукции.
Что касается самого спутникового ресурса, то он рассчитывается пу¬
тем простого суммирования числа универсальных стволов-транспонде¬
ров, обеспечивающих известную пропускную способность при работе с
определенным типом фиксированных ЗС и приведенных к эквивалент¬
ной полосе частот ретрансляции 36 Мгц. Данное определение спутнико¬
вого ресурса вызывает ряд вопросов, при том, что, по нашему мнению,
он явно завышен, поэтому практически не реализуем до 2015 г. и, в то же
время, не охватывает в должной мере многие потребительские сферы и
задачи, о чем говорилось выше.
Правда, автор признает наличие двух категорий услуг связи — тра¬
диционных и новых, к которым причисляет как раз корпоративные при¬
ложения, мониторинг разных видов, персональную связь, игнорируя,
однако, подвижные объекты всех видов транспорта. Но как раз потреб¬
ности в этих и других новых услугах выпадают из его конкретного рас¬
смотрения (вероятно, подразумевается отсутствие «сформировавшегося
рынка и реального спроса»).
Вместе с тем, для ставших уже традиционными видов услуг ФСС и
РСС в [1.6] приведены достаточно подробные статистические данные,
которые по сути дела (а не емкость транспондеров) и характеризуют
потребности соответствующих категорий пользователей. Эти данные
представляют интерес и могут быть использованы для оценки той зна¬
чительной части потребностей в ССС, которая относится к населению
в целом и отдельным обеспеченным пользователям, а также к муници¬
пальным структурам, общеобразовательным и медицинских учрежде¬
ниям, расположенным, в основном, на труднодоступных и малонаселен¬
ных территориях (ТМТ).
2. К экономически наиболее привлекательному может быть отнесено
использование спутниковой связи в производственно-технологических
целях в новых инновационных проектах, в таких отраслях как транс¬
портный, экологический и другие виды мониторинга, туризм, рыболов¬
ство и добыча биоресурсов, лесное хозяйство, поиск, разведка и добыча
полезных ископаемых, транспортировка энергоносителей.
Однако в ряде этих областей прямая количественная оценка полез¬
ного эффекта от применения ССС сильно затруднена, поэтому скорее он
181
будет выражаться опосредованно, в результатах основной деятельности
той или иной службы, компании, отрасли. Создаваемые в таких случаях
корпоративные сети могут рассматриваться как составная часть про¬
изводственных технологий, принося (в отличие от операторских сетей)
доходы самой компании-пользователю. Причем основная доля эконо¬
мического эффекта может достигаться за счет снижения разного рода
издержек, связанных с технологической отсталостью, бесхозяйственно¬
стью, воровством и пр.
Можно предположить, что на начальных этапах, при отсутствии нор¬
мативной и законодательной базы по взаимодействию в звеньях цепочки
«владелец системы — пользователь», при таком сценарии владелец ССС
будет продавать хозяйствующим субъектам не только услуги, но и тех¬
нологии, оборудование, спутниковый ресурс. Огромная экономическая
эффективность ССС и в том и в другом случаях налицо, однако, ее ко¬
личественное выражение значительно труднее поддается достоверным
расчетам.
В то же время отдельные сферы рассмотренного выше проекта «Вос¬
ток», а также ряда отраслей, таких как транспорт, туризм, рыболовство,
различные сферы торговли [1.1, 1.2], могут быть отнесены к рыночным
нишам для внедрения прямого коммерческого сегмента ССС со всеми
классическими атрибутами: изучением спроса, разработкой бизнес-пла¬
нов, формированием тарифов и т. д. В этих случаях, подобно предостав¬
лению услуг населению, после окончания разработок владельцем ССС
могут создаваться т.н. операторские сети, приносящие доходы непосред¬
ственно от продажи стандартных или социальных (применительно к со¬
трудникам корпоративных сфер) услуг общего пользования, которые
могут быть заранее учтены в бизнес-планах, еще на этапе проектиро¬
вания ССС. Некоторые результаты использования подобных сценари¬
ев по оценке количества земного оборудования в СССЭО приведены в
следующей главе.
3. В первое 10-летие нового века распространение получили класси¬
ческие методы анализа рынка продукции, трансформируемые, в частно¬
сти, к мобильной связи, как наземной (сотовой), так и спутниковой, и
их интеграции (конвергенции). В основу этих методов положены крите¬
рии окупаемости и выхода на достижение прибыли при маркетинговой
стратегии операторов в первые годы коммерческой эксплуатации (т. е.
когда уже появилась готовая продукция), направленной на завоевание
рыночных ниш пользователей. Часто их отличительной чертой является
абстрагирование от конкретных российских проектов ССС, тем более
спутников-ретрансляторов, по очевидной причине их отсутствия (имея
182
в виду непригодность для мобильной связи существующих типов СР в
составе национальной группировки). Так, например, в [1.9] оценка воз¬
можностей рынка спутниковой связи производится исходя из следую¬
щих основных положений:
— в РФ существует огромный потенциал роста рынка телекомму¬
никаций, имеющий все предпосылки для развития, в том числе
новые технологии доступа, включая ССС;
— в условиях существующего тарифного регулирования, низкой
покупательной способности населения и возрастающей конку¬
ренции со стороны мобильных операторов можно предположить,
что в силу географических особенностей России операторы фик¬
сированной связи (наземной и спутниковой) не смогут обеспе¬
чить экономически эффективное предоставление услуг населе¬
нию, коммерческим и бюджетным организациям на всей терри¬
тории страны;
— существуют граничные условия окупаемости производимых ка¬
питальных вложений но плотности населения, его покупательной
способности, средневзвешенной стоимости привлекаемых инве¬
стиций и предельному значению среднемесячного абонентского
счета (АК.Р11), тем более в условиях финансового кризиса;
— в связи с этим решение инфраструктурных задач обеспече¬
ния доступа к телекоммуникациям, в особенности при выходе
на рынки с редкой плотностью потенциальных пользователей
(сельская местность, вахтовые поселки, удаленные регионы), не
может быть обеспечено усилиями только наземной мобильной
связи;
— при обоснованном предположении, что операторы сотовой свя¬
зи ограничатся построением наземных сетей на территории го¬
родов с численностью от 50 тысяч человек и выше, общая числен¬
ность населения необслуживаемых городов, поселков городско¬
го типа и сельских населенных пунктов составит около 70 млн
человек.
Таким образом, если предположить, что число платежеспособных
потребителей составляет 3% (около 2 млн пользователей), среднемесяч¬
ный счет равен 15 долл., конкуренция с операторами фиксированной
связи отсутствует, то, согласно [1.9], емкость рынка мобильной спутни¬
ковой связи близка к 360 млн долл, в год. При этом справедливо отмеча¬
ется, что за счет корпоративных пользователей, том числе подвижных, и
предоставления «дополнительных» услуг всевозможного мониторинга
эта цифра может быть превышена в несколько раз.
183
Примерно такая картина подтверждается и экспертными оценками,
выполненными при проведении комплекса намеченных работ по Вос¬
току страны, согласно которым затраты на телекоммуникации в рам¬
ках множества проектов, содержащихся в [1.1,1.3] и требующих объема
инвестиций 200—220 млрд долл., составят не более 1%. Данный подход
проверен на опыте многих стран, которые занимались модернизацией
реального сектора экономики во второй половине прошлого века. Везде
этот процесс начинался по одному и тому же сценарию — государство
становилось инициатором финансирования начальных фаз инфраструк¬
турных проектов, которые всегда содержали создание телекоммуника¬
ций, позволяющих применять самые современные технологии по основ¬
ному роду деятельности.
Как отмечается в [1.9], проведенные на основе многих данных расче¬
ты позволяют надеяться, что на российском рынке телекоммуникаций
существуют экономические предпосылки для получения инвесторами
высоких доходов от деятельности оператора спутниковой связи, компен¬
сирующих как страховые риски РФ, так и риски, присущие спутниковой
индустрии.
4. Наконец, существует целый ряд областей хозяйственной, адми¬
нистративной, силовой, охранной деятельности, не приносящих мате¬
риального дохода, но направленных на производство самого дорогого
продукта — жизнеобеспечения и безопасности людей, обороноспособ¬
ности государства. Здесь обеспечение спутниковой связи должно стать
прямой заботой государства, как это было в известных случаях в СССР
и также имеет место сегодня в наиболее развитых странах мира.
В целом, по результатам многих аналитических источников, может
быть сделан важный и глобальный вывод: экономически и социально¬
политически обоснованное расширение рынка телекоммуникационных
услуг в России, обеспечивающее эффективное развитие инфраструкту¬
ры, возможно во многом благодаря спутниковой связи. При этом эффект
от внедрения новых ССС может и должен достигаться не только за счет
чисто количественных показателей (наращивания группировки одно¬
типных СР на ГСО), но и на пути равноправных, качественно новых,
технически прогрессивных принципов и решений, примером которых
являются, в частности, предлагаемые ССС с использованием ВЭО [1.14,
1.15 и др.].
Наиболее перспективная рыночная ниша для ССС возникает при
росте бизнеса и разнообразных форм активности населения в северных,
северо-восточных и дальневосточных регионах РФ. Хозяйственное ос¬
воение этих территорий является стратегической задачей текущего
184
столетия. Создание новой национальной системы, охватывающей все
службы спутниковой связи — фиксированную, вещательную, мобиль¬
ную, является непременным условием ее решения.
1.3. ПОТРЕБИТЕЛЬСКАЯ СРЕДА СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ
В каждом из рассмотренных выше сценариев подходы к определе¬
нию потребностей в спутниковых услугах, ресурсах и приоритетности
решаемых задач будут отличаться и иметь свою специфику, в зависи¬
мости от актуальности и/или эффективности ожидаемых результатов.
При этом должны учитываться как официальная техническая полити¬
ка государства в области обеспечения связью населения, так и вклад
в развитие ТИ модернизационных проектов, рассмотренных в первом
разделе. Если ориентироваться на оценки 11.6—1.9], то приблизительно
можно предположить, что появится от 10 до 20 млн новых потенциаль¬
ных пользователей только стандартных услуг спутниковой связи — те¬
лефонии, телерадиовещания, Интернета.
Потребности в новых ССС выражаются, прежде всего, в количестве
пользователей, номенклатуре услуг связи, определяющих трафик объе¬
мах и скоростях передаваемой информации, типах оборудования, нали¬
чии различных сервисов. Эти данные отражают потребности в услугах
связи на всех уровнях — международном, федеральном, региональном,
муниципальном и являются отображением информационной и деловой
активности государственных, корпоративных, частных сфер хозяйст¬
венной и общественной жизни. Кроме того, необходимо иметь в виду,
что для РФ характерно наличие значительных потенциальных возмож¬
ностей по транзиту международного телекоммуникационного трафика
в направлениях Восток—Запад и Север—Юг.
Как и любая телекоммуникационная система, ССС должна созда¬
ваться с целью обслуживания трафика, который формируется на задан¬
ной территории в результате жизни и деловой активности людей. Тех¬
ническая реализация системы связи, в частности, спутниковой, должна
обеспечивать возможность создания сетей для передачи трафика, со¬
пряжения с другими существующими сетями, узлами сбора и обработ¬
ки информации, центрами генерирования контента и организации се¬
тевых услуг.
Для операторов трафик, виды услуг и тарифы определяют основ¬
ные направления их деятельности. Адекватный анализ возможностей
по сбору трафика, правильный выбор тарифной политики — залог ус¬
пешного бизнеса.
185
Для разработчиков и проектировщиков ССС количество, категории
пользователей и их трафик определяют технические решения и необхо¬
димые для их реализации частотно-энергетические и пространственно-
временные ресурсы.
Для производителей телекоммуникационного оборудования трафик,
тарифы номенклатура пользователей и услуг определяют требования к
технологиям, объемам производства, темпам и географии продаж обо¬
рудования, организации сервиса продаж.
Для инвесторов тенденции роста числа пользователей, динамики
трафика и тарифов являются исходными данными для оценки всех рис¬
ков при разработке бизнес-планов и выборе финансовых инструментов.
Для конечных пользователей тарифы являются основанием для оп¬
латы услуг конкретной операторской компании и принятия участия в
формировании трафика.
Для органов государственной власти трафики и тарифы есть индика¬
тор состояния данного сегмента реальной экономики, социального раз¬
вития и основание для идентификации крупного налогоплательщика.
Телекоммуникационный трафик имеет суточные и сезонные девиа¬
ции, имеются явно выраженные всплески потоков потребностей в оп¬
ределенных услугах связи, связанные с деловой активностью и сущест¬
вующие в часы наибольшей нагрузки.
Новая ССС сможет эффективно обеспечивать следующие виды тра¬
фика:
1. Обслуживание пользователей, находящихся в высоких широ¬
тах, в северных и северо-восточных регионах РФ, для которых пре¬
доставляется мультисервис — универсальные услуги связи, телефон,
цифровое многопрограммное телерадиовещание, доступ в Интернет.
Этот трафик генерируется органами административного управления,
промышленными и торговыми компаниями, социальными службами
и общественными организациями, населением. При его обслужива¬
нии ССС будет конкурировать с другими видами связи, но, чем выше
широты, тем больше конкурентных преимуществ у спутниковой свя¬
зи. Как неоднократно отмечалось, на территориях выше 60 градусов
с.ш. спутниковая связь (тем более, с применением ВЭО) становится в.
большинстве случаев практически единственным средством для соз¬
дания надежной, гибкой, современной телекоммуникационной инфра¬
структуры.
2. Трафик сети общего пользования РФ и корпоративных сетей на
всей территории страны, где новые ССС будут конкурировать с суще¬
ствующими наземными и спутниковыми сетями связи с КА на ГСО. Но
186
основной, решающей сферой применения здесь следует считать виды
и группы пользователей, для которых преимущества ВЭО могут стать
решающими и /или обслуживание которых не планируются традици¬
онными ССС на ГСО. К первым относятся горные районы, где велики
площади затенения, с которых не видны КА на ГСО, районы с неразви¬
той наземной инфраструктурой, но привлекательные для посещения ту¬
ристами, исследователями и специалистами, например, по археологии,
геологии, геофизике, гидрографии, многим другим направлениям науки
и хозяйственной деятельности. К не охваченным ССС на ГСО катего¬
риям относятся многие корпоративные группы пользователей, прежде
всего, транспорт всех видов.
3. Трафик систем и сетей мониторинга состояния окружающей сре¬
ды и параметров местности, инфраструктуры, необходимых для реше¬
ния многопрофильных задач, таких как экология, защита лесов от по¬
жаров, предупреждение стихийных бедствий и техногенных аварий,
мониторинг на транспорте (РЖД, авиаперевозки, морской, речной и
трубопроводный транспорт), мониторинг объектов энергетики, других
критических и опасных производств.
К задачам общего пользования в существующих и перспективных
ССС всех служб, наряду с телефонным обменом и передачей данных,
относятся в первую очередь прием сигналов теле- и радиовещания, ши¬
рокополосный доступ к мультимедийным услугам и Интернету.
При этом потребители услуг могут быть разделены на следующие
основные категории:
1) Население, местные административные структуры, предприни¬
матели в регионах России, где слабо развита или отсутствует современ¬
ная стационарная связь, а организация наземной мобильной (сотовой,
транкинговой) связи не рентабельна.
2) Фиксированные и мобильные абоненты множества корпоратив¬
ных сетей различного профиля деятельности.
3) Пассажиры транспортных средств, допускающих использование
ССС, в том числе корпоративные клиенты, бизнесмены в деловых по¬
ездках.
4) Туристы при следовании на маршрутах, нахождении в малонасе¬
ленных или труднодоступных районах, репортеры СМИ при репортажах
с места событий и т. д.
Принимая во внимание данные [1.6, 1.9 и др.], можно получить, что
численность населения в ТМТ для обеспечения спутниковой телефон¬
ной связью ФСС (с уровнем телефонизации 0,3) до 2015 г. составляет
не менее 5,0 млн чел. Кроме того, количество частных и корпоративных
187
пользователей подвижной и персональной спутниковой связи прогно¬
зируется не менее 4—6 млн чел. [1.9].
К потенциальными абонентам, подписчикам услуг подсистем непо¬
средственного цифрового ТВ, РВ, а также мультимедийных сетей, в
новых ССС могут быть, в частности, отнесены:
— юридические лица-владельцы транспортных средств (самолеты,
морские и речные суда, железнодорожные пассажирские поезда,
туристические и рейсовые междугородные автобусы, грузовые
трейлеры), на которые будут устанавливаться приемные ТВ/ РВ
или мультимедийные терминалы, с помощью которых программы
будут доводиться до конечных потребителей — пассажиров этих
транспортных средств. Прогнозное количество таких транспорт¬
ных средств оценивается в цифрах порядка 600—700 тыс. шт.;
— юридические и физические лица -- жители стационарных посел¬
ков, объектов, расположенных в ТМТ, в сельской местности с
неблагоприятными на сегодня условиями приема спутниковых
сигналов НТВ и широковещательных радиостанций. Прогноз¬
ное количество таких пользователей оценивается не менее чем
в 2,0 млн [1.16];
— физические лица-владельцы легковых автомобилей, речных и
морских судов, совершающие частые поездки по автотрассам и
акваториям, проходящим вне зон уверенного приема радиовеща¬
тельных станций. Прогнозное количество таких транспортных
средств оценивается в 1—2 млн шт.;
— телевизионные, радиовещательные, продюссерские компании,
заинтересованные в распространении своих ТВ и РВ программ
на дополнительный контингент зрителей, а также в обмене про¬
граммами с аналогичными компаниями. Прогнозное количество
таких компаний-пользователей составляет порядка 1000.
Важно подчеркнуть, что помимо коренного населения, в той или иной
степени охваченного в ряде регионов (но далеко не во всех) традицион¬
ным (эфирным, кабельным, спутниковым) вещанием, значительную часть
пользователей вещательных услуг ССС составят сотрудники компаний и
предприятий, планируемых в рамках комплексных инвестиционных про¬
ектов, в том числе работающие вахтовым методом. Как показывают экс¬
пертные оценки [1.1,1.3 1.17], их количество будет не менее 2,5 млн чел.
Категории пользователей и решаемых задач могут распределяться
также по следующим основным показателям:
— тип абонентской ЗС, терминала (АЗС, АТ);
— место регистрации каждого типа АЗС, АТ;
188
— виды и объёмы передаваемой/принимаемой информации;
— интенсивность трафика и т. д.
При этом рассматриваются несколько типов ЗС, АТ (фиксирован¬
ных, мобильных, индивидуальных, коллективного пользования и т. д.)
с разным объемом и набором услуг.
К специальным задачам управления и сбора информации корпора¬
тивного, муниципального, силового характера могут быть отнесены:
1) . Управление всех видов в тех регионах и районах России, где слабо
развита или отсутствует стационарная связь — в интересах админист¬
раций регионов, государственных, производственно-технологических,
муниципальных, социальных служб и т. п.
2) Обеспечение управления сетевыми структурами в зонах локаль¬
ных конфликтов и при чрезвычайных ситуациях в интересах, в част¬
ности:
— Министерства обороны России;
— Федеральной службы безопасности;
— Федеральной службы охраны;
— Министерства внутренних дел;
— Пограничных войск;
— Таможенных служб;
— Министерства по чрезвычайным ситуациям;
— Аппарата правительства России, Госдумы, Совета Федерации,
Генпрокуратуры.
3) Обеспечение необходимой эффективности и безопасности транс¬
портного процесса:
— морского транспорта в прибрежных акваториях;
— речного транспорта;
— автомобильного транспорта при пассажирских и специальных
перевозках;
— железнодорожного транспорта;
— воздушного транспорта;
4) Сбор (мониторинг) информации и обеспечение управления пред¬
приятиями и организациями хозяйства, технологическими процессами
различных отраслей и корпоративных структур, работающих в районах,
где слабо развита или отсутствует современная стационарная связь, на¬
земная и спутниковая. К таким сферам относятся:
— экологический и природоохранный мониторинг.
— разведка, поиск и добыча природных ресурсов;
— строительство, обслуживание нефтепроводов и добыча нефти;
— строительство, обслуживание газопроводов и добыча газа;
189
— лесное и водное хозяйство;
— охотничьи, рыбные, животноводческие хозяйства;
С учетом этого, согласно экспертным оценкам, количество единиц
спутникового оборудования (стационарного и мобильного), включая
ЦЗС, РЗС, в указанных выше государственных сферах (по двум пер¬
вым пунктам) будет находиться в пределах 300 тыс.
В несколько раз большая емкость каналов требуется для обеспече¬
ния всех видов транспорта и решения корпоративных задач (два послед¬
ние пункта). Согласно 3-летнему бюджету РФ на 2008—2010 г.г. должно
быть введено 800 км новых железнодорожных линий, увеличена про¬
пускная способность морских портов на 202,4 млн тонн грузов в год,
введено 8,5 тыс. км автодорог общего пользования, реконструирована
21 взлетно-посадочная полоса. При этом предполагается приобретение
34,6 тыс. грузовых и 2,2 тыс. пассажирских вагонов, 1,5 гыс. тепловозов
и электровозов, 236 воздушных судов российского производства, в до¬
полнение к общему числу указанных подвижных объектов, которое на
порядок выше [1.2].
Решение задач административного управления регионами, а также
предприятиями и организациями, при одновременной информатизации
населенных пунктов, в значительной степени зависит от характеристик
региона и эффективность применения ССС для их решения в целом бу¬
дет тем выше, чем менее населён регион и чем слабее развита его инфра¬
структура.
Задачи управления силовыми структурами в зонах локальных кон¬
фликтов и при чрезвычайных ситуациях мало зависят от характеристи¬
ки региона и готовности его инфраструктуры, т.к. в этих экстремальных
случаях она часто нарушается.
Задачи обеспечения необходимой эффективности и безопасности
транспортного процесса с помощью средств ССС должны решаться од¬
новременно для всех регионов, но приоритетными, как отмечалось, мо¬
гут быть Север и Восток РФ.
Для всех этих задач особого внимания требует создание системы
дистанционного мониторинга природных, технических, социальных
объектов, явлений и процессов с помощью специальных датчиков и
устройств наблюдения, установленных на стационарных или подвиж¬
ных объектах. Одной из ключевых проблем для подобного рода систем
является организация эффективной сети каналов связи от многочислен¬
ных источников до центров обработки и анализа информации. Данная
проблема особенно актуальна для России с ее огромной территорией и
рассмотренными выше особенностями.
190
Применительно к мониторингу существуют особенность постанов¬
ки задач, связанная с применением ССС для целей инструменталь¬
ного мониторинга. Система инструментального мониторинга (СИМ)
в этой постановке существенно отличается от других, традиционных
технологий, например, космического мониторинга, который чаще все¬
го связывают с задачами дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ)
из ближнего космоса. Технологии ДЗЗ основаны на видеонаблюдении,
применении спектрометрического, радиолокационного, инфракрасно¬
го и др. оборудования на борту КА. Если для ряда специальных целей
(прежде всего, наблюдения и научных исследований) такие технологии
вполне оправданы и дают значительный эффект, то для решения тер¬
риториальных задач экологии, защиты лесов, контроля биоресурсов,
опасных объектов, всех видов транспорта по всей стране в решающей
степени эффективен мониторинг «изнутри», т. е. с помощью средств
связи.
Интерес к инструментальному мониторингу в последние десятиле¬
тия существенно вырос в связи с задачами прогнозирования, предупре¬
ждения и ликвидации последствий стихийных бедствий, техногенных
аварий, катастроф и других чрезвычайных ситуаций. По-новому звучит
сегодня проблема системного обеспечения безопасности жизнедеятель¬
ности человека и общества в бытовой среде, производственной сфере,
городской среде (селитебной зоне), окружающей природной среде (соб¬
ственно экология). Особого внимания требуют чрезвычайные ситуации
мирного и военного времени, включая проявления терроризма и орга¬
низованной преступности.
К потенциальным потребителям услуг инструментального монито¬
ринга (контроля и охраны) состояния окружающей среды, параметров
инфраструктуры, транспортных единиц относятся следующие группы
пользователей (см. ниже таблицы 1.1,1.2):
— государственные и общественные службы, организации эколо¬
гического контроля;
— государственные, корпоративные и частные службы метеороло¬
гии, гидрографии, гидрологии, картографии, геодезические ор¬
ганизации, геологические экспедиции;
— государственные службы по охране лесов, водных ресурсов при¬
брежных морских акваторий, рек и внутренних водоемов, при¬
брежного морского шельфа;
— службы управления движением железнодорожного, морского,
речного и автомобильного транспорта, технического контроля
состояния трубопроводного транспорта;
191
государственные и корпоративные службы по транспортным
операциям в процессе перевозок и перевалок грузов в портах, на
вокзалах, аэропортах, на складах и предприятиях длительного
хранения;
и частные компании по транспортировке и хранению особо опас¬
ных грузов (специальных химикатов, взрывчатых веществ, бое¬
припасов, наркотиков, радиоактивных веществ);
органы санитарного и эпидемиологического надзора при прове¬
дении мероприятий по наблюдению за вспышками опасных за¬
болеваний, эпидемиями, пандемиями, защитными и предупре¬
дительными мерами по их локализации и распространением;
надзора за объектами ядерной энергетики, крупными энерго¬
узлами, энергосетями, гидроузлами и иными опасными инфра¬
структурными объектами;
службы по наблюдению за опасными природными явлениями,
ликвидации последствий стихийных бедствий, техногенных ава¬
рий и катастроф при организации работ по их ликвидации;
службы скрытого наблюдения и обеспечения безопасности от
террористически угроз, их превентивного подавления и лока¬
лизации;
таможенные службы;
правоохранительные органы;
охранные предприятия;
службы охраны частных транспортных средств и проведения
противоугонных мероприятий;
промышленные предприятия всех форм собственности при ав¬
томатизации основных технологических процессов, требующих
сбора данных на протяженных территориях и при сложной коо¬
перации по основному роду деятельности;
агрофирмы и предприятия по переработке сельхозпродукции,
службы мониторинга за землями сельхозпроизводителей, ин¬
формационном обеспечении технологий точного земледелия,
стадами животных;
торговые компании при организации мониторинга за движением
и сбытом товаров и услуг;
органы административного управления на федеральном, регио¬
нальном и муниципальном уровнях для сбора информации и ав¬
томатизированной передачи формализованной управленческой
информации;
органы статистики для сбора информации;
— предприятия жилищно-коммунальной сферы для сбора инфор¬
мации о состоянии объектов и расходе ресурсов;
— организации социальных служб для сетей автоматизированного
сбора информации и передачи формализованных данных.
Проблемы России усугубляются тем, что охране окружающей среды
в стране не уделяется должного внимания, хотя в большинстве стран эти
вопросы давно находятся в центре внимания общественных организа¬
ций и государства. Угрожающие процессы деградации инфраструкту¬
ры в РФ после распада СССР становятся глобальными проблемами для
соседних государств. С недопустимой скоростью растут риски от хозяй¬
ственной деятельности на энергетических и транспортных объектах, в
жилищно-коммунальной сфере.
В этих условиях вопрос о создании общегосударственной спутни¬
ковой службы и системы инструментального мониторинга приобретает
первостепенную роль, что следует из рассмотрения [1.1 1.3).
По результатам проведенного в данном разделе анализа в таблицах
1.1 и 1.2 показаны, в качестве варианта, результаты расчета общих ори¬
ентировочных потребностей в количестве земных средств ССС, отра¬
жающие их функциональное назначение и принадлежность. Так же, как
и все приведенные выше, содержащиеся в таблицах прогнозируемые по¬
казатели относятся к спутниковой связи в целом, независимо от вари¬
антов ее реализации и типа орбиты. Другое дело, что для большинства
отраслей, в особенности, для задач транспортного и, в целом корпоратив¬
ного, мониторинга, не решавшихся ранее и не предусматриваемых пер¬
спективных российских ССС с ГСО, оценка велась в расчете на СССЭО.
Более детально, применительно к ССС с КА на ВЭО потребности для
отдельных групп пользователей и некоторые сценарии их обеспечения
рассматриваются в следующей главе.
Приведенные в таблицах значения соответствуют применению уни¬
фицированных базовых модулей ЗС, которые под конкретные прило¬
жения могут опционально дополняться необходимыми устройствами
сопряжения с оконечным оборудованием пользователя, датчиками ис¬
ходной информации, иными внешними устройствами. Базовых моду¬
лей может быть ограниченное количество, отличающихся, например, по
типу базирования (фиксированные, носимые, на подвижных объектах),
объему услуг, скорости передачи информации.
Отметим также, что применение СИМ для экологических, над¬
зорных и защитных задач во многих случаях заставляет по новому
подходить к понятию пользователя и определять экономическую эф¬
фективность и окупаемость подобных систем и сетей связи. Природа
193
Таблица 1.1
№
Государственные ведомства
Прогнозируемая потребж
в абонентских ЗС, тыс. шт. и I.
эсть
ЗС, шт.
Стацио¬
нарные
ЗС мо¬
нитор.
Мобиль¬
ные ЗС
мони¬
тор.
Стацио¬
нарные
ЗС для
ТВ и РВ
ЦЗС,
РЗС
Гражданские
1
Росгидромет
50,0
20,0
10,0
10
2
Минприроды России
30,0
3,0
3
13
3
МЧС России
20,0
18
4
Минсельхоз России
10,0
10,0
21
5
Ростехнадзор
10,0
7
6
РАН
5,0
0,3
0,3
6
7
Росатом
5,0
0,1
10
8
Федеральная дорожная служба
5,0
7
Минтранса РФ
9
Федеральное агентство морского и речного
2,0
7
транспорта Минтранса РФ
10
Росаэронавигация
2,0
10,0
3
Силовые
И
Минобороны РФ
5,0
5,0
5
12
МВД РФ
10,0
10,0
10
13
ФСБ РФ (оперативные службы)
10,0
10,0
10
14
Федеральная пограничная служба ФСБ
1,0
0,1
1
15
Федеральная служба исполнения наказа¬
1,0
1,0
1,0
1
ний Минюста России
ИТОГО
166,0
69,5
14,3
130
трафика и организации процедур информационного контроля пара¬
метров среды и инфраструктуры позволяют создать весьма эффек¬
тивные универсальные системы мониторинга для многих видов дея¬
тельности.
Так, трафик для систем и сетей инструментального мониторинга
этой группы имеет и создает специфические особенности:
— однородность, стационарность, отсутствие в нормальном со¬
стоянии функционирования ЧНН, суточных и сезонных ко¬
лебаний, явно выраженная асимметрия, некритичность к вре¬
менным задержкам (естественная расположенность к пакетной
передаче);
194
Таблица 1.2
№
Корпорации (ведомства)
Прогнозируемая потребность в абонентских
ЗС, тыс. шт. и главных ЗС, шт.
Стацио¬
нарные
ЗС мо¬
нитор.
Мобиль¬
ные ЗС
мони¬
тор.
Стацио¬
нарные
ЗС ТВ и
РВ
Мобиль¬
ные ЗС
ТВ и РВ
цзс,
РЗС
' 1
ОАО «РЖД»
50,0
1200,0
10,0
20,0
18
2
ОАО «РАО ЕЭС»
15,0
0,8
20
3
ОАО «Связьинвест»
10,0
0,4
10
4
Нефтяные и газовые компании
2,0
0,2
10,0
15
5
Автотранспортные компании
200,0
10,0
10
6
Автобусные компании
10,0
5,0
15
7
Судоходные и рыболовецкие
100,0
0,3
3,0
15
компании
8
Авиационные компании
10,0
0,5
10,0
10
9
Охранные структуры
200,0
200,0
15
10
ТВ-провайдеры
1.2
30
итого
277,0
1721,4
22,0
48,0
158
— стационарность вероятностно-временных характеристик трафи¬
ка и стабильное распределение нагрузки на заданном временном
интервале и направлении связи позволяет довольно точно пла¬
нировать ресурсы сети на его обслуживание;
— понятие пользователя (потребителя услуг, абонента) для систем
и сетей инструментального мониторинга существенно отлича¬
ется от аналогичного понятия для традиционных сетей связи и
вещания, поскольку земные станции почти во всех случаях яв¬
ляются автоматическими устройствами, никак не связанными с
человеком, потребляющим информацию.
1.4. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ
УСЛУГИ НОВЫХ ССС
Одна из характерных тенденций современных телекоммуникаций,
присущих и ССС, состоит в интеграции многих видов услуг в рамках
одной сети, системы. По сути дела, всякая интеграция является, с одной
стороны, побудительным мотивом, с другой — результатом совершенст¬
вования ССС, как по характеристикам, так и по функциональным воз¬
можностям. Исторически интеграция спутниковых услуг связана с по-
195
вышением пропускной способности линий связи (ЛСС), т. е. в конечном
счете, с широкополосностью передаваемой информации относительно
предыдущего этапа развития. Можно вспомнить, что вначале появились
ССС с интеграцией телефонных, телеграфных, факсимильных услуг, за¬
тем на смену пришли цифровые системы с интеграцией служб (ЦСИС) и
позднее — широкополосные ЦСИС, предусматривающие использование
высокоскоростных сетей передачи данных.
Сегодня и в обозримой перспективе явным проявлением эволюции
становятся еще более широкополосные системы с интеграцией видео и
мультимедиа, чему в значительной степени способствовали переход к
цифровому теле- и звуковому вещанию, достижения в области цифро¬
вой обработки сигналов и Интернета. В связи с этим получили широкое
распространение линейные скорости передачи информации по каналам
связи до нескольких десятков Мбит/с. Таким образом, новые ССС, при¬
званные привести инфраструктуру регионов России в соответствие с со¬
временными информационными потребностями, способствовать освое¬
нию северных территорий и акваторий, реализовать подвижную связь с
транспортными средствами, «обречены» на обеспечение того или иного
спектра широкополосных услуг, или на мультисервис.
Как признается всеми, основной сферой применения ССС должны
стать обособленные, малонаселенные территории, к которым не под¬
ведены магистральные (проводные, радиорелейные, спутниковые) ли¬
нии связи и где не развита местная инфраструктура. В таких местах
отсутствуют стационарные узлы транспортных (опорных) сетей об¬
щего пользования (ТСОП), в том числе широкополосных: Интернета,
телерадиовещания, мультимедиа. В этих случаях наиболее реальным
и эффективным средством обеспечения широкополосного доступа к
централизованному информационному ресурсу (телестудиям, серве¬
рам и т. д.) становится спутниковая связь с интерактивными возмож¬
ностями. Согласно многим исследованиям, применение ССС экономи¬
чески оправдано при расстояниях до ближайшего узла ТСОП не менее
100—150 км.
Сети ССС при этом могут выполнять функции двух видов: как про¬
должения, расширения широкополосных магистральных сетей, т. е. эле¬
ментов транспортной сети, так и сетей доступа, с помощью которых
обеспечиваются мультисервисные приложения, в частности, интерак¬
тивные. В первом случае, характерном для глобальных, национальных,
межзональных систем ФСС, на базе региональной спутниковой станции
(РЗС) обычно организуется местный, зоновый узел, и ЛСС выполняет
функции магистральной, соединительной линии связи с центральным
196
узлом ТСОП (сервером) через ЦЗС. В свою очередь, к местному зональ¬
ному узлу по наземным линиям, в соответствии с известными прави¬
лами и стандартами, через узлы коммутации могут быть присоединены
базовые станции местных (фиксированных или мобильных) наземных
сетей доступа. Таким образом, благодаря спутниковой связи с РЗС, без
капитальных затрат на строительство магистральных ВОЛС или РРЛ,
на данной территории появляются инфраструктурные элементы, позво¬
ляющие применять и развивать местные сети (рис. 1.1).
В ситуациях, когда нет необходимости или возможности в узлооб-
разовании и организации разветвленной внутризоновой сети, сущест-
Рис. 1.1
197
вуют пути дальнейшего удешевления средств абонентского доступа на
отдельно взятой территории, например, сельского или пригородного
района, глухого, обособленного населенного пункта, производственно¬
добывающего предприятия, транспортного средства. Имеется в виду
«удлинение» ЛСС от ЦЗС, РЗС в сторону конечного пользователя, без
применения базовых станций.
В данном случае оконечная ЗС (ОЗС) становится точкой доступа к
удаленному информационному ресурсу. При этом, как видно из рис. 1.1,
спутниковая сеть доступа коренным образом отличается от наземных,
т. к. в ней отсутствует обязательная необходимость установки базовых
или распределительных вещательных станций, серверов, центров ком¬
мутации. Функции этих станций и центров берут на себя ЦЗС, РЗС и
расположенные вблизи них узлы ТСОП, что является весьма важным
экономическим фактором.
В наибольшей степени удовлетворить всем этим требованиям смогут
ССС в сочетании с системами беспроводного доступа стандартов \\^Мах
(802.16), \^ТЕ1 (802.11), БЕСТ, ТЕТКА, используемыми на участке от
непосредственного пользователя до ОЗС (точки доступа в сеть). Набор
современных стандартных технологий по организации экономичных и
функционально полных возможностей информационного обслужива¬
ния населения и бизнеса позволяет сегодня находить решения практиче¬
ски под любые требования со стороны пользователей. Имеются потреб¬
ности в услугах спутникового широкополосного доступа и у государст¬
венных органов власти, надзорных и контролирующих служб, силовых
и правоохранительных структур.
Важно подчеркнуть, что в новых ССС для обслуживания северных
и восточных регионов возрастает роль абонентских земных станций,
к которым должны предъявляться разнообразные требования в зави¬
симости от района использования. В частности, главными условиями
широкого применения спутниковой связи для абонентского доступа в
обособленных, удаленных районах, а также транспортных средствах,
являются:
— установка абонентских ЗС-терминалов (АТ, ЗСТ) возможно бли¬
же к пользователю, лучше всего на его рабочем месте или в жи¬
лище;
— минимальные габаритно-весовые и энергетические характери¬
стики АТ;
— низкая стоимость, простота эксплуатации, автоматизация и вы¬
сокая надежность работы, в частности в тяжелых природно-кли¬
матических условиях.
198
Указанными свойствами обладают ЗС основных разновидностей
ССС — наиболее освоенной фиксированной службы с использовани¬
ем ЗС-терминалов типа У5АТ (с известными ограничениями), а также
более молодые, развивающиеся, мобильные приложения, в частности,
персональные спутниковая связь и вещание, относимые к подвижной и
вещательной службам, соответственно. При этом последние обеспечи¬
вают максимальное приближение спутникового АТ к терминалу поль¬
зователя (телевизору, компьютеру, телефонному аппарату), вплоть до
совмещения и следования за пользователем при передвижении, а также
меньшую стоимость.
Чаще всего, как отмечалось во вводной части, различные сочетания
мультимедийных услуг сегодня организуются и стандартизуются в рам¬
ках интерактивных ССС с асимметрией передачи в прямом и обратном
направлениях. В частности, внимание привлекает комплексная услуга
типа Тпр1е Р1ау, включающая в себя прием телевидения, двусторонний
доступ в Интернет и телефонию в одном канале. Причем такого рода ус¬
луги предоставляются как в вещательных стандартах, так и с использо¬
ванием Интернет-технологий. Не меньшим, а на первых этапах и боль¬
шим, спросом в северных и восточных регионах, на полярных трассах,
при следовании в транспортных средствах будет пользоваться непосред¬
ственный (односторонний) прием ТВ и, в особенности, РВ программ, на
малогабаритные мобильные приемники, т.к. последний вид услуг пока
не нашел в России распространения.
Как показано выше, особая роль в проектируемых ССС должна быть
отведена мониторингу, услуги которого не могут быть отнесены к ши¬
рокополосным, но, с другой стороны, являются объективно наиболее
массовыми. Такие подсистемы ССС относят к классу односторонних в
направлении от периферии к центру, хотя в них должна предусматри¬
ваться и передача относительно малоинформативных управляющих воз¬
действий в прямом канале, т. е. в общем случае их можно считать инте¬
рактивными.
По объемам, скоростям, архитектуре обмена информацией, разме¬
рам и весам терминалов подобный класс систем ближе всего к персо¬
нальной спутниковой связи, которая, при обеспечении стоимости и
качества услуг, сопоставимого с сотовыми сетями, также будет поль¬
зоваться большим спросом. Это относится, прежде всего, к районам и
мелким населенным пунктам, охваченным проектами развития Вос¬
тока и составляющим до 20% населения страны, для большинства из
которых применение наземной мобильной (сотовой) связи нерента¬
бельно.
199
Обобщая, перечислим основные услуги, которые должны будут пре¬
доставляться пользователям с помощью каналов новой ССС, а затем рас¬
смотрим некоторые из них более подробно:
— организация операторских и корпоративных (ведомственных)
мультисервисных сетей (речь, данные, видео) для абонентов зем¬
ных станций, устанавливаемых на стационарных и подвижных
объектах;
— трансляция программ непосредственного многопрограммного
цифрового ТВ путем распространения сигналов от центров фор¬
мирования контента на малогабаритные и дешевые абонентские
ЗС-терминалы, установленные на подвижных и стационарных
объектах;
— трансляция программ непосредственного спутникового много¬
программного цифрового РВ путем распространения сигналов
от мест формирования контента на малогабаритные и дешевые
абонентские ЗС-терминалы, установленные на подвижных и ста¬
ционарных объектах;
— телеконференцсвязь (видео или аудио), передача новостей и ре¬
портажей;
— передача данных мониторинга, телеметрии, телеуправления и
сопутствующей информации внутри корпоративных (ведомст¬
венных), региональных, национальных и международных сетей
технологической связи различного масштаба и назначения, в том
числе:
— данных от других низкоскоростных источников информации
(например, электронная почта), расположенных внутри или
вблизи объектов мониторинга;
передача низкоскоростных данных (команды управления) из цен¬
тров формирования и обработки информации на соответствующие объ¬
екты мониторинга.
Мультимедийные услуги
Строительство региональных ММССС является примером создания
информационно-технологической инфраструктуры для обеспечения на¬
селения, местных властей и хозяйствующих субъектов информационными
услугами во всех отраслях жизни и деятельности. Основным условием эф¬
фективности таких сетей является интеграция региональной инфраструк¬
туры в информационную систему федерального округа и РФ в целом.
В то же время вновь создаваемые мультисервисные сети удаленного
доступа будут предназначены, главным образом, для пользователей ста-
200
ционариых и подвижных объектов, на которых по каким-либо причинам
не может быть предоставлена комплексная услуга (например, голос, дан¬
ные, телематика, видео по запросу) традиционными для сетей общего
пользования методами. В частности, такая ситуация будет иметь место
при организации точек доступа к удаленным информационным ресур¬
сам в местах показа туристического продукта, на маршрутах в трудно¬
доступных районах, в вахтовых поселках, расположенных в местах до¬
бычи и переработки полезных ископаемых, местах лесозаготовок и пе¬
реработки сырья и т. п.
Для относительно небольшого числа пользователей предоставление
подобного рода услуг, с возможностью дополнительного сервиса, в том
числе шифрования информации, может быть предусмотрено при их раз¬
мещении на подвижных объектах, находящихся за пределами зоны об¬
служивания, но во всей зоне радиовидимости ССС (это могут быть тер¬
ритории РФ и сопредельных государств, Северный Полярный бассейн,
территория Канады, северная часть территории США).
В число таких VIР объектов могут входить суда ледокольного фло¬
та, суда из состава караванов для доставки грузов но Северному Мор¬
скому пути, самолеты ледовой разведки, станции СП (с персоналом),
самолеты-салоны руководителей министерств и ведомств, крупных
корпораций, прогулочные морские и речные суда, яхты, ж/д салоны и
т. п. В число обслуживаемых У1Р объектов могут быть также включены
малогабаритные перевозимые узлы связи, оперативно развертываемые
в местах стихийных бедствий (МЧС), в местах отдыха пользователей,
при их расположении в труднодоступных районах РФ.
Услуги мультисервисных сетей в части высокоскоростного несим¬
метричного доступа к глобальной сети Интернет также будут предос¬
тавляться для пользователей той части стационарных объектов, где
они не могут быть предоставлены традиционными методами — с ис¬
пользованием физических каналов связи на линиях привязки к ста¬
ционарной сети магистральных каналов. Подобные же услуги новые
ССС должны предоставляться пользователям на больших подвижных
объектах (пассажирские самолеты, морские и речные суда с большим
числом пассажиров, железнодорожные пассажирские и туристические
поезда и т. п.).
Во всех случаях создание ММССС направлено на повышение эф¬
фективности взаимодействия местных органов управления и спецслужб
с региональными или центральными, решение социальных задач, пре¬
доставление услуг передачи данных (доступ в Интернет, видеоконфе¬
ренцсвязь, дистанционное обучение, телемедицина и др.), своевременное
201
оповещение о чрезвычайных ситуациях, снижение риска террористиче¬
ской угрозы и т. д.
Типичными услугами, предоставляемыми ММССС, являются:
— цифровая передача речи со скоростью 9,6—16 кбит/с и пульси¬
рующим трафиком с активным (без учета пауз) занятием канала
в течение порядка 30% от времени соединения;
— прием ТВ, в том числе видео по запросу, при скорости передачи
в канале от 1,5 Мбит/с с качеством бытовых видеостандартов
(УН5 — У1с1ео Ноше Зуз^етз);
— видеоконференцсвязь при скорости передачи от 128 кбит/с;
— доступ к базам данных по каналу запроса со скоростью до сотен
кбит/с.
При одновременной передаче и приеме указанной информации
средняя скорость на прием составляет обычно до 2 Мбит/с, на пере¬
дачу — до 0,25 Мбит/с. При большом количестве абонентов многопро¬
граммного телерадиовещания пропускная способность ствола СР бу¬
дет составлять десятки Мбит/с в прямом и до 2 Мбит/с в обратном
направлении.
Таким образом, в ММССС оконечные ЗС для обеспечения связи с
современными мультимедийными серверами должны быть приемо-пе-
редающими, что повышает их стоимость по сравнению со станциями
приема ТВ, но, в то же время, создает условия для решения проблемы
«последней мили», совмещения вещательного и многоадресного режи¬
мов работы, гибкой повременной оплаты реально используемых спутни¬
ковых ресурсов (мощности и полосы частот), использованию протоколов
доступа к СР по запросу.
Услуги телевещания
При цифровых методах передачи вещательного контента создавае¬
мые на местных или центральных студиях телепрограммы поступают на
оборудование компрессии и последующего формирования группового
транспортного потока (мультиплекса), передаваемого по спутниковому
каналу со скоростями от одного до нескольких десятков Мбит/с. При¬
емник-декодер на выходе ЗС вырабатывает и разделяет цифровые или
аналоговые видеосигналы программ, которые, в зависимости от назна¬
чения и конфигурации подсистемы, поступают в местную распредели¬
тельную сеть, либо непосредственно в оконечное устройство (телевизор)
пользователя.
В части решения социальных задач населению предоставляется дос¬
туп к региональным программам и федеральному пакету телерадиопро-
202
грамм («Первый канал», «Россия», «Культура», «Спорт», «Радио Рос¬
сии», «Маяк», «Юность» и др.)
Организация коммерческого ТВ вещания должна обеспечить оку¬
паемость затрат на создание ССС и развертывание сети за счет при¬
менения средств закрытия телепрограмм (систем условного доступа и
шифрования (кодирования) контента), предоставления дополнитель¬
ных услуг, в частности, базовых, эксклюзивных, премиальных пакетов
программ, видео по запросу и пр. Закрытие может производиться на
уровне индивидуального или группового кодера (мультиплексора), либо
с помощью внешних устройств, непосредственно в ЛСС.
Пользователи могут находиться в жилых домах (многоквартирных
и индивидуальных), бизнес-центрах, офисных помещениях корпоратив¬
ных клиентов, в торговых и развлекательных центрах, отелях, школах,
больницах, в производственно-административных зданиях, помещениях
промышленных предприятий, в пассажирских поездах и междугород¬
ных автобусах, на пассажирских и грузовых речных судах, пассажир¬
ских, рыболовецких и грузовых морских судах, на дрейфующих поляр¬
ных стациях в Северном Ледовитом океане, на кроссполярных авиатрас¬
сах, включая Северный Полярный бассейн, и т. д.
Многие из этих задач будут решаться с помощью непосредственного
многопрограммного цифрового телевещания в ССС с интерактивными
возможностями, в том числе доступом в Интернет, представляющего со¬
бой разновидность широкополосного абонентского доступа к информа¬
ционным услугам, который должен обеспечивать передачу сигналов в
общепринятых стандартах, как на стационарные, так и на подвижные
объекты.
Как известно, традиционная система НТВ через КА на ГСО име¬
ет ограничения по обслуживанию стационарных пользователей, чьи
окна и балконы выходят на северную сторону, либо закрыты рельефом,
другими строениями, тогда как, согласно проведенным исследованиям,
спутники на ВЭО наблюдаются практически со всех крыш домов на тер¬
ритории России. Решением этой проблемы может быть установка ЗС с
коллективной спутниковой антенной и использование внутридомовой,
внутриобъектовой кабельной системы (стандарт 5МАТУ), либо беспро¬
водная доставка программ пользователю, что особенно актуально для
больших транспортных объектов. При этом применение 1Р протоколов
в сочетании с компьютерными методами и соответствующими аппарат¬
ными и программными средствами позволяет обеспечивать каждому
пользователю независимый выбор телепрограмм и многоадресный дос¬
туп к интерактивным услугам.
203
Согласно зарубежному, в частности, европейскому, опыту при разви¬
тии цифрового СНТВ по различным сценариям и стандартам, в том чис¬
ле близким к наземному сотовому телевидению (новый стандарт ЭУВ-
5Н), возможно несколько вещательных областей приложения для поль¬
зователя:
— доставка программ в реальном времени по широковещательному
принципу (ЬгоабсазС, или «точка-многоточка»), когда практиче¬
ски нет возможности перезапросить пропущенную программу;
при этом стоимость услуги невелика, а качество высокое;
— потоковое видео (з1геатт§), при котором вещание ведется ад¬
ресно («точка-точка») и абонент выбирает заранее записанные
программы, при однократном просмотре;
— адресная загрузка видео (ТВ по запросу), когда абонент может
интерактивно выбирать и просматривать контент много раз
(ри11 ТУ).
Возможны также варианты персонального просмотра «обычных»
или модифицированных программ с интерактивными возможностями
(Нуе ТУ) и тематического просмотра событий но расписанию в квази-
реальном времени (ризЬ ТУ). При этом для мобильного ТВ сами услуги
могут предлагаться бесплатно, за счет доходов от рекламы.
В условиях повсеместной международной стандартизации цифро¬
вых методов сжатия, формирования, шифрования, передачи подвижных
и неподвижных изображений, а также оснащения телестудий и веща¬
тельных центров большим объемом импортного оборудования, естест¬
венно предположить, что во вновь разрабатываемых ССС потоки видео¬
информации должны будут передаваться в соответствии с широко рас¬
пространенными стандартами, прежде всего, такими как}РЕО, МРЕС-2,
МРЕС-4 (Н.264), ПУВ-5/52, ОУВ-КСЗ, БУВ-БН, а также стандартами
условного доступа.
Вместе с тем, с целью обеспечения защиты от помех и несанкциони¬
рованного доступа (НСД) в спутниковой радиолинии на участке вверх,
т. е. по входу СР, после формирования группового транспортного пото¬
ка-мультиплекса в ЦЗС, РЗС могут быть введены дополнительные пре¬
образования сигнала.
Услуги непосредственного радиовещания
Весьма распространено мнение, что спутниковое вещание, как ТВ,
так и, в еще большей степени, звуковое радиовещание, должно обеспе¬
чиваться, главным образом, с помощью спутников. Для России единст¬
венный способ охватить всю страну, в любой ее точке, радиопрограм-
204
мами — внедрение систем СНЗВ [1.18]. Помимо чисто экономической
выгоды (ощутимого сокращения затрат электроэнергии, количества те¬
лебашен и вышек), это будет также способствовать улучшению экологи¬
ческой обстановки на Земле [1.19]. Трудно переоценить роль спутнико¬
вого радиовещания и для циркулярной передачи сигналов оповещения
населения, властных, силовых и корпоративных структур о чрезвычай¬
ных ситуациях и событиях общегосударственного значения.
Важной миссией непосредственного цифрового звукового вещания
в новых ССС является доставка радиопрограмм на небольшие подвиж¬
ные объекты — легковые и грузовые автомобили на автотрассах, лег¬
кие самолеты, вертолеты, малые морские и речные суда, пассажирские
и грузовые поезда, туристические и рейсовые междугородные автобусы,
а также на легкие малогабаритные портативные приемники (с приемом
от десятков до сотен программ).
Примером может служить первый спутниковый приемник Зтиз 5П-
1еио. Он оснащен ЗУ объемом 2 Гбайт, что позволяет сохранять радиопе¬
редачи общей продолжительностью до 100 часов. Емкость встроенного
источника питания обеспечивает приблизительно 30 часов непрерывной
работы. 51ГШ5 предлагает автомобильные и стационарные радиоприем¬
ники, которые, при необходимости, можно использовать и в качестве пе¬
реносных. К каждому приемнику должна быть присоединена внешняя
антенна, которая входит в состав продаваемого комплекта. Место рас¬
положения антенны имеет важнейшее значение для получения уровня
сигнала на входе приемника, обеспечивающего высокое качество радио¬
программ. Низкая абонентская плата (примерно 10 долл, в месяц за па¬
кет из 50 программ) и стоимость приемников (50—100 долл.) позволяют
рассчитывать на привлечение широкого круга пользователей и соответ¬
ствующую рентабельность подобных систем.
Во вновь создаваемых ССС, помимо использования профессио¬
нальных уровней качества (скорости компрессии) звуковых сигналов
Соп1пЬи1лоп (384 Кбит/с, стерео) и 01з1:пЬи1:юп (256 Кбит/с, стерео), для
непосредственного вещания, а также передачи звукового сопровожде¬
ния цифровых программ ТВ, применимы уровни Епшзюп (192 Кбит/с,
стерео), рассчитанный на индивидуальный бытовой прием, близкий по
качеству звучания к компакт-диску, и Сотшеп1агу (64 Кбит/с, моно),
используемый для передачи речевых сигналов при репортажах, коммен¬
тариях и пр.
Распространенными способами (стандартами) передачи сигналов зву¬
кового вещания являются Э2-МАС, МРЕС ААС+, №САМ, Б5К. Следует
отметить впервые применявшийся для передачи на Европу через СР А$Ш-1
205
стандарт МРЕС-1150/1ЕС 11172—3 в формате Ьауег 3, где для сжатия циф¬
рового потока используется метод МШ1САМ. При этом полоса частот ра¬
диоканала для цифровых носителей звука составляет 130 кГц.
В системе П2-М АС, используемой и в СНТВ, достаточно полосы час¬
тот для размещения двух стерео- или четырех моноканалов с полосой
40—15000 Гц каждый, или для восьми комментаторских каналов с по¬
лосой 7 кГц. Особенностями этого стандарта являются:
— пакетное уплотнение для звуковых сигналов и сигналов данных
при передаче их в цифровой форме;
— возможность применения систем идентификации спутниковой
службы, ограниченного доступа, скремблирования видеосигнала
и засекречивания аудиосигнала.
Стандарт, описывающий общую технологию ЦЗВ, основан на
МРЕС-1, который предназначен для сжатия, передачи и хранения циф¬
ровых данных подвижного изображения и звука. Его составной частью
является стандарт 150 11172—3 (Уровень II). Именно этот стандарт,
называемый кратко 150/МРЕС (Уровень II/II А) и его расширение
МИ51САМ (Уровень II) используются для звукового сопровождения
телевизионных программ с МРЕС-2. Кроме этого, данный алгоритм реа¬
лизован и в аппаратуре цифрового спутникового радиовещания. Стан¬
дарт 150/МРЕС (Уровень II/II А) предусматривает различные степе¬
ни сжатия данных с соответствующей скоростью цифрового потока на
выходе: 56, 64, 96,112,128,192, 256 и 348 кБит/с.
Отметим, что национальные стандарты РФ разрабатываются в пол¬
ном соответствии с европейскими стандартами ТВ и звукового вещания,
что снимает проблему совместимости с международными телерадио¬
компаниями для обмена информацией и облегчает условия вхождения
России в мировое информационное пространство.
Услуги персональной связи
Персональная спутниковая связь (ПерСС) понимается как средство
предоставления речевых услуг и передачи текстовых сообщений, а также
узкополосных мультимедийных услуг, для подвижных и фиксирован¬
ных пользователей, рассчитанное на самый энергетически напряжен¬
ный случай — применение ЗС-терминала, следующего за абонентом, с
параметрами портативной телефонной трубки или кейса.
При этом в системе ПерСС могут работать другие виды терминалов,
соответствующие (до принятия, возможно, новых регламентирующих
положений) подвижной или фиксированной спутниковой службе, в ча¬
стности:
206
— абонентские станции с ненаправленной или следящей направ¬
ленной антенной, расположенные в транспортном средстве и ра¬
ботающие в движении;
— стационарный терминал с направленной антенной, устанавли¬
ваемый, например, на рабочем месте оператора ПК (офисного,
домашнего, полевого);
— необслуживаемый терминал (моноблок) с ненаправленной ан¬
тенной, работающий в автономном режиме внутри или вне по¬
мещения, совместно с различного рода датчиками технологиче¬
ского, экологического, аварийного мониторинга.
Именно в указанном смысле для этих и многих других типов АТ,
используемых в системе ПСС, могут быть применены понятия персо¬
нальной и/или терминальной мобильности, хотя и не всегда речь идет
об обслуживании «персоны». Но в любом случае, как правило, должна
присутствовать возможность идентификации пользователя (источника
информации) и терминала в системе.
По определению, часто применяемому для мобильной связи новых
(3-го, 4-го и последующих) поколений, принципиальным свойством
ПерСС является обеспечение любому абоненту связи «в любое время,
в любом месте». Причем, в отличие от наземной сотовой, фактическое,
т. е. без ограничений типа «аппарат абонента находится вне зоны дейст¬
вия сети», по крайней мере, для большинства территорий России (99%)
и прилегающих регионов благодаря работе через СР на ВЭО.
Это означает, что основной, эксклюзивной сферой применения
ПерСС являются места, где ей нет альтернативы, т. е. те, которые не ох¬
вачены наземной связью либо временно, либо, скорее всего, никогда не
будут ею охвачены. Таким образом, нельзя считать уместным и состоя¬
тельным бытующее мнение о якобы низкой конкурентоспособности
ПерСС в сравнении с наземной сотовой связью.
Согласно экспертным оценкам, даже при оптимистическом, с по¬
зиций экономики, сценарии, в силу географических особенностей Рос¬
сии операторы наземной мобильной связи в обозримой перспективе не
смогут обеспечить рентабельное предоставление услуг почти половине
жителей страны (потенциальных пользователей ПерСС), проживающих
в сотнях малых городов и поселков городского типа и десятках тысяч
сельских населенных пунктов.
Таким образом, как показывают оценки, даже в предположении, что
число платежеспособных пользователей составит (1—2)% от указанного
количества жителей, суммарные затраты на создание ССС объемом до
500—600 млн долл, окупаются в течение 4-х лет с начала эксплуатации —
207
при стоимости наземного оборудования (АТ) и подключения, сравнимой
с установкой стационарного телефона (до 500 долл.), и среднемесячном
абонентском счете порядка 20 долл. [1.20, 1.9].
Однако до настоящего времени ПерСС не получила соответствую¬
щего развития в нашей стране. Ни один из многих российских проек¬
тов, разработанных на рубеже веков, не был реализован и в стране раз¬
вернуты т.н. российские сегменты широко разрекламированных в свое
время зарубежных систем ПерСС. К ним относятся, в частности, рас¬
смотренные выше системы Инмарсат, Глобалстар, Турайа, созданные
на основе, безусловно, выдающихся технологий на уровне отдельных
компонентов ССС, но, тем не менее, не нашедшие в российских регио¬
нах массового применения и на это есть причины, как экономические,
так и технические.
Прежде всего, отметим, что по упомянутым проектам нельзя судить
о многих возможностях ПерСС и их реализации, что, к сожалению, име¬
ет место и сегодня, и не только на уровне менеджеров, но и среди спе¬
циалистов. На наш взгляд, помимо высоких для массового пользователя
цен на оборудование и услуги, причины слабого спроса на эти средст¬
ва связи кроются и в недостаточно удачных общесистемных решениях,
принятых и реализованных в указанных ССС.
Дело в том, что в этих системах, по структуре многолучевых (то
есть подобных сотовым), не выполнены два основных условия, прису¬
щие сотовым сетям и позволяющие поставить те и другие в один ряд
по качеству и надежности связи. А именно, не обеспечивается, во-пер¬
вых, значительная энергетическая избыточность, необходимая при
наличии естественных препятствий и многолучевого распростране¬
ния, во-вторых, отсутствует распределенная сеть базовых станций,
локализующих доставку информации абонентам местной сети, ста¬
ционарным и подвижным, в пределах соты и между сотами, т. е. по¬
зволяющих уменьшить число коммутаций, стоимость, время вызова
и повысить надежность связи. Напомним, что практически все суще¬
ствующие системы ПСС, в том числе и те, о которых идет речь, име¬
ют централизованную архитектуру: небольшое количество (единицы)
станций сопряжения — шлюзов с выходом в наземную сеть на между¬
городном уровне.
Кроме того, углы связи, как при ГСО {Инмарсат, Турайа), так и при
низкоорбитальных СР {Глобалстар), на большей части территории Рос¬
сии недостаточны для предоставления услуг с требуемой надежностью
и качеством, в особенности при малых терминалах типа трубки в руке,
имеющих слабонаправленные антенны.
208
Новые ССС на базе ВЭО должны учесть отмеченные недостатки бла¬
годаря оптимизации орбитального построения, повышенной энергети¬
ке линий связи вверх и вниз за счет увеличения эффективной площа¬
ди бортовых антенных решеток и выходной мощности стволов, а также
применению кодирования, разнесения ветвей приема-передачи и адап¬
тивной обработки сигналов.
Имеется в виду обеспечение качественно нового вида связи — более
надежного, учитывающего особенности всех регионов России, в част¬
ности, горных, высокоширотных районов и акваторий, востребованного
по цене, качественным показателям, принципам организации связи и
информационной безопасности со стороны различных категорий поль¬
зователей. Детальный анализ проблемы показывает, что это как раз тот
случай, когда предложение рождает спрос, а не наоборот. Вспомним,
что несколько десятилетий тому назад сотовая радиосвязь начиналась
не столько исходя из коммерческих интересов, сколько как «дитя» на¬
учно-технического прогресса [1.21, 1.10].
Социально-экономическое и политическое значение такой систе¬
мы определяется как потребностями производственных, финансовых,
аварийно-спасательных, силовых и пр. структур, так и повседневными,
жизненными интересами населения, всех ветвей власти в регионах РФ
и пограничных с ней государств.
В России из почти 50 млн абонентов сухопутной подвижной радио¬
связи около половины приходится на Московский и др. центральные
регионы, остальные — на крупные областные центры. Таким образом,
ПерСС должна заполнить информационное пространство, недоступное
для наземной радиосвязи, и способствовать развитию телекоммуника¬
ционной инфраструктуры в удаленных регионах.
Техническая целесообразность решения проблемы ПерСС состоит в
том, что, в отличие как от наземной подвижной радиосвязи (сотовой, тран¬
кинговой), так и от фиксированной и вещательной спутниковых служб,
ее системные технологии исследованы и разработаны в меньшей степени.
Результатом чего является практически отсутствие отечественных сис¬
тем, земного и бортового оборудования на фоне широкого развития со¬
товых сетей и систем ФСС в нашей стране и за рубежом. Тем более это
относится к региональному уровню использования ПерСС в сельских и
труднодоступных районах, в особенности, на севере и востоке России.
Особенности инструментального мониторинга
Одна из технических особенностей этого направления в составе
ССС состоит в том, что источники (датчики) отправляемой информа¬
209
ции могут размещаться в любом месте и на любой высоте или глубине
земной поверхности, находиться как в стационарном, так и в мобильном
состоянии. Соответственно, на многих объектах мониторинга абонент¬
ские ЗС-терминалы, с помощью которых организуются каналы передачи
информации, должны устанавливаться в непосредственной близости от
датчиков, а в ряде случаев будут представлять собой единое конструк¬
тивное решение с датчиком информации. Таким образом, расположение
разного рода препятствий для распространения радиосигналов будет
трудно предсказуемым в этих уловиях.
Таким образом, предварительный выбор точек установки ЗС и усло¬
вий электромагнитной обстановки практически исключается, что кар¬
динально повышает роль углов связи через СР, а также их изменений.
Немаловажное значение в этом случае имеет и энергетика ЛСС, учиты¬
вая, что терминалы, размещаемые на стационарных, мобильных, движу¬
щихся объектах, по размерам, массе и потреблению электроэнергии не
должны отличаться от обычного сотового телефона.
В других случаях то или иное количество датчиков может быть со¬
средоточено на одной территории и распределено по площади, в соот¬
ветствии с технологией деятельности надзорных или контролирующих
органов. Например, для лесных массивов общее число источников будет
включать десятки тысяч датчиков, расположенных в определенном по¬
рядке и соединенных с ЗС-терминалами индивидуально или групповым
способом. При построении систем и сетей ИМ в качестве телекомму¬
никационной среды для внутрипроизводственных и внутриобъектовых
приложений могут использоваться системы радиосвязи в различных
диапазонах частот, а также проводные сети. При этом пользовательский
терминал-датчик должен соединяться с датчиком информации по стан¬
дартизированному аппаратному и информационному стыку.
Нередко требуется сбор данных от датчиков различной физической
природы, пространственно разнесенных на сотни, а иногда и на тыся¬
чи километров друг от друга. В 90% случаев задач экологического мо¬
ниторинга в центр будет поступать относительно малоинформативная,
низкоскоростная информация, зачастую передаваемая несколько раз
в сутки за доли секунд, т. е. с большой скважностью. При этом время
оказания услуг может быть постоянным, программируемым, ограни¬
ченным определенным интервалом времени, или задано с любой пе¬
риодичностью, вплоть до контрактов на разовые услуги по требованию
потребителей.
Системы и сети ИМ с применением радиотехнических средств кос¬
мического базирования позволяют также ставить и решать задачи ком¬
210
плексной координатно-навигационной, телекоммуникационной и ин¬
формационной поддержки практически любых форм хозяйственной
деятельности на Земле.
Во всех случаях, ввиду сильной ограниченности энергопотенциала
ЗС-терминалов, особо возрастает роль средств обеспечения защиты от
внешних помех на участке вверх. При пакетных методах передачи ко¬
ротких формализованных сообщений СИМ это может быть обеспечено
при применении адаптивных ФАР на борту СР путем последовательного
нацеливания узконаправленных лучей на источник сигнала.
Таким образом, в целом, в отличие от распространенного взгляда
на систему связи как транспортную среду для передачи информации,
применение спутниковых каналов для мониторинга может рассматри¬
ваться как гармоничное, взаимодополняющее сочетание (конверген¬
ция) телекоммуникационных и собственно производственных техно¬
логий контроля за состоянием того или иного объекта.
Учитывая известную новизну и, в то же время, масштабность зада¬
чи создания ССС с использованием ВЭО для целей инструментального
мониторинга, более широкого внимания требуют многие аспекты раз¬
работки и организации работ по ее внедрению, при условии заинтере¬
сованности и непосредственного участия государства.
В связи с этим, а также слабым развитием этой области информа¬
ционного обеспечения с использованием ГСО, применение ССС с ВЭО
для целей мониторинга целесообразно рассматривать в масштабах всей
страны. О благоприятных условиях передачи через СР с высокими уг¬
лами связи, присущими ВЭО, и последствиях организации СИМ для
многих отраслей и государства в целом говорилось выше.
Расчеты показывают, что даже при относительно низких тарифах,
гарантирующих высокую конкурентоспособность системы, большое
число пользователей позволит обеспечить необходимый объем продаж,
прибыльность и относительно короткие сроки окупаемости инвестиций.
Следует подчеркнуть, что создание широкой сети средств мониторинга
является актуальным и весьма своевременным как по экономическим,
так и по социальным соображениям.
Общественно-политическое и экономическое значение СИМ за¬
ключается в том, что масштабное внедрение СИМ позволит радикально
поднять уровень информатизации всех общественных процессов на ка¬
чественно новый уровень с применением самых современных и передо¬
вых технологий. Это позволит повысить конкурентоспособность стра¬
ны в целом за счет автоматизации рутинных управленческих решений,
улучшить параметры среды обитания (экология), внедрить передовые
211
технологии по ресурсо- и энергосбережению, снизить уровень потерь в
энергетике, на транспорте и в промышленности, в том числе от баналь¬
ного воровства и бесхозяйственности. СИМ позволит поднять культу¬
ру производственной деятельности во всех жизненно важных сферах
и отраслях российского общества, высвободит столь дефицитные че¬
ловеческие ресурсы, которые сегодня используются крайне расточи¬
тельно. По оценкам только в сфере действия служб частных охранных
структур можно будет не менее чем вдвое сократить персонал многочис¬
ленных ЧОП, в которых сегодня занято более 3,5 миллионов человек,
преимущественно мужчин в трудоспособном возрасте. От рутинного
и непроизводительного труда можно высвободить миллионы людей в
сфере торговли, статистики, органах административного управления,
социальной сфере.
В денежном выражении эффективность масштабного внедрения
СИМ выразить значительно сложнее. Предлагаемые решения позволят
России стать одни из лидеров в вопросах глобального экологического
мониторинга, обеспечения системной безопасности территории и людей
от стихийных природных явлений, техногенных аварий и катастроф,
радикально снизить производственные издержки в инфраструктурных
отраслях, промышленности и сфере услуг, тем самым обеспечив конку¬
рентоспособность российских товаров и услуг на мировых рынках по
многим направлениям.
Социальная эффективность проекта СИМ во многом соответствует
его общественной пользе. Специфической особенностью является его
ориентация на полярные, субполярные и труднодоступные территории.
Решение этих задач позволит создать более комфортные и безопасные
условия для жизни людей в этих районах. Внедрение СИМ во все сфе¬
ры жизни будет способствовать ослаблению оттока людей из северных
и восточных регионов страны, снижению социального неравенства и
расслоения населения, системной защищенности самых широких его
слоев от многочисленных угроз различной природы. Улучшение эколо¬
гических параметров среды обитания снизит уровень заболеваемости,
увеличит продолжительность жизни, снизит потери от природных и тех¬
ногенных угроз, эпидемий.
Все общественные и социальные эффекты относятся к разряду муль¬
типликативных и кумулятивных, которые трудно оценивать в денежном
выражении. Тем не менее, определенные оценки можно попытаться сде¬
лать и для таких приложений. Если считать, что подготовка современ¬
ного специалиста средней квалификации обходится в 100—150 тысяч
долларов, то высвобождение трудовых ресурсов на один миллион чело¬
212
век позволяет говорить об эффективности в размере 100—150 миллиар¬
дов долларов, что более чем в сто раз перекрывает затраты на создание
системы. По оценкам, СИМ позволит высвободить не менее 3 миллио¬
нов человек и занять их более производительным трудом. В этом слу¬
чае можно говорить об интегральной эффективности проекта только по
данной составляющей в размере 500 миллиардов долларов.
Экономическая эффективность от создания СИМ масштабна и за¬
служивает специального и отдельного анализа. Отметим только ос¬
новные моменты. Всех потребителей можно разделить на несколько
типизированных групп, по отношению к каждой из них дифференци¬
рованно подходить к удовлетворению их потребностей и выстраивать
бизнес-модели по развитию этих приложений. Но, прежде чем начи¬
нать разработку таких моделей, необходимо определить правовой и
экономический статус собственника СИМ и операторской организации
по оказанию услуг.
Таким образом, если собственником будет государство и оно же —
обладателем лицензий на оказание услуг мониторинга на территории
РФ, независимо от правового статуса и форм собственности пользова¬
телей, то в этом случае можно будет оперировать существующей зако¬
нодательной базой для разработки моделей взаимодействия с группами
пользователей, оценки затрат, доходности и, в целом, эффективности
системы инструментального мониторинга.
213
ГЛАВА 2. ПРЕИМУЩЕСТВА
И АКТУАЛЬНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
ЭЛЛИПТИЧЕСКИХ ОРБИТ ДЛЯ
ОБСЛУЖИВАНИЯ ТЕРРИТОРИИ РОССИИ
И ПОЛЯРНЫХ РАЙОНОВ
Введение орбитального уровня в модель ССС в процессе ее построе¬
ния имеет смысл, прежде всего, с точки зрения достижения лучшего со¬
ответствия пространственно-орбитальной структуры и ее параметров
целевым задачам передачи информации, а также путям и методам их
решения.
Это означает, что критерии оптимизации и эффективности орби¬
тального построения ССС должны, с одной стороны, удовлетворять
условиям и соотношениям по обеспечению информационных, энерго¬
частотных и пространственно-структурных показателей услуг, линий
связи, с другой стороны — быть адекватными техническим, технологи¬
ческим, технико-экономическим условиям и возможностям создания
самого космического сегмента.
Поскольку геостационарная орбита (ГСО) представляет собой хотя
и наиболее распространенный, уникальный, максимально изученный,
но лишь один из множества типов орбит, исследование и применение
ССС с не геостационарными орбитами (НГСО), в частности, высоко¬
эллиптическими (ВЭО), можно считать весьма перспективным с точки
зрения расширения возможностей и повышения эффективности спут¬
никовой связи. Как следует из дальнейшего рассмотрения (и подтвер¬
ждается практикой), это относится и к общесистемным техническим
показателям эффективности — пропускной способности (ПС), помехо¬
защищенности (ПЗ), электромагнитной совместимости (ЭМС) и к це¬
левым критериям создания ССС — экономическим, социальным, обще¬
ственно-политическим.
Весьма существенными факторами влияния параметров орбиты на
общую эффективность ССС являются ее форма, высота и пространст¬
венное расположение относительно поверхности Земли, от которых за¬
висят, прежде всего, общая зона обслуживания и пропускная способ¬
ность линий связи. Степень этой зависимости, которая может меняться
в ту или иную сторону, сказывается на энергетических, конструктив¬
ных, массогабаритных, стоимостных характеристиках КА, средств их
выведения на орбиту и, в конечном счете, на реализации всей системы.
Определенным образом могут оказывать влияние и другие орбитальные
214
характеристики. В целом задача синтеза ССС предполагает учет и воз¬
можную оптимизацию значительного числа показателей орбитального
построения при выполнении заданных условий и требований по пере¬
даче информации.
2.1. О ПРОБЛЕМАХ ПРИМЕНЕНИЯ ССС НА ГСО
ДЛЯ ОБСЛУЖИВАНИЯ ТЕРРИТОРИИ РОССИИ,
ПРИЛЕГАЮЩИХ ГОСУДАРСТВ И АКВАТОРИЙ
ГСО — наиболее удобная орбита с точки зрения наблюдения КА, т. е.
слежения земных станций, точнее, их антенных систем, а также, в из¬
вестной степени, влияния эффекта Доплера. Вместе с тем нельзя не учи¬
тывать, тем более имея 40-летний опыт создания и применения ССС, что
эти факторы составляют лишь малую долю критериев, определяющих
эффективность оборудования и системы в целом.
Более того, позволим себе предположить, что, не будь подавляюще¬
го приоритета ГСО, спутниковая связь развивалась бы не менее (а воз¬
можно, и более) успешно и целенаправленно на базе эллиптических и
круговых орбит с разными высотами, наклонениями и географическим
расположением плоскостей. При этом число степеней свободы выбора
орбитального построения, с точки зрения взаимной пространственной
развязки и, как следствие, электромагнитной совместимости ССС, оп¬
ределялось бы количеством допустимых угловых позиций (например, с
2—5-градусным разносом) не на экваториальном одномерном поясе на
высоте около 36 тыс. км, а в трехмерном пространстве — сферах с раз¬
личными радиусами вокруг земного шара.
Вполне возможно, что отчасти благодаря преимущественному при¬
менению ГСО, спутниковая связь оказалась в том орбитально-частот¬
ном тупике, о котором говорится, например, в [2.1]. Кроме того, повсе¬
местное использование ГСО в какой-то степени сдерживало прогресс в
области развития и внедрения систем слежения за КА, и, прежде всего
антенн ЗС, построенных на основе электронных методов управления
направленностью.
В настоящее время для ССС на ГСО заявлены тысячи спутников
связи, тогда как допустимое, с точки зрения взаимных помех, количе¬
ство измеряется сотнями. Общее представление о распределении точек
стояния КА на ГСО для Восточного полушария может быть получено из
рис. 2.1. По широко распространенному мнению орбитально-частотный
ресурс (ОЧР) ГСО практически, и, тем более теоретически, исчерпан.
Это обусловлено не только его фактическим использованием, но и резер-
215
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180-170
Рис. 2.1
Долгота точки стояния на ГСО, в.д.
вированием для новых систем, создание которых на самом деле пробле¬
матично или, скорее, мало вероятно. Данное обстоятельство связано с
реальными правами на этот ресурс согласно т.н. плановому подходу для
всех стран, входящих в международное сообщество под эгидой МСЭ.
Анализ показывает, что незагруженными на ГСО остаются 2—3 де¬
сятка орбитальных позиций шириной в 1°. Тем не менее, имея в виду
проблему ЭМС и учитывая, что на каждом геостационарном КА распо¬
ложено 20—40 транспондеров, даже с учетом имеющихся свободных по¬
зиций задача поиска возможного места для нового спутника становится
почти неразрешимой. Это означает, что нормальный процесс заявления
и регистрации новых ССС на ГСО практически исключен, хотя и пред¬
лагаются некие процедурные, организационные условия, «ограничиваю¬
щие возможности монополизации и блокирования спектра», выполне¬
ние которых, однако, весьма затруднительно [2.2].
Конечно, существуют известные возможности изыскания рабочих
позиций на ГСО путем высвобождения еще не занятых полос частот для
общегражданского применения, или перехода в более высокочастотные,
216
еще не освоенные диапазоны. Однако первый путь, имеющий скорее ор¬
ганизационный характер, содержит множество «подводных камней», что
обусловлено специальным и правительственным назначением многих
частотных полос, особенно в России. Использование же новых диапа¬
зонов частот, в частности, выше 40 ГГц, может стать реальным лишь в
более далекой перспективе.
Из других технических путей можно указать, например, примене¬
ние бортовых многолучевых антенн с повторным использованием час¬
тот, «обнуления» ДН антенн ЗС в направлении на соседние СР за счет
применения фазированных антенных решеток [2.3] и пр. Однако подоб¬
ные меры в целом все же не обещают радикального решения проблемы
перенасыщения ГСО.
Иначе обстоит дело с ОЧР спутниковых систем, использующих
НГСО, для которых принципиально может быть обеспечен необходи¬
мый пространственно-угловой разнос между собой и относительно ГСО.
С развитием таких систем можно ожидать, что ситуация с обеспечением
для них ОЧР также будет усложняться, Тем не менее, применение ВЭО
на сегодня представляет собой один из путей выхода из создавшегося
положения, связанного с проблемой ЭМС и координацией ССС на ГСО
[2.1].
Наряду с проблемой перенасыщения ОЧР важным негативным фак¬
тором, с позиций использования ГСО для решения многих рассмотрен¬
ных выше задач, являются прежде всего недостаточные углы возвыше¬
ния КА во многих пунктах на территории России, как для ФСС, так и, в
особенности, при связи с подвижными объектами. Максимальные углы
места, под которыми видны спутники на ГСО с большей части терри¬
тории РФ, составляют менее 30° (рис. 2.2), тогда как, в соответствии с
имеющейся практикой и результатами натурных испытаний, для надеж¬
ной мобильной связи требуются минимальные углы порядка 40°.
На рис. 2.2 показаны перекрывающиеся зоны радиовидимости (ЗРВ)
спутников на ГСО и ВЭО типа «Молния» (основной виток) для указан¬
ных двух значений углов места, рассчитанные с учетом наблюдения КА
на ВЭО в начале/конце рабочего участка, т. е. для худшего случая. При¬
веденная картина наглядно отражает одно важное свойство ВЭО: ЗРВ
одного спутника на ВЭО может охватить при углах связи 30°практиче-
ски всю территорию Европы и Азии (за исключением Юго-Восточной),
чего нельзя сказать даже о двух КА на ГСО — даже при углах 10°.
Рядом организаций и специалистов в течение многих лет изучается
проблема обеспечения надежностных характеристик связи через КА на
ГСО, в том числе применительно к российским условиям и территори-
217
90“
150“ 120
Рис. 2.2
ям. Это обусловлено насущной задачей нахождения такой орбитальной
конфигурации, при которой бесперебойная связь обеспечивается в тех
районах России (севернее 40° с.ш.), где по ряду причин она не могла быть
организована ранее.
Имеются в виду, прежде всего, приполярные, арктические регионы,
прибрежные моря и акватории Мирового океана в Северном полушарии,
а также рельеф и другие препятствия на местности, где СР на ГСО во
многих случаях вообще, или, по крайней мере, для массовых нужд, не
могут быть использованы из-за малых углов связи.
По указанным причинам ССС на ГСО в России находили и продол¬
жают находить широкое применение для ФСС лишь на территориях
южнее 70° с.ш., т. е. при углах связи 30° и менее, как правило, при усло¬
вии, что место установки земных станций выбирается заранее, исходя
из ограничений, вызванных затенением трассы распространения. Что
касается ПСС и мобильного приема теле- и радиовещания, то здесь эти
причины оказывают еще более сильное влияние (за исключением, в из¬
вестной мере, воздушной и морской служб).
Таким образом, использование геостационарных спутников для пре¬
доставления услуг связи в России, а также в ряде других регионов Се¬
верного полушария, сопровождаемое проблемой неустойчивого прие¬
ма сигнала в движении, делает невозможной качественную и надежную
связь для многих потенциальных пользователей на значительной части
218
территории. При этом данный фактор усугубляется по мере повышения
широты расположения ЗС.
Искать подобного рода «слабые места» прохождения радиосигналов
для ССС с КА на любых орбитах можно как аналитическими методами,
так и путем моделирования, используя электронные карты местности и
рассчитывая углы видимости КА из всех предполагаемых точек нахож¬
дения ЗС. Таким образом, определяются участки земной поверхности,
где КА оказываются затененными какими-либо местными предметами
(постройками, лесом и пр.) с учетом рельефа и где по этим причинам
они обеспечивать связь не смогут.
На рис. 2.3, а, б, в (см. цветную вкладку) приведены результаты рас¬
чета границ зон радиовидиости при работе через СР на ГСО и различных
высотах препятствий, расположенных на удалении от ЗС порядка 100 м,
соответствующем максимальному расстоянию до лесозащитных полос и
построек вдоль дорог, для трех точек стояния спутников на ГСО: 53°, 80°
и 90° в. д. [15]. Их сравнение с зонами радиовидимости, имеющими место
без учета препятствий (рис. 2.2), показывает существенную разницу в
широтах границ рабочих зон на отдельных участках территории, дости¬
гающую 20° и более, в зависимости от высоты строений или деревьев.
Критической является уже высота препятствия 20 м, соответствующая
углу возвышения на спутник порядка 12°. Полученная картина свиде¬
тельствует о том, что при наличии вблизи ЗС даже сравнительно поло¬
гого рельефа, лесной растительности и невысоких построек в направле¬
нии на геостационарный КА надежная и качественная связь во многих
районах и на дорогах России становится весьма проблематичной.
Здесь же на рис. 2.3 г приводятся аналогичные диаграммы, отно¬
сящиеся к ВЭО типа «Молния» с наклонением к плоскости экватора
63,4 градуса. Группировка КА на этих орбитах такова, что в любой мо¬
мент времени один из них находится вблизи апогея над территорией
России, т. е. в любой момент времени готов обеспечить прием и переда¬
чу радиосигнала. Видно, что, в отличие от ГСО, КА на ВЭО находится в
прямой видимости ЗС в любой точке страны при указанных условиях по
дальности и значениях высот препятствий до 140—150 м на краях ЗРВ,
т. е. исключая, конечно, улицы больших городов и местность у самого
подножья гор.
Другая форма отображения влияния препятствий, а именно рель¬
ефа местности, может быть получена путем компьютерного моделиро¬
вания для отдельно взятых участков территории, размером, например,
3° х 3°. Методы и результаты таких расчетов подробно изложены в гла¬
ве 6. Они основаны на использовании значений реальной высоты земной
219
поверхности на электронной карте (в разрезе) по направлению азимута
КА относительно точки наблюдения (нахождения ЗС), Пример такого
представления показан на рис. 2.4, а (вкладка).
Здесь, посредством сканирования по азимуту определенной части
территории, обозначенной, треугольником, определяется область зате¬
нения, «закрытия рельефом» (показана красным), в которой на ЗС не
может быть обеспечена (или ограничивается) видимость КА, находя¬
щегося в той или иной точке орбиты. В качестве примера на рис. 2.4, б
синим показаны области на части территории Чеченской Республики
(размером 22 км х 22 км), из которых не виден КА на ГСО.
В целом результаты проведенных исследований, более подробно об¬
суждаемые ниже, позволяют установить, что процент не охватываемых
связью через КА на ГСО «темных пятен» на территории России ока¬
зывается весьма значительным относительно таких же мест при связи
через КА на ВЭО, причем такие «пятна» находятся не только в высоко¬
широтных районах, но распределены практически по всей территории
(вплоть до 40° с.ш.).
2.2. О ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ СОЗДАНИЯ НОВЫХ ССС
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЭО
Таким образом, географическое расположение России в удаленной
от экватора части Северного полушария, имеющей, к тому же, сложный
рельеф и условия лесного покрытия, а также перегруженность геоста¬
ционарной орбиты, накладывают существенные ограничения на исполь¬
зование многочисленных существующих и вновь создаваемых ССС на
ГСО для решения целого ряда задач в интересах населения, государст¬
венных и коммерческих структур.
Использование КА на низких орбитах (НГСО), имеющих быстро
меняющиеся углы места и «скользящие» зоны радиовидимости, так¬
же приводит к подверженности затенению и снижению надежности
связи. Кроме того, из-за большого количества КА в ССС на НГСО
неизбежны значительно более высокие затраты финансовых и про¬
изводственных ресурсов и, следовательно, увеличение срока ввода в
эксплуатацию (если вообще не проблематичность создания ССС для
России), что влечет за собой и повышение тарифов на предоставляе¬
мые услуги.
Что касается существующих российских систем с использовани¬
ем К А на ВЭО {Молния-1, Молния-3, Молния-К), то, будучи полностью
задействованы для решения возложенных на них задач, прежде всего
220
Минобороны РФ, они, кроме того, имеют недостаточную пропускную
способность и энергетический потенциал СР, не позволяющий исполь¬
зовать простые и дешевые абонентские ЗС, в частности, мониторинго¬
вые и мобильные.
Схожего порядка проблемы имеют место и при организации мно¬
гопрограммного телевизионного и звукового (радио) вещания. Суще¬
ствующие системы СНТВ на ГСО мало приспособлены для обслужи¬
вания абонентов, располагающихся на подвижных объектах, а также
на стационарных объектах в высокоширотных географических зонах.
Действующие зарубежные системы многопрограммного спутникового
непосредственного звукового вещания ХМ 8а1ейИе КаЛго, Зтиз ЗаЫШе
КаФо, У/огМ Зрасе, показавшие на практике свою популярность и эффек¬
тивность, не охватывают по зонам обслуживания территории России и
Северной Европы.
Что касается задач обеспечения мониторинга в составе ССС, то их
главная техническая особенность состоит в том, что источники (дат¬
чики) отправляемой информации и соответствующие средства ее пере¬
дачи могут размещаться в любом месте и на любой высоте (или глуби¬
не), находиться как в стационарном, так и в мобильном состоянии, при
непредсказуемом расположении разного рода препятствий для распро¬
странения радиосигналов. Это означает, что предварительный выбор то¬
чек установки ЗС-терминалов и условий электромагнитной обстановки
в таких системах исключается, что кардинально повышает роль углов
связи, а также их изменений. Немаловажное значение в этом случае име¬
ет и энергетика линий связи.
В качестве дополнительной иллюстрации возможностей ВЭО при
сложном (горном) рельефе на рис. 2.5 приведены картины покрытия уча¬
стков местности, на которых обеспечиваются фактические рабочие углы
связи, т. е. углы над рельефом, для одного из южных районов РФ — Рес¬
публики Алтай. Отметим, что здесь для КА на ГСО получаются лучшие
для территории России расчетные углы места: 30—32 град. Чертежи по¬
лучены методом анализа с использованием электронных карт (баз дан¬
ных), описанным в главе 6.
На рис. 2.5, а (цветная вкладка) красным цветом показан 94% площа¬
ди Республики Алтай, на которой углы связи над рельефом, как разница
между углами места и углами закрытия рельефом, при работе через КА
на ВЭО (находящийся в самой нижней точке РУ) превышают 50° (при
расчетных у.м. от 82° до 87°). Белые малозаметные «вкрапления» соот¬
ветствуют меньшей разнице углов, причем полное закрытие КА (отри¬
цательная разница) имеет место на 0,08% площади региона.
221
На рис. 2.5, б тем же цветом обозначены участки на 12% площади
региона, на которых углы связи над рельефом при работе через КА на
ГСО (в наиболее благоприятной точке стояния 86,5°) превышают 30°,
т. е. расчетные углы обеспечиваются только на 12% площади. В осталь¬
ных местах региона углы видимости над рельефом распределяются сле¬
дующим образом: менее 20° — на 35% площади, менее 10° — на 14,5%,
менее 0° (полное отсутствие видимости) — на 6% площади.
Основанный на данном программно-статистическом методе много¬
факторный анализ, требующий значительных затрат машинного време¬
ни и выполненный еще для нескольких регионов (глава 6), указывает на
необходимость дальнейших исследований с целью получения большего
объема данных и выявления общих тенденций.
Но сегодня может быть сделан общий вывод: как следует из срав¬
нения зон радиовидимости для КА на ГСО с аналогичными зависимо¬
стями для ВЭО типа «Молния», последние указывают на возможность
значительно более полного покрытия территории России, с большими
углами связи, как без учета, так и при учете рельефа местности. Полу¬
ченные результаты по уникальным возможностям ВЭО позволяют рас¬
считывать на более высокую надежность обслуживания тех территорий
России и прилегающих регионов, где не обеспечивается связь через ГСО,
включая не только полярные районы Мирового океана.
Приведенные данные подтверждают, что применительно к широтам,
в наибольшей степени соответствующим территории России, спутнико¬
вая связь с использованием КА на ВЭО с апогеем в северном полуша¬
рии является, по совокупности наиболее важных показателей, чрезвы¬
чайно эффективным и конкурентоспособным способом связи. Помимо
остальных достоинств ВЭО, это дает основание рекомендовать данный
тип орбит для создания российских и региональных (для государств
Северного полушария) систем спутниковой связи.
Рассмотренные преимущества ВЭО имеют большое значение — как
при обеспечении традиционной двусторонней связи (телефонии, обмена
данными и пр.), так и для телевизионного и звукового вещания, созда¬
ния пока еще слабо развитых сетей сбора информации разнообразного,
главным образом, технологического, аварийного, специального назначе¬
ния, названных в предыдущей главе системами или сетями инструмен¬
тального мониторинга (СИМ).
Уже много лет перед отечественными разработчиками стоит задача
создания многофункциональных (мультисервисных) систем спутнико¬
вой связи на базе использования ВЭО. Эта задача заключается в изы¬
скании технических решений и средств для построения космического и
222
земного сегментов, которые позволили бы наиболее эффективно удовле¬
творить возросший объем потребностей государства, частного сектора
и населения в разнообразных видах телекоммуникаций.
В то же время, многовариантность структур и параметров орбиталь¬
ного и наземного сегментов любой ССС требует на начальных стадиях
проектирования тщательного анализа и обоснования выбора принимае¬
мых решений. В сочетании с достаточно высокой начальной капитало¬
емкостью таких систем и длительным циклом их создания это означает,
что начальная, исследовательская фаза проекта должна минимизиро¬
вать все риски в максимально возможной степени.
Учитывая это, необходимо иметь в виду, что в общем случае под ВЭО
могут пониматься орбиты с различными высотами апогея и перигея (пе¬
риодами обращения), а также вариациями остальных параметров (таких
как наклонение, аргумент перигея и др.), в связи с чем при проектирова¬
нии существует неоднозначность выбора того или иного варианта орби¬
тального построения.
Далее, в последующих главах, излагаются соображения и прово¬
дятся аналитические исследования по наиболее специфическим свой¬
ствам эллиптических орбит, позволяющие обосновать принятие тех или
иных решений, относящихся к космическому сегменту новых ССС на
базе ВЭО.
Здесь же укажем некоторые, наиболее важные для страны области
применения ССС с ВЭО, с оценками возможного количества пользова¬
телей и их потребностей в земном оборудовании.
2.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СССЭО ДЛЯ НАСЕЛЕНИЯ
И ГОСУДАРСТВЕННЫХ СТРУКТУР
На труднодоступных и малонаселенных территориях (ТМТ) в
России расположено порядка 30 000 небольших населенных пунктов
(численностью около 500 чел.), свыше 1800 поселков городского типа,
около 40 000 сельских и муниципальных образований и 6000 желез¬
нодорожных станций с залами ожидания [1.6]. По разным оценкам,
в этих местах проживает не менее 15—20 млн чел., у большинства из
которых сегодня отсутствуют какие-либо возможности получения со¬
временных инфокоммуникационных услуг (телефон, Интернет, теле-
и радиовещание), т.к. имеющиеся там морально и физически устарев¬
шие средства связи для этого не пригодны. Концепция развития на¬
циональной спутниковой связи и вещания на период до 2015 г. [1.13]
предусматривает исправление этого положения путем наращивания
223
канальной емкости за счет существующей группировки геостационар¬
ных спутников.
В [1.6, 1.9] и др. источниках приведены статистические данные, со¬
гласно которым количество пользователей телефонных каналов спут¬
никовой связи ФСС, проживающих на ТМТ России, должно составить
в обозримом будущем не менее 5 млн чел. По числу пользователей непо¬
средственного телевещания в России в [1.16] указана цифра 2 млн чел., а
число частных пользователей широкополосного доступа к сети Интер¬
нет прогнозируется в [1.6] в 100—150 тыс.
Однако известно, что большое число клиентов в городах компания
НТВ+, являющаяся фактически монополистом в этой области телеком¬
муникаций на территории России, теряет из-за того, что антенны ее при¬
емных спутниковых ЗС должны быть направлены на юг, а балконы и
окна квартир клиентов выходят на север. Для выхода из этой ситуации
можно устанавливать антенну на крыше дома. Но часто решить про¬
блему затенения КА на ГСО в городе с разновысотными домами таким
путем не удается. Подобная картина существует и вне городов из-за за¬
тенения горами, сопками и пр.
Таким образом, при попытках внедрения цифрового СНТВ и услуг
широкополосного доступа только на базе использования телевизионных
стволов КА на ГСО будут иметь место потери потенциальных клиентов.
Как показали расчеты, в масштабах страны эти потери оцениваются в
несколько миллионов семей. В сравнении с существующей клиентурой
НТВ+ (около 1,5 млн) данная цифра становится весомой, в связи с чем
применение ВЭО для СНТВ следует считать весьма актуальным.
Решение задач обеспечения непосредственного телевизионного
и многопрограммного радиовещания на подвижные объекты на базе
ССС с КА на ГСО также является весьма проблематичным. Для это¬
го ретрансляционные комплексы КА могут быть использованы в очень
ограниченном числе случаев, в основном при движении на открытых
участках дорог (железных или автомобильных), в акваториях морей и
других водоемов, при удалении от берегов. При нахождении подвижных
объектов в приполярной и арктической зоне, на трассах Северного Мор¬
ского пути, в Северном Полярном бассейне, окружающих этот бассейн
морях ССС с КА на ГСО, в силу слишком малых углов связи, редко ока¬
зываются пригодными. Для массового применения здесь значительно
более эффективно использование ССС с ВЭО.
Таким образом, поскольку не только большинство районов ТНТ,
но многие другие районы РФ могут иметь сложный рельеф местности,
быть окружены лесом, горами, сопками, в значительной части случаев
224
75
а) Минимальная высота препятствия (м), скрывающая
КЛ па ГСО и точке 5.Т и.д. па прямой видимости.
О 10 20 30 40 50 60 70 80 90
6) Минимальная высота препятствия (м), скрывающая КА на ГСО в точке 80° в.д. из прямой видимости.
Рис. 2.3, а, б
40 ^
20 40 60 80 100 120 140 160
в) Минимальная высота препятствия (м), скрывающая КЛ на ГСО в точке 90° в.д. ив прямой видимости.
I I I I- I •-_:.. I I I I 1^ИО
60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280
г) Минимальная высота препятствия (м), скрывающая КА на ВЭО типа «Молния» из прямой видимости.
Рис. 2.3, г
Рис. 2.4
а)
6)
Рис. 2.5
ССС с КА на ГСО не применимы, а во многих других должны иметь аль¬
тернативу. В связи с тем, что множество регионов расположены еще и в
высоких широтах, без принятия действенных решений, коим является
применение ВЭО, жители и развивающиеся корпоративные структуры
в «глубинке» не будут включены в ближайшие годы в единое инфор¬
мационное пространство России, хотя именно такая задача поставлена
Правительством и Президентом РФ.
Подчеркнем, что предлагаемые ССС с КА на ВЭО не предназначе¬
ны для тотальной замены ССС с использованием ГСО, тем более иных
родов связи (ВОЛС, радиорелейной, транкинговой, УКВ, сотовой и пр.).
Их предполагается применять наряду с существующими телекоммуни¬
кациями для решения именно тех задач, которые традиционными сред¬
ствами связи решить технически невозможно или экономически неце¬
лесообразно.
Как показывают оценки пропускной способности и ожидаемого тра¬
фика, новые ССС с КА на ВЭО позволят обслуживать порядка 30% на¬
селения и региональных госструктур РФ в ТНТ, предоставляя, таким
образом, возможности альтернативного выбора и адаптации к реальным
условиям телекоммуникаций в регионах.
В целом, рассматривая потребности в услугах общего пользования,
особо следует подчеркнуть, что весьма значительную часть подписчи¬
ков на связные и вещательные услуги новой ССС должны составить ра¬
ботники строящихся корпоративных предприятий ряда отраслей, соз¬
даваемых в соответствии с проектами возрождения Севера и Востока
страны [1.1—1.3].
Спутниковая связь для Минприроды
Среди наиболее крупных потенциальных пользователей создавае¬
мой СССЭО находятся Министерство природных ресурсов и экологии
РФ (Минприроды) с подведомственными структурами (Росгидромет,
Ростехнадзор, Росприроднадзор, Росводресурсы, Роснедра), а также лес¬
ное хозяйство.
Россия является богатейшей страной мира по разведанным запа¬
сам полезных ископаемых и лесной древесины, которые распределены
по многочисленным российским регионам, в том числе находящимся
в удаленных и труднодоступных районах. В соответствии с [1.1—1.3], а
также информацией из СМИ, государство планирует в ближайшие годы
приступить к масштабной добыче и переработке ископаемых, а также к
глубокой переработке запасов древесины, с привлечением солидных за¬
рубежных партнеров и вложением больших инвестиций.
225
Таким образом, в самом ближайшем будущем можно ожидать на¬
чала освоения всех этих богатств со строительством в местах добычи
и переработки большого числа рабочих поселков и высокотехнологич¬
ных промышленных производств. Очевидно, что из экономических со¬
ображений эти рабочие поселки и производства будут максимальным
образом приближены к местам добычи полезных ископаемых, лесного
сырья и пр.
Расчеты показывают, что решение задач связи с этими поселками
и производствами на базе связных ресурсов ССС с КА на ГСО пример¬
но в 15—20% случаев будет невозможным из-за затенения КА рельефом
местности. Также будет неблагоприятным и прием сигналов широкове¬
щательных радиостанций. Проблема усугубляется тем, что все работы,
скорее всего, будут вестись вахтовым методом, с привлечением квалифи¬
цированной рабочей силы из центральных регионов России и развитых
стран мира. К пользователям с плохими условиями доступа к телеком¬
муникациям могут быть отнесены и участники полярных экспедиций,
экипажи морских гидрографических судов, нефтяники и газовики на
шельфах.
Для обеспечения производственной деятельности специалистов и
культурного отдыха им потребуется предоставлять с помощью СССЭО
полный набор коммуникационных услуг (междугородный и междуна¬
родный телефон, доступ в Интернет, цифровое теле- и радиовещание,
видео и аудио по запросу).
Прогнозное количество таких пользователей оценивается в десят¬
ки тысяч.
Учитывая ухудшающуюся экологическую ситуацию практически во
всех регионах России (загрязнение рек, почвы, воздуха, болезни лесов,
частые прорывы нефте- и газопроводов, построенных в 70—80-е годы
прошлого столетия, гигантские свалки бытовых и промышленных отхо¬
дов, наличие мест с большим количеством ядовитых и химически опас¬
ных веществ и т. п.), государство вынуждено в качестве важнейшей за¬
дачи обозначить решение и этой проблемы [1.1].
Для этого во всех неблагоприятных в указанном плане регионах
России (а таковых большинство) потребуется установить большое чис¬
ло многокомпонентных экологических датчиков. Поскольку все дат¬
чики и находящиеся рядом с ними спутниковые терминалы будут рас¬
полагаться в непосредственной близости от земной поверхности и при
этом, в большинстве своем, в местах со сложным рельефом местности,
примерно в 70% случаев ЗС мониторинга смогут «наблюдать» только
КА на ВЭО.
226
На сегментах экологического и других видов мониторинга, охваты¬
вающих государственные (национальные) службы, СССЭО в интересах
Минприроды будет предоставлять услуги организациям, осуществляю¬
щим мониторинг следующих объектов (явлений, процессов) с помощью
соответствующих датчиков:
• Системы в интересах Росгидромета:
— предупреждения о возникновении или об угрозе стихийных бед¬
ствий природного характера, таких как ураганы, смерчи, тайфу¬
ны, наводнения, цунами и т. п.;
— экологического мониторинга состояния окружающей природной
среды, включая атмосферный воздух и загрязнение вод и поч¬
вы;
— наблюдения за мировым океаном (температура, течения, волне¬
ние и т. п.);
— наблюдения за полярными льдами, в том числе на трассе Севмор-
пути и Арктическом континентальном шельфе России;
— дистанционного контроля доступа и охраны различных объектов,
расположенных в удаленных и труднодоступных районах (напри¬
мер, отдельно стоящих необслуживаемых метеостанций).
• Системы в интересах Федеральной службы по экологическому,
технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор):
— предупреждения о возникновении или об угрозе стихийных
бедствий техногенного характера (в составе Единой государст¬
венной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных
ситуаций) с помощью датчиков, установленных на потенциаль¬
но опасных объектах, таких как: особо важные пожароопасные
объекты (например, нефте- и газохранилища), объекты атомной
индустрии, взрывоопасные объекты, объекты химического про¬
изводства и т. п.;
— дистанционного контроля перевозки опасных грузов (ядовитых,
взрывоопасных, радиоактивных и т. п. веществ);
— дистанционного контроля хранения опасных отходов (ядовитых,
биологических, радиоактивных и т. п. веществ);
— дистанционного контроля безопасности технического состояния
пожаро- и взрывоопасных объектов нефтегазовой индустрии:
нефте- и газопроводов, а также других сооружений для транс¬
портировки и переработки нефти и газа, объектов нефте- и газо¬
добычи, в т. ч. нефтяных и газовых платформ в морях и океанах
на континентальном шельфе, расположенных и в районе Север¬
ного Полярного бассейна;
227
• Системы в интересах Федеральной службы по надзору в сфере
природопользования (Росприроднадзор):
— дистанционного наблюдения и контроля за поведением редких и
исчезающих животных;
— контроля состояния озера Байкал.
• Системы в интересах Федерального агентства водных ресурсов
( Росводресу рсы):
— государственного мониторинга водных объектов с помощью с
«Автоматизированной системы сбора, обработки, анализа, хра¬
нения и выдачи информации о состоянии водных объектов, вод¬
ных ресурсах, режиме, качестве и использовании вод в РФ», кон¬
троля стока рек и водохранилищ, предупреждения паводков.
• Системы в интересах Федерального агентства по недропользова¬
нию (Роснедра):
— геологоразведки с использованием сейсмических и электромаг¬
нитных методов при помощи территориально разнесенных спе¬
циальных датчиков.
На указанных выше объектах мониторинга в непосредственной бли¬
зости от датчиков будут установлены абонентские земные станции спут-
Таблица 2.1
№
Ведомства
Прогнозируемая потребность в абонентских ЗС, тыс. шт.
Стационарные ЗС
монитор.
Мобильные ЗС
монитор.
Стационарные ЗС
для ТВ и РВ
1
Росгидромет
50,0
20,0
10,0
2
Росприроднадзор
30,0
3,0
3,0
3
Ростехнадзор
10,0
4
Росводресурсы
5,0
5
Роснедра
1.0
0,5
ИТОГО
96,0
23,0
13,5
Таблица 2.2
№
Корпорации (ведомства)
Прогнозируемая потребность
в центральных ЗС, шт.
1
Росгидромет
10
2
Росприроднадзор
7
3
Ростехнадзор
7
4
Росводресурсы
3
5
Роснедра
3
ИТОГО
30
228
пиковой связи (АЗС), с помощью которых будут организованы каналы
передачи информации.
Далее приведены предварительные экспертные оценки перспектив¬
ной потребности указанных выше категорий пользователей в абонент¬
ских и центральных ЗС для нужд мониторинга и теле- радиовещания.
Связь и мониторинг в метеорологии
Исключительное разнообразие погодно-климатических условий на
территории России и, вследствие этого, существенная зависимость прак¬
тически всех отраслей от климатических условий позволяют считать
деятельность Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторин¬
гу окружающей среды (Росгидромета) важным экономическим и соци¬
альным фактором. Потребителями продукции Росгидромета являются
как отечественные ведомства, так и международное метеорологическое
сообщество в лице Всемирной метеорологической организации (ВМО).
Росгидромет принимает активное участие в обеспечении функциониро¬
вания всех систем ВМО: Глобальной системы наблюдений, Глобальной
системы телесвязи и управления базами данных, Глобальной системы
обработки данных.
В настоящее время Росгидромет является единой вертикально ин¬
тегрированной структурой, организованной на базе нескольких нацио¬
нальных сетей наблюдения, которые созданы и эксплуатируются на еди¬
ных принципах. Данные наблюдательных сетей собираются в центрах
Росгидромета в 89 субъектах РФ. Эти центры подчиняются 23 управ¬
лениям по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, ко¬
торые предоставляют полный спектр такого рода услуг региональным
потребителям.
Все потоки данных аккумулируются и архивируются во Всероссий¬
ском НИИ гидрометеорологической информации — Мировом центре
данных (ВНИИГМИ-МЦД) в г. Обнинске. Непосредственно сбор дан¬
ных гидро-, метео-, аэро- и других наблюдений в настоящее время осу¬
ществляется с более чем 1600 метеорологических, 120 аэрологических и
4500 станций и постов [2.4]. По состоянию на 2002 г. это соответствова¬
ло 10% от аэрологических станций и 8% наземных станций, входящих в
систему ВМО. Станции и посты расположены по всей территории РФ, в
том числе в удаленных и труднодоступных районах.
В обжитых районах сбор данных, в основном, осуществляется по се¬
тям общего пользования: телефонной, телеграфной, передачи данных,
через Интернет. В удаленных и арктических районах России, где распо¬
ложены около 500 станций (10% от общего числа), сбор метеоданных для
229
обеспечения прогнозов погоды и экологического мониторинга осуще¬
ствлялся через собственные средства радиосвязи, и только в последнее
время началось использование спутниковых технологий.
В некоторых региональных управлениях, например, на Чукотке и в
Якутии, более трети наблюдательных станций относятся к категории
труднодоступных. На них круглый год проживает около 1500 наблю¬
дателей, которых Росгидромет обязан обеспечивать всем необходимым
для проведения наблюдений. Для сравнения следует отметить, что Ме¬
теослужбой Канады по такому принципу обеспечивается работа только
одной наблюдательной станции. На части удаленных станций исполь¬
зуется автоматическое оборудование, которое проходит периодическое
обслуживание и калибровку. Однако в целом, из-за отсутствия необхо¬
димых каналов связи, Росгидромет передаёт в международные центры
в несколько раз меньше информации, чем получает из этих центров, в то
время как существующие обязательства предусматривают паритетное
участие всех стран.
Для обеспечения глобальных прогнозов метеоданные передаются от
метеостанций в Международный Метеорологический Центр (ММЦ) в
Москве, а сформированные здесь прогнозы, в свою очередь, — во все ре¬
гиональные центры, в качестве основы для составления региональных
прогнозов.
Объем данных, передаваемых между различными центрами Рос¬
гидромета и Москвой, в 2006 г. составлял порядка 310 тыс. входящих
сообщений в день (около 560 Мбайт) и более 670 тыс. (740 Мбайт) ис¬
ходящих сообщений [2.5]. Примерно такой же объем ежедневно цир¬
кулирует по Глобальной сети телесвязи ВМО (между ММЦ и зару¬
бежными организациями), при этом каждый год объем информации
увеличивается стремительными темпами. Например, только в инте¬
ресах ЕСИМО суточные объемы передаваемых данных измерений со¬
ставляют от 5 кбайт (с метеопостов) до 10 Мбайт (буи, синоптические
станции, аэропорты).
Виды и объемы собираемой и передаваемой информации существен¬
но отличаются. По этому признаку и по количеству пунктов наблюдений
гидрометеорологическую информацию можно разделить на основную и
специализированную. К основной относятся: метеорологическая, гидро¬
логическая, агрометеорологическая, аэрологическая, морская прибреж¬
ная, актинометрическая, океанографическая, судовая гидрометеороло¬
гическая информация, информация о загрязнении поверхностных вод
суши, о загрязнении атмосферы и почвы. Остальные виды относятся к
специализированной информации.
230
Точность и актуальность предоставляемой Росгидрометом инфор¬
мации её потребителям напрямую зависят от уровня технической осна¬
щенности всех подразделений этой службы и организации эффектив¬
ного взаимодействия между ними. Оснащение сети наиболее массовых
наблюдений основной информации обеспечивается устаревшими изме¬
рительными приборами, не имеющими устройств автоматического за¬
несения результатов измерений на технические носители для передачи
по каналам связи. Ручная запись больших объемов данных измерений и
наблюдений в книжки с последующим ручным вводом их в каналы теле-
11 радиосвязи, пересылка книжек и таблиц почтой в Центры обработки
и т. д. резко замедляют процесс сбора данных и являются источником
значительного количества ошибок.
Таким образом, действующая система сбора и передачи метеороло¬
гической информации не позволяет автоматизировать этот процесс в
заданные сроки с заданным качеством и обеспечить выполнение совре¬
менных требований, предъявляемых отечественными и зарубежными
потребителями. В соответствии с действующими нормативами сбор дан¬
ных должен завершаться к 15-й минуте после срока наблюдения, однако
реально он продолжается до 30 минут и более. К тому же, за последние
15 лет отечественная система сбора данных о состоянии окружающей
среды в Арктике с помощью почтовых наземных и авиационных средств
практически прекратила свое существование.
После 2005 г. начата реализация проекта «Модернизация и техни¬
ческое перевооружение учреждений и организаций Росгидромета», яв¬
ляющегося частью подпрограммы «Гидрометеорологическое обеспечение
безопасности жизнедеятельности и рационального природопользования»
в рамках утвержденной Правительством РФ федеральной целевой про¬
граммы «Экология и природные ресурсы России (2002—2010 годы) [2.6].
Программой предусмотрена радикальная реорганизация техниче¬
ских средств измерения, передачи и обработки гидрометеорологиче¬
ской информации как с труднодоступных станций, так и со станций,
расположенных в обжитых регионах. Мероприятия программы позво¬
лят внедрить в оперативную практику более совершенные прогности¬
ческие модели и технологии, новые методы прогнозов, в том числе опас¬
ных гидрометеорологических явлений, долгосрочных (на сезон, месяц),
специализированных прогнозов для различных отраслей экономики,
увеличить полезную заблаговременность среднесрочных прогнозов.
Входящие мощности ММЦ предлагается расширить до 30—35 Гбайт, а
исходящие — до 150—200 Гбайт [2.4]. Использование более качествен¬
ной прогностической продукции, в свою очередь, позволит повысить
231
уровень гидрометеорологической безопасности населения России, эф¬
фективность работы погодозависимых отраслей экономики страны.
Актуальность мониторинга природных процессов возрастает и в свя¬
зи с широкомасштабным освоением нефтегазовых месторождений шель¬
фов. Маловероятно, что в ближайшей перспективе возможно открытие
на Сахалине и Курильских островах большого числа обслуживаемых
людьми станций. Единственным выходом в этом случае является созда¬
ние разного рода автоматических и автономных станций, передающих
информацию по каналам спутниковой связи.
С позиций решения задач Росгидромета спутниковая связь име¬
ет бесспорные преимущества перед остальными системами связи. По¬
скольку с помощью 4-х КА на ВЭО обеспечивается полное покрытие не
только России, но и Арктики, граничащих государств, использование
ССС позволит обеспечить информационный обмен с более чем 15% стан¬
ций и постов, расположенных в наиболее труднодоступных районах, а
также со 100% необслуживаемых морских платформ, буев и других ав¬
тономных средств сбора информации.
Пропускная способность спутниковых каналов связи, достигающая
десятков Мбит/с, достаточна как для передачи гидрометеоинформации,
так и для обеспечения всего спектра услуг (фиксированной и мобиль¬
ной связи, широкополосного доступа в Интернет, видеоконференцсвя¬
зи и др.). Это важно для создания комфортных условий проживания и,
что самое главное, обеспечит безопасную жизнедеятельность персонала
станций в труднодоступных районах. Высокая пропускная способность
ССС позволяет использовать спутниковые каналы связи и для резерви¬
рования проводного сегмента сети сбора и передачи информации Рос¬
гидромета.
Отметим, что ССС с использованием ГСО в большинстве случаев не
обеспечивают связью объекты Росгидромета, расположенные выше 70
градусов с. ш., как, впрочем, и некоторые НГСО системы (Глобалстар,
Гонец), которые к тому же пригодны для сбора и передачи данных толь¬
ко с части малоинформативных объектов.
2.4. СЦЕНАРИИ ПРИМЕНЕНИЯ СССЭО
ДЛЯ КОРПОРАТИВНЫХ НУЖД
Связь в интересах железнодорожного транспорта
Пассажирский и грузовой транспорт всех видов и, прежде всего, же¬
лезнодорожный, по количеству задач и числу оконечных пользовате¬
лей, важности передаваемой информации, уровню освоения мобильной
232
спутниковой связи (при практическом отсутствии российских каналов
ПСС через КА на ГСО, как существующие, так и планируемые) объек¬
тивно должен быть отнесен к наиболее приоритетной сфере обслужи¬
вания новыми ССС, использующими ВЭО.
В настоящее время в ОАО РЖД создана на новой технической и тех¬
нологической базе цифровая телекоммуникационная сеть связи Феде¬
рального железнодорожного транспорта (ФЖТ). Она имеет протяжен¬
ность свыше 52 тыс. км (при общей протяженности дорог ФЖТ около
87 тыс. км) и проходит по территории, охватывающей 70 субъектов Рос¬
сийской Федерации, где проживает 90% населения страны. Эта сеть объ¬
единила все железные дороги страны, вышла на основные порты и тамо¬
женные терминалы России, соединена с ведущими операторами связи
нашей страны и сетями сопредельных государств.
Система связи на железной дороге является неотъемлемой частью
технологического процесса управления перевозками. Она должна обес¬
печить фиксированные и мобильные услуги, передачу разнородных дан¬
ных, информационное взаимодействие различных служб ФЖТ [1.2,2.7].
В структуре системы связи можно выделить два крупных сегмента: ма¬
гистральный (услуги связи уровня управлений железных дорог) и тех¬
нологический (связь в пределах одного регионального управления же¬
лезной дороги и её линейных предприятий).
Основной составляющей телекоммуникационной системы ФЖТ яв¬
ляется сеть Транстелеком на базе ВОЛС, но она охватывает только часть
(70) из 89 субъектов РФ, не обеспечивает связь с подвижными объекта¬
ми, т. е. с поездами в движении, не решает множества задач мониторинга
(включая оперативное определение местоположения грузов).
Зоны действия традиционных (КВ, УКВ, РРЛ) и новых (сотовые,
транкинговые, беспроводный доступ) радиосредств сосредоточены,
как правило, вблизи крупных станций. Размеры же территорий вдоль
железных дорог, на которых отсутствуют связь и возможность управ¬
ления движением, составляют от десятков до нескольких сотен кило¬
метров.
Сетями связи, которые не имеют указанных недостатков, являются
сети, построенные на базе ССС. Однако в настоящее время спутниковая
связь на российских железных дорогах используется в весьма ограни¬
ченном режиме и значительно меньших масштабах, чем за рубежом:
1. Для организации каналов ФСС (первичной сети связи РЖД) на
магистральном уровне (системы Трасса и Транстелесат), там, где отсут¬
ствует надежная цифровая связь через ВОЛС, либо в качестве резервной
сети Транстелеком или отдельных её сегментов.
233
Таблица 2.3
№
Объекты установки
Прогнозируемая потребность в абонент¬
ских станциях, тыс. шт.
Стационарные
Мобильные
1
Локомотивы
20
2
Вагоны (грузовые и пассажирские)
800
3
Железнодорожные контейнеры
100
4
Железнодорожные станции
7
5
Путевые объекты
20
6
Охраняемые стационарные объекты
10
7
Объекты скрытого наблюдения
10
8
Объекты ремонтных бригад
10
ИТОГО
47
930
2. Для предоставления ограниченных услуг телефонной связи и дос¬
тупа в Интернет примерно в 10 фирменных пассажирских поездах Мос¬
ковской, Октябрьской, Северной, Свердловской железных дорог (в сис¬
теме Глобалстар).
3. При решении отдельных технологических задач на 6 станциях Се¬
верной железной дороги, в кабинах порядка 10 локомотивов, нескольких
ремонтно-восстановительных поездов и снегоочистителей на Севере Ев¬
ропейской части РФ и на Сахалине (в системе Глобалстар).
Ясно, что объем указанных услуг ничтожен, если иметь в виду общие
потребности ОАО РЖД, приведенные, например, в табл. 2.3 [2.7 и др.].
Потенциальными пользователями услуг непосредственного цифро¬
вого ТВ и РВ в СССЭО в интересах ОАО РЖД и подведомственных ему
структур будут являться:
— пассажиры поездов дальнего следования при их нахождении в
вагонах на стоянках и в движении;
— пассажиры на станциях и в залах ожидания;
— персонал железнодорожных предприятий (ж/д станции, дистан¬
ции пути и т. п.) при их расположении в отдаленных и труднодос¬
тупных районах РФ, а также в сельской местности, с неблагопри¬
ятными условиями приема сигналов СНТВ с геостационарных
СР или сигналов широковещательных радиостанций.
Прогнозное количество таких пользователей (приемных ЗС) оце¬
нивается в пределах до 100 тыс. СССЭО может использоваться также в
качестве резервной для сетей ВОЛС Транстелекома.
Наиболее важной задачей, которая ставится ОАО РЖД, является
обеспечение подвижного состава, вспомогательных служб каналами
234
технологической связи и мониторинга, необходимыми для информа¬
ционного взаимодействия участников производственных процессов на
железнодорожном транспорте с учетом специфики условий их основной
деятельности и природно-географического положения.
Иногда предполагается, что в перспективе на локальных участках
железных дорог будут применяться беспроводные наземные средства
мобильной связи стандартов С5М-К и ТЕТКА. Однако при полном ре¬
шении задачи ССС не имеют реальной альтернативы, т.к. повсемест¬
ное, на всей протяженности железнодорожных магистралей РФ раз¬
вертывание технологических сетей на базе этих стандартов связано с
громадными капиталовложениями в строительство требуемой инфра¬
структуры.
Экономические оценки, основанные на фактических затратах при
строительстве таких сетей в странах Западной Европы, а также учиты¬
вающие текущие и ожидаемые рыночные цепы на необходимое базовое
и абонентское оборудование, показывают, что стоимость полномасштаб¬
ного внедрения СЗМ-К на всех железных дорогах РФ составит около
6 млрд 1150, а стоимость внедрения ТЕТКА — 3,6 млрд 1150.
В связи с этим рассматриваются пути совместного, комплексного ис¬
пользования наземной беспроводной и спутниковой связи для дистан¬
ционного инструментального мониторинга и передачи данных на объек¬
тах железнодорожного транспорта. С позиций экономической целесооб¬
разности наземная радиосвязь более эффективна для применения в мес¬
тах значительной концентрации потенциальных абонентов (объектов
связи), т. е. вблизи крупных железнодорожных станций, в частности, для
станционной диспетчерской связи, маневровой связи, железнодорожной
автоматики, дистанционного мониторинга объектов, обеспечения безо¬
пасности, связи пассажиров и пр.
Спутниковую связь (мобильную и стационарную) технически и эко¬
номически целесообразно применять в местах малой и средней концен¬
трации потенциальных абонентов, т. е. на железнодорожных перегонах,
особенно на железных дорогах Севера, Сибири и Дальнего Востока, в
частности:
— для поездной диспетчерской связи;
— ремонтно-оперативной связи;
— железнодорожной автоматики на длинных перегонах;
— логистики;
— дистанционного мониторинга объектов и обеспечения безопас¬
ности на длинных перегонах;
— пассажирской связи на длинных перегонах.
235
С этими целями в СССЭО должны предоставляться услуги по ор¬
ганизации:
— технологических каналов передачи данных (мониторинга) ме¬
жду диспетчерскими пунктами и контролируемыми объектами
ОАО РЖД на территории России и, при необходимости, стран
СНГ и сопредельных государств;
— технологической документальной и телефонной связи с мобиль¬
ными объектами ОАО РЖД на территории России, стран СНГ и
сопредельных государств;
— быстро развертываемой технологической документальной
и телефонной связи в чрезвычайных ситуациях на объектах
ОАО РЖД.
В связи с тем, что существующими российскими ССС указанные
услуги не предоставляются, а также учитывая необходимость обеспе¬
чения высокой надежности и качества связи в условиях влияния пре¬
пятствий вдоль полотна дороги (по сравнению с ССС, использующими
другие орбиты), данные задачи предлагается решать, главным образом,
с помощью ССС с ВЭО 12.8), создание и внедрение услуг которой в тех¬
нологический процесс ОАО РЖД позволит повысить эффективность
основной деятельности, в том числе:
— повысить безопасность перевозочного процесса;
— улучшить качество услуг — скорость доставки и сохранность
грузов;
— уменьшить производственные издержки за счет улучшения ка¬
чества и скорости принятия управленческих решений;
— привлечь новых клиентов;
— способствовать глубокой интеграции в Евроазиатскую транс¬
портную систему и инфраструктурному сопряжению с сетью
зарубежных железных дорог.
Системой инструментального мониторинга с помощью соответст¬
вующих датчиков смогут быть охвачены следующие группы объектов
(явлений, процессов):
• Службы управления движением, нуждающиеся в связи с поезда¬
ми в движении, в том числе:
поездная диспетчерская связь, включающая:
— оперативный обмен данными между пунктами управле¬
ния (диспетчерами) и машинистами, между машинистами
(в том числе соединенных поездов), между группами манев¬
ровых работ и технического обслуживания в чрезвычайных
ситуациях;
236
— поездную связь в пределах одного состава, в том числе обмен
данными между локомотивом и вагонами, оборудованными спе¬
циальными датчиками;
— системы железнодорожной автоматики и управления движени¬
ем, в частности, система принудительной остановки поезда дис¬
петчером, обеспечивающие:
— сбор в режиме реального времени (при движении поездов) те¬
леметрической информации о состоянии основных инженерных
подсистем (например, об износе тормозов, нагреве колесных букс
и температуре в рефрижераторных и топливных вагонах, о со¬
стоянии сцепления вагонов, уровне топлива в баках и т. д.) от лю¬
бого локомотива (вагона), любой станции пли перегона дороги;
— контрольные и сигнальные функции (например, автоматическое
управление движением поездов (АТС/ЕТСЗ) и дистанционное
управление);
— получение в центре управления информации о местоположении
и скорости поезда (с использованием датчиков ОРЗ/ ГЛОНАСС
на поездах) и выдачи разрешений на движение.
• Служба пути для обеспечения постоянного дистанционного мо¬
ниторинга (при помощи датчиков) технического состояния наи¬
более важных объектов путевого хозяйства, нуждающихся в кон¬
троле технического состояния и находящихся вдали от ж/д стан¬
ций, в том числе:
— мостов, туннелей, ж/д переездов, стрелочных переходов;
— потенциально опасных участков железнодорожного пути (вбли¬
зи мест возможных селей, обвалов горных пород, наводнений и
т. п.) с целью предупреждения о возникновении или об угрозе
стихийных бедствий природного характера;
— объектов ж/ д автоматики.
• Ремонтно-восстановительные службы, нуждающихся в связи ме¬
жду пунктами управления и аварийными бригадами на местах
аварий или других чрезвычайных происшествий (особенно на¬
ходящихся в труднодоступных и удаленных регионах), для ор¬
ганизации оперативного управления проведением ремонтных
и восстановительных работ (передача информации, в том числе
видео, в центр ликвидации ЧП, а также получение необходимых
указаний):
— ремонтно-восстановительными бригады (поезда);
— пожарные поезда;
— путевые снегоочистители;
237
Коммерческие службы для решения попросив логистики, в том
числе:
идентификация и дистанционное отслеж ивание движения и ме¬
стонахождения товарных вагонов. контейнеров, особо ценных
грузов и др. (с пеиолввиванием датчп ков (>Р$/ГЛОНАСС);
получение информации о состоянии грузов в процессе перевозки
(например, температуры в рефрижераторных вагонах, наличие
утечки жидких грузов из ж/д цистерн и т. и.):
— получение информации о реальной загрузке вагонов поездов даль¬
него следования пассажирами непосредственно из самих ваго¬
нов, отслеживание фактического наличия свободных мест (по
купе);
— обеспечение работы системы продажи билетов «Экспресс-3»
даже па полустанках, а для транзитных пассажиров непосред¬
ственно из поезда, даже в движении, в РМВ.
Службы безопасности и ВОХР различного уровня для решения
вопросов охраны различных объектов железнодорожного транс¬
порта, а также обеспечения безопасности пассажирских и грузо¬
вых перевозок на длинных перегонах (вдали от ж/д станций) с
учетом возросшей террористической угрозы, в том числе:
— круглосуточный дистанционный контроль и скрытое наблюдение
(в т.ч. видео) поставленных на охрану особо важных объектов же¬
лезнодорожной инфраструктуры на перегонах (мосты, туннели,
трансформаторные подстанции, хранилища топлива для локомо¬
тивов, стрелочные переходы, отдельные участки пути и т. п.);
— системы скрытого и оперативного наблюдения за возможными
террористами;
— дистанционное наблюдение за удаленными охраняемыми объек¬
тами ОАО РЖД коммерческого назначения (склады, перевалоч¬
ные базы и т. п.) и находящимся в них имуществом;
— непрерывная связь между движущимися поездами и наземными
службами безопасности, милицией, скорой помощью и т. д. («тре¬
вожная кнопка»);
— непрерывный контроль местоположения (с использованием дат¬
чиков СР5/ГЛОНАСС) и сохранности перевозимых в поездах
особо важных или опасных грузов (умышленная порча, хище¬
ние), передача команд поездной охране;
— возможность, при необходимости, получения видеоматериалов
(в т.ч. результаты скрытого и оперативного наблюдения) с любой
станции, перегона, поезда в режиме реального времени;
— управление противопожарными системами и громкоговорителя¬
ми, установленными в поездах и на железнодорожных вокзалах;
— скрытая дистанционная передача команд управления на кон¬
тролируемые объекты.
На указанных объектах мониторинга в непосредственной близости
от датчиков должны быть установлены абонентские земные станции
(АЗС) нескольких типов, с помощью которых организуются каналы пе¬
редачи информации.
К системе передачи данных между базовыми ж.д. станциями и поез¬
дами, между поездами и носимыми оповещателями (бригадами) на пе¬
регоне должны предъявляться требования но составу и протяженности
подсетей, объемам и периодичности передаваемой информации. В каче¬
стве одного из вариантов, требующих уточнения в дальнейшем, можно
привести следующие показатели:
а) для перегонов:
— количество поездов, участвующих в обмене данными в зоне 20 км
на одном направлении железной дороги до 12;
— число контролируемых препятствий (например, переездов) на
таком же участке — до 8;
— число бригад на таком же участке -- до 5;
— период передачи сообщений от каждого поезда (при 12 поездах в
зоне протяженностью 20 км) не более 1с;
— период передачи сообщений от контролируемых препятствий и
бригад на пути не более 5с;
— ориентировочный средний объем передаваемых данных —
40 байт;
— максимальный объем передаваемых данных (с периодом 50 с) —
2000 байт.
— вероятность ошибки при передаче данных не более 10-3.
б) для ж. д. станций:
— количество локомотивов, участвующих в обмене данными с ба¬
зовой станцией на железнодорожной станции — до 20;
— число бригад на станции — до 3;
— период передачи сообщений от локомотива и на локомотив — не
более 1с;
— период передачи сообщений от бригад на пути — не более 5 с;
— ориентировочный средний объем передаваемых данных —
80 байт;
— максимальный объем передаваемых данных (с периодом 10 с) —
2000 байт.
239
вероятность ошибки при передаче данных не более 10 1.
В результате решения перечисленных за дач е определенными требо¬
ваниями СССЭО сможет обслуживать действующую и перспективную
сне гему управления ОАО РЖД, включающую следующие иерархиче¬
ские уровни:
центральные органы управления ОАО РЖД:
— органы управления 17 железных дорог, входящих в ОАО (на пра¬
вах филиалов), и 4 важнейших морских порта, гссно связанных
с ОАО РЖД;
— органы управления 96 отделений (дистанций) указанных выше
железных дорог;
— объекты управления и контроля (около 1 млн).
Таким образом, структура системы технологической связи ОАО
РЖД с использованием ресурсов СССЭО должна представлять собой
совокупность большого числа региональных подсетей отдельных же¬
лезных дорог и их отделений. Эти сети будут обеспечивать информа¬
ционный обмен (данные и реже телефония) по радиально-узловому
принципу — в пределах обслуживаемого региона и, в зависимости от
контролируемых объектов, между региональными (дорожными, отде¬
ленческими) службами и стационарными, подвижными объектами на
станциях и перегонах.
В каждой из региональных подсетей организуются функциональные
сети спутниковой связи:
— сбора данных с малоинформативных, необслуживаемых, стацио¬
нарных или подвижных ЗС-терминалов (1-го типа), оборудован¬
ных соответствующими датчиками и обеспечивающих передачу
данных со скоростью до 128 кбит/с, а также цифровую телефон¬
ную связь (при необходимости) по технологии Уо1Р со скоростью
2,4 кбит/с;
— обмена с высокоинформативными, необслуживаемыми, стацио¬
нарными или мобильными абонентскими ЗС-терминалами (2-го
типа), или с ремонтными бригадами, обеспечивающими передачу
данных со скоростью до 1 Мбит/с, цифровую телефонную связь
по технологии Уо1Р со скоростью 2,4 кбит/с, передачу графиче¬
ской, фото или видеоинформации (при необходимости) по тех¬
нологии Уо1Р со скоростью до 1024 кбит/с.
Как показывают предварительные оценки, даже при максимальном
количестве локомотивов, как объектов передачи технологических дан¬
ных и мониторинга, близком к 20 000 (табл. 2.3), длительности единич¬
ных пакетов передаваемых данных (по 40—80 байт) порядка десятков
240
миллисекунд, периодичности выхода на связь каждого объекта не более
5с и скорости передачи 128 кбит/с на направлении АЗС-РЗС пропуск¬
ная способность ССС по числу каналов будет соответствовать требова¬
ниям подсистемы ОАО РЖД.
Интеграция спутниковых сетей связи в структуру ФЖТ имеет оп¬
ределенные сложности, однако они не являются принципиальными, а
связаны с адаптацией связных технологий в технические системы же¬
лезнодорожного транспорта. Например, с тем, что вагоны и контейне¬
ры, в отличие от автомобилей, морских, речных и воздушных судов, не
располагают источниками энергопитания, поэтому для используемых
технологических датчиков может потребоваться автономное питание.
Вторая причина обусловлена вандализмом и отсутствием эффективных
средств защиты связного, как и навигационного, оборудования при об¬
служивании вагонов.
Но наиболее серьезной и принципиальной проблемой является осо¬
бая подверженность линий связи затенениям и влиянию местных пред¬
метов, лесопосадок при движении поездов, в особенности, при малых
углах места. Как показывают расчеты и практическая эксплуатация,
при работе через КА на ГСО и установке ЗС на локомотиве или крыше
вагона возможность обеспечения непрерывной связи при движении по
железным дорогам России составляет всего около 15% [2.8]. В таких ус¬
ловиях КА на ГСО не могут быть использованы для построения совре¬
менных систем связи, мониторинга и управления движением поездов.
Использование ВЭО значительно более эффективно, при применении
дополнительных мер по разнесению и повышению помехоустойчивости
передачи сигналов.
Подобная же картина имеет место и при движении речных судов.
Примерно в (40-50%) случаев связь будет отсутствовать из-за затенения
КА на ГСО высокими берегами, зачастую поросшими высоким лесом,
резкими изгибами берегов, что особенно характерно для рек на Севе¬
ро-Западе Европейской части России, в Западной и Восточной Сибири.
Здесь также требуется применение ВЭО и новых, более эффективных
решений по борьбе с затенениями и замираниями сигнала.
Спутниковые телекоммуникации в туристическом бизнесе
В соответствии с материалами Всемирной туристической организа¬
ции (ВТО), на территории России находится самое большое в мире ко¬
личество привлекательных мест показа туристического продукта (свы¬
ше 30 тыс.), освоение которых позволило бы обеспечить большой при¬
ток иностранных туристов, а вместе с ними и валюты. Как показывают
241
экспертные оценки [2.9], общая емкость туристических ресурсов России
составляет 630 млн человеко-дней в год, или 100 млн иностранных тури¬
стов, при среднем времени пребывания 6 дней. Это равнозначно пример¬
но 68 млн посещений туристов, которые могли бы в случае полного задей¬
ствования ресурсов «оставить» в РФ примерно 100 млрд долл, в год.
Наше государство имеет все основания поставить перед Правитель¬
ством РФ задачу реализации имеющихся туристических ресурсов ре¬
гионов России к 2020 г. Она вполне разрешима, если только решение
производить не методом «проб и ошибок», а с учетом опыта работы по
развитию туризма в Москве и Санкт-Петербурге, а также в тех странах,
которым за последние десять лет удалось доби ться наибольшего при¬
роста числа туристических поездок.
Как показывает опыт развития международного туризма в россий¬
ских столицах и в таких «продвину тых» странах, как США, Франция,
Испания, Китай, Великобритания, Польша, Болгария, Греция, Израиль,
Кипр, добиться успеха в создании необходимой туристической инфра¬
структуры можно лишь только путем масш табного привлечения в эту
сферу бизнеса частного капитала. Создание условий для масштабного
привлечения частного капитала в сферу туристического бизнеса являет¬
ся главной задачей государства на этом направлении экономики (именно
в этом, в основном, и заключается государственная поддержка развития
международного туризма).
В последние годы наиболее быстрыми темпами стали развиваться
отрасли экологического, охотничьего, рыболовного, экстремального и
арктического туризма. Так, например, штат Аляска в США имеет еже¬
годные доходы от арктического туризма более 2 млрд долл, в год [1.1,
2.101. Рост благосостояния граждан в арабских странах и Юго-Восточ¬
ной Азии стимулирует туризм, сохраняется традиционный интерес к
привлечению туристов и в Европе.
Для России, преимущественно северной страны, развитие этих ви¬
дов туризма представляет наибольший интерес. Здесь сосредоточен по¬
тенциал роста российского туризма на многие десятилетия. Более того,
это может быть с огромной общественной эффективностью использо¬
вано для инфраструктурной модернизации северных и восточных ре¬
гионов, бытового обустройства местного населения, создания новых ра¬
бочих мест. Это не только прекратит отток населения из стратегически
важных регионов страны, но и создаст реальные условия для обратного
процесса.
Реализация проекта по обустройству туристических маршрутов
должна включать в себя и решение всех задач по телекоммуникацион-
242
ному обеспечению и туристов и персонала компаний, предоставляю¬
щих услуги. Применительно к условиям России значительную долю
составят новые направления туризма, с маршрутами, организованны¬
ми преимущественно в северных и восточных регионах, где традици¬
онные сети связи или не развиты или имеют весьма ограниченные воз¬
можности. Большинство интереснейших мест показа туристического
продукта находится в удаленных и труднодоступных районах России,
обычно со сложным рельефом (гористая местность, лес). Здесь наиболее
эффективно и с наименьшими затратами проблема телекоммуникаций
может быть решена путем использования связных ресурсов ССС с КА
на ВЭО.
Для предоставления инфокоммуникационного сервиса использо¬
ваться стационарные и мобильные земные станции (САЗС, МАЗС) раз¬
личных классов:
— с полным набором инфокоммуникационных услуг (в стационар¬
ном или подвижном вариантах);
— с ограниченным набором услуг (в стационарном или подвижном
вариантах);
— с минимальным набором услуг (только в стационарном вариан¬
те — в основном для передачи информации от автоматических
датчиков системы дистанционного экологического мониторин¬
га).
Выбор типов абонентских земных станций ССС с КА на ВЭО, а так¬
же их количества по отдельным типам, в значительной мере зависит
от своеобразия каждого туристического маршрута. Ориентировочные
данные по этому вопросу могут быть получены на основе экспертных
оценок «туристического потенциала» регионов России, выраженного в
числе маршрутов, которые могут быть обустроены через 5, 10 и 15 лет
после начала реализации программы ускоренного развития туризма в
регионах России.
Рассматривается шесть типов туристических маршрутов [1.1, 2.9,
2.10]:
1. Маршруты, где основным видом туристического продукта являет¬
ся экотуризм, культурно-познавательный туризм, религиозный туризм,
охотничий и рыболовный туризм, оздоровительный туризм, пляжный
туризм, альпинизм, горный туризм, горно-лыжный туризм и т. п.
2. Маршруты, где основным видом туристического продукта являет¬
ся автотуризм с элементами экотуризма и культурно-познавательного
туризма в регионах России вдоль федеральных автомобильных дорог
(на стоянках и в окрестностях стоянок автомобилей).
243
Таблица 2.4
Типы оборудова¬
ния и временной
интервал реализа¬
ции Программы
Количество инфокоммуннкационного оборудования на но¬
вых маршрутах, ш г.
ВСЕГО
1-го
типа
2-го
типа
3-го
типа
4-го
типа
5-го
типа
6-го
типа
САЗС с полным набором инфокоммуныкационныхуслуг
на 5 - ый год
1392
240
240
120
60
60
2112
на 10-ый год
3744
480
480
240
120
120
5184
на 15-ый год
6684
720
720
360
180
180
8844
САЗС
с ограниченным набором инфокоммуникационных услуг
на 5-ый год
1392
760
760
800
380
380
4472
на 10-ый год
3744
1520
1520
1600
760
760
9904
на 15-ый год
6684
2280
2280
2400
1140
1140
15 924
САЗС с минималънымным набором инфокоммуникационныхуслуг
на 5-ый год
6960
1800
1800
600
900
900
12 960
на 10-ый год
18 720
3600
3600
1200
1800
1800
30 720
на 15-ый год
33 420
5400
5400
1800
2700
2700
51 420
МАЗСс полным набором инфокоммуникационных услуг
на 5-ый год
400
120
120
640
на 10-ый год
800
240
240
1280
на 15-ый год
1200
360
360
1920
МАЗС с ограниченным набором инфокоммуникационных услуг
на 5-ый год
30
30
60
на 10-ый год
60
60
120
на 15-ый год
90
90
180
3. Маршруты с пассажирскими автобусами, где основным видом ту¬
ристического продукта является культурно-познавательный туризм в
регионах России вдоль федеральных автомобильных дорог (на стоянках
и в окрестностях стоянок автобусов).
4. Маршруты с пассажирскими поездами, где основным видом ту¬
ристического продукта является культурно-познавательный туризм в
регионах России вдоль железных дорог (на железнодорожных станциях
и в окрестностях железнодорожных станций).
5. Маршруты, где основным видом туристического продукта явля¬
ются морские круизы вдоль побережья российских морей или островов
с элементами культурно-познавательного туризма и экотуризма (на сто¬
янках судна в портах и в окрестностях портов).
6. Маршруты, где основным видом туристического продукта явля¬
ются речные круизы по наиболее крупным рекам и водохранилищам
244
России с элементами культурно-познавательного туризма и экотуризма
(на стоянках судов в речных портах и в окрестностях портов).
Очевидно, что организация мест показа, помимо прочего (ночлег, пи¬
тание, обслуживание), означает также и предоставление туристам ус¬
луг современной междугородной и международной телефонной связи,
доступа в Интернет, цифрового теле- и радиовещания. Если предполо¬
жить, что каждый турист за недельную поездку оплатит услуги связи
на сумму в 30 долл., то годовой доход такой корпоративной сети, только
по статье платных туристических услуг, составит 1,5 млрд долл.
При этом в общих затратах доля телекоммуникаций не превыша¬
ет одного процента, однако эффективность этих вложений получается
самой высокой с точки зрения организации бизнеса в целом. Нетрудно
убедиться, что окупаемость затрат на телекоммуникационную инфра¬
структуру наступает уже через несколько лет операторской деятельно¬
сти сети. В этом смысле срок окупаемости инвестиций остается тради¬
ционно малым по отношению ко всем остальным слагаемым инвести¬
ционного процесса.
Прогнозная величина основного инфокоммуникационного обору¬
дования, которое необходимо закупить и установить компаниям-туро¬
ператорам для обеспечения туристического бизнеса в регионах России
при реализации новой Концепции развития туризма в РФ, приведена
в табл.2.4.
Спутниковая связь в модернизации лесного хозяйства
Лесная отрасль РФ находится в длительном и глубоком кризисе.
Выход из этого положения состоит в организации общероссийской сис¬
темы инструментального мониторинга состояния и параметров окру¬
жающей среды и, в частности, лесного хозяйства, где его эффективность
проявится практически немедленно. Применительно к лесопромышлен¬
ному комплексу России спутниковый мониторинг позволит профессио¬
нально решить целый ряд важнейших задач модернизации и развития,
направить отрасль на путь применения передовых ресурсосберегающих
технологий на всех производственных этапах и циклах — от сбережения
и восстановления лесного фонда до производства высокотехнологиче¬
ской товарной продукции из древесины [1.1, 2.11, 2.12].
По оценкам специалистов уникальный, возобновляемый ресурс лес¬
ного фонда России может ежегодно приносить не менее 100 миллиардов
долл, дохода. При этом подразумевается строгое выполнение всех тех¬
нологических и экологических норм и требований в процессе заготов¬
ки, переработки, транспортировки древесины и изготовления конечной
245
продукции. При разумной пост попке деда, применении современных
технологий и оборудования общеегвеипая польза, потенциальная эф¬
фективность. инвестиционная привлекательноеп>лесопромышленного
бизнеса будет много выше, чем добыча газа и нефтепродуктов.
СИМ на основе спутников на НЭО позволит экономичным и эф¬
фективным способом защитить леса от пожаров, незаконных вырубок,
предупредить случаи нарушения экологических норм и требовании при
проведении работ но лесозаготовкам. Как показывает опыт и практика
космического мониторинга лесов на региональном уровне (проведение
работ в Иркутской. Архангельской, Мурманской областях), само нали¬
чие системы мониторинга является фактором для существенного сни¬
жения всех правонарушений в отрасли.
Оценки показывают, что применение мониторинга только для борь¬
бы с лесными пожарами в общенациональных масштабах позволит за
год получить экономический эффект, позволяющий окупить все затра¬
ты на создание орбитальной группировки из 4-х КА на ВЭО вместе с
наземным комплексом управления и эксплуатации.
Хорошие перспективы открывают спутники связи на ВЭО для при¬
менения передовых технологий лесозаготовки и переработки древесины
в местах, наиболее приближенных к лесным участкам. Расчеты показы¬
вают, что организация современного многопрофильного предприятия по
заготовке леса и переработке древесины на месте но современным тех¬
нологиям требует серьёзных капиталовложений в оборудование, инфра¬
структурную подготовку площадок, связанную с обеспечением энергией
и транспортировкой готовой продукции. В бюджетных оценках инфра¬
структурной подготовки затраты на телекоммуникационное оборудова¬
ние составляет не более одного процента от общих капиталовложений,
но эффективность этих затрат самая высокая. В подавляющем большин¬
стве случаев без них бизнес становится просто невозможным.
При предположении, что во всю лесную отрасль будет привлечено
для работы в одной вахте около 1,0 млн человек, а при смене вахт (на¬
пример, через 1 месяц) всего в отрасли будет работать около 2,0 млн че¬
ловек, были получены ориентировочные предварительные оценки по¬
требностей количества АЗС разных классов с охватом территории всей
страны.
Через 5 лет для инфокоммуникационного обслуживания 500 участ¬
ков леса потребуется:
— 500 САЗС с полным набором услуг;
— 75 тыс. терминалов с ограниченным набором услуг (из них
50 тыс. — для подвижных объектов);
246
— 250 тыс. САЗС с минимальным набором услуг (в основном для
передачи информации от экологических датчиков).
Через 10 лет годовые затраты 1 300 предприятий лесной промыш¬
ленности на услуги ССС с КА на ВЭО увеличатся и для доступа к ним
потребуется в общей сложности (нарастающим итогом):
— 1300 САЗС с полным набором услуг;
— 195 тыс. спутниковых терминалов с ограниченным набором ус¬
луг (из них 130 тыс. — для подвижных объектов);
— 650 тыс. САЗС с минимальным набором услуг (в основном для
передачи информации от экологических датчиков).
Спутниковая связь позволит существенно поднять культуру труда,
быта и отдыха работников лесной промышленности, обеспечить их мно¬
гопрограммным цифровым телерадиовещанием, доступом в Интернет,
современными услугами цифровой телефонной связи. Это, в свою оче¬
редь, позволит приостановить отток населения из северо-восточных ре¬
гионов страны и создать условия для обратного процесса.
Спутниковая связь и добыча биоресурсов
Первым шагом со стороны государства в рыбной отрасли должна
стать фаза инфраструктурной подготовки, которая позволит сформи¬
ровать базовые условия для бизнеса, без которых последующие инве¬
стиции невозможны или имеют неприемлемые риски. Эта задача прямо
связана с созданием адекватной телекоммуникационной инфраструк¬
туры [1.1, 2.13].
Без развитой телекоммуникационной инфраструктуры современный
рыбный бизнес эффективно развиваться не сможет. Обеспечить флот,
объекты береговой сферы, рыбацкие поселки и базы отдыха рыбаков со¬
временным набором телекоммуникационных услуг (передача данных,
цифровые ТВ и РВ, телефония, Интернет) в сегодняшних российских
условиях может только спутниковая связь. Ясно, что успешное решение
задачи в высоких широтах (где сосредоточена большая часть рыбных
ресурсов страны) на всей территории промышленного рыболовства от
Баренцева моря до Дальневосточных регионов может быть обеспечено,
главным образом, с помощью ССС с КА на ВЭО и современных техно¬
логий построения бортовой аппаратуры, земного оборудования.
СССЭО могут эффективно решить задачу мониторинга техническо¬
го состояния флота, объектов береговой инфраструктуры, всех рабочих
процессов, связанных со сбором и передачей на большие расстояния
формализованной информации. Средства спутниковой связи в сочета¬
нии с наблюдением из космоса позволяют проводить разведку рыбных
247
запасов, прослеживать маршруты миграции рыбы, проводить качест¬
венную оценку состояния морских биоресурсов.
Оценки потребностей, сделанные с позиций радикального обновле¬
ния флота и коренной модернизации береговой инфраструктуры, были
произведены исходя из следующих условий 12.13, 2.14):
— при выдаче лицензии на добычу рыбы и других морепродуктов
600 фирмам с условием строительства вахтовых поселков с пор¬
тами базирования и рыболовецкими траулерами в необжитых,
удаленных и труднодоступных регионах России, на побережье
морей и островов (через 30 100 км друг от друга) на каждую
фирму будет приходиться в среднем но 70 тыс. т выловленной
рыбы и морепродуктов в год (при этом ожидаемая величина го¬
дового дохода для каждой фирмы будет составлять «200 млн
долл./год);
— для обеспечения решения задачи добычи (и замораживания)
70 тыс. т выловленной рыбы и морепродуктов в год каждой фир¬
ме необходимо иметь в порту базирования при вахтовом поселке
по 20 малых рыболовецких траулеров (морозильных) и по 2 мор¬
ских транспортных рефрижераторных судна. Кроме того, целе¬
сообразно иметь еще одно транспортное судно, приспособленное
для транспортировки людей (примерно по 300 человек с бага¬
жом), продовольствия, топлива, оборудования и 2 грузопасса¬
жирских судна (по 6 рейсов в месяц), курсирующих по маршруту
«район промысла» — «Большая Земля»;
— потребуются также затраты на рыбоохранные мероприятия, на¬
правленные на борьбу с браконьерами, включающие в себя за¬
купку 10 крупных современных быстроходных морских кате¬
ров;
— на всех объектах инфраструктуры, потенциально могущих за¬
грязнять выбросами окружающую среду, должны быть установ¬
лены многокомпонентные экологические датчики, информация
от которых с помощью спутниковых ЗС-терминалов должна по¬
ступать в региональные и федеральные центры экологического
надзора;
— общие капитальные затраты на инфокоммуникационное обору¬
дование и экологические датчики составят для 200 вахтовых по¬
селков около 200 млн долл., а ежегодные затраты на инфокомму¬
никационное обслуживание — около 100 млн долл.
— порты и вахтовые поселки создаются в два этапа: на 1-м этапе —
порядка 200 объектов, на 2-ом этапе (через 10 лет после начала
248
работ по реализации рассматриваемого проекта) вполне реально
построить еще 400 вахтовых поселков в труднодоступных местах
на побережье биопродуктивных морей, омывающих Россию;
— число работающих в одну смену в каждой компании будет со¬
ставлять около 1000 человек (с учетом 2-ой смены на отдыхе -
около 2000 человек);
— инфокоммуникационные услуги ССС с КА на ВЭО на 2-ом эта¬
пе (на 10-й год после начала развертывания работ по рассматри¬
ваемому проекту) будут стоить для 600 компаний около 300 млн
долл./год (или около 0,6% от объема чистой прибыли всех этих
компаний).
Для обеспечения основной деятельности в соответствии с указан¬
ными условиями каждая компания должна закупать инфокоммупика-
ционное оборудование в следующем количестве:
— 2 стационарных спутниковых терминала с полным набором ус¬
луг (видео, телефония, Интернет, передача данных), для установ¬
ки в вахтовом поселке (через них же передается в центры эколо¬
гического надзора информация от экологических датчиков, ус¬
тановленных на территории вахтового поселка);
— 24 мобильных спутниковых терминала с ограниченным набором
услуг (телефония, среднескоростной Интернет, передача дан¬
ных), для установки на морские суда (через них же передается в
центры экологического надзора информация от экологических
датчиков, установленных на морских судах);
— порядка 10 САЗС с ограниченным набором услуг, для установ¬
ки на различные объекты связи «Большой Земли» (морской
порт — для организации обслуживания морских судов компа¬
нии; морской порт — для организации транспортировки гото¬
вой продукции потребителям морским транспортом; ж.д. стан¬
ция — для организации транспортировки готовой продукции
потребителям железнодорожным транспортом; аэропорт — для
организации транспортировки готовой продукции потребите¬
лям воздушным транспортом; торговые предприятия — для ор¬
ганизации доставки готовой продукции потребителям в городе;
гостиницы — для организации заказа номеров прибывающим
на вахту и отбывающим с вахты работникам компании; скла¬
ды ГСМ и т. д.;
— несколько десятков САЗС с минимальным набором услуг, для
передачи информации от экологических датчиков, установлен¬
ных в окрестностях вахтового поселка, на причале.
249
Таким образом, общее количество АЗС для отрасли, возрождаемой
по принятому проекту, составит около 1500 САЗС с полным набором ус¬
луг, 6000 -7000 САЗС с ограниченными услугами и 9000 10 000 САЗС
с минимальными услугами, а также порядка 15 000—20 000 (с учетом
резерва) мобильных терминалов с ограниченным набором услуг.
Предварительные оценки необходимого ресурса корпоративных
пользователей позволяют заключить, что для обеспечения потребностей
в масштабах страны необходимо иметь порядка трех миллионов око¬
нечных терминалов-датчиков информации и несколько сотен станций
управления для сбора и передачи управляющей информации в сетях
различного назначения. Приведенные данные свидетельствуют о нали¬
чии устойчивого рынка потребителей услуг ССС с КА на ВЭО.
Проведенный прогнозный анализ еще раз показывает, что имеет¬
ся объективная общественная потребность в создании новой системы
спутниковой связи на базе ВЭО, лишенной недостатков существую¬
щих ССС и способной удовлетворить имеющийся спрос на дешевые
качественные каналы связи для сетей мониторинга, непосредственного
теле- и радиовещания, мультимедиа, доступа в Интернет для подвиж¬
ных и стационарных объектов на территории России, сопредельных
государств и Северного Полярного бассейна.
250
ГЛАВА 3. ЭЛЛИПТИЧЕСКАЯ ОРБИТА -
ОБЩИЙ СЛУЧАЙ СПУТНИКОВЫХ ОРБИТ.
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ПОКАЗАТЕЛИ
При проектировании и оценках эффективности ССС исторически
основное внимание уделяется энергетическим, массо-габаритным, кон¬
структивным характеристикам спутников, их бортовых комплексов и
оборудования ЗС. Вопросы оптимизации орбитального построения, т. е.
обоснования и выбора предпочтительных типов и параметров орбит,
изучены в меньшей степени. На это имеется ряд объективных причин,
одна из которых (возможно, основная) — преимущественно безальтер¬
нативное использование ГСО, как наиболее «прозрачного», доступного,
понятного всем, и в то же время эффективного для многих приложений
системно-технического решения.
Общие требования к параметрам орбит спутников связи изложе¬
ны, например, в [3.1—3.31, где подробно рассмотрены особенности ор¬
битального построения и характеристики систем КА на ГСО и ВЭО.
К сожалению, подобного рода работы не охватывают ряда проблем, от¬
носящихся к исследованию орбит ССС в более широком понимании, в
частности, оптимизации свойств и параметров НГСО. В ряде ранних
публикаций, посвященных ССС [3.4, 3.5], вопросы выбора орбит, в ча¬
стности, ВЭО, с точки зрения сравнения, анализа эффективности ОГ и
затрат на ее обеспечение были поставлены, однако не получили доста¬
точного развития.
Фундаментальные исследования по вопросам орбитального по¬
строения при выведении КА на произвольную орбиту более подробно
проводились, в основном, с позиций динамики полета, баллистики и
общих условий обзора Земли [3.6—3.8]. Однако они мало затрагивают
общесистемные и информационные аспекты спутниковой связи, такие
как энергетика радиолиний и пропускная способность, множествен¬
ный доступ, зоны обслуживания и архитектура систем. В последнее
десятилетие наблюдается повышение интереса к НГСО и вопросам их
исследования [3.9—3.10]. Это стало возможным благодаря развитию
космических, электронных и телекоммуникационных технологий,
появлению и реализации в связи с этим проектов многоспутниковых
ССС (МССС) с использованием разных типов орбит для подвижной,
персональной связи, доступа в Интернет, а также и в связи с перегру¬
женностью ГСО.
251
3.1. ПОКАЗАТЕЛИ ОРБИТАЛЬНОГО ПОСТРОЕНИЯ
С точки зрения целевых задач по обеспечению передачи информа¬
ции с высокой пропускной способностью, качеством и надежностью, в
требуемой зоне обслуживания и при минимальных затратах, к наиболее
важным характеристикам орбитального построения МССС, подлежа¬
щим оптимизации, могут быть отнесены:
— тип (круговая, эллиптическая, синхронная, несинхронная), вы¬
сота, наклонение орбиты;
— время и территория радиовидимости КЛ, при которых углы мес¬
та (у. м.) в любой точке зоны обслуживания (30) и их изменение
соответствуют требованиям надежной связи;
— число КА, тип орбитальной группировки, количество, простран¬
ственное и временное разнесение орбитальных плоскостей и КА
внутри плоскости;
— показатели наблюдения КА земными станциями (по углам места
и азимута), связанные с пространственно-временными измене¬
ниями траекторий, зон радиовидимости (ЗРВ), рельефом мест¬
ности;
— пространственное положение орбит отдельных КА и группиров¬
ки в целом относительно других радиотехнических систем;
— время распространения сигналов, определяемое протяженно¬
стью трассы, т. е. наклонными дальностями на участках ЛСС;
— величина допплеровского сдвига частоты, вызванного взаимным
перемещением КА и ЗС;
— надежность и подверженность бортового оборудования влиянию
условий работы в космосе, в частности, при прохождении КА че¬
рез радиационные пояса Земли, влияющие на срок его активно¬
го существования и, в целом, на экономическую эффективность
ССС.
Анализ закономерностей изменения указанных характеристик в за¬
висимости от многих факторов и исследование возможностей их дос¬
тижения в соответствии с требованиями связи, мониторинга, вещания,
мультимедиа, а также технологическими и технико-экономическими
критериями эффективности земного, космического комплексов, ССС в
целом, должны способствовать рациональному выбору и оптимизации
орбитальных параметров.
Получение в результате такого анализа оценок и количественных
значений параметров определяется критериями соответствия орби¬
тального построения целевым задачам и требованиям к эффективно-
252
сти ССС. Вместе с тем оптимизация ССС предусматривает наличие
ряда важнейших условий, не связанных прямое орбитальным построе¬
нием, от которых во многом зависят основные показатели линии свя¬
зи. В связи с этим, в зависимости от стоящих перед разработчиком за¬
дач, те или иные параметры орбиты и/или ОГ могут варьироваться
с учетом наиболее важных, целевых критериев связи. К таковым от¬
носятся, как отмечалось выше, максимальные НС, ИЗ, ЭМС, высокая
надежность и готовность канала связи, минимальные время доставки
(задержки) информации, пространственно-временные изменения целе¬
указаний (у. м. и азимута) для наведения антенны ЗС, допплеровский
сдвиг частоты.
На практике полное удовлетворение всем требованиям оказывает¬
ся очень сложной, если вообще разрешимой проблемой. Так, ГСО, за¬
нимающая среди других орбит лидирующее положение, безусловно
оптимальна лишь по одному — предпоследнему из приведенных выше
показателей и, с определенными ограничениями, при региональном
обслуживании преимущественно в средних и экваториальных широ¬
тах, — второй, третьей и четвертой позициям. Таким образом, имеется
в виду неподвижность СР относительно земных станций в сочетании
с возможностью непрерывной круглосуточной связи через один КА на
части территории Земли, ограниченной приблизительно 40 градусами
северной и южной широты. В этом поясе широт обеспечиваются благо¬
приятные — не менее 40° углы прихода сигналов на ЗС и соответствую¬
щие им потери в среде распространения, менее подверженные влиянию
рельефа и других препятствий.
Наоборот, высокие эллиптические орбиты являются, в общем слу¬
чае, не самыми оптимальными по показателям, связанным с количест¬
вом и изменением положения КА относительно ЗС, особенно оснащен¬
ных системами наведения антенн. В то же время они весьма эффективны
для обслуживания высоких широт, в частности, большей части север¬
ного полушария с координатами порядка 40° с.ш. и выше, в особенно¬
сти, приполярных и полярных территорий, не охватываемых ГСО при
углах более 15°. Как видно, из рис. 2.2, углы места для ВЭО при этом
составляют не менее (40—50)° и соответствуют наиболее благоприят¬
ному пространственному расположению трассы КА, благодаря апогею
в Северном полушарии.
Условия распространения и приема сигналов в полосе широт от 30°
до 40°, связанные с отмеченными факторами, можно считать промежу¬
точными (переходными) для той и другой орбиты, при одинаковых дол¬
готах точки стояния КА на ГСО и апогея ВЭО. Перекрывающиеся ука-
253
данным образом ;шиы радиовидимости для ГСО и ВЭО типа «Молния»
приведены на рис. 2.2.
Очевидно, что система гем ближе к оптимальной, чем большему чис¬
лу условий и требований по приведенному перечню орби тальных харак¬
теристик она удовле творяет, при наименьших или приемлемых затратах.
В то же время, ввиду сложности проблемы, при поиске правильных ре¬
шении предпоч тение должно отдаваться тем факторам и требованиям,
которые в наибольшей степени могут повлиять на конечный результат
и вместе с тем поддаются количественным или четким сравнительным
оценкам.
В соответствии с изложенными соображениями, первостепенное
внимание уделяется далее особенностям и параметрам ВЭО, связан¬
ным с пространственно-временными характеристиками орбит и их из¬
менением относительно земных наблюдателей (сети ЗС), что наиболее
важно с позиций учета огромных размеров территории России, влия¬
ния рельефа местности и других препятствий, а также обеспечения
ориентации, наведения бортовых и наземных антенн, в частности при
связи с мобильными объектами.
Определение орбитального построения предполагает выполнение
целого ряда специфических условий, затрагивающих баллистические
аспекты, в том числе запуск, развертывание, поддержание и восполне¬
ние ОГ, прецессию плоскости, эволюцию и коррекцию параметров ор¬
бит при воздействии различных дестабилизирующих (возмущающих)
факторов. В ходе анализа и синтеза ССС на начальном этане проектиро¬
вания они должны учитываться в той мере, в какой могут повлиять на
общие качественные результаты, а в процессе реализации систем — отра¬
батываться в полном объеме. Необходимо иметь в виду, что на практике
изменения параметров орбит, обусловленные указанными факторами,
могут оказывать существенное воздействие на эффективность и рабо¬
тоспособность ССС.
3.2. ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ОРБИТ
В соответствии с общепринятой, в известном смысле условной,
классификацией ССС делятся на глобальные (или близкие к ним), ре¬
гиональные, локальные, в зависимости от размеров зон обслуживания
(площади, диаметра, углового радиуса и пр.).
Понятие зоны обслуживания (30) может быть отнесено к основным
показателям назначения системы и является ее эксплуатационной ха¬
254
рактеристикой. При этом той или иной территориальной 30, а также
требованиям но ВВХ системы, соответствует время обслуживания, или
временная 30, требования к которой тоже зависят от назначения ССС —
она может бьп ь непрерывной (круглосуточной), дискретной (равной оп¬
ределенной части суток), сеансной и пр. Для получения требуемой зоны
обслуживания, как одного из прочих равных условий, возможно приме¬
нение разнообразных вариантов построения космического сегмента и
его орбитальной группировки.
К техническим характеристикам, обеспечивающим заданную 30 и
прямо зависящим от параметров орбит, относятся такие обобщенные
понятия как пространственная, или территориальная, зона радиовиди¬
мости (ЗРВ), время радиовидимости, или временная ЗРВ каждого КА
и орбитальной группировки в целом. В конечном счете, эти характери¬
стики определяют количество спутников на орбите, как один из пока¬
зателей, влияющих на эффективность ССС.
Под зоной радиовидимости применительно к связи через один СР
понимается территория, из любой точки которой спутник наблюдает¬
ся многими ЗС данной системы, под углами места не менее заданного,
в течение определенного времени радиовидимости. Часто использует¬
ся понятие мгновенной зоны видимости, которому соответствует часть
земной поверхности, наблюдаемая с орбиты в любой момент времени и
ограниченная линией равных углов места той или иной величины.
Отметим, что, вообще говоря, зона и время радиовидимости, или
пространственная и временная ЗРВ, связаны между собой количест¬
венными (баллистическими, геометрическими) соотношениями и каж¬
дая по разному, достаточно сложным образом, зависит от орбитальных
параметров.
Производи ым от ЗРВ можно считать такое понятие как зона покры¬
тия, применяемое обычно для ГСО и определяемое как часть ЗРВ, в
которой обеспечивается определенная плотность потока мощности (во¬
обще энергетика линии связи) на обоих участках ЛС, т. е. на входе СР и
ЗС, при тех или иных энергопараметрах и диаграммах направленности
(ДН) антенн ЗС, СР. Тогда как общая зона обслуживания ССС, опреде¬
ляемая исходя еще и из условий ЭМС с другими системами, координа¬
ции в МСЭ, защиты от внесистемных помех, не должна превышать зону
покрытия [3.11, 3.12].
Будем далее пользоваться понятием зоны обслуживания как сово¬
купности пространственных и временных ЗРВ, обеспечивающих покры
тие требуемой территории в течение заданного времени при определен¬
ных углах места на ее границах. При этом подразумевается, что необхо¬
255
димые энергетические соотношения между собственными сигналами,
внутренними и внешними помехами должны выполняться мри пара¬
метрах ЗС и СР (прежде всего антенных устройств), соответствующих
этим углам.
Согласно приведенным выше критериям, кроме характеристик, свя¬
занных с ЗРВ, к начальным условиям выбора и оптимизации орбиталь¬
ного построения должны быть отнесены такие требования со стороны
земного сегмента как допустимая временная задержка, допплеровский
сдвиг частоты, ширина ДН антенн ЗС и возможности их наведения, сле¬
жения за спутником.
Таким образом, ССС, наряду с энергетическими и «локальными»
пространственными факторами (относящимися к отдельно взятым ЛСС
и СР), испытывает на себе воздействие особенностей и характеристик
орбитального ресурса, от которых в значительной степени зависят за¬
траты на систему и выбор ее параметров.
3.3. ЭЛЕМЕНТЫ ЭО И СВОЙСТВА ДВИЖЕНИЯ КА
Итак, при анализе и проектировании систем спутниковой связи
важную роль играет расчет параметров движения космических аппа¬
ратов. Траектория движения КА определяет пространственную струк¬
туру ССС, являющуюся одним из системообразующих факторов. Име¬
ется множество примеров движения КА, которые заложены в основу
функционирования существующих ССС. К ним относятся ГСО, когда
положение КА относительно поверхности Земли почти не меняется со
временем, а также разновидности низких и средних круговых орбит и
т. д. Но, строго говоря, все они являются частными случаями наиболее
общего математического описания формы орбит и движения КА в виде
эллипса.
Задолго до запуска искусственных спутников Земли были получены
основные результаты в математической теории движения КА, астроно¬
мии и небесной механике. Однако после того, как был выведен на ор¬
биту первый спутник, стали развиваться новые научные направления.
К ним относятся, в частности, механика космического полета (иногда
используется термин космическая баллистика), а также спутниковая
геодинамика и геодезия.
В число задач, решаемых в рамках механики космического полета,
входят:
— выбор орбит космических аппаратов;
— расчет орбитальных параметров и маневров.
256
Рис. 3.1
— определение и уточнение
орбит уже существую¬
щих КА;
Напомним основные факто¬
ры, влияющие на движение кос¬
мических аппаратов. Во-первых,
КА движутся в поле тяготения
Земли. В самом первом прибли¬
жении задача движения спутни¬
ков решается в рамках модели
сферической Земли с радиусом
К = 6371 км и равномерно рас¬
пределенной по объему массой,
соответственно создающей цен¬
тральное гравитационное поле,
потенциал которого описываем¬
ся формулой: V = /М / г, где / =
= 6,672 • 10й м3кг ‘сек 2 — гравитационная постоянная тяготения, М —
= 5,947 • 1024 кг — масса Земли, г — расстояние от центра Земли до точ¬
ки, в которой вычисляется гравитационный потенциал. Величина р =
= /М = 398 600,5 (км3/с2) называется гравитационной постоянной Зем¬
ли. С потенциалом поля связана сила, действующая на КА в полете. Оп¬
ределение параметров невозмущенного движения материальной точки
(КА) в гравитационном поле центрального тела (Земли) называют за¬
дачей двух тел.
В общем случае КА движется по кривой второго порядка, в фоку¬
се которой располагается центр гравитационного поля. При начальных
условиях, обеспечивающих ограниченное, замкнутое движение, траек¬
тория (орбита) КА описывается эллипсом, в одном из фокусов которого
находится Земля (рис. 3.1).
Максимальное расстояние КА от поверхности Земли соответству¬
ет апогею, минимальное — перигею. Угол е, задающий положение КА
на эллиптической орбите и отсчитываемый от направления из фокуса
эллипса на перигей, называется истинной аномалией. Основными па¬
раметрами эллипса, или элементами ЭО, в соответствии с рис. 3.1 яв¬
ляются: а — большая полуось', Ъ — малая полуось; е — эксцентриситет.
Скорость оа КА в апогее, скорость ор в перигее и период его обращения
по орбите Т0 связаны с этими параметрами.
Здесь а = 0,5(га + гп) = 0,5(2Д + Яа + Я„), е = (На - Нп) /2а,
257
где #а> Нп — высоты апогея и пе¬
ригея ЭО над Землей.
Связь между радиус-век¬
тором КА г, эксцентриситетом,
большой полуосью и истинной
аномалией определяется уравне¬
нием эллипса в полярной системе
координат:
г — р/{ 1+егозе), (3.1)
где р = а( 1 е2) есть фокальный
параметр.
Поскольку движение спут¬
ника происходит в трехмерном
пространстве, пространственная
ориентация его орбиты определя¬
ется в одной из геоцентрических
координатных систем. В абсо¬
лютной, или инерциальной, сис¬
теме, неподвижной относительно звезд, начало координат расположено
в центре масс Земли, при этом ось 2 будет направлена на Полярную звез¬
ду, ось X направлена в точку весеннего равноденствия, а ось Удополняет
тройку координат до правой (рис. 3.2).
В расчетах используют также величину эксцентрической аномалии
Е, которая равна углу, отсчитываемому от положительного направле¬
ния оси У до радиуса внешней вспомогательной окружности, проведен¬
ного в точку пересечения этой окружности с перпендикуляром к оси У,
проходящим через движущуюся точку на эллипсе, т. е. конец радиус-
вектора г. Эксцентрическая и истинная аномалии связаны между собой
соотношением:
ЦЕ/2 = [(1-е)/(1+«)]«18е/2.
Рис. 3.2
Из рис. 3.1 нетрудно видеть, что та и другая изменяются от 0 до 2л
за период обращения спутника. Эксцентрическая аномалия связана с
временем движения по орбите уравнением Кеплера:
Е= езтЕ + (р/а3)°’5(( - 1р), (3.2)
где I — текущее время; 1р — время прохождения перигея.
Принимая здесь Е = 2л, получим выражение для периода обраще¬
ния КА:
258
Ти = 2я С«3/и)0'5
(3.3)
Второе слагаемое (3.2) называют средней аномалией, которая обозна¬
чает угол между радиус-вектором и осью У в случае, если бы он двигал¬
ся равномерно с угловой скоростью, равной (р/а3)0,5, которую называют
иногда средним движением.
Связь аномалий с временем движения по эллипсу не выражается
в явном виде и может быть определена приближенно, с помощью но¬
мограмм, либо путем разложения Е в ряд по степеням эксцентрисите¬
та [3.13]. Построенные таким методом зависимости истинной и эксцен¬
трической аномалий, изменяющихся от 0 до я в течение полупериода
обращения, от времени, отнесенного к половине периода, приведены на
рис. 3.3 для ряда значений Т0 = 24, 12, 8, 6, 4, 3, 2 час. Эти периоды соот¬
ветствуют разным апогеям при одинаковом перигее, т. е. эксцентрисите-
'/0.57;
Рис. 3.3
259
там, убывающим со снижением апогея и, следовательно, большой полу¬
оси в (3.3). Ход этих кривых отражает сложный характер движения КА в
зависимости от эксцентриситета, других параметров орбиты и, как будет
показано ниже, степень изменения координат, т. е. положения спутника
относительно земной поверхности.
Среди элементов, определяющих ориентацию ЭО, угол между плос¬
костью орбиты и экватором г является наклонением орбиты. Прямая,
соединяющая точки пересечения орбиты с плоскостью экватора, есть
линия узлов. Соответственно, узел, в котором компонента скорости КА
по оси 2 положительна, называется восходящим узлом (в.у.). Угол между
положительным направлением оси ОХ и направлением из центра коор¬
динат в точку восходящего узла называется долготой восходящего узла
О. Еще один угловой параметр — аргумент перигея со — характеризует
ориентацию большой полуоси эллипса в плоскости орбиты. Этот угол
отсчитывается от положительного направления линии узлов до векто¬
ра, направленного из центра прямоугольной системы отсчета в точку
перигея орбиты. Названные углы, а также большая полуось эллипса,
эксцентриситет и момент времени I прохождения перигея, определяю¬
щие высоту, форму и положение спутника на ЭО, образуют семейство
кепплеровских (классических) элементов орбиты.
Наконец, центральный угол, отсчитываемый в плоскости орбиты в
направлении от восходящего узла до радиуса-вектора КА, является ар¬
гументом широты и = со + е и отражает текущее положение спутника в
плоскости ЭО, независимо от ее наклонения.
Несферичность Земли, нецентральность гравитационного поля,
возмущающие факторы
Сказанное выше относится к случаю, когда в качестве модели Зем¬
ли рассматривается сферическое тело с равномерно распределенной в
пространстве массой. Для многих практических приложений требует¬
ся уточнить эту модель с учетом иесферичности Земли и ее физических
особенностей, а также воздействия возмущающих факторов.
Поскольку сама структура Земли, как планеты, достаточно стабиль¬
на, это позволяет задать положение начала системы отсчета координат,
при которой проводятся наблюдения, в гипотетическом центре масс.
Относительно этой системы могут быть заданы координаты точек по¬
верхности суши и моря. В качестве первого приближения для модели
несферической Земли на территории пашей страны используется эл¬
липсоид Красовского. Его параметрами являются: большая полуось а =
= 6378,245 км и коэффициент сжатия (<а - Ь)/а — 1/298,3.
260
Уравнение движения КА в геоцентрической инерциальной системе
координат с учетом несферичности Земли и возмущающих факторов
можно записать в векторной форме:
': = -и4 + М&-а(1 С/(Т)+^Т+Е^
IГ - г\]
Здесь р, р( — гравитационные постоянные Земли и /-го притягиваю¬
щего тела (Луны, Солнца, планет); г,У — геоцентрические радиус-вектор
и вектор ускорения КА; г- — радиус-вектор /-го притягивающего тела;
г' = Мт — радиус-вектор КА в жестко связанной с Землей и вращающей¬
ся вместе с ней гринвичской системе координат; Мг — транспонирован¬
ная матрица перехода от гринвичской к геоцентрической инерциальной
системе координат (ИСК); Рх, Е,.../*’ ~ дополнительные вклады в ускоре¬
ние КА, обусловленные торможением КА в атмосфере, солнечным дав¬
лением и иными факторами.
Слагаемое в формуле гай и(Т*) определяет вклад в возмущающие
ускорения, обусловленные нецентральностыо гравитационного поля, где
^0' ) — нецентральная часть гравитационного потенциала Земли.
Сложность учета торможения в верхней атмосфере связана с его за¬
висимостью от многих факторов, в том числе:
— распределения плотности атмосферы по высоте, которое явля¬
ется функцией многих параметров, в частности, солнечной ак¬
тивности;
— степени разогрева атмосферы на дневной и ночной стороне
Земли;
— распределения скорости и направления ветров по времени суток
и широте;
— геомагнитной обстановки.
Средняя угловая скорость вращения Земли составляет сое =
= 7,2921151467Е-5 радиан/сек. Таким образом, при переходе от абсо¬
лютной к относительным системам координат нужно вычислить длину
интервала времени, прошедшего с момента совмещения систем до те¬
кущего момента, и определить угол поворота гринвичской системы по
отношению к инерциальной, пользуясь величиной сое. Интервалы вре¬
мени исчисляют по известным соотношениям, переводя календарную
дату в юлианскую и добавляя к ней текущее время относительно начала
суток.
Решение уравнения движения производится либо с помощью метода
прямого численного интегрирования, либо путем интегрирования унро-
261
щенных выражений, позволяющих найти аналитические зависимости.
В частности, существует метод оскулирующих элементов, в основу кото¬
рого положено предположение, что сложное возмущенное движение КА
представляется в виде движения по эллиптической орбите, параметры
которой меняются с течением времени. В качестве оскулирующих ор¬
битальных параметров принимают эксцентриситет, большую полуось,
долготу восходящего узла, наклонение и аргумент перигея. Соответст¬
венно, для оскулирующих элементов решается система дифференциаль¬
ных уравнений [3.2].
При движении КА в области низких орбит основной вклад в воз¬
мущение движения вносит несферичность Земли и нецентральность ее
гравитационного поля. В случае, когда высота КА ниже 600 км, замет¬
ный вклад вносит торможение в верхних слоях атмосферы. Для средне¬
высотных и геостационарных КА существенное влияние оказывает при¬
тяжение Луны и Солнца. Для эллиптических орбит с высоким апогеем и
большим эксцентриситетом существенными оказываются все перечис¬
ленные выше факторы, что, естественно, затрудняет их эксплуатацию,
в частности, поддержание расчетных параметров.
3.4. ПОСТРОЕНИЕ МГНОВЕННЫХ
ЗОН РАДИОВИДИМОСТИ
Задача расчета и анализа зон обслуживания является традицион¬
ной в области проектирования ССС, она учитывает положения меха¬
ники космического полета и базируется на определении ЗРВ. Методы
ее решения содержатся во многих источниках, в частности, в [3.1, 3.3].
В общем случае эллиптической орбиты с изменяющимися координата¬
ми и высотами можно говорить о мгновенных зонах, соответствующих
тому или иному моменту времени, для которого известно положение КА
в пространстве.
Граничные точки зон радиовидимости могут быть получены с помо¬
щью достаточно простых геометрических соотношений, предполагаю¬
щих сферичность Земли и не учитывающих возмущений. Способы по¬
строения более сложных типов зон, таких, как зоны гарантированного
уровня сигнала с учетом ДН бортовой антенны, используют, в качестве
базовых, подходы, разработанные для мгновенных ЗРВ. Известно два
основных метода расчета и графического построения граничных точек
ЗРВ и зон обзора — азимутальный и широтный (перебора точек на по¬
верхности Земли).
262
Азимутальный метод
Данный метод поиска граничных точек зон на поверхности Земли
основан на последовательном процессе перебора точек, начиная от под¬
спутниковой, путем шаговых перемещений по дуге большого круга в
направлении, которое задается азимутом. Математически такая проце¬
дура реализуется следующим образом. Пусть в качестве исходных дан¬
ных заданы широта и долгота точки, относительно которой начинается
движение по азимуту. Без ограничения общности можно рассмотреть
вначале случай, когда долгота этой точки равна нулю. На рис. 3.4 пока¬
зана исходная гринвичская система координат X, У, 2 и исходная точка
О, которая имеет широту ср0 и долготу 10 = 0. Долготу и широту конеч¬
ной точки 1, которая получается после первого шага, требуется опреде¬
лить. Угол А на рис. 3.4, отсчитываемый от направления на север, явля¬
ется азимутом, а угол а = п/2 - А назовем азимутальным параметром.
Путем последовательных поворотов гринвичской сис темы сначала на
угол <р0 вокруг оси У, а затем на угол а вокруг оси X, вводи гея система
координат Хх, Уи
263
Рис. 3.4
Тогда широта ф| и долгота /.|Точкп I мож(*1 бы1 ь п<1пд< па ( помощью
соотношении 13.3|:
Ф, - агсхт(хпнр сохЛ.ш * хпш сохф х*пЛ.щ)
Л,агс1.й
еох(</)хт(Я.1И)
СОХ(0)сОХХ1И(<'/)Х1и(0)х1п(/|||)
где ф — текущая широта; Х,И1 шаг изменения долготы.
Учитывая, ч то азимутальный параметр а связан с азимутом соот¬
ношением А — п/2 а, для точки, имеющей не нулевую долготу А, по¬
лучим:
Ф, = агсхт(хт ф()сохЯ,ш I сохД сохф0хтА.т)
I, = ]Л) + агс1й
XI в (Л)хш (Х,„)
сох (ф0 )сох (я.- сох(Л)XI п (ф„ )хI и (л;
Так, если в качестве исходных данных падать широту ф0, долготу Ь0
подспутниковой точки и высоту полета КА {11), а для шага но азиму-
л
ту задать угол, равный хт = — -агсхт
Ясох(3
Я » 11
-Р, то получим, что пер¬
вый же шаг вдоль направления по любому азимуту приведет к нахож¬
дению координат граничной точки
зоны радиовидимости КА с указан¬
ными высотой полета и углом места
(рис. 3.5).
Метод широтного сканирования
Для получения граничных то¬
чек зоны перебирается массив ши¬
рот вокруг подспутниковой точки и
для каждого заданного в процессе
вариации значения широты вычис¬
ляется пара значений долготы, со¬
ответствующая левой и правой гра¬
ничной точке зоны. В качестве ос¬
новного исходного параметра долж¬
на использоваться угловая ширина
зоны радиовидимости, задаваемая
264
углом у, вершина которого находит¬
ся в начале гринвичской системы от¬
счета (рис. 3.6):
Запишем уравнение плоскости,
перпендикулярной вектору (Х0, У0,
20}, который направлен из центра ко¬
ординат в подспутниковую точку, но
по длине несколько меньше радиуса
Земли:
(дг - х0 )л0 + (у - у() )у{) +
+(2 ~ г0 )20 - 0.
где л:0 = #созусозф0 соз/.,,, г/() -
= /?СОЗуСО8ф08т10, 20 = /?81Пф().
Точка с угловыми координатами
I, ф, принадлежащая сфере радиуса
К, будет иметь прямоугольные координаты х, у, г:
х = Ясозфсоз!, у = Лсозфзт!, 2 = Лзтф.
Тогда, подставляя все эти значения в уравнение плоскости, получим
соотношение, связывающее широту и долготу подспутниковой точки,
имеющей координаты 10, ф0, с долготой I и широтой ф точек, принадле¬
жащих сечению сферы плоскостью:
соз(ф) соз(ф0) соз(1 -10) + зт(ф)зт(ф0) - соз(у) = 0,
где параметр у задает угловую ширину зоны.
Обозначим АЬ = \ь -10[, тогда:
Д1 = агссоз
соз(у) - 81п(ф)31п(ф0)
соз(ф)соз(ф0)
(3.4)
Задавая угловой размер ЗРВ (у), широту ф0 и долготу Ь0 подспутни¬
ковой точки, с помощью (3.4) получим граничные значения долгот зоны
как: Ь{= Ь0 — АЬ и Ь2 = Ь0 + для фиксированного, последовательно
задаваемого значения широты ф.
В (3.4) угловой размер ЗРВ у определяется из рис. 3.5 через угол об¬
зора 0 и угол места р как у = я/2 - 0/2 - р . Тогда
У
я
2
- аГС8111
^созр
л + н,
-р.
(3.5)
265
при этом координаты долготы и широты подспутниковой точки 10 ср0
могут принимать значения: -я < 10 < я, -я/2 < ф0< я/2.
Область, содержащая исследуемую зону, внутри которой должен
производиться перебор координат, находится между нижней и верхней
граничными широтами ф1 = ф0 - у и ср2 = ср0 + у. В частности, при нахож¬
дении КА в апогее ВЭО (в северном полушарии), т. е. на широте, равной
наклонению орбиты ф0 = г, могут выполняться условия:
г > ф! > г - у, г < ф2 < / + у < я/2,
либо г + у > я/ 2 > я - (г + у) = ф, (3.6)
Первые два неравенства соответствуют случаю, когда Северный
полюс не попадает в ЗРВ, а последнее - охвату полюса, т. е. нахожде¬
нию верхней границы ЗРВ в противоположном от апогея (например,
западном) полушарии. Зависимости верхнего и нижнего граничных
значений широт от высоты апогея ВЭО и углов места для первого
случая приведены на рис. 3.7. Во втором случае верхняя граничная
широта фвбудет, наоборот, зеркально уменьшатся, начиная с 90°, с
ростом высоты орбиты — из-за перехода в противоположное полу¬
шарие [3.14].
При компьютерном построении ЗРВ в меркатеровской проекции вы¬
полняют перестановку чисел, соответствующих ф, и ф2 гак, чтобы в ф,
хранилось меньшее значение, а в ф2 большее.
По формулам перехода от координат широта-долгота определяют эк¬
ранный образ найденных верхнего и нижнего граничных значений ши¬
рот, записанных в виде двух строк, например, нижней строки и верхней
строки, соответственно. После этого последовательно перебирают все
строки из найденного диапазона значений (которых в данной проекции,
в зависимости от величин ф0 и у может быть не одно), пересчитывая их
в широту. Для найденной широты вычисляют границы областей зоны
обслуживания.
Поскольку из-за особенностей картографического отображения в
прямоугольной проекции границы могут быть сложными, существуют
методы, позволяющие корректно произвести расчеты. В этом случае, при
разрывном отображении сферы на плоскость, применяется коррекция
возникающей неоднозначности [3.3].
3.5. ВРЕМЯ РАДИОВИДИМОСТИ (ВРЕМЕННАЯ ЗРВ)
Угловой размер мгновенной ЗРВ, называемой иногда зоной глобаль¬
ного обзора СР, выражается через половину центрального угла (угловой
266
радиус) у и определяется всего двумя параметрами орбиты - текущей
высотой и заданным углом места Р (рис. 3.4):
у (Я, Р) = 71/2 - агссоз(/?созр//? + Я) - р,
тогда как положение ЗРВ на земной поверхности, следовательно, и гео¬
графическая широта ее границ, зависит от широты подспутниковой
точки (трассы), т. е. наклонения и долготы восходящего узла, высоты
орбиты и угла места ЗС. В частности, для ВЭО, при нахождении КА в
апогее, верхняя и нижняя граничные широты ЗРВ определяются со¬
гласно (3.5), (3.6):
Фгр = Фо ± У — г ± Iя/2 - агссоз(Ясозр/.К + Я) Р).
Что касается времени радиовидимости СР земной станцией, либо
времени радиовидимости с орбиты всех ЗС, находящихся в заданной
30 как совокупности, множестве мгновенных зон, то оно зависит, кроме
того, от географических координат ЗС, наклонения и формы {эксцентри¬
ситета) орбиты, а также от параметров ориентации орбиты — долготы
восходящего узла, аргумента и времени прохождения перигея (не считая
воздействия дестабилизирующих факторов).
В общем случае, в связи с взаимным движением КА и Земли время
радиовидимости есть изменяющаяся от витка к витку разность текуще¬
го времени выхода КА из зоны и входа в зону радиовидимости. Величина
этой разности определяется из условия пересечения трассы полета КА
с границей зоны видимости той или иной ЗС на заданной территории
(например, ЗС, расположенной в центре или на краю 30) и зависит от
стратегии выбора указанных параметров орбиты.
Из этих величин складывается общее время радиовидимости на всех
витках за более длительный промежуток, например, за сутки, и одно¬
значно связанное с ним интегральное время передачи информации, а
также число КА, необходимое для обеспечения этого времени, что по¬
зволяет сопоставлять орбиты по данному показателю.
При несинхронных круговых орбитах КА облетает по долготе всю
земную поверхность, попадающую в его зону видимости по широте, оп¬
ределяемую высотой и наклонением орбиты. Повитковое, а также и су¬
точное время радиовидимости Мс является переменной величиной, но
может быть усреднено за длительный период, например, неделю, месяц.
При этом, как показывают расчеты, зависимость Мс от долготы по мере
267
возрастания периода усреднения уменьшается и в пределе исчезает, т. е.
может не учитываться.
При геосинхронных орбитах, период которых кратен звездным сут¬
кам, один КА при больших у.м. и высотах орбиты может не обеспечивать
видимости в любой точке Земли по долготе, независимо от длительно¬
сти наблюдения (ГСО и ВЭО являются в этом смысле частными слу¬
чаями). При этом временная ЗРВ на отдельных, одинаковых но номеру
витках и за период повторения трассы не меняется, если не учитывать
прецессию плоскости орбиты, смещение долготы восходящего узла и
др. возмущающие факторы. Она зависит от положения ЗС относитель¬
но трассы КА, принимая на каждом витке максимальные значения при
нахождении ЗС на трассе и уменьшаясь (вплоть до нуля) по мере уда¬
ления ЗС от трассы.
Таким образом, в принципе, если период повторения геосинхронной
орбиты не превышает 24-х часов, то суточное, т. е. суммарное по всем
виткам, время радиовидимости (ВРВ) для ЗС с заданными координа¬
тами можно считать постоянным и определенным, но крайней мере, при
идеализированной орбите с фиксированными параметрами [3.1].
Радиовидимость для эллиптических
и круговых орбит равных высот
Известно, что для ЭО время радиовидимости КА из пунктов, в зону
наблюдения которых попадают участки траектории, близкие к апогею,
увеличивается по сравнению с круговой орбитой с тем же периодом об¬
ращения Тк = Тэ = Т0 и радиусом, равным большой полуоси ЭО: Як +
+ К = (ЯА + Яп + 2К)/2, где Як, ЯА, Яп — высота круговой орбиты, апо¬
гея и перигея ЭО, соответственно. Это происходит благодаря снижению
скорости КА на указанных участках из-за ненулевого эксцентриситета
орбиты.
Между угловым размером ЗРВ аср(ЯА, Р) и истинной, либо средней
аномалией ЭО существует точная взаимосвязь [3.13,3.14]. Это позволяет
определять ВРВ на витке для подспутниковой точки в зависимости от
полусуммы высот апогея и перигея (ЯА+ Яп)/2, эквивалентной высоте
круговой орбиты Як в указанном выше смысле.
Зависимости Мв(Н, р), рассчитанные программным способом, и пе¬
риод обращения Т0 совместно для круговых орбит с высотой Я (пунктир)
и эллиптических с перигеем 500 км и апогеем ЯА = 2Як -500 (сплошные
линии), приведены на рис. 3.8 для нескольких значений углов места. Ка¬
ждому сочетанию высот апогея и перигея, как и высоте эквивалентной
круговой орбиты, соответствует определенный период обращения, пока-
268
Л'„. час
Рис. 3.8
занный также по оси абсцисс. Кратность периода звездным суткам ука¬
зывает на синхронность орбиты. Это позволяет выделить геосинхрон¬
ные ЭО, нашедшие на практике широкое применение. Из сравнения тех
и других кривых видна разница в значениях ВРВ при эллиптической и
круговой орбитах с одинаковыми периодами. Эта разница в пользу ЭО
приводит к увеличению среднесуточной временной ЗРВ при одинако¬
вом количестве КА.
269
ГЛАВА 4. ГРУППИРОВКИ КА
НА ГЕОСИНХРОННЫХ
ЭЛЛИПТИЧЕСКИХ ОРБИТАХ
Кратность периода обращения КА звездным суткам позволяет эф¬
фективно использовать геосинхронные эллиптические орбиты, чаще все¬
го применяемые на практике среди ЭО. В этой главе будут рассмотрены
наиболее известные виды таких орбит, имеющих разные высоты, перио¬
ды обращения и, как следствие, специфические особенности движения,
построения и динамики группировок КА.
Как известно, положительным свойством ВЭО, в определенном
смысле близким ГСО, в частности, при 12-часовой орбите типа «Мол¬
ния», является относительно медленное для земных станций переме¬
щение КА на участках до и после апогея, что выражается, прежде все¬
го, в достаточно слабом изменении углов связи при работе ЗС на этих
участках. Ранее, до того, как требования к малым размерам антенн ЗС
получили широкое распространение в связи с появлением сетей типа
УЗАТ, а также развитием мобильной и персональной спутниковой свя¬
зи, т. е. во времена применения, в основном, антенн большого диаметра
с электромеханическим приводом для наведения и слежения, данное
качество особо ценилось применительно к ГСО. Однако в последнее де¬
сятилетие возник повышенный интерес к более глубокому изучению
и использованию подобных же возможностей у ЭО, в зависимости от
выбора их орбитальных параметров. Появился целый ряд проектов и
патентов, относящихся к отдельным КА на ВЭО и/или многоспутни¬
ковым группировкам, «эмулирующим» свойства геостационарных КА,
но построенным на основе эллиптических орбит.
Так, в январе 1999 г. компанией У1г1;иа1 ОеозаЫНСе 1ХС в федераль¬
ную комиссию связи США были подана заявка на создание глобальной
системы спутниковой связи, использующей патенты Г13 5845206, 115
5957409, 115 6263188В1. В них предусматривалось использовать ОГ на
эллиптических 8- или 6-часовых геосинхронных орбитах с наклонением
63°26', аргументом перигея 315°, различными для каждого КА значения¬
ми восходящего узла (прямого восхождения) и средней аномалии. В со¬
став группировки предлагалось включить до 10 КА и создать за счет ко¬
личества СР (каждый из которых находится во включенном положении
в течение относительно небольшого, активного, участка трассы) некий
пояс СР, близкий к геостационарному, но не над экватором, а на широте
около 63°. В связи с этим система получила название УшШаЮео [4.4].
270
Эллиптические наклонные орбиты с периодом обращения 16 часов
и 48 часов также рассматривались как возможные для создания орби¬
тальных группировок, имеющих те пли иные положительные свойства
или в чем-то приближающихся к ГСО.
В качестве основных примеров, представляющих практический ин¬
терес для решения обсуждавшихся выше задач построения российской
ССС. здесь будут более подробно рассмотрены особеннос ти и количест¬
венные характеристики орбитального построения спу тников на основе
ВЭО типа «Молния» с периодом обращения 12 часов, су точных ВЭО
(с периодом 24 часа), а также группировок, известных как УпДиаЮео и,
в частности, одной из них, названной «СОВКА», с 6- пли 8-часовым пе¬
риодом обращения КА.
4.1. ВЫСОКОЭЛЛИПТИЧЕСКАЯ 12-ЧАСОВАЯ
ОРБИТА ТИПА «МОЛНИЯ»
Впервые орбитальная структура, эмулирующая основное преиму¬
щество геостационарных спутников — близкое к фиксированному рас¬
положение СР относительно ЗС (в гринвичской системе координат, при
учете вращения Земли) — была предложена в СССР и получила назва¬
ние «Молния» [4.1—4.3]. Как известно, главные характеристики ВЭО
типа «Молния» состоят в том, что КА находится на орбите с периодом
обращения, близким к 12 часам, наклонением около 63°24' и эксцентри¬
ситетом, соответствующим апогею высотой порядка 40 000 км при вы¬
соте перигея 500—1000 км.
Траектория движения КА по орбите «Молния» в инерциальной сис¬
теме координат показана на рис. 4.1.
В зависимости от заданной величины эксцентриситета высота спут¬
ника в апогее и перигее будут меняться и, наоборот, вариация этих пара¬
метров приводит к изменению эксцентриситета. Из соображений устой¬
чивости орбиты по отношению к тормозящему влиянию верхних слоев
атмосферы и возмущающему воздействию гравитационного поля Земли
перигей рекомендуется выбирать не меньше 500 км.
Согласно многим источникам, классическая трасса (линия подспут¬
никовых точек) КА типа Молния, в зависимости от орбитальных пара¬
метров, на рабочем участке представляет собой характерную кривую в
виде петли на поверхности Земли (рис. 4.6—4.8). Стабильность любой
трассы и точность повторения ее в пространстве и времени, от перио¬
да к периоду, зависит от устойчивости положения линии узлов орби¬
ты. Наклонение 63°26' обеспечивает нулевой вековой уход линии узлов
271
Перигей
Рис. 4.1
в пространстве, в приближении, учитывающем только вторую зональ¬
ную гармонику в разложении гравитационного поля Земли, имеющей
несферическую форму. В зависимости от значений эксцентриситета и
аргумента перигея может быть образовано семейство орбит.
Применяемая более 40 лет группировка Молния состоит из 4-х КА,
которые в инерциальной системе координат могут располагться в 4-х
равномерно разнесенных орбитальных плоскостях, т. е. долготы восхо¬
дящего узла орбит отстоят друг от друга на 90°. Кроме того, КА в сосед¬
них плоскостях могут быть сдвинуты по фазе относительно друг друга
на половину периода. Это означает, что если в первой плоскости КА на¬
ходится в апогее, то во второй в перигее, в третьей — в апогее со сдвигом
на 180° по долготе, в четвертой в перигее.
Такое орбитальное построение весьма эффективно, ибо обеспечива¬
ет согласованное синфазное движение КА относительно земных стан¬
ций. Если период обращения по орбите кратен звездным суткам (23 ч
56 мин 04 с), а скорость углового вращения Земли составляет величину,
272
Рис. 4.2
примерно равную 15 град, в час, то за половину периода (около 6 часов)
Земля поворачивается на 90 град. Таким образом, спутники, запущен¬
ные в четыре орбитальные плоскости со сдвигом во времени 6 часов, бу¬
дут проходить над одними и теми же наземными пунктами, т. е. иметь
одну и ту же трассу. Такая группировка является изомаршрутной.
На рис. 4.3 показана трасса невозмущеного движения подспутнико¬
вой точки КА с указанными параметрами, соответствующая известной
орбите типа «Молния». Так как период рассматриваемой орбиты состав¬
ляет около 12 часов за сутки, то траектория К А в гринвичской системе
координат формирует одну рабочую петлю витка над восточным полу¬
шарием, а другую — над западным (рис. 4.4). Соответственно один из
витков является основным, а другой сопряженным.
Графические примеры пространственного расположения КА на ор¬
бите типа «Молния» в двух системах координат — инерциальной геоцен-
273
274
Рис. 4.3
Таблица 4.1.
Большая полуось: а
26 562 кш
Эксцентриситет: е
0,738
Наклонение орбиты: г
65°00'00"
Высота апогея #а
39 781 кш
Высота перигея #р
600 кш
Долгота восходящего узла: ^
Определяется требованиями к расположению апогея
Аргумент перигея: оэ
270°00'00"
Аргумент широты: и
00°00'00"
Рис. 4.4
275
трической (абсолютной) и гринвичской (относительной), приведенные,
например, в [4.5], показаны на рис. 4.2, 4.4. Орбиту с набором элемен¬
тов, зафиксированных в описании изобретения [4.5] и приводимых в
табл. 4.1, его авторы назвали «Кентавр».
Как видно из таблицы, особенностью ВЭО «Кентавр» является зна¬
чение наклонения 65°, отличающееся от угла / = 63,4°, используемого
обычно в ССС на базе ВЭО типа «Молния». В остальном движение КА
в ОГ из четырех спутников по орбите, запатентованной как «Кентавр»,
не обладает какими-либо особыми свойствами. Расчеты, приведенные
ниже, показывают, что трасса КА в районе апогея имеет форму узкой
вытянутой восьмерки, т.е. два узла (рис. 4.5), как при значениях шести
элементов орбиты из табл. 4.1, так и при различных комбинациях пара¬
метров, приводимых обычно для традиционной орбиты типа «Молния»
и содержащихся, например, в [4.1—4.3|.
Рис. 4.5
276
Рис. 4.6
Согласно [4.5] время движения КА по верхней петле восьмерки со¬
ставляет б часов. Это означает, что два КА, находящихся в соседних ор¬
битальных плоскостях, один из которых движется от перигея к апогею,
а другой от апогея к перигею, «встречаются» в верхнем узле восьмерки.
Таким образом, верхняя петля представляет собой рабочую часть трассы
группировки СР с орбитой «Кентавр». Построенная описанным спосо¬
бом, ОГ из 4-х спутников обеспечивает постоянное присутствие одного
из них в рабочей части на основном и на сопряженном витке, длитель¬
ность которой составляет около 6 часов.
Данная орбита соответствует одному из вариантов параметров сочета¬
ния 12-часовой геосинхронной ВЭО, в общем случае и в известном смысле
обеспечивающей имитацию (эмуляцию) стационарности КА относитель¬
но земного наблюдателя, в связи с чем ее, как и некоторые другие орбиты
при определенных условиях, называют псевдостационарной.
Отметим, что смена КА в узле и ограничение рабочего участка
верхней петлей, по-видимому, не являются необходимым условием.
Более важно выполнение условий геосинхронности и взаимного фа¬
зирования орбит, обеспечивающих изомаршрутность трассы и непре¬
рывность связи. Тогда как критериями выбора точек и времени смены
277
(включеиии/ выкл ючспия) СР па орбите могут и должны быть такие
показатели, как углы видимости (места), наклонная дальность до КА
и, в конечном итоге, плотность потока мощности, излучаемой или при¬
нимаемой СР.
13 связи с этим следует также иметь в виду, что сама по себе форма
трассы еще не характеризует в полной мере изменения указанных пока¬
зателей в процессе движения КА на рабочем участке, в особенности, для
ЗС, удаленных отточки иод апогеем по долготе и широте, и, прежде все¬
го, находящихся па краях ЗРВ. Можно считать, что форма трассы лишь
качественно отражает приближение к стационарности наблюдения КА
зем 11 ы м и с га и ц и я м и.
Далее (здесь и в разделе 4.4) рассматривается влияние параметров
(элементов) орбиты на процесс квазистационарности в указанном смыс¬
ле н на форму трассы, в том числе. 11а рис. 4.6 показано, как эволюцио¬
нирует трасса КА при вариации значения эксцентриситета от 0,738, при¬
нятого за номинал (крайняя слева кривая), до 0,722 (крайняя справа
трасса), с шагом 0,004 и наклонении орбиты г — 65°.
На рис. 4.7 приведены трассы КА для ВЭО типа «Молния» с отли¬
чающимися параметрами г, е. Слева показана трасса для номинальных
значений орбиты «Кентавр» г = 65° и е = 0,738, в центре — для г — 64° и
е = 0,728, справа — для г — 63°30' и е = 0,722.
Анализируя рис. 4.6, 4.7, можно предположить, что за счет подбо¬
ра сочетания таких параметров орбиты, как эксцентриситет и накло¬
нение, начало и конец 6-часового рабочего участка (±3 часа от апогея)
возможны в момент прохождения КА узла верхней петли трассы в виде
восьмерки. Согласно 14.5], это достигается при параметрах орбиты «Кен¬
тавр», приведенных в табл. 4.1,4.2. В то же время, как следует из рис. 4.7
и табл. 4.2, очень близкие формы трассы имеют место и при наклонении
орбиты г = 63°30' с эксцентриситетом е = 0,722, и для пары параметров
Таблица 4.2
Большая полуось:
26 562 кш
26 562 кш
26 562 кш
Эксцентриситет:
0,738
0,728,
0,722
Наклонение орбиты:
65°00'00"
64°
63°30'
Высота апогея
39 781 кш
39527,6
39368,3
Высота перигея
600 кт
853,4
1012,7
Долгота восходящего узла:
Определяется
Определяется
Определяется
долготой апогея
долготой апогея
долготой апогея
Аргумент перигея:
270°00'00"
270°00'00"
Аргумент широты:
00°00'00"
00°00'00"
00°00'00"
278
Рис. 4.7
г = 64° ие = 0,728 (во всех случаях при одной и той же величине боль¬
шой полуоси).
В заключение показано влияние на трассы подспутниковых точек
вариаций такого параметра орбиты, как аргумент перигея. Рис. 4.8 ил¬
люстрирует изменение формы трассы с параметрами ВЭО типа «Мол¬
ния» при вариации аргумента перигея от значения 250° до 290° с ша¬
гом 10°. Видно, что при со = 270° трасса имеет симметричную форму с
279
двумя петлями. Для отличающихся значений аргумента перигея она рас¬
ширяется по долготе и изгибается влево при значениях, меньших 270°, и
вправо — при больших 270°, причем замкнутые петли отсутствуют.
4.2. ВЫСОКОЭЛЛИПТИЧЕСКАЯ 24-ЧАСОВАЯ ОРБИТА
И ГРУППИРОВКИ ТИПА «ТУНДРА»
Построение большинства спутниковых группировок на основе гео¬
синхронных наклонных орбит с периодом обращения около 24 часов
основано на том, что траектория движения КА относительно гринвич¬
ской системы координат, связанной с Землей, представляет собой про¬
странственную фигуру, напоминающую «восьмерку». В том случае, ко¬
гда орбита спутника является не круговой, положение узла и размеры
петель этой «восьмерки» можно варьировать путем подбора элементов
ВЭО, в частности, эксцентриситета. Также, за счет выбора соответст¬
вующих параметров орбиты, может быть реализовано конвейерное дви¬
жение КА, при котором осуществляется синхронное вхождение нового
280
КА в рабочую область, одновременно с выходом из нее отработавшего
спутника.
Подобная концепция изложена, например, в [4.6] и реализована в
американской ССС радиовещательной службы Згпиз. Развертывание ОГ
для этой системы производилось с помощью российских РН Протон.
Близкий тип орбит, но с несколько отличающимися параметрами ис¬
пользован в российском проекте Зеркало-КС [4.7] и в [4.8]. Общей осо¬
бенностью большинства предлагавшихся ССС па базе суточной ВЭО
является существенное снижение эксцентриситета (по сравнению с ВЭО
с низким перигеем порядка 500 -1000 км, как суточной, гак и 12-часо¬
выми) за счет подъема перигея до десятков тысяч км, т. е. приближение
их к круговым орбитам.
Суточные геосинхронные ВЭО с наклонением 63,4° позволяют обес¬
печивать достаточно большие углы возвышения над горизонтом для тер¬
риторий вблизи подапогейной области, ч то необходимо для качествен¬
ного и уверенного приема радиопрограмм. Так, два из трех спутников
5тиз, одновременно находящихся над Северной Америкой, видны на
ее широтах под углами от 60° до 90°, при отсутствии «мертвых зон», где
прием сигналов невозможен. Радиопрограммы системы 5тиз ретранс¬
лируют 105 наземных передатчиков в 46 главных городах США.
В таблице 4.3. приводятся соответствующие международные обозна¬
чения для КА 5тиз, а также основные параметры орбиты. По данным
ряда источников и из таблицы 4.3 следует, что орбитальная группировка
содержит три плоскости, разнесенные в пространстве по долготе восхо¬
дящего узла на 120°.
Эксцентриситеты, а также аргументы перигея каждого из КА не¬
сколько различаются, с учетом необходимой коррекции орбит, накло¬
нение колеблется около 63°30'. Данные значения близки к номинальным
Таблица 4.3
Номер
Название
Международ¬
ный иденти¬
фикатор
Наклоне¬
ние
Эксцен¬
триситет
Аргумент
перигея
Долгота восх.
узла
2639011
2648311
2662611
51КШ5 1
51КШ5 2
51К.Ш5 3
2000-035А
2000-051А
2000-077А
62,9950°
63,4199°
63,5898°
0,2646085
0,2670472
0,2672873
268,8825°
268,8576°
270,3882°
268,2490°
148,2807°
28,2433°
Таблица 4.4
Тип орбиты
Наклонение
Эксцентриситет
Большая
полуось
Аргумент перигея
Тундра
63° 24'
0,27
42157,5
о
О
сч
281
параметрам элементов орби ты, известной под названием «Тундра», ука¬
занным в табл. 4.4. Трасса КА, построенная для этих значений, показана
на рис. 4.9.
Согласно [4.8] движение КА фазируется таким образом, что время
прохождения восходящего узла для соседних орбитальных плоскостей
отличается на одну треть периода обращения, что позволяет получить
Рис. 4.9
282
изомаршрутность трассы. Сочетание номинальных значений наклоне¬
ния и эксцентриситета орбиты может быть подобрано для обеспечения
конвейерного движения, при котором подспутниковая точка одного КА
входит в верхнюю петлю трассы, а другая — покидает ее. При этом рабо¬
чая часть орбиты будет иметь длительность в одну треть периода.
На рис. 4.10 показано пространственное построение ОГ в инерци¬
альной системе координат. Поскольку значение эксцентриситета орбиты
относительно невелико, траектории КА представляются почти круговы¬
ми. В гринвичской системе координат форма траектории представляет
собой трехмерную замкнутую пространственную кривую, сильно напо¬
минающую восьмерку с неравными по размеру петлями, описываемую
на сфере движения КА (рис. 4.11).
Что касается формы трассы, то влияние на нее значения эксцентри¬
ситета при суточной орбите проявляется значительно более явно, чем
при 12-часовой ВЭО. Изменение формы трассы ОГ «Тундра» при вариа¬
ции от номинального значения е = 0,27 до 0 с шагом 0,09 (см. табл. 4.5)
показано на рис. 4.12. Здесь левая кривая соответствует номинальным
параметрам ОГ «Тундра» и гринвичской долготы восходящего узла 268°.
Правая крайняя кривая соответствует нулевому значению эксцентри¬
ситета. Рассматривая рис. 4.12, заключаем, что постепенное уменьшение
значения эксцентриситета от 0,27 до 0 приводит к последовательному
увеличению размера верхней части петли трассы, вплоть до преобра¬
зования трассы в симметричную восьмерку, т. е. переходу к круговой
орбите.
Наоборот, увеличение эксцентриситета ведет к уменьшению разме¬
ров верхней петли, вплоть до ее пропадания и преобразования сначала
в «острие», а затем расширения трассы по долготе. Так, в проекте ССС
Зеркало-КС [4.7], где выбран е = 0,345, размер верхней петли минимален.
Таким образом, при том или ином количестве орбитальных плоскостей
и их фазировании путем подбора соответствующих параметров орбиты
(эксцентриситета и наклонения) можно получить сочетания, обеспечи-
Таблица 4.5
Параметр орбиты
1
2
3
4
Эксцентриситет
0,27
0,18
0,09
0,00
Наклонение
63°24'
63°24'
63°24'
63°24'
Большая полуось
42 157,5
42 157,5
42 157,5
42 157,5
Аргумент перигея
270°
270°
270°
270°
Высота апогея
47 168,5 ■
43 374,35
39 580,2
35 786,0
Высота перигея
24 403,5
28 197,65
31 991,8
35 786,0
283
284
рис. 4.11
Рис. 4.13
вающие конвейерное движение, при котором один КА приближается к
верхней части петли, а другой ее покидает.
Далее, как показывает анализ, при е > 0,35 боковые ветви петли начи¬
нают совмещаться, превращаясь в линию, а затем, по мере возрастания
эксцентриситета, появляется и увеличивается расхождение сторон трас¬
сы, т. е. ее расширение по долготе (симметрично на участках до и после
апогея), которое достигает максимума при перигее порядка 500—1000 км
[4.3,4.9]. Последнее иллюстрируется рис. 4.13.
В табл. 4.6 в качестве примеров приведены параметры орбитальных
группировок КА с суточной орбитой на основе двух, трех, и четырех
орбитальных плоскостей, а на рис. 4.14 — трассы, при которых может
обеспечиваться конвейерное движение. Первый вариант относится к
двум орбитальным плоскостям с одним КА на круговой орбите в каж¬
дой, разнесенных по долготе восходящего узла на 180° (крайняя кри¬
вая слева).
Второй вариант предполагает три орбитальных плоскости, разне¬
сенные на 120°, по одному спутнику в каждой плоскости. Этот вариант
имеет, как минимум, два случая. Первый соответствует номинальным
значениям эксцентриситета и наклонения орбиты типа «Тундра»/Си¬
риус — вторая кривая слева на рис. 4.14. Трасса для второго построе¬
на при значении наклонения 50° для эксцентриситета 0,129 — третья
286
Таблица 4.6
Кол-во КА
2
3
3
4
4
Эксцентриситет
0
0,27
0,129
0,2
0,345
Наклонение
63°24'
63°24'
50°00'
52 “4 5'
63°24'
Большая полуось
42 157,5
42 157,5
42 157,5
42 157,5
42 157,5
Аргумент перигея
270°
270°
270°
270°
270°
Высота апогея
35 786,0
47 168,5
41 224,3
44 217,5
50 330,3
Высота перигея
35 786,0
24 403,5
30 347,7
27 354,5
21 241,7
Разнесение плоскостей
180°
120°
120°
ОС
о
о
оо
О
о
кривая слева. По размеру эта кривая заметно меньше классического
варианта.
По третьему варианту ОГ построена из четырех плоскостей, разне¬
сенных по долготе восходящего узла на 90° и содержащих по одному
КА в каждой плоскости. Фазовое запаздывание прохождения восходя¬
щего узла соседними КА составляет четвертую часть периода. Для это¬
го варианта также возможны два случая с разными парами параметров
наклонения и эксцентриситета, которые отражены в колонках 4, 5 и им
соответствуют две правые трассы КА.
4.3. ВИРТУАЛЬНЫЕ ГЕОСТАЦИОНАРНЫЕ ГРУППИРОВКИ
НА БАЗЕ ШЕСТИ- И ВОСЬМИЧАСОВЫХ ЭО
Помимо двух рассмотренных видов ВЭО, которые называют ква-
зигеостационарными, благодаря существенному замедлению скорости
движения («зависанию») КА вблизи апогея, в мире широко исследуются
и предлагаются к применению две более низкие геосинхронные эллип¬
тические орбиты 8- и 6- часовая, с перигеями того же порядка (500 —
1000 км) и апогеями высотой 27-28 и 19-20 тыс. км, соответственно.
Близкие по форме трассы движения КА на этих орбитах, число которых
при круглосуточном покрытии должно быть не менее числа периодов
обращения КА за сутки, приведены на рис. 4.15 и 4.16, соответственно,
для наклонения 63,4° и аргумента перигея 270 .
Наклонение и аргумент перигея при этом выбираются из соображе¬
ний, определяемых той или иной конфигурацией многоспутниковой ОГ
и влиянием долговременных возмущений.
Из-за меньшего эксцентриситета изменение во времени высоты,
дальности и др. орбитальных параметров вблизи апогея этих ЭО про¬
исходит быстрее, чем для двух других рассмотренных, более высоких
ЭО. Поэтому свойство виртуальной геостационарности может обеспечи-
287
ваться скорее за счет более частой смены КА вблизи апогея, что достига¬
ется увеличением (т. е. избытком) их количества в ОГ, при сокращении
времени рабочего участка, и создания, таким образом, «пояса» из разне¬
сенных по долготе апогейных позиций на широте около 63° (в отличие
от экваториального пояса КА на ГСО). Очевидно, что, благодаря такому
построению, вместе с повышением пропускной способности ССС, бу¬
дет иметь место и более полный глобальный охват земной поверхности
[4.10,4.11].
В частности, в [4.12] предлагаются две отдельные (отличающиеся
значением аргумента перигея) ОГ из пяти КА каждая, в 10 разных плос¬
костях, для образования указанного пояса над северным полушарием.
Дополнительно, для южного полушария полагается достаточным одной
ОГ из 5 КА. Подобное, наиболее известное решение под названием Уш-
шаЮео на 8-часовой ЭО, иллюстрируется рис. 4.17 (справа - вид ОГ со
стороны южного полюса).
В одной из предлагаемых ССС образуется 9 орбитальных т.н. «ак¬
тивных дуг», центры которых соответствуют точкам апогея в северном
полушарии (один из 10 КА, по видимому, является резервным). Спут¬
ники движутся от одной дуги к следующей по повторяющейся трассе,
поэтому на каждой активной дуге всегда находится во включенном со¬
стоянии один СР, а остальные при этом могут быть выключены. Послед¬
нее позволяет определенным образом сгладить затраты на избыточность
КА за счет снижения их массы, экономии энергоресурса и продления,
таким образом, срока активного существования.
Позднее на основе ЭО, также с несколькими предпочтительными пе¬
риодами обращения (8,6,4 ч.), в [4.13,4.14] были предложены и сконструи¬
рованы орбитальные группировки, позволяющие, помимо виртуальной
геостационарности, решать проблему совместимости с КА на ГСО. По¬
добные ОГ, использующие 6 или 8-часовую ЭО, получили условное и об¬
разное название СОВКА (Соттишсабопз ОгЫ<лп§ Вгоа8Ъапс1 Кереа1т§ Аг-
гауз). Иногда их также называют ТеагОгор, поскольку рабочая часть петли
формируемой трассы подспутниковых точек имеет каплевидную форму.
Один из наиболее простых вариантов данной ОГ с 8-часовой орбитой
характеризуется номинальными значениями параметров, при изменяю¬
щихся аргументах перигея со и средней аномалии М, которые приведены
в табл. 4.7.
Поскольку период орбиты составляет 8 часов, за сутки КА делает три
полных оборота вокруг земли, после чего трасса приходит в исходное по¬
ложение. Таким образом, в составе ОГ для полного суточного покрытия
при идеальном фазировании должно быть, как минимум, 6 спутников.
289
Рис. 4.15
Рис. 4.16
На рис. 4.18 показаны трассы К А, находящихся в плоскостях 1—3,
которые характеризуются значением аргумента широты перигея 232°
и разнесены друг относительно друга на 120°. Временное фазирова¬
ние движения КА в этих орбитальных плоскостях обеспечивает од¬
новременное прохождение апогеев, которые равномерно разнесены по
долготе в северном полушарии и на рис. 4.18 соответствует положению
маркеров подспутниовых точек. Изменение формы и наклона трассы
290
Рис. 4.17
но сравнению с рис. 4.15, 4.10 объясняется отличием аргумента пери¬
гея от 270°.
Орбитальные плоскости 4 б организованы аналогичным образом,
только они смещены относительно плоскостей 1 3 па 38,3°, что обес¬
печивает поддержание конвейерного движения в области пересечения
апогейных участков трасс подспутниковых точек. Фазирование движе¬
ния КА в плоскостях также обеспечивает одновременное прохождение
перигеев, которые расположены в южном полушарии, и соответствует
положению маркеров подспутниковых точек (рис. 4.19).
Соответственно, рассматривая полную орбитальную группировку,
состоящую из 6 орбитальных плоскостей, по одному КА в каждой, по¬
лучим картину, показанную на рис. 4.20. Рабочая область трасс выделе¬
на рамкой и имеет два узла, где происходит переключение космических
аппаратов. Широта северного узла составляет величину 61,8°, а широта
южного узла — 19,9°. Вид орбитальной группировки в инерциальной (не
вращающейся) системе координат показан на рис. 4.21. Это 6 эллиптиче¬
ских орбит, соответствующим образом ориентированных в пространст¬
ве. Картина в гринвичской системе координат, связанной с вращающей-
Таблица 4.7
Номер КЛ
а (км)
е
((град)
ДВУ (град)
со (град)
М(град)
1
20 261
0,6458
63,41
138,5°
232°
180
2
20 261
0,6458
63,41
18,5“
232°
180
3
20 261
0,6458
63,41
258,5°
232°
180
4
20 261
0,6458
63,41
100,2°
о
ОО
О
со
0
5
20 261
0,6458
63,41
240,2°
о
ОО
о
со
0
6
20 261
0,6458
63,41
320,2°
308°
0
291
ся Землей, выглядит, как показано на рис. 4.22 и со стороны Северного
полюса — на рис. 4.23.
Получить полную группу начальных условий для расчета движения
КА в ОГ типа СОВКА можно, имея в виду тот факт, что положение аргу¬
мента перигея для двух групп орбитальных плоскостей отличается от 270°
на 38,3°, только в разные стороны, а обе группы орбитальных плоскостей
сдвинуты относительно друг друга на 81°42'. Таким образом, для первой,
второй, третьей плоскости разность между долготами восходящего узла
КА в соседних орбитальных плоскостях оставляет 120°, а аргумент пери¬
гея — 232°. Для этих плоскостей аргумент широты будет равен 90°- 38,3°,
что составляет 51,7° и обеспечивает начало расчета движения К А в момент
прохождения апогея.
Для орбитальных плоскостей 4—6 разность между долготами восхо¬
дящего узла соседних плоскостей также оставляет 120°, но вся структура
сдвинута относительно первых трех плоскостей соответственно на 81°42'.
Для четвертой, пятой и шестой орбитальных плоскостей аргумент перигея
будет 270 + 38°, что равно 308°. Так же для вторых трех плоскостей аргумент
широты составляет 90° + 38°, что равно 308° и обеспечивает начало расчета
движения КА в момент прохождения перигея.
Таблица 4.8 содержит полную группу начальных условий для расчета
движения КА, обеспечивающую необходимое фазирование.
Приведенные соображения иллюстрируют общий подход к построе¬
нию более сложных многоспутниковых ОГ типа СОВКА, предложенный,
например, в [4.15]. Он заключается в наращивании числа КА, выводи¬
мых в каждую плоскость, и получении, таким образом, более коротких
активных дуг (пространственно-временных слотов) на одной и той же
трассе, с целью обеспечения их независимого использования разными
группами ЗС, либо многократного покрытия 30 несколькими, напри¬
мер, тремя СР. Таким образом, при 8-часовой ЭО группировка может
состоять из 9 КА (по три в каждой плоскости), 12 (по 4 КА в плоскости),
18 (по 6 КА в плоскости) и т. д., при их соответствующем разнесении во
времени (по средней аномалии).
Согласно [4.15] орбитальные параметры позволяют использовать до
20 КА на каждой активной дуге трассы при минимальном угловом раз¬
несении между ними по меньшей мере 2°. При этом аргумент перигея КА
должен выбираться таким образом, чтобы активные участки соседних
трасс располагались максимально близко, без создания взаимных помех
в работе СР. Приводимые там же оценочные значения аргумента перигея
составляют от 195 до 345 град, для апогея в северном полушарии и от 15
до 165 град, для апогея в южном полушарии.
293
Рис. 4.21
Рис. 4.22
296
Рис. 4.23
В результате предлагаемая в [4.15] система претендует на формиро¬
вание 24-х трасс с 72-мя активными дугами в каждом полушарии, на¬
ходящиеся на которых СР не создают взаимных помех один другому.
Тогда, при максимальном количестве КА на каждой дуге, равном 20,
суммарное число эквивалентных слотов составит 2880, что при мини¬
мальном угловом разнесении между КА в 2° в 16 раз превышает количе¬
ство равновеликих орбитальных слотов на существующем кольце ГСО.
Картина орбитального построения такой ССС, действительно похожая
на кобру, приведена на рис. 4.24.
4.4. ИЗМЕНЕНИЕ УГЛОВ СВЯЗИ ПРИ ДВИЖЕНИИ КА
НА РАБОЧЕМ УЧАСТКЕ 30
Рассмотренные формы трассы, т. е. изменения координат спутника
в процессе движения по орбите, дают представление о закономерностях
297
Таблица 4.8
^ о|Н' и ин мч 1 и
1
2
3
4
5
~6 ~~
Время
начальных
условий,с
ООчООмОО
ООчООмОО
ООчООмОО
ООчООмОО
ООчООмОО
ООчООмОО
Большая
полуось
20261,0
20261,0
20261,0
20261,0
20261,0
20261,0
Эксцентри¬
ситет
0,64580
0,64580
0,64580
0,64580
0,64580
0,64580
Наклон.
орбиты
63°24'
63°24'
63°24'
63°24'
63°24'
63°24'
Долгота
восх.узла
18°30'00"
138°30'00"
258°30'00"
100°12'00"
220°12'00"
340°12'00"
Аргумент
перигея
232°00'00"
232°00'00"
232°00'00"
308°00'00"
308°00'00"
308°00'00"
Аргумент
широты
52°00'00"
52°00'00"
52°00'00"
308°00'00"
308°00'00"
308°00'00"
Высота КА,
км
26974,3
26974,3
26974,3
805,2
805,2
805,2
и степени перемещения КА относительно земных станций, разбросан¬
ных по территории зоны обслуживания, в частности, России и полярных
районов Мирового океана. Результатом снижения скорости движения
КА вблизи апогея В ЭО является уменьшение по величине и замедление
во времени изменений углов места и дальностей между ЗС и СР, допле-
Рис. 4.24
298
ровских сдвигов по частоте, времени распространения, которые зависят
от орбитальных параметров и географических координат ЗС.
При сравнении разных орбит чрезвычайно важна количественная
оценка этих изменений по отношению к каждой отдельно взятой и всей
сети ЗС, с точки зрения динамики наведения антенн ЗС, энергетики ли¬
ний связи, учета влияния рельефа и разного рода препятствий па трассе
распространения радиосигналов, обеспечения синхронизации, а также
обеспечения ЭМС с другими системами, космическими и наземными.
Такая оценка выполняется ниже.
Следует подчеркнуть, что та или иная степень стабильности пока¬
зателей положения СР на орбите и его трассы относительно ЗС в зоне
обслуживания может обеспечиваться за счет двух факторов: собс твен¬
но орбитальных параметров каждого, отдельно взятого КА и взаимного
расположения КА на орбитах в составе группировки, т. е. конфигурации
многоспутниковой ОГ. Это подтверждается приведенными выше при¬
мерами орбитальных структур для различных типов орби т.
Использование (преобладание) того или иною фактора зависит от
орбитального построения ССС в целом, т. е. и от типа, параме тров орби¬
ты, и от структуры, параметров всей группировки. Как будет под твер¬
ждено ниже, примером применения первого из факторов можно считать
12-часовую ВЭО, в частности, типа «Молния», тогда как на основе вто¬
рого построены системы УшШаЮео, в частности группировки тина СО¬
ВКА. Здесь будет уделено внимание группе вопросов, связанных с пер¬
вым фактором, по понятной причине его несравнимо более реальной
возможности использования.
В [4.1, 4.3, 4.9] и др. источниках приведены некоторые результаты
расчета и анализа зависимости изменения углов связи от параметров
орбиты вообще и 12-часовой ВЭО типа «Молния», в частности. Восполь¬
зовавшись классическими соотношениями, вытекающими из кеплеров-
ских законов невозмущенного движения, применим далее графоанали¬
тический метод для наглядного отображения и расширения указанных
зависимостей применительно к ВЭО.
Согласно [4.3] угол места вычисляется следующим образом:
Р = аГСС§[(31Пф31Пфзс + С05фС08фзсС05Д1,с. - р) /
/ 5Ш(аГССОЗ(5Шф5Шф3(. + С05фС05фзсС05Д1Л(.)],
где: р = К/[а( 1 - есоз!?)] — величина, характеризующая относитель¬
ное текущее расстояние КА от центра Земли; а = 0,5(ЯЛ + Яп + 2К) -
большая полуось; е — эксцентриситет ЭО, Е— эксцентрическая анома¬
лия; ф(г) = агс5т[5т(со+е)51ш] — текущая геоцентрическая широта КА;
299
40
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Рис. 4.26, б
с/0,5Т„
углы оказывает также текущая высота КА (радиус-вектор), отражаемая
в расчетной формуле величиной р = К/[а( 1 - есозТГ)].
5. В целом сравнение графиков этого и предыдущего разделов, а
также ряда других источников, в т. ч. множества патентов, указывает
на значительный разброс углов места и скорости их изменения (в пре¬
делах или вблизи рабочего участка) для разных по высоте орбит и/или
значений эксцентриситета, отличающихся на десятые доли. Вместе с
тем, если рассматривать отдельно только 12-часовую ВЭО, то измене¬
ние эксцентриситета от 0,722 до 0,742, а также и наклонения (напри¬
мер, от 63° до 65°) практически не сказываются на величине и ско¬
рости изменения углов места в пределах указанного временного ин¬
тервала, включающего рабочий участок. Это справедливо как для ЗС,
находящихся вблизи долготы апогея (А1 = 0) в диапазоне широт от 30
до 90 град., так и для крайних, граничных долгот зоны обслуживания
(АЬ = +/-90°).
306
со — аргумент перигея; е — истинная аномалия; Д1К = Щ) - 1и., Ь{1) ~
- агсС§[1§(со + е)со5г] + Ь.л -ыл{1 ~ О ~ текущая гринвичская долгота КА,
I,, Г:) — долгота и время прохождения восходящего узла; со., - угловая
скорость вращения Земли.
Данное соотношение не учитывает полярное сжатие Земли, высоту
ЗС над уровнем моря, а также разницу между геоцентрическими и гео¬
графическими широтами, что приводит к ошибкам в единицы угловых
минут, но вполне допустимо при проводимом анализе значений углов
места и их изменения во времени.
С использованием подобных соотношений и соответствующих по¬
правок обычно рассчитываются целеуказания для наведения антенн ЗС,
с их помощью также можно получать зависимости времени радиовиди¬
мости от параметров ЭО и координат ЗС, наносить па карту трассы и
ЗРВ для тех или иных орбит и т. д.
Как можно видеть, величина угла места в любой момент времени
определяется координатами СР и ЗС, причем первые (широта и дол¬
гота КА) меняются во времени в соответствии с изменением истинной
аномалии (при фиксированном значении аргумента перигея), которая в
свою очередь зависит от большой полуоси и эксцентриситета орбиты,
т. е. высот апогея и перигея. На ход зависимости угла р от времени оказы¬
вает влияние и величина р, выражаемая через текущую высоту КА, т. е.
эти же параметры и эксцентрическую аномалию Е. Кроме того, долгота
спутника I в относительной геоцентрической (гринвичской) системе ко¬
ординат и ее изменение во времени в значительной степени зависят от
соотношения угловых скоростей движения Земли и КА, т. е. в конечном
счете от тех же параметров.
Для количественного анализа закономерностей изменения углов
места, с целью сравнения ВЭО с разными высотами апогея, периодами
обращения, эксцентриситетами, другими параметрами и элементами
орбиты, удобно ввести относительное время нахождения КА в той или
иной фазе траектории в виде отношения текущего времени движения,
с началом отсчета от точки перигея, к значению полупериода обраще¬
ния */0,5Гэ.
При этом будем считать, что началу рабочего участка 12-часовой
ВЭО (длительностью порядка 8—6 часов) соответствует область значе¬
ний вблизи ^/0,5ГЭ = 0,3—0,5, тогда как при минимальном (для обеспе¬
чения приемлемых углов связи) числе КА на 24-часовой ВЭО, равном
3, длительность рабочего участка должна быть не менее 8 часов, что
соответствует приблизительным значениям для начала РУ */0,5ТЭ =
= 0,6-0,7.
300
Рассчитанные зависимости угла места от относительного текуще¬
го времени прохождения спутником основной части «восходящего»
полувитка, в пределах ^/0,5Т.л = 0,3—1, приведены на рис. 4.25—4.26
для двух основных видов геосинхронных ВЭО (12- и 24-часовой) с раз¬
личными, характерными значениями эксцентриситета и др. параметров
при (о = 270° и г = 63,4°, нескольких, характерных для обслуживания
российских и полярных территорий значениях широты ЗС (рзс (60, 40,
90 град.), и разнесения ЗС по долготе Д1.)С, равного 0 и ±90 град, относи¬
тельно линии симметрии трассы КА (проходящей через подапогейную
точку). На втором («нисходящем») полувитке углы изменяются по сим¬
метричному во времени закону.
Особо отметим, что учет углов связи для долгот, отстоящих от трас¬
сы на 70—90 град., особенно важен для России, имеющей, в отличие от
всей Европы и США, территорию, более чем вдвое растянутую по дол¬
готе. В то же время в системе Сириус, а также множестве американских
и европейских патентов, используется и рассматривается рабочее раз¬
несение долгот не более 35 -40 град.
Здесь и далее на чертежах цифры при каждой кривой типа 12-0722,
24-035 — означают период обращения в часах и эксцентриситет ЭО (за¬
пятая после нуля для простоты не показана).
Рассмотрение графиков приводит к следующим результатам.
1. Зависимости на рис. 4.25 относятся к расположению ЗС на широ¬
те 60, 30 и 90 градусов, соответственно, и на долготе апогея, принятой
условно нулевой (АЬ.ЛС = 0). Наиболее важный результат состоит в том,
что в центре зоны по долготе на всех широтах значения углов связи р
наиболее стабильны для 12-часовой и сильно меняются при 24-часо¬
вой (суточной) ВЭО (отклонение от подапогейного значения превыша¬
ет 20°).
Кроме того, в нижней части рис. 4.25, а показано изменение углов
места для ЗС, находящихся на том же меридиане в другом полушарии,
т. е. при АЬЗС = 180°. Здесь следует отметить, что наибольшие углы в дан¬
ном случае обеспечивает более высокая суточная орбита с низким пе¬
ригеем (500—1000 км) и, соответственно, максимальным эксцентриси¬
тетом (е = 0838).
Со снижением широты до 30° при АЬЖ = 0 (рис. 4.25, б) значения
угла места по понятным причинам уменьшаются, их зависимость от па¬
раметров ВЭО усиливается, при этом изменения углов на 6-часовом ра¬
бочем участке ВЭО типа «Молния» остаются достаточно малыми (до 5°),
тогда как для 24-часовой ВЭО они имеют еще больший разброс во вре¬
мени (до 30°). В то же время, при суточной орбите и снижении эксцен¬
301
триситета относительно максимального (е = 0,838, рис. 4.13) имеет место
заметное возрастание углов, в частности, и по сравнению с 12-часовой,
на большей части рабочего участка, до и после прохождения апогея. Это
объясняется большим удалением широт порядка 30° (вплоть до 35°- 40°)
от узла верхней петли трассы орбиты типа «Молния» (рис. 4.5,4.7). При¬
чем для суточной ВЭО наблюдается некоторая оптимизация эксцентри¬
ситета (по величинам углов) в районе е — 0,35, что, как отмечалось выше,
проявляется и в самой форме трассы.
По сходным причинам, при нахождении ЗС на полюсе и в полярных
широтах (фзс = 90 град.) углы связи для 24-часовой орбиты с малым экс¬
центриситетом, в частности, типа «Тундра», приведенные на рис. 4.25 в
(трассы см. на рис. 4.9, 4.12, 4.14), значительно уступают 12-часовой ор¬
бите, а также суточной ВЭО се — 0,838, как по величине, так и по откло¬
нениям в пределах всего рабочего участка.
Р°
Рис. 4.25, а
302
В [4.9] показано, что при 6-часовой и, в особенности, с дальнейшим
уменьшением периода и высоты ЭО, начиная с 4-часовой орбиты, из¬
менение у.м. во времени происходит еще более резко — в несколько раз
за половину периода. Тогда как 8-часовая ЭО по стабильности близка
к 12-часовой, а по величине углов занимает промежуточное, между 12-
часовой и суточной ВЭО, положение.
2. Изменение углов для точек наблюдения на рассмотренных ши¬
ротах, но разнесенных по долготе относительно нулевого меридиана
на ±90°, показано на рис. 4.26. Сплошными линиями здесь обозначены
значения для более удаленных долгот ЗС от трассы КА (Д1ЗС = +90°) на
рабочем участке (^/0,5Г3 = 0,5—0,7) в первую половину периода, пункти¬
ром — для долгот ЗС, находящихся в это же время ближе к трассе (ДЬж =
= -90°). Во втором полу периоде, т. е. при 1/§,5Т.л> 1, картина меняется
на обратную и в лучшем положении находятся ЗС с плюсовым сдвигом.
В целом же на каждом витке, в течение всего времени радиовидимости,
303
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
//0,57;
Рис. 4.25, в
гарантированными для тех и других долгот являются меньшие значе¬
ния углов места.
Как видно из графиков на рис. 4.26 а, для широты <р.к. = 60° при АЬЖ =
= ±90° в течение полу периода обеспечиваются углы места: не менее 30°
(на 8-часовом участке) с малыми отклонениями для 12-часовой ЭО. Для
суточной ВЭО (также на 8-часовом участке) — порядка (25—35)°, в за¬
висимости от эксцентриситета и длительности рабочего участка, но с
много большей нестабильностью (порядка 15°—20°).
Для ф.1С. = 40° (рис. 4.26, б) гарантированные значения углов, состав¬
ляющие (23—27)° на рабочем участке в 0,5 периода, достаточно стабиль¬
ны во времени лишь при 12-часовой ВЭО. Суточная ВЭО, в зависимости
от длины рабочего участка, гарантированно обеспечивает на его грани¬
цах углы места порядка (10—15) градусов.
4. Анализ полученных зависимостей и составных частей расчетно¬
го соотношения для углов места показывает, что существенный вклад в
304
значения переменной Р(г) вносят члены с ып<р и созср, т. е. изменение уг¬
лов происходит в зависимости от аргумента широты КА и = со + е, кото¬
рый меняется при движении по истинной аномалии. Степень влияния
последней во многом зависит от эксцентриситета и обуславливает про¬
странственно-временные соотношения широты и долготы спутника (т. е.
форму его траектории и, как следствие, трассы КА). В конечном итоге
значения и закон изменения этих координат спутника, вместе с высотой
орбиты (с учетом вращения Земли) и определяют величину и характер
изменения углов связи в процессе полета, т. е. во времени.
На рис. 4.27 показаны зависимости относительной долготы и ши¬
роты К А (подспутниковых точек трассы) в тех же временных коорди¬
натах по оси абсцисс, что и на рис. 4.25, 4.26. При анализе они подтвер¬
ждают сказанное выше и наглядно демонстрируют почти полную кор¬
реляцию изменения координат КА с изменением углов места, рассмот¬
ренным выше. Некоторое, значительно менее существенное влияние на
Р°
'/0,5 г„
Рис. 4.26, а
305
6. Из анализа расчетных значений также следует, что сам по себе вы¬
бор элементов орбиты для придания трассе КА на 12-часовой ВЭО топ
или иной формы не является критичным, во всяком случае, при дли¬
тельности сеанса связи через один КА не более 6 часов, т. е. наличии в
системе не менее 4-х КА (или 2-х КА в случае использовании основного и
сопряженного витков). Иначе говоря, при определенном пространствен¬
но-временном построении группировки и соответствующим фазирова¬
нии спутников требования по форме трассы будут не столь жесткие, как
это может показаться, если только эту форму (например, размеры петель
восьмерки) считать критерием стабильности углов связи или дальности,
допплеровского сдвига и т. д. Данное обстоятельство можно считать еще
одним преимуществом орбиты типа «Молния».
По результатам анализа могут быть сделаны следующие общие вы¬
воды:
1. При нулевых и малых расстояниях ЗС от трассы КА по долготе
наибольшие значения углов места (близкие к 90° в середине рабочего
участка и падающие, но не ниже 40°, по мере приближения или удаления
от апогея) для всех орбит соответствуют широте порядка 60°, поскольку
она близка к наклонению ЭО, т. е. является практически подспутниковой
вблизи прохождения апогея. При этом максимальная стабильность углов
во времени имеет место для 12-часовой ВЭО. По мере уменьшения ши¬
роты до 30—40 град, это свойство ВЭО типа «Молния» сохраняется.
При 24-часовой ВЭО долгота КА в процессе движении по рабочему
участку изменяется значительно сильнее, что означает падение значе¬
ний у. м. менее 40° и наибольшее отклонение углов от максимального
при любых широтах ЗС.
2. В тех случаях, когда ЗС, находящиеся на высоких и средних ши¬
ротах (60—30 град ), сильно удалены от трассы КА по долготе (в частно¬
сти. АЬЗС = ±90°), характер относительного изменения углов во времени
в целом сохраняется, причем углы места всех видов ЭО, кроме углов
12-часовой ЭО, резко падают по величине. Так, при срзс = 40° все орби¬
ты, кроме 12-часовой, не обеспечивают необходимых рабочих углов. В то
же время орбита типа «Молния» на краях зоны обслуживания с нижней
широтой 40° имеет изменение р не более 5° при гарантированных абсо¬
лютных значениях углов в районе 25° для 6-часового и не менее 20° для
8-часового рабочего участка (рис. 4.26, б).
Иными словами, хотя размеры мгновенной ЗРВ и углы места при
суточной ВЭО и нахождении КА в апогее имеют большие величины, его
гарантированная зона обслуживания за все время движения КА на ра¬
бочем участке орбиты значительно уступает орбите типа «Молния».
308
3. Что касается полюса (фзс = 90°) и приполярных районов, то зна¬
чения углов связи находятся в пределах (50—(30)° на всем РУ при 12-
часовой ВЭО и при суточной орбите с максимальным эксцентриси го¬
том (низким перигеем), тогда как при высоком перигее {Тундра Си¬
риус) они резко меняются, не превышая 40° на краю рабочего участка
(рис. 4.25, в).
4. Рассмотренные уникальные свойства 12-часовой эллиптической
орбиты являются следствием «зависания» КА на максимальном во вре¬
мени участке траектории по сравнению с другими ЭО. В их основе ле¬
жит, как известно, приблизительное равенство угловых скоростей дви¬
жения спутника и Земли, за счет соответствующих значений и соот¬
ношений высот апогея, перигея, наклонения, а также других элементов
орбиты. Эти физические свойства весьма важны и являются одним из
главных доводов в пользу применения ВЭО типа «.Молния*.
Таким образом, 12-часовая орбита типа «Молния» но величине уг¬
лов места и их стабильности в течение рабочего участка из всех видов
ВЭО является наиболее предпочтительной и приемлемой для обеспе¬
чения связи с высоким качеством. В особой степени данное положение
относится к связи, тем более мобильной, в условиях пересеченной ме¬
стности и различного рода препятствий на территории России, при ее
большой протяженности по долготе, а также прилегающих государств
и Полярного бассейна.
В заключение отметим, что, как следует из 14.9] определенная ста¬
бильность значений углов места отдельно взятого КА наблюдается и при
других типах ЭО, в частности, 6- и 8-часовых, но на меньших территори¬
альных или временных участках зоны обслуживания. В данном случае
также проявляется свойство «квазигеостационарности», но в решающей
степени оно достигается все же за счет большего числа КА и их более
частого прихода в рабочий участок трассы, а не собственно орбиталь¬
ных параметров. Это следует и из приведенных выше примеров много¬
спутниковых систем с избыточностью КА (типа СОВКА), образующих
орбитальную группировку в виде виртуального геостационарного пояса
над широтами около 63°.
309
ГЛАВА 5. ФОРМИРОВАНИЕ И ДИНАМИКА
ЗОН ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ВЭО ТИПА «МОЛНИЯ»
В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ДИАГРАММЫ
НАПРАВЛЕННОСТИ И ОРИЕНТАЦИИ
БОРТОВОЙ АНТЕННЫ
Как и зоны радиовидимости, зоны покрытия земной поверхности
лучом (лучами) ан тенны СР зависят от положения КА на орбите, в про¬
странстве и во времени, и, кроме того, еще от ряда факторов, главны¬
ми из которых являются форма и ширина диаграмм направленности
(ШДН) бортовой антенны, а также пространственная ориентация ее
осей. В общем случае последняя может определяться как в собствен¬
ной системе координат, так и относительно земных или орбитальных
координат.
5.1. ДИНАМИКА ЗОНЫ ПОКРЫТИЯ ЛУЧА БОРТОВОЙ
АНТЕННЫ ПРИ ПОСТОЯННОЙ ОРИЕНТАЦИИ ОСИ ДН
В ПОДСПУТНИКОВУЮ ТОЧКУ И ФИКСИРОВАННОМ
ПОЛОЖЕНИИ ОТНОСИТЕЛЬНО ПЛОСКОСТИ ОРБИТЫ
Рассмотрим случай, когда КА, движущийся по орбите типа «Мол¬
ния», имеет трехосную систему ориентации, которая обеспечивает при¬
целивание продольной оси бортовой антенны в подспутниковую точку.
Поскольку в общем случае в поперечном сечении луч антенны представ¬
ляет собой эллипс, будем считать, что большая ось эллипса постоянно
находится в плоскости орбиты, поворачиваясь по мере движения спут¬
ника, а малая перпендикулярна плоскости орбиты. Для КА, находяще¬
гося в апогее, описанная ситуация показана на рис. 5.1. Для определен¬
ности, в качестве примера, далее рассматривается ШДН (раскрыв ан¬
тенны), равная 8°х 16°.
Выбор ДН, отличающейся от круговой (например, с раскрывом
16° х 16°), обусловлен как соображениями повышения энергопотенциа¬
ла ЛСС, так и лучшим согласованием ожидаемой зоны покрытия антен¬
ны СР с территорией РФ и прибрежных полярных акваторий, «вытяну¬
тых» по долготе.
Мгновенные зоны покрытия луча бортовой антенны с
ШДН = 8° х 16° для положений КА, соответствующих апогею на ос¬
новном и сопряженном витках, показаны в меркаторовской проекции на
310
Рис. 5.1
рис. 5.2. Здесь приведена также трасса (подспутниковые точки) движе¬
ния КА, при этом длительность рабочего участка составляет 6 часов — 3
часа до достижения апогея и 3 часа после апогея. Отрезки линий, поме¬
ченные номерами 1, 2, 3, показывают мгновенные положения ориента¬
ции плоскости орбиты (пересечения плоскости орбиты с поверхностью
Земли) в моменты времени начала сеанса связи, прохождения апогея
и окончания сеанса связи, соответственно. При этом учитывается, что
скорость вращения Земли равна примерно 15 градусам в час, тогда угол
поворота Земли между моментом начала и окончания сеанса связи равен
6 х 15° * 90°, ч то соответствует углу пересечения линий, соответствую¬
щих этим моментам, в гринвичской системе координат.
311
В данном случае параметры орбитальной группировки выбраны так,
что подспутниковые точки в моменты начала и окончания сеанса связи
почти совпадают. Это положение помечено левым верхним углом квад¬
рата с маркировкой 112е1. Положение в апогее основного и сопряженно¬
го витков отмечено маркерами 101, 201, соответствующими условному
номеру КА, а в перигее — 102, 202.
Симметричное относительно трассы расположение зон покрытия
луча бортовой антенны в момент прохождения апогея орбиты обуслов¬
лено тем, что вектор скорости КА в этот момент параллелен плоскости
экватора Земли. Отметим, что в рассматриваемом случае важным об¬
стоятельством является то, что аргумент перигея ВЭО точно равен 270°.
В другие моменты времени и в случаях, когда аргумент перигея не ра¬
вен 270°, картина не будет симметричной в данной картографической
проекции.
Так, на рис. 5.3 моменты, для которых показаны зоны и маркеры под¬
спутниковых точек КА 101 и 201, не совпадают с апогеем, что приводит
к асимметрии зон по отношению к трассе, хотя и эта фаза полета соот¬
ветствует области рабочего участка орбиты.
В момент времени, соответствующий пересечению трассы с экватором
в точке восходящего узла для КА 102 и КА 202, расположение зон луча
антенны с раскрывом 8°х 16° также приведено на рис. 5.3. Для рассмат¬
риваемого случая алгоритм ориентации К А, обеспечивая прицеливание
антенны в подспутниковую точку и расположение большой оси эллипса
312
ДН антенны в плоскости орбиты, создает зону луча, которая повернута
относительно экватора на угол, равный наклонению орбиты. Данный чер¬
теж иллюстрирует асимметрию зон покрытия по отношению к меридио¬
нальным линиям при нахождении КА в любой точке орбиты вне апогея.
Рассмотрим теперь расположение зон лучей бортовой антенны в мо¬
мент, когда один КА входит в рабочий участок орбиты, а другой покидает
его, т. е. один СР может быть включен, а другой выключен. На рис. 5.4 по¬
казаны пересекающиеся зоны обоих СР, откуда следует, что симметрия
и форма мгновенных зон покрытия в данной фазе ОГ сильно нарушает¬
ся по сравнению с нахождением КА в апогее. Отметим, что если, напри¬
мер, сдвигать (синхронно с движением КА, либо в дискретные момен¬
ты времени) точки прицеливания ДН, соответственно, западнее (влево)
для начала рабочего участка (РУ) и восточнее (вправо) для конца РУ, то
эта асимметрия могла бы быть не столь явной. Например, ослабление
асимметрии может достигаться прицеливанием оси ДН в подапогейную
точку.
Из рис. 5.4 следует, что при выключении СР, покидающего РУ, бу¬
дет прекращено обслуживание областей 1 и 2. С другой стороны, перед
включением восходящего СР не будут обслуживаться области 3 и 4. То
есть, переключение и смена КА не будут приводить к перерывам связи
лишь для области пересечения зон лучей обоих спутников (показан¬
ной светлым). Данное обстоятельство является серьезной проблемой и
недостатком алгоритма построения ОГ с постоянной ориентацией про-
313
Рис. 5.4
дольной оси ДН в подспутниковую точку и поддержанием большой по¬
перечной оси сечения ДН в плоскости орбиты.
Если принять условие, что бортовое оборудование СР не выключа¬
ется после прохождения РУ, т. е. для связи могут использоваться два
КА на основном витке, можно получить (другим способом) область
покрытия, которую назовем «условно гарантированной». Учитывая
все особенности эволюции мгновенных зон, эта область соответству¬
ет наблюдаемости с вероятностью 100% не менее одного КА в течение
всего времени анализа, которое должно быть для 12-часовой орбиты
равным (или большим) двум периодам обращения КА, т. е. суткам.
Границы такой зоны видны на рис. 5.5, а. Область внутри белой кри¬
вой обозначает полигон, в котором гарантировано наблюдение не ме¬
нее одного КА группировки. Имеется в виду, что все наземные точки
внутри него будут покрыты лучом бортовой антенны с ДН, равной
8°х 16°. Градациями серого оттенка показаны зоны с меньшими ве¬
роятностями наблюдения не менее одного КА из различных точек на
поверхности Земли.
Учет работы алгоритма управления включением /выключением СР
приводит к существенному изменению размеров гарантированной зоны.
Это видно из качественного рассмотрения рис. 5.4. Только для получе¬
ния гарантированной зоны необходимо включить в расчет все промежу¬
точные варианты расположения зон луча, соответствующие всем точкам
движения по орбите с учетом только одного включенного СР на каждом
314
Рис. 5.5
из витков. Полученная таким путем гарантированная зона приведена
на рис. 5.5, б. Сравнивая ее форму с областью пересечения мгновенных
зон на рис. 5.4, можно сделать вывод об их сходстве, что, в свою очередь,
подтверждает правильность получаемых результатов, рассчитанных
Другим способом.
315
Отметим, что в рассматриваемых случаях прицеливания оси антен¬
ны в подспутниковую точку границы зоны покрытия ее ДН (по уров¬
ню —3 дб) не доходят до Северного полюса, а также ограничивают охват
прибрежных акваторий РФ.
5.2. ДИНАМИКА ЗОНЫ ЛУЧА В СЛУЧАЕ
ПРИЦЕЛИВАНИЯ ОСИ ДН В ПОДСПУТНИКОВУЮ
ТОЧКУ И ФИКСИРОВАННОГО ПОЛОЖЕНИЯ БОРТОВОЙ
АНТЕННЫ ОТНОСИТЕЛЬНО ПЛОСКОСТИ ЭКВАТОРА
Рассмотрим альтернативный вариант ориентации бортовой системы
координат. Из результатов моделирования, приведенных в разделе 5.1,
следует, что из-за вращательного движения Земли зона луча в момент
316
окончания рабочего участка повернута на 90 градусов относительно
луча, соответствующего началу РУ. Преодоление этого явления, оче¬
видно, возможно путем изменения ориентации бортовой системы ко¬
ординат.
В качестве одного из методов рассмотрим ориентацию, при которой
продольная ось бортовой системы координат совпадает с направлением
в подспутниковую точку, а другая, поперечная, т. е. большая ось эллип¬
са ДН, перпендикулярна плоскости, которую образует полярная ось 2
земной системы координат и радиус вектор К А. Третий вектор осей ко¬
ординат дополняет два предыдущих до правой тройки (рис. 5.6).
В такой системе координат бортовая антенна будет ориентирова¬
на так, что большая ось сечения ее ДН в любой момент времени будет
параллельна плоскости земного экватора, а продольная ось антенно¬
го луча по прежнему направлена в подспутниковую точку. Продолжая
цикл расчетов, приведем зоны луча антенны с раскрывом 8°х 16° для
этого нового алгоритма ориентации. На рис. 5.7 показана (пунктиром)
зона покрытия ДН для КА, находящегося в апогее, и ЗРВ для КА в пе¬
ригее. Кроме того, добавлены зоны радиовидимости КА для угла места
30° (из точки апогея). Видно, что полученная картина для нахождения
КА в апогее совпадает с рис. 5.2.
Зоны покрытия ДН для других фаз движения КА будут отличать¬
ся. В частности, на рис. 5.7 приведены зоны луча антенны с раскры¬
вом 8°х 16° для положений КА 202 и 102, соответствующих момен¬
ту прохождения восходящего узла. На чертеже отчетливо видно, что
317
Рис. 5.8
ориентация зоны луча соответствует положению «вдоль экватора», в
отличие от рис. 5.3. Наиболее наглядно проявляется эта особенность
ориентации бортовой антенны в моменты смены КА, т. е. при включе¬
нии СР, входящего в рабочий участок и выключении СР, который по¬
кидает его.
Данная ситуация показана на рис. 5.8, где хорошо видно, что зона
луча СР, покидающего рабочий участок почти совпадает с зоной луча
СР, входящего в РУ. Более того, по¬
скольку второй КА движется по
восходящему участку орбиты, зона
его луча будет расширяться по мере
приближения к апогею, а после про¬
хождения апогея уменьшаться так,
что в конце рабочего участка поч¬
ти совпадет с исходным положени¬
ем. Таким образом, зона луча в мо¬
мент переключения СР становится
близкой к «гарантированной», т. е.
все наземные точки, ограничен¬
ные этой зоной, будут находиться
в пределах главного лепестка ДН,
причем внутри границы, соответ¬
ствующей уровню —3 дб от макси-
318
мума ДН. Такая динамика зоны луча более предпочтительна, чем в пре¬
дыдущем случае ориентации бортовой антенны относительно плоско¬
сти орбиты. В заключение на рис. 5.9 приведены те же зоны покрытия в
азимутальной проекции Северного полушария. Из него хорошо видно,
что и в рассмотренном случае зоны ДН не покрывают Северный полюс
и прибрежные акватории Северного Ледовитого океана.
5.3. ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИКИ ЗОН В СЛУЧАЕ
СЛЕЖЕНИЯ АНТЕННЫМ ЛУЧОМ ЗА НАЗЕМНОЙ
ТОЧКОЙ ПРИЦЕЛИВАНИЯ ПРИ ОРИЕНТАЦИИ
БОРТОВОЙ СИСТЕМЫ КООРДИНАТ ОТНОСИТЕЛЬНО
ПЛОСКОСТИ ОРБИТЫ
Предположим, что алгоритм управления бортовой антенной допус¬
кает динамическое слежение (прицеливание) оси ДН за фиксированной
точкой на поверхности Земли. В качестве такой точки прицеливания
для антенн всех КА в ОГ может быть выбрана, например, подспутнико¬
вая точка, соответствующая моменту времени прохождения апогея ор¬
биты на основном витке, имеющая координаты 90° в. д. и 63,7° с. ш. При
этом линия, задающая положение большой оси сечения ДН луча антен¬
ны по уровню —3 дб, будет фиксироваться в положении, параллельном
плоскости орбиты.
Рис. 5.10
319
Зоны .лучей для момента, соответствующего прохождению апогея
одного из КЛ на основном витке, а другого КА — на сопряженном витке,
при ограничении угла места 30°, показаны на рис. 5.10.
Поскольку подспутниковая точка КА, находящегося в апогее основ¬
ного витка, лежит на краю ЗРВ для КА, находящегося в апогее сопря¬
женного витка (при угле места 30°), на чертеже отображаются две силь¬
но различающиеся зоны покрытия бортовой антенной (пунктир). Одна
зона (близкая к симметричной, в пределах точности алгоритма расчета)
соответствует первому из КА (на основном витке), а другая (не симмет¬
ричная) — КА в апогее сопряженного витка. Такая картина имеет место
потому, что луч бортовой антенны второго спутника направлен в точку,
сильно смещенную относительно его надира, и, кроме того, дополни¬
тельно ограничен зоной радиовидимости по углу места для сопряжен¬
ного витка. Зоны лучей двух других КА, находящихся в перигее, для
данного момента времени значения не имеют.
Для момента, когда один КА входит в рабочий участок, а второй —
покидает его, картина распределения зон луча, при том же условии от¬
слеживания подапогейной точки основного витка, показана на рис. 5.11.
В этот момент времени в области петли трассы на основном витке и се¬
вернее, вплоть до полюса, имеется четырехкратное наложение зон лучей
бортовых антенн: два луча покрывают поверхность Земли, находясь на
основном витке, а два — на сопряженном витке. Поскольку приведен-
320
ная картина зон покрытия сложна
и сильно искажена из-за особенно¬
стей проекции, на рис. 5.12 рассмот¬
ренный случай изображен в проек¬
ции полушария, где более наглядно
можно представить, как ориенти¬
рованы мгновенные зоны в момент
начала/конца сеанса связи на обо¬
их витках.
Далее рассмотрим 2 случая:
постоянно включенных СР (всех
четырех) и синхронного включе¬
ния /выключения только одного
из них, находящегося на рабочем
участке.
1) Для случая, когда бортовые
ретрансляторы всех КА не выключаются (не используется последо¬
вательный «синхронный» алгоритм) т. е. обеспечивается 4-х-кратное
покрытие, гарантированная зона показана на рис. 5.13. Изолинией по
уровню 100% ограничена область на поверхности Земли, которая в те¬
чение всего времени моделирования покрывалась не менее чем одной
зоной луча любого из КА в орбитальной группировке. Напомним, что
зона луча образуется проекцией на поверхность Земли сечения глав-
Рис. 5.13
321
ного лепестка ДН бортовой антен¬
ны по уровню — 3 дб от максимума
КНД.
Уровни 100%, 90%, 80%, 70% и
т. д. показывают области на поверх¬
ности Земли, для которых в ука¬
занный процент времени выполня¬
ется условие попадания наземных
точек в зону покрытия (главного
лепестка) ДН бортовой антенны с
раскрывом 8°х 16° хотя бы одно¬
го КА из орбитальной группиров¬
ки. Площадь зоны, гарантирующей
100% выполнения условия покры¬
тия, составляет 20 019 212 кв. км.
При этом покрывается 80,95% пло¬
щади Российской Федерации.
В более наглядной проекции полушария на рис. 5.14 приведена зона,
соответствующая 100% хотя бы однократного покрытия, показанная
жирной линией. Остальные области на чертеже соответствуют мгно¬
венным зонам покрытия для каждого из 4-х КА при рассматриваемых
условиях ориентации и прицеливания бортовой антенны.
2) В случаях, когда происходит включение/выключение СР в мо¬
мент входа и выхода в/из рабочего участка, размеры гарантированной
зоны будут существенным образом отличаться.
Пусть, например, функционирует алгоритм управления сеансами
связи, который обеспечивает включение и выключение СР таким обра¬
зом, чтобы выполнялись следующие условия:
— бортовой ретранслятор должен быть выключен на сопряженном
витке;
— бортовой ретранслятор должен быть выключен на нерабочем
участке основного витка.
Отключение на сопряженном витке можно обеспечить, проверяя ус¬
ловие нахождения подспутниковой точки в области долгот от —180° до
0°. Включение СР в моменты времени на основном витке, при нахожде¬
нии в рабочей части, обеспечивается проверкой того, что подспутнико¬
вая точка находится, например, севернее широты 54,8°. Данные условия
обеспечивают управление включением и выключением и при этом, со¬
ответственно, формируется однократное покрытие ЗРВ основным лепе¬
стком бортовой ДН рабочего КА. (Здесь не обсужадается вопрос о ко-
322
Рис. 5.15
ротком интервале времени, когда один из КА еще не вышел из рабочего
участка, а другой еще его не покинул).
Изолиния по уровню 100%, иллюстрирующая гарантированную
зону включенного СР при условии, что включение/выключение под¬
чиняется описанному выше алгоритму, показана на рис. 5.15. белым.
Чтобы представить, каким образом сформирована характерная форма
полученной гарантированной зоны по уровню 100%, далее приведены
рис. 5.16, а, б, отражающие моменты непосредственно до и после пере¬
ключения активного КА, соответственно (наложение зон луча активного
КА и гарантированной зоны в эти моменты времени). Более наглядная
картина представлена на рис. 5.17, а, б.
Сопоставляя рисунки 5.17, а, б, можно сделать вывод, что гаранти¬
рованная зона с учетом алгоритма включения и выключения бортового
323
Рис. 5.17
а)
б)
ретранслятора при слежении диаграммой направленности за наземной
точкой, соответствующей апогею основного витка ОГ, представляет со¬
бой пересечение зон луча в момент переключения КА.
В заключение отметим, что площадь внутри изолинии, соответ¬
ствующей 100% и ограничивающей собой эту зону (показанную на
рис. 5.16, 5.17 жирной линией), составляет 18 848 347 кв. км, что покры¬
вает 73,21% площади РФ. Однако и здесь Северный полюс покрывает¬
ся с натяжкой, а вся Чукотка и восточная часть Северного Ледовитого
океана остаются вне зоны покрытия.
5.4. ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИКИ ЗОН В СЛУЧАЕ
СЛЕЖЕНИЯ АНТЕННЫМ ЛУЧОМ ЗА НАЗЕМНОЙ
ТОЧКОЙ ПРИЦЕЛИВАНИЯ ПРИ ОРИЕНТАЦИИ
АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ КООРДИНАТ ОТНОСИТЕЛЬНО
ПЛОСКОСТИ ЭКВАТОРА
Рассмотрим случай, когда алгоритм управления бортовой антенной
обеспечивает динамическое слежение продольной оси бортовой ДН за
фиксированной точкой на поверхности Земли. В качестве точки при¬
целивания для антенной системы всех КА в орбитальной группировке,
как и в предыдущем случае, выбрана подспутниковая точка, соответ¬
ствующая моменту прохождения апогея на основном витке, имеющая
координаты 90° в. д. и 63,7° с. ш.
324
Рис. 5.18
Но при этом пусть линия, задающая ориентацию большой оси сече¬
ния ДН луча антенны по уровню —Здб, фиксирована в положении, па¬
раллельном плоскости экватора. Тогда зоны луча для моментов прохож¬
дения апогея орбиты и начала/конца РУ, с учетом угла места 30° будут
иметь вид, приведенный на рис. 5.18 и 5.19, соответственно.
325
Рис. 5.20
Во втором случае, в силу конструкции орбитальной группировки
пространственные положения К А в моменты начала/конца РУ почти
совпадают. Поэтому при стабилизации оси антенного луча относительно
плоскости экватора обеспечивается хорошее согласование зоны покры¬
тия с территорией РФ, которая вытянута с запада на восток. Результаты
расчета распределения времени покрытия лучом бортовой антенны с
раскрывом 8°х 16° приведены на рис; 5.20. Светлая область соответству-
Рис. 5.21
Рис. 5.22
326
етзоне, где гарантируется покрытие поверхности Земли лучом антенной
системы в течение 100% времени. При этом принимается, что КА вклю¬
чаются на основном витке в моменты времени, принадлежащие рабоче¬
му участку орбиты.
На рисунке рис. 5.21 в проекции полушария жирной линией пока¬
зана эта же область. В данном случае площадь гарантированной зоны
покрытия составляет 35 906 821 кв. км и при этом охвачено 95,15% тер¬
ритории Российской Федерации, но, как и в предыдущих случаях, не
покрывается Северный полюс и часть полярных акваторий.
С целью демонстрации возможности более полного охвата полярных
областей рассмотрен вариант прицеливания бортовой антенны с той же
шириной ДН (8°х 16°) в точку, смещенную по широте относительно пода-
погейной, например, имеющую координаты 70° с. ш. и 90° в.д.
На рис. 5.22 приведена гарантированная в 100% времени зона по¬
крытия для случая последовательной работы каждого одного из 4-х СР,
полученная по аналогии с рис. 5.21. Соответственно, на рис. 5.23 эта же
зона гарантированного покрытия приведена в прямоугольной проекции.
Как видно из приведенных чертежей, при выбранных координатах точки
прицеливания и ориентации бортовой антенны относительно плоскости
экватора покрывается практически вся территория РФ, Центральная
Европа и Скандинавия, а также и полярные акватории, включая Север¬
ный полюс.
Таким образом, подбором алгоритма ориентации осей и точек при¬
целивания бортовой антенны может быть получено соответствующее
327
расположение зоны обслуживания СР относительно той или иной тер¬
ритории.
В заключение, в качестве выводов, отметим следующие основные
особенности динамики движения СР по ВЭО типа «Молния»:
1. На положение и характеристики зон обслуживания оказывает су¬
щественное влияние, помимо мгновенных ЗРВ и угловых размеров ДН
бортовой антенны, также управление пространственной ориентацией
местной системы координат (раскрыва) антенны относительно плоско¬
стей орбиты, экватора и направлением продольной оси ДН в точку при¬
целивания.
2. Для антенн с явно выраженным «вытянутым» раскрывом (разны¬
ми угловыми размерами поперечного сечения ДН, или, например, кон¬
турной ДН) поддержание зон покрытия заданных размеров и положе¬
ния требует наличия соответствующих бортовых устройств слежения
и управления. При круговой ДН эта проблема снимается, в обмен на
ухудшение энергетики и более трудную частотную координацию с дру¬
гими ССС.
3. Многократное одновременное покрытие обслуживаемой террито¬
рии антеннами нескольких СР, например, находящихся как на основном,
так и на сопряженном витках, позволяет увеличивать зону обслужива¬
ния ССС — одновременно с повышением надежности связи благодаря
пространственному разнесению ветвей передачи. Вопросы работы через
несколько СР рассматриваются более подробно в главе 17.
328
ГЛАВА 6. ВЛИЯНИЕ РЕЛЬЕФА МЕСТНОСТИ
НА УСЛОВИЯ РАДИОВИДИМОСТИ КА
Проблемы, связанные с особенностями применения и орбитально¬
го построения ССС с геостационарными и нысокооллпптнческпмп СП
исследуются на протяжении десятков лет. И большинстве источников,
если речь идет о зонах радиовидимости и углах возвышения КА относи¬
тельно наблюдателя, Земля представляется в виде гладкой сферы, либо
эллипсоида с неровной поверхностью (рельефом), при э том учитывается
высота точки наблюдения. Но, фактически, почти во всех случаях углы
связи отождествляются с углами мес га (видимости) КА, г. е. не прини¬
мается во внимание затенение спу тника (частичное или полное1) препят¬
ствиями и высота последних. Подобный классический подход применен
и в предшествующих главах, посвященных анализу орби т и влияния их
параметров на размеры ЗРВ, форму трассы, углы места и т. д.
Между тем, как отмечено в главе 2, использование спутников для
предоставления телекоммуникационных услуг порождает проблему
неустойчивого приема сигнала из-за влияния рельефа и разного рода
препятствий (строений, растительности и пр.), что серьезно затрудня¬
ет обеспечение качественной и надежной связи. В частности, в услови¬
ях России это проявляется в различной подверженности указанному
влиянию линий связи через КА на ГСО и ВЭО. С целью количествен¬
ной оценки указанных особенностей и возможностей применения того
и другого типа орбит в рамках российских проектов новых ССС Глоб-
СатКом и НордМедиаСтар были проведены исследования, разработа¬
ны алгоритмы расчета и получены результаты, дополняющие известные
положения, в том числе по сопоставлению ГСО и ВЭО.
В частности, показано влияние высоты препятствий, из-за которых
спутники наблюдаются под меньшими углами, либо становятся вообще
невидимыми из заданной точки земной поверхности. Численные значе¬
ния этого показателя и их привязка к географической карте позволяют
наглядно представить как расположение, так и размеры пораженных в
указанном смысле областей, в частности, в российских широтах. Реше¬
ние данной задачи основано на известных соотношениях между пара¬
метрами орбиты (долготой точки стояния СР при ГСО или точек рабо¬
чего участка СР на ВЭО, углом, под которым спутник виден над горизон¬
том в точке с заданными координатами), азимутом и высотой препятст¬
вия. При этом, как отмечалось в главе 2 (рис. 2.4), начиная с некоторых
широт, весьма удаленных (в сторону экватора) от южных границ Рос¬
329
сии, указанные углы при ВЭО
становятся больше, чем при
наблюдении КА на ГСО. Кро¬
ме того, на севере территории
России существуют области,
находящиеся вне зоны радио¬
видимости геостационарного
спутника, независимо от на¬
личия препятствий.
Геометрия задачи показа¬
на на рис. 6.1, 6.2 (А — точка
наблюдения (ЗС), С — КА на
ГСО, С — плоскость, касатель¬
ная к поверхности Земли в точ¬
ке А). Нетрудно видеть, что высота ирсчштствия равна Н = д, где (3 —
угол места КА.
Если варьировать широту, долготу и высоту точки А (ф, А ,К3), а затем
проводить необходимые вычисления, то можно получить картину рас¬
пределения величины Я для любой интересующей территории. Так, для
расчетов по территории России была принята область, лежащая между
параллелями 40°с. ш. и 78°с. ш. и меридианами 20°в. д. и 180°в. д. Резуль¬
таты такого упрощенного расчета для трех точек стояния спутников на
ГСО с долготами 53°, 80° и 90° приведены на рис. 2.5.
Они свидетельствуют о том, что наличие даже сравнительно полого¬
го рельефа, лесной растительности и невысоких построек в направлении
на ГСО делает невозможной надежную и качественную связь, особенно
Севершй полюс
330
в северных районах России. Критиче¬
ской является уже высота препятст¬
вия порядка 20 м, что соответствует
углу на спутник в 12 градусов.
Для иллюстрации картины при
ВЭО типа «Молния» на рис. 2.5, г по¬
лучено распределение величины наи¬
меньшей высоты препятствия Н, за¬
крывающего спутник, находящийся в
апогее орбиты. Выбранные координа¬
ты КА: ср = 63°, X = 105°, К3 + 40 000.
Геометрия этого случая схематически
показана на рис. 6.3.
Из расчетов следует, что спутник
в точке М (63°, 105°, К3 + 40 000) бу¬
дет находиться в прямой видимости
наблюдателя на несоизмеримо большей части территории России. При
этом не учитывались природный рельеф местности и, в особенности,
горные районы.
Далее для получения результатов о влиянии реальных географиче¬
ских особенностей той или иной местности на территории России была
разработана описанная ниже методика, использующая информацию
электронных баз данных о рельефе, представляющих собой аналоги
(варианты) электронной карты мира с тем или иным разрешением, вы¬
ражаемым в угловых секундах или метрах.
Данные о рельефе получены из двух источников:
— база данных 8КТМ (ЗЬиШе габаг 1оро§гарЫс ппззюп) с точностью
3 угловых секунды (с) (около 90м), представляющая собой радар¬
ную топографическую съемку большей части территории земно¬
го шара, за исключением самых северных (>60°) и самых южных
широт (>54°), а также океанов;
— база данных СТОРО (глобальная цифровая модель рельефа) с
точностью 10 и 30 угловых секунд (порядка 300 и 900 метров,
соответственно), представляющая собой глобальный набор дан¬
ных (покрывающий широты от 90 градусов на юг до 90 градусов
на север, и долготы от 180 градусов на запад до 180 градусов на
восток).
Рассмотрим вначале структуру и основные характеристики файлов
в составе этих баз.
331
6.1. СТРУКТУРА ИСХОДНЫХ ФАЙЛОВ
И ДОСТУП К ДАННЫМ
Данные 8КТМ являются простым 16-битным растром (без заголов¬
ка) и распространяются квадратами размером (1 х 1) градус, представ¬
ляющими собой матрицу размером (1201 х 1201) элементов (пикселей).
Значение пиксела соответствует высоте над уровнем моря в данной точ¬
ке, пиксел также может принимать значение -32 768, что соответствует
состоянию по с1а1а (нет данных). Один дополнительный ряд (нижний)
и одна колонка (правая) являются дублирующими и повторяются на
соседней матрице. Название квадрата обозначается координатами его
левого нижнего угла. Например, файл рельефа ХХХХХХХ.НСТ имеет
вид, показанный на рис. 6.4.
Структура имени файлов с рельефом точностью 3 с позволяет
определить начальные координаты точки отсчета соответствующе¬
го файла и диапазон координат, содержащихся в данном файле. Рас¬
смотрим, например, имя файла рельефа ХХХХХХХ.НСТ. Первый
символ определяет северное (7/) или южное (б’) полушарие. Следую¬
щие два символа указывают широту нижнего левого угла квадрата
(области), высотой в 1 градус. Четвертый символ определяет, какая
долгота используется, западная (1Т) или восточная (Е). А следующие
три символа в имени файла указывают долготу нижнего левого угла
квадрата (области), шириной в 1 градус. Следовательно, имея коор¬
динаты искомой точки (широта, долгота), всегда можно определить,
в каком файле содержится значение высоты для данной точки. На¬
пример, файл К56Е065.Ь§1; содержит данные о высотах на участке от
56 до 57 градусов северной широты и от 65 до 66 градусов восточной
долготы:
57‘И, 65’Е
57,'К66,Е
56Т4, 65'Е
5б'14, 66*Е
Рис. 6.4
ЗОТО,60’Е
507*. 70‘Е
К50Е060.ВИ
I
40*М, 60*Е 4044, 70’Е
Рис. 6.5
332
Данные на весь мир СТОРО 30 и на территорию РФ (СТОРОЮ)
были получены в виде шейп-файлов и сетки СКШ формата АгсС15. Ин¬
тервал сетки по горизонтали — 30 секунд. Файл имеет растровую струк¬
туру с размерностью 21 600 строк и 43 200 столбцов. Горизонтальная
система координат — десятки градусов широты и долготы в проекции
\\Д3584. Высота задана в метрах от уровня моря и находится в диапазоне
от —407 до 8 752 метров. В файлах океанские области были замаскиро¬
ваны как «по 6а1;а» и имеют значение 9999.
Структура имени файлов с рельефом точностью 10 с позволяет оп¬
ределить начальные координату точки отсчета и диапазон координат,
содержащихся в данном файле. Рассмотрим имя файла рельефа \у10_
ХХ_УУ.Ы1. Символы XX определяют номер строки квадрата (области)
на квадратной сетке, шаг которой 3,3628 градусов. Символы УУ опре¬
деляют номер столбца квадрата (области) па квадратной сетке с тем же
шагом. Нумерация начинается с нуля. Начальные координаты верхнего
левого квадрата равны 83,9978° с. ш. и 18,0014° в. д. Следовательно, имея
координаты искомой точки, всегда можно определить, в каком файле со¬
держится значение ее высоты. Например, файл \\'10 00 00.Ы1 содержит
данные о высотах на участке от 80,6350° до 83,9978° с. ш. и от 18,0014°
до 21,3642° в. д.
Структура имени файлов с рельефом точностью 30 с позволяет
определить начальные координату точки отсчета и диапазон коорди¬
нат, содержащихся в данном файле. Рассмотрим имя файла рельефа
ХХХХХХХ.В1П Первый символ определяет северное (Ы) или южное
(5) полушарие. Следующие два символа указывают широту верхнего ле¬
вого угла квадрата (области), высотой в 10 градусов. Четвертый символ
определяет, какая долгота используется, западная (\У) или восточная
(Е). Следующие три символа в имени файла указывают долготу верхне¬
го левого угла квадрата (области), шириной в 10 градусов. Следователь¬
но, имея координаты искомой точки, всегда можно определить, в каком
файле содержится значение ее высоты. Например, файл «Н50Е060.Ы1»
содержит данные о высотах на участке от 40° до 50° с. ш. и от 60° до 70°
в. д. (рис. 6.5).
Структура данных файлов с рельефом 3 с, 10 с и 30 с одинакова.
Файл рельефа представляет массив, в котором отсутствует заголовок и
какая либо описательная часть. В массиве, начиная с первого, каждые 2
байта несут информацию о высоте (в метрах). Причем первая пара (ячей¬
ка) указывает высоту нижнего левого угла области. Данные записаны в
массиве построчно, т. е. значения идут от нижнего левого угла к нижне¬
му правому (см. таблицу).
333
1201 хщП
1202
1203
1204
2402
1
2
3
4
1201
Определение высоты по координатам
Зная координаты искомой точки, можно определить № ячейки (Сп)
(следовательно, и позицию байта (В„)), содержащей значение ее высоты.
Для 3-секундного файла:
_ 1201 ((59- ШМт)х 60 + (60 - 1мсЗес))
с!к> 3 +
ЬощМт х 60 + Ьо&Зес ^
(НуЗ
Вн = 2(СЙ -1).
Для 10-секундного файла:
с _ Ьа1 - Ш0120 Ьощ - 1ощо
” Века Оека
В„ — 2(Сп -1),
где Века = 0,0028°; Ьа10 — 83,9978°; Ьоп§0 = 18,0014°.
Для 30-секундного файла:
1201(3600(9 - (ЬаЮеё - + 60(60 - ЬагМт) +
г акЛО
" <Иу 30
+ 60 - Ьа(Зес)
► +
3600(ЬопВе& - — * + ЪощМт х 60 + ЬощЗес
_1 шуЮ 1_ ^
В, = 2(С„ - 1).
ШуЗО
334
Пример доступа к данным
Пусть мы имеем, например, координаты: 42°ЗГ25“ с. ш. и 7°20‘10“ з. д.
Последовательность поиска и открытия файла с рельефом и получения
значения о высоте:
— определяем имя файла, содержащего высоту данной точки:
Ы42\У008.Ь§1. (широта северная — Ы, 42 градуса, долгота запад¬
ная — Щ (7 + 1) градусов);
— определяем номер первого байта, используя приведенные фор¬
мулы: Сп = 686 175, Вп = 1 372 348;
— считаем 2 байта, начиная с № 1372348: 0232.
— переводим полученный результат в десятичное значение:
562 метра.
6.2. ИСПРАВЛЕНИЕ ОШИБОК В ФАЙЛАХ
В файлах с рельефом присутствуют ошибочные значения высот, обу¬
словленные влиянием на сканирующую аппаратуру природных явле¬
ний, особенностей рельефа и пр. Укажем основные виды ошибок.
1) Значения, которые резко отличаются от соседних, в меньшую сто¬
рону (провалы). При плоском ото¬
бражении характеризуются как
контурами, так и отдельными точ¬
ками отличного от окружения цве¬
та (рис. 6.6). На срезе рельефа ха¬
рактеризуются резкими провалами рИс. 6.6
(рис. 6.7).
2) Пустые точки, значение в кото¬
рых отсутствуют. Такие точки в файлах
- '• * *
. - .V: -‘У .
: ф ‘ .. * *
.* V *\чЧ*
;< ? .
1Мь
:> ч \
.* ; ; : ; .
. • ■ • • '
■■■■■".! '. V -у.1
• ' •• .• :..гл -У1 г - ‘
■ л ■ г •: •• ; ;■ ■■. \ .• % .
.V. • :• ..: • • '■
,’Д 'I
30000 м
Рис. 6.7
36000 м
42000 м
Рис. 6.8
335
рельефа имеют специально оговоренное значение высоты. Для файлов 3 се¬
кунды пустой точке соответствует значение — 32 768, а для файлов 10 и 30 се¬
кунд — 9999. На плоскости данные значения окрашиваются темным цветом
(рис. 6.8). Как правило, такие точки группируются в обширные области.
Алгоритмы исправления ошибок
1. При построении среза:
Используется линейная аппроксимация значений высот в местах «про¬
валов» с применением формулы:
и>] = 1/, + гх(1/2-!/)/(*+1),
где У{ — высота точки перед «провалом»: V., — высота точки после «про¬
вала»; к — количество значений в «провале»; / - порядковый номер зна¬
чения в «провале».
Линейная аппроксимация используется при построении среза релье¬
фа по азимуту в тех случаях, когда скорость обработки данных является
критичной. Результат работы линейной аппроксимации показан на рис. 6.9.
Нижняя картинка — без аппроксимации, верхняя — с аппроксимацией.
Срп рельефа по аэимуту
Рис. 6.9
336
2. При необходимости использо¬
вания площадных вычислений:
Значение высоты, взятое из фай¬
ла с точностью 3 с, в каждой точке
сравнивается со значением высоты в
этой точке, взятой из файла точно¬
стью 10 с и 30 с. Если расхождение
превышает 25% (или данное значе¬
ние отсутствует, либо равно «по ваЕа»), то первоначальное значение высо¬
ты, взятое из файла 3 с, считается неправильным и отбраковывается. Если
же все вышеуказанные условия не выполняются, то тогда значение счита¬
ется правильным и является результатом работы функции. В случае, если
высота из 3-секундного файла отбраковывается, то она берется из файла 10
с, которое, аналогично значению из файла 3 с, сравнивается со значением
30-секундного файла. Если условие непригодности выполняется, то зна¬
чение также отбраковывается, иначе высота из 10-секундного файла явля¬
ется результатом работы функции. В случае непригодности (отсутствия)
высоты, взятой из файла с точностью 10 с, срабатывает алгоритм поиска
правильных (отличающегося от значения 30-секундного файла не более
чем на 50%) значений высоты из 3-секундного файла в окрестности перво¬
начальной точки. На рис. 6.10 показана такая окрестность вокруг исходной
точки 3x3, образованная точками (1—8).
■Визуализация рельефа
гм
Рис. 6.11
а)
б)
337
Таблица 6.1.
Количество ошибок в файлах рельефа
М о с к о в с к а >1 о б ./1 а с т ь
Юг России
Урал
Дальний Восток
Файл
%
Файл
%
Файл
%
Файл
%
N5-1ЫШ
2,26
М4Е040
6,57
N571-3057
9,85
№0Е129
16,11
N54)1038
0,07
N441-041
7,28
№7Е058
5,31
№0Е130
11,83
N5511035
7,38
М4Е042
5,12
^7Е059
4,84
^0Е131
5,39
N55)1036
1,28
N44)1043
7,38
N5713060
19,71
Ы50Е132
6,11
^5Е037
0,03
N44)1044
0,11
^8Е057
7,17
^0Е133
6,03
N55)1038
0,01
Ш4Е045
3,56
Ш8Е058
6,45
N50Е134
6,36
^5Е039
0
Ы45Е040
0,02
№8Е059
7,31
N5^129
7,89
^6Е035
0,43
М5Е041
2,47
^8Е060
0,92
N5^130
14,61
^6Е036
2,37
Ш5Е042
3,67
N59Е057
5,73
N51Е131
5,66
^6Е037
1,22
N45Е043
3,43
N59Е058
5,67
N5^132
6,05
К56Е038
0,98
N45Е044
0,69
№9Е059
9,24
N5^133
5,82
^6Е039
0
Ы45Е045
6,74
N59Е060
0,65
N5^134
5,89
Мт
0
Мт
0,11
М»п
0,65
Мт
5,39
Мах
7,38
Мах
7,38
Мах
19,71
Мах
16,11
Среднее
1,34
Среднее
3,92
Среднее
6,90
Среднее
8,15
Если в данной окрестности есть «правильные значения», то результа¬
том работы функции является среднее значение высот «правильных точек»
окрестности. Если же все точки окрестности 3x3 также отбракованы, то
окрестность расширяется. Так происходит до тех пор, пока окрестность не
превысит размер 9 х 9. В этом случае результатом работы функции стано¬
вится высота, взятая из файла 30 с. Результат работы алгоритма представ¬
лен на рис. 6.11 (первый с ошибками, второй — исправленный).
Анализ количества отсутствующей информации в файлах (в %) приве¬
ден в таблице 6.1 для различных районов РФ:
6.3. Алгоритмы расчета условий радиовидимости
Учет кривизны Земли осуществляется посредством представления
ее как референц-эллипсоид \УС$84. При этом допускается упрощение,
что при небольших расстояниях (до 324 км), радиус референц-эллип-
соида считается постоянным и равным среднему арифметическому ра¬
диусов в начальной и конечной точках среза. Тогда значения «видимых»
высот среза и угла закрытия рельефом вычисляются по формуле:
5гег\ /] = У. х соз(ЗСер х I) - К х (1 - со$(51ер х *')),
338
где 5/е2[/) - видимая высота в точ¬
ке / шага; — угол закрытия
рельефом в 7-точке; У0— высота
над уровнем референц-эллипсои-
да в начальной точке; V,- — высота
над уровнем референц-эллипсоида
в / точке; ЕСер — размер шага в ра¬
дианах; 7 — порядковый номер шага;
К — усредненный радиус референц-
эллипсоида на данной широте.
На рис. 6.12 показана геометрия вычисления видимой высоты.
Определение азимута и угла места
Азимут а и угол места р рассчитываются по формулам:
У
а = л + агсСап(——),
~Х1
Р = агсзт
21
^Х12+П2+212,
X
51п(рЬа{)со$(рЕоп&)
з[п(рЕа1:)8т(рЬоп^)
-соз (рЬси)
рх
где
к
=
-з\п(рЬоп§)
соз (рЬощ)
0
X
р,
соз( рЬаС)соз{рЬощ) со8(рЬа()51 п(рЬощ)
31 п (рЬа()
А
рЬа(, рЬоп§ — географическая долгота и широта точки наблюдения,
Рх = К х соз((2)соз(51ои^) - Хс,
Ру = К X СОЗ((2)81П(51077^) - У.,
Рг = К X зт«2) - 2(.,
где К — расстояние от спутника до центра земли; зЬа1, зЬощ — географи¬
ческая долгота и широта подспутниковой точки,
(2 = аСс сап ((1 -е2) Сап (зЬа()),
Хс = (р + 0,001 х рЕ1е1))со§(р1аг)со$(рЬоп&),
К = (р Н- 0,001 х рЕ^)со$(рЬа()$т(р1ощ),
2с = ((1 - е2)р + 0,001 х рЕ1еу)$т{рЕа1),
339
р = Кеф-е* 31П2{рЬа1),
ег — 0,0066939 — эксцентриситет референц-эллипсоида (\УС584); Ке =
= 6378,191 км — экваториальный радиус Земли (\УС584); рЕ1еУ — высота
точки над уровнем референц-эллипсоида.
Движение по азимуту с заданным шагом при построении сечения
Движение по азимуту осуществляется с шагом от 1 до 10 с (но выбору
пользователя) в направлении азимута на расстояние до 3 градусов. При
этом для получения высоты в следующей точке необходимо вычислить ее
координаты. Для вычисления координат точки зЬощ) шага исполь¬
зуются следующие формулы:
зЬа1 = Ьа1 - (Пар,
зЬоп§ = Ьоп§ - (Пощ,
(Па( = г х з(ер х соз(а - я);
йЬощ = г х з1ер х зт(а - к),
где г — порядковый номер шага; а — азимут (направление движения);
з1ер — величина шага в радианах (изменяется от 1 до 10 с); Ьощ, Ьа1 — ко¬
ординаты начальной точки; йЬощ, (1Ьа1 — смещение координат.
В данной формуле принимается допущение, что при расстояниях до
1000 км геодезическая линия на плоскости представляется прямой линией.
Перебор всех ячеек матрицы, попадающих на срез
При построении среза рельефа, с учетом всех ячеек матрицы, попадаю¬
щих на срез, был применен модифицированный алгоритм Брезенхема для
генерации 4-х- связной развертки отрезка. Модификация заключалась в
следующих изменениях:
— целочисленные экранные координаты х и у заменены на вещест¬
венные географические координаты;
— целочисленное растровое изображение заменено на веществен¬
ную координатную матрицу с шагом 3 секунды;
— за начальную точку принимается точка наблюдения, а за конеч¬
ную — подспутниковая точка;
— вместо отрисовки точки {х, у) применялась функция взятия вы¬
соты в точке (Ьа1, Ьоп§).
— алгоритм прекращает свою работу при расстоянии между точкой
наблюдения и текущей точкой, превышающем 3 градуса (324 км).
340
6.4. Метод расчета характеристик затенения рельефом по
заданному азимуту
При вычислении угла закрытия рельефом по направлению заданного
азимута происходит перебор всех значений рельефа от точки наблюдателя
на расстояние 300 км (угловое расстояние около 3°). Это обусловлено тем,
что при расстояниях более 3° из-за кривизны Земли за линией горизонта
не будет видна даже самая высокая точка нашей планеты. Шаг перебора
меняется в зависимости от исходных данных по рельефу (с разрешением
3", 10" или 30").
Геометрия задачи представлена
на рис. 6.13 для двух точек (Я, и Я2 —
высоты точек рельефа, у и а — углы
закрытия для первой и второй точ¬
ки, р — угол места при наблюдении
КА).
При переборе всех точек в задан¬
ном направлении по азимуту на КА
определяется максимальное значе¬
ние угла закрытия рельефом.
На рис. 6.14 и 6.15 показано по¬
строение срезов рельефа для различ-
Ою рамфа по ммуту
Рис. 6.14
Рис. 6.15
341
Рис. 6.16
ных типов местности. На рис. 6.16 показана линия одинакового азимута
из точки на поверхности Земли по направлению на КА, находящийся на
ГСО.
Построение диаграммы закрытия рельефом
Построение среза по азимуту визуально отображает структуру рельефа
только по одному направлению. Для отображения углов закрытия релье¬
фом из одной точки на поверхности Земли во все стороны построим диа¬
грамму в полярной системе координат, где азимут определяется углом от
342
направления на север, а расстояние от внешней окружности диаграммы
указывает угол закрытия (рис. 6.17).
Для построения диаграммы производится расчет из точки на поверх¬
ности Земли в диапазоне азимутов от 0° до 359° с шагом в 1°. Каждый по¬
лученный результат отображается на диаграмме.
Одновременно для этой же точки и каждого азимута (от 0° до 359°) рас¬
считывается угол места (наблюдения) КА, находящегося на ГСО. Причем
углы рассчитываются даже для КА, находящихся за горизонтом (например,
азимут из точки на поверхности Земли с координатами 42° с. ш. и 50° з. д. на
Срез р*1мф« по «амуту
_<]_>] Кооринаты точки: 42,37'24" ели. 44,0* 18" н.д. л) ^
Угол закрытия рельефом * 68,09 град
Угол места = 38,78 град
Перекрытие рельефом
Рис. 6.18
343
КА с долготой стояния 130° в. д. будет
равен 0°, а угол места будет менее 0°).
Значения углов места по всем ази¬
мутам откладываются на диаграм¬
ме (если значение угла места менее
0°, то откладывается 0°). На рис. 6.17
показаны значения углов закрытия
рельефом из точки с координатами
42°37'24" с. ш. и 44°00'18" в.д. во всех
направлениях по азимуту и значения
углов места наблюдении КА на ГСО
без учета закрытия рельефом.
Для примера, из той же точки по
азимуту 190° (направление азимута
показано пунктирной линией) прове¬
ден расчет среза рельефа (рис. 6.18).
Линия азимута 190° из указанной точки на геостационарный КА показана
на рис. 6.19. Из диаграммы следует, что по азимуту 190° закрытие релье¬
фом составляет 68,09° и данное значение отображено на рис. 6.18 в левом
верхнем углу.
При таком нанесении данных на диаграмму можно определить возмож¬
ности наблюдения КА, находящихся на ГСО. Из рис. 6.17 видно, что из точки с
координатами 42°37'24" с. ш. и 44°00'18" з. д. потенциально (без учета рельефа)
могут быть видны КА на ГСО в диапазоне азимутов от 102° до 258° (на диа¬
грамме этот диапазон показан штрих- пунктиром). Однако во всем данном
диапазоне углы закрытия рельефом больше углов места КА на ГСО (рельеф
перекрывает видимость любого из потенциально возможных для связи КА).
Одновременно можно оценить величину закрытия рельефом по каждому из
азимутов. Так, на рис. 6.20 пунктиром показан диапазон, в котором мини¬
мальное закрытие рельефом КА на ГСО составляет порядка 10° (разница ме¬
жду углами закрытия рельефом и углом места КА показана стрелкой).
Таким образом, при необходимости организации связи из рассматри¬
ваемой точки нужно увеличивать высоту установки антенны и выбирать
КА на ГСО, находящиеся в направлении 237° по азимуту.
6.5. Построение зон закрытия рельефом и гистограмм
видимости КА
По результатам предыдущего раздела построение зон затенения КА на
ГСО для заданной площади осуществляется следующим образом:
344
— определяется район для расчета;
— для каждой точки района (с заданными географическими коорди¬
натами) с шагом 3", 10" или 30" (в зависимости от исходных данных
по рельефу) рассчитывается угол места Р на КА и угол закрытия
рельефом вдоль линии азимута на данный КА;
— если угол закрытия не превышает угол места, КА считается види¬
мым из данной точки;
— зоны, соответствующие той или иной разности углов места и за¬
крытия, или, что то же самое, углу видимости над рельефом (ну¬
левому или отрицательному при полном затенении) отображаются
на карте.
Для примера произведен расчет гористого участка местности в диапа¬
зоне координат: между долготами 45,9°—46,1° в.д. и широтами 42,9°—43,1°
с.ш. с шагом 10 с (всего 5330 точек). На рис. 6.21 квадрат указывает границы
участка, для которого проводились расчеты.
Расчет производился для определения условий видимости КА на ГСО с
долготой точки стояния 100°, что соответствует углу места над горизонтом
Р = 16°. Результат расчета: на -20% площади КА не виден, а на 57% площа-
345
ди КА виден при угле наблюдения над рельефом менее 10°, в том числе не
виден вообще.
Данный пример является наихудшим для ССС с ГСО среди приведен¬
ных ниже расчетов, что объясняется почти сплошным горным покрытием
региона.
Гистограмма видимости
Для расчета видимости нескольких КА на ГСО заведена база данных
спутников в формате М3 Ехсе1, которая насчитывает 1120 записей. Формат
М3 Ехсе1 был выбран для удобства редактирования параметров спутников
(удаления, добавления новых, изменения характеристик и т. п.). База дан¬
ных содержит название КА, его координаты и расстояние до поверхности
Земли.
В процессе расчета программа может подгружать данные о спутни¬
ках (название, долгота, расстояние до спутника). На основе загруженных
данных для каждого КА вычисляется угол места, азимут и максималь¬
ный угол закрытия рельефом в направлении азимута. По результатам
вычислений строятся гистограммы и круговые диаграммы видимости
спутников.
На рис. 6.22 приведена гистрограмма распределения углов наблюдения
КА над рельефом для приведенного выше примера гористой местности.
По шкале «л;» отложены диапазоны значений углов наблюдения, по шкале
Рис. 6.22
346
Рис. 6.23
«у» — количество точек, углы наблюдения КА из которых попадают в за¬
данный диапазон, при этом указан процент от общего числа точек.
Соответственно, на рис. 6.23 темным показаны области на поверхности
Земли, из которых КА с точкой стояния 100° не виден, т. е. угол над релье¬
фом отрицательный.
Как следует из условия задачи, приведенные на рис. 6.23 результаты по¬
лучены для участка территории размером 0,2°х 0,2° (22 км х 22 км). С целью
охвата подобными расчетами больших областей (в ряде актуальных регионов
РФ) была разработана соответствующая методика, основанная на «сшива¬
нии» нескольких участков (квадратов) и требующая больших массивов ма¬
шинного времени. В частности, по этой методике проведены расчеты распре¬
деления углов видимости КА на ГСО и ВЭО для следующих территорий:
— самого южного субъекта РФ в азиатской части — Республики
Алтай;
— района восточнее хребтов Момский и Черского (Зырянка-Уголь-
ное);
— окрестностей г. Ухта западнее Уральского хребта;
— региона Хабаровского края.
Ниже приводятся их результаты в указанной последовательности.
347
Республика Алтай
Угловые размеры региона: 6° х 3,5°; долгота: 83,80—89,50 гр. в. д.; широта:
49,20—52,60 с. ш. Площадь описывающего прямоугольника: 154 тыс. кв. км.
Для проведения расчетов зона поделена на 7 участков (рис. 6.24). После рас¬
четов в каждом из участков результаты сводились в единый файл и анали¬
зировались с применением геоинформационной системы.
Шаг между расчетными точками по долготе и широте состав¬
лял 10 с.
При расчете затенений рельефом видимости КА из каждой расчет¬
ной точки по азимуту КА анализировались точки рельефа с шагом че¬
рез 2 с (60 м).
Общее количество точек на 7 участках: 2 060 640. Время расчета
каждого из участков около 15 часов. Размер единого файла составил
97 Мбайт.
Расчет проведен для КА на ГСО с долготой стояния 86,5°, что соот¬
ветствует наиболее благоприятным условиям: близости к подспутнико¬
вой точке (средняя разница долгот 3,5°) и, соответственно, углу места
без учета рельефа ~(30—32)° на широте региона.
Результаты расчета: отсутствие видимости КА (разница между уг¬
лом места и углом закрытия рельефом менее 0°) имеется на 6% площади
региона. Видимость КА при углах места менее 10° над рельефом (в том
числе отсутствие видимости) — на 14.5% площади региона. Видимость
КА при углах места менее 20° над рельефом (в том числе отсутствие ви¬
димости) — на 35% площади региона.
Республика Алтай
Рис. 6.24
348
В то же время видимость КА при углах места более 30°, т. е. практи¬
чески на равнине, составила всего 12% площади региона. Это означает,
что на 88% углы связи меньше расчетных углов места, что объясняется
горным характером местности. Области видимости КА при углах более
30°показаны на рис. 2.5, 6 (цветная вкладка) красным.
Что касается картины для ВЭО, при видимости КА без учета закры¬
тия рельефом (расчетных углах места) от 81,9° до 87,3°, то углы менее
10° над рельефом существуют лишь на 1,1% площади. В то же время об¬
ласти видимости КА на ВЭО при углах более 50° показаны на рис. 2.5, а
красным, т.е. преимущество ВЭО налицо.
Район Зырянка-Угольное
Угловые размеры региона: 4° х 3° (380 х 400 км); долгота: 148—152
в. д.; широта: 63—66 с. ш. Площадь описывающего прямоугольника
64 тыс. кв. км. Диапазон высот над уровнем моря: от 20 м до 2260 м.
Расчет проводился единым массивом по усовершенствованной методи¬
ке. Шаг между расчетными точками по долготе и широте составлял 10 с.
При расчете затенений рельефом видимости КА из каждой расчетной точ¬
ки по азимуту КА анализировались точки рельефа с шагом через 2 с (60 м).
Общее количество расчетных точек: 1 556 280.
Расчет проведен для КА на ГСО с долготой точки стояния 150° и КА
на ВЭО с координатами подспутниковой точки 90°в.д., 54,78°с.ш. и высо¬
той 30 925 км. Углы видимости КА на ГСО без учета закрытия рельефом
составляют от 15,7° до 18,8°, а КА на ВЭО от 52,3° до 54,9°.
Результаты расчета: видимость КА на ГСО при углах места менее 10° над
рельефом (в том числе отсутствие видимости) — на 3,6% площади региона,
при углах места менее (15,7—18,8)° над рельефом — на 96,4% площади регио-
Рис. 6.25
349
а) б)
Рис. 6.26
на (рис. 6.25, а). Видимость КА на ВЭО при углах места менее 50° (в том чис¬
ле отсутствие видимости) имеется на 3,6% площади региона (рис. 6.25, б).
Данный район был выбран исходя из наличия определенной вероятно¬
сти менее благоприятных условий радиовидимости на ВЭО — возможного
закрытия КА в районах добычи (г. Зырянка—Угольное) горными массивами
Момского и Черского хребтов, находящимися на расстоянии 200—300 км.
При этом точка стояния КА на ГСО выбрана, наоборот, наиболее удобная,
с точки зрения видимости.
Полученные результаты подтверждают влияние горного рельефа на ин¬
тересующей территории, причем характер этого влияния разный. При ГСО,
поскольку все углы места меньше 20°, относительно близкое локальное пре¬
пятствие обуславливает сплошное «пятно» затенения вместе с темными
пятнами вдоль гор (углы видимости над рельефом менее 10°) на рис. 6.26, а.
В то же время для КА на ВЭО, наблюдаемых под углами места более 50°,
значительно (на порядок) меньший процент углов менее 10° над рельефом
(0,3%) распределен по всей территории и соответствует, очевидно, подно¬
жию опоясывающей регион горной цепи (рис. 6.26, б).
Ухта
Угловые размеры региона: 4° х 3°; долгота: 53—57 в. д.; широта: 62—65
с. ш. Площадь описывающего прямоугольника 66 тыс. кв. км (рис. 6.27).
Диапазон высот над уровнем моря: от 20 м до 330 м.
350
Расчет проводился единым мас¬
сивом по усовершенствованной ме¬
тодике. Шаг между расчетными
точками по долготе и широте со¬
ставлял 10 с. При расчете затенений
рельефом видимости КА из каждой
расчетной точки по азимуту КА
анализировались точки рельефа с
шагом через 2 с (60 м). Общее коли¬
чество расчетных точек: 1 556 280.
Расчет проведен для КА на ГСО
с долготой точки стояния 55° и КА
на ВЭО с координатами подспут¬
никовой точки 90°в.д., 54,78°с. ш.
и высотой 30 925 км. Углы видимо¬
сти КА на ГСО без учета закрытия
рельефом составляют от 16,7° до
19,8°, а КА на ВЭО от 65,1° до 67,8°.
Результаты расчета: видимость
КА на ГСО при углах места (10—20)° над рельефом (в том числе отсут¬
ствие видимости) — на 99,8% площади региона; для КА на ВЭО мини¬
мальный угол видимости КА над рельефом составляет 20,9°, при этом
углы (20,9—30) град, имеют место на 0,5% площади, а при углах более
50° над рельефом видимость имеется на 98,6% площади региона.
Данный Западный район выбран из тех же соображений, что и пре¬
дыдущий, восточный. Имеется в виду его населенность, наличие произ¬
водственно-добывающих объектов и, главное, близость Уральских гор
(200—400 км). Как показал расчет, эта близость практически не оказыва¬
ет влияния на условия радиовидимости КА на ВЭО и, тем более, на ГСО.
В то же время, как видно из рис. 2.3 а, допустимая высота препятствий
при ГСО здесь составляет порядка 40 м, т. е. данный район достаточно
благоприятен и для работы через КА на ГСО, но при условии допущения
углов (17—20) град, над рельефом.
Хабаровский край
Угловые размеры региона: 4° х 3°, долгота: 133—137 в. д.; широта:
47—50 с. ш. Площадь описывающего прямоугольника 98 тыс. кв. км
(рис. 6.28). Диапазон высот над уровнем моря: от 10 м до 1850 м.
Расчет проводился единым массивом по усовершенствованной ме¬
тодике. Шаг между расчетными точками по долготе и широте составлял
Рис. 6.27
351 ч
10 с. При расчете затенений релье¬
фом видимости КА из каждой рас¬
четной точки по азимуту КА анали¬
зировались точки рельефа с шагом
через 2 с (60 м). Общее количество
расчетных точек: 1 556 280.
Расчет проведен для КА на ГСО
с долготой точки стояния 135° и КА
на ВЭО с координатами подспутни¬
ковой точки 90°в.д., 54,78°с.ш. и вы¬
сотой 30 925 км.
Углы видимости КА на ГСО без
учета закрытия рельефом состав¬
ляют от 32,7° до 36,0°, а КА на ВЭО от 54,6° до 58,7°.
Результаты расчета: видимость КА на ГСО при углах места менее
10 град, над рельефом (в том числе отсутствие видимости) — на 2,9%
площади региона, видимость при углах менее 20° над рельефом — на
6,8% площади, а при углах (30—36)° — 77,1% (рис. 6.29, а).
Видимость КА на ВЭО при углах над рельефом менее 10 град, (в том
числе отсутствие видимости) имеется на 0,8% площади, менее 40 град. —
на 19,3%, при углах над рельефом более 40° видимость имеется на 93,9%
площади региона (рис. 6.29, б).
Данный регион характеризуется насыщенностью промышленно¬
сти, добывающих, лесных, охотничьих, рыболовецких, сельскохозяй¬
ственных предприятий. Вместе с тем, здесь имеются и горные массивы,
сопки, как с южной стороны, так и на северо-западе. По этой причине
распределение углов видимости над рельефом, меньших, чем углы мес-
Рис. 6.29
352
а) б) в)
Рис. 6.30
та на равнине (т. е. до 30° для ГСО и до 50° для ВЭО) более заметно, по
сравнению, например, с предыдущими двумя районами. При этом для
ГСО углы видимости до 10° имеют место на 3%, до 30° — на 23% тер¬
риторий, тогда как при ВЭО процент на порядок ниже. Это следует из
рис. 6.30, а, б, в, где темные области указывают распределение по тер¬
ритории углов видимости над рельефом менее 10 и 30 град, для ГСО и
менее 30 град, для ВЭО, соответственно.
В заключение отметим, что критерий определения углов видимо¬
сти над рельефом при первом рассмотрении представляется столь же
справедливым, как и углы места над гладкой поверхностью, во всяком
случае, для ЗС, антенны которых имеют относительно узкую и ориенти¬
руемую в пространстве диаграмму направленности. Что касается стан¬
ций, работающих в движении, то данный вопрос требует более глубоких
исследований, как теоретических, так и экспериментальных.
6.6. Углы видимости над рельефом при движении
по заданному маршруту
Расчет углов видимости КА на ГСО при движении по заданному
маршруту осуществляется следующим образом:
— определяется маршрут движения (координаты точек);
— для каждой точки маршрута рассчитывается угол места для ука¬
занного КА и угол закрытия рельефом по азимуту для данно¬
го КА;
— если угол закрытия рельефом не превышает угол места, КА счи¬
тается видимым из данной точки;
353
<0 0-5 5-10 10-15 15-20 20-25 25-30 30-35 35-40 >40
Рис. 6.30
— производится расчет статистики наблюдения;
— отображаются на карте зоны затенения.
В проекте существует возможность задавать положение наблюдателя
массивом точек. Ввод точек осуществляется с карты. При этом автомати¬
чески происходит построение трассы движения (точки связываются после¬
довательно). Полученный массив точек используется для построения гис¬
тограммы распределения углов видимости при движении наблюдателя.
При формировании гистограммы для каждой точки массива рассчи¬
тывается угол места, азимут, максимальный угол закрытия рельефом
и угол наблюдения, равный разнице угла места и максимального угла
закрытия рельефом. Алгоритмы вычисления угла места, азимута и мак¬
симального угла закрытия рельефом описаны выше. На основе получен¬
ных данных определяется точка с наилучшими условиями приема.
В качестве конкретного примера, представляющего практический
интерес, проведен расчет видимости КА на ГСО с долготой стояния 86°
в.д. при движении по железнодорожному маршруту Москва-Владиво-
сток. Общая протяженность трассы составляет 8855 км. Количество рас¬
четных точек 727. По ходу движения углы места над горизонтом изме¬
няются от 13° до 29°, а максимальный угол закрытия (на юге) достигает
80° с вероятностью 1,4%.
Результаты расчета: на 1,4% маршрута КА не виден, на 5% маршрута
КА виден при углах над рельефом менее 10° и на 55% маршрута КА ви¬
ден при углах над рельефом менее 20° (или не виден вообще). На рис. 6.30
354
Рис. 6.31
приведена гистограмма распределения углов места наблюдения КА над
рельефом. На рис. 6.31, а темным показаны участки маршрута, на кото¬
рых КА с точкой стояния 85° не виден вообще, т. е. угол над рельефом
меньше 0 (штриховкой на рисунке обозначена ЗРВ КА с точкой стояния
86° без учета рельефа). А на рис. 6.31, б темным обозначены участки, на
355
которых угол над рельефом менее
20°.
При работе в движении через
КА на ВЭО (с координатами 90 в. д.,
54,78 с. ш., высота 30 975 км) углы
места без учета рельефа меняются
от 54,96° до 88,49°, при этом углы
закрытия рельефом с очень малой
вероятностью могут достигать 85°
(на севере).
Распределение углов видимо¬
сти КА над рельефом приведено на рис. 6.32, а на рис. 6.33 темными точ¬
ками показаны редкие участки видимости КА над рельефом при углах
менее 20°. Видимость отсутствует в менее чем 1% случаев.
Рассмотренные в этой и предыдущих главах уникальные особен¬
ности 12-часовой ВЭО типа «Молния» относятся к пространственно-
временным орбитальным характеристикам. Вместе с тем, представляют
интерес ряд других вопросов, выходящих за рамки данной публикации.
Например, сравнение с 24-часовой ВЭО по количеству КА в группиров¬
ке, влиянию радиации в космосе, сложности и стоимости выведения на
орбиту, отработке алгоритмов управления, поддержания, восполнения
КА и пр. Ответ на указанные вопросы должен быть получен в процессе
дальнейших исследований.
Рис. 6.33
356
ЧАСТЬ 2
ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ КАНАЛОВ
И СИСТЕМ СПУТНИКОВОЙ
СВЯЗИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ
КОДИРОВАНИЯ, СЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ
И ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СЕЛЕКЦИИ
Основными показателями помехоустойчивости, определяющими
эффективность и надежность работы цифровой ССС, при ее заданных
структуре, энергетических, частотных и прочих параметрах, являются
соотношения между полезным сигналом и помехами в приемных уст¬
ройствах СР и ЗС, обеспечивающие требуемую достоверность и своевре¬
менность передачи информации. Помехоустойчивость каналов и систем
связи зависит от методов формирования, модуляции, кодирования, де¬
модуляции, декодирования сигналов, а также структуры, параметров,
функциональных особенностей их передачи и обработки в условиях раз¬
ного рода мешающих воздействий.
Выбор метода передачи информации по радиолинии диктуется типом
канала и соответствующей среды распространения, характером суще¬
ствующих в них помех и подразумевает, в первую очередь, определение
вида передаваемых сигналов, или сигнально-кодовой конструкции (СКК),
которая, в свою очередь, сложным образом связана с полосой сигнала,
занимаемой сигналом. Эффективность ССС, если иметь в виду ее про¬
пускную способность и помехозащищенность при ограничении частот¬
ного ресурса, в большой степени зависит от характеристик совокупности
(ансамбля) передаваемых дискретных сигналов, в частности, таких, как
расстояние (взаимная корреляция) между сигнальными символами, вид
и число позиций модуляции, основание и избыточность кода, требуемая
вероятность ошибочного приема символа сообщения и т. д.
Указанные показатели в первую очередь определяют помехоустой¬
чивость в условиях внутреннего (собственного) аддитивного шума при¬
емных устройств СР и ЗС, как основного вида помех в каналах спутни¬
ковой связи, а также при изменении параметров канала вследствие раз¬
ного рода замираний сигнала, возникающих в линиях мобильной связи
при взаимном перемещении СР и ЗС.
Особое внимание при проектировании ССС должно быть уделено
и внешним помехам (ВП), которые могут иметь различные физическую
357
природу, источники возникновения, электрические и пространствен¬
ные характеристики. К ВП будем относить как внутрисистемные (меж¬
ствольные, межспутниковые), так и помехи внесистемного происхожде¬
ния, причем последние сильно различаются по степени предсказуемости
параметров. В частности, при расчетах и оценке ЭМС обычно учитыва¬
ются мешающие излучения от существующих или вновь создаваемых
систем спутниковой и других видов связи. В меньшей степени бывают
определены помехи случайного или преднамеренного характера, источ¬
ники и время появления которых достоверно не известны и могут лишь
прогнозироваться стой или иной вероятностью.
При построении ССС должна предусматриваться возможность за¬
щиты от всех видов помех, в степени и объемах, зависящих от имеющих¬
ся ресурсов и назначения системы. Такая постановка вопроса основана,
прежде всего, на существовании методов оценки вредного действия и
борьбы с помехами, предполагающих знание, анализ или экстраполя¬
цию их параметров в комплексе с применением эффективных, в том или
ином смысле, мер защиты.
Существует множество методов количественного и качественного
описания структуры и характеристик помех, критериев оценки их влия¬
ния. Использование статистических характеристик позволяет оценивать
разного рода мешающие воздействия на качество приема полезных сиг¬
налов посредством математических операторов преобразования в такие
показатели, как условные вероятности, средние значения помехи, отно¬
шение сигнал /помеха и др. на выходе демодулятора, или входе решаю¬
щего устройства приемника дискретных сигналов, определяющие каче¬
ство и достоверность получаемой информации.
Вредное действие помех может устраняться или ослабляться в не¬
скольких местах (сечениях) линии связи за счет различных способов
их селекции на фоне полезных сигналов. Так, до попадания в основной
тракт ретрансляции, для выделения сигналов и подавления помех могут
использоваться взаимные корреляционные свойства тех и других, при¬
меняться пространственная и поляризационная селекция — путем при¬
дания бортовым приемным антеннам, устройствам их комбинирования
и обработки смеси сигналов и помех, определенных функций, в частно¬
сти формирования соответствующих диаграмм направленности.
Для обеспечения такой защиты необходимо различать направления
прихода или поляризации полезных и мешающих сигналов, либо совме¬
щать пространственную избирательность с другими отличительными
признаками тех и других. В частности, фазирование или выключение
лучей, придание ДН приемной бортовой антенны соответствующей фор¬
358
мы («обнуление» в направлении прихода ВГ1), переключение лучей по
определенному закону (селекция во времени), введение в сигналы раз¬
личных отличительных признаков, являются примерами применения
пространственной, пространственно-временной, пространственно-ко¬
довой обработки.
При недостаточном ослаблении за счет антенны СР помеха попада¬
ет на вход приемного устройства и при прямой ретрансляции (т. е. без
какой бы то ни было селекции в тракте) излучается на участке вниз, от¬
бирая полезную выходную мощность СР. Поэтому обработка смеси сиг¬
налов и помех (с регенерацией или без) до усиления в выходном каскаде.
СР представляет собой радикальный путь защиты от ВП.
Наконец, среди способов борьбы с помехами на участке «вниз», в це¬
лом мало отличающихся от используемых в остальных видах радиосвя¬
зи, для защиты от излучений источников, находящихся в близких к СР
орбитальных позициях, либо в зоне влияния на Земле, широко применя¬
ются пространственная селекция за счет избирательных свойств антенн
ЗС, а также методы, основанные на преобразовании помех, в частности,
по частотно-временным признакам, в приемных устройствах.
С целью достаточно полной оценки помехозащищенности линий
связи обычно рассматриваются наиболее распространенные и вероят¬
ные типы мешающих воздействий, которые, как отмечалось выше, ха¬
рактеризуются энергетическим уровнем на входе приемного устройства
СР, ЗС, а также статистическими характеристиками, методом и законом
модуляции амплитуды, частоты, фазы, определяющими занимаемую по¬
мехой полосу частот.
Имея в виду излучения ЗС и СР, а также других радиотехнических
средств соседних по пространственному расположению систем, и то, что
в большинстве современных и перспективных линий связи используют¬
ся цифровые методы передачи информации, весьма вероятными явля¬
ются помехи с параметрами, подобными самим сигналам. Часто в раз¬
личных участках частотного диапазона возникают также широкополос¬
ные (шумоподобные, многочастотные, импульсные) электромагнитные
излучения, создаваемые источниками естественного или техногенного
происхождения на обоих участках ЛС. К ним могут быть отнесены как
излучения шумов Земли, Солнца, космоса и т. п., так и помехи от других
радиотехнических источников. Наконец, следует иметь в виду и ква-
зигармонические, синусоидальные (сосредоточенные по полосе частот)
узкополосные относительно сигнала помехи, которые являются распро¬
страненной в теории и на практике классической моделью мешающих
воздействий.
359
ГЛАВА 7. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ
ФОРМИРОВАНИЯ И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
В СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНОЙ
ИНФОРМАЦИИ
Сообщения, или алфавит, подлежащие передаче в системе связи (бу¬
квы, цифры, команды и т. п.), можно представить в виде кодовых ком¬
бинаций, составленных из символов той или иной системы счисления.
Если алфавит состоит из N дискретных сообщений, то число элементов
к в каждой кодовой комбинации равномерного кода определяется из со¬
отношения N <Ык—тк, где т — основание кода (система счисления).
Например, если в системе связи цифровой алфавит возможных сообще¬
ний равен 10, то каждое из сообщений можно представить в виде кодо¬
вых комбинаций, состоящих из двоичных, троичных, четверичных или
десятичных сигналов, или, в табличной форме (таблица 7.1).
Из таблицы следует, что в двоичном коде кодовая комбинация со¬
держит четыре разряда, в троичном — три, в четверичном — два, нако¬
нец, в десятичном — один. Поскольку для кодов с основанием 2, 3 и 4
(т = 2,3,4) ЫК > Ы, то некоторые комбинации оказываются избыточны¬
ми. Так, при т = 2 и 4, А^к = 16, а для т = 3 А^к = 27.
Рассмотренный процесс преобразования сообщений называется
первичным кодированием. При таком кодировании должны выполняться
условия: тк~1 <И <тк, ЫК = М-*”тгп. Наиболее часто в системах связи
используются двоичные (бинарные) коды. Коды с большим основанием
Таблица 7.1
Сообщение
*,е[0,1]
Д,е |0.1.2]
X, 6 [0,1,2,3]
X, 6 [0. 1....9]
0
0000
000
00
0
1
0001
001
01
1
2
0010
002
02
2
3
ООП
010
03
3
4
0100
011
10
4
5
0101
012
11
5
6
ОНО
020
12
6
7
0111
021
13
7
8
1000
022
20
8
9
1001
100
21
9
360
(т > 2) принято называть т-ичными, многопозиционными, многооснов¬
ными или многоуровневыми. Остановимся более подробно на двоичных
кодах.
7.1. ФОРМИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ В ОСНОВНОЙ ПОЛОСЕ
(В ПЕРВИЧНОМ КОДЕ)
Для передачи двоичной информации по линиям связи необходимо
представить ее элементы в форме, удобной для последующего преобра¬
зования в те или иные виды (алфавит) сигналов, формируемых по низ¬
кой (видео) частоте, или в основной полосе. Известно несколько различ¬
ных форм представления элементов двоичного кода. Некоторые из них
приведены в таблице.
Указанные способы представления условно делятся на две группы:
• формирование элементов кода с возвратом к нулевому уровню
(метод ВН);
• формирование элементов кода без возврата к нулевому уровню
(метод БВН).
В первом случае каждый символ начинается от нулевого и закан¬
чивается нулевым уровнем. Во втором случае для формирования сиг¬
налов используются положительный и отрицательный уровни, распо-
Таблица 7.2
Форма представления
элементов кода
Форма символов
= 0
= 1
Однополярные, с пассив ной паузой
0 г
.
0 1 <
\
ло
Двухполярные, с активной паузой
0 Д
Л
«ш й
хо
Однополярные, с пассивной паузой
и расщепленной фазой
0 /
0Г” Ч
хо
V2 V2
Двухполярные, с расщепленной фазой
+{/
+и
0. V2 к
0 1 V2 г
1/| V2
Однополярные, с расщепленной фазой
и активной паузой
1 1+и
0 ^ 1 '
о| 1 *
V2 V2
х</2 х„/2
Двухполярные с расщепленной фазой
и активной фазой
о V2 V2 <
0 1 1 1
V2 V2
361
ложенные симметрично относительно нулевого, который при этом не
используется.
Коды с расщепленной фазой используются тогда, когда необходи¬
ма высокая точность посимвольной синхронизации, поскольку при та¬
ком построении сигнала легко выделяется тактовая частота. Однако и
длительность элементов (элементарных посылок) при этом уменьшает¬
ся в два раза, соответственно полоса занимаемых частот увеличивается
вдвое.
В зависимости от формы применяемых сигналов методы ВН и БВН
позволяют получить большое число представлений кодовых комбина¬
ций, которые делятся на три типа:
1) Коды, у которых в формируемой последовательности изменение
уровня или фазы элемента происходит при каждом переходе от символа О
к символу 1 или, наоборот, от 1 к 0. Эти коды называются абсолютными.
2) Коды, у которых изменение уровня или фазы происходит при
появлении символа 1, а при появлении символа 0 сохраняется значе¬
ние уровня или фазы предыдущего элемента либо, наоборот, измене¬
ние происходит только при появлении символа 0. Такие коды называ¬
ются относительными, или дифференциальными. Абсолютные коды
обозначаются обычно буквой I, а относительные — М или 51, в зависи¬
мости от того, появление какого символа вызывает изменение уровня
или фазы.
3) Коды, у которых для представления бинарных символов исполь¬
зуются три уровня — нулевой, положительный и отрицательный, причем
последние расположены симметрично относительно нулевого уровня.
Такие коды называются биполярными.
Используя биполярное кодирование, можно получить последова¬
тельности с различными энергетическими спектрами. Так, например,
можно сформировать сигнал, в котором отсутствует постоянная со¬
ставляющая, или существенно ослабить низкочастотную часть спек¬
тра. При других методах формирования биполярной последовательно¬
сти можно сузить ширину энергетического спектра в два или даже три
раза [7.1,7.2]. Примеры формирования различных кодов по указанным
правилам приведены на рис. 7.1.
В реальных системах радиосвязи наиболее часто применяются аб¬
солютные и относительные коды, в частности, относительный принцип
кодирования находит широкое применение в ССС с фазовой манипуля¬
цией (ФМ).
Рассмотрим спектральные характеристики некоторых кодовых по¬
следовательностей.
362
Кодона я последовательность (КП)
1
0
1
0
0
1
1
1
0
1
Мс'год формирования гч.11
0__
вн
Однополярные, с пассивной паузой
0__
1_
_г
1
г
т_
ВН
Однополярные, с расщепленной
фазой
0 —
“1_
ВН
Двухполярные, с расщепленной
фазой
0 —
БВН
Двухполярные,с активной паузой
0 —
1
_Г
1
Л
Л
1]
1
1_
1_
БВН
Двухполярные, с расщепленной
фазой
0
ВН
Относительный код
5-код
0
___
ВН
Относительный код
М-код
Рис. 7.1
Наиболее показателен в этом смысле т.н. случайный телеграфный
сигнал (рис. 7.2), представляющий собой кодовую последовательность
БВН, в которой символы 0 и 1 принимают два возможных значения: +11
или -II. При этом символы появляются с равной вероятностью и, следо¬
вательно, можно записать: р(11) = р(-бО = 0,5.
Функция корреляции телеграфного сигнала определяется как
В(т,1) = 4У2(1 — т/т0) при 0<т<т(),
= Опри т0 <т<0° С7-1)
Учитывая, что функция корреляции и энергетический спектр свя¬
заны между собой парой преобразования Фурье, запишем:
51П СО -
С((о,() = — ( В(т,Г)соз(со^)б/т = —11\( —)2’
тсЧ п *0
(7.2)
“'2
363
—
1
-ч
,
Т() 3хо
4то
6т„ 7т„
ОС
чс -
— 1
Рис. 7.2
где со и {— аргументы угловой частоты в основной полосе и текущего
времени; т — временной сдвиг.
Таким образом, энергетический спектр случайного телеграфного
51П X
сигнала имеет форму ( —)2, а ширина его лепестков определяется
,т
длительностью символов т0. Корреляционная функция и энергетиче¬
ский спектр для этого случая приведены на рис. 7.3.
Аналогичным образом можно найти энергетический спектр лю¬
бой кодовой последовательности в основной полосе, представленной на
рис. 7.1. Например, для двойной двоичной последовательности (ДДП)
или двоичной трехуровневой последовательности (ДТП) энергетиче¬
ские спектры которых можно записать в виде [7.1, 7.2]:
С
ДДП
51П СОТр у}
сот0
у
^дтп(^’^)
8т0
^.51П 0,5шт
0,5што
о
)2
15 +14 соз шт0 — 4 соз Зшт0
17 + 8соз4шт0
На рис. 7.4 показаны спектральные плотности мощности случайно¬
го телеграфного сигнала (СТС), ДДП, ДТП. Видно, что, изменяя прави¬
ло формирования кодовой последовательности, можно существенным
образом влиять на форму энергетического спектра и его ширину. Так,
переход от СТС к ДДП позволяет сузить спектр в два раза, а переход к
ДТП — в три раза. Более того, в последнем случае удается в значитель¬
ной степени снизить уровень низкочастотных составляющих энергети¬
ческого спектра.
Разнообразие существующих форм представления символов и мето¬
дов построения кодовых последовательностей дает возможность выбрать
наиболее целесообразную форму первичного кода для конкретных усло¬
вий в системе и предъявляемых требований. Существуют абсолютный и
относительный методы кодирования. При этом выбор метода представ-
364
Рис. 7.4
ления символов с ВН или БНВ не имеет принципиального значения и
определяется элементной базой, которую предполагается использовать
в аппаратуре.
7.2. МЕТОДЫ МОДУЛЯЦИИ
Как известно, основными наиболее общими методами передачи циф¬
ровой информации по линиям связи являются амплитудная (АМ), час¬
тотная (ЧМ) и фазовая (ФМ) манипуляция.
АМ сигнал имеет «пассивную паузу», его энергетический спектр
(рис. 7.5 соответствует СТО) содержит несущую частоту и две симмет¬
рично расположенные боковые составляющие, отстоящие на интервалы,
кратные частоте манипуляции О.
Таким образом, процесс манипуляции можно представить как пере¬
нос энергетического спектра телеграфного сигнала из основной полосы
в область несущих (радио) частот.
При ЧМ амплитуда гармоник существенно зависит от индекса ма¬
нипуляции, что обусловлено интерференцией боковых составляющих
двух АМ колебаний, с помощью которых формируется ЧМ сигнал.
В случае манипуляции (изменении несущей частоты) по закону пе¬
риодической двоичной последовательности символов 0 и 1 (т.н. «теле¬
графные точки»), энергетический спектр ЧМ сигнала для индекса мо¬
дуляции (3 = 2 имеет вид, показанный на рис. 7.6.
365
Рис. 7.5
Рис. 7.6.
Сигнал при бинарной ФМ представляет собой последовательность
противоположных по фазе символов и может быть описан двумя проти¬
воположно направленными векторами, в то время как АМ сигнал пред¬
ставляется в виде вектора V и нулевого вектора.
Спектр такого сигнала для частного случая манипуляции периоди¬
ческим видеосигналом представлен на рис 7.7. Анализируя его, можно
отметить, что, во-первых, в нем отсутствует (подавлена) центральная
(несущая) частота и вся энергия распределена по боковым составляю¬
щим. Во-вторых, он занимает ту же полосу, что и спектр АМ сигнала,
следовательно, более узкую, чем при ЧМ. Отметим также, что энергети¬
ческий спектр ФМ сигнала не расширяется и при манипуляции фазы на
ПРОИЗВОЛЬНЫЙ УГОЛ в <71.
Отсутствие несущей в спектре ФМ сигнала на рис. 7.7 характерно
только для передачи «точек», ибо постоянная составляющая отсутству¬
ет только в таком периодическом сигнале. При передаче же реального,
т. е. случайного «телеграфного сигнала» значение постоянной состав¬
ляющей в течение некоторого временного отрезка отличается от нуля,
366
0,64
0.64
0,22
0,22
0,128
0.128
0,09
0.09
со-7П со-50
Рис. 7.7
поэтому на центральной частоте со0 будет всегда присутствовать спек¬
тральная составляющая, величина которой пропорционально среднему
интегральному уровню этого сигнала. Таким образом, реальный энер¬
гетический спектр при ФМ будет также сплошным, с двумя боковыми
полосами, т. е. будет иметь форму и ширину, близкую к АМ, и его отли¬
чие заключается лишь в «подавлении» несущей.
Многопозиционные (многоуровневые) сигналы
Наряду с бинарными, в системах связи используются многопози-
ционные, или многоуровневые, сигналы для одновременной (много¬
канальной) передачи нескольких сообщений в бинарном коде или для
передачи последовательностей двоичных символов с основанием кода
т > 2.
Например, многоуровневый АМ сигнал, у которого амплитуда при¬
нимает некоторое множество М значений, можно записать в виде:
Многоуровневые АМ сигналы в чистом виде используются сравни¬
тельно редко, т.к. помехоустойчивость такого метода передачи мала. Ра¬
нее чаще применяли многоуровневую частотную манипуляцию (МЧМ),
или многочастотную телеграфию. Сигнал МЧМ может быть записан в
виде:
При МЧМ каждому дискретному сообщению можно поставить в со¬
ответствие свою частоту. Тогда при передаче цифрового алфавита доста¬
точно иметь 10 различных частот, буквенного — 32 и т. д. Отметим, что
при одинаковой скорости передачи информации и переходе от двоично¬
го кода к коду с основанием т длительность элемента сигнала (посылки)
= V. зт(оу +0), где г = 0,1,2,..., т - 1
(7.3)
(7.4)
367
увеличивается в 1о$2 М раз, при этом расширяется полоса, занимаемая
сигналом:
Тт = 1ов2 /л , (7.5)
где х д0 — длительности элементарных посылок в сигнале МЧМ и
ЧМ.
Минимальная полоса, необходимая для передачи МЧМ, определя¬
ется разносом частот между частотными позициями, который прини¬
мается равным ширине полосы одиночного символа 1 /тт1о§2^> и чис¬
лом позиций т: Рт = т/тт\о&2т. Отметим, что такую же полосу имеют
и ансамбли ортогональных сигналов, сформированных в виде двоичных
последовательностей длиной т символов. Для биортогональных сигна¬
лов полоса частот при том же основании кода в два раза меньше, а для
симплексных — уменьшается пропорционально т - 1.
Широкое применение для передачи нескольких сообщений в бинар¬
ном коде (т. е. по параллельным кана¬
лам) в системах радиосвязи на КВ и
УКВ находят сигналы с многофаз¬
ной манипуляцией (МФМ). При од¬
новременной передаче по нескольким
каналам последовательность бинар¬
ных символов каждого канала мани¬
пулирует несущую по фазе на угол л,
в то время как фазовые сдвиги между
несущими для каждого канала отли¬
чается на угол Дф. При равной вели¬
чине фазовый сдвиг между каналами
будет равен 2к/2ы, где Ы— число би¬
нарных каналов. Так, при N =2 (дву¬
кратная, или 4-фазная ФМ — ДФМ,
4ФМ) фазовый сдвиг равен л/2, а
при Ы = 3 (трехкратная ФМ-ТФМ,
8ФМ) — л/4. Векторные диаграм¬
мы сигналов приведены на рис. 7.8 и
7.9, соответственно:
Переход от однократной ФМ к
многократной в целом не изменя¬
ет ширины энергетического спектра
при неизменной скорости манипуля¬
ции. Однако текущий (мгновенный)
Рис. 7.8
Рис. 7.9
368
спектр в ряде случаев может существенно меняться. Так, если в сигна¬
ле на каждом такте фаза изменяется на одинаковый угол, например на
п/ 2, спектр смещается в сторону увеличения частоты пропорциональ¬
но значению тактовой частоты. Эту особенность необходимо учитывать
при построении предельно узкополосных систем связи с ФМ.
Под воздействием помех вектор сигнала с МФМ может перейти в
любое другое положение, при этом вероятность перехода тем больше,
чем на меньший фазовый угол его положение отличается от исходного.
Поэтому, учитывая, что каждый вектор несет информацию о нескольких
бинарных символах, целесообразно, чтобы наиболее удаленным по фа¬
зовому сдвигу векторам соответствовали наиболее отличающиеся ком¬
бинации символов. Последовательная совокупность бинарных кодовых
комбинаций, выбранных по этому правилу, называется оптимальным
манипуляционным кодом. В аналитической форме такой метод кодиро¬
вания можно представить в виде функции 0, = (а,,а2,...,ау), имеющей
вид:
0, = я[1 - а, + 1)“. + ХУ- 1)'П(-1)“' ]• (7.6)
4 /=3 ,/-1
где а, бинарный символ г-го канала.
Для трех- и четырехкратной ФМ такие оптимальные коды в вектор¬
ном представлении имеют вид рис. 7.10, 7.11.
Кроме оптимального манипуляционного кодирования в системах
Л^-кратной ФМ осуществляют формирование многократного 5- или М-
кода. Такие операции мало чем отличаются от методов, изложенных
выше. Так, для ДФМ при формировании 5-кода необходимо выполнить
операции:
ь
1 п
2 п
(7.7)
где аиа2, — исходные двоичные символы первого и второго каналов;
Ь1п Ь2п — символы 5-кода первого и второго каналов; а10,а20 — произ¬
вольные постоянные первого и второго каналов, принимающие значения
0 или 1 независимо друг от друга.
Что касается ширины энергетического спектра при переходе от од¬
нократной к многократной (т-ичной) ФМ в одном канале и неизменной
скорости передачи двоичного сообщения, то она сокращается. При этом
происходит определенное снижение помехоустойчивости, обусловлен¬
ное уменьшением расстояния между векторами в пространстве сигна¬
лов, но повышается частотная эффективность метода передачи с такой
369
111
МФМ. Методы формирования сиг¬
налов многократной ФМ подробно
рассмотрены в 17.3). где приведены
и схемные решения, выполняющие
операции формирования и приема
подобных сигналов.
В последние годы, в связи с остро¬
той проблемы выделения частотного
ресурса, применение получила также
многопозиционная передача, при ко¬
торой изменениемыми параметрами
являются и фаза и амплитуда (АФМ)
и, кроме того, может дополнительно
использоваться избыточное кодиро¬
вание. Такой метод передачи называ¬
ют также манипуляционным кодиро¬
ванием.
В частности, широко известна
многопозиционная квадратурная ам¬
плитудная манипуляция (КАМ), как
разновидность АФМ, основанная на
передаче двух составляющих сигна¬
ла — синфазной I и квадратурной (2,
т. е. сдвинутых по фазе на 90° с помо¬
щью, например, двух балансных мо¬
дуляторов. На один вход БМ подается передаваемый сигнал / или (2,
а на второй — несущая со смещенными фазами на 90°. Как известно, в
случае идентичности плеч БМ, результирующий сигнал на выходе воз¬
никает лишь при воздействии модулирующего сигнала: 1У5 = Ц, соз и\.с +
+ 51П шс1
На рис. 7.12 представлены функциональная схема и векторная диа¬
грамма сигналов при квадратурной модуляции. Проекции вектора сиг¬
нала на оси / и (2 рассматривают как его квадратурные компоненты.
Для демодуляции используется синхронное детектирование. Сама по
себе квадратурная модуляция уже обеспечивает увеличение эффек¬
тивности использования полосы частот в два раза, так как на одной
несущей частоте одновременно передаются два сигнала. Входными мо¬
дулирующими сигналами Ц, и (/д являются сигналы, имеющие различ¬
ное число дискретно изменяющихся уровней и симметричные относи¬
тельно нуля.
Рис. 7.10
Рис. 7.11
370
а)
6)
и1
Балансный
модулятор 1
Рис. 7.12
На рис. 7.13, а показана векторная диаграмма 4-х позиционной КАМ
(ОДМ), при которой каждая квадратурная составляющая может иметь
два возможных уровня (0 или 1). На рис. 7.13, б приведен случай, когда
каждая составляющая имеет положительную или отрицательную по¬
лярность (общий уровень сигнала принят как +0,5, -0,5).
Если каждая квадратурная составляющая имеет четыре уровня, что
соответствует двум битам информации, то получается 16-позиционная
КАМ (рис. 7.13, в). Такая модуляция дает выигрыш в эффективности ис¬
пользования полосы частот в четыре раза, т.к. одновременно передаются
4 бита. Применяются также 64 и 256-позиционная КАМ при использо¬
вании которых одновременно передаются 6 и 8 бит, соответственно. При
дискретной модуляции не амплитуды, а фазы каждой из двух квадра¬
турных составляющих получается квадратурная фазовая манипуляция
(КФМн).
В качестве заключения по данному разделу приведем некоторые
обобщенные результаты по помехоустойчивости и частотной эффектив¬
ности методов передачи дискретной информации.
При использовании рассмотренных способов цифрового формиро¬
вания и модуляции помехоустойчивость канала связи, в частности, с
аддитивным белым (равномерным) гауссовым шумом (АБГШ), соот¬
ветствующая той или иной вероятности ошибочного приема двоично¬
го символа Р0 и определяемая соотношением сигнал/шум Л2, при оди¬
наковых энергиях и прочих равных условиях, зависит от расстояния
(взаимной корреляции) между сигналами, отображающими двоичные
символы сообщения.
Минимальные требуемые значения к2, как известно, достигаются в
случае применения противоположных сигналов, ФМ (ОФМ). Это со-
371
Нкишиюшил кнолрлгурм.ш амплитудная манипуляция Ч1ш;иои
и) О) У
10 <
' •" 10
11
•
•
. ~ У
00*
#01
•
00
01
У
16-пшнциоииая квадратурная амплитудная манипуляция сиг'надои
в)
1011
1001
1010
1000
00 10
0000
001 1
0001
- У
• •
1101 1100
• •
1111 1100
• •
0100 0101
• •
ОНО 0111
Рис. 7.13
ответствует максимальной пропускной способности канала при дво¬
ичном кодировании. В два раза (на 3 дб) больше, чем при ФМ, значе¬
ние Н2 и, соответственно, ниже пропускная способность, при двух ор¬
тогональных сигналах, к которым может быть отнесена, в частности,
двоичная ЧМ.
Примерно ту же помехоустойчивость, что и ФМ-2, обеспечивают та¬
кие разновидности фазовой манипуляции как ФМ-4, смещенная ФМ
(СФМ) и фазочастотная (ФЧМ), называемая часто модуляцией с ми¬
нимальным частотным сдвигом (ММС). Положительной особенностью
ФМ-4, СФМ, ММС является в два раза меньшая полоса частот по срав¬
нению с ФМ-2. Что касается помехоустойчивости относительных мето¬
дов ФМ (ОФМ-2,4), которые подробнее рассмотрены в главе 9, то при
когерентном приеме ее снижение по отношению к ФМ-2 составляет ме¬
нее 1 дб (ОФМ-2), а при двукратной ОФМ (ДОФМ, ОФМ-4) — поряд¬
ка 3 дб.
Использование т-позиционного кодирования без избыточности
приводит, как упоминалось выше, к двояким результатам. В случаях
МФМ, КАМ и т. п., когда сигналы, соответствующие последовательно¬
стям к = 1о%т двоичных символов, имеют меньшее взаимное расс гоя-
372
Н‘
Рис. 7.14
ние, чем ортогональные, биортогональные или симплексные, занимае¬
мая ими полоса частот уменьшается, а энергия символа, необходимая
для достижения той же Р0, следовательно, и к2, должна повышаться. Та¬
ким образом, с возрастанием основания кода частотная эффективность
многопозиционных неортогональных сигналов указанного типа повы¬
шается пропорционально 1орп, тогда как помехоустойчивость падает,
причем быстрее.
В то же время ортогональные, биортогональные и, в идеале, наиме¬
нее коррелированные между собой симплексные ш-ичные сигналы име¬
ют наибольшую помехоустойчивость, соответствующую предельной
пропускной способности канала по Шеннону.
На рис. 7.14, 7.15 приведены зависимости Н2 в канале с АБГШ от осно¬
вания кода при когерентном и некогерентном приеме т-ичных и много-
позиционных неортогональных сигналов с ФМ, АМ и их комбинациями,
373
Рис. 7.15
включая частные случаи двоичной и четверичной ФМ, ОФМ [7.6]. Они
позволяют оценить, с одной стороны, степень изменения помехоустой¬
чивости, с другой — расходование частотного ресурса, за счет возраста¬
ния числа позиций, по сравнению с более традиционными двоичными
методами передачи. Значения ординат на рис. 7.15 характеризуют соот¬
ношение полосы частот и энергонотенциала в радиолинии ССС.
На практике двукратная ФМ (()Р5К) находит наибольшее приме¬
нение в ССС, позволяя обеспечивать наилучшее соотношение между
помехоустойчивостью и занимаемой сигналом полосой частот. При из¬
бытке энергетики в радиолинии применяют также КАМ-8,16,32 в целях
экономии частотного ресурса.
7.3. СЛОЖНЫЕ СИГНАЛЫ И СПОСОБЫ ИХ ПОСТРОЕНИЯ
Всякий дискретный сигнал, соответствующий одиночному символу
сообщения или комбинации таких символов, может характеризоваться
базой, определяемой как произведение длительности одиночного двоич¬
ного символа (бита) на полосу частот, занимаемую сигналом: В = 2ТЬР.
Для простых узкополосных сигналов, рассмотренных выше, база не пре¬
вышает нескольких единиц, в зависимости от способов первичного ко¬
дирования и модуляции.
При необходимости применения более сложных сигналов, называе¬
мых обычно широкополосными, занимаемая полоса, следовательно, и
база сигнала, могут быть увеличены, как путем внутприсимволъной мани-
374
пуляции фазы, частоты, так и переключением частот символов, а также
за счет комбинации того и другого. Во всех случаях параметры сигнала
(фаза, частота) изменяются по некоторому закону, чаще всего псевдослу¬
чайному, что позволяет повысить защищенность от внешних и взаимных
помех и, в частности, применять многостанционный доступ с кодовым
разделением сигналов (МДКР), занимающих общую полосу частот. При
этом в первом случае (ФМ-ПСП) обычно используют МДКР или ком¬
бинацию МДКР-МДЧР, а последовательно-многочастотные сигналы
второго типа (ПМЧ-ПСП), называемые также сигналами с псевдослу¬
чайной перестройкой по радиочастоте (ППРЧ), чаще комбинируются с
МДЧР или сочетанием МДЧР-МДВР — в виде т.н. частотно-временной
матрицы (ЧВМ).
7.3.1. Сигналы с псевдослучайной фазовой манипуляцией
(ФМ-ПСП)
Сложные сигналы с манипуляцией внутри символов формируют¬
ся на основе двоичных псевдослучайных последовательностей (ПСП),
играющих большую роль в системах связи, в частности, спутниковых.
Помимо того, что они используются непосредственно как шумоподоб¬
ные переносчики информации при МДКР и защите от помех, их особые
свойства позволяют применять ПСП в системах кодирования, при не¬
обходимости разнесения символов сообщений (персмежения) в кана¬
лах с пакетами ошибок, а также для кадровой или цикловой синхро¬
низации.
Использование ФМ-ПСП при когерентном приеме и их инвариант¬
ность к большинству видов помех (некоррелированных с сигналом),
достигаемая в результате взаимокорреляционной обработки благода¬
ря превращению помех в шумоподобные и интегрированию на интер¬
вале Ть позволяют получить выигрыш в отношении сигнал/помеха,
пропорциональный базе сигнала. Однако реализация сверхбольшой
полосы частот, т. е. скорости передачи символов ПСП, в известной сте¬
пени сдерживается как дефицитом частотного ресурса, так и из-за ог¬
раничений по быстродействию и энергопотреблению аппаратной и эле¬
ментной базы.
Для того, чтобы двоичная ПСП была как можно ближе к случайной,
шумоподобной, необходимо, чтобы число единиц в ней примерно совпа¬
дало с числом нулей, а половина всех следующих подряд идентичных
элементов имела длину 1, одна четвертая — длину 2, одна восьмая —
длину 4 и т. д. Кроме перечисленных, существует еще ряд известных
375
свойств и общепринятых тестов, которые позволяют проверить, дейст¬
вительно ли данная последовательность может считаться псевдослу¬
чайной.
Бинарные последовательности, алфавит которых состоит из двух
символов —1 и 1 (или 1 и 0) и с помощью которых осуществляется ма¬
нипуляция по фазе синусоидальной несущей, называют прямыми
ФМ-ПСП (<ИгесСзециепсё). Один такой сигнал, состоящий из ^символов,
можно представить в виде некоторого кодового слова и, соответственно,
вектора. Тогда набор из п векторов, заданных в ^/-мерном пространст¬
ве, будем состоять из кодовых слов, каждое из которых имеет длину N и
представляет собой циклический сдвиг некоторого исходного кодового
слова.
Напомним определения понятий периодической и апериодической
функций автокорреляции ПСП.
Непериодической автокорреляционной функцией (НАКФ) называ¬
ют функцию вида:
г(1) = ^2 хгхи г > ПРИ 1 < ^ < — 1, (7.8)
1=0
где х{ = +1 или -1; Ь — величина задержки ПСП относительно ее копии.
Под периодической функцией автокорреляции (ПАКФ) понимают
функцию вида:
т=Е ^/^гНОиосШ) 1 ^ ^ N 1- (7.9)
;-0
Для не бинарных последовательностей обычно вводится более общее
определение коэффициентов корреляции:
к<*.г/)=4г!' (710)
А + В
где А — число почленных совпадений; В — число почленных несовпаде¬
ний векторов хну.
Оба определения коэффициента автокорреляции дают одинаковый
результат.
Наибольший интерес представляют последовательности, у которых
главный лепесток НАКФ имеет величину М, а боковые лепестки прини¬
мают минимально возможные значения. При построении и использо¬
вании свойств ПСП обычно стремятся, чтобы НАКФ приближалась к
дельта-функции, описывающей корреляционную функцию белого шума,
а сигнал на базе таких ПСП — к шумоподобному.
376
Манипулируя синусоидальную несущую по фазе, получим псевдо¬
случайный ФМ-сигнал вида:
(О = ]С/(г ~ *то) ехр{У(о»о^ + пх{)}, (7.11)
; -О
где/(г) = 1 при О < I < х0,/(0 = 0 в остальных случаях.
Для момента времени I = гт0 + т, где 0 < т < т0, АКФ ФМ-сигнала мо¬
жет быть записана:
Щ т0 + т) = — Г иЦ')и({'п0 + т)<&'. (7.12)
N т %)
-ос
Так какотлична от нуля только на интервале п0 <(' < (г — 1)т0,
то можно заметить, что К(р) для ФМ сигнала состоит из отрезков пря¬
мых, наклон которых изменяется в точках ( = п0 и принимает макси¬
мальное значения в этих точках. Поскольку часто интересуются ве¬
личиной лепестков корреляционной функции, то для ФМ-сигнала
можно рассматривать только ее дискретные значения, определяемые
(7.8), (7.9).
7.3.2. Формирование ПСП с заданными
корреляционными свойствами
Формирование псевдослучайных последовательностей, которые
должны обладать «хорошими» автокорреляционными свойствами, что
необходимо в системах синхронизации (слежение за задержкой), про¬
изводится с использованием комбинаторного анализа, а именно теории
совершенных разностных множеств, которые необходимы для построе¬
ния и исследования многих классов ПСП.
Разностным множеством /)"' = {<7,,..., <7А), сбалансированным на т уров¬
ней, называется /С-множество целых чисел по модулю N (той /7), такое,
что каждое число С = 0 (тоб 77) может быть выражено в виде <7; - <7, = С
(тоб И), где <7,, <7, принадлежат 7>', причем п1 чисел представлены в виде
разности I, раз, п2 чисел — 12раз и пт чисел — Ьт раз. Пусть, кроме того,
для таких множеств справедливо следующее соотношение:
т т
Х>, = -1 -1). (7.13)
(-1 1-1
Если I, = Ь2 = ... = Ьт = Ь, то разностное множество называется со¬
вершенным разностным множеством (СРМ). Для него предыдущие вы¬
ражения переходят в равенство ЦИ - 1) = К(К - 1).
377
Рассмотрим пример СРМ. Пусть дано йп = {0, 1, 3, 9}. Образуем все
возможные разности этих чисел по тоб 13:
1-0=1 3-0=3 9-0=9 3-1=2 9-1=8 9-3=6
0-1 = 12 0-3= 10 0-9 = 4 1-3= 11 1-9 = 5 3-9 = 7.
Отсюда видно, что всевозможные значения разностей элементов
СРМ образуют множество всех чисел от 1 до 12, причем каждое значе¬
ние разности появляется только один раз (X = 1).
Приведем пример разностного множества (РМ) сбалансированного
на два уровня с Ьх = 2, пх — 3 и Ь2 = 3, п2 = 8. Это множество имеет вид
012 = {0,1, 2,4, 5, 7}. Образуем все возможные разности по тоб 12.
В этом множестве разности 4,6,8, появляются дважды (Ьх = 2) и ко¬
личество этих чисел равно 3 (п1 = 3). Разности равные 1, 2,3,5,7,9,10,11
появляются трижды (Ь2 = 3) и количество этих чисел равно 8 (п2 = 8).
Для любого разностного множества /^существует циклический
сдвиг (или циклический автоморфизм), применение которого приводит
к РМ с теми же параметрами (к изоморфному РМ). Циклический сдвиг
на 5 образуется как — {<7, + 5, ё2 + 5,...,</* + 5} тоб N.
Теперь зададим следующее правило построения последовательно¬
стей.
Например, для приведенного выше СРМ, последовательность мож¬
но записать в виде {-1, -1,1, -1,1,1,1,1,1, -1,1,1}, т. е. размещаем на номера
мест —1, если такой номер входит в СРМ, и 1 — в противном случае.
Если теперь образуем все изоморфные СРМ путем циклических
сдвигов:
оАз= {0, 1> 3, 9}
.Аз
= {1,2,4, 10}
2Аз = {2,3,5, 11}
3^,3 = {3,4,6,12}
<А з
= {0,4, 5, 7}
5А3= {1,3, 6,8}
б^,з =(2,6, 7,9}
7 Аз
= {3, 7,8,10}
«Аз= (4,8,9,11}
9Я,з = {5,9,10,12}
.2^13 = {0,2,8,12},
ш А:
,= {0,6,10,11}
пАз ={1,7,11,12}
то можно записать их в виде транспонированной матрицы:
0
1
2
1
0
1
2
3
4
5
0
1
0
1
2
3
4
4
5
6
7
8
9
6
7
2
3
4
5
6
5
6
7
8
9
10
10
11
8
9
10
И
12
7
8
9
10
11
12
11
12
12.
378
Можно заметить, что любые два столбца этой матрицы имеют ровно
1=1 общих элементов.
Отметим, что эта матрица записана в транспонированном виде лишь
для удобства. В дальнейшем рассмотрении ФМ сигналов будем прово¬
дить для случая, когда изоморфные СРМ записываются в виде строк
матрицы С.
Вообще для РМ, сбалансированных на т уровней, любые две строки
матрицы С будут содержать либо I,, либо 12, либо Ьт общих элементов.
Тогда, применяя к любой матрице вида С правило для построения ФМ
последовательностей, получим некоторую псевдослучайную последова¬
тельность и все ее циклические сдвиги. При этом, зная параметры РМ,
можно найти величину ПАКФ, так как известны пересечения всех строк
матрицы вида С.
Действительно, исходя из свойств РМ, можно записать ПАКФ в
виде:
т = И- Цк-Ц),
где А, к, Ц — параметры РМ.
На основании свойств РМ можно доказать следующие свойства ав¬
токорреляционных функций:
т) = г, (О + - О Еп(0 = 1 / 2[(ЛГ - 2ку - Ы],
I 1
К{1) = (А - 2к)2 - N Щ) - К(С + т) = 0(то<14), (7.14)
С I
К(0 = «(ЛГ-оХ>;,(г) = «(0.
Последовательности, построенные из СРМ (изоморфные СРМ), сба¬
лансированные на один уровень (т — 1), будем называть ПСП с равным
(одноуровневым) фоном боковых лепестков ПАКФ, т.к. К(С) = соп5^ для
всех { = 0 (тос1 А^) и Ь принимает лишь одно значение.
Последовательности, изоморфные РМ, сбалансированным на т > 1
уровней, называют ПСП с т-уровневым фоном боковых лепестков
ПАКФ, т.к. К(1) принимает т значений для I = 0 (шос1 А).
ПСП с ровным (одноуровневым) фоном
Для существования таких последовательностей с К < 0 необходимо
существование СРМ с параметрами:
379
Ы=4( + К
к =
212+1К-1
\ + К
,к<Ы/2,
! = !(/-1)/(1 +г),
где ( = (/2 + 1К)/( 1 + Я) целое число, а / = 2, 3,...
Доказательство этого условия легко можно получить из приведен¬
ных выше равенств Ь(Ы - 1) = к(к - 1) и К(() = N - 4(к -Д). Для суще¬
ствования последовательностей с К = -1 необходимым и достаточным
условием является существование СРМ с параметрами:
N = 41 + 3, к = 21 + 1, Ь = I,
где?= 1,2,...
Это также следует из приведенных выше условий. Из этих же усло¬
вий вытекает, что ПСП с ровным фоном и К < -1 не существует.
Опишем все известные классы последовательностей с ровным фо¬
ном.
ПСП с К = О
Можно показать, что длина таких последовательностей должна быть
равна N = 412, где 1=1, 2,...
В настоящее время известны две последовательности при Ы = 4:
О, = {1, 2, 3}, Я4 = {0}.
Известно, что других последовательностей, кроме вышеприведен¬
ных, не существует.
ПСП с К = 1
Для этих ПСП должны выполняться соотношения:
Ы= 2Ь2 + 21 + \,к = I2,1 = 1/2[1(1 - 1)].
В настоящее время известны лишь три таких последовательности:
Я5 = {4}, Я13 = {1,3,4,8}, Я13 = {1, 3,6, 7}.
Первые две из них известны как последовательности Баркера.
ПСП с К = +2, К = +3, К = +4, К = +5
Последовательности с К = +2 и 7? = +3 для Л/ < 1000 не существует;
для К = +4 известна лишь одна ПСП:
Э40 = {1, 2,3, 5, 6,9,14,15,18, 20,25, 27,35}.
При К — +5 также известна лишь одна ПСП: Т)21 = {1, 2, 5, 15, 17}.
380
Рассматривать последовательности с К > 5 не имеет смысла вслед¬
ствие большого фона боковых лепестков. Вообще ПСП с Я > 5 известно
очень мало. Гораздо больший интерес представляют последовательности
с /? = -1. Среди этого класса существует несколько видов ПСП. Укажем
некоторые из них.
Последовательности Лежандра
Для всех Ы = р = 3 (тоб 4), где р — простое число, существует
СРМ с параметрами N=41- 1, к = 2( - 1,1 = 1- 1, порождающие
ПСП. Элементами СРМ являются квадратичные вычеты (или невы¬
четы) по тоб N.
Последовательности Холла
Для простых чисел р = N вида 4х2+27 и если <7 — примитивный ко¬
рень изр, подобранный соответствующим образом, то из к = {р - 1)/2
различных вычетов х6, Зх6, 27т6 (тоб р), х^О образуется СРМ. Здесь х
пробегает все значения 1,..., р - 1 (тоб р), а хьпринимает (р - 1)/6 раз¬
личных значений, каждое 6 раз. Первые ПСП имеют место при V = 31
и 43:
Я31 = {1, 2, 3,4,6, 8,12,15,16,17, 23, 24,27, 29, 30}
Э43 = {1,2, 3,4,5,8, И, 12,16,19,20,21,22, 27,32,33,35,37,39,41,43}
Последовательности Брауера
Еслир и <7 — простые дружественные числа (два простых числа на¬
зывают дружественными, если р - <7 = 2), то существует СРМ с парамет¬
рами V = рц, к = (р<7 - 1)/2,1 = (р<7 - 3)/4.
В этом сл у чае имеем к вы четов по тоб (р<7), а именно такие значения а, что
(а/р<7) = +1, 0, <7, 2*7,...,(р - 1)^г по (тоб рд). Первая ПСП известна при
р = 7 и <7 = 5:
Я35 = {1, 3,4, 7, 9,11,12,13,16,17, 21, 27, 28, 29, 33}.
Последовательности Зингера
Всегда существуют СРМ с параметрами:
N
р(т{ \)г
рг -1
1 ртг г^р(т-1)г_
к — у Ь —
р' -1 Рг~
где р — простое число.
381
Дляр = 2 такие ПСП называют последовательностями максималь¬
ного периода или М-последовательностями. М-последовательности ин¬
тересны с точки зрения радиотехнических приложений тем, что, во-пер¬
вых, они легко генерируются с помощью сдвигающих регистров с обрат¬
ными связями, во-вторых, количество этих ПСП достаточно велико, что
позволяет строить ансамбли сигналов, причем их длина практически не
ограничена.
Формирование М-последовательностей легко можно осуществить,
если известны примитивные и неприводимые полиномы над полем Га¬
луа ОР(2). Таблицы таких полиномов приведены, например в [7.5]. По¬
следовательности максимального периода изоморфны совершенным раз¬
ностным множествам с параметрами: А^= 2" 1,к = 2" '-1,1 = 2" 2 - 1.
У этих последовательностей К(() = -1 при 1 < (< N - 1.
Такие последовательности обладают следующими свойствами:
— являются периодическими с периодом М = 2" -1 символов, где
я-произвольное целое положительное число;
— количество единичных символов на длине одного периода равно
2"~', а нулевых 2п~ '-1;
— любая комбинация из символов длиной п на длине одного перио¬
да встречается лишь один раз, при этом комбинация из п нулей
является запрещенной;
— сумма по модулю 2 любой последовательности с ее любым цик¬
лическим сдвигом также является М-последовательностью;
— максимальные боковые лепестки АКФ периодической последо¬
вательности имеют постоянный уровень, равный —1.
Формирование М-последовательности можно осуществлять с помо¬
щью многотактных регистров сдвига длиной п с обратной связью, где
обратные связи определяются примитивным, неприводимым полино¬
мом степени п. Эти полиномы можно найти в [7.5]. Количество различ¬
ных М-последовательностей с периодом Доопределяется функцией Эй¬
лера ф(Л0), которая равна количеству чисел в ряду 1, 2,..., ЛО-1, взаимно
простых с N. Тогда количество М-последовательностей равно отноше¬
нию (ДО) /п.
Различаются несколько типов М-ПСП. Последовательности типа С
имеют одинаковое число положительных и отрицательных элементов, в
последовательностях типов А и В число положительных и отрицатель¬
ных элементов различается на единицу. С помощью двузначного харак¬
тера можно построить псевдослучайные последовательности, в которых
число положительных и отрицательных элементов различается на два.
Выделим их в тип Д.
382
ПСП с двухуровневым фоном боковых лепестков
Опишем теперь класс сигналов с двухуровневым фоном при
К({) < 4.
Так как К(С1) — )| = 4 Ц= 0тос14, то последовательности с
Щ) < 4 существуют только при Ь2 = I, или 11 = 1и12 = 1- 1. Следова¬
тельно, можно выделить следующие виды таких ПСП:
ПСПсД, = -1, К2 = 3
Для существования этих последовательностей необходимо и доста¬
точно существования РМ с параметрами:
N = А{ + 3;
к = 21+ 1 - д; & < N /2\
Ьх = ( - <?; Ь2 = I + 1 - <7;
щ = и + 2 - <7(<7 - 1), п2 = <7(<7 + 1),
где I = 1,2, 3,..., а возможные значения определяются из неравенства
4^+2 > - 1) > 1.
ПСП с = 0; К2 = 4
Для этого класса последовательностей параметры РМ должны
быть:
М=А1;к = 2{- \\к< ЛГ/2;
Ь1 = I-д, Ь2 = { + \ - Я)
п1 = 5? - 1 - <72; п2 = <72 + 1 - и
где 1=1, 2,...; <7 определяется из неравенства 5(<д2 + 2 > 1 + 2.
ПСП с Я, = -4, К2 = 0
Этот класс последовательностей существует, если имеется РМ с па¬
раметрами:
Ы=4{-к = 2с-д;к<И/2;
I, = ( - 1 - <?; С, = ? - <7;
пх = 1~ д2; п2 = - 1 - <72,
где ? = 1, 2,...; <7 определяется из Г > д2>0.
383
ПСП с К{ = -2, К2 = 2
Для существования таких ПСП необходимо и достаточно существо¬
вания РМ с параметрами:
N = + 2] к = 21 + 1 - ц-, к < ДО/2;
I, = ( - д; 12 = ^ + 1 - <7;
п1 = 3^ - 1 - <72; п2 = ( + <72,
где I = 1, 2...; д определяется из 3^ + 1 > д2 > 0.
ПСП сЛ, = -3; Я2 = 1
Для построения этих последовательностей должны быть известны
РМ с параметрами:
Л0 = А( + 1; к = 2* + 1 - <7; /? < N/2;
= ( ~ 1 — <7; Ь2 = I — с}\
щ — 2Ь- <767 + 1); п2 = д(<7 + 1) + 21,
где I = 1, 2,...; <7 определяется из 2( > <767 + 1) > 1.
Этот класс последовательностей является очень мощным. Достаточ¬
но сказать, что для Л0< 29 таких ПСП было найдено более 3000. Все они
построены с использованием вышеприведенных уравнений на персо¬
нальном компьютере. Хотя введенные условия на параметры РМ в зна¬
чительной степени и сокращают их построение, алгоритм не являлся
строго детерминированным, а содержал элементы перебора в некоторой
ограниченной заданными параметрами области. Поэтому значительно
больший интерес представляют разработанные теоретические методы
синтеза некоторого подмножества последовательностей с двухуровне¬
вым фоном.
Для их описания введем вначале определение двузначного характера
или символ Лежандра у. Двузначный характер может быть определен
на ненулевых элементах а = ши(ъ» — первообразный корень поля СР(р))
в виде функции
у(а) = ёш = ±1, если и четное то -1, если и нечетное то 1.
Для двухзначных последовательностей могут быть выделены три
типа таких последовательностей:
Тип Л: N = р. Последовательность а = а0а1... аЛ, , длины Достроится
по правилу а0 = 1 ,а{ — VI/').
384
Тип В: N = р, а0 = -1, а1 = ф(,).
Выражение для периодической автокорреляционной функции по¬
следовательностей типа А и В имеет вид:
К(т) — 1 + а0 (1 + (-1)(р_1)/2), где т= 1, 2...,р - 1.
При р = 3 (тос! 4) Л(щ) = -1, а при р = 1 (тос! 4) К{т) принимает зна¬
чение 1 и -3. Эти последовательности известны как последовательности
квадратичных вычетов (тип А) и невычетов (тип В). При р = 3 (тос! 4),
ввиду симметричного расположения квадратичных вычетов и невычетов
последовательности типов А и В совпадают при инверсии одной из них.
Поэтому они обладают одинаковыми непериодическими АКФ и могут
быть в этом случае отождествлены.
Тип С: N = р - 1. Последовательность а — а^ау..акл длины встроит¬
ся по правилу = \|/(да* + 1), если до' + 1 ^ 0, и с/, =1, если т‘ +1 = 0 т.е.
г = (р-1)/2, где т — фиксированный первообразный корень поля СР(р).
Значение К(т) в этом случае определяется выражением:
Шт) = -1 -(-1)т + \|/(ж>т - 1) [(-1)'" + (~1)<'-‘>/2].
При р = 3 (тос! 4) К(т) = ±2, а при р = 1 (тос! 4) Я(т) принимает зна¬
чения 0 или -4.
Последовательности типа С имеют одинаковое число положитель¬
ных и отрицательных элементов, в последовательностях типов АиВ чис¬
ло положительных и отрицательных элементов различается на единицу.
С помощью двузначного характера можно построить псевдослучайные
последовательности, в которых число положительных и отрицательных
элементов различается на два. Выделим их в четвертый тип.
Тип Д: N = р-1. Последовательности а = а0а1....ат длины Ы, где а{ =
ф(да'+1), если (ш1 +1) * 0, и а{ = -1, если + 1 = 0. Эти последовательно¬
сти обладают автокорреляционной функцией:
К(т) = -1-(-1)т -\|/(да*- 1)[(-1)т + (-1)<р-1)/2]
При р = 3 (тос! 4) К(т) = +2, а при р = 1 (тос14) К(т) принимает зна¬
чение 0 или -4.
Очевидно, что для каждой длины N= р-1 число последовательно¬
стей С и Д определяется числом первообразных корней в поле СР(р) и
равно ф(р - 1).
Построение последовательностей
Построение на ПЭВМ последовательностей типа А и В может быть
осуществлено по правилу: а0 = ±1, а( = ф^. Метод прямого построения
385
последовательностей Си Днеудобен из-за необходимости вычислений
с использованием различных первообразных корней. Для построения
этих типов последовательностей использовался метод, названный мето¬
дом множителей. Его удобно рассмотреть применительно к построению
последовательностей типа Д.
Число (: ((, р - 1) = 1, 1 < I <р — 1 назовем множителем, а множест¬
во М = {?} — множеством множителей. Любой первообразный корень
поля СР(р) может быть представлен в виде степени наименьшего корня
да/, I — принадлежит М. Очевидно, что последовательность типа Д, по¬
строенная по произвольному корню да, однозначно определяется мно¬
жеством Р
Р= {г. \|/(да‘ + 1)} = 1,/ €{0,1 ,...,р - 2} = {гх,г2,..Д (Ы/2) Х},
содержащим номера ее координат с положительными элементами. Цик¬
лическому сдвигу этой последовательности на 5 позиций влево будет
соответствовать множество Р- $ = {*, - з, г2 - 5,...,*' (Л72). ,} то<1 (р - 1). Оп¬
ределим умножение множества Рна множитель Ь как множество IР= {й,,
й2, ...,й(А,/2)_,} шоб (р - 1).
Метод множителей можно обосновать следующей леммой.
Лемма 1. Пусть последовательность типа Д построена по наимень¬
шему корню да, и ей соответствует множество Е, = {г. \|/(да/ + 1) = 1,
/ € {0,1,... р - 2}. Тогда последовательность построенная по корню ч/|\
будет определяться множеством 12РХ, где 1Х12 = 1 шос1 (р - 1).
Доказательство. Так как множество М является мультиплика¬
тивной группой по тоб (р - 1), то для любого (х е М найдется 12 € М
такое, что (х(2 = 1 тоб (р - 1). Тогда справедливо равенство да/ + 1 =
= да(и2. +1 = (да, с> У* +1, из которых следует утверждение леммы.
Как следует из определений, последовательности типа С могут быть
получены из соответствующих последовательностей типа Д изменением
знака элемента с номером г = (р - 1)/2 с отрицательного на положитель¬
ный. Из того, что I (р - 1)/2 = (р - 1)/2 тоб (р - 1) следует, что метод
множителей применим и для последовательностей типа С.
Существуют различные последовательности, определяемые множе¬
ствами Ей, обладающие одинаковыми периодическими и непериодиче¬
скими автокорреляционными функциями. К ним относятся зеркальные
последовательности, т. е. последовательности совпадающие при чтении
одной из них в обратном направлении.
Таким образом, для исследования непериодических АКФ достаточно
построить лишь половину из всех последовательностей С и Д, используя
только множители, не превосходящие (р - 1)/2.
386
7.3.3. Результаты исследования непериодических АКФ
В ряде случаев значительный интерес представляют ПСП с наимень¬
шей велич иной максимального бокового лепестка НАКФ. Наилучшими
с этой точки зрения являются последовательности Баркера, у которых
|г(г)|<1. Известны лишь последовательности Баркера, длина которых
равна 3,4, 5,7,11,13. Эти ПСП имеют вид И3 = {2}, = {3}, = {3}, =
= {3,4, 6}, Ып = {3, 4, 5, 7, 8,10}, Д^13 = {5, 6, 9, 11}, где числа в скобках ука¬
зывают местоположение символов -1. Поиски таких последовательно¬
стей для больших длин не дали результатов. Поэтому данные ПСП не
нашли широкого применения.
В настоящее время нам не известны конструктивные пути построе¬
ния последовательностей с минимальными значениями г{1). Поэтому за¬
дача решается или перебором некоторых типов ПСП, либо методом по¬
следовательных приближений. Наконец можно решать задачу комбина¬
цией методов построения ПСП с малыми боковыми лепестками Г1АКФ
и их последующим ограниченным перебором на ЭВМ для нахождения
среди них последовательностей с малыми величинами НАКФ. Такой
подход базируется на предположении, что ПСП с малыми НАКФ при¬
надлежат к классу последовательностей с малыми значениями боковых
лепестков ПАКФ.
Для нахождения таких последовательностей использовалось ут¬
верждение о том, что такие последовательности принадлежат мно¬
жеству последовательностей с |/?С)|<4 . В [7.6] показано их сущест¬
вование при N = 6,7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 25,
28 и не существование для N = 22, 23, 23, 26, 27. Дальнейшие иссле¬
дования показали их не существование для N = 29, 30, 31, 32, 33, 34,
35, 36. В последующем методом перебора были подтверждены эти ре¬
зультаты.
Как уже говорилось выше, интересным классом являются последо¬
вательности \К({)\ < 4 . К таким последовательностям относятся описан¬
ные выше последовательности типа А, В, С, и Д. Рассмотрим их.
Последовательности типов А и В
Для каждого простого М = р < 1010, были построены последователь¬
ности типов Ли В и последовательности образованные их циклическими
сдвигами на 5 позиций, 5=1, 2,...,Ы- 1 (для р — 3 (тос! 4)).
Для каждой последовательности из образованного ансамбля были
вычислены на ЭВМ значения шах [г(2)] для всех I и отобраны последова-
387
тельности, у которых эта величина принимает минимальное значение.
Эти последовательности приведены в таблице 1.
Там же указана величина циклического сдвига 5, образующего по¬
следовательность, для которой тоб (г({)) минимален. В таблице из двух
значений 5 первый определяет циклический сдвиг последовательности
типа А, второй — типа В.
При вычислении было замечено замечено, что функция /(0 = шах
г„(0 при \ <(<Ыи всех значениях 5 имеет четко выраженный коси¬
нусоидальный характер с периодом, примерно равным N /2. Графики
некоторых таких функций приведены в [7.7]. Поэтому поиск наилучших
значений производился в окресностях $ = (1 /4)А и $ = (3/4)^. Перио¬
дическая выборочная проверка подтвердила правильность выбранных
интервалов, которые были равны:
[ЛГ/5] <5ор,< [АГ/3.3];[АГ/1.1] <|Лу1.5|при ЛГееЗ(гпо64),
[И/5] < 5т< [N/3.3] при N = 1(тос14) •
Нижняя граница для таких последовательностей достаточно удов¬
летворительно аппроксимируется выражением:
г = -2,8Л..
Последовательности типов С и Д
Для каждого Ы = р - 1 строились последовательности типа С с ис¬
пользованием наименьшего первообразного корня и множителей, обра¬
зованные всеми их циклическими сдвигами. Аналогично строились и
последовательности типа Д. Для каждого из ансамблей были определе¬
ны последовательности (т. е. величина циклического сдвига 5 последо¬
вательности, образованной с помощью множителя), у которых шах [г(()]
минимален для данной длины. Наилучшие значение г(Ы) приведены в
таблице 1. Для примера приведем одну из наилучших последовательно¬
стей длины N=52 (тип Д), у которой тах[Д(я)] = 4 = 0,55 . Эта после¬
довательность построена с помощью множителя 15 (что соответствует
корню 27 = = 22 с последующим циклическим сдвигом на 10 позиций.
Для более компактной записи последовательность представим в виде
чередующихся серий -1,1: {21211212611313141111234322}.
Результаты вычислений для всех типов последовательностей сведе¬
ны в таблицу 7.3. Там же под типом Е приведены последовательности,
полученные с помощью датчика псевдослучайных чисел с нормальным
законом распределения. В этой же таблице приведены для сравнения
все известные нам наилучшие результаты, полученные различными ав-
388
Таблица 7.3
N
Г
5
N
N
Г
5
11
N
Г
5
11
4
1
-
7.6
95
8
-
7.6
305
16
7.6
5
1
7.6
96
7
-
С
307
13
64
А
6
2
—
7.6
97
7
20
В
311
13
71
А
7
1
—
99
7
-
Е
313
13
65, 65
А. В
8
2
7.6
100
7
-
Д
317
12
80
А
9
2
7.6
101
6
25
В
331
14
62
А
10
2
-
7.6
102
8
-
Д
337
14
93
В
И
1
-
7.6
103
8
21
А
347
14
98
А
12
2
...
7.6
106
8
С. Д
349
13
81
В
13
1
-
7.6
107
7
24
А
353
15
88. 94
А. В
14
2
-
7.6
108
8
-
с.д
359
14
89
А
15
2
7.6
109
8
27,23
Л. В
367
14
261
А
16
2
-
7.6
111
9
-
1
373
14
90,96
А. В
17
2
-
7.6
112
8
-
С, Д
379
14
77
А
18
2
7.6
113
7
25
А
383
15
68
А
19
2
-
4.5
115
7
7.6
389
15
98,121
А. В
20
2
7.6
117
11
-
7.6
397
16
94,99
А.В
21
2
-
7.6
119
10
-
7.6
401
15
104,103
А.В
22
3
-
7.6
121
11
-
7.6
409
15
96,96
А.В
23
3
-
7.6
123
10
-
7.6
419
15
90
А
24
3
-
7.6
125
7
-
7.6
421
15
105
В
25
2
7.6
126
9
С.Д
431
15
98
А
26
3
7.6
127
7
90
А
433
17
88, 117
А. В
27
3
-
7.6
130
9
с.д
439
16
340
А
28
2
-
7.6
131
8
32
А
443
15
336
А
29
3
-
7.6
136
9
-
с.д
449
16
99
А
30
3
-
7.6
137
9
32,32
А. В
457
16
102
В
31
3
-
7.6
139
8
41
А
461
16
107
В
32
3
-
7.6
149
9
40,37
А.В
463
16
115
А
33
3
—
7.6
151
8
111
А
467
15
348
А
34
3
-
7.6
157
8
44
В
479
17
130
А
36
4
-
с.д
163
9
44
А
487
15
134
А
37
4
11
Л
167
8
131
А
491
16
115
А
40
4
—
с,д
173
9
43
А
499
17
ИЗ
А
41
4
-
6
179
9
46
А
503
18
122
А
42
5
—
с.д
181
10
37, 37
А, В
505
21
-
7.6
43
4
8
Л
191
9
45
А
509
17
128
В
45
4
—
Е
193
10
48,35
А. В
511
19
—
7.6
46
5
—
с.д
197
10
61
В
513
21
-
7.6
47
4
12
А
199
10
45
А
521
17
139, 122
А.В
52
4
—
Д
211
10
43
А
523
18
128
А
53
5
17, И
А, В
223
10
171
А
541
19
137
А
55
5
-
Е
227
10
48
А
547
18
103
А
389
Окончание табл. 7.3
N
Г
5
1 1
N
Г
I |
N
Г
<;
58
5
-
с, л
229
11
42
В
557
18~
151
.цщг
п
59
5
12
А
233
И
53
А
563
18
140
и
Л
60
5
-
с,д
239
12
50
А
569
19
121, 165
Л
А Й
61
5
14
А
241
12
50,57
А,В
571
17
126
11 • о
А
63
6
-
7.6
251
11
77
А
577
17
128
л
А
66
6
-
с, л
253
13
7.6
587
19
138
А
67
5
45
А
255
13
7.6
593
19
122
В
70
6
-
с,д
257
12
70,67
А,В
599
19
426
А
71
5
51
259
13
7.6
601
20
150,152
л, в
72
6
-
с, л
261
15
7.6
607
19
134
А
73
6
19
в
263
12
75
А
613
19
174,135
А,В
78
6
-
д
269
12
58,67
Л, В
617
20
182,121
А%В
79
6
13
А
271
12
61
А
619
19
134
А
82
7
-
с.д
277
12
71,68
А.В
631
18
127
А
83
6
58
А
281
13
75
А
641
20
163, 163
А,В
85
7
-
Е
283
12
50
А
643
19
137
А
88
7
-
с,д
293
13
74,68
Л, В
647
21
154
А
89
6
23
А
299
17
7.6
653
20
162
А
91
8
-
7.6
301
16
-
7.6
659
19
178
А
93
8
-
7.6
303
15
-
7.6
661
20
162,15
Л, В
673
21
173,179
А, В
823
22
212
Л
953
25
278, 235
А,В
677
20
166
В
827
22
225
Л
967
25
259
А
683
20
149
А
829
20
211
В
971
24
731
А
691
21
175
А
839
21
643
А
977
26
244
В
701
21
217, 205
А,В
853
22
221
В
983
26
237
А
709
20
179
А
857
23
231,235
А, В
991
25
235
А
719
21
198
А
859
22
206
• Л
997
26
204
А
727
22
166
А
863
23
238
Л
1009
25
257
В
733
22
205,170
Л, В
877
23
219,219
Л, в
1023
29
—
7.6
739
22
170
А
881
23
214
А
3989
57
997
Л
743
21
210
А
383
24
213
А
4001
68
1000
А
751
21
222
А
887
24
223
А
4003
64
1001
А
757
21
172
А
901
26
-
7
4007
55
1002
А
761
22
188,189
Л, В
907
24
215
А
4013
57
1003
А
769
21
206
А
911
23
667
А
4019
56
1005
А
773
22
201,201
А, В
919
22
223
А
4021
60
1005
А
787
23
569
А
929
27
200
А
4027
65
1007
А
797
23
167
В
937
25
236,23
Л, в
4049
66
1012
А
809
23
183,188
А, В
941
25
227
А
4051
70
1013
А
811
22
583
А
947
24
251
А
4057
71
1014
А
821
22
197
В
390
торами. В [7.6] даны ссылки на работы этих авторов, которые в столбце
таблицы обозначены знаком []. Проведенные исследования показывают,
что известные в настоящее время двоичные последовательности, обла¬
дающие наилучшими непериодическими АКФ, являются в большинстве
случаев псевдослучайными и принадлежат к рассматриваемым типам,
а их построение достаточно просто можно осуществить с помощью при¬
веденных алгоритмов.
7.3.4. Ансамбли двоичных ПСП
В многостанционных системах связи, в частности, ССС с кодовым
разделением (МДКР), сигналу каждого абонента соответствует опре¬
деленная, принадлежащая ему и только ему (адресная) совокупность
символов, представляющая собой обычно последовательность «нулей»
и «единиц». При этом взаимные влияния сигналов одного абонента на
прием сигналов другими абонентами, т. е. их взаимокорреляционные
функции (ВКФ), должны быть сведены к минимуму.
В случае отсутствия взаимной синхронизации между сигналами
абонентов в качестве переносчиков сообщений, наложенных на (моду¬
лирующих) синусоидальные радиочастотные (РЧ) несущие, исполь¬
зуются двоичные ПСП с «хорошими» взаимокорреляционными свой¬
ствами. Этого можно достигнуть только при большом ансамбле по¬
следовательностей с минимальными дисперсиями боковых лепестков
НАКФ.
Решение задачи минимизации дисперсии боковых лепестков в боль¬
шом ансамбле ПСП является весьма трудоемким и часто может быть вы¬
полнено только с помощью ЭВМ. Правда, существуют пути, позволяющие
строить некоторые ансамбли последовательностей детерминированным
методом, т. е. в значительной степени сократить процесс перебора, а ино¬
гда и исключить его. Однако при этом требуется взаимная синхронизация
по границам символов (тактам, чипам), образующих ПСП. Рассмотрим
некоторые из этих путей.
Последовательности Уолша и их производные
Данные последовательности при взаимной синхронизации «орто¬
гональны в точке», т. е. имеют нулевую взаимную корреляцию, не явля¬
ются псевдослучайными и легко генерируются на основе современной
цифровой техники. При этом манипуляция РЧ несущей последователь¬
ностью Уолша практически не приводит к расширению спектра сигнала.
Тогда как в случае отсутствия взаимной синхронизации (фазирования
391
по тактам) уровень боковых лепестков АКФ и ВКФ у них достаточно
высок и достигает значений N - 1 при длине N.
На основе этих последовательностей можно строить некоторые про¬
изводные ансамбли — путем сложения некоторой производящей ПСП,
с низким уровнем боковых лепестков НАКФ, с одним из наборов после¬
довательностей Уолша. При этом производящая ПСП не должна совпа¬
дать ни с одной из последовательностей исходного ансамбля. Уровень
боковых лепестков построенных таким образом последовательностей
примерно равен (2—3) УМ. Однако ансамбль таких последовательно¬
стей невелик, да и боковые лепестки ВКФ сравнительно заметны. По¬
этому подобный метод редко применяется в системах связи. Однако сам
метод образования ансамбля, заключающийся в суммировании некой
производящей ПСП с некоторым ансамблем другой последовательно¬
стей заслуживает внимания и используется, в частности, при построе¬
нии ансамблей Голда и Касами.
Последовательности Голда и Касами
Кодовые последовательности Голда формируются с помощью про¬
стого генератора М-ПСП на основе двух регистров сдвига одинаковой
разрядности длиной N. Каждый из этих регистров с обратными связями
может генерировать, кроме двух исходных М-последовательностей еще
Л^ПСП длиной 2Ы — 1. Таким образом, существенно расширяется число
генерируемых кодовых последовательностей.
В качестве исходного выбирается ансамбль последовательностей в
виде циклического сдвига некоторой М-последовательности т(1) длины
N. Производящая последовательность выбирается из некоторой М-ПСП
п(() с такой же длиной N. В частности, ансамбль последовательностей
Голда с номером р строится по следующему правилу:
Ск(0 = [т(( + р)тос1 N + п(1)} тоб 2,
С = 0,...^-1,р = 0,...^-\. (7.15)
Ансамбль подобных сигналов является симплексным, а их норми¬
рованный коэффициент корреляции г — 1 /N. Выбранная по правилу
Голда любая пара М-последовательностей имеет трехуровневую нор¬
мированную ВКФ: К{= ^/N1 К2 = 2(п) - К3= -[г(п)+1 /Щ, где
г(п) = $(2("+1)/2), если п — нечетное, и г(п) = 0,5(2("+2)/2), если п — четное.
Т.к. эти приведенные последовательности являются М-ПСП, то каждая
из них обладает свойством цикличности.
Кодовые последовательности Голда применяются, в частности, в гло¬
бальных системах навигации, например в ОРЗ. При этом т.н. «грубый»
392
код использует последовательность Голда длиной 1023 символа, переда¬
ваемую на частоте 1,023 МГц.
Кроме последовательностей Голда применяются и последователь¬
ности Касами. Они также формируются на основе некотором исходном
М-Г1СП. В этом случае из исходной последовательности методом проре¬
живания, через 2"/2+1 символов, начиная с любого произвольного цик¬
лического сдвига, создается новая периодическая последовательность с
периодом 2"/2 - 1. Так проделывается со всеми циклическими сдвигами
исходной М-ПСП, смещенными на 2"/2 + 1 символов. Ансамбль последо¬
вательностей Касами объемом 2"/2 образуется путем суммирования но
тос! 2 исходной последовательности длиной N = 2" 1 и всех периоди¬
чески повторяющихся 2"/2+ 1 прореженных ПСП. Таким образом, полу¬
чается ансамбль длиной N = 2" - 1 символов и объемом 2" Взапмокор-
реляционная функция у таких последовательностей также принимает
три значения:
К1=1/ДГ;й2=(1//У)(Д7 1); К:) - (I / №)( 7д' I I).
Таким образом, последовательности Касами имеют АКФ и ВКФ при¬
мерно в два раза меньшие, при одной и той же длине. Однако, объем
множества последовательностей Касами примерно в меньше, чем
у Голда.
Существуют еще и т.н. сегментные ансамбли ПСП, получающиеся
путем разбиения длинной М-последовательности на неиерекрывающие-
ся сегменты. При больших N выбор сегментов методом простого перебо¬
ра даже на современных ЭВМ может оказаться трудоемким, а во многих
случаях и бесполезным, т.к. получить сегменты с хорошими АКФ и ВКФ
весьма проблематично.
7.3.5. Импульсные последовательности
Импульсными последовательностями (ИП) называются последова¬
тельности вида:
Я={ш,-:*= 0, 1, 2....Д- 1}, тх е [0,1].
Наибольший интерес для асинхронных систем связи со свободным
доступом представляют ансамбли ИП, имеющие между собой не более
одного совпадения, т.к. они обеспечивают НАКФ, минимально возмож¬
ные для данного класса сигналов [г(г)] < 1. Такие последовательности
применяются также в некоторых системах кодирования и неремежения.
С точки зрения помехоустойчивости такие сигналы должны иметь при
393
заданной длине Nмаксимально возможное количество единиц, что уве¬
личивает энергию сложного сигнала. НАКФ оптимальных ИП должна
удовлетворять условию:
Л'-4-1
гт{{) = ^2 т1тш = ПРИ1 = 0; и 1или 0 при 0}, (7.16)
1=0
где к — количество единиц в ИП.
Такие ИП обладают рядом достоинств, делающих эффективным
их применение в многоадресных системах связи с многостанционным
асинхронным доступом. Во-первых, эти последовательности обеспе¬
чивают максимизацию энергии сигналов при заданной длине и мини¬
мальные взаимные помехи между различными абонентами. Во-вто¬
рых, сигналы, обладающие свойством «не более одного совпадения»,
позволяют практически исключить подавление слабого сигнала силь¬
ным, что обычно имеет место при поступлении на вход приемника или
ретранслятора двух перекрывающихся во времени сигналов. Если сдвиг
между сигналами превышает т0, то ухудшение отношения сигнал/по¬
меха, обусловленное подавлением слабого сигнала сильным на выхо¬
де приемника с согласованными фильтрами, не превышает величины
1018[А/(*-1)]г.
Очевидно, что условию (7.16) отвечает СРМ с Ь = 1 и РМ, сбалан¬
сированные на два уровня с = 0 и Ь2 = 1, поскольку только для них
обеспечивается минимальное совпадение между последовательностью
и ее циклическими сдвигами. Отсюда следует, что ПАКФ для таких ИП
может быть записана в виде:
N 1
^т(0 = ЕШ>тО+1)тос1ЛГ =
г-0
={к при I = 0, либо 1 или 0 при ( ф 0}, (7.17)
Поскольку Кт = а I, = 0 или 1, то для ИП со свойством «не более
одного совпадения» гт (() < 1 при I, не равном нулю.
К классу СРМ относятся т.н. называемые плоские совершенные раз¬
ностные множества. Эти СРМ имеют параметры:
М=п2 + п+1,к = п + 1,1= 1, (7.18)
где п=рг,р —простое число.
Метод формирования плоских СРМ основан на построении конеч¬
ных проективных плоскостей.
394
Однако получающиеся при этом оптимальные ИП, у которых энер¬
гия, при заданной длине, наибольшая, не обеспечивают максимизации
в классе всех известных сигналов, т.к. у ИП вообще количество единиц
на заданном интервале А сравнительно невелико. С этой точки зрения
лучшими возможностями обладают частотно-временные сигналы.
7.3.6. Частотно-временные сигналы
Данный тип сигналов представляет собой последовательные слож¬
ные сигналы, состоящие из отрезков колебаний различных частот
(ПМЧ) или сигнал с ППРЧ, ЧВМ.
Аналитическое выражение, описывающее частотно-временные сиг¬
налы (используем далее общую аббревиатуру — ЧВС), имеет вид:
ЧЧО = Е^ехрОЧО. <7Л9>
я=1
где [/„(() = а„Р„(0 ехрР„ = Р[? - (п - 1)т»]; т0 — длительность элемен¬
тарного сигнала; ш0,^)п — РЧ несущая сигнала и частота п-го элемента;
А — количество элементарных сигналов в ЧВС; Т0 — общая длитель¬
ность ЧВС.
Запишем множество частот в ЧВС в виде Р = и упорядочим
их путем произвольной перенумерации, так, что/; </, если г </
Построим взаимно-однозначное отображение множества Рна множе¬
ство А = {1, 2,..., А}, сохраняющее отношение упорядоченности / <- > г.
Тогда любой ЧВС может быть представлен в виде перестановки Р = Рх...
...Ры. Так, например, перестановка вида Р = 1,7, 4, 6, 8, 3, 5, 2 адекватна
ЧВС, у которого в момент времени 1 передается в момент времени
2 -/2ит. д.
Сформулируем требования, которые должны быть предъявлены к
ансамблю ЧВС в системе с многостанционным асинхронным доступом
или в системе, в которой ЧВС используется для повышения значности
кода. Эти требования можно сформулировать в следующем виде:
— максимальное различие сигналов, входящих в ансамбль, что оз¬
начает, что любая пара из ансамбля сигналов должна иметь ми¬
нимальное количество одинаковых элементов, встречающихся
в одно и то же время;
— равномерное распределение энергии по всей полосе частот, чтобы
искажения сигнала на какой-нибудь из А частот уменьшали эту
энергию лишь на 1 /Ачасть;
395
— обеспечение минимума авто и взаимокорреляционных функций
по всему ансамблю и множеству стыков, образованных элемен¬
тами данного сигнала и предшествующего.
Поставленным условиям отвечает, например, множество сигналов,
адекватные описания которых — перестановки -- образуют так называе¬
мый латинский квадрат. Латинским квадратом называется квадратная
матрица, у которой в каждой строке и в каждом столбце любой элемент
матрицы встречается только один раз.
Спектр ЧВС может быть получен с помощью преобразования Фурье
и имеет вид (с точностью до постоянного множителя):
Ррп = №п Х)/А е*р Н (х -V-)]’
где х — {т0 - Ат [рп -1] С0/2}, а рп — некоторая перестановка.
Как видим, спектр ЧВС определяется видом спектра одиночного
импульса, его положением на оси частот и фазовым сдвигом. Поэтому
в общем случае спектр ЧВС может иметь провалы, обусловленные ин¬
терференцией спектральных составляющих разных импульсов. Однако,
подбирая соответствующие фазовые соотношения импульсов, можно в
значительной степени уменьшить величину этих провалов и получить
более равномерный спектр.
Отметим, что для создания радиочастотных ЧВС или ПМЧ-ПСП
сигналов используются синтезаторы с автоматической перестройкой
частоты, которые обычно входят в состав гетеродинов-возбудителей и
применяются при традиционных узкополосных методах передачи ин¬
формации. В связи с этим они позволяют реализовывать большую из¬
быточность по полосе частот, повышающую эффективность в случаях
воздействия помех, в особенности при освоении наименее загруженных
частотных полос, в частности в диапазоне миллиметровых волн.
С точки зрения синхронизации, в особенности для ССС с НГСО,
наиболее подверженных влиянию эффекта Доплера и изменениям вре¬
мени распространения, метод ПМЧ-ПСП также обладает преимущест¬
вом. Благодаря большей длительности элемента сигнала в сравнении с
ФМ-ПСП прием и синхронная обработка ЧВС менее чувствительны к
временной и частотной нестабильности канала.
Общим случаем сложных сигналов являются т.н. составные сигна¬
лы, представляющие собой комбинацию того и другого вида модуляции
с использованием ПСП (ФМ-ПМЧ-ПСП). Их можно рассматривать как
последовательную передачу на многих частотных позициях «внутрен¬
них» ФМ-ПСП, либо, наоборот, как способ дальнейшего расширения
спектра ФМ-ПСП с фиксированной базой.
396
ГЛАВА 8. ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫЙ ПРИЕМ,
ДЕМОДУЛЯЦИЯ И СИНХРОНИЗАЦИЯ
В ПРИЕМНИКАХ ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ
8.1. ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ
При проектировании любой ССС обязательно должны учитываться
свойства и возможности применяемых методов манипуляции с точки
зрения достоверности воспроизведения переданного сигнала в услови¬
ях воздействия помех.
В энергетических расчетах ЛСС полагается, что на вход демодуля¬
тора приемной ЗС поступает аддитивная смесь сигнала и помехи, при¬
чем в качестве последней для систем ФСС обычно принимается смесь
белого гауссова шума и переходных (линейных и нелинейных) помех от
других каналов, которые часто также могут иметь гауссово распределе¬
ние. Поэтому напомним кратко основные положения потенциальной по¬
мехоустойчивости при приеме сигналов в канале с аддитивным белым
гауссовым шумом (АБГШ) и описании смеси сигнала и помех в виде:
у(1) = их(1) + иш((), (8.1)
где их (() — сигнал, единственно неизвестным параметром которого яв¬
ляется передаваемое сообщение х,; иш(() — аддитивный шум.
Дискретное значение х1 рассматривается в точке приема как слу¬
чайная величина с априорно известным законом распределения/(х). Бу¬
дем полагать, что все возможные значения дискретной величины х1 по¬
являются с равной вероятностью. В частности, если х1 е [0,1], то р(0) —
= р( 1) = 0,5. Закон распределения помехи )У(иш) также полагается из¬
вестным, гауссовым.
В демодуляторе анализируется колебание у{1) в течение некоторого
интервала ш0ис той или иной вероятностью выносится решение, какое
именно дискретное значение х{ из всех возможных значений 5 было пе¬
редано. При передаче дискретных сигналов наиболее широко использу¬
ется правило принятия решения, названное В.А. Котельниковым кри¬
терием, идеального наблюдателя, согласно которому вероятность оши¬
бочного приема минимальна, поэтому сам прием в соответствии с ука¬
занным правилом является оптимальным [8.1].
Будем иметь в виду, что в канале с АБГШ, имеющем спектр, ограни¬
ченный в полосе частот Д/ функция плотности вероятности шума вы¬
ражается:
397
ь
Рис. 8.1
(8.2)
где а*, — мощность шума (дисперсия); — спектральная плотность
шума, т. е. мощность шума, приходящаяся на единицу полосы А/
Геометрически каждому сигналу их соответствует вектор в «-мерном
пространстве сигналов. Расстояние д, полностью характеризует разли¬
чие между сигналами. Квадрат расстояния между любой парой сигна¬
лов равен:
Для сигналов с равной энергией (Ц =0,1 —0, и коэффициентом
(нормированным значением функции) корреляции, можно записать:
Из (8.3) следует, что расстояние между любой парой сигналов в про¬
странстве векторов определяется энергией сигналов и их взаимной кор¬
реляцией.
Величина р0 лежит в интервале [-1,1] и наибольшее значение Л
получается при р~ = — 1. Это соответствует противоположным сигна¬
лам, в частности сигналам с ФМ, для которых выполняется условие
(8.3)
о
^=2ач1-р„).
(8.4)
“,.(0 = -и.(0.
398
Сигналы, для которых =0 при г ^ у и р(. =1 при г = у являют¬
ся ортогональными. Геометрически ортогональные сигналы в я-мер-
ном пространстве изображаются векторами, направление которых
совпадает с направлением координатных осей. Для двух- и трехмер¬
ного пространства ортогональные сигналы и расстояние между ними
изображены на рис. 8.1. Как отмечалось, к простейшим ортогональным
относятся, в частности, сигналы с частотной и многочастотной мани¬
пуляцией.
Из чертежа видно, почему разделение противоположных сигналов
в шумах осуществляется более уверенно, чем, например, ортогональ¬
ных. Действительно, при одной и той же величине векторов квадрат рас¬
стояния между их концами */2 в первом случае больше в 2 раза, чем во
втором. Для сигналов с АМ вследствие того, что один из векторов изо¬
бражается нулевым, расстояние*/2еще меньше: по отношению к проти¬
воположным сигналам — в 4 раза, а к ортогональным - в 2 раза. Таким
образом, величинаРу принимает значения:
Ру = — 1 для противоположных сигналов;
р.. = 0 для ортогональных сигналов; (8.5)
0 < ру < 1 для всех других видов сигналов.
Заметим, что еслиру = 1, то разделение сигналов невозможно. Таким
образом, чем больше различаются (в смысле расстояния */) сигналы, пе¬
редаваемые по линии радиосвязи, тем надежнее (т. е. с меньшей веро¬
ятностью ошибок) их можно отличать друг от друга при одной и той же
величине шума.
Основной операцией при обработке сигнала в оптимальном прием¬
нике является вычисление взаимной корреляции между принятым сиг¬
налом у(() и его ожидаемым значением, или эталоном, имеющимся в при¬
емнике, их{С)\
где коэффициент к определяется из условий нормировки.
Множитель ехр(-(2* / V2 ) для каналов с постоянными параметрами
и сигналов с равной энергией может быть опущен, т. к. он одинаков для
всех сигналов. Однако в каналах с переменными параметрами, когда от¬
ношение сигнал/шум изменяется во времени, а также при приеме сиг¬
налов с разной энергией, игнорировать этот множитель нельзя. В этих
(8.6)
399
т
/
и
пых (г)
X
и,<0
Рис. 8.2
случаях для каждого принимаемого
сигнала необходимо вычислять отно¬
шение сигнал/шум и учитывать его
при нахождении ру (х1).
Устройство обработки в приемни¬
ке, выполняющее операцию интегри¬
рования в (8.6), называется корреля¬
тором и может быть реализовано в соответствии со схемой, изображен¬
ной на рис. 8.2.
Требуемые пределы интегрирования можно получить путем вклю¬
чения эталонного сигнала в момент прихода ожидаемого сигнала и вы¬
ключения по его окончании, т. е. на интервале [Од0|. Таким образом, в
оптимальном приемнике требуется точное знание границ элементарных
посылок, т. е. синхронизация фазы и частоты приходящего сигнала, и
коммутация интегратора в соответствии с этой частотой.
Вместо коррелятора может быть применен и согласованный линей¬
ный фильтр.
При поступлении на вход линейного фильтра колебания у (I) на его
выходе в момент т будет напряжение
т
где г|(0 — импульсная переходная характеристика фильтра.
Если фильтр согласован с сигналом их((), то его характеристика
должна удовлетворять соотношению ц(С) = аУл(10 -1)и и, учитывая,
что сигнал появляется в момент времени I = 0 и заканчивается в мо¬
мент I = т0, получаем:
т0
«вы* (то ) = а/у{1)их (8-7)
о
Это выражение с точностью до постоянного множителя совпадает
с (8.6).
Для принятия решения о том, какой из сигналов был передан, оп¬
тимальный демодулятор должен содержать решающее устройство (РУ),
которое определяет максимальное значение ру(х.) и выдает решение о
сигнале х^, соответствующее этому максимальному значению. При этом,
поскольку значение данной вероятности пропорционально величине
корреляции между принимаемым и эталонным сигналом, в решающее
устройство можно подавать непосредственно сигнал, получаемый с вы¬
хода интегратора или с выхода согласованного линейного фильтра.
400
Рис. 8.3
Рис. 8.4
Полная блок-схема оптимального демодулятора для приема к воз¬
можных сигналов может быть представлена в виде, изображенном на
рис. 8.3 и 8.4, соответственно, для варианта с корреляторами и согласо¬
ванными линейными фильтрами.
Вероятность ошибки, которую обеспечивают такие демодуляторы
для бинарных сигналов, выражается как
<8-8>
где к2 = / V;2,, = и2 /2<з2и при т0 = 1/ А/.
401
Отсюда, полагая р = 1 или 0, можно получить графические зависи¬
мости вероятности ошибки в идеальном демодуляторе от соотношения
сигнал/шум, соответственно при приеме противоположных и ортого¬
нальных сигналов.
Практическая реализация оптимальных демодуляторов, как прави¬
ло, достаточно сложна. Кроме того, они весьма чувствительны к рассо¬
гласованию между параметрами реального сигнала и характеристика¬
ми демодулятора, рассчитанного на эталонные образцы сигнала. Для
уменьшения этих рассогласований в процессе приема необходимо из¬
мерять параметры принимаемого сигнала и устранять погрешности во
времени отсчетов в РУ. Эта процедура связана с заметным усложнением
приемного устройства, поэтому в некоторых случаях переходят к ква-
зиоптимальным демодуляторам, которые незначительно (примерно на
1 дБ) проигрывают оптимальным. В результате удается упростить при¬
емник и сделать его менее чувствительным к случайным изменениям
параметров канала связи и принимаемого сигнала. Заметим, что квази-
оптимальным является такой линейный фильтр, частотная и фазовая
характеристика которого задаются или выбраны заранее, а максимиза¬
ция отношения сигнал/шум обеспечивается только выбором полосы
пропускания.
При оценке оптимальных демодуляторов было применено правило
принятия решения по максимуму апостериорной вероятности в соответ¬
ствии с критерием идеального наблюдателя. Однако иногда пользуются
иными критериями. Так, в некоторых системах связи важно не допустить
возникновения ложной тревоги при ожидании некоторого сигнала или,
точнее, установить ее на достаточно низком уровне. В таких случаях целе¬
сообразно использовать критерий Неймана-Пирсона и, задавая требуемое
значение вероятности ложной тревоги рп, минимизировать вероятность
пропуска сигнала рир. Критерии идеального наблюдателя и Неймана-Пир¬
сона применяются при построении систем связи наиболее часто.
8.2. ДЕМОДУЛЯЦИЯ ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ
И ИХ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ
Методы приема и соответствующие им демодуляторы можно разде¬
лить на две основные группы — когерентные и некогерентные, причем
они могут применяться для любых видов манипуляции сигналов.
В некогерентном демодуляторе сигналов с АМ сигнал поступает
сначала на вход квазиоптимального линейного фильтра, представляю¬
щего собой обычный полосовой фильтр (ПФ), полоса пропускания ко-
402
2
4
торого согласована с длительностью ин¬
формационного символа (элементарной
посылки). С выхода ПФ сигнал подает¬
ся на детектор огибающей с фильтром
нижних частот (ФНЧ) на выходе, после
чего поступает на решающее устройство,
где осуществляется его сравнение с не¬
которым порогом Ь, зависящим от соот¬
ношения сигнал/шум в канале связи, и
принимается решение о приеме сигнала
х0 = 0 или хх — 1. Необходимость регули¬
ровки порога обусловлена тем, что уров¬
ни сигнала и шума изменяются во вре¬
мени.
В некогерентном демодуляторе сиг¬
нала с ЧМ используются два полосовых
фильтра на входе для разделения сигна¬
лов ич и их^, два детектора огибающей и
решающее устройство, в котором осуще¬
ствляется сравнение огибающих сигна¬
лов ух{1) и у2({) и выносится решение о
том, был передан сигнал х0 или х1> в зави¬
симости от выполнения неравенств
Уг(0>У2(0 или У2(0>Ух(0 (8.9)
8 10 дБ
Рис. 8.5
2 4 б 8 10 дБ
Детекторы огибающей и решающее рис § д
устройство могут быть заменены частот¬
ным дискриминатором, который выпол¬
няет аналогичные функции.
Соответственно, демодулятор сигналов с МЧМ (или ш-ичных сигна¬
лов) состоит из т полосовых фильтров, каждый из которых соответству¬
ет одному из сигналов, и т детекторов огибающей. Решающее устройст¬
во определяет тот из каналов, в котором значение выходного напряже¬
ния максимально. Общим условием правильной регистрации сигнала
является превышение уровня суммарного колебания сигнала и помехи
в канале, в котором присутствует в данный момент времени сигнал, над
уровнями помех в остальных т- 1 каналах. Если это условие наруша¬
ется, будет зарегистрирована ошибка.
На рис. 8.5, 8.6 приведены кривые, характеризующие помехоустой¬
чивость некогерентного метода приема сигналов МЧМ: вероятности
403
ошибки при приеме символа ш-пози-
ционного кода и вероятности ошибки
сигналов МЧМ в пересчете на один
двоичный символ (бит) при различ¬
ных значениях т.
Из графиков видно, что увеличе¬
ние основания кода приводит к повы¬
шению помехоустойчивости системы
передачи информации. Это является следствием того, что системы срав¬
ниваются при одинаковых скоростях передачи двоичных сообщений.
И так как при основании кода т каждый кодовый символ несет 1ой:, М
бит информации, для получения одной и той же информационной ско¬
рости длительность элемента сигнала должна быть увеличена во столь¬
ко же раз. Снижение же помехоустойчивости, в случае ухудшения раз¬
личения т сигналов, сказывается в значительно меньшей степени, чем
увеличение их энергии. При когерентном методе приема сигналов МЧМ,
труднее, однако, реализуемом на практике, можно получить несколько
лучшие результаты [8.2].
Далее рассмотрим более подробно основные свойства демодуляторов
наиболее широко применяемых ФМ сигналов и оценим их помехоустой¬
чивость в каналах связи с АБГШ.
ФМ имеет наиболее высокую помехоустойчивость среди двоичных
сигналов, т.к. только при ней сигналы являются противоположными.
Существует несколько разновидностей демодуляторов ФМ, причем все
они являются когерентными или квазикогерентными. Рассмотрим вна¬
чале классическую схему когерентного демодулятора ФМ (рис. 8.7).
Сигнал проходит через коррелятор и ФНЧ, в результате чего форми¬
руется напряжение, пропорциональное скалярному произведению при¬
нимаемого их и опорного и2 сигналов и косинусу разности фаз между
ними ДО.
IIфд = V Х112 соз ДО (8.10)
Затем в решающем устройстве сигнал сравнивается с фиксированным
порогом, равным 0, и если 1Уфд > 0, то принимается решение о передаче
сигнала^, если же {Уфл < 0, то решение принимается о передаче х2.
Вероятность ошибки для когерентного демодулятора ФМ может
быть получена при р = — 1:
С=4[1-Ф(л/А5')] (81>>
1/= (/,С/2со8Д0
ФД
Рис. 8.7
404
Кривые, характеризующие поме¬
хозащищенность когерентных демо¬
дуляторов АМ, ЧМ и ФМ, а также и
некогерентных демодуляторов АМ,
ЧМ (рис. 8.8), показывают, что в об¬
ласти Рот ~ Ю"3 демодулятор ФМ
обеспечивает выигрыш 3 дБ по срав¬
нению с когерентной ЧМ и 6 дБ — с
когерентной АМ при оптимальном
пороге.
Учитывая высокую потенциаль¬
ную помехоустойчивость ФМ, рас¬
смотрим более подробно вопросы
практической реализации демоду¬
ляторов этих сигналов и их реальную
помехозащищенность.
Одной из основных задач при по¬
строении любого когерентного де¬
модулятора является формирование
опорного сигнала. Создать в прием¬
нике независимый эталонный генера¬
тор, который формировал бы сигнал,
синхронный и синфазный передавае¬
мому, практически невозможно, поскольку два независимых генератора
(передатчика и приемника), сколь бы высокой стабильностью они не об¬
ладали, со временем начинают все больше различаться по фазе и часто¬
те. Более того, если бы это и было возможно, то при прохождении через
канал с переменными параметрами сигнал будет претерпевать измене¬
ния, как по частоте, так и по фазе. Поэтому опорный сигнал должен фор¬
мироваться из принимаемого.
Было предложено несколько схем формирования опорного сигнала.
Так, в работе А.А. Пистолькорса [8.3] содержится схема, изображенная
на рис. 8.9. Сигнал, манипулированный по фазе на 180°, в этой схеме од¬
новременно поступает на один из входов фазового детектора и на вход
умножителя частоты на два. На выходе умножителя получается не ма¬
нипулированный сигнал с удвоенной частотой, который через узкопо¬
лосный фильтр подается на делитель частоты на два. После делителя его
частота вновь становится равной частоте принимаемого сигнала. Сфор¬
мированный таким образом не манипулированный опорный сигнал по¬
дается на второй вход фазового детектора.
0 1 2 3 4 5 дЬ
Рис. 8.8
Рис. 8.9
405
Рис. 8.10
Эта схема не получила широкого распространения из-за критич¬
ности по отношению к расстройкам принимаемого сигнала, однако ее
основная идея нашла дальнейшее развитие в виде схемы с фазовой ав¬
топодстройкой частоты (ФАГ1Ч), включаемой вместо узкополосного
фильтра (рис. 8.10):
Известен и ряд других разновидностей фазовых детекторов, которые
детально описаны в работах по фазовой телеграфии [8.3, 8.4].
Все эти схемы имеют одну особенность — возможность самопро¬
извольного перехода на так называемую «обратную работу». Обыч¬
но переход в это состояние и возвращение в правильное положение
фазы могут происходить под действием помех несколько раз в течение
приема одного сообщения. Любые другие схемы, даже такие, в кото¬
рых отсутствует делитель частоты, также имеют склонность к «об¬
ратной работе». Так, в известной в свое время схеме В.И. Сифорова, в
кольцо ФАПЧ был введен умножитель, а подстраиваемый генератор
работал на основной частоте. Однако и здесь возникает «обратная ра¬
бота», т.к. схема ФАПЧ в этой системе также имеет два устойчивых
состояния.
В настоящее время известно большое число методов борьбы с фак¬
тором «обратной работы». Так, Н.Т. Петровичем [8.4] был предложен ме¬
тод, основанный на применении относительной ФМ, сущность которо¬
го заключается в следующем. На передающей стороне каждый предше¬
ствующий символ сообщения суммируется по тоб 2 с текущим. Тогда,
если на приемной стороне осуществить суммирование по тоб 2 каждой
посылки с предшествующей ей, то будет восстановлен первичный код.
При этом, если менялась полярность (происходила инверсия фазы), то
искаженными окажутся только два символа на границах участка, где
происходила «обратная работа».
406
Рис. 8.11
Полная схема когерентного демодулятора ФМ с устройством устра¬
нения «обратной работы» имеет вид, изображенный на рис. 8.11.
В результате того, что каждый элемент последовательности симво¬
лов с фазового детектора используется дважды, вероятность ошибки на
выходе такой схемы увеличится. Действительно, пусть на выходе ФД
вероятность ошибки равна ^)шфл Ошибка на выходе сумматора по шоб 2
будет возникать, если 2-й элемент принят правильно, а г + 1 — неправиль¬
но, или если 2-й элемент принят неправильно, а г + 1 правильно. В ос¬
тальных случаях ошибки не возникает. Тогда вероятность ошибки на
выходе сумматора:
Р =Р (\ — Р 'Ы.(\ — Р )р =
■Гун ^ошфд Vх -1 шпфд / ’ \л х ошфд ' ошфд
— 2Рошфл(1 -Р0шфд)
ошфд >
(8.12)
Принципы построения устройств устранения неопределенности для
сигналов ФМ более высокой кратности приведены в [8.5]. Квазикоге-
рентные демодуляторы ФМ, устраняющие «обратную работу» в низко¬
частотном сигнале на выходе фазового детектора, реализуют т.н. метод
сравнения полярностей.
Идея относительной фазовой манипуляции привела к созданию фа¬
зового демодулятора, осуществляющего сравнение предыдущей и после¬
дующей посылок на радиочастоте (рабочей или промежуточной) соглас¬
но рис. 8.12.
407
В этом случае на один вход ФД по¬
ступают сигналы ФМ непосредственно
из приемного устройства, а на другой —
те же сигналы, но задержанные на дли¬
тельность т0 и выполняющие роль опор¬
ного напряжения. Такой метод приема
называется автокорреляционным, или
методом сравнения фаз.
Рассмотрим помехоустойчивость
демодуляторов, работающих по двум
указанным методам. В наиболее общем
виде это можно сделать, представив ФД
в виде двухканальной системы с неиден¬
тичными параметрами по полосе про¬
пускания (рис. 8.13).
В этом случае тракт формирования
опорного напряжения заменяется ли¬
нейным фильтром с полосой пропуска¬
ния АР. Соотношение полос пропускания в трактах сигнала А/ и опор¬
ного напряжения АР обозначим через п = —^—.
АР
Если соотношение сигнал/шум в тракте сигнала есть К1, то в тракте
опорного напряжения оно будет равно пк2. Так как в случае воздействия
помех на опорный сигнал последний будет отклоняться от синфазного
положения на некоторый угол, перепишем (8.8) в виде:
Рош = ^[1 — ф( А с°8 д0) ] (8.13)
Распределение фазы опорного напряжения, представляющее смесь
сигнала и АБГШ, в соответствии с обобщенным релеевским законом
имеет вид
Рис. 8.12
Рис. 8.13
МДДв) = —ехр(-а) + —.ехр(-азт2 Д0) х
2 п 2 V я
х[1 + Ф(>/а сов Д0)],
(8.14)
где а = пН2,Ав е [-я,я].
Тогда, усредняя (8.13) по всем возможным значениям фазы (8.14),
запишем выражение для вероятности ошибки в демодуляторе в следую¬
щем виде:
408
(8.15)
1 71 1
РШфг = 2/11 _ Ф(/*соз Д0){—ехр(-гс/?2) 4-
1
+—Л—— ехр(—пк2 зт2 А0)созА0х
2 V я
х[1 + Ф(у1пН2 соз Д0) | }б/(А0)
После преобразований получаем:
К =|[1-(2(о,6) + 0(6,а)|,
где я
^ -(>/я + 1);6 = л/-у(л/т7 -1), (2(я,&) - У -гехр
X2 + я2
2
(8.16)
/() (ах)с/х.
2 \ 2
и
С помощью (8.16) можно оценить вероятности ошибок для всех извест¬
ных методов приема сигналов с ФМ. Так, при п = 1 получаем выражение
для оценки автокорреляционного метода приема:
е„„ = ^-ехр(—А2 >.
(8.17)
При п = 0 из (8.16) следует известное выражение (8.11), характери¬
зующее помехоустойчивость идеального демодулятора ФМ.
При п —>оо (8.16) характеризует помехоустойчивость реального де¬
модулятора ФМ, который, в отличие от идеального, когерентного, будем
называть квазикогерентным.
При 1 < /2 < оо (8.16) характеризу¬
ет реальный демодулятор, который, в
отличие от идеального когерентного,
также будем называть квазикогерент¬
ным.
Подставив значения -Рошф1 из (8.16)
в (8.12), найдем помехоустойчивость
демодулятора, выполненного по схе¬
ме сравнения полярностей.
На рис. 8.14 представлены резуль¬
таты расчета вероятностей ошибок,
выполненного по (8.16) и пересчитан¬
ные по (8.12) для 72 = 1; 5; 10 и 72 —> сю.
Анализируя графики на рис. 8.14, мож¬
но сделать ряд выводов: во-первых, при Рис. 8.14
409
п > 5 помехоустойчивость идеального и квазикогерентного демодулято¬
ров отличается незначительно; во-вторых, автокорреляционный метод
приема очень немного проигрывает в помехоустойчивости квазикоге-
рентному демодулятору сравнения полярностей и, наконец, в-третьих,
оба вида реальных демодуляторов ФМ лишь немного (~2 дБ) проигры¬
вают в помехоустойчивости идеальному когерентному демодулятору.
Помехоустойчивость демодулятора сигналов ДФМ может быть по¬
лучена тем же методом. Приведем здесь окончательный результат:
={[1 -<гм)+да.с)], (8.18)
где с = -|(л/й +1); <1 = -1).
При сравнении помехоустойчивости одно- и двукратной ФМ необ¬
ходимо иметь в виду, что каждый символ в ДФМ несет два бита инфор¬
мации. Поэтому, учитывая, что сравнение помехоустойчивости должно
производиться при одной и гой же скорости передачи информации, из
(8.16) и (8.17) получаем, что помехоустойчивость систем ФМ и ДФМ
одинакова.
При проведенном анализе тракт опорного напряжения полагался
линейным. Это допущение практически не влияет на оценку помехо¬
устойчивости при №>3 дБ, однако в области малых соотношений
сигнал/шум линеаризация повышает оценку помехоустойчивости
на 1,5—2 дБ. Более того, реальные тракты опорного напряжения для
одно- и двукратной ФМ ведут себя по-иному, т.к. в схеме демодулято¬
ра ДФМ устанавливаются умножитель и делитель частоты не на 2, а
на 4. Нелинейность умножителя на 4 проявляется в большей степени,
чем удвоителя, поэтому реальная помехоустойчивость ФМ и ДФМ
при одной и той же скорости передачи отличается на 1,5—2 дБ. По
этой же причине сигналы с ФМ кратностью более двух практически
не применяются.
Помехозащищенность сложных сигналов
В заключение отметим, что помехоустойчивость сложных сигналов,
в частности, ФМ-ПСП, в условиях АБГШ с фиксированной спектральной
плотностью не отличается от узкополосных сигналов. Это объясняется
тем, что после взаимокорреляционной обработки в приемнике сложные
сигналы с большой базой, имеющие ту же входную мощность, превра¬
щаются («свертываются») в узкополосные, с той же энергией. А помеха
410
р„
1 Ю 100 1000
Рис. 8.15
типа белого шума интегрируется (фильтруется) при оптимальном прие¬
ме независимо от того, какую форму имеет сигнал. При некогерентном
приеме, который чаще применяется для сложных ЧВС, обработка смеси
сигнала и шума на интервале одиночного символа также практически
не отличается от случая некогерентной демодуляции МЧМ.
Вместе с тем, в отличие от собственного шума приемника, подав¬
ление внешней шумовой помехи с фиксированной входной мощностью
происходит пропорционально базе, т. е. полосе сигналов, а также зави¬
сит от вида и полосы частот, занимаемой помехой, причем последнее
свойственно, главным образом, ЧВС. Так, при приеме ФМ-ПСП, в силу
декорреляции ВП любой формы, т. е. инвариантности к виду помехи, за¬
висимость вероятности ошибки на символ сообщения от отношения сиг¬
нал /помеха (Рс/Ри), нормированного к базе А/Т, приведенная на рис. 8.15
411
для ОФМ (левая кривая), совпадает с аналогичной зависимостью для
узкополосного сигнала.
В то же время, при ПМЧ-ПСП картина воздействия ВП значительно
сложнее [4.9]. Пусть п — количество меняющихся частот на интервале
Т и регистрация принятого символа сообщения, в частности, при неко¬
герентном поэлементном приеме на каждой из частотных позиций дли¬
тельностью Т/п, принимается, для простоты, мажоритарным методом
(2 из 3, 3 из 5 и т. д.). Тогда, если флюктуационная (шумовая) ВГ1 рас¬
пределена во всей полосе рабочих частот ПМЧ сигнала А/, помехозащи¬
щенность (при одной и той же информационной скорости) будет усту¬
пать ОФМ-ПСП (рис. 8.15, три средние кривые), причем гем в большей
степени, чем больше п. Это объясняется пропорциональным снижением
энергии элемента сигнала на каждой частотной позиции.
В то же время, если ВП той же мощности занимает только часть по¬
лосы частот сигнала, то очевидно, что при определенном соотношении
полос А/ии/Д/вероятность ошибки на один элемент (пораженную час¬
тотную позицию) возрастает. При этом, как можно показать, для каждо¬
го ее значения существует оптимальное (в зависимости от п) соотноше¬
ние полос помехи и сигнала. Тогда, при п— 1 и любом соотношении по¬
лос результирующая вероятность ошибочного приема становится мак¬
симальной (штриховая линия 1). Это объясняется увеличением СИМ
помехи, несмотря на то, что часть частотных позиций (символов в случае
п = 1) сохраняется не пораженной.
Однако, в данном случае увеличение количества элементов на ин¬
тервале Тдо п = 3, 5, 7 позволяет значительно ослабить мешающий эф¬
фект и повысить достоверность приема за счет псевдослучайной от¬
стройки от помехи, т. е. не попадания частотных позиций элементов в
полосу А/В|(. Соответствующие кривые в правой части рис. 8.15 имеют
обратный и более заметный характер зависимости от п по сравнению с
помехой, распределенной по полосе, в особенности с уменьшением Р0.
Данное обстоятельство объясняется менее выраженным влиянием дли¬
тельности элемента Т/п на ошибки в каждой позиции и, в связи с этим,
относительно большим вкладом в конечный результат алгоритма мажо¬
ритарной обработки, эффективность которой резко возрастает с ростом
п, в особенности до 7—9.
Как показывает расчет, в данном случае поэлементный способ ре¬
гистрации с мажоритарным решением оказывается эффективнее коге¬
рентного накопления (при ортогональных символах сигнала), но поте¬
ри по сравнению с ФМ-ПСП все равно достаточно велики и составляют
(7—Ю) дб для Р0 = 10-3-ь Ю~5. С дальнейшим увеличением п (свыше 10),
412
0,001
0,0001
0,00001
(Р,/Р„)дП
1000
Рис. 8.16
как видно из графиков, тенденция изменения зависимостей такова, что
результаты при полностью и частично распределенной помехе сближа¬
ются.
В [4.9] показано, что при гармонической помехе в части полосы сигна¬
ла также существует наименее благоприятное соотношение полос Д/Ш1 / Д/
при котором вероятности ошибочного приема достаточно близки к зави¬
симостям, приведенным на рис. 8.15. Некоторое имеющееся отличие со¬
отношений до -1,5 раз объясняется различной структурой помех.
По сравнению с гармоническими и шумовыми ВП, распределенными
во всей полосе Д/, прерывистая во времени — импульсная помеха (ИП)
той же средней мощности, т. е. имеющая некоторую скважность С, < 1,
может оказывать значительно более сильное воздействие на прием тех
и других сигналов — ФМ-ПСП и ПМЧ-ПСП. Это объясняется тем, что
ее пиковая мощность Р||ИК = Р возрастает обратно пропорционально
413
скважности, что по физическому смыслу близко к сужению полосы Д/
рассмотренных непрерывных во времени помех. То и другое приводит
к увеличению вероятности ошибки из-за концентрации энергии ВП в
некоторой временной или частотной области.
В частности, при ИП, совпадающей по радиочастоте с ФМ-ПСП, су¬
ществует максимальное значение Р0, соответствующее некоторой опти¬
мальной скважности. Вместе с этой верхней границей (жирный пунк¬
тир) изменение Р0 при ФМ-ПСП и разной скважности ИП показано на
рис. 8.16 (пунктир). Для ПМЧ-ПСП при п = 1 имеет место подобная же
картина, только вероятность ошибки при одинаковой полосе частот не¬
сколько выше (верхняя штриховая линия).
Вредное воздействие ИП предотвращается применением разнесения
(я-кратного повторения) элементов сигнала во времени и/или эффек¬
тивных методов кодирования-декодирования, что приводит к декорре¬
ляции ИП и сближению ее статистических характеристик на входе ре¬
шающего устройства приемника с нормальным случайным процессом.
При этом, в случае простейшего мажоритарного декодирования значе¬
ния п, близкие к 10, можно считать оптимальными, имея в виду и резуль¬
таты при флюктуационнои помехе.
8.3. СИНХРОНИЗАЦИЯ В СИСТЕМАХ ЦИФРОВОЙ СВЯЗИ
В системах радиосвязи применяются, в основном, методы внутрика-
нальной синхронизации с целью устранения временной (фазовой) и час¬
тотной неопределенности между переданным и принимаемым сигнала¬
ми. Для этого используют различные процедуры автоподстройки пара¬
метров либо местного, опорного, эталонного, формируемого в приемном
устройстве, либо передаваемого сигнала под принимаемый. Во втором
случае синхронизация передающего устройства может обеспечиваться
с помощью высокостабильных источников (службы единого времени)
и/или линий обратной связи, организуемых для передачи информации
о рассогласовании параметров с эталоном на приемном конце.
В ССС при многостанционном доступе, в особенности с обработ¬
кой сигналов в СР, кроме того, может возникнуть необходимость в меж¬
канальной синхронизации сигналов ЗС, т. е. взаимного совмещения их
во времени на входе ретранслятора. Групповая синхронизация многих
станций под общий бортовой опорный генератор с помощью петли об¬
ратной связи и/или всемирной службы времени применяется в ССС для
разновидностей МДВР. Подобного рода задача возникает и в системах,
использующих кодирование и/или сложные сигналы при МДКР. При
414
этом основные функции синхронизации переносятся на землю, что спо¬
собствует также защите ее от помех.
Здесь будет рассмотрена синхронизация принимаемых сигналов с
процессами, выполняемыми приемным устройством. Обеспечение син¬
хронизации на передающей стороне охватывает целый ряд аспектов, свя¬
занных с общесистемным построением ССС, поэтому ее особенности ос¬
вещаются подробнее в части 3.
При когерентной фазовой демодуляции в приемнике необходимо
генерировать опорные сигналы, фаза которых должна быть идентична
фазе передаваемых сигналов. Для этого он должен быть синхронизиро¬
ван с принимаемой несущей с точностью до фазы. Такую синхрониза¬
цию обычно называют фазовой и она достаточно подробно рассмотрена
в предыдущем разделе.
Кроме фазирования по РЧ в приемнике должны быть известны на¬
чало и конец принимаемых символов, чтобы обеспечивался выбор со¬
ответствующего интервала интегрирования для принятия решения о
переданных символах. Этот процесс называется тактовой (символьной)
синхронизацией.
В ряде систем связи требуется еще один уровень синхронизации,
которая называется кадровой синхронизацией и необходима, когда ин¬
формация передается блоками, содержащими фиксированное количе¬
ство символов. Кадровая синхронизация обычно требуется в декодерах,
когда должны быть известны границы между кодовыми словами, или
при разнесении символов (перемежении) с целью декорреляции помех
в каналах с пакетами ошибок, когда необходима правильная их расста¬
новке в приемном устройстве.
Обязательным требованием ко всем широкополосным системам, ис¬
пользующим сложные сигналы и их взаимокорреляционную обработку, яв¬
ляется необходимость синхронизации ПСП местного (эталонного, опорно¬
го) и принимаемого сигналов. Процесс вхождения в синхронизм ПСП, назы¬
ваемый также слежением за задержкой, выполняет важнейшую функцию,
без которой невозможно выделение полезного сигнала на фоне помех.
8.3.1. Тактовая синхронизация
В цифровой системе связи на выходе демодулятора периодически,
в заданные дискретные моменты времени, происходит взятие отсчетов
(стробирование) сигнала со скоростью, кратной скорости передачи сим¬
волов. Восстановление моментов отсчета времени — одна из наиболее
важных функций, которая выполняется в приемнике, Для этого необ-
415
Рис. 8.17 (а, б, в)
ходимо восстановление на приемном конце линии, во-первых, частоты
тактов, во-вторых, и их фазы, т. е. моментов смены символов.
Тактовую синхронизацию выполняют несколькими способами. В не¬
которых системах синхронизация приемника и передатчика осуществ¬
ляется по единому таймеру, который способен обеспечить стабильные
отсчеты времени. Тогда приемник должен компенсировать только время
задержки между переданным и принятым сигналами. Единым таймером
могут служить сигналы навигационных систем ГЛОНАСС или СР5. Од¬
нако прием этих сигналов не всегда может быть обеспечен в любой точке
земного шара, особенно в северных широтах. Другой метод заключается
в передаче пилот-сигнала тактовой частоты одновременно с основным
информационным сообщением. Однако для этого требуются затратить
часть полезной мощности передатчика.
Наконец, информацию о тактовой частоте можно извлекать и из при¬
нимаемого информационного сигнала. Такие устройства делятся на два
типа: т.н. разомкнутые и замкнутые (с обратной связью) синхронизато¬
ры. Первый тип основывается на получении копии тактовых импульсов
непосредственно из поступающей информации. Во втором случае ме¬
стный генератор тактовых импульсов синхронизируют с поступающим
сигналом путем сравнения расхождений между ними и подстройки пу¬
тем вычисления разностного сигнала (ошибки).
Разомкнутые синхронизаторы генерируют тактовую частоту по ре¬
зультату прохождения поступающего сигнала в основной полосе (по ви¬
деочастоте) через последовательность нелинейных устройств и фильт¬
ров. В этом случае необходимый частотный компонент, передаваемый
416
со скоростью передачи символов, изолируется с помощью полосового
фильтра, после чего усилитель с высоким коэффициентом насыщения
придает ему необходимую форму, что приводит к восстановлению пря¬
моугольной формы тактовых импульсов. На рис. 8.17 приведены три
примера разомкнутых синхронизаторов.
На первом схеме (а) сигнал 5(1) поступает на вход согласованного
фильтра, на выходе которого получается автокорреляционная функ¬
ция входного сигнала, имеющая вид равнобедренных треугольников.
После этого сигнал подается на вход нелинейного устройства (квад¬
ратора), на выходе которого получаются положительные пики, с точ¬
ностью до временной задержки, соответствующие границам символов
входных сигналов. Например, при манипуляции на 180° амплитуда
сигнала в момент смены фазы падает до нуля (в случае отсутствия рас¬
стройки несущей частоты относительно центральной частоты фильт¬
ров). При манипуляции на 90° падение амплитуды нуля достигать не
будет. Поэтому в полосовом фильтре необходимо вводить усиление-
ограничение для выравнивания амплитуд сигналов, соответствующих
смене передаваемых посылок. При этом насыщающий усилитель дол¬
жен иметь передаточную функцию вида $§п х = 1 при х > 0 и -1 для
других х.
Во втором примере основными операциями являются дифференциро¬
вание и придание импульсам положительной формы за счет квадратора,
т.к. после дифференцирования получаются пики положительной и отри¬
цательной формы, в зависимости от направления переходного процесса
при манипуляции фазы колебаний. В этой схеме перед дифференциатором
включен фильтр нижних частот для снижения чувствительности к широ¬
кополосному шуму. Этот ФНЧ удаляет высокочастотные составляющие,
но вызывает потерю сигналом исходной прямоугольной формы.
В третьем примере (в) требуемый эффект создается с помощью за¬
держки и умножителя. При этом оптимальная длительность задержки
равна половине длительности символа. Сигнал после перемножителя
всегда будет положительным во второй половине передачи любого пе¬
риода символа, но будет иметь отрицательную первую половину, если
во входном потоке 5(Ь) произойдет изменения состояния. Как и в пре¬
дыдущих примерах, необходимый спектральный компонент может быть
отделен с помощью полосового фильтра и затем ему будет придана нуж¬
ная форма с помощью насыщенного усилителя з§п х.
При всех видах разомкнутого синхронизатора будет происходить
некоторая аппаратная задержка. Можно показать, что для полосового
фильтра, усредняющего К входных символов, величина среднего вре-
417
мени задержки приблизительно удовлетворяет условию: К >18 при
При высоких отношениях сигнал/шум частичное соотношение сред¬
неквадратичною отклонения временной ошибки и длительности (перио¬
да следования) символов будет иметь вид:
Таким образом, если для данного полосового фильтра отношение
сигнал/шум достаточно велико, реализация всех вышеприведенных
схем дает достаточно точную тактовую синхронизацию.
Однако основным недостатком разомкнутых схем тактовой синхро¬
низации является наличие неустранимой ошибки сопровождения с не¬
нулевым средним. Эта ошибка может быть сделана достаточно низкой
при больших отношениях сигнал/шум, но устранить ее не удается.
Замкнутые тактовые синхронизаторы основаны на сравнении вход¬
ного сигнала с тактовыми импульсами местного генератора, установлен¬
ного в приемном устройстве. Наиболее эффективным является замк¬
нутый синхронизатор с опережающим и запаздывающим стробирова¬
нием. Его работа заключается в наличии двух отдельных интеграторов,
выполняющих эту опрацию по двум различным промежуткам такто¬
вого интервала, каждый длительностью (Г -6). Первое интегрирова¬
ние начинается в момент начала тактового интервала и заканчивается
через время (7 -6). Оно названо опережающим. Второе интегрирова¬
ние начинается с задержкой на б и заканчивается в конце тактового
интервала, т. е. в момент времени Т. Такое интегрирование называется
запаздывающим. Разность абсолютных величин на выходах этих ин¬
теграторов является мерой ошибки синхронизации, которая и воздей¬
ствует на местный генератор тактовых импульсов. При идеальной син¬
хронизации оба периода стробирования попадают в интервал длитель¬
ности тактового импульса и на выходах интеграторов будет одинаковое
напряжение, т. е.разность сигналов рассогласование равна нулю. Если
передний «полустроб» попадает с опережением по отношению к такто¬
вому интервалу, т. е. захватывает предыдущий тактовый импульс на вре¬
мя А, то на опережающем интеграторе энергия накапливается за время
\0 б) 2А). Следовательно, для такого случая вырабатывается рассо¬
гласование и — -2Д . Эго приводит к снижению сигнала рассогласова¬
ния и к уменьшению частоты следования генератора управляемого на-
(8.19)
418
Рис. 8.18
пряжением (ГУН). Если же передний «полустроб» попадает с запазды¬
ванием относительно тактового интервала, то ошибка рассогласования
меняет знак и частота ГУН увеличится. Следует заметить, что создать
два абсолютно идентичных интегратора невозможно, поэтому сигналы
двух ветвей синхронизатора должны быть дополнительно сдвинуты на
незначительную величину относительно друг друга.
Блок-схема варианта замкнутого синхронизатора приведена на
рис. 8.18.
Из этого рисунка видно, что синхронизатор в своей основе имеет
систему замкнутого петлевого управления, полоса которой является от¬
носительно узкой по сравнению со скоростью передачи тактовых симво¬
лов. Полоса петли определяет качество оценки времени задержки. Узко¬
полосная петля дает большее усреднение по АБГШ, но хуже отслеживает
изменение (дрейф) во времени из-за меняющихся условий распростра¬
нения или движения объектов, между которыми осуществляется связь.
Поэтому полосу петлевого фильтра нужно выбирать компромиссным
путем.
В устройствах подобного типа два коррелятора эффективно взаимо¬
действуют па соседних интервалах. Однако при поступлении на вход по¬
тока информационных символов, которые имеют нулевое среднее, вкла¬
ды в выходные сигналы корреляторов усредняются до нуля. Следует
также учитывать интервалы интегрирования. Величину этих интерва-
419
0 2 4 0 й 10 12 14
ЗД(дБ)
Рис. 8.19
лов можно менять от трех четвертей длительности посылки до, практи¬
чески, всего периода. Компромисс достигается между объемом проин¬
тегрированного шума и интерференцией в стробе, с одной стороны, и
длительностью сигнала, с другой.
Влияние ошибки тактовой синхронизации на вероятность битовой
ошибки для сигнала с ФМ при аддитивном гауссовом шуме показано на
рис. 8.19. На графиках приведены зависимости Рош от отношения Еь / ЛГ0
при использовании в качестве параметра среднеквадратического откло¬
нения ошибки тактовой синхронизации ое. Из графика видно, что для
относительного случайного смещения тактовой синхронизации, мень¬
шего 5%, ухудшение отношения сигнал/шум меньше одного децибела.
420
Однако, даже такая, казалось бы незначительная потеря, в ряде кана¬
лов связи с напряженной энергетикой недопустима. Поэтому системы
тактовой синхронизации должны очень тщательно проектироваться и
выполняться, особенно на линиях спутниковой связи, где возможны за¬
мирания, межсимвольная интерференция и возникновение различного
рода других помех.
8.3.2. Кадровая синхронизация
Практически все информационные потоки, передаваемые по линиям
связи, имеют кадровую структуру, т. е. любая последовательность сооб¬
щений (данных) разбивается на равные группы символов (бит). Так, в
любой системе с применением кодирования для защиты от ошибок не¬
обходимо знать длину кодового слова. В системах, где применяется де-
кореляция (разнесение) символов кодовых слов, также требуется знать
параметры декореляции, т. е. начало, окончание и длину интервалов раз¬
несения.
Чтобы входной поток информационных символов мог быть опознан
в приемнике, данные на приемной стороне должны синхронизироваться
с кадровой структурой потока. Процедура синхронизации может быть
относительно простой или сложной, в зависимости от среды функцио¬
нирования и требований, предъявляемых к системе связи.
Одним из наиболее распространенных методов кадровой синхро¬
низации является введение в поток сообщений специальных маркеров.
Маркер представляет собой, как правило, последовательность символов,
периодически вводимую на передающей стороне в поток данных. В при¬
емном устройстве эта последовательность и период ее введения должны
быть априорно известны. Приемник выполняет операцию корреляции
(или, вообще, сопоставления) этой последовательности с приходящим
потоком данных. Так как маркеры вводятся периодически, имея в памяти
все сообщение, при сбое одного или нескольких из них можно по приня¬
тым надежно маркерам восстановить кадровую синхронизацию. Однако
последнее требует некоторого усложнения приемного устройства, т. к. все
сообщение должно записываться в память определенного объема.
Основной недостаток систем с введением маркеров заключается или
в достаточно большой длине маркеров, требуемой для принятия надеж¬
ного решения даже при приеме одного маркера, или в увеличении вре¬
мени анализа при выполнении большого числа корреляций, требуемого
для достижения синхронизации по кадрам. Однако в системах связи,
где осуществляется пульсирующая или эпизодическая передача дан¬
421
ных, т. е. не работающих непрерывно, такой метод является предпоч¬
тительным.
При рассмотрении кадровой синхронизации следует говорить не
только о вероятности правильного приема маркера, но и о вероятности
ложной тревоги, когда, вследствие большого числа ошибок в символах,
вместо маркера опознается некоторая другая комбинация. Обычно тре¬
буемую вероятность ошибки Регпри приеме маркера приравнивают к
вероятности ложной тревоги РЕ. В этом случае вводится порог приня¬
тия решений.
Рассмотрим эти вероятности. Вероятность ложной тревоги будем
оценивать как отношение числа комбинаций последовательностей, ко¬
торые имеют СЕ совпадений с маркером (с учетом порога принятия ре¬
шений), к числу возможных бинарных последовательностей длиной п.
Тогда вероятность ложной тревоги можно записать в виде:
Рр
(8.20)
а вероятность ошибки в последовательности длиной п символов:
р„= Е с(-)рн\-ру-‘- (8-21>
)={Е 1-1 ]
Следует заметить, что при заданныхр, п и (Е < п / 2 минимизировать
(8.20) и (8.21) невозможно. Для уменьшения (8.21) желательно иметь
большое значение ЪЕ, но, с другой стороны, это приводит к увеличению
(8.20) . Так что в оптимальной системе будем иметь Рр « Рег.
На рис. 8.20 приведены зависимости РЕ от п при различных пара¬
метрах 1е . Так для п = 25 и (Е = 3 вероятность ложной тревоги РЕ % 10 4
, а при п = 25 и (Е = 0 РЕ «10 8. Таким образом, величина 1Е является
значащим параметром для вероятности ложной тревоги.
С целью получения лучших результатов желательно в качестве мар¬
керов использовать последовательности с хорошими автокорреляцион¬
ными свойствами, о которых говорилось выше. Наилучшими с этой точ¬
ки зрения являются последовательности Баркера. Однако их длина ог¬
раничена длиной 13. Поэтому, при необходимости можно использовать
М-последовательности любой длины. Так, например, последовательно¬
сти длиной 28 имеют боковые лепестки не более 2, а при длине 45 боко¬
вой лепесток АКФ не превышает 3. Следует при этом отметить, что отно-
422
5 10 15 20 25 30 35 40
► п
Рис. 8.20
шение длины этих последовательностей к максимальному боковому ле¬
пестку увеличивается, что позволяет достигнуть лучших результатов.
Оптимальным для получения необходимых вероятностей правиль¬
ного приема и ложной тревоги является алгоритм максимального прав¬
доподобия. Так, если на вход приемника поступает маркер, то в соответ¬
ствии с этим алгоритмом, в качестве оценок параметров, должны быть
выбраны их значения, максимизирующие интеграл:
/ = ^ 2(О5(?о,0,О^, (8.22)
423
где (0 — момент начала отсчета сигнала; 0 — его фаза; п — длина мар¬
кера; I — время. На практике выполнить строго процедуру отыскания
максимума I практически невозможно, т.к. каждый параметр интеграла
может принимать любые значения из некоторого интервала и необхо¬
димо было бы сопоставлять бесконечное множество значений I. Чтобы
все-таки выполнить эту процедуру в определенной области, необходимо
выбирать некоторую дискретную сетку параметров и в области этой сет¬
ки максимизировать /. При этом требуемая точность параметров должна
определяться исходя из данных о влиянии величин ошибок тактовой
синхронизации на качество приема информации.
Наиболее приемлемым решением данной задачи может быть введе¬
ние в схему приемника согласованного фильтра с устройством порогово¬
го решения. Величина порога определяется заранее, расчетным или экс¬
периментальным путем. Как правило, в таких случаях маркер, особенно
при малой вероятности ошибки, обнаруживается с высокой точностью,
даже при первом его появлении в потоке принимаемых символов.
424
ГЛАВА 9. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОЕ
КОДИРОВАНИЕ, МЕТОДЫ
ДЕКОДИРОВАНИЯ И КОРРЕКТИРУЮЩАЯ
СПОСОБНОСТЬ КОДОВ
Как известно, сущность помехоустойчивого кодирования заключа¬
ется в том, что в исходную последовательность символов сообщения,
подлежащих передаче, добавляют в кодере, в соответствии с некоторыми
правилами, дополнительные символы. Тем самым вводят определенную
избыточность, с помощью которой и происходит обнаружение и исправ¬
ление ошибок, возникающих при передаче сигналов по каналам с поме¬
хами и искажениями.
На другом конце линии, в декодирующем устройстве осуществляет¬
ся обратное преобразование (в большинстве случаев это обратное преоб¬
разование не идентично операции в кодере). В результате на выходе де¬
кодера восстанавливается исходная последовательность, с вероятностью
ошибок, зависящей от корректирующей способности кода, или правила
по которому осуществляется операция кодирования.
Существуют различные правила (виды) кодирования и декодиро¬
вания. Применительно к современным методам, используемым в спут¬
никовой связи, будем рассматривать два основных класса: блочное и
древовидное кодирование. Наиболее важным подклассом древовидно¬
го кодирования является рекуррентное, или сверточное кодирование.
В дальнейшем, если это не будет оговорено, рассматриваются блочные и
сверточные коды. Математический аппарат кодирования в значитель¬
ной степени основан на соотношениях общей алгебры.
9.1. БЛОЧНЫЕ КОДЫ
При блоковом (или блочном) кодировании поступающая на вход ко¬
дера последовательность информационных символов разбивается на от¬
резки (блоки) из к символов и операция кодирования осуществляется
над каждым из этих отрезков, независимо от других. При этом число
символов в отрезках не обязательно должно совпадать с числом симво¬
лов в знаках исходного алфавита.
Каждый отрезок преобразуется по некоторому определенному (для
каждого типа кода) правилу в набор из п > к символов, называемый ко¬
довым словом или кодовым блоком. Величина п называется длиной ко¬
дового слова. В декодере каждое такое слово декодируется, также не¬
425
зависимо от других кодовых слов. Если информационные символы ах,
ак в кодовых словах расположены на строго определенных позициях
(как правило это первые компоненты блока), то блоковый код является
систематическим. Таким образом, в систематическом коде к блоку из к
информационных символов добавляется п—к проверочных символов, а
отношение К —к/п называется скоростью кода.
Пусть в линии связи используется ш-ичный канал, по которому мо¬
гут передаваться т сигналов. Для их обозначения будем использовать т
различных символов, которые соответствуют основанию кода. Обозна¬
чим через Уп множество всех кодовых слов данного кода. Уп = {А, В, С,...},
где для X е Уп можно записать:
X = {(*!, х2,..., хп): 1,бт, 1 <г<п) (9-1)
Расстояние между двумя кодовыми словами А и В есть расстояние
Хэмминга д (А, В), которое определяется как число пар компонентов с
несовпадающими символами на одинаковых позициях. При т = 2, т. е.
при бинарных (двоичных) кодах, хэммингово расстояние равно числу
единиц в блоковых символах, получаемых путем суммирования по то<12
любых двух кодовых слов из множества Уп. Заметим, что бинарные коды
употребляются наиболее часто, хотя в ряде систем кодирования приме¬
няются и коды с большим основанием. В дальнейшем, если это не ого¬
ворено особо, речь идет о бинарных кодах.
Хэммингово расстояние является одним из важнейших парамет¬
ров кода и характеризует возможность обнаруживать или исправлять
ошибки. Наиболее важное значение имеет минимальное хэммингово
расстояние б/мин, которое определяется как наименьшее д между любой
парой кодовых слов. Если кодовые слова отстоят, по крайней мере, на
две единицы, то одиночная ошибка символа не может перевести одно
кодовое слово в другое, т.к. ошибочная комбинация не входит в алфа¬
вит сообщений, т. е. не используется для передачи. Таким образом, мо¬
жет быть обнаружена одиночная ошибка. Очевидно, для обнаружения
5 ошибок
аи^+1. (9.2)
Если минимальное хэммингово расстояние между кодовыми сло¬
вами не менее 3, то любая одиночная ошибка смещает кодовую комби¬
нацию в положение, отстоящее от передаваемого символа на единицу,
а от любого другого на две единицы. Это означает, что может быть ис¬
правлена одиночная ошибка. Вообще для исправления I ошибок необ¬
ходимо, чтобы:
426
(9.3)
Следует отметить, что при заданном */МИ11 исправление некоторого
числа ошибок может быть заменено обнаружением большего числа оши¬
бок. Например, если с1мин = 5, то такой код может быть использован для
следующих целей:
• исправление двойной ошибки;
• исправление одиночной или обнаружение тройной ошибки;
• обнаружение четырех ошибок.
Вообще для одновременного обнаружения ошибок кратности 5 и ис¬
правления ошибок кратностью I кодовое расстояние должно удовлетво¬
рять условию:
Относительно большой класс блочных кодов составляют линейные
коды. Для них значительно упрощается процедура декодирования, т. к.
такие коды представляют собой подпространство С* линейного про¬
странства V", и, следовательно, сумма любых двух кодовых слов явля¬
ется кодовым словом.
Процесс декодирования для блочных кодов, в общем случае, может
быть описан математически при помощи таблицы декодирования. Ко¬
довые слова образуют первую строку этой таблицы, остальные строки
занимают другие возможные комбинации. Процесс кодирования систе¬
матического кода (т. е. такого, в котором информационное слово можно
выделить из соответствующего кодового слова) может быть описывает¬
ся т.н. порождающей матрицей, которую путем перестановки столбцов
можно представить в виде:
где 1к — единичная матрица размером к на к.
Тогда процесс кодирования сводится к умножению информацион¬
ного слова на порождающую матрицу.
Запишем теперь проверочную матрицу для любого систематическо¬
го кода, имеющего порождающую матрицу вида (9.5):
где Ок(„_к) — транспонированная матрица.
Тогда систему проверочных уравнений можно представить как про¬
изведение принятого кодового слова на матрицу (9.6):
(9.4)
(9.5)
(9.6)
427
5 = уф{^_}
^к(п-к) ’
где вектор 5 называется синдромом.
Таким образом, ошибка будет обнаружена, если хотя бы один из ком¬
понентов вектора синдрома не равен нулю.
Среди блочных кодов выделяется группа кодов, называемых совер¬
шенными. Эти коды имеют максимальное для заданных п и к значение
с1мш, т. е. наибольшую исправляющую способность. К таким совершенным
кодам относятся коды Хэмминга и Голея, а также симплексные коды.
9.1.1. Коды Хэмминга
Коды Хэмминга, предложенные в 1959 г., являются одними из самых
простых. [9.1]. К ним относятся коды, которые для каждого натурально¬
го т > 3 имеют следующие параметры:
1) Длина кодового слова п = 2т-\.
2) Количество информационных разрядов к — п — т.
3) Количество проверочных символов т — п — к.
4) Корректирующая способность I — 1 (<7МИМ > 3), т. е. код корректи¬
рует одиночную ошибку, и обнаруживает двойную.
Для задания кодов Хэмминга используют проверочную матрицу, со¬
держащую т строк и п столбцов. При этом столбцами являются все воз¬
можные ненулевые двоичные слова т.
Коды Хэмминга являются одними из немногих, для которых из¬
вестно распределение весов кодовых слов. Так, для кодов с расстояни¬
ем ^мии = 3 и п = 2ш-1 весовая функция имеет вид:
М(х) = 1/(п + 1)[(1 + х)п + п (1 + хУ"-»'2 (1 - *)<"+1>''2]. (9.7)
Кроме простых кодов Хэмминга существуют укороченные и рас¬
ширенные коды Хэмминга. Укороченные коды можно получить путем
удаления одной строки проверочной матрицы, а расширенные коды по¬
лучаются путем введения дополнительной проверки на четность всех
символов кодовых слов. При такой операции <7МИИ становится равным 4,
что позволяет исправлять одну ошибку и обнаруживать две, или только
обнаруживать три ошибки.
Как видим, коды Хэмминга обладают низкой корректирующей спо¬
собностью и как таковые отдельно не используются. Однако их приме¬
нение в каскадных системах кодирования может дать неплохие резуль¬
таты.
428
9.1.2. Циклические коды
Циклические коды являются подклассом линейных блоковых кодов.
Они обладают многими специальными свойствами, которые значитель¬
но упрощают процесс кодирования, декодирования и обладают доста¬
точно высокой корректирующей способностью.
Циклическим кодом С называют такой блоковый (гг, к) код, кото¬
рый вместе с некоторым кодовым словом С содержит и его циклический
сдвиг. Например, пусть С = [ап^ап_2 ...аха0] есть кодовое слово некоторого
циклического кода, тогда этому же коду принадлежит и его цикличе¬
ский сдвиг, например С2 = [ап.3 где С2 представляет собой
кодовое слово, сдвинутое на 2 символа этого же циклического слова.
При /-кратном циклическом сдвиге кодовое слово можно записать в виде
С' = !... аха0а„.Л ... а Двоичные (2"' - 1, 2т - т - 1) коды Хэмминга
принадлежат к классу циклических кодов.
Любой циклический код Хэмминга длины 2"' 1 при т> 3 может
быть построен с помощью некоторого примитивного полинома степе¬
ни т, также любому примитивному полиному степени т соответствует
некоторый циклический код Хэмминга длины 2т - 1. Приведем пример
такого кода. Пусть т = 4, тогда для (15,11) кода Хэмминга корень прими¬
тивного полинома будет X4 + Х+ 1. Используя его в качестве порождаю¬
щего можно построить все кодовые слова циклического кода Хэмминга
(15, И).
Проверочная матрица Я этого полинома,
1
1
1
1 0 1
0 1
1
0
0
1
0
0
0
0
1
1
1 1 0
1 0
1
1
0
0
1
0
0
0
0
1
1 1 1
0 1
0
1
1
0
0
1
0
1
1
1
0 1 0
1 1
0
0
1
0
0
0
1.
Можно образовать т. н. циклический расширенный (2т, 2т - т- 1)-
код, который образуется путем присоединения проверок на четность по
всем символам. Этот код обладает минимальным расстоянием й?МИ1| = 4.
Цикличность перестановок позволяет использовать при кодирова¬
нии информации регистры сдвига с обратными связями. Тогда каждый
символ выходной последовательности является результатом проверки
на четность по нескольким предшествующим выходным и входным сим¬
волам. Поведение регистров сдвига может быть описано с помощью мат¬
риц и характеристических многочленов. Это весьма полезное свойство,
так как процессы кодирования и декодирования циклических кодов сво¬
дится к делению и умножению многочленов.
429
Код Голея
Этот код также принадлежит к классу двоичных совершенных цик¬
лических кодов с параметрами п = 23, к = 12, и с1 = 7. Он был открыт Го-
леем, который заметил, что
С23 С23 С23 С23 =: 2'1’
и, таким образом, может существовать совершенный двоичный (23,12)-
код, который исправляет все комбинации из трех и менее ошибок.
Будем рассматривать коды Голея, как совершенный циклический
код с параметрами (23, 12, 7). Этот код можно генерировать на основе
порождающего полинома:
С(Х) = Х"+Х9 + Х7 + Х6 + Х5 + Х + 1.
Проверочный полином кода можно записать в виде:
Н(Х) = Хп + Х10 + Х7 + Х* + Х* + Х2 + Х + 1
Кроме тривиального кода Хэмминга и приведенного кода Голея не
известно никаких других совершенных двоичных кодов.
В то же время, расширенный код Голея (24, 12, 8) может быть полу¬
чен путем добавления ко всем кодовым словам проверки на четность.
При этом такой код Голея не является совершенным.
Наиболее интересными классами циклических кодов, в частности
применительно к беспроводной и спутниковой связи, являются коды
Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ) и, в частности, подкласс недвоичных
БЧХ-кодов, называемых кодами Рида-Соломона.
Коды БЧХ
Коды БЧХ составляют один из больших классов кодов, исправляю¬
щих ошибки веса I, метод построения которых может быть явно задан.
При любых заданных значениях т0 и д0 код, порожденный многочленом
§(Х), называется БЧХ-кодом, тогда и только тогда, когда §(Х) являет¬
ся многочленом наименьшей степени над полем Галуа СР(ц), для кото¬
рого ат°,ат»+\...,ащ+‘*°~2 являются корнями, при этом а — элемент поля
СР(^).
Длина кода п равна наименьшему общему кратному порядков кор¬
ней, минимальное кодовое расстояние между кодовыми векторами не
меньше величины <70, которая называется конструктивным расстоянием.
Чтобы код гарантировал исправление Ь ошибок, необходимо положить
г= 21. Тогда конструктивное расстояние будет удовлетворять оценке
<*««„* 2*+1.
430
В частном случае, при <7 = 2,п = 2т - 1, г= 2^ эти коды называют
кодами БЧХ в узком смысле. В общем случае, для любых целых положи¬
тельных т и г < п/2 существует двоичный БЧХ-код длины п — 2т - 1,
исправляющий все комбинации из С ошибок (или меньше) и содержащий
тт проверочных символов.
Для всех двоичных циклических БЧХ-кодов, порождаемых прими¬
тивными элементами порядков, меньших 210, существуют таблицы, с по¬
мощью которых легко можно построить БЧХ-код.
Заметим, что для этих кодов отношение с//п стремится к нулю с ростом
п при фиксированном отношении к/п, что означает, что отношение фак¬
тического минимального расстояния к длине стремится к нулю — т. е. эти
наилучшие из известных конструктивных кодов на самом деле очень пло¬
хи при больших значениях длины кода п. В то же время многочисленные
исследования двоичных циклических БЧХ кодов показали, что при длине
не более 15, а также все БЧХ-коды, исправляющие двойные ошибки, явля¬
ются квазисовершенными, т. е. лучшими из известных двоичных кодов.
Можно привести асимптотические оценки зависимости вероятности
ошибки при декодировании БЧХ кодов по максимуму правдоподобия,
которые имеет вид:
^=Есда-П)”'‘.
|=г + 1
^ < а /«) Й ('+тя (1 о-в)
1=Г +1
ь <7-1 5
где Рв — вероятность ошибки в кодовом блоке; — вероятность ошибки
при приеме д-ичного символа,; Рь — вероятность ошибки на бит.
При получении оценок предполагалось, что кодовый блок декоди¬
руется неверно при наличии в нем более чем I ошибочных символов, а
ошибочно декодированное кодовое слово отличается от переданного не
более, чем в (г + I) <7-ичных символов. Кроме того, полагалось, что в не¬
правильно декодированном символе примерно половина кодовых битов
будет ошибочной.
Таким образом, коды БЧХ обладают существенно лучшей коррек¬
тирующей способностью, чем коды Хэмминга. Однако и эти характе¬
ристики далеки от предельных. Кроме того, при большой длине кода
сложность декодирования очень велика. Поэтому коды БЧХ небольшой
431
длины целесообразнее применять в качестве составляющих элементов
более эффективных каскадных кодов.
Коды Рида-Соломона
Важнейшим подклассом недвоичных кодов БЧХ являются цикли¬
ческие коды Рида-Соломона. Эти коды характеризуются рядом пара¬
метров.
Длина блока п = д-1 выражена числом недвоичных д-символов, где
д = {0,1, 2,..., д - 1}. Обычно д = 2А, поэтому каждый д-ичный символ со¬
ставляет к информационных бит. Количество информационных симво¬
лов может меняться от к = 1 до к = п-1. Минимальное кодовое расстоя¬
ние к таких кодов составляет величину б/МИ|| = п - к + 1, а кодовая ско¬
рость равна г = к/п. При этом, гарантируемое количество исправляемых
ошибок в кодовом слове равно ( = [1 /2(<7МИ|| - 1].
Порождающий многочлен §(Х) имеет своими корнями (I - 1 после¬
довательных степеней примитивного элемента а из поля СР(д). Порож¬
дающий многочлен кода Рида-Соломона можно представить в виде:
С(Х) = (Х+ а)(Х + а2)...(Х + а^).
Свойства кода Рида-Соломона с символами из 6Т(д) и параметрами
п = д-1,^ = и- г/+1не зависят от метода его построения и определя¬
ется только выбранными параметрами д и с1.
Пусть теперь д = рт. Тогда каждый д-ичный символ может быть
представлен в виде набора длины т элементов из СР(р). Следовательно,
исправляющий ^ошибок (дт- 1, дт- 1 - 2г)-код Рида-Соломона можно
рассматривать как {т(дт - 1), т{$т - 1 - 2?)}-код над СР(р), способный ис¬
правлять произвольную комбинацию ошибок, все ненулевые символы
которого располагаются в I блоках по т символов. Так, например, код
Рида-Соломона с символами из СР(р7) может исправлять все пакеты
длины 22 (или меньше), если кодовые слова кодируются 7-разрядными
двоичными блоками. Для такого кода необходимо 2-4 = 8 проверочных
блоков или 8 • 7 = 56 двоичных символов. При этом длина кода должна
составлять 7 • (27- 1) = 889 символов. Другие классы кодов имеют зна¬
чительно худшие характеристики.
Распределение весов (А) кодов Рида-Соломона известно. Коэффи¬
циенты во взвешивающем полиноме могут быть записаны как:
А = 04? - 1)Х)(- 1УСН ),
1-0
ГД« и ч = 2*.
432
Таким образом, коды Рида-Соломона обладают хорошими дистанци¬
онными свойствами, т.е имеют гарантированно хорошие минимальные
кодовые расстояния. По существу это коды с максимально возможными
минимальными расстояниями.
Вероятность ошибки кодового слова, которая соответствует вероят¬
ности ошибки символа в двоичном симметричном канале при жестком
решении декодера, может быть записана в виде
Р = 0 / п) ^ гС'‘р1м (1 - рм)"', (9.9)
1---С +1
где М = 2к набор из возможных сигналов.
Если символы отображаются битами, то вероятность ошибки на бит
может быть записана в виде:
^ = Р2*-У(2*-1). (9.10)
Кроме всего прочего, Берлекампом был разработан эффективный
алгоритм декодирования, который требует незначительных техниче¬
ских затрат, и в настоящее время декодеры кодов Рида-Соломона рабо¬
тают на скоростях до 40 Мбит/сек, в том числе в ССС.
Коды Рида-Соломона наиболее часто используют в более сложных
каскадных кодах в качестве внешнего кода. В последнее время именно
такое построение каскадных кодов при использовании внешнего кода
Рида-Соломона применяется в системах спутниковой связи.
9.2. ГРАНИЧНЫЕ ОЦЕНКИ ДЛЯ БЛОКОВЫХ
И СВЕРТОЧНЫХ КОДОВ
Очень важно знать предельные возможности кодов, исправляющих
ошибки и, соответственно накладываемые ими ограничения. В случае
линейного кода при определенных значениях п и к можно получить верх¬
нюю и нижнюю границы для наибольшего минимального расстояния.
Нижняя граница справедлива и для более широкого класса кодов, т. к.
она устанавливает, чего можно достичь при их применении.
Верхняя граница Плоткина [9.2] дает сравнительно грубую оценку
для с1 (рис. 9.1). Понятие этой границы можно сформулировать в сле¬
дующем виде: число проверочных символов, необходимых для того, что¬
бы вес линейного двоичного блока длиной п символов достигал й, если
п > 2с1 - 1, должно быть не менее, чем
2(й?-1)-1о§2</. (9.11)
433
При достаточно больших <1 для величины к можно записать следую¬
щее асимптотическое приближение: п к л 2(1
Верхняя граница Хэмминга для блокового кода с минимальным ве¬
сом 2( + 1 может быть записана как:
л-Л>1о82|1 + ^+Сг + ... + СЯ,
где б, — наибольшее целое I.
При п —>оо отношение I/п не может быть больше 1п/п и, следова¬
тельно:
(п-к)/к*Н[((1шиГ 1)/2 л],
где Н(х) = -л- 1о& - (1 - х) 1о&(1 - д).
В этой предельной форме граница Хэмминга приведена на том же
рисунке.
Верхняя граница Элайса может быть записана в виде:
ат„<2С(\-1/п) [1/(1- 1)].
I
где ^ — любое целое число, такое, что > 2" *, а / — наименьшее целое
число, удовлетворяющее неравенству / > 2 (л_*) •
;=о
Для больших п границу Элайса можно представить как
с{ > 2( (1 — I / п).
Из приведенных границ видно,
что не существует кодов с опреде¬
ленными параметрами. Поэтому
важным является вопрос об облас¬
ти значений возможных парамет¬
ров. Общий ответ на этот вопрос
дается нижней границей Варша-
мова-Гильберта, понятие которой
сформулируем в следующем виде:
существует код с с?мин, равным, по
меньшей мере, б/, которое удовле¬
творяет неравенству
а-1
1=0
434
Ю 12 14 дБ
Для больших значений п можно получить асимптотические резуль¬
таты в виде:
к/п<\ — Н[(с1 -2)/п]. (9.12)
Эти значения также представлены на рис. 9.2.
Приведенные границы могут быть использованы с целью получения
пределов для вероятности ошибки декодирования наилучшего двоично¬
го кода при заданной скорости и времени передачи по двоичному сим¬
метричному каналу.
Так, если минимальное расстояние двоичного кода равно ^мин, то все
ошибки кратностью I = (д, - 1)/2, или меньше, могут быть исправлены.
Следовательно, вероятность ошибочного декодирования кодового слова
р, может быть ограничена снизу:
п
Р,<ЕС;р'(1-Р)"-' (9.13)
|=(+1
435
Это выражение вместе с границей Варшамова-Гильберта позволяет
найти границу р,, которая достаточно точна при малых скоростях пере¬
дачи.
Для сравнения различных кодов, а также оценки выигрышей, ко¬
торые достигаются при применении тех или иных кодов, необходимо
учитывать, что энергия элемента сигнала при использовании кодов с
избыточностью снижается из-за уменьшения его длительности (что при¬
водит, соответственно, к расширению полосы частот), если сохранять
скорость передачи исходной информации. С учетом этого вероятность
ошибки при приеме элементарного символа увеличивается по сравне¬
нию со случаем не кодированной передачи:
= 1/2[1-Ф(й4)],
где Н1 = к2К; И2 — отношение энергий сигнала и шума при не кодирован¬
ной передаче.
С целью сравнения систем с различным основанием кода вводит¬
ся понятие эквивалентной вероятности ошибки Р0 = Рт/\о%т, соответ¬
ствующее значению Рош на бит информации. Она определяется как ве¬
роятность ошибки в двоичном однородном симметричном канале при
кодировании без избыточности, при которой вероятность правильного
приема длинного отрезка сообщения (символа сигнала) оказывается та¬
кой же, как и в рассматриваемой системе с произвольным основанием
кода, в данном случае Р.
Как известно, значение параметра Н2 зависит в общем случае от рас¬
стояния между сигналами или кодовыми комбинациями ансамбля, из¬
быточности и основания кода, других сигнально-кодовых характери¬
стик. При этом повышение избыточности и основания кода приводят к
выигрышу в эквивалентном значении к2, но сопровождаются увеличе¬
нием полосы частот, занимаемой сигналами. Так, при основании кода
т> 2, базе одиночного сигнала Вх = 2ТьРп избыточном кодировании с
относительной скоростью К = к/п(п — общее число символов (длина)
кодовой последовательности, к — число информационных символов в
кодовой комбинации) полоса частот, занимаемая ансамблем сигналов,
при фиксированной скорости передачи информации пропорциональна
тВх/ (К\о%2т).
Кроме того, следует учитывать, что при фиксированной скорости
передачи сообщения и мощности сигнала длительность тя-символа, а
следовательно и его энергия, пропорциональны 1от. е. Н2т = Н2\о%т.
Наоборот, как отмечалось выше, применение многопозиционной моду¬
ляции, при которой расстояния между сигналами ансамбля уменьшают-
436
ся с ростом числа позиций, как и частотная полоса сигналов, приводит
к снижению помехоустойчивости (для не кодированной передачи), но
повышению эффективности использования полосы частот.
Благодаря корректирующим свойствам кода исправляются все
ошибки, кратность которых не превосходит Л Тогда вероятность пра¬
вильного приема кодового слова из п символов принимает вид:
й >йс<(р;„,)‘<1 (9.14)
1=0
Так как это выражение является одновременно оценкой для веро¬
ятности правильного приема блока к информационных символов, экви¬
валентную (битовую) вероятность ошибки на элементарный символ рЛ
можно найти, считая, чторь определяет эквивалентный канал без коди¬
рования, в котором к элементарных символов передаются с достоверно¬
стью 0/. Поэтому 0/ = (1 - р/;)*.
Отсюда определяется верхняя граница для вероятности ошибки.
П
Так как С'пр'(\ —р)п~' <С'"//И, то из (9.14) получим:
1--1 +1
а>1-сгчр1г'.
Прир6^<1 имеем «1 -крь.
Таким образом, получаем приближенное выражение границы для
эквивалентной вероятности ошибки
Р4<(1/ВД*'(Р1)"'- (915)
Это соотношение становится точной верхней границей при рьк 1.
График эквивалентных вероятностей ошибки на элементарный символ
как функция от отношения сигнал/шум к2 представлен на рис. 9.2. Кривая
при К = 1 соответствует не кодированной передаче сигналов с ФМ. Ос¬
тальные кривые построены для различных (п, к, ?)-блоковых кодов.
Как видно из этого графика, коды, корректирующие ошибки, обес¬
печивают значительный выигрыш по сравнению с не кодированной пе¬
редачей в области малых значений вероятностей ошибок. Так, на уровне
Р0= 1()-8 при применении кода (255, 199, 8) выигрыш составляет не ме¬
нее 10 дБ. Заметим что такие соотношения справедливы для двоично¬
го симметричного канала. Аналогичные оценки можно получить и для
сверточных кодов, которые будут рассмотрены ниже.
Для сверточных кодов понятие известной границы Варшамова-Гиль-
берта можно сформулировать в следующем виде: при скорости передачи
К = к0/щ и кодовом ограничении пА = (т + 1 )щ, где к0, щ есть, соответ¬
437
ственно, входные и выходные последовательности сверточного кодера,
а пА кодовое ограничение, которое соответствует длине п для блоковых
кодов, существует, по меньшей мере, один сверточный код с минималь¬
ным расстоянием ^мин, являющимся наибольшим целым числом, удов¬
летворяющим условию:
(1мии-1
^ С‘л < 2М'-*>.
Так как то2п*Н{-<1/п*'><2п^х~К) и, следовательно:
;=1
Н(<1»ш/пл)<\-К, (9.16)
что почти совпадает с границей (9.12) для блоковых кодов.
Приведенные соотношения показывают, что при больших значениях
п разница между */мин для наилучшего блокового и сверточного кодов не¬
велика. При малых значениях п наилучшие границы величины г/мим для
сверточных кодов несколько выше, поэтому следует ожидать, что при
малых п сверточные коды должны давать лучшие результаты.
9.3. СВЕРТОЧНЫЕ КОДЫ
Сверточный код создается прохождением передаваемой информа¬
ционной последовательности через линейный сдвигающий регистр с
конечным числом состояний. В общем виде на сверточный кодер, со¬
стоящий из &0 входов, поступают в каждый момент времени информаци¬
онные символы и с каждого из п0 выходов считываются кодированные
символы.
Используя оператор задержки Хаффмена П [9.2], к0 входных после¬
довательностей можно представить совокупностью полиномов:
/0)(Д) = *о> + ^ + ^>#2 +>><> (9.17)
где информационный символ, поступивший нау'-й вход кодирую¬
щего устройства в момент времени и, а у = 1, 2,... к0
Аналогично щ выходных последовательностей обозначим полино¬
мом :
ГО)(0) = (<" +^>(1Э)+ (<»(!>) + ..., (9.18)
где — символ, считываемый с декодера на 7-м выходе в момент време¬
ни и, а у = 1, 2,..., п0.
438
Пусть сверточный код будет систематическим, т. е. первые &0 выход¬
ных символов совпадают с входными символами. В ^-обозначениях это
можно записать как
Остальные л0 - к0 выходных (или проверочных) последовательно¬
стей являются линейными комбинациями входных последовательно¬
стей, т. е.
Таким образом, каждый передаваемый проверочный символ пред¬
ставляет собой линейную комбинацию предшествующих (в том числе,
и последних поступивших на вход) информационных символов.
Полиномы 0^(0), Н0)(Х>) ^'(Р) при; = кд + 1. 2 я0 назы¬
ваются полиномами, порождающими код. или генераторными полино¬
мами. Выбором этих полиномов код определяется полностью. Число их
равно к0(п - к0).
Если т — наибольшая из степеней генераторных полиномов, т. е.
наибольший показатель степени Д на которую умножается любая из
входных последовательностей в (9.20), то любой фиксированный ин¬
формационный символ может оказать влияние на выходную последо¬
вательность в промежуток времени не более, чем от + 1 единиц. В те¬
чение этого времени кодирующее устройство выдаст всего (от + 1)и0
символов, поэтому говорят, что кодовое ограничение пЛ, иод которым
понимают число выходных символов кода, на которое оказывает влия¬
ние каждый символ входной последовательности, составляет (от + 1)м0
символов.
В сверточных кодах величина пл соответствует длине п для блоко¬
вых кодов, а количество информационных символов (от + 1)&0 = Япл —
величине к. Если условно разбить последовательность на выходе такого
кодера на кодовые слова длиной пл символов, то (от + 1)&0 из них будут
информационными.
Приведем два примера сверточных кодеров (СК), которые позволяют
более наглядно представить процессы, происходящие при таком методе
кодирования.
Пусть сверточный код при 7? = 1/2 порождается полиномом вида
С(2> ф) = ^° +1)1 +1)3, Такой кодер представлен на рис. 9.3.
Го>(Я) = /<Л(Е>к/ = 1.2 *0.
(9.19)
ГО>(Я) = С<'>(Д)/и)(Д) +
+Ж»(Я)/2(Г>) +... + 2<»(1>)/<*Л(Я)
(9.20)
где; = к0 + 1, к0 + 2,..., п0.
439
(Выход)
Генераторный полином определяет порядок присоединения сумма¬
торов по модулю 2 к трехразрядному регистру сдвига. Как видно из это¬
го рисунка, отводы берутся от нулевого (с входа), первого и третьего
элементов регистра.
Когда информационные символы продвигаются через регистр, фик¬
сированные связи с сумматором обеспечивают, чтобы каждый образован¬
ный проверочный символ был суммой текущего информационного сим¬
вола и информационных символов, поступивших на один и три разряда
ранее и находящихся в первом и третьем разрядах регистра сдвига.
Для произвольной информационной последовательности /(1)ф) прове¬
рочная последовательность в соответствии с (2.40) имеет вид Т(2)ф) = (1 +
+Э +И3) Р>(Р). Если входная последовательность была /(1)ф) = 1 + И2+Г>6 +
+..., то выходная последовательность такова, что Т(2)ф) = 1 + Г) + Г)2 + Г)5 +
+1)6+... На выходе такого кодера включается коммутатор к, который по¬
очередно считывает информационные и проверочные символы. Симво¬
лы на выходе коммутатора и представляют собой новую кодированную
последовательность.
Кроме систематических сверточных кодов широкое применение на¬
ходят и несистематические сверточные коды. Кодер несистематическо¬
го СК при К = 1/2 с генераторными полиномами: С{Х){В) = 1 + Б + И2 и
С(2)(Ц) = = 1 + В1 приведен на рис. 9.4.
Как видно, в таком кодере в выходной последовательности отсутст¬
вуют информационные символы в явном виде. На выходе кодера фор¬
мируются две проверочные последовательности:
Т(1)ф) = (1+Г> + /)2)/<1)ф),
Т(2)ф) = (1 + Г>2) /<*) ф).
Широкое применение несистематических сверточных кодов обуслов¬
лено их лучшими, с точки зрения исправления ошибок, характеристиками,
чем у систематических кодов.
440
Более общий случай являют со¬
бой сверточные коды со скоростью
К = 1 /п. В этом случае при поступ¬
лении на вход СК одного бита с вы¬
хода снимается п кодированных сим¬
волов. Примером может быть кодер с
К= 1/3 и генераторными полино¬
мами С1(й) = 1, С2(Х>) = (1 + И2),
С3ф) = (1 +й + И2). Этот код является
систематическим, поскольку по цепи
С1(й) = 1 выходные символы поступа¬
ют непосредственно на выход кодера.
В этом СК имеются три разряда памя¬
ти и два сумматора по модулю 2. Коммутатор последовательно считыва¬
ет с трех выходов кодовые символы.
Еще более общим являются сверточные кодеры со скоростью
К = г/п, где г < п. Наиболее часто такие СК строятся, на основе свер¬
точного кода с К = 1 /п, «выкалыванием» из него некоторых выход¬
ных символов. Такие коды иногда называют перфорированными. Эти
коды имеют практически такие же характеристики помехоустойчи¬
вости, что и соответствующие им по скорости обычные сверточные
коды. Однако, из-за универсальности их декодирования с кодами, из
которых они образованы, перфорированные коды бывают более удоб¬
ными на практике.
Для сверточных кодов можно определить минимальное Хэмминго-
во расстояние (I как наименьшее число символов, в которых отличаются
два начальных кодовых слова длиной пА, не имеющих одинаковых по¬
следовательностей первых информационных символов. Кроме Хэммин-
гова расстояния важным параметром для сверточных кодов является
свободное расстояние, которое значительно полнее характеризует воз¬
можность исправления ошибок при некоторых методах декодирования.
Так как сверточные коды линейны, то свободное расстояние а?св равно
минимальному весу наиболее короткого пути выходной последователь¬
ности, начинающегося в нулевом состоянии и заканчивающегося в ну¬
левом состоянии и не попадающего в это состояние в промежуточных
положениях.
При использовании сверточных кодеров в декодере для исследова¬
ния имеется очень длинная последовательность полученных символов.
Обычно в сверточном декодере обрабатывается одна ветвь длиной пА,
но при необходимости длину этой ветви можно увеличить в несколь¬
Рис. 9.4
441
ко раз. Более того, при сверточном кодировании имеется возможность
вернуться назад и подвергнуть обработке вновь ранее принятые симво¬
лы на основе информации, полученной от декодирования последующих
символов. Несмотря на то, что операции при декодировании сверточных
кодов достаточно сложны, в настоящее время разработан ряд алгорит¬
мов, обеспечивающих результаты, близкие к оптимальным при приемле¬
мой для практике сложности декодеров. К ним в первую очередь следует
отнести пороговое и многопороговое декодирование, декодирование по
(методу) Витерби (с мягким и жестким решением) и последовательное
декодирование.
9.4. АЛГОРИТМ ДЕКОДИРОВАНИЯ ВИТЕРБИ
В последнее время разработан ряд алгоритмов декодирования по
методу приема «в целом» (методу максимального правдоподобия) для
рекуррентных кодов, являющихся асимптотически оптимальными в ка¬
налах с АБГШ, реализация которых при одних и тех же длинах кодов
существенно проще, чем для классического метода приема «в целом».
К таким алгоритмам, в первую очередь, следует отнести стэк-алгоритм
[9.3] и алгоритм Витерби [9.4].
У стэк-алгоритма, вследствие того, что объем памяти и вычислитель¬
ная сложность являются случайными переменными, зависящими от ве¬
личины шума в канале связи, среднее число ветвей (и их длина), которые
необходимо просмотреть, может оказаться слишком большим для реа¬
лизации. Отсюда следует, что этот алгоритм целесообразно применять
при вероятности ошибки в канале связирош< 10~5, поскольку при боль¬
ших вероятностях ошибки он становится малоэффективным.
Рис. 9.5
442
Поэтому основное внимание уде¬
лим алгоритму Витерби и особенно¬
стям его применения в каналах связи
с пакетами ошибок при разнесении
символов кодовых слов.
Рассмотрим несистематический
рекуррентный код со скоростью
К = 1/2 и кодовой длиной К=3. Ко¬
довой длиной будем называть число
элементов задержки в регистре сдви¬
га плюс единица (К = т + 1). Кодер
такого кода показан на рис. 9.5.
Представим этот код в виде дере¬
ва, изображенного на рис. 9.6.
Если первый принятый символ
на входе кодера равен 0, то символы
кода берутся те, которые указаны на
первой верхней ветви, и если он равен
1, то символы кода берутся на нижней
ветви.
Аналогично, если второй входной
символ есть 0, то дерево прослежива¬
ется до следующей верхней ветви, а
если 1, то до нижней ступени следую¬
щей ветви. Построенное таким об¬
разом кодовое дерево для пяти пер¬
вых символов на входе приведено на
00
00
00
00
01
10
00
01
01
10
00
00
01
10
00
10
01
00
01
10
00
10
01
00
01
10
00
10
01
00
01
10
00
10
01
00
01
10
00
10
01
00
01
10
Рис. 9.6
рис. 9.6.
Из этого рисунка видно, что после первых трех ветвей структура ста¬
новится повторяющейся. Следовательно, после третьего шага одинако¬
вые узлы дерева могут быть объединены и кодовое дерево преобразова¬
но в решетчатую диаграмму, представленную на рис. 9.7. Здесь кодовая
ветвь, порождаемая нулем на входе, обозначается непрерывной линией,
а порождаемая единицей — штрихами. С помощью решетчатой диаграм¬
мы (РД) можно пояснить работу декодера Витерби [9.4].
По существу, в алгоритме Витерби решается задача отыскания крат¬
чайшего пути в некотором графе наиболее простыми, но, в то же время,
надежными средствами. При этом, как показано в [9.4], алгоритм Ви¬
терби можно рассматривать как способ решения задачи оценивания по
максимуму апостериорной вероятности последовательности состояний
443
Вромм <
О
I
2
4
Рис. 9.7
Рис. 9.8
дискретного во времени марковского процесса с конечным числом со¬
стояний, наблюдаемого в канале с АБГШ.
Процесс функционирования алгоритма Витерби называется жест¬
ким, когда принимаемые символы квантуются на два уровня — 0 или 1.
Если осуществлять квантование принимаемого сигнала на () уровней,
т. е. сохранять вес каждого символа, то получим мягкий алгоритм Ви¬
терби.
На рис. 9.8 приведена РД, описывающая процесс принятия решений
в «мягком» декодере Витерби при квантовании входных символов на
8 уровней. В этом примере возможные значения принятых символов, по¬
ступающих в декодер, будут —4, —3, —2, —1, +1, +2, +3 и +4. Расстояния
между принимаемыми символами и гипотетическими, генерируемыми
444
кодером, которые имеют значение +4 или -4, высчитываются как модуль
алгебраической разности. Так, если передаваемые символы были 11, а
принятые с весами +2, +4, то первый принятый символ имеет расстояние
2, а второй 0 до пути 11 (+4, +4) на РД. Эти же принятые символы имеют
расстояние 7 и 5 до пути 00 (-4,4). Общее расстояние в первом случае
равно 2, а во втором — 12. Все остальные операции осуществляются так
же, как и в «жестком» декодере Витерби. Из рис. 9.8 видно, что, если в
момент 1—1 принять решение о переданной последовательности, вы¬
брав кратчайший путь с весом 22, то это решение будет безошибочным,
несмотря на то, что в принятой последовательности были зарегистриро¬
ваны три неверно принятых символа. На РД отмершие пути отмечены
крестиками. Кратчайший путь обозначен двойными линиями. Гипоте¬
тические символы, генерируемые кодером, обозначены рядом с ветвями
и обведены кружком (например (01).
В канале с АБГШ выигрыш при переходе от жесткого решения с
0^ = 2 к мягкому с () = 8 приблизительно равен 2 дБ. Переход от (2 = 8 к
<2 = 16 дает дальнейшее улучшение, но не более чем на 0,25 дБ.
Можно найти нижнюю границу вероятности ошибки на любом шаге
при декодировании по методу Витерби. Пусть осуществляется передача
в канале с АБГШ и ведется прием на идеальный когерентный детектор
сигналов ФМ. Тогда можно записать выражение для вероятности ошиб¬
ки выбора некоторого пути, отличающегося от истинного в к символах,
в виде:
Используя (9.12)—(9.16), вероятность ошибочного выбора узла на ка¬
ждом шаге можно представить как
Учитывая,что 1 -\Ф(^х + у)) < ехр(—у / 2)[1 — Ф(4х)| при х>0>у>0,
(9.21)
запишем:
445
(9.22)
Искажения каждого символа в последовательности из 8 символов
в некоторой ветви декодирования можно полагать независимыми при
передаче по каналам с пакетами ошибок и разнесением символов на ин¬
тервал, превышающий интервал автокорреляции канала.
Для оценки вероятности ошибки на бит необходимо воспользоваться
модифицированной передаточной функцией, получаемой из модифици¬
рованной ДС [9.4]:
Это соотношение означает, что имеется один путь весом 5, длиной 3,
отличающийся на один символ от нулевой последовательности; из двух
путей с весом 6 один имеет длину 4, а другой — 5, и оба отличаются на 2
символа от последовательности, состоящей из нулей. Для путей с весом
7 один имеет длину 5, два — 6 и один —7. Все эти пути соответствуют
входной последовательности с тремя единицами.
Из (9.21) с учетом (9.23) можно записать выражение для вероятно¬
сти ошибки на бит:
Важно отметить, что применение декодера Витерби позволяет даже
при коротких длинах рекуррентных кодов к эффективно осуществлять
декорреляцию символов путем выбора достаточно длинной памяти деко¬
дера 5 , поскольку к и 5 можно сделать независимыми. Это значительно
выгоднее, чем при использовании блочных кодов, для которых увеличе¬
ние интервала разнесения требует существенного усложнения аппара¬
туры.
Таким образом, при достаточном разнесении символов на интервал
больше длительности помехи применение декодера Витерби дает суще¬
ственный выигрыш в помехоустойчивости, являясь также эффективной
мерой улучшения энергетики системы связи.
Зависимость помехоустойчивости сверточных кодов с к = 7 при ко¬
герентном приеме и мягком декодировании для различных значений
скорости передачи К приведены на рис. 9.9 и 9.10.
Т(Д1,Т) = В*ВТ. / [1 -1)1(1 + В)Т\ =
= О5 ВТ +1>614 (1 + ЦТ1 + И1 В {1 + Ь)2Тл+...+
+05+кВ+к(1 + Ь)кТ1+к...
(9.23)
(9.24)
446
Рис. 9.9
Из анализа этих кривых, например, следует, что для обеспечения
вероятности на бит 10_6 отношение сигнал /шум составляет от 4,2 до
5,7 дБ, в зависимости от скорости передачи. Таким образом, может быть
обеспечен энергетический выигрыш, в частности, по сравнению с неко-
дированной передачей ФМ сигналов, порядка 5—6 дБ. При этом, с рос¬
том к на единицу, выигрыш от кодирования увеличивается на 0,5 дБ.
Аналогичный характер имеет зависимость вероятности ошибки от от¬
ношения сигнал/шум при изменении длины кодового ограничения и
различных значениях К.
Аналогичные зависимости наблюдаются и в каналах с пакетами
ошибок при разнесении символов на величину, большую ширины функ¬
ции автокорреляции помехи.
Таким образом, алгоритм Витерби с мягким решением обеспечивает
значительный выигрыш по помехоустойчивости в различных каналах
связи, при условии правильного подбора параметров кодера, декодера и
устройства разнесения (перемежения) символов.
447
Рис. 9.10
В заключение упомянем о влиянии рассмотренных эффективных ме¬
тодов кодирования-декодирования на помехозащищенность сложных сиг¬
налов в условиях внешних помех, рассмотренную в главе 8. Как показано
выше, применение га-кратного повторения с разнесением элементов сим¬
вола по частоте при сигналах типа ПМЧ-ПСП является весьма эффектив¬
ным средством защиты от распределенных по спектру, или многочастот¬
ных, а также и импульсных помех, попадающих в часть полосы сигнала.
Эти результаты, следующие из рис. 8.15, 8.16 для случая мажоритарного
декодирования, могут быть улучшены путем применения методов и алго¬
ритмов последетекторной цифровой обработки, рассмотренных выше.
В частности, один из путей заключается не только в регистрации
знака элемента в решающем устройстве приемника, но и оценке сум¬
марного уровня сигнала и помехи по признаку превышения некоторо¬
го порога в течение нескольких временных позиций (преобразованных
из частотных при ВКО). Как показывают достаточно сложные расчеты,
подобная коррекция чисто мажоритарного правила, т. е. использование
448
мягкого решения, приводит, в зависимости от отношения сигнал/по¬
меха и величины выбранного порога, к исправлению значительной час¬
ти двойных и тройных ошибок, т. е. снижению Р0 и соответствующему
уменьшению (на 2—3 дб) проигрыша относительно ФМ-Г1СП.
Еще более высокие результаты для обоих типов сигналов получа¬
ются при применении эффективных способов кодирования, упомяну¬
тых выше. В частности, в [4.9] приводятся результаты, относящиеся к
многочастотной помехе и использованию сверточных кодов (СК) с ал¬
горитмом декодирования Витерби (штрих-пунктир), в предположении
повторения и случайного перемежения символов тех и других сигналов.
Применительно к ФМ-ПСП в качестве примера выбран код с К = 1/2,
4 = 10, V = 6, близкие значения получаются и при других кодах, в том
числе длинных блоковых и каскадных. Там же для Г1МЧ с ортогональ¬
ными символами сообщения выбраны т — 2 и 8, V - 6 и К = 1 /2. При
этом в случае СК имеет место существенное повышение защищенности
от наихудшей многочастотной помехи в части полосы, по сравнению с
простым повторением, и еще более заметное улучшение характеристик
по отношению к отсутствию кодирования и повторения (п = 1) — по¬
рядка 10—12 дб и свыше 30 дб, соответственно, для Ри = 10-5. Соответ¬
ственно, разница в помехозащищенности между ФМ и ПМЧ сигналами
снижается до 5—7 дб [4.9].
Применительно к воздействию импульсной помехи на рис. 8.16 по¬
казаны сплошные зависимости для ФМ-ПСП и произвольного кода с
расстоянием 4 = п (несколько лучшие, чем при простом разнесении),
близкие к кривым для непрерывной помехи при 4 > 6. Но значительное
повышение защищенности от импульсных, как и от гармонических, по¬
мех достигается путем использования СК с декодированием по Витерби
и также случайным перемежением. Оно эффективно в случаях макси¬
мизации Р0 из-за оптимизации скважности ИП, либо соотношения полос
помехи и сигнала при ПМЧ (когда «скважность» по полосе преобразу¬
ется после ВКО в скважность по времени).
Как показано в [4.9], разница в воздействии гармонической и им¬
пульсной помех при СК с мягким и жестким декодированием, разны¬
ми значениями кодового расстояния и ограничения V невелика (доли и
единицы дб). В то же время, по сравнению с отсутствием кодирования
и разнесения выигрыш составляет десятки дб. При этом относительное
различие ПМЧ и ФМ также уменьшается. На рис. 8.16 графики помехо¬
защищенности при СК обозначены штрих-пунктирными линиями, т. е.
улучшение по сравнению с некодированными сигналами достигает 30 и
более дб, а потери ПМЧ относительно ФМ находятся в пределах 6 дб.
449
ГЛАВА 10. КОРРЕКТИРУЮЩИЕ КОДЫ
В КАНАЛАХ С ПАКЕТАМИ ОШИБОК
Особенности применения корректирующих кодов в каналах с па¬
кетами ошибок можно рассмотреть на примере некоторой модели дис¬
кретного канала связи. При такой модели канал находится в двух со¬
стояниях: В — с вероятностью ошибкирви С — с вероятностью ошиб¬
ки рс. Вероятность перехода из одного состояния в другое достаточно
мала, вследствие чего состояния изменяются сравнительно редко. Кроме
того, будем полагать, что рв » ра и в каждом из состояний канал может
быть описан как ДСК (двоичный симметричный канал). Пропускную
способность такого канала определяют из соотношения
С = + РгСс-
где р,, р2 — вероятности состояний В и С, Св, Сс — пропускные способ¬
ности для ДСК в состояниях В и С.
Если бы состояния канала были известны в любой момент времени
на приемной и передающих сторонах, то можно было бы для каждого из
них подобрать свой корректирующий код, приспособленный к данному
значению вероятности ошибки. Для этого в радиолинии должна обеспе¬
чиваться жесткая и надежная обратная связь для передачи информации
о состоянии с приемного конца на передающий и соответствующая пе¬
рестройка кодера и декодера. Однако реализация такой системы весьма
сложна и здесь рассматриваться не будет.
Применение же кода, рассчитанного на средний постоянный канал
со средней вероятностью ошибки рср = рхрв + р2ра крайне невыгодно.
Так, если применить код, позволяющий исправлять ^ошибок в кодовом
слове, то при нахождении канала в состоянии В код будет не в состоянии
эффективно работать, т. к.рв -С рСР. При нахождении канала в состоянии
С исправляющая способность кода будет чересчур велика, т. к. ра < рср
и код для этого состояния будет иметь чрезмерную избыточность.
В принципе можно было бы применить код, рассчитанный на худшее
состояние В. В этом случае ошибки были бы скорректированы, но ценой
очень большой избыточности, которая по существу сведется к пропу¬
скной способности только одного состояния Св, вероятность которого
сравнительно невелика.
Может быть предложен и еще один вариант. Так, если применить
очень длинный код, блоковая длина которого значительно больше, чем
длительность состояния В и состояния С, то в этом случае все ошибки
450
будут исправлены. Однако, этот путь имеет два существенных недостат¬
ка: во-первых, длина кода должна быть весьма большой (несколько ты¬
сяч разрядов), что серьезно усложнит реализацию кодеров и декодеров и,
во-вторых, такой код, по существу, рассчитывается на среднюю вероят¬
ность ошибки и вследствие этого не реализует пропускную способность
канала с памятью, которая, как известно, всегда больше пропускной спо¬
собности ДСК при одинаковой средней вероятности ошибки.
Другой метод состоит в использовании кодов, корректирующих па¬
кеты ошибок. Такие коды исправляют не все ошибки кратностью С, а
лишь ошибки, которые представляют собой пакет длины I. При этом ве¬
личина I может быть существенно больше, чем число независимых оши¬
бок, которые код мог бы исправить при одной и той же избыточности.
Однако для того, чтобы работать эффективно, такой код должен иметь
длину, в несколько раз превышающую среднюю длину пакета. Поэтому,
могут потребоваться коды очень большой длины. Несмотря на эту труд¬
ность, в настоящее время известны некоторые сверточные коды, которые
позволяют осуществить достаточно простыми средствами операцию де¬
кодирования. Эти коды и методы декодирования будут описаны ниже.
Одним из возможных решений проблемы является применение кас¬
кадного кодирования. В этих случаях символами кода последующей сту¬
пени являются кодовые слова предыдущей ступени. При использовании
двухступенчатых каскадных кодов сообщение разбивается на подблоки
длиной к символов, число которых равно 2К . Внешний код использует
эти подблоки как символы поля Галуа СР{2К) и является недвоичным
(Ы, К)-кодом. Внутренний код используется для построения блоков дли¬
ной п с помощью двоичного (п, &)-кода. Полный кодовый блок каскадного
кода имеет общее число Л/„ двоичных символов, из которых Кк символов
являются информационными. С помощью этих кодов можно получить
хорошие результаты в каналах с памятью для кодов реальной длины, т.к.
во время замираний пакет ошибок в канале захватывает сравнительно
небольшое число недвоичных символов, и они могут эффективно кор¬
ректироваться внешней ступенью. Однако каскадное кодирование яв¬
ляется достаточно сложным, что обусловлено использованием д-ичных
кодов. Кроме того, каскадные коды довольно чувствительны к измене¬
ниям параметров канала связи и при их отклонении от тех значений,
на которые рассчитан каскадный код, эффективность его существенно
снижается.
Наиболее интересным для каналов с пакетами ошибок является ко¬
дирование с разнесением символов кодовых слов во времени, или, как
его иногда называют, кодирование с декорреляцией ошибок. При этом
451
методе передачи сообщение кодируется обычным образом, например с
помощью систематического блокового (п, А?)-кода, причем длина и кор¬
ректирующая способность такого кода выбираются, исходя из условий
получения требуемой достоверности в ДСК с вероятностью ошибки рс?.
Однако символы кодовых слов передаются в канал связи не последова¬
тельно один за другим, а со значительными промежутками времени ме¬
жду ними (перемежением), превышающими интервал корреляции оши¬
бок: например, вначале передаются первые символы всех кодовых слов
сообщения, затем вторые символы и т. д.
В приемном устройстве перед декодированием символы расставля¬
ются на свои первоначальные места и, в результате, возникающие в ка¬
нале пачки ошибок будут поражать только отдельные символы кодовых
слов, которые могут быть исправлены корректирующим кодом. Таким
образом, при декорреляции во времени общее число ошибок символов
не изменяется, но происходит такое их перераспределение, при кото¬
ром увеличивается число кодовых слов, искаженных ошибками малой
кратности, исправляемыми кодом, и уменьшается количество кодовых
слов с многократными ошибками. Это позволяет значительно повысить
достоверность передачи при использовании кодов сравнительно неболь¬
шой длины.
Эффективность декорреляции ошибок при помехоустойчивом ко¬
дировании может быть оценена в виде отношения длин кодовых комби¬
наций при одной и той же вероятности ошибок для канала с пакетами
ошибок и декоррелированного канала.
В качестве простейшей иллюстрации эффекта декорреляции оши¬
бок рассмотрим бинарный стирающий канал, описываемый марков¬
ским процессом. Средняя вероятность стирания р0 представляет со¬
бой вероятность того, что канал находится в состоянии стирания 5,,
а величина 1 - РЕ является вероятностью того, что канал находится
в нестертом состоянии б’0. Для каждого состояния существует веро¬
ятность рх(Е) того, что произойдет стирание в следующем состоянии.
Тогда, если обозначить их разность как Ру (Е) — р5 = 5 > 0,, то при рас¬
смотрении частоты стираний Ев блоке как случайной величины, рав¬
ной числу стираний в п испытаниях, отнесенной к п, дисперсия вели¬
чин Е, будет
й(Р) - 1(Р( 1 - р) / п]\( 1 + 6) / (1 - 8)1. (Ю.1)
Таким образом, дисперсия в (1 + 5) / (1 — 8) раз больше соответст¬
вующей дисперсии в случае возникновения некоррелированных сти¬
раний.
452
Приведенное соотношение можно трактовать следующим образом:
если для обеспечения требуемой достоверности при передаче информа¬
ции корректирующими кодами в каналах с коррелированными ошиб¬
ками требуются блоки длиной в [(1 + 5) / (1 — 5)]гг символов, то для дос¬
тижения той же достоверности в каналах с независимыми ошибками
потребуются блоки длиной, лишь п символов. Таким образом, при осу¬
ществлении полной декорреляции ошибок, т. е. превращении канала с
коррелированными ошибками в канал с независимыми ошибками, при
их одной и той же средней вероятности, можно сократить длину блока в
[(1 -с 5) / (1 - 8)]я раз. Если, например, величина 6 = 0,9—0,99, то при осу¬
ществлении полной декорреляции длина блока может быть взята при¬
мерно в 20—200 раз короче, чем в случае, когда декорреляция не произ¬
водится.
Практически, при осуществлении разнесения символов на 8 элемен¬
тов, корреляционные связи полностью не разрушаются, поэтому вели¬
чина 8 должна быть заменена на величину 8Л . Соответственно, длина
блока при проведении операции декорреляции может быть уменьшена
в (1ч-8д)/(1 —8Д) раз. Естественно, что в реальных каналах связи воз¬
никают ситуации намного сложнее; чем в приведенном примере. Однако
качественный характер результатов будет справедлив для любого изме¬
няющегося во времени канала.
Таким образом, при использовании корректирующих кодов и декор¬
реляции ошибок в каналах с пакетами ошибок можно при заданных ско¬
рости передачи и пропускной способности канала добиться такой же
надежности связи, что и в каналах с независимыми ошибками, ценой
некоторого увеличения длины кода и сложности аппаратуры, за счет
введения устройств разнесения и расстановки символов.
10.1. БЛОЧНЫЕ КОДЫ С РАЗНЕСЕНИЕМ СИМВОЛОВ
В КАНАЛАХ С ПАКЕТАМИ ОШИБОК
Рассмотрим потенциальные возможности блочных кодов при про¬
ведении операции декорреляции в классическом канале с пакетами, т. е.
в таком канале, в котором искажения появляются лишь в пакетах, а в
интервалах отсутствуют.
Приведем два известных положения из теории кодирования, кото¬
рые запишем в виде следующих свойств:
Свойство 1. В любом (п, ^-блоковом коде может быть скорректиро¬
вано не более чем (п - к) / 2 ошибок.
Свойство 2. В любом (п, ^-блоковом коде может быть исправлено не
более чем (п - к) стираний.
453
Пусть в канале возникают пакеты ошибок (или стираний) длиной
В0 и два соседних пакета разделены интервалом длиной С0, в котором
искажения отсутствуют. Можно показать, что в системе передачи ин¬
формации с разнесением символов на интервал Д и при использова¬
нии (п, к)-блоковых кодов можно корректировать пакеты ошибок дли¬
ной В0< А / 2(п — к), разделенных интервалом длиной С0 = (А / 2){п + к),
если скорость передачи К <(С0 - В0)/(С0 + В0).
В такой же системе могут исправляться пакеты стираний длиной
ВК < А(п — к), разделенные интервалом длиной С0 = А / 2к, если скорость
.передачи информации Вс < Сс / (Сс + Яс).
Приведенные положения переформулируем в виде следующих двух
соотношений:
Отсюда устанавливаются предельные отношения длин пакета и
интервала при различных скоростях передачи информации. Так, при
К= 1 /2 получим Б0/С0< 1 /3. Следовательно, в каналах связи с паке¬
тами можно достигнуть удовлетворительных результатов при скорости
передачи К «1/2.
Приведенные предельно допустимые границы для кодов с декорре¬
ляцией ошибок получены для классического канала с пакетами. Для
реальных каналов связи, в которых ошибки появляются и в интервалах,
приведенные соображения также будут справедливы, требуется лишь
более точный расчет кода в соответствии с характером каналов. Это под¬
тверждается экспериментальными исследованиями.
Рассмотрим основные классы блоковых кодов, допускающих про¬
стую реализацию при высокой эффективности в каналах с декоррели-
рованными ошибками.
Одним из наиболее интересных видов блоковых кодов являются
циклические коды Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ-коды). Важней¬
шее свойство БЧХ-кодов состоит в том, что для любого заданного числа
ошибок I можно построить коды с помощью сравнительно простого ал¬
горитма. При этом в каналах с пакетами ошибок можно достичь хороших
результатов при приемлемой сложности оборудования, если использо¬
вать эти коды с разнесением символов.
При выборе кодов БЧХ для каналов связи с замираниями основны¬
ми характеристиками являются параметры кода (п, к, () и временной
интервал декорреляции А. Для кода БЧХ (15.5.3), имеющего /2=1/3
В0/С0<(1-К)/(1 + К).
Вс/Сс<(\-К)/К.
(10.2)
(10.3)
454
Входные символы и параллельном коде
Рис. 10.1
и описываемого проверочным полиномом Н(х) = 1 + х2 + х4 + х5, кодер с
разнесением символов на А = 64 приведен на рис. 10.1, где А обозначает
задержку на 64 бита.
Рассмотрим влияние на надежность связи интервала декорреляции
при одних и тех же параметрах канала, а также влияние характеристик
кода при разных параметрах канала и одинаковой величине интервала
декорреляции.
На рис. 10.2 показано изменение вероятности ошибки кодового сло¬
ва длиной 31 символ в зависимости от интервала корреляции и Я. Из
этого рисунка видно, что, во-первых, введение декорреляции сущест¬
венным образом повышает надежность связи и, во-вторых, вероятность
ошибки заметно снижается с уменьшением К, при постоянном интер¬
вале разнесения А. Кроме того, вероятность ошибки имеет тенденцию
к уменьшению с увеличением интервала декорреляции до тех пор, пока
не наступает насыщение.
Для рассматриваемого канала связи величина А приближается к на¬
сыщению при разносе порядка 1000 символов. В этом случае вероятность
ошибки в слове снижается на два-три порядка. Следует отметить, что БЧХ
коды чувствительны к изменению структуры пакетов ошибок для малых
и средних значений длительности интервалов декорреляции, однако этот
недостаток легко устранить, увеличив длительность интервала.
Хорошие результаты могут быть получены и при использовании
кода Голея (23, И, 3) с разнесением символов. Так, известны резуль¬
таты с модифицированным кодом Голея, полученные путем введения
во все кодовые слова дополнительной проверки на четность. Символы
кода Голея разносятся на некоторый интервал А, т. е. по сущест¬
ву формируется код с генераторным полиномом не Сф), а С(Г>Л). В
455
этом случае код способен исправлять
пачки ошибок длиной ВЛ>АЬ, где
/;>(3</-8)/4 — длина пакета оши¬
бок, корректируемого кодом Голея без
разнесения. Оценка характеристик
кода осуществлялась при помощи ко¬
эффициента улучшения Р, равного от¬
ношению количества ошибок симво¬
лов до декодера к количеству ошибок
после декодера, умноженному на ско¬
рость кода. Зависимость коэффици¬
ента улучшения от задержки т , кото¬
рая определяется как отношение 2/гД
к скорости передачи символов, пока¬
зывает, что коэффициент улучшения
достигает 100 и имеет тенденцию к
насыщению при увеличении т.
Еще один интересный метод, ис¬
пользующий блоковые коды с разне¬
сением, предложен Тонгом [10.1]. Этот
метод назван кодированием с локали¬
зацией и исправлением пакетов оши¬
бок.
Рассмотрим {п, к) — линейный систематический код с К = 2/3. Обо¬
значим первый сегмент г-го кодового слова из к/2 информационных
символов через /•, а сегмент из остальных к/2 информационных сим¬
волов через Ц. Проверочные символы кодового слова обозначим как Р,
(их число также равно к/2).
Обозначим (2; как (2 = +^/_1 + ^,2-2> где суммирование осуществ¬
ляется по то<1 2.
Закодированное сообщение состоит из последовательности сегмен¬
тов по к/2 символов в каждом и имеет вид Ц,Г^,00,...,11,Р^0^ •
Процесс формирования кода Тонга пояснен на рис. 10.3:
Декодер такого кода работает в двух режимах: коррекции независи¬
мых ошибок локализации и исправления пакетов. Принцип его работы
в процессе коррекции показан на рис. 10.4.
Пусть код С имеет хэммингово расстояние с1 и декодер может кор¬
ректировать до I ошибок в блоке, где I < [(<^ — 1) / 2].
Рассмотрим случай, когда на декодер поступил 0-й блок. Так как
Оо == Ро, последовательность сегментов А)>^о*Оо образует кодовую ком-
Рис. 10.2
456
Рис. 10.4
бинацию кода С. Если декодер определил, что в принятом блоке имеется
I или менее ошибок, то он переходит в режим коррекции независимых
ошибок. В случае, когда эта коррекция осуществляется, Ц можно вы¬
честь из а Ц из ()., при помощи некоторой обратной связи. Если де¬
кодирование в таком режиме происходит без сбоев, то при поступлении
каждого следующего блока процесс начинается заново. В таком режи¬
ме декодер работает как обычный декодер линейного систематического
кода. Пусть теперь в первом блоке декодер обнаруживает последователь¬
ность ошибок кратностью более С. Тогда он переходит в режим локализа¬
ции и исправления пакетов, для чего блокируется цепь обратной связи
для информационных символов и декодер производит оценку 1\ и Ц
только после поступления второго и третьего блоков. Такой режим ра¬
боты показан на рис. 10.5.
Если декодирование выбранного блока осуществляется правильно,
то р2 вычисляется по 1\ и /| и вычитается из 0,2. Если положить, что ну¬
левой блок был декодирован правильно, то можно также вычесть Ц из
(22 и таким образом определить первые к/2 информационных символа.
457
Рис. 10.5
Предположим, что третий блок также принят без ошибок. Тогда по 1} и
Ц, можно вычислитьр3, который вместе с /] вычитается из (23, а Ц со¬
ответственно заменит вторые к/2 информационных символа в первом
блоке, забракованных при вынесении первоначального решения. Сле¬
довательно, // и Ц будут определены без ошибок тогда, когда второй и
третий блоки не содержат ошибок.
Таким образом, последовательность ошибок, которая обнаружива¬
ется при помощи кода С, корректируется декодером только тогда, когда
следующие два блока приняты без ошибок. Пусть теперь (2, определя¬
ется как
0,1 — Р> "I- Ц-& + ^?_2Л >
т. е. код разнесен на величину А. В режиме локализации и коррекции
пакетов декодер выделяет// и Ц из (г + 2Д)-го и (г + 2Д)-го блоков, соот¬
ветственно. В результате разнесения образуется Д отдельных кодов опи¬
санного выше типа и, если пакет ошибок поражает Д или менее блоков,
то только один блок в каждом таком коде будет искажен. Следовательно,
пакет, поражающий Д последовательных блоков, будет исправлен, если
ни в одном из этих Д блоков не имеются необнаруженные ошибки и если
следующие 2Д блоков не имеют искажений. Последнее условие не яв¬
ляется обязательным, так как многие искаженные последовательности
содержат блоки с I или менее ошибками. Если это действительно гак,
например, для к-го блока, то {к +Д)-й и (к + 2Д)-й блоки не обязательно
должны быть безошибочными.
Коды этого блока обозначаются как (п, к, й, Д), где Д — интервал раз¬
несения. Приближенно можно сказать, что с помощью (гг, к, </, Д )-кодов
исправляются либо I независимых ошибок в последовательности длины
458
п, либо пакеты ошибок длины до п Д при наличии защитного промежут¬
ка длиной п2Д / (п — к).
Сравнение этого метода и кода Голея показывает более высокую эф¬
фективность кода с локализацией и исправлением ошибок. Недостаток
рассмотренного кода заключается в том, что общая вероятность ошибки
декодирования ограничена снизу вероятностью неправильного выбо¬
ра алгоритма декодирования. Кроме того, при данном методе возникает
размножение ошибок, если пакет ошибок превышает длину, на которую
рассчитан код.
10.2. СПЕЦИАЛЬНЫЕ КЛАССЫ РЕКУРРЕНТНЫХ КОДОВ
Существуют рекуррентные коды, исправляющие как случайные
ошибки, так и пакеты ошибок. В данном разделе рассмотрим только спе¬
циальные классы таких кодов, предназначенные для каналов с пакетами
ошибок, в первую очередь рекуррентные коды с разнесением символов,
диффузные коды и адаптивные коды Галлагера.
Рекуррентные коды с разнесением символов формируются на ос¬
нове генераторного полинома базисного рекуррентного кода С{П) пу¬
тем замены I) на . Так, например, код с К= 1/2 и пЕ= 11, способ¬
ный корректировать двойные ошибки, имеет генераторный полином
вида С(1)) = 1 + П6 +ЭА + Б5. Соответствующий ему генераторный код
с разнесением символов на интервал Д описывается полиномом вида
С(Х)Л) = 1 + Т>за + + 1)5д .
Такой код способен корректировать не только двойные ошибки,
но и пакеты ошибок не более 2 Д. При этом интервал между пакетами
должен иметь длину не менее В = 10 Д. По существу, рекуррентный код
формируется с помощью обычного регистра сдвига с отводами, соот¬
ветствующими отводам базисного кода, но расстояние между отвода¬
ми увеличивается в Д раз. Аналогичным образом строится и декодер
такого кода.
Более эффективным для каналов связи с пакетами ошибок являет¬
ся диффузный код [10.2]. Рассмотрим методы построения кодеров для
таких кодов, выбрав в качестве примера простейший диффузный код
Мэсси [10.3] со скоростью К= 1 /2. Этот код способен направлять все
пакеты ошибок длиной 2 Д при наличии интервала между ними длиной
не менее (6 Д + 2).
При формировании кода Мэсси применяется сдвигающий регистр
(3 Д + 2)-го разряда. Информационные символы вводятся в сдвигающий
регистр, а проверочные формируются путем суммирования по тоЗ 2
459
Рис. 10.7
Рис. 10.8
символов с выхода 4-х разрядов, как показано на рис. 10.6. Обозначим
эти проверочные символы как рзд...2.
Тогда Рзд.,.2 = Ц + *Л+2 + *2д-г2 + Ьд+2 > гДе — информационные симво¬
лы в некотором ]-м элементе регистра сдвига.
Функциональная схема декодера Мэсси показана на рис. 10.8.
В этом декодере имеется схема, аналогичная кодеру, в которую по¬
ступают принятые информационные символы /'. На один из входов
сумматора по шос12 поступают принятые проверочные символы, а также
информационные символы с соответствующих отводов регистра сдвига.
На выходе сумматора формируется синдром или исправляющий вектор
*?ЗД+2 = *1 + *Л+2 + *2Л+2 + *ЗД+2 •
Синдром запоминается в сдвигающем регистре, называемом реги¬
стром синдрома (РС). Если ошибки в канале для некоторых символов
г[, и р[ определить как г'к = ц + /,', р[ = рк + 1Ц, то после подстановки в
выражение для синдрома получим 5зд+2 =/,' + /д+2 + ^д+2 +^зд+2 + Ч*+2>
460
где /',//" называются шумовыми информационными и проверочными
символами.
Это соотношение показывает, что значение синдрома зависит толь¬
ко от ошибок в информационных и проверочных символах и не зависит
от фактических значений этих символов. В момент времени, соответст¬
вующий рис. 10.8, декодер принимает решение относительно правиль¬
ности первого принятого символа. Решение принимается следующим
образом.
На основании полученных синдромов вычисляются проверки:
А = А = Ч + /,р. А = А+2 = Ц + /I, + II,,
А = Ад-М + Ад+1 = ^1 +/,2Л -1 + А • I + А- Г-
А = Ад+2 = Ч + А-2 + А~2 + А .-2 + А . 2’
Следует заметить, что член /,' имеется в каждом из 4-х уравненй, то¬
гда как остальные члены появляются только один раз. Такие уравнения
называют ортогональными по/{. Рекуррентные коды, допускающие об¬
разование подобных проверок, называются ортогональными. Свойство
ортогональности допускает решение уравнений относительно Ц при на¬
личии не более 2-х ошибок. В общем случае число исправляемых ошибок
определяется как [//2], где^ — число ортогональных проверок, а скобки
обозначают целую часть выражения.
./
Таким образом, если > 2 , то принимается решение об исправ-
г 1
лении ошибочного символа (в данном случае Ц ). Это исправление про¬
изводится в сумматоре по тоб 2, включенном на выходе регистра, путем
формирования символа/на выходе порогового элемента, вычисляющего
приведенную сумму. При наличии более 2-х ошибок результат процесса
декодирования зависит от специфики ошибок.
Если на выходе порогового элемента генерируется велечина I, озна¬
чающая, что должен быть исправлен информационный символ, то изме¬
няются не только г[ , но и значения Ал^Ал.рА.! »так как в эти синдро¬
мы входит В этом случае устраняется влияние ошибочного символа на
дальнейшую работу декодера.
Пусть теперь на вход декодера поступает пакет ошибок длиной не
более 2 Д бит. Приведенные выше уравнения показывают, что в такой
ситуации в любой момент времени на отводах сдвигающего регистра
присутствует не более 2-х ошибок, которые в декодере исправляются.
461
Таким образом, при диффузном кодировании, если за каждым пакетом
длиной не более 2 Д бит следует интервал длиной менее 6 Д + 2 бит, то
коррекция пакетов ошибок выполняется гарантированно.
Следовательно, отношение длины интервала к длине пакета при
диффузном кодировании должно быть равно 3, в то время как при при¬
менении кодов с разнесением, аналогичных по своим параметрам, это
отношение может увеличиться до 5. Более того, диффузный код коррек¬
тирует не только пакеты ошибок, но и случайные ошибки. Если пакет
ошибок оказывается меньше 2 Д бит, то в интервале допускается появ¬
ление случайных ошибок.
В работах Тонга [10.3] предложены методы построения диффузных
кодов, которые могут корректировать ( случайных ошибок в защитном
интервале и пакеты длиной менее 2 Д при условии, что кодовое ограни¬
чение пл = 4Д + кл, где к — некоторая постоянная.
Диффузные коды подверглись интенсивному изучению на практи¬
ческих радиолиниях. Известны результаты таких исследований, прове¬
денных в США [10.4], Италии [10.5], Югославии [10.6].
По результатам этих испытаний, а также данного анализа, можно
сделать следующие выводы:
1. Диффузные коды с пороговым декодированием являются одним
из наиболее эффективных средств исправления ошибок на линиях ра¬
диосвязи с пакетами ошибок.
2. Целесообразней осуществлять передачу информационных и про¬
верочных символов или на разных частотах, или с максимальным разне¬
сением во времени (например, передавать вначале все информационные,
а затем все проверочные символы).
3. Применение диффузных кодов при К= 1/2 позволяет уменьшить
вероятность ошибки на один-два порядка при приемлемых факторах
диффузии ( А = 100—500), по сравнению с системами передачи инфор¬
мации без кодирования и разнесения символов.
Сравнительные испытания различных систем связи с пакетами оши¬
бок, результаты которых описаны в [10.5—10.7], проводились при экви¬
валентной информационной скорости.
Кроме того,'для оценки энергетического выигрыша системы с диф¬
фузным кодированием по сравнению с отсутствием помехоустойчивого
кодирования снижалась мощность передатчика до тех пор, пока не дос¬
тигалась одна и та же вероятность ошибок. Одинаковые результаты при
этом получались при снижении мощности до 18 дБ. Хотя этот результат
имеет частный характер, можно считать, что порядок выигрыша по мощ¬
ности сохранится для многих каналов связи с пакетами ошибок.
462
I
Вы хул
:-ь
Рис. 10.9
Еще одним эффективным методом для каналов связи с пакетами
ошибок является адаптивный код Галлагера [10.8]. Этот код со скоро¬
стью К = 1/2 формируется с использованием сдвигающего регистра дли¬
ной (.г + А + к) символов с отводами, расположенными группой с левой
стороны (в соответствии с одним из рекуррентных кодов, корректирую¬
щим случайные ошибки) и одним отводом, отнесенным на (х + Д + к)
символов в правую сторону (рис. 10.9). При четырех отводах с левой сто¬
роны можно получить код Мэсси, исправляющий двойные ошибки. При
добавлении 5-го отвода получается код, который не только исправляет
двойные ошибки, но и обнаруживает все тройные ошибки и часть оши¬
бок более высокого порядка.
На рис. 10.10 приведена функциональная схема декодера Галлагера.
Он работает в двух режимах: коррекции пачек ошибок (ПО) и исправле¬
ния случайных ошибок (СО). Если = 1, то выполняется режим ПО
и работа продолжается в этом режиме до тех пор, пока ^ = 52 =... = 5у = 0,
после чего осуществляется переход в режим СО. Режим СО продолжает¬
ся, если количество единиц в 51 равно 0,1 или 2 (в этом случае коррекция
ошибок не осуществляется), либо если количество единиц в 5 равно 4,
5. При 5, равном трем единицам, осуществляется переход в режим кор¬
рекции ПО.
Если декодер способен исправлять ошибки при работе в режиме
СО, то проводится коррекция символа г'х на основе анализа синдро¬
мов . При правильной работе декодера в режиме СО будут
скорректированы все символы, вплоть до I,, и поэтому отвод декодера в
положение ц не будет влиять на синдромы.
Если декодер не может исправить, но может обнаружить СО, то он
переходит в режим исправления ПО, а информационные символы вбли¬
зи г стираются. Если длительность ПО не превышает 2А, то ПО прой¬
дет отводы с левой стороны сдвигающего регистра до вхождения деко-
463
V«Л ♦ 5 .V • Л
Рис. 10.10
дера в режим исправления ПО. При правильном приеме после ПО всех
последующих входных символов самый последний синдром не будет
равен нулю только в том случае, если сам г[ , исправлен. Поэтому при
наличии на входе декодера защитного интервала, примерно равного дли¬
не ПО (2 А), пакет ошибок будет исправлен. Исследования синдромов
в районе правого конца сдвигающего регистра позволяют определить
возможность прохождения ПО на выход декодера, поскольку при этом
все синдромы будут равны нулю. При достаточном количестве после¬
довательных нулевых синдромов декодер может снова перейти в режим
исправления СО.
Получение очень короткого и адаптивного интервала, примерно рав¬
ного фактической длине исправляемого ПО, является важнейшей харак¬
теристикой такого метода.
Однако декодер Галлагера исправляет не все ПО с малыми длитель¬
ностями. При некоторых видах ПО он не может их обнаружить, работая
в режиме СО, и не успевает перейти в режим коррекции Г10 до момента
прихода первых кодовых символов в положение гх, Поэтому данные сим¬
волы не будут скорректированы. При других типах ПО декодер может
слишком рано выйти из режима исправления ПО, что приводит к новым
ошибкам. Самым плохим случаем является возникновение ПО в защит-
464
ном интервале, в результате чего не только не будет исправлен ПО, но и
возникнут новые ошибки. Поэтому код Галлагера наиболее эффективен
для таких каналов, в которых наблюдается плотное группирование оши¬
бок, разделенных длинными безошибочными интервалами.
Таким образом, в настоящее время разработаны методы кодирова¬
ния, позволяющие существенным образом улучшить надежность пере¬
дачи информации. В зависимости от конкретных характеристик кана¬
ла связи, вида кодека лучшие результаты можно получить, выбирая со¬
ответствующий характеру распределения ошибок метод кодирования.
Однако практически во всех известных теоретических и эксперимен¬
тальных работах предпочтение отдается рекуррентным кодам, которые
обладают существенно большей эффективностью, чем блочные. Особен¬
но ярко эти достоинства проявляются в области больших вероятностей
ошибок, при применении некоторых эффективных методов, например
таких, как декодирование по Витерби.
10.4. КАСКАДНЫЕ СИСТЕМЫ КОДИРОВАНИЯ
В случае недостатка энергетики (особенно в спутниковых линиях
связи), при необходимости получать низкую вероятность ошибки, а так¬
же при возникновении пакетов ошибок в канале связи, необходимо при¬
менять более мощные коды. Однако при увеличении длины кода резко
возрастает сложность его декодирования. Поэтому на практике приме¬
няют каскадные коды, предложенные Форни [10.9].
Сущность этого подхода заключается в том, что кодирование осуще¬
ствляется в два этапа, т. е. с применением первого (или внешнего) кодера,
кодированные последовательности которого поступают на второй кодер
(внутренний код). То есть используется несколько кодовых составляю¬
щих, что позволяет существенным образом повысить эффективность ко¬
дирования по сравнению с обычными методами, которые базируются,
в основном, на увеличении длины кода и его корректирующей способ¬
ности. Использование каскадного кодирования, при высокой корректи¬
рующей способности и специфических свойствах внешнего и внутрен¬
него кодов, позволяет применять его для борьбы с различными видами
помех в канале связи.
В качестве внешнего кода наиболее часто используют недвоичные
(2*-ичные) коды) и, в частности, код Рида-Соломона (РС). Эти коды име¬
ют максимальное кодовое расстояние для заданных параметров — дли¬
ны и числа информационных символов кода. Так как в большинстве
случаев источник сообщений выдает двоичные символы, то перед ко-
465
дированием во внешнем коде сообщение разбиваются на отрезки дли-
ной к символов, которые являются исходными словами для кодера РС.
Затем последовательность из К д-ичных символов преобразуется в ко¬
довое слово РС-кода некоторой длины Д/'^-ичных символов, в процессе
кодирования кодером РС.
В качестве внутреннего кода применяются двоичные циклические
коды, ортогональные или биортогональные коды. Наиболее часто во
внутреннем кодере применяют сверточное кодирование, так как такие,
коды легко могут использовать при декодировании мягкий алгоритм
Витерби, что в еще большей степени снижает вероятность ошибки и,
тем самым, обеспечивает энергетический выигрыш от применения ко¬
дирования.
Следует заметить, что между внешним и внутренним кодером
можно поставить перемежитель (декоррелятор) символов, рассмот¬
ренный выше. Соответственно, обратную операцию необходимо осу¬
ществить на приемной стороне, включив соответствующее устройство
между внутренним и внешним декодерами. Эту операцию целесооб¬
разно применять, т. к. производительность каскадных схем несколько
ухудшается за счет коррелируемых ошибок в последовательных сим¬
волах. Кстати, поэтому и перемежение целесообразно выполнять на
уровне #-ичных символов, а не битов. При перемежении целесообраз¬
но осуществлять псевдослучайную перестановку символов внешнего
кода и, соответственно, восстановление исходного порядка на прием¬
ной стороне.
Рассмотрим общие параметры каскадных кодов, такие как их длина,
количество информационных символов, минимальное кодовое расстоя¬
ние и скорость передачи.
Пусть во внешнем кодере применен код Рида-Соломона. Его основ¬
ные параметры будут: длина кодового слова п{- 2т - 1, где т = 1, 2,...,
щ - 1; количество информационных символов в кодовом слове кх=п1- 21\
минимальное кодовое расстояние г/мин — пх-к-х + 1, кодовая скорость
Кр<: = к\/щ. При этом код РС гарантированно исправляет Г=0,5 (б/мим - 1)
ошибок в символах кодового слова.
При применении в качестве внутреннего кода сверточного кода по¬
ток двоичных символов с выхода кодера РС кодируется этим сверточ¬
ным кодом. В этом случае длина каскадного кода записывается в виде
гС = п{щ двоичных символов, количество информационных бит к’ = кх к0,
а скорость кода определяется как К' = к* / п\
Декодирование каскадного кода осуществляется в обратном по¬
рядке — поступающая из демодулятора последовательность декоди-
466
2
3
4
5
Е(/Ы„лЬ
Рис. 10.11
руется декодером внутреннего кода. Затем, если на передающей сто¬
роне был перемежитель символов, на приеме осуществляется обрат¬
ная операция. Полученная последовательность декодируется внешним
декодером.
Таким образом, несмотря на большую длину каскадного кода, рав¬
ную произведению длин обеих кодов, для декодирования используются
два декодера с относительно короткими длинами п, и п0 что позволяет
существенным образом уменьшить сложность реализации.
Приведем теперь оценки помехоустойчивости каскадных кодов
[10.10].
Их результаты относятся к когерентной ФМ при двоичном симмет¬
ричном канале с АБГШ. На рис. 10.11 приведены зависимости помехо¬
устойчивости каскадных кодов с внешним кодом РС с параметрами (255,
239) и внутренними сверточными кодами с к = 1 и К= 1 /2, 1 /3, 3/4,
7/8. Также, для сравнения, показаны кривые помехоустойчивости толь¬
ко при сверточных кодах с к — 1 и К= 1/2,3/4,7/8. Здесь декодирование
осуществлялось по мягкому алгоритму Витерби.
467
Из анализа графиков следует, что при относительно высоких скоро¬
стях для Рош =10 6 можно получить энергетический выигрыш от приме¬
нения кодирования порядка 7,5 дБ. С уменьшением скорости (К= 1/3)
помехоустойчивость уменьшается на 0,5 дБ. В дальнейшем увеличение
скорости до 3/4 и 7/8 приводит к снижению энергетического выигрыша
примерно на 1,2 и 1,5 дБ. При этом хорошо видно, что переход от сверточ¬
ного кодирования к каскадному увеличивает энергетический выигрыш
не менее чем на 3 дБ.
Таким образом, применение каскадного кодирования дает серьезные
преимущества по сравнению с одиночными кодами. Следует заметить,
что приведенные оценки не принимали во внимание возможное нали¬
чие пакетных ошибок в канале связи. Учет этих помех дает еще лучшие
результаты в пользу каскадного кодирования.
10.5. ТУРБОКОДЫ И ИХ ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Наиболее существенным достижением в теории и практике кодиро¬
вания в последние годы является изобретение и внедрение турбокодов,
с помощью которых можно вплотную приблизиться к границе Шенно¬
на. В ряде работ была продемонстрирована возможность приблизить¬
ся к граничному значению до 0,5 дБ, т. е. были найдены коды обеспе¬
чивающие вероятность ошибки порядка 10~5 при величине отношения
сигнал/шум, превышающей лишь на 0,5 дБ минимально необходимое
по Шеннону значение для заданной скорости передачи. Благодаря сво¬
им высоким характеристикам турбокоды стали применяться в системах
спутниковой связи.
Эти коды базируются на давно забытых идеях итеративных кодов
и многоразового декодирования, когда результаты предыдущих шагов
декодирования используются в последующих шагах. Причем повторное
декодирование может осуществляться многократно, т.к. на каждом шаге
устраняются ошибки, не исправленные ранее. Турбокоды представляют
хороший способ построения случайных кодов большой длины. Несмот¬
ря на это, декодирование их осуществляется сравнительно просто, т.к.
по существу происходит использование двух параллельно работающих
элементарных кодеров. При этом информационный блок также кодиру¬
ется дважды. Второй раз кодирование осуществляется после случай¬
ного перемежения символов, что одновременно позволяет эффективно
бороться с пакетами ошибок.
Турбокоды делятся на блочные и сверточные. Рассмотрим вначале
блочные турбокоды, которые в описании более просты.
468
Блочные турбо коды
В отличие от классических блочных, их следует отнести к случай¬
ным кодам, т. к. наличие в схеме перемежителя, работающего по прин¬
ципу псевдослучайной последовательности, делает их по существу слу¬
чайными. Даже если в кодере нет перемежителя, то передача символов
осуществляется почти случайным образом. Вначале в матрицу записы¬
вается информационная последовательность по строкам, а считывается
по столбцам. При достаточно большой длине кода такая процедура при¬
водит к декореляции символов. В этом смысле турбокоды приближают¬
ся к шенноновскому определению («достигнуть граничного значения по
энергетической эффективности можно, применяя случайный код при
достаточно большой длине кодового блока»). Блочные турбокоды об¬
разуются путем последовательного соединения двух и более блочных
кодеров. Покажем этот принцип действия на примере двумерного блоч¬
ного турбокода.
Двумерный блочный турбо код можно изобразить в виде прямоуголь¬
ника, который основан на двух систематических кодах. По горизонтали
прямоугольника строится С, = (//,, кх)~код, а по вертикали С2 = (п2,62)-код.
Общая длина кода равна п = (пхп2) символов, а общая информационная
емкость кода к = кхк2. Входной поток символов, поступающих на кодер,
построчно записываются в матрицу. Вначале кодируется к2 строк, а затем
пх столбцов. В результате этой операции получается кодированная мат¬
рица, включающая как информационные, так и проверочные символы.
Кроме того, матрица включает проверочные для проверочных символы
(рис. 10.12).
Блочные турбо коды могут формироваться как последовательным,
так и параллельным соединением двух и более блоковых кодов. Однако
эффективность последовательного соединения выше, поэтому для бло¬
ковых кодов будем рассматривать
только последовательное соедине¬
ние. Код из матрицы Сх(пх, кх) на¬
зывают внутренним (по аналогии
с каскадными кодами). Внешний
код представлен каждым столб¬
цом этой матрицы С2(п2, к2) и
представляет собой кодовое сло¬
во такого же или другого блочно¬
го кода.
Структурная схема блочного
турбокода при последовательном
Информационные символы
(я,, к{) код по строкам
(пг к2) код по столбцам
Символы
проверок
по строкам
Символы проверок но столбцам
Символы
проверок
проверочных
символов
Рис. 10.12
469
Матрица кода
Вход инф. символов
Внешний кодер
с,-(я,.*,)
V и
Внутренний кодер
С2-(пг к2)
Выход кодера
Рис. 10.13
соединении не отличается от схемы при каскадном кодировании. Вна¬
чале информационные символы кодируются внешним кодом. Затем за¬
писываются в матричную память по строкам, считываются по столб¬
цам и кодируются внешним кодом. Более сложное перемежение в этом
случае не дает какого-либо заметного повышения помехоустойчивости.
Символы проверок проверочных символов в некоторых турбокодах не
формируются и в канал не передаются (рис. 10.13). Скорость для таких
турбокодов равна произведению расстояний двух составляющих кодов
К = К1К2.
Наиболее часто для таких турбокодов применяют коды Хэмминга, в
том числе расширенные или укороченные. Порождающие полиномы для
кодов Хэмминга, применяемые в турбо кодах, будут следующие:
п
к
Порождающие многочлены Сф)
7
4
Б3 + Б + 1
15
И
Б* + Б + 1
31
26
Б3 + Б2 + 1
63
57
Б6 + Б + 1
127
120
Б7 + Б3 + 1
255
247
Б8 + Б + 1
470
При мягком декодировании с ростом отношения сигнал шум
асимптотический выигрыш от кодирования [10.91 можно оценить как
С = 101в(М„1|н),дБ.
Рассмотрим основные свойства лучших турбокодов произведения
(именно так называют подобные коды). В качестве примера рассмотрим
код, построенный на двух кодах Хэмминга (63, 57). Он имеет скорость
/? = 572 /632 =0,819 и минимальное кодовое расстояние </= 9. Выигрыш
от кодирования достигает С = 8,67 дБ. Если построить расширенные
коды Хэмминга, путем добавления символа проверки на четность, то код
(64,57) будет иметь несколько меньшую скорость К = 57* 64- =0.793 ,
но минимальное кодовое расстояние возрастет до д= 16. а асимптотиче¬
ский энергетический выигрыш увеличится до С= 11.03 дБ. Таким обра¬
зом, энергетический выигрыш повысится на 2.36 дБ. Для кода (128.120)
скорость будет К = 0,879 при кодовом расстоянии 16 и С= 11.48. что
еще примерно на 0,5 дБ выше.
Алгоритм декодера блочного кода на первой итерации практиче¬
ски не отличается от алгоритма каскадных кодов, за исключением того,
что декодер внутреннего кода формирует мягкие решения для декодера
внешнего кода, используя алгоритм максимума апостериорной вероят¬
ности. На второй итерации на вход декодера внутреннего кода поступа¬
ют мягкие решения, достоверности которых уточнены после первой ите¬
рации декодирования, как по строкам, так и по столбцам. Окончатель¬
ное решение о каждом информационном символе принимается после
заданного числа итераций внешним декодером. Таким образом, основное
отличие декодера турбокода от декодера каскадного кода заключается в
вычислении мягких решений для каждого декодированного символа на
всех итерациях декодирования, во внешнем и внутренних декодерах.
Рассмотрим более подробно алгоритм декодирования блоковых тур¬
бокодов. Основное достоинство декодера турбокода заключается в вы¬
числении мягких решений на всех итерациях. Такой метод декодирова¬
ния называется 5150 (5о&Тп 5о1х-ОШ;). Принцип формирования мягко¬
го выхода базируется на использовании логарифма отношения правдо¬
подобия (ЬЬК). Выходное ЫК декодера можно представить в виде:
= Ьс(х) +
где Цй?)— выходное ЫК декодера, Ье{с1) представляет внешнюю ин¬
формацию, вытекающую из процесса декодирования, 1(.(д) — значение
ЫК, получаемое до декодирования, Ь(с1) — априорное значение вероят¬
ности появление битов (полагаем его равновероятным и, следовательно,
Цс1) = 0).
471
к
столбцов
«2 " К
столбцов
кх строк
пх - кх строк
а
р„
р,.
Внешняя
горизонталь
I
гг
Внешняя
вертикаль
Рис. 10.14
Зто уравнение показывает, что выходное ЬЬК декодера можно пред¬
ставить состоящим из трех компонентов: канального измерения, априор¬
ного значения данных и внешнего ЬЬК, относящегося только к декодеру.
Для получения конечного Ь(<1) нужно просуммировать отдельные вкла¬
ды ЬЬК, т. к. все слагаемые статистически независимы. Выходное Ь{(1)
является вещественным числом. Знак Ь(с1) задает жесткое решение (при
положительном знакерешение +1, а при отрицательном знаке (1— -1).
Сама же величина Ь{с1) определяет надежность этого решения [10.11].
Представим блоковый турбокод, изображенный на рис. 10.12, в не¬
сколько ином виде.
Этот рисунок представляет массив данных (й) из кх строк и ^столб¬
цов. Биты, обозначенные п2—к2{ рн), являются проверочными по стро¬
кам, а биты п{—кх — проверочными по столбцам рг.. На рис. 10.14 блоки,
обозначенные как ЬеН,Ье1!, содержат значения внешних ЫК из горизон¬
тальных и вертикальных кодов. Теперь можно описать алгоритм [10.11],
дающий горизонтальные, вертикальные ЫК и окончательное решение
Ь(с1) .Этот итеративный алгоритм запишем в следующем виде:
1. Устанавливается априорное ЬЬК Ь(с1) = 0 (при априорном равен¬
стве битов).
2. Декодируется горизонтальный код и на базе записанного уравне¬
ния вычисляются горизонтальные ЬЬК Ь(,н(с1) = Ь(с1) - Ь(.(х) - Ь(с1).
472
3. Для этапа 4 вертикального декодирования устанавливается
Ц<п -- К,Х<1)-
4. Декодируется вертикальный код и на основе уравнения вычис¬
ляю гея вертикальные ЫК Ьт(с1)=-Ь(с1)~Ь1:(х)-Ь{(1).
5. Для этапа 2 горизонтального декодирования устанавливается
!(//) = !,,,(//) • Затем повторяются этапы 2—5.
6. После достаточного для получения надежного решения количе¬
ства итераций (т. е. повторения этапов 2—5) переходим к последнему
этапу 7.
7. Мягким решением на выходе будет:
Ц </) = 1,(.г) + ^(</) + 4„(й').
Знак Ь(с1) представляет собой результат декодирования симво¬
ла й.
Алгоритм декодирования покажем на примере простейшего дву¬
мерного блокового турбокода с одним символом проверки на четность
[10.10].
Запишем символы этого кода в виде таблицы:
о
II
“^3
1
II
сч
о
II
■хГ
II
"хГ
II
•ч
Р.м=1
Чэ
ч;
II
Проверочные символы формируются но правилу рц — • Таким
образом, последовательность символов па выходе кодера будет иметь
вид ^]^2^/^Р\2Р'мР\лРм = 1Ю01111. На выходе модулятора эту последо¬
вательность можно записать в виде +1+1-1-1+1+1+1+1. Пусть теперь под
действием помех на приемной стороне получим (х,), (л:^) = 0,75 0,05 0,10
0,15 1,25 1,0 3,0 0,5, где специально введены искажения в принятых сим¬
волах по отношению к переданным. Если сделать допущение [10.10], что
помеха имеет дисперсию, равную 1, то Ьс(хк) = 2хк. Тогда значения ло¬
гарифма функции правдоподобия на выходе демодулятора можно будет
записать в виде следующей таблицы:
!,(*,) = 1,5
АД*,) = 1,0
— 2,5
/...(*,) = 0,2
со
о
II
5
= 2,0 ...
1,.(*п) = 6,0
Т<*,л>=1.0
473
Для символа кода А значение ЬЬК можно представить в виде:
«4 ) = АДж,) +1(4 ) + {[А,, (ж,) + А(4 )] 0 АД .г,)). (10.4)
Так как декодирование ведется по строкам Ал (У) и столбцам Д,(^),
ЫК можно представить в виде:
А л(А) ~ [А(*г) ДА)] © А(*>г)
Аи(А) = [АС*з) + ДА)] © А(-*ЧЗ)
Ал (А ) = [А (*1) + ДА)] © А (*12 )
А» (А ) = [А (+1 ) ДА )] © А: (Л:24 )
Ал (А))=[А (-^4) ДА) 1 © А ("'-34)
АДА)= 1А(Л1) "I” ДА) I © А (-^1з)
Ал (А)== [А (*3) ДА)] © А (”*гз4)
Ач, (А)= [А (-^2) © А А)] © А (-^24 )•
Так как на первой итерации декодирования по строкам ДА) = 0
вследствие равновероятной передачи сигналов, а начальная установка
значений Д<Д = 0 , значение логарифма функции правдоподобия будет
иметь вид:
Ал (А ) = [0Д + 0] ©2,5 = -0,1 - новое значение ДА),
Ал (А ) = [1,5 + 0] О 2,5 = -1,5 — новое значение ДА),
Ал (А) = [0» ■3 + 0] © 2,0 = -0,.3 - новое значение ДА),
Ал (А ) = [0,2 + 0] О 2,0 = - 0,2 - новое значение ДА) •
Полученные новые значения будут использоваться при дальнейшем
декодировании по столбцам аналогичным образом:
АДА) = [0,2-0,3]О6,0 = 0,1 - новое значение ДА)
АДА) = [0.3-0,2]о1,0 = -0,1 - новое значение ДА)
АДА) = [1,5-0,1]О6,0 = -1,4 - новое значение ДА)
474
ЬпХ<Аа) = [0,1 -1,5]© 1,0 = 1,0 - новое значение ША)
Эти новые значения будут использоваться на следующей итерации
декодирования.
Результат проведенных расчетов первой полной итерации двух этапов
декодирования (горизонтального и вертикального) будет следующим.
На выходе декодера по строкам изначально имеем:
1г(ж,) = 1,5
иг,) = 0.1
М*з) = 0-2
ио=о.з
После декодирования по строкам:
/"-Ч
II
1
О
1-,Мг) = - -1.5
4л (4) ~ о> з
4* (</.,) = -0,2
После декодирования по столбцам:
^ >
II
о
клЬ=- 0.1
4,.(<4) = -М
4»(<4) = 1.0
Из этих таблиц видно, что уже после завершения первой итерации
по жестким решениям (знаки 4ДЙ0 ) можно получить правильный ре¬
зультат, хотя и с низкой достоверностью. Оценим, как будут меняться
результаты после второй итерации, для чего воспользуемся получен¬
ными табличными результатами при декодировании по строкам и по
столбцам. В результате получим следующие значения Ьек{д,{)\
4а(4) = [0.1-0,1]©2,5 = 0
4а(</2) = [1.5-0,1]©2,5 = -1,6
4Д) = [О,3-1,О]02,О = —1,3
4а (<4 ) = [0,2 -1,4] О 2,0 = 1,2
475
Воспользуемся полученными значениями для вычисления ):
А,„(й'1) = [0, 2-1,3]06,0 = 1,1
= [0,3 -1,2] 01,0 = -1,0
) = [1.5 — 0] О 6,0 = -1,5
М<О = 10,1-1,6]©1,0 = 1,0
Используя приведенное выше выражение (10.4) для определения
ЬЬК после второй итерации декодирования по строкам и по столбцам,
получим мягкие решения:
= 2,6
1АХ з) = —2,6
— 2,5
По знакам этой таблицы определим решения о принятых симво¬
лах:
б/, = 1; с12 = 0; б/3 = 0; б/4 = 1.
В приведенном примере уже после второй итерации получены пра¬
вильные решения. Заметим, что величина абсолютных значений вели¬
чин б/, значительно возросла, что означает повышение надежности реше¬
ний. На следующих итерациях достоверность принятых решений будет
возрастать еще в большей степени.
Как показано в [10.11], результаты сравнения помехоустойчивости
блоковых турбокодов и каскадных кодов (внутренний сверточный код и
внешний код РС) свидетельствуют о несомненных преимуществах бло¬
ковых турбокодов.
На рис. 10.15 приведены результаты для релеевского канала с зами¬
раниями, а на рис. 10.16 показаны сравнительные оценки для канала с
аддитивным гауссовым шумом. При этом использовались двумерные
турбокоды (коды произведения) с составляющими в виде расширенных
кодов Хэмминга (128,120,4), которые даже в гауссовом канале дают до¬
полнительный энергетический выигрыш 4дБ по сравнению с каскадны¬
ми кодами, в районе вероятности ошибки КГ6.
Также очень важно, что результирующие относительные скорости
блочного турбокода значительно выше, т.к. с ростом отношения сиг-
476
ВЕК
Рис. 10.15
К.еас] 5о1отоп уз. ЫНС 1п АУ/СИ СЬаппе!
Рис. 10.16
477
Со(1е КаСе V» РегЬгтапсе
ЕЬ/Ыо аС ВЕК-10 *
Рис. 10.17
нал/шум асимптотический выигрыш от кодирования при мягком де¬
кодировании характеризуется соотношением С = 101 §(/&/МИ||).
На рис. 10.17 приведены зависимости скорости передачи кодов от
соотношения сигнал / шум для различных кодов и сравнение их с пре¬
делом Шеннона. Все эти рисунки (3.29 -3.33) скопированы из сайта
\у\у\у.аЬа.сот [10.12]. Как видно из этого рисунка, турбокод на осно¬
ве расширенного кода Хэмминга (64, 57) при вероятности ошибки
10 8 и скорости передаче выше 0,7 превосходит все остальные коды.
При этом этот код приближается к границе Шеннона примерно на
0,5 дБ.
Блоковыми турбокодами занимается американская корпорация
АНА. Эта корпорация производит интегральные схемы на основе кодов
Хэмминга при декодировании по методу 3150 (рис. 10.18).
Блок-схема декодера этой фирмы, работающей с кодами Хэмминга,
как с обычными, так и с расширенными и укороченными, показана на
рис. 10.19. В этих декодерах применяется итерационный метод мягкого
декодирования 5150 при поступлении на вход декодера мягкого реше¬
ния с демодулятора. При этом применяются различные методы модуля¬
ции, такие как ФМ, ДФМ, ОДМ-6, 64, 256.
478
АНАТРС 1С'$
• АНА4501
— 25МЬ/зес с1а1а га1е
— 4 К Сос1е В1оск з1ге
— Сос1е Ка^ез оГ .3251;о .793
• АНА4524
— 50МЬ/зес с!а1а га1е
— бОМЬ/зес сЬаппе1 гаСе
— 4К Сос1е В1оск 512е
— Сойе КаСез о? .251о .97
• АНА4540В
— 155МЬ/зес с!а(а гаСе
— 200МЬ/зес сЬаппе1 гаСе
— 16К Сос1е В1оск 512е
— Сос1е КаСез .25 Со .98
• АНА4541
— 311 МЬ/зес с!аСа гаСе
— 360 МЬ/зес сЬаппе1 гаСе
— 16К Сос1е В1оск 512е
— Сос1е КаСез оГ .25 Со .98
Рис. 10.18
ТРС !)есос1ег - Соде НесопЛд
Рис. 10.19
Сверточные турбо коды
На рис. 10.20 показан принцип построения сверточного турбокода.
Из него видно, что сверточный турбокод представляет собой два парал¬
лельных рекурсивных (с обратной связью) систематических сверточных
кода. При этом на один из сверточных кодеров информационная после¬
довательность поступает через псевдослучайный перемежитель симво¬
лов. Применение таких перемежителей позволяют уменьшить количест¬
во кодовых слов низкого уровня. Так, если поступающее кодовое слово
на первый кодер имеет малый вес проверочной последовательности, то
после перемежителя информационная кодовая последовательность на
479
Информационная последовательность
Рис. 10.20
Рис.10.21
выходе второго кодера с большой вероятностью приведет к формирова¬
нию проверочной последовательности большого веса. При параллель¬
ном каскадировании двух и более кодеров, поскольку систематические
выходы каждого из кодеров с учетом перемежения идентичны, в линию
связи можно передавать только исходную информационную последо¬
вательность и проверочные выходы каждого кодера. Вследствие этого
общая кодовая скорость при применении, например, сверточных кодов
со скоростью 1 /2 составит К= 1 /(М + 1), где М — количество приме¬
ненных кодеров. После этого систематические и проверочные символы
от всех составляющих кодеров объединяются в одно кодовое слово, ко¬
торое и передается в канал связи. На рис. 10.21 показана общая модель
турбокодера, состоящая из М параллельных сверточных рекурсивных
кодеров.
Как правило, при построении турбокодеров используются два систе¬
матических рекурсивных кодера с длиной кодового ограничения /С=3—
5. Этого оказывается достаточно для получения хороших результатов.
На рис. 10.22 показан стандартный турбокодер с К=А. Этот кодер яв-
480
Информация
Рис. 10.22
ляется примером высокоэффективного рекурсивного сверточного тур¬
бокодера со скоростью К = 1/2 с кодовым ограничение равным Л'=4 и
генераторными полиномами С,(Г) = 1 + Т2 + 73, С2(Т) = Т + Р. Такой ко¬
дер формирует на каждый информационный бит два закодированных
символа.
Перемежитель является необходимым элементом такого кодера. Для
перемежения, выделяется некоторый блок из к информационных сим¬
волов, которые записываются в такую же матрицу, которая была описа¬
на выше. В эту матрицу записываются входные символы по строкам, а
считываются по столбцам на вход нижнего декодера, по псевдослучай¬
ному закону.
Тогда, в линию связи (точнее на модулятор) поступает вначале ин¬
формационный бит аК, а затем проверочные символы с кодера 1 и кодера
2. Таким образом, кодовая скорость такого кодера оказывается равной
1 /3 (один информационный бит и два проверочных). Для увеличения
скорости такого турбо кодера можно производить выкалывание, таким
образом, что к первой паре информационных бит добавляется прове¬
рочный символ с первого кодера, а ко второй паре информационных бит
добавляется проверка из второго кодера. Скорость при этом снижается
до 5, но и несколько падает корректирующая способность.
481
На следующую
итерацию
Выход
Рис. 10.23
Для декодирования такого турбо кода может использоваться схема,
приведенная на рис. 10.23.
Декодер, как и кодер, состоит из двух последовательно соединенных
через перемежитель декодера 1 и декодера 2. На декодер 1 поступает
последовательность чередующихся символов — информационных ак и
проверочных хк. Для второго декодера последовательность будет пред¬
ставлять собой также последовательность из двух символов а\ и ук, где
первый символ представляет декодированную информацию после пер¬
вого декодера, прошедшую через перемежитель. Второй символ будет
получен со второго кодера. Он же поступает на второй декодер. Для эф¬
фективного функционирования декодера блока кодов, представленного
выше, необходимо формировать для каждого декодированного символа
апостериорную вероятность.
С целью решения этой задачи в [10.13] был предложен алгоритм, по¬
зволяющий формировать для каждого декодированного символа апо¬
стериорную вероятность более достоверную, чем подаваемое с демоду¬
лятора на вход декодера 1 мягкое решение. На второй итерации на вход
первого декодера следует подавать декодированные декодером 2 симво¬
лы и сопровождающие их мягкие решения. Такой модифицированный
алгоритм назван «мягкий вход-мягкий выход». Этот алгоритм назван
5150 (5о11 1при1>5ой; Ои1ри1). Следовательно, каждый декодер, представ¬
ленный выше, выносит мягкие решения о переданных символах на ос¬
нове критерия максимальной апостериорной вероятности.
На всех последующих итерациях оценка достоверности декодиро¬
ванных символов уточняется. Окончание процесса происходит после
0; итерационных циклов и выносится вторым декодером на последней
итерации (число итераций обычно лежит в пределах 8—18). При этом
окончание процесса итераций завершается после того, как величина по¬
правки после каждой итерации достигает определенного значения, т.к.
она стремиться к некоторому пределу. Существенным является то, что
482
внешняя информация о каждом информационном бите вырабатывает¬
ся декодером «элементарного» кода с использованием сведений об ин¬
формационных символах, содержащихся только в проверочной группе
данного составного кода. Таким образом, внешняя информация оказы¬
вается некоррелированной с мягкими решениями, осуществляемыми
демодулятором по каждому информационному биту и с информацией о
передаваемых символах сообщения, содержащейся в проверочной груп¬
пе другого элементарного кода. Зависимость вероятности ошибки на бит
от числа итераций 0, приведена на рис. 10.24.
Здесь приведены результаты моделирования методом Монте-Кар¬
ло [10.14] для рекурсивного сверточного декодера со скоростью К= 1/2
при /С=5, построенного на двух кодерах с генераторными полиномами
С,(Г) = 1 + 7’+!Гг + 73+7*и С2(Т) = 1 + 7*, при параллельном соединении
кодеров и устройства перемежения 256 - 256. После 18 итераций декоди¬
рования вероятность ошибки на бит была меньше 10~5 при соотношении
483
сигнал/шум 0,7 дБ. Тенденцию снижения вероятности ошибки при из¬
менении числа итераций можно наблюдать из графика. Как видно, сни¬
жение вероятности ошибки при изменении числа итераций от ()—-5 до
(2= 18 происходит незначительно.
Таким образом, при параллельном соединении сверточных рекур¬
сивных кодов, декодировании с обратной связью и мягких решениях,
достоверность передачи турбокодов при вероятности ошибки на бит 10 5
находится на расстоянии 0,5 дБ от теоретического предела Шеннона.
Известен также класс кодов с последовательным соединением че¬
редуемых компонент. Предполагается, что такое соединение кодов мо¬
жет дать лучшие характеристики [10.14], чем при параллельном соеди¬
нении.
В обоих типах кодирования-декодирования оказывается возмож¬
ным использовать внешнюю информацию каждого элементарного
кода в качестве апостериорных сведений о передаваемых информа¬
ционных символах в процессе декодирования в другом декодере, осу¬
ществляя, таким образом, декодирование по максимуму правдопо¬
добия апостериорной вероятности. Это и позволяет существенным
образом повысить достоверность решения. Методы построения эле¬
ментарных декодеров практически сводятся к использованию двух
различных алгоритмов декодирования элементарных кодов, способ¬
ных вырабатывать мягкие решения о передаваемых информационных
символах:
1. Метод максимума апостериорной вероятности (МАР) или его ло¬
гарифма Ьо§-МАР или Мах-Бо§-МАР.
2. Алгоритм Витерби с мягким входным и выходным сигналом
50РА (5оЛ 1п 5оЛ ОШ; УйегЫ АБ§огйЬт).
В заключение приведем аналитические оценки для вероятности
ошибки на бит, хотя точную оценку дать трудно, так как необходимо
знать спектр расстояний всех кодовых слов.
Для турбокода с кодовой скоростью 1/2, состоящего из двух одина¬
ковой длины кодеров с кодовым ограничением длиной К и перемежителя
длиной I, длина кодового блока будет равна N = (I - К - 1). Полагая, что
общий информационный вес да,- всех кодовых слов веса г равен да, = да/р
Щ, где да/р — средний информационный вес кодовых слов г, а — общее
число кодовых слов веса г, можно записать:
484
При высоких и средних значениях отношения сигнал /шум можно
ограничиться только первым слагаемым в рассмотренной выше сум¬
ме, что хорошо аппроксимирует вероятность ошибки на бит. Тогда по¬
лучим:
Для примера, при К= 1 /2, двух одинаковых сверточных рекурсив¬
ных кодах и псевдослучайном перемежителе длиной 1 = 65536 бит, для
канала с АБГШ и кодом с параметрами г/6, да,ср = 2, Л^=3 получим:
Как видно из приведенных соотношений, для увеличения эффектив¬
ности турбокодов в области малых и средних шумов необходимо увели¬
чивать кодовое расстояние (1 или длину перемежителя I.
Большое внимание при разработке турбокодов следует уделять пере¬
межителю, поскольку он оказывает огромное влияние на минимальное
расстояние кодовых слов низкого веса, определяющих эффективность
турбокодов. При наличии хорошего перемежителя эффективность тур¬
бокодов в канале с пакетами ошибок возрастает, т.к. этот пакет превра¬
щается в далеко разнесенные одиночные ошибки.
Рассмотрим теперь характеристики помехоустойчивости системы,
построенной на основе ФМ-2 и турбокода с параметрами К= 1/2, со¬
ставляющие коды со скоростями 2/3 с 16 состояниями и генераторны¬
ми полиномами С:1(Г) = {33}, С2(Г) = {31}, где генераторные полиномы
записаны в восьмеричном виде. При этом имеется в виду канал связи с
аддитивным белым гауссовы шумом без памяти. Квантование выход¬
ного демодулятора не производится. В [10.14] были даны несколько раз¬
личных длин информационного пакета (цифры приведены у каждой
кривой) при двух значениях количества итераций. Результаты приве¬
дены на рис. 10.25. Из этого рисунка видно, что эффективность тур¬
бокода значительно увеличивается с ростом длины информационного
пакета. Увеличение длины пакета в 32 раза (4096 вместо 128) приводит
к увеличению более чем на 2 дБ при одинаковом количестве итераций.
Причем при больших длинах пакетов увеличение итераций приводит
к возрастанию эффективности на 0,1—0,2 дБ. Исследование влияния
кодового ограничения [10.12] показало, что с ростом его длины более 5
при (2= (1—2) наблюдается незначительное увеличение эффективности
кодирования.
485
-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Т/ЛГ0(л Б)
Рис. 10.25
Следует отметить, что вероятность ошибки на бит 10 5 достигается
при том же отношении сигнал/шум 0,7 дБ при кодовом ограничении,
равном 5 и ()= 18. При снижении длины кодового ограничения до 4 та
же вероятность получается уже при отношении сигнал/шум 0,9 дБ.
Таким образом, турбокоды, при правильном выборе их параметров
и способов построения, дают наилучшие результаты из всех известных
на сегодняшний день систем кодирования, не достигая лишь 0,5 дБ до
границы Шеннона, при вероятности ошибки на бит 10~5. Эти коды ут¬
верждены в качестве стандарта для применения во многих, прежде всего
мультимедийных, ССС, а также в системах мобильной связи третьего
поколения.
486
ГЛАВА 11. КАНАЛ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ
С ПЕРЕМЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ
И АДДИТИВНЫМ ШУМОМ
Каналы спутниковой связи, прежде всего, мобильной, из-за наличия
многократных отражений и изменения взаимного положения земных
станций относительно СР, подвержены воздействию общих и многолу¬
чевых замираний (МЛЗ) при распространении сигналов на участках ра¬
диолинии. Это приводит к изменению во времени коэффициента пере¬
дачи канала, нарушениям фазовой и спектральной структуры сигнала
(как на рабочей (несущей), так и на тактовой частотах), что обусловлено
взаимным наложением лучей во временной области и селективным по
частоте характером МЛЗ. Указанные изменения, наряду со снижением
уровня принимаемого сигнала и появлением, в дополнение к аддитив¬
ному шуму, мультипликативных помех, вызывают также возникновение
межсимвольных искажений (МСИ). Все это оказывает негативное воз¬
действие на надежность и достоверность передачи сообщений, поэтому
должно учитываться при выборе типа сигналов, построении приемных
устройств и обеспечении необходимых соотношений мощности сигна¬
лов и суммарных помех на входе решающего устройства приемника.
Влияние таких особенностей МЛЗ, как количество и интенсивность
лучей, корреляция между ними, длительность и разброс задержек, ско¬
рость замираний и пр., может быть ослаблено за счет сужения ДН ан¬
тенны, а также применения соответствующей, как правило, адаптивной,
обработки смеси сигналов и помех в приемнике. При количественной
оценке результатов обработки возникает вопрос о ее влиянии на ста¬
тистические характеристики сигнала и помех, в конечном итоге на рас¬
пределения вероятности значений тех и других на входе решающего уст¬
ройства, определяющие вероятность ошибочного приема. Это означает,
что присутствие замираний должно компенсироваться и учитываться в
расчетах не только введением энергетических запасов в ЛСС, но и путем
увеличения требуемых значений к2, задаваемых обычно для демодуля¬
тора, по сравнению с гауссовым каналом.
Таким образом, для сохранения или минимального снижения поме¬
хоустойчивости и пропускной способности радиолиний, работающих
в условиях только аддитивного шума, должны использоваться соот¬
ветствующие методы и алгоритмы приема, применяемые для каналов
с переменными параметрами, учитывающие наличие как общих, так и
многолучевых замираний. К числу таких мер, наряду с применением
487
высокоэффективных кодов и антенных устройств типа ФАР, относятся
различные виды разнесения по приему и/или передаче сигналов (по
времени, частоте, пространству, поляризации, либо в их комбинации)
при их соответствующей обработке, в частности, с применением методов
комбинирования ветвей и коррекции характеристик канала для борьбы
сМСИ.
Для выбора того или иного способа построения приемного устрой¬
ства применительно к СССЭО в указанных условиях необходима кон¬
кретизация и известная модификация существующих моделей каналов
с переменными параметрами.
11.1. АНАЛИТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЗАМИРАНИЙ
При оценках характеристик помехоустойчивости спутниковых кана¬
лов с аддитивным гауссовым шумом, подверженных, кроме того, влия¬
нию среды распространения с переменными параметрами (коэффици¬
ентом передачи, АЧХ и ФЧХ, временем запаздывания), случаи воздейст¬
вия замираний, приводимые, например, в [11.1, 11.2] в виде результатов
натурных испытаний, могут быть описаны аналитическими методами,
согласующимися с измерениями.
Для участков ЛСС смесь сигналов на входе приемного устройства
СР и ЗС выражается в виде трех компонентов (рис. 11.1): приходящей по
линии прямой видимости, зеркально отраженных и суммы рассеянных
(диффузионных) многолучевых составляющих [11.2,11.3]:
РАО + РёААО + 2,-2 + "(О- (НО
где 2(0 — передаваемый сигнал; Р0 — интенсивность (мощность) прямо¬
го (основного) луча сигнала с амплитудой Д; Рх — интенсивность мно¬
голучевого компонента узкополосного (с полосой до 2 МГц) сигнала;
Р1 — интенсивность многолучевого компонента широкополосного сиг¬
нала, т. е. при селективных по частоте замираниях; $х(р) — комплексный
гауссов процесс, описывающий многолучевой узкополосный компонент;
^р.ф) — комплексная амплитуда с релеевским распределением и дис¬
персией Р,; т, — временная задержка (запаздывание) относительно основ¬
ного луча; п{1) — аддитивный гауссов шум.
Данное соотношение соответствует т. н. широкополосной модели
систем МСС, когда скорость передачи информации составляет не ме¬
нее 2 Мбит/с. Это заставляет учитывать в (11.1) слабо коррелирован¬
ные многолучевые компоненты Р-, имеющие задержки, соизмеримые или
превышающие длительность символов сигнала.
488
отражение
Рис. 11.1
Однако, в приведенной в [11.2, 11.3] модели для скорости 2 Мбит/с
эти компоненты и их задержки \ (порядка десятков-сотен нс) не столь
велики, чтобы оказывать заметное влияние на достоверность приема
при наличии прямой видимости (основного луча) между ЗС и КА. Дан¬
ная модель, предназначенная для СМСС 3-го поколения (1МТ-2000), мо¬
жет быть использована в СССЭО применительно к абонентскому участ¬
ку вверх на обратном направлении, где скорости передачи информации,
как правило, не будут превышать 2 Мбит/с.
В (11.1) соотношение Р0/Рх, выраженное в дб, характеризует райсов¬
ский коэффициент, т. е. отношение регулярной (сигнальной) составляю¬
щей к флюктуирующему компоненту. В интервалах, когда Р0 = 0, т. е. на¬
рушается прямая видимость ЗС с КА, сигнал принимается только в виде
рассеянных компонентов и должна использоваться релеевская модель
канала. Тогда, в зависимости от величины и разброса задержек лучей,
влияющих на глубину замираний, среднее значение амплитуды сигнала
согласно [11.2] может изменяться от -7 до -28 дб относительно распро¬
странения в свободном пространстве.
В случае же передачи высокоскоростных потоков ТВ и мультимедиа
(до 10 и более Мбит/с), т. е. на прямом абонентском участке, величина
задержек лучей может быть на порядок выше длительности символов,
что, помимо амплитудных замираний, приведет к возникновению МСИ.
Эта ситуация будет рассмотрена ниже.
489
Содержащийся в (11.1) передаваемый (модулированный) сигнал г(г)
может быть выражен в виде ряда Фурье суммой квадратурных (дейст¬
вительной х({) и мнимой у(()) частотных составляющих /со)0 = 2пк/0 с ко¬
нечным числом коэффициентов ск, начальной фазой фки одновременно
через комплексную огибающую отражающую изменение амплиту¬
ды и фазы при модуляции:
КО = I\ск соз(ка>0{ + (рк) = Не }2({)ехр(у2п/0)} (11-2)
Соответственно, принимаемый многолучевый сигнал выражается
через амплитуду и фазу следующим образом:
КО = Р(0 соз[о)0* + Ф0+ У(0]>
где р(0 = [ (Л0 + КО)2 + г/(02 ] °'5, У(0 = агс!ап [у(С) / (А0 + КО)]-
Согласно этим обозначениям обобщенное для случая приема пря¬
мой сигнальной составляющей и компонентов МЛЗ распределение
плотности вероятности (рсИ) амплитуды смеси сигналов по Райсу вы¬
ражается:
Р(Р.Ф)
Р 2>-Ро
2—е * /0
Рг
(ИЗ.)
А его частный случай для Р0 = 0 при фазе равномерно распреде¬
ленной в интервале от 0 до 2п, т. е. распределение Релея:
Р( Р) =
Р р1
1
(11.4)
Как показано выше, числовые значения коэффициента Райса
К=Р0/Рх зависят от условий распространения, углов наклона и фор¬
мы ДН антенны и пр. В условиях прямой видимости, согласно выше¬
приведенным эмпирическим данным, иногда для сельской местности
принимают К= (10—20) дб при слабонаправленной антенне и от 20 до
25 дб при антенне с усилением порядка 12 дб. В городских и пригород¬
ных условиях для обычных дорог коэффициент К может изменяться от
15 до 20 дб.
В тех случаях, когда явление многолучевости можно не учитывать
и имеют место гладкие общие замирания, часто используется лого-нор-
мальное распределение.
Модели многолучевости
Для оценки интерференционных, в частности, многолучевых зами¬
раний (МЛЗ), описываемых релеевским или райсовским (обобщенным
490
релеевским), законами изменения амплитуды (в зависимости от отсутст¬
вия или наличия в них регулярной составляющей), часто используется
дискретная модель импульсной реакции канала (ИРК), включающая три
физические характеристики: амплитуду (3Л задержку т,и фазу (р/:
А(0 = Е Р,-8(г - (11.5)
Модель импульсной реакции, учитывающая число лучей и предпо¬
лагающая описание любого канала как линейного, инвариантного во
времени фильтра с комплексным коэффициентом передачи (АЧХ, ФЧХ),
определяет ряд характеризующих конкретный тип канала статистиче¬
ских (временных и энергетических) параметров выходного сигнала, как
суммы N размноженных, задержанных во времени и искаженных вер¬
сий передаваемого сигнала. К таким параметрам относятся: распреде¬
ление вероятностей мгновенных значений принятого сигнала и его пер¬
вые моменты, распределение времени задержки относительно первого
луча, средняя мощность относительно самого сильного луча, ширина
спектра импульсной реакции каждого луча, характеризующая его час¬
тотную корреляцию.
При испытаниях и измерениях на тестовых (обычно коротких) ра¬
диолиниях весьма удобны такие модели ИРК как энергетический про¬
филь задержки и (в основном для мобильных систем) допплеровский
спектр, обусловленный перемещением компонентов среды и/или са¬
мих средств связи [11.4]. Статистика, получаемая с помощью маломас¬
штабных измерений, используется затем при оценках средних (до км)
и больших (до 10—15 км) территорий обслуживания (городских, при¬
городных, сельских, с ровной и холмистой или горной поверхностью),
с применением кумулятивного метода, основанного на использовании
интегральных функций распределения.
При таком подходе могут быть рассмотрены и конкретизированы
модели канала применительно к малым городам и малонаселенным
поселкам с неразвитой или отсутствующей инфраструктурой. Имея в
виду значительную вероятность наличия в такой местности сложного,
пересеченного рельефа, строений, лесных массивов, оценка параметров
распространения производится как для прямой видимости (Ио5 — Ппе-
о1-51§Ь1:), так и для условий непрямой радиовидимости (ЫЬоЗ), с учетом
механизмов дифракции и многолучевого отражения.
В первом случае, как отмечалось, в сигнале имеется прямой луч,
значительно превышающий по интенсивности запаздывающие лучи,
вызванные отражением сигнала от различных объектов. Образец реак¬
ции для этого случая на одиночную посылку во временной и частотной
491
1
1
-*►
I
I
►
I
л X
областях изображен на рис. 11.2, а. Небольшие отраженные сигналы в
данной ситуации не будут приводить к заметному снижению помехо¬
устойчивости приема дискретного сигнала. Такая ситуация характерна
и когда даже достаточно мощные отраженные лучи ослабляются за счет
пространственно ориентированной ДН антенны на входе приемника.
В наименее благоприятных случаях, при отсутствии прямого луча,
из-за экранирования терминала зданиями, деревьями или рельефом ме¬
стности на вход приемника приходят отраженные сигналы с примерно
одинаковой интенсивностью (рис.11.2, б). Отличающиеся амплитуды и
фазы отдельных лучей, прошедших разные пути, при изменении взаим¬
ного положения передающего и приемного устройств будут меняться и
во времени. Скорость этого изменения зависит от скорости движения
мобильного терминала и угла между направлениями движения и при¬
хода электромагнитной волны [11.1].
11.2. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ КАНАЛА
С ОБЩИМИ ЗАМИРАНИЯМИ И АБГШ
При оценке помехоустойчивости методов модуляции, например,
ФМ-4 (ДФМ/С)Р$К), в канале с АБГШ и общими замираниями вна¬
чале применительно к одиночному приему, будем считать, что допол¬
нительное разнесение, кроме кодирования с перемежением символов
(заложенного в многие цифровые стандарты передачи информации),
492
для защиты от ошибок не применяется. При таком подходе имеется в
виду, что величина запаса на замирания в ЛСС может быть определена
как разность значений к2 для данного типа канала и канала с АБГШ.
Зависимости эквивалентной (приведенной к передаваемому символу
сообщения) вероятности ошибок для каналов с не кодированной ДФМ
получены с использованием, например, [11.11, 11.13], для двух случаев:
отсутствия замираний (т. е. канала только с АБГШ) и относительно мед¬
ленных релеевских замираний плюс АБГШ:
гдек02 — математическое ожидание величины к2 = Еь/М0, при случайном
изменении энергии символа Еь из-за замираний; А^0 — двухсторонняя
спектральная плотность аддитивного шума.
Наличие релеевских замираний, даже медленных (позволяющих
обеспечить когерентный прием ДФМ) значительно ухудшает энергети¬
ку радиолинии, т. е. требует введения дополнительного запаса по уров¬
ню мощности сигнала порядка 10 дб и более, в зависимости от способа
разнесения. Если же изменение уровня принимаемого сигнала дг(0 под¬
чиняется обобщенному релеевскому (райсовскому) закону, т. е. имеется
регулярная составляющая, так что д2=х2/х<\>2> 0 (хр,х<\> — регулярная и
флуктуирующая составляющие), то результаты приема и необходимые
значения запасов по энергетике занимают промежуточное положение
между каналами только с АБГШ и с релеевскими замираниями.
В случае повышения скорости замираний, когда корреляция между
амплитудой и фазой на протяжении соседних символов сигнала прак¬
тически не может быть использована, одиночный когерентный прием
становится невозможным. При этом применяют некогерентные отно¬
сительные методы передачи, например, ОФМ-4/ДОФМ/ВС)РЗК, так
же как и некогерентный прием бинарных ортогональных сигналов, од¬
нако их помехоустойчивость сильно зависит от автокорреляционной
функции флюктуирующей составляющей коэффициента передачи
среды х((): К(т) = х(С)х(С + т) / х(()2. Так, при чисто релеевских замира¬
ниях и \К\<0,995 вероятность ошибки превышает 10_3. В случае нали¬
чия регулярной составляющей сигнала положение улучшается, однако
для Р0= 10~5 требуемые энергетические запасы составляют 1—2 порядка
ро=[1 - егГ(/г0)][1 - 0,25(1 - егГ(/г0)]
= 0,5 [1 - {к2/к2 + 2)05] * 1/2А02,
(11.6)
(И.7)
[11.13].
493
Если теперь перейти к разнесенному приему при использовании
ДФМ, то результирующая вероятность ошибки для когерентного сло¬
жения (2 ветвей приема будет определяться [11.13]:
'X) ос .X)
Р° = 0’5 I-
0 0 о
о
- ф[^Е*,,7^0)0Л]№<1\<&(2>1 (11.8)
Ч~ 1
где т{х(Х), л:(2),... — (2-мерная плотность вероятности передаточной
функции канала с () лучами; Ф — табулированная функция Крампа,
связанная с другими известными формами интеграла вероятности;
К2 = К/ (2х ~ математическое ожидание отношения энергии сигнала к
спектральной плотности шума Еь/Л10в одной ветви приема, /г02 — то же
отношение при одиночном приеме, 1 = 0 2.
Для приема на разнесенные антенны X — 0 и И2ц = Н02, т. е. потери мощ¬
ности нет. При временном разнесении А,= 1 и И2ц = И02/(2, т. е. мощность
полезного сигнала уменьшается в 2 раза. При частотном разнесении X
изменяется от 1 до 2 в зависимости от режима усиления выходного кас¬
када передатчика.
Предполагая при разнесенном соответствующим образом приеме
отсутствие корреляции между ветвями (К = 0), а также применение де¬
корреляции ошибок за счет кодирования и перемежения, получаем эк¬
вивалентную вероятность ошибки для ДФМ:
Р0 = 0,5[1 - Н^(Н^+ 2)-°Ч1 + Е(2<7 - 1)!!/д!(Н2а+ 2Щ (11.9)
При релеевском законе замираний и одинаковом отношении сиг-
нал/шум в каждой ветви получаем более простые соотношения для
сдвоенного приема, в частности, при пространственном разнесении ан¬
тенн ((2= 2) и счетверенного приема с использованием еще дополнитель¬
ного временного разнесения (() = 4):
Р0 = 0,5[1 - (к02/Н02+ I)0'5] для Х = 0 и (2=2, (11.10)
Р0 = 0,5[1 - Ф02/Н02+ 2)0'5] для Х = 1 и (2> 2. (11.11)
Эти зависимости приведены на рис. 11.3 в сравнении с одиноч¬
ным приемом ((2=1). Налицо выигрыш по энергетике, достигающий
10—15 дб, в зависимости от кратности разнесения. При учете корреляции
между ветвями разнесения, что может иметь место на практике, напри¬
мер, при К > 0,5, результаты ухудшаются. На рис. 11.3 показан худший
494
5/И
случай разнесенного «2=2,4) приема — для К=1, при котором энергети¬
ческий выигрыш разнесения значительно ниже. Левая кривая относится
к каналу с АБГШ без замираний.
В целом, при более сложных способах борьбы с замираниями, в осо¬
бенности селективными, учет корреляции ветвей имеет большое зна¬
чение для определения эффективных соотношений сигнал/помеха и
осуществляется с использованием собственных чисел ковариационной
матрицы |К|, имеющей размерность () • () и характеризующей взаимную
корреляцию между мультипликативными помехами в ветвях.
Приведенные результаты относятся к ситуациям, когда скорость за¬
мираний ниже информационной, так что значения коэффициента пере¬
дачи канала и временной задержки могут быть измерены (предсказаны)
в процессе приема на основе анализа предыдущих элементов сигнала.
Это позволяет обеспечивать оптимальную обработку — когерентное
сложение сигналов в ветвях. При реализации одночастотных методов
передачи должны быть приняты во внимание также существующие не¬
оптимальные методы [11.13].
495
11.3. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ И ОБРАБОТКА
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ОДНОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ
В КАНАЛЕ С МЛЗ ПРИ МЕЖСИМВОЛЬНЫХ ИСКАЖЕНИЯХ
Помимо мультипликативных помех и шумов, в канале с многолу¬
чевыми (частотно-селективными) замираниями существенное влия¬
ние на качество приема начинают оказывать межсимвольные интерфе¬
ренционные помехи или искажения (МСИ). Методы последовательной
одночастотной (в отличие от параллельной, многочастотной) передачи •
информации при МЛЗ и МСИ могут интегрироваться с традиционным
разнесенным приемом [11.14]. Более того, при оптимальной обработке в
условиях МСИ и приеме на одну антенну фактически реализуется раз¬
несение по лучам и благодаря этому может быть обеспечена даже более
высокая помехоустойчивость, чем в однолучевом канале. Такие опти¬
мальные приемные устройства, построенные по алгоритму Витерби или
Кловского-Николаева, находят, в частности, применение в цифровых со¬
товых системах стандарта С5М.
Для оценки влияния МСИ в канале с замираниями и внешними по¬
мехами существует множество методов, отличающихся формами ма¬
тематического отображения МЛЗ и помех, учета особенностей среды,
критериями оценки воздействия тех и других, алгоритмами и спосо¬
бами обработки и принятия решения в приемном устройстве. Методы
анализа сигналов в приемниках в условиях МСИ, при разных их струк¬
турах и характеристиках, предполагают регистрацию символов с фик¬
сированной, либо изменяемой задержкой Дс3 = ОТь ф>0) относительно
к-го принимаемого символа и с учетом результатов регистрации некото¬
рого конечного числа предшествующих (к- И) и последующих (к + Ц)
символов [11.14].
При этом требуемое количество учитываемых последующих (сопро¬
вождающих) и предшествующих отсчетов, зависящее от соотношения
времени запаздывания лучей и скорости передачи информации, опре¬
деляет не только помехоустойчивость, но и, т.н. вычислительную слож¬
ность и, следовательно, стоимость приемного устройства.
Оптимальные методы обработки в условиях МЛЗ основаны на том,
что сигнал на выходе фильтра, согласованного с многолучёвым каналом,
есть функция автокорреляции реакции канала (рис. 11.4, а) на одиноч¬
ную посылку. Таким образом, как следует из рис. 11.4, б, на выходе со¬
гласованного фильтра (СФ) будет складываться энергия лучей, но при
этом присутствовать и МСИ, вызванные наложением соседних посылок.
Поэтому после обработки в СФ должны быть предусмотрены меры борь¬
бы с межсимвольной интерференцией.
496
<0
Рис. 11.4
В тех случаях, когда разделение лучей при одночастотиых после¬
довательных сигналах не дает нужного эффекта, применяют более
сложные алгоритмы обработки, в сочетании, например, с расширени¬
ем спектра сигналов (усложнением их «тонкой» структуры с целью
разделения лучей за счет хороших автокорреляционных свойств), либо
адаптацией к изменениям комплексного коэффициента передачи ка¬
нала. Тем самым эффективность защиты от МЛЗ становится зависи¬
мой от формы импульсной реакции канала и точности ее измерения в
процессе приема.
Как показано в [11.14], близкой к потенциальной помехоустойчиво¬
сти приема сигналов в условиях разделения лучей с МСИ обладает ал¬
горитм Витерби. Однако значительно проще в реализации уступающие
ему по помехоустойчивости субоптимальные устройства компенсации
межсимвольных помех с помощью линейных и нелинейных фильтров-
корректоров.
Выбор путей защиты от воздействия МЛЗ и связанных с ними ин¬
терференционных помех зависит от соотношения между длительностью
символов сигнала Ть (т. е. бодовых символов, которые при ДФМ в два
раза длиннее информационных, битовых) и значениями разброса за¬
держки.
497
В частности, при Ть > Д?шах эффективным может быть разделение
тракта приема-передачи или самих сигналов на несколько разнесенных
ветвей. Кроме того, существует возможность воспрепятствовать меж¬
символьным искажениям путем ввода относительно просто реализуе¬
мого защитного временного промежутка, позволяющего устранить воз¬
действие эхо-сигналов на соседние символы.
При невыполнении указанного условия необходимо применять бо¬
лее сложные алгоритмы приема, в сочетании либо с расширением спек¬
тра сигналов (усложнением их «тонкой» структуры) или разделением
его на параллельные ветви-компоненты (как это делается при ОРОМ),
либо отслеживать в приемном устройстве изменения комплексного ко¬
эффициента передачи канала. Таким образом, эффективность защиты
от МЛЗ становится зависимой от формы импульсной реакции канала
и точности ее измерения в процессе приема с целью адаптации.
При тшах» Ть разделение и последующее подавление МСИ в случа¬
ях использования сложных сигналов с большой базой, шумоподобных
(ШПС) или частотно-временных -- последовательных многочастотных
с псевдослучайной перестройкой по радиочастоте (ПГ1РЧ), обеспечи¬
вается за счет «хороших» авто- и взаимокорреляциоиных свойств, а в
случае параллельной передачи, в частности ОРОМ, — благодаря удлине¬
нию информационных символов на каждой из многих поднесущих. Од¬
нако упомянутые сигнальные методы требуют изменения спутниковых
стандартов (в частности, ОУВ-5/52), основанных на передаче в прямом
направлении одночастотных сигналов с ДФМ/()Р5К. Поэтому они не
могут быть использованы в большинстве случаев и в следующих разде¬
лах будут рассмотрены, прежде всего, аппаратурные методы, основан¬
ные на измерении и выравнивании передаточных характеристик канала
(ИРК, АЧХ, ФЧХ).
В наиболее благоприятных случаях, при прямой видимости и зна¬
чениях разброса задержек, меньших длительности символа, не возни¬
кает серьезных проблем в реализации и аналитических трудностей при
расчетах. В частности, при наличии защитных промежутков могут быть
использованы материалы предыдущего параграфа, учитывающие толь¬
ко амплитудные замирания сигнала. Либо проведен анализ для случаев,
когда время запаздывания между лучами соизмеримо с Ть, т. е. выполня¬
ется условие «разделения МСИ», и оценка их воздействия при последо¬
вательной одночастотной передаче может быть ограничена соседними
символами.
Тогда для поэлементного оптимального (байесовского) решения по
максимальному правдоподобию (МППО) когерентного приема двоичных
498
сигналов в канале с АБПП и анализа сигнала на интервале Та = (А + 1 )ТЬ
помехоустойчивость, близкая к предельной, определяется формулой
[11.14]
Л, = 0,511 -Ф((Я„/2ЛГ0)<»)], (11.12)
где Ф — вероятностная функция Крампа; Еа — эквивалентная энергия
сигнала на интервале Та\ А — число анализируемых символов.
При отсутствии защитных интервалов между информационными
символами, оптимальные и близкие к ним алгоритмы обработки для
последовательных систем предполагают использованиё наиболее эф¬
фективных алгоритмов Кловского-Николаева (АКН) или Витерби (АВ).
При этом предполагается наличие у приемника функций обратной связи
по решению (РОС) и использование обучающих (испытательных) по¬
следовательностей.
При двухлучевой модели канала и одиночном приеме, оптимальном
(Та = (А + 1 )ТЬ) и субоптимальном (Та = Ть), в условиях относительно мед¬
ленных релеевских замираний формула (11.12) упрощается при Н^»\
и, соответственно, приобретает вид:
р«3/[16Л,2(1 - а2)],р*3/(16 А,2а(1 - а)], (11.13)
где А,2 = /гф2 усредненное отношение энергии флюктуирующего по Ре-
лею сигнала к спектральной плотности шума.
При райсовском законе замираний в лучах и случайном фазовом
сдвиге между регулярными компонентами каждого из лучей:
р*3(1 +д|2)2ехр[~0,5(<7,2 + <5у!)1/16Л12, 01.14)
р~3(\ +9,2)2ехр|-0,5(<?,2 + <722)1/16а(1 - а)Л,2, (11.14а)
где <у,2 ф 0 и д./ ф 0 - отношение средних мощностей регулярной и флюк¬
туирующей частей луча, Л,2 = Лф2(1 + <7,2).
Для глубоких замираний лучей при усеченно-нормальном (усн) рас¬
пределении амплитуд, когда синфазная квадратурная составляющая
равна нулю, получаем:
р « 1 /[8/г,2(1 а2)0-5],/? * 1/[8/г,2(а(1 -а))0-5]. (11.146)
Приведенные зависимости показаны на рис. 11.5, первые сплошны¬
ми, вторые прерывистыми линиями. Здесь же пунктиром приведены
кривые для релеевских и усеченно-нормальных замираний при приеме
методом автовыбора интервала анализа сигнала, дающего наилучший
результат в случае, когда лучи не перекрываются [11.14].
499
Рис. 11.5
Рис. 11.6
500
На практике часто применяют более простые в реализации субоп-
тимальпые методы приема сигналов в многолучевой среде с МСИ, ос¬
нованные на использовании линейных и нелинейных фильтров-коррек¬
торов, выравнивающих АЧХ и ФЧХ канала. При этом одной из основ¬
ных трудностей анализа является нахождение как плотности распре¬
деления самой межсимвол ьной помехи на входе решающего устройства
приемника, так и моментных функций случайных величин и процессов,
описывающих ИРК среды распространения, сигналы, помехи и их взаи¬
модействие. Поэтому часто используется математическое моделирова¬
ние, например, метод Монте-Карло, позволяющий получать, по крайней
мере, граничные оценки эквивалентной вероятности ошибок для канала
с АБГШ, многолучевостью и МСИ, в частности, при ДФМ/ЦР5К, (а так¬
же 8-кратной ФМ/8-Р5К, 16- и 32-кратной КАМ/ОДМ). [11.15]
Результат расчета, выполненного с использованием коэффициен¬
тов (дискретных выборок) ИРК канала из [[11.16, 11.17], приведен на
рис. 11.6.
Как видно из графика, при ДФМ/ЦРЗК в канале с МСИ в пределе мо¬
гут быть достигнуты вероятности ошибок на бит до 10 4—10~5, что позво¬
ляет обеспечивать при 2-уровневом (внешнем и внутреннем) кодировании
группового потока требуемое высокое качество приема.
11.4. АДАПТИВНАЯ КОРРЕКЦИЯ
ПРИ ОДНОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛАХ КАК СРЕДСТВО
ЗАЩИТЫ ОТ МЕЖСИМВОЛЬНЫХ ИСКАЖЕНИЙ
Многие методы, реализующие прием цифровых сигналов в условиях
многолучевого распространения, предусматривают введение определенных
алгоритмов коррекции путем подстройки параметров обработки сигналов с
целью компенсации изменений характеристик канала, приводящих к появ¬
лению МЛЗ и МСИ. Современные автоматические и адаптивные корректо¬
ры (АК), представляющие собой аппаратно-программные, вычислительные
устройства, выполняют функции адаптации к каналу путем выравнивания
коэффициентов передачи и временного запаздывания в путях приходящих
лучей, обычно с помощью цифровых или аналоговых фильтров на основе
линий задержек с отводами. Их задачей является уменьшение разницы по
форме и фазе, с учетом частотной селективности МЛЗ, между переданным
и принимаемым сигналом, в связи с чем их называют также (в особенности,
в зарубежной литературе) эквалайзерами (Э), выравнивателями.
В начале сеанса связи и в процессе передачи информации параметры
корректоров устанавливаются автоматически, прямыми или итеративны¬
501
ми способами, с использованием т.н. обучающих (испытательных) последо¬
вательностей, формируемых на передающем конце, либо автономно, путем
применения т.н. слепых алгоритмов. Обучающий сигнал может передавать¬
ся в разных формах — в виде отдельных импульсов и кодовых комбинаций,
в частности, псевдослучайных последовательностей (ПСП), известных на
приемном конце и позволяющих, таким образом, предсказывать характе¬
ристики канала, а также обеспечивать синхронизацию при демодуляции
и декодировании. В зависимости от вида обучающего сигнала или способа
адаптации коррекция в каждой из ветвей (лучей) производится через оп¬
ределенные промежутки времени.
Применение тех и других корректоров при передаче одночастотных сиг¬
налов является альтернативой сигнальному методу защиты ОРБМ, тогда
как их совместное применение связано с ограничением характеристик ре¬
гулирования из-за существенного различия между пиковой и средней мощ¬
ностью сигналов при ОРБМ. Однако многие корректоры, работающие во
временной области, реализуются сложнее, поэтому имеются решения по
переводу части их операций в частотную область посредством дискретного
преобразования Фурье (ДПФ), что в принципе способствует совмещению
многочастотных методов передачи с адаптивной коррекцией.
Большинство корректоров работает на основе линий задержки (ЛЗ) с
отводами, при этом ЛЗ обеспечивают выравнивание запаздывания между
лучами, а в ветвях отводов формируются изменяемые коэффициенты пе¬
редачи для каждого луча. Среди многих используемых типов АК наиболее
распространен трансверсальный фильтр (рис. 11.7, а), в котором принимае¬
мые в разных лучах сигналы линейно взвешиваются с коэффициентами с,
в ветвях отводов и складываются на выходе. В линейном корректоре (ЛК)
без обратной связи сигналы символов г/*=1/(?0+ кТ) считываются в моменты
времени С0 и выборка О подается на решающее устройство (РУ).
Количество и степень точности выполняемых функциональных опе¬
раций по регулированию собственных параметров и, следовательно, при¬
ближению характеристик сигнала к исходным, определяют тип, эффектив¬
ность, сложность и стоимость корректора. Наиболее распространенным по¬
казателем точности работы корректора считается критерий минимальной
среднеквадратичной ошибки (МСКО), используемый применительно к сум¬
ме остаточной МСИ, аддитивного шума, прочих помех на его выходе и по¬
зволяющий в известных случаях максимизировать отношение сигнал / по¬
меха в решающем устройстве.
При неограниченном увеличении числа коэффициентов такого ЛК по¬
лучается т.н. модель бесконечной длины (БИХ — бесконечная импульсная
характеристика), которая теоретически полностью компенсирует МСИ.
502
а)
Рис. 11.7
При данной идеализации его частотная характеристика приближается к
согласованной с сигналом по спектру функцией, имеющей период, равный
символьной скорости 1 / Ть, а импульсная реакция принимает нулевые зна¬
чения в моменты, кратные Ть. На практике такой фильтр-корректор, назы¬
ваемый нулевым или нулъ-фиксирующим (2Р — хегоФогст^), также должен
иметь коэффициент передачи, близкий к обратному по отношению к оце¬
ниваемой импульсной реакции канала (среды распространения).
Однако в корректоре данного типа с конечной длиной (КИХ-конечная
импульсная характеристика) на частотах резкого возрастания затухания
может увеличиваться уровень независимого от сигнала внутреннего адди¬
тивного шума, а также и селективных МОИ. Поэтому необходима оптими¬
зация, которая состоит в применении критерия МСКО, более надежного и
конвергентного (в смысле скорости сходимости расчетов) по сравнению с
нулевым.
Поскольку в большинстве применений характеристики каналов ап¬
риори неизвестны и/или претерпевают изменения во времени, устрой¬
ства коррекции должны приспосабливаться к каналу и адаптироваться к
этим изменениям. При адаптивной коррекции управление регулировани-
503
ем ветвей в процессе установившегося приема осуществляется с помощью
решающего устройства в составе корректора, вырабатывающего сигналы
ошибки путем сравнения информационных сигналов на его входе и вы¬
ходе (рис. 11.7, б).
Когда воздействие на коэффициенты ветвей (отводов ЛЗ) предполага¬
ется по результатам оценки как символов, предшествующих сигналу, так
и последующих символов на выходе корректора, может применяться об¬
ратная связь по решению (с использованием или без использования обу¬
чающих последовательностей). Корректоры с решающей обратной связью
(КРОС) получили широкое распространение на практике благодаря вы¬
соким эксплуатационным и конвергентным свойствам. Однако в ряде слу¬
чаев предпочтительным является более простой подход, когда адаптивные
линейные корректоры (АЛК) без решающей обратной связи и со слепым
алгоритмом регулирования, работающие на радиочастоте, могли бы быть
включены в тракт приема (до демодуляции) при наименьших доработках
и затратах ресурсов. При э том взвешивающие коэффициенты коррекции
504
также должны регулироваться для минимизации среднего квадрата ошиб¬
ки на выходе АЛ К: е2к — (1к - Мк)2.
Данный алгоритм иллюстрируется рис. 11.8. Некоторые его варианты
внедрены во многих коммерческих адаптивных корректорах, используемых
в высокоскоростных модемах. При анализе и расчете рабочих характеристик
корректоров с итеративной адаптацией должны обеспечиваться компромисс¬
ные соотношения между показателями конвергенции (скорости, количества,
размера шагов регулирования) и величиной остаточной ошибки (/* — /*), где
|/А| есть оценка передаваемой последовательности символов.
Работа АЛК для простейшей 3-лучевой модели канала иллюстрируется
рис. 11.13, где коэффициенты бис рассчитываются из условия МСКО для ком¬
пенсации МСИ от последующих и предыдущих посылок, соответственно.
Линейные адаптивные корректоры со слепым алгоритмом
При исследовании аппаратурных путей защиты от МСИ в каналах с
аддитивным шумом наиболее рациональным, в частности, при передаче
сигналов спутникового стандарта с ДФМ/ЦР5К, было бы применение РЧ
линейных или нелинейных корректоров, работающих автономно, без обу¬
чающих последовательностей, и наиболее просто реализуемых, не требую¬
щих (или требующих минимальных) изменений в стандартных модемах.
На начальном этапе вхождения в связь при отсутствии таких сигналов
задача расчета коэффициентов и минимизации ошибки для каждой вет¬
ви ЛК основывается на стохастическом градиентном алгоритме слепо¬
го итеративного выравнивания, использующем метод кратчайшего спус¬
ка. Он предусматривает включение на выходе трансверсального фильтра
Рис. 11.9
505
безынерционной нелинейности #(') для генерации оценки «желательной»
характеристики из выборки принимаемой последовательности 1К, при ус¬
ловии негауссовской статистики сигнала:
с1к=§(1к), без памяти
^к=ёОк> Ас-1-м К-т)< память т-го порядка.
Последовательность {с1к} используется для генерации сигнала ошиб¬
ки, который подается обратно на выравнивающий фильтр-корректор
(рис. 11.9).
Коррекция многофазных сигналов
В большинстве исследований по адаптивным методам коррекции
рассматривается НЧ модель, предусматривающая обработку сигналов в
канале с МСИ и шумом после демодуляции, способ которой при анализе
обычно не конкретизируется. Вместе с тем, имеется много работ, посвя¬
щенных квадратурным видам амплитудной модуляции (КАМ / ОДМ),
в том числе учету частотной и фазовой нестабильности несущих радио¬
частот при этих методах модуляции [11.18]. Подходы и результаты этих
работ могут быть использованы для многофазных сигналов, векторные
составляющие которых также находятся в квадратуре, или ортогональ¬
ны. Такие сигналы, в частности, ДФМ/ЦР5К, являются двумерными.
Как известно [11.18,11.19], в этом случае, при корректировании пере¬
даваемый двумерный, т. е. комплексный, ДФМ сигнал вначале «расщеп¬
ляется» в приемнике на действительную и мнимую составляющие. За¬
тем он может быть демодулирован, путем перемножения на квадратур¬
ные опорные несущие и прохождения через НЧ фильтры, а далее каждая
из составляющих выравнивается независимо в комплексном корректоре
по алгоритмам, аналогичным приведенной выше НЧ модели (рис. 11.10).
Возможна также обработка РЧ (ПЧ) сигналов, до их демодуляции.
Известны теоретические работы и инженерные решения по совер¬
шенствованию линейных, в том числе слепых корректоров, или их эле¬
ментов, в направлении повышения технико-экономической эффектив¬
ности, прежде всего программно-аппаратных характеристик, математи¬
ческого обеспечения и помехоустойчивости. Например, были предло¬
жены алгоритмы перевода корректоров (эквалайзеров), работающих в
режиме дискретного времени, в частотную область [11.20, 11.21]. Такой
подход предполагает образование пакетов из некоторого множества от¬
счетов входного сигнала приемника, затем их перевод в спектральную
форму посредством БПФ и перемножение с коэффициентами АК в час-
506
сое и»с1
Рис. 11.10
тотной области, полученными также путем БГ1Ф из временной реализа¬
ции. После такой коррекции выполняются обратные действия: ОБПФ,
расстановка пакетов во времени и преобразование в последовательность
символов. Подобные методы позволяют уменьшить вычислительную
сложность корректоров, однако их использование для повышения по¬
мехоустойчивости остается проблематичным.
11.5. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ
ПРИ АДАПТИВНОЙ КОРРЕКЦИИ
Как упоминается во многих источниках [11.9,11.14, 11.15[, использо¬
вание адаптивной коррекции как средства обработки сигналов позво¬
ляет повышать помехоустойчивость реальных радиолиний в условиях
МСИ и аддитивного шума. Однако остаточная интерференция на выхо¬
де линейного корректора с МСКО весьма неопределенно и даже не удов¬
летворительно [11.15] аппроксимируется в виде аддитивной гауссовой
помехи или, во всяком случае, величины, приемлемой для аналитиче¬
ских операций с ее ФПВ и моментными функциями.
Кроме того, вероятностные характеристики ошибок при приеме сим¬
волов и пакетов в условиях МЛЗ являются нелинейными функциями
коэффициентов коррекции, в связи с чем их зависимость от типа, пара¬
метров АК и характеристик среды исследованы не в полной мере, в осо¬
бенности для случаев коррекции на радиочастоте со слепыми алгорит¬
мами. Основным инструментом количественного анализа помехоустой¬
чивости большинства методов защиты от МСИ остается компьютерное
моделирование.
507
Таким образом, обобщенные оценки вероятностей ошибок для того
или иного алгоритма коррекции представляют значительную слож¬
ность, прежде всего расчетную, вычислительную. Требуется уточнение
целого ряда вопросов, связанных с вводом АК в состав приемного уст¬
ройства и возникающих при проектировании ЯСС. К таким вопросам
могут быть отнесены:
— нахождение функций плотности вероятности и моментных
функций остаточных (не скорректированных) мешающих воз¬
действий, удобных для отображения выходного отношения сиг¬
нал/помеха, связанного с коэффициентами и алгоритмами ре¬
гулирования, в эквивалентную вероятность ошибки;
— исследование влияния на вероятность ошибочного приема вре¬
менных и частотных характеристик (ИРК) во взаимосвязи со
скоростью передачи информации и статистическими характе¬
ристиками последовательностей сигнальных символов;
— получение граничных оценок и приближенных зависимостей для
вероятности ошибок конкретных схем и алгоритмов коррекции с
учетом значений разброса задержек в канале с МЛЗ;
— сравнительный анализ помехоустойчивости различных видов,
способов и алгоритмов защиты одновременно от замираний и
межсимвольных искажений в каналах с многолучевостью.
В связи с частотной селективностью многолучевых каналов, при
оценках помехоустойчивости удобно оперировать как временными, так
и спектральными характеристиками сигналов и среды распростране¬
ния.
При селективных по частоте МЛЗ каждой из спектральных состав¬
ляющих сигнала соответствует свой случайный коэффициент передачи
канала Хки своя случайная фаза дк. Та и другая величины при различ¬
ных индексах к коррелированы между собой, и тем в большей степени,
чем меньше разница между спектральными составляющими и разность
хода лучей АС{ = (0-\. Обычно полагается, что одномерные распределе¬
ния вероятности этих характеристик в отдельных лучах такие же, как и
при общих замираниях, т. е. релеевские и райсовские для амплитуды и
чаще всего равномерные для фазы.
Вероятность ошибки в линейном корректоре
Вероятность ошибки одного символа или эквивалентную вероят¬
ность битовой ошибки в канале с коррекцией МСИ затруднительно вы¬
разить в обобщенном замкнутом виде, готовом для расчета. Это может
быть возможным лишь в каждом конкретном случае, для фиксирован¬
508
ных методов передачи информации, характеристик канала и значений
коэффициентов АК [11.15].
Применительно к АК, работающему в соответствии с критерием
МСКО, вероятность символьной ошибки определяется как вероят¬
ность превышения полезного сигнала как одного из слагаемых век¬
тора свертки
к
импульсной характеристики фильтра-корректора и ИРК, суммой мгно¬
венных уровней МОИ и АБГШ в момент отсчета в РУ. Для некоторой
суммы слагаемых межсимвольной помехи I) и мощности шума А эта
вероятность обозначается как Рг(Ы + + /))> <70.
Для ЛК с 2К + 1 ячейками и канальным откликом, растягивающим¬
ся на Ь > К символов, число символов, участвующих в МСИ, составляет
2К + 1, т. е. слагаемые с МСИ равны
^^^кЙп-к'
к-*п
Если передавать некоторую фиксированную (одну из многих) после¬
довательность 1удлиной 2К+\ информационных символов с алфавитом
М, то ей будет соответствовать фиксированная межсимвольная помеха
^ив этом случае вероятность ошибки определяется как [11.15]:
Рм(Р) = №№ - 1)/М)Р(К + Я, > д0) =
= [2(М- 1)/М] <г(7(<7„-0,)2/Ч, ). (11.15)
Тогда полная средняя вероятность ошибки получается путем усред¬
нения по всем возможным последовательностям I. и если они равнове¬
роятны, то Р(1у) = 1 /М2К+Ь. Если нормировать 1к к 1, а фазы символов
считать определяемыми весами {^„}, то можем принять Т); = и в
результате получим:
Ри = ЦЫО]>^]) = 1т- 1)/М2к'1*') «
V
* Е<3(>0-Ек1)2/Ч )■ (11-16)
\) V к* о
Данное выражение определяет верхнюю границу ошибок для равно¬
вероятных последовательностей символов с постоянной амплитудой, в
частности, при ДФМ/С)Р5К (М=4).
509
Методы слепой коррекции на базе статистик высоких иорндкок
В качестве одного из решений может быть предложено применение
оценки и коррекции ИРК с использованием слепых алгоритмов. В его
основу положены методы комплексного анализа извес тной и ожидаемой
статистики высоких (в частности, 2-го и 4-го) порядков передаваемой
информационной последовательности и «реконструкции» на этой базе
фазовых, в том числе неминимально-фазовых составляющих импульс¬
ных реакций [11.22,11.23].
Данный подход предполагает дискретную во времени идентификацию
ИРК со слежением за ее изменениями с использованием моментов высо¬
кого порядка, а также и в комбинации со стохастическими градиентными
процедурами [11.24]. Это позволяет, по сравнению с рядом других АК, рас¬
ширить класс используемых каналов, благодаря учету всех фазовых со¬
ставляющих и неравномерности А4Х (декорреляции селективных МЛЗ),
ослабить воздействие аддитивного шума и, самое главное, обходиться без
обучающих сигналов. Если же сравнивать с КРОС, то в данном случае не
возникает проблем с ошибками размножения (еггогргора^айоп).
Для одного из таких методов обработки -• т. н. трикепстралъного, в
[11.22] произведен анализ вероятности ошибок, позволяющий сделать
важный вывод, что помехоустойчивость, по крайней мере, одного из
предлагаемых способов коррекции, близка к приему с оптимальной об¬
работкой сигналов по методу максимального правдоподобия (МППО)
и существенно превосходит (на 5—6 дб при Р0= 10 3) АЛ К с МСКО, а
также адаптивные оцениватели (АО).
Там же содержатся подтверждающие этот вывод компьютерные диа¬
граммы сигнальных созвездий при различных статистических крите¬
риях оценки (МППО, МСКО, трикепстрального и др.) в присутствии
АБГШ, а также при коррелированном (окрашенном) шуме, что имеет
место в случае рассогласования коррекции.
Таким образом, использование алгоритмов на основе статистик вто¬
рого и более высоких порядков на эфирном участке составной радиоли¬
нии представляется весьма заманчивым. Для этого должны быть уточ¬
нены условия применимости подобных методов коррекции к РЧ сигна¬
лам с ДФМ/()Р$К и выполнено компьютерное моделирование с оцен¬
кой их помехоустойчивости.
11.6. УЧЕТ ВЛИЯНИЯ РАЗБРОСА ЗАДЕРЖЕК
Исходя из особенностей оценки влияния среды, при анализе по¬
мехоустойчивости каналов с многолучевостью и присутствием МСИ
510
могут использоваться как дискретная, так и непрерывная модели ИРК
(профилей задержек). В первом случае основными обобщенными ха¬
рактеристиками модели являются энергетический спектр огибающей
профиля и средняя скорость прихода лучей, во втором — энергети¬
ческий спектр задержек (точнее задержанных откликов в профиле
ИРК).
Со стороны применяемых сигналов, помимо их главных отличитель¬
ных признаков, таких как вид модуляции, ширина полосы частот, форма
и структура, для практики весьма важным фактором, влияющим на по¬
мехоустойчивость, является скорость передачи информации. По сравне¬
нию с «чистым» каналом с АБГШ, при наличии МСИ она определяется
не только (а часто и не столько) энергопотенциалом линии связи, но и
указанными выше характеристиками среды.
В частности, совместным обобщенным показателем реализуемости
того или иного метода приема в канале с многолучевостью, в особенно¬
сти, с многократными отражениями и АЧХ, имеющими нули, при задан¬
ных форме сигнала и способе модуляции является соотношение между
длительностью передаваемого символа (обратной скорости передачи)
и величиной разброса задержки, выражаемое обычно произведением
\т^Ь-
Для квазистационарных условий (в отличие, например, от мобиль¬
ной радиосвязи, тропосферных линий) и некоррелированного во време¬
ни рассеяния энергетический спектр задержки Ъ{1) в непрерывной мо¬
дели может быть определен как математическое ожидание:
2(1)Ь(х) = Е\Н(х)Н{х)}, (11.17)
где Н{т) — эквивалентная импульсная реакция канала; 8 — дельта-функ¬
ция Дирака и усреднение производится по всему профилю задержек.
При этом среднеквадратичный разброс задержки связан с ее энерге¬
тическим спектром следующим образом:
ос
*,„=(/[т - ИТ2(ОАГ7(!о"2(«)Л)» 5,
ос О
где ]У= ^х2{б)йх.
о
Величины т,тл. определяются при расчетах принятой моделью рас¬
пространения для условий той или иной среды: прямой видимости, при¬
города, сельской местности, внутри здания и т. д.
В дискретной модели комплексная огибающая ИРК может быть за¬
писана следующим образом:
511
/7(т) - У] ап 5(т т„) ехр(-Д,).
п О
Здесь импульсы 5(т) рассматриваются как сумма А + 1 лучей, при
этом амплитуды сигналов а„ могут быть приняты распределенными по
Редею, фазы 0„ — равномерно распределенными, а временные задержки
т„ — подчинены пуассоновскому процессу со средней скоростью прихода
лучей (средним количеством лучей в секунду) X.
Интенсивность (напряженность поля) луча описывается случайной
переменной с дисперсией Е(а„2), определяемой путем оценивания оги¬
бающей энергетического спектра задержек С(т). Соответственно, для
дискретной модели среднеквадратичный разброс задержек для опреде¬
ленного класса (субкласса) профилей определяется:
^,, = (Е(\ - <^>)2С(т,)/ЕС(х„))»Л
/Г-0 П—0
<т> = ^ т„ С(т„). (11.20)
л-0
Примеры многолучевых профилей задержек, имеющих место в раз¬
личных средах применения высокоскоростных методов доступа, с помо¬
щью которых рассчитываются характеристики описанных выше моделей,
иллюстрируются рис. 14.6, на котором показаны типичные случаи для
города средних размеров, сельских районов и холмистой местности.
11.7. АДАПТИВНЫЕ КОРРЕКТОРЫ
С РЕШАЮЩЕЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
С использованием вышеупомянутого аналитического подхода в
[11.22,11.25] получены зависимости вероятности ошибки от отношения
сигнал/шум в канале для приемников, содержащих АК с решающей
обратной связью (АКРОС). Достаточно сложные методы коррекции с
РОС моделировались с целью улучшения показателей более простых, в
частности линейных, слепых АК.
Применительно к профилям, показанным на рис. 14.6 и им подоб¬
ным, рассматривалась модель радиолинии с разбросом задержек до
нескольких десятков периодов символов (тгтКь> 10), скоростью пере¬
дачи 2 Мбит/с при ДФМ/ЦР8К, двукратным временным разнесени¬
ем передачи и широкополосным корректором с решающей обратной
связью. КРОС включал первый (селективный) фильтр (РРР — 1ееб-
512
Рис. 11.11
1ог\уагс1 Пкег) с 8-ю отводами и фильтр обратной связи (РВЕ — Гееб-
Ьаск ПКег), состоящий из двух трансверсальных фильтров с общим
количеством отводов 50. Кроме того, в корректоре, наряду с основ¬
ным РУ с мягким алгоритмом решения, использовалось еще одно,
дополнительное, мягкое задержанное (пробное, предварительное) ре¬
шение с целью минимизации т.н. ошибок размножения, свойственных
КРОС, принимаемое декодером Витерби помимо регистрации сигна¬
ла (рис. 11.11):
Данный метод назван коррекцией с мягкой/задержаниой РОС
(ЗБ/ОРЕ — зок/с1е1ауес1 с1еазюп 1еес1Ъаск ециаНгаиоп). Особенностями
такой модели также являются совместное с адаптивной коррекцией при¬
менение сверточного кодирования и объединение в общий пакет симво¬
лов информации вместе с синхросигналами в виде двух коротких ПСП,
используемых одновременно в качестве обучающих.
Набор указанных функций в сочетании с алгоритмами оценки для
обратной связи по максимуму апостериорной вероятности позволил
получить результаты по соотношению сигнал/шум при вероятности
сбоя пакета не более 1%, уступающие всего 1—2 дб идеальному КРОС,
т. е. оптимальному приемнику, упомянутому выше [11.25]. Символьная
вероятность ошибки Р0 определяется длиной пакета.
Одна из модификаций функциональной схемы нелинейного коррек¬
тора (компенсатора) с РОС изображена на рис. 11.12. Решение о пере¬
даваемых символах принимается здесь в два этапа. Предварительное
решение 2Х принимается на первом этапе работы (на выходе первого ре¬
шающего устройства РУХ). При этом компенсируется МСИ от предыду¬
щих посылок. Окончательное решение 22 принимается на втором этапе
компенсации. Из задержанного сигнала вычитаются МСИ (помехи) от
последующих символов по предварительному решению 2Х и от преды¬
дущих символов по окончательному решению 22.
В случае правильно принятых решений МСИ устраняются пол¬
ностью, как от предыдущих, так и от последующих символов. Однако
513
Рис. 11.12
ошибки, появившиеся на выходе первого решающего устройства, вызы¬
вают «ложную компенсацию», что снижает помехоустойчивость приема
последующих символов. Это приводит к группированию ошибок, для
борьбы с которыми следует использовать кодирование с перемежением
символов.
В [11.25] приведена также сравнительная таблица соотношений сиг¬
нал /шум (в дб), требуемых для обеспечения 1%-й вероятности ошибки
приема пакета с ДФМ/ЦР5К, которые получены для нескольких раз¬
личных схем КРОС и типов каналов/профилей. Таблица дает представ-
514
а) Временные* диаграммы входного сигнала.
1
<1,
1_П
ги
л_гг_п
в) Временные диаграммы сигналов на выходе отводов с, - ст
ггЛ_п
г) Временные диаграммы выходного сигнала линейного корректора.
515
Канал/профиль
Оптим.
РОС
(С-ОРЕ)
Мягкая задерж.
РОС (5/О-ОРЕ)
Жестк.задер.
РОС
(Н/О-ОРР)
Жестк.
РОС
(Н-ОРЕ)
Некоди-
рованный
сигнал
Гладкий фединг
8,6
9,8
11,3
11,8
16,6
2-лучевоп
7,9
9,2
9,9
11,6
16,8
Город
7,5
9,5
11,0
11,3
15,8
Холмы
7,7
9,0
10,0
12,1
16,7
ление о возможностях адаптивных корректоров с обратной связью (за¬
мирания в каждой ветви разнесения предполагаются распределенными
по Релею), см. табл.
В [11.26, 11.27, 11.28] рассматривались ДФМ/()Р5К и КРОС/БЕЕ
модемы для высокоскоростных каналов беспроводного доступа при раз¬
бросе задержек (тГИА), соизмеримом и превышающем длительность ин¬
формационных символов.
Анализ кривых и результатов моделирования показывает, что
С)РЗК/ БЕЕ модемами может быть обеспечена скорость передачи поряд¬
ка 13—20 Мбит/с, в частности, для МДВР/ТБМА мобильных систем.
При этом параметры модема слабо зависят от формы энергетического
спектра задержек, тогда как ДФМ модем без коррекции более подвер¬
жен этой зависимости.
Результаты расчета с использованием дискретной и непрерывной мо¬
делей слабо отличаются при нормализованной скорости прихода лучей
7ягш > 2, тогда как при малых скоростях прихода более точной является
дискретная модель профиля задержек.
Как следует из анализа, адаптивные корректоры, в особенности, с
решающей обратной связью, при соответствующих оптимизируемых
алгоритмах обработки, могут обеспечивать в пределе вероятность оши¬
бочного приема по битам от 10“4до 10 б, что позволяет, с определенным
запасом, при применении в ЛСС второй ступени кодирования (внут¬
реннего кода) передавать информацию с надлежащим качеством (при
Рош = НИ+Ю-11) в составе транспортного потока МРЕС-2,4/БУВ-5,52,
либо других высокоскоростных потоков.
516
ГЛАВА 12. ПОДАВЛЕНИЕ ПОМЕХ
С ПОМОЩЬЮ АДАПТИВНЫХ
ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК
Одной из основных задач в радиосвязи является защита от внешних
помех естественного и искусственного происхождения. Эффективным
решением этой задачи является применение фазированных антенных
решеток (ФАР). Создание антенных решеток с использованием прин¬
ципов адаптации позволяет, при отсутствии априорной информации о
помеховой обстановке, автоматически обнаруживать присутствие раз¬
личного рода посторонних воздействий и ослаблять их в той или иной
степени. Таким образом, с помощью адаптивных ФАР (АФАР) можно
существенно улучшить условия приема полезных сигналов.
АФАР включает в себя многоэлемептную антенную систему и адап¬
тивный процессор, который осущес твляе т ав томатическое формирова¬
ние диаграммы направленности (ДН). В такой системе подавление по¬
мех осуществляется за счет управления положением нулей ДН и умень¬
шения уровня боковых лепестков в направлении на источники помех.
При этом условия приема полезных сигналов не ухудшается, т. к. под¬
держивается неизменная форма главных лепестков антенны.
Адаптация в АФАР основана на использовании различия характе¬
ристик полезных сигналов и помех, при этом одним из наиболее важных
параметров различия являются углы прихода тех и других. Кроме того,
для эффективной работы АФАР необходимо знание и других различи¬
тельных признаков сигнала и помех. Структура адаптивного процессора
в значительной степени зависит от полноты априорной информации об
отличительных признаках.
Однако априорное различие между полезным сигналом и помехой
может быть не полным, отдельные параметры, такие как направление
прихода, амплитуда и фаза, обычно неизвестны и подлежат оценке. Ино¬
гда для лучшего различения в сигнал вводят априорно известные эле¬
менты, например, такие как определенные маркеры, т. е. комбинации
символов. Их наличие позволяет достаточно точно выделять полезный
сигнал и такую его характеристику, как направление прихода. Также хо¬
рошо можно распознавать сигнал, определив его несущую частоту, вид
модуляции, поляризацию и т.п. Если о сигнале известно практически
все, то можно обойтись без адаптивного процессора и на основе простых
расчетов определить данные весовых коэффициентов (некоторые вели¬
чины, как правило, комплексные) для формирования ДН в диаграм¬
517
мобразующей схеме (ДОС). Пример ДОС приведен ниже на рис. 12.16.
Однако детальной информации о сигналах и помехах в реальных ус¬
ловиях чаще всего нет и адаптивный процессор (АП должен обладать)
возможностью автоматической подстройки к различным изменениям
условий приема.
12.1. ТИПЫ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК
Антенные решетки (АР) представляют собой совокупность некото¬
рого множества отдельных, как правило, идентичных, элементарных ан¬
тенн, которые находятся в определенных фазовых соотношениях, что
обеспечивает излучение плоского фронта волны. Антенные решетки
классифицируют в зависимости от расположения элементов в простран¬
стве, их размещения, шага решетки, типа самих элементов. По геометрии
расположения элементов АР подразделяют на одномерные, двумерные и
трехмерные. К одномерным относят линейные, кольцевые, дуговые АР.
К двумерным — плоские и выпуклые решетки, наиболее распространен¬
ными из которых являются осесимметричные цилиндрические, кони¬
ческие и сферические. К трехмерным можно отнести решетки, постро¬
енные в виде выпуклых многогранников, на гранях которых размещены
плоские решетки.
Плоские решетки имеют ограниченный сектор направленности, не
превышающий ±(40 — 50)°, и являются сравнительно узкополосными.
Однако, линейные и плоские ФАР получили наибольшее распростра¬
нение. Большинство плоских ФАР состоят из идентичных излучателей,
расположенных в узлах координатной сетки с двойной периодичностью.
Расстояние (I между элементарными вибраторами в таких антеннах вы¬
бирают, как правило, меньшим или равным половине длины волны, что
обеспечивает наилучшую форму диаграммы направленности.
Линейные решетки
Линейная решетка состоит из элементов, расположенных на прямой
линии и формирует или принимает волну с плоским фронтом, благода¬
ря соответствующим фазовым соотношениям. Тогда сигнал в такой АР,
состоящей из N элементов, можно представить в виде векторной суммы
сигналов от отдельных слабо направленных элементов, с учетом фазо¬
вого сдвига:
п
КО = ]Сх(Оехр[;(г-1>|/], (12.1)
ьл
518
где у = 2п(сI/Х0)зтв; 0 — угол между нормалью к оси антенны и при¬
ходящим сигналомх({), ъй- расстояние между элементами решетки.
Диаграмма направленности (или множитель решетки) в плоскости
АР может быть записана как:
Ж0) = 5^ехР1УО’“1)И
/-1
519
Рис. 12.3
а нормированная ДН в этой плоскости, измеряемая в децибеллах, име¬
ет вид:
С(0) = 1О1(»)|Л(0)|2 / Л?!}.
Если ввести нормирующий множитель М то можно получить выра¬
жение для нормированного пространственного множителя решетки:
С»(в) = ^(у) = |яп-^|/|Л?81п^|.
520
и
Рис. 12.4
Множитель решетки является периодической функцией с периодом
2я. Таким образом, диаграмма направленности антенной решетки име¬
ет многолепестковый характер в виде чередующихся главных и боковых
лепестков. Зависимость нормированного множителя АР от обобщенной
координаты ц//2 при N=24 приведена на рис. 12.2 для интервала от
-я / 2 до я / 2.
Если элементы решетки обладают направленными свойствами, то в
общий множитель решетки необходимо ввести дополнительный множи¬
тель, характеризующий ДН ее элементов. Этот дополнительный множи¬
тель запишем какЕ(/о,0). Таким образом, диаграмму направленности
АР можно найти, полагая все ее элементы ненаправленными, и затем ум¬
ножая эту диаграмму на ДН отдельных элементов исходной решетки.
На рис. 12.3 представлена диаграмма направленности линейной ан¬
тенной решетки, при этом на рис. 12.3 а сплошной линией изображен
множитель решетки, а пунктирной — ДН одиночного, слабо направлен¬
ного излучателя. На рис. 12.3 б приведена результирующая диаграмма,
представляющая собой произведение множителя решетки на диаграмму
одиночного излучателя. Как видно из этого рисунка, даже слабонаправ¬
ленный излучатель уменьшает боковые лепестки АР.
521
а
Ь
Рис. 12.5
522
(<1В)
Влияние расстояния с1 между элементами решетки показано на
рис. 12.4, где величина лепестков выражена в дБ, а по оси абсцисс отло-
X
жена величина и = тп— при различных т.
Линейная решетка называется стандартной при Л = Х/2.
Множитель решетки имеет максимальное значение при 0 = 0 или
0 = к2п , то есть, когда все комплексные векторы параллельны друг дру¬
гу, или при 2я(г//А,о)зт0 = 2л/./V, что эквивалентно направлению 0^
определяемому как з1п04 = (Х0 / с!) / N. Так как длина решетки равна
1 = (Ы - 1 )с1, то, соответственно 0, = агсзт[А,0 / (I + с1)\.
На рис. 12.5 а, Ь показаны диаграммы направленности 7-элементной
решетки при отношениях с1 / X = 0,5 и (I / Х0 = 1. На этих диаграммах
по вертикали отложены значения коэффициента передачи в дБ, а по го¬
ризонтали азимутальный угол в градусах. Как видно, когда отношение
достигает й / Х0 = 1, то боковые лепестки при 0 = ±90° обладают таким
же усилением, что и главный лепесток, т.к. все вектора сигнала от эле¬
ментов параллельны друг другу и суммируются когерентно.
Теперь предположим, что в линейной 7-элементной решетке сумми¬
рование сигналов с выхода элементов осуществляется с фазовым сдви¬
523
гом (с первого элемента сдвиг равен 0, со второго элемента — 5, с послед¬
него — ^ -1)8). Введение таких фазовых сдвигов приводит к смещению
лепестков решетки на угол
0 = агс8т[^-(^2-)5].
2к а
Смещение ДН при 8 = 30° для решетки с й / \ = 0,5 показано на
рис. 12.6.
Сравнивая рис.12.5 а и рис. 12.6, замечаем, что, изменяя фазовые
сдвиги, можно управлять диаграммой направленности.
В неэквидистантной линейной решетке положение г-го элемента оп¬
ределяется как:
б/. —(г/2 + 6
где с/ — некоторое базовое межэлементное расстояние, а е1 — отклонение
положения элемента данной решетки от положения соответствующего эле¬
мента в эквидистантой решетке с расстоянием й. Нормализованная диа¬
грамма направленности для такой решетки может быть записана в виде
А = -У со5[(-^ + е,)г/,
2 '
где и = 2п(с1 / X) зт 0.
Это выражение может быть несколько изменено, а именно:
А = Аи --^-^[зте^зт/•^• + (1 -со8е.м)со5г-^-],
где Аи — ДН эквидистантной решетки с межэлементным расстоянием й.
Такой метод основан на использовании соответствия между неэк¬
видистантной и эквидистантной АР, что дает наилучшее, по средним
квадратическим значениям, приближение характеристик исходной не¬
эквидистантной решетки.
Плоские двухмерные решетки
В такой решетке в направлении х имеется Nх элементов, располо¬
женных на расстоянии с1хдруг от друга, а в направлении у — эле¬
ментов, расположенных соответственно на расстоянии с1и. Общее число
элементов в решетке будет Ых:Ы1 ■
Длина пути между двумя соседними элементами в линейной решет¬
ке в плоскости падающей волны равна А/ = <^зт0. Фазовая разность
может быть записана как Дц/ = &ог/зт0, а фаза элемента к относитель-
524
Рис. 12.7.
но элемента 1, будет иметь вид фЛ = к0(к - 1)с1 з\пв, где к — 1, 2,..., К, а
= 2п/X .
Для элемента решетки (&, 1) разность длины пути относительно эле¬
мента (1,1) при плоской падающей волне представим в виде:
Д1Ы =(к- 1 )йх 31П0СОЗф + (/ - 1 )с1у 8Ш08Шф.
Фаза элемента решетки (к, 1) относительно элемента (1,1) будет:
уы = к0 (к -1 )с1х зш 0 соз ф + к0 (/ -1 )с1у зш 0зт ф.
Тогда результирующую диаграмму направленности плоской решет¬
ки запишем в виде векторной суммы для всех составляющих элементов
решетки как:
К I
Л(0,ф) = ехр{;[^0(к - \)с!г зт0созф + к0(1 -1 )с1у зт0зтф]}.
/•=1 /=1
В этом выражении не учтен множитель, характеризующий ДН еди¬
ничного элемента решетки ЛД0,ф).
Для плоской АР диаграмму направленности можно представить в
виде произведения двух множителей линейных решеток:
л<е,ф)=(в.фМ^е.ф).
525
526
Таким образом, диаграмма плоской решетки состоит из произведе¬
ния ДН двух линейных антенных решеток, которые размещены вдоль
координатных осей хну. Точно так же, в такой решетке можно управ¬
лять диаграммами направленности, создавая необходимые фазовые
сдвиги для диаграмм, расположенных по осям хну. Требования к вы¬
бору межэлементных расстояний , остаются такими же, как и в
линейных решетках.
Нормализованный множитель плоской антенной решетки можно
записать в виде:
Л(0,ф):
8т(Я“<~-8т(в)соь(ф)| мп|я " 8т(0)5т(ф)|
л. х
К(1 . /пч , ч К(1и
Я—— 8Н1(0)сО8(ф) Я 5Ш(0)5П1(ф)
Л. х
В этом уравнении полагается, что количество элементов решетки по
горизонтали и вертикали одинаково, т. е. /. - К.
В плоской АР можно управлять диаграммами направленности
Ад.(0,ф) и АДО.ф) , создавая соответствующие фазовые сдвиги для эле¬
ментов в столбцах и строках.
На рис. 12.8 показаны пунктирной линией множитель плоской ре¬
шетки, сплошной линией — диаграмма направленности решетки и тон¬
кой сплошной линией — диаграмма направленности элемента решетки
в плане ф = 15°для <1Х —й = Х/2.
Рисунок приведен для квадратной решетки с числом элементов
8x8.
Для такой же плоской решетки на рис. 12.9 приведена подобная диа¬
грамма направленности при с1х=с1у=Х и ф = 15°.
При ф = 45° (угол по азимуту) плоская АР проецируется в линейную
решетку, как показано на рис. 12.10.
В этом случае диаграмма направленности может быть записана в
следующем виде:
Д(0,ф)«[-
81П(л
м.
-51
т(0)|ч/2)
я^^-81п(0) —72
X 2
]2.
и выглядит как ДН линейной решетки, что показано на рис. 12.11. Диа-
К(1.
грамма построена для случая, когда —- принимает значение, рав-
X
ное 14.
527
Рис. 12.10
528
<и>°
Рис. 12.13
529
X
Рис. 12.
14
Рис. 12.15
530
Для того же случая, но при изменении угла 0 на 18 градусов, диа¬
грамма смещается вправо, как показано на рис. 12.12.
Вообще, проектируя все элементы этой решетки в плоскости <р, мож¬
но рассматривать плоские решетки как линейные, что иллюстрируется
рис. 12.13 и 12.14 для о = 0 и 0е < <р < 45=, соответственно.
Диаграмма направленности плоской АР при Л'= I — 10 в трехмер¬
ном пространстве, при линейной вертикальной шкале, в зависимости от
величин и.. =§1П0со5р и и.4 = $т6$тф. приведена на рис. 12.15.
12.2. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА АДАПТИВНОЙ
АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
.Адаптивная ФАР должна состоять из самой решетки, включающей
некоторое число элементов .V, днаграммообразующей схемы (ДОС) и
адаптивного процессора (АП), (см. рис. 12.16) Приведенные здесь анализ
процессора, максимизирующего отношение сигнал/помеха и иллюст¬
ративные примеры основаны на результатах работ [12.1, 12.2]. Сигналы
от каждого элемента решетки поступают на диаграммообразующую схе¬
му и на адаптивный процессор. В каждой ветви блока ДОС они умно¬
жаются на комплексные весовые коэффициенты, вычисляемые в АП, и
после сумматора поступают на выход. Весовые коэффициенты влияют
на результирующую диаграмму направленности (естественно, что это
влияние определяется также характеристиками элементов решетки и
их расположением).
АП обычно состоит из процессора сигналов и устройства, реали¬
зующего алгоритм управления. Специфика выполнения основных эле¬
ментов системы зависит от реальных условий ее работы, характеристик
помеховой обстановки, типа полезного сигнала и знания его характе¬
ристик. Для практической реализации потенциальных возможностей
основные элементы системы должны выбираться таким образом, чтобы
она удовлетворяла нескольким различным требованиям и, естественно,
при этом была бы простой и недорогой. Кроме того, адаптивная решетка
должна иметь необходимое быстродействие, чтобы обеспечивать слеже¬
ние за меняющейся помеховой обстановкой. При этом следует опреде¬
лять оптимальное соотношение между скоростью слежения и точностью
адаптации.
На рис. 12.16 приведена обобщенная типовая схема М-элементной
АФАР. Обычно рассматривают два режима работы: переходной и устано¬
вившийся. Требования к этим режимам, как правило, различны. Пере¬
ходной режим — это промежуток времени, необходимый для подстройки
531
Рис. 12.16
адаптивной схемы, после него следует рабочий, установившийся режим,
в течение которого происходит лишь незначительная адаптация к отно¬
сительно медленно меняющейся ситуации на входе АФАР.
Параметры сигнала, поступающего на элементы решетки в раз¬
личные моменты времени, определяемые направлением прихода и
расположением этих элементов, меняются во времени. При этом при¬
нимаемый сигнал имеет модулированную (манипулированную) несу¬
щую и передаваемая информация заключена в его комплексной оги¬
бающей.
В линейной эквидистантной антенной решетке в идеальных услови¬
ях распространения зк(() определяется направлением прихода полезно¬
го сигнала. Если же направление приходящего сигнала составляет угол
0 относительно равносигнального направления, то для узкополосного
сигнала можем записать:
5Д0 = *(0ехр[;^у^зте], О2-2)
где с1 — межэлементное расстояние, X — длина волны, имеющей пло¬
ский фронт.
Выходной сигнал'адаптивной антенной решетки в соответствии с
рис. 12.16 будет иметь вид:
532
(12.3)
л;
у(С) = ^2^кХк{1).
к-1
Выражение (12.3) можно представить в матричной форме:
у{1) = й>гхк(1) = хтЕ\
где Т обозначает операцию транспонирования, а векторы и V опре¬
деляются как:
й'т =[а»1ю2...а>Л,], (12.4)
х7 = [х1х2...хы]. (12.5)
Главной задачей адаптивного процессора является подстройка весо¬
вых коэффициентов по некоторому критерию оптимальности. Так, если
главной задачей считается подавление помех путем создания нулей диа¬
граммы направленности, то в современных условиях можно достичь ве¬
личины подавления в пределах (60- 80) дБ.
В связи с прогрессом в области микроэлектроники устройства ДОС
и СП могут быть построены на основе цифровых сигнальных процессо¬
ров, изменяющих алгоритмы работы в зависимости от условий, в кото¬
рых работает АФАР.
12.3. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИЕМА
СИГНАЛА ЗА СЧЕТ НАСТРОЙКИ ДИАГРАММЫ
НАПРАВЛЕННОСТИ
Посредством управления весовыми коэффициентами в антенной
решетке можно получить одновременное формирование нескольких
(многих) лучей ДН и сформировать ряд «нулей» для подавления по¬
мех. Покажем это на примере двухэлементной решетки, состоящей из
двух ненаправленных элементов, разнесенных на величину с( = Х0 /2 и
принимающей сигнал по направлению нормали к прямой, соединяющей
эти элементы [12.2].
Пусть помеха поступает под углом к нормали 0 = п / 6. Будем также
полагать, что помеха и сигнал имеют одинаковую частоту /0 и совпада¬
ют по фазе в точке, расположенной в центре решетки. Такая антенная
система приведена на рис. 12.17.
Сигналы от антенн поступают на весовые усилители, у которых
комплексные коэффициенты передачи могут менять свое значение.
После усилителей полезный сигнал р{1) и помеха Щ) через сумматор
533
Рис. 12.17
поступают на выход системы и их сум¬
му можно записать в виде:
Рех РОСТОК»’, +Щ) + КЩ+^а)]-
По отношению к центру раскрыва ан¬
тенн помеха появляется с опережением
по фазе, равном л / 4, и с отставанием по
фазе на —л / 4 во втором усилителе. Сле¬
довательно, помеху на выходе сумматора
можно записать как
Лгехр[Дсо0^ - л / 4)]0', + ]т2) +
+Дг ехр[;(со0^ + п/ 4 )03 + ).
Тогда, чтобы составляющая помехи
на выходе сумматора обратилась в нуль,
необходимо выполнить условия:
щ + Т02 + щ - ы\ — О,
-тх + и>2 + ге'з + и\ = 0.
А для того, чтобы относительный вы¬
ходной уровень сигнала не изменялся по сравнению с входным, необхо¬
димо чтобы выполнялось следующее условие:
и\ + щ = 1, т2 + тюА = 0.
Решая совместно эти уравнения, получим значения весовых коэф¬
фициентов, при которых помеха будет подавлена, и на выходе сумматора
будет присутствовать только полезный сигнал:
щ = 0,5 т2 = -0,5 щ - 0,5 и>4 - 0,5.
Этот примитивный пример, естественно, нельзя использовать в ре¬
альной ситуации, т. к. при его рассмотрении было сделано слишком мно¬
го допущений. На самом деле обработка сигналов не может быть основа¬
на на знании столь подробной информации о сигнале и помехе. Однако,
здесь показано, что путем настройки весовых коэффициентов принци¬
пиально возможно подавить помеху на выходе решетки.
На практике же должны использоваться адаптивные методы расче¬
та и настройки весовых коэффициентов, при этом главным критерием
является правильный выбор управляющего воздействия, т. е. отличи-
534
тельных признаков помехи. Некоторые из таких методов рассматрива¬
ются ниже.
12.4. ПРИНЦИПЫ ПОДАВЛЕНИЯ ПОМЕХ В АФАР
Одна из основополагающих схем подавления помех приведена на
рис. 12.18. Полезный сигнал 5 после передачи по линии связи поступает
на антенны вместе с некоррелированной с ним помехой п0. Смесь сигна¬
ла и помехи попадают на один из антенных элементов устройства подав¬
ления помех. На вторую антенну приходит только помеха щ, не корре¬
лированная с сигналом, т.к. сигнал 5и помеха ^поступают на антенные
элементы под разными углами. При этом помехи могут иметь некоторую
степень корреляции.
Далее помеха ^поступает на адаптивный фильтр (АФ), на выходе
которого формируется некоторый сигнал У, приблизительно представ¬
ляющий копию помехи п0. В общем случае сближение того и другого в
адаптивном устройстве достигается с помощью сигнала ошибки, кото¬
рый поступает на АФ с выхода сумматора, на входы которого поступают
5 + п0 и -У. Так как в адаптивном фильтре сформирован сигнал У « п0,
то на выходе сумматора должен быть только сигнал 5.
Таким образом, в адаптивном устройстве будет происходить обра¬
ботка смеси полезного сигнала и помехи в изменяющихся условиях,
посредством настройки его передаточной функции по сигналу ошиб¬
ки в соответствии с заданным критерием, например, методом наи-
Рис. 12.18
535
меньших средних квадратов. При рассматриваемом условии прихода
полезного сигнала и помех на разные элементы АР нет необходимости
в априорных сведениях о сигнале и помехе, в то же время выходной
сигнал имеет наилучшее, в некотором смысле, приближение к полез¬
ному сигналу 5. Отметим также, что в процессе анализа не было ого¬
ворено, что адаптивный фильтр обязательно сводится к линейному
фильтру.
Таким образом, на простом примере показана возможность подавле¬
ния помех, случайных или детерминированных, с помощью адаптивной
фильтрации.
Факторы, влияющие на эффективность подавления помех
Главным показателем подавления помехи на выходе приемной АР
будем считать отношение мощности помехи к собственному шуму при¬
емника, в зависимости от частоты. Если, согласно примеру простейшей
двухэлементной решетки (рис. 12.19), обозначить поступающий под уг¬
лом 0 сигнал помехи на выходе первого элемента решетки как $((), то
сигнал на выходе второго элемента можно записать в виде н(( + х), где
т = / я)5тв и V — скорость распространения волнового фронта, а с1 ~
расстояние между элементами решетки. Взвешенные приходящие сиг¬
налы суммируются, образуя выходной сигнал
у{1) = а',$(0 + щз(С + т).
Или, в частотной области, (12.6) будет иметь вид:
= 5(о.’)((а»1 + а»2 ехр(-усох)].
(12.6)
(12.7)
$(Н-Т)
Рис. 12.19
536
Из (12.7) видно, что для подавления помехи на частоте /. необхо¬
димо чтобы:
г2 = -гг, ехр(У(о0т). (12.8)
Если выбрать гг, и щ так, чтобы удовлетворялось (12.8), то помеха на
любой частоте может быть представлена в виде:
К(со) = 5(со)гг,{1 - ехр[-;т(со - со0)]}. (12.9)
Обозначим спектральную плотность помехи Р) = |5(о>)(‘, а спектраль¬
ную плотность собственного шума в каждом канале как Рх . Тогда общая
мощность помехи на выходе решетки будет иметь вид:
/> (со) = 2|»',|2 {1 - С05|т(ш -со„)|)Р; + 2|а,|2 Рх. (12.10)
Так как спектральная плотность собственного шума канала будет
равна Рп = 2|гг,| Ры, то, разделив обе части (12.10) на Рп, получим выход¬
ное отношение суммарной мощности помеха+шум/шум:
Р°Ги1 1 . {1-с051т((о-(о„ )!)/>,
К Рх
(12.11)
В (12.11) отношение Р] / Ру есть отношение помеха/шум в канале. На
центральной частоте Р0 / Р!^ = 1 (0 дБ). Если помеха имеет не нулевую
полосу, то подавление помех имеет вид, представленный на рис. 12.20.
На этом графике по оси абсцисс отложена частота в МГц. В соответ¬
ствии с (12.11), для двух значений мощности помехи 30 и 40 дБ с поло¬
сой частот 10 МГц, при 0 = 90° и расстоянии между элементами решет¬
ки, равном половине длины волны, показана зависимость подавления
537
от ширины полосы частот помехи. Из (12.11) также следует, что область
частот, для которых подавление Р0 /РЛ, & 0дБ, уменьшается обратно
пропорционально увеличению расстояния между элементами решетки
с1 и синусу угла визирования помехи.
Таким образом, степень подавления помехи зависит от трех основ¬
ных факторов: межэлементного расстояния, ширины полосы частот по¬
мехи и частотно-зависимого рассогласования в полосе частот помехи.
Эффект, связанный с задержкой распространения фронта падающей
волны, определяется как:
т = (й? $ш 0) / V. (12.12)
Пусть одиночная помеха располагается под углом 0 относительно
нормали к двухэлементной АР и имеет симметричный спектр плоской
формы шириной В Гц. В этом случае отношение Р0 / Р}, где Р0 — выход¬
ная мощность с учетом подавления помехи, можно записать в виде:
о _
= 1
$\и2(пВт)
(12.13)
.) (пВт)2
Тогда можно подсчитать, что при Вт = 0,001 подавление будет дости¬
гать 55 дБ, а увеличение Вт до 0,01 приводит к уменьшению подавления
до 40 дБ, и соответственно при увеличении Вт до 0.1 уменьшает подав¬
ление до 20 дБ. То есть, отношение Р0 / Р} увеличивается с ростом с1 и
ширины полосы частот помехи. Однако существуют методы компенса¬
ции задержки распространения с применением линий задержки и соот¬
ветствующими весовыми коэффициентами в такой схеме АФАР. Здесь
же приведен простейший случай, для того, чтобы продемонстрировать
влияние некоторых факторов на подавление помех.
12.5. ПОДАВЛЕНИЕ ПОМЕХ ПУТЕМ
ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ФИЛЬТРАЦИИ
Рассмотрим еще один пример подавления помехи в адаптивной ан¬
тенной решетке, основанный на пространственной фильтрации, кото¬
рая заключается в автоматическом определении направлений прихода
сигнала и помехи. В этом случае формируется дополнительная ДН с
максимумом, направленным на источник помехи, с последующим вы¬
читанием (компенсацией) этой ДН из исходной. Принцип такого фор¬
мирования нуля на источник помехи показан на рис. 12.21. При этом
принимается, что максимум дополнительной ДН автоматически ори¬
ентируется на источник помехи под некоторым управляющим воздей-
538
стпием, получаемым на основе знания признаков, отличающих помеху
от полезных сигналов.
Для формирования такой дополнительной диаграммы требуется за¬
держать сигналы помехи с выхода каждого элемента решетки гак, что¬
бы обеспечить одновременное появление принятого сигнала па выходах
всех элементов задержки. Так как время задержки для узкополосных
сигналов эквивалентно фазовому сдвигу (с точностью ±2п ), то ус трой¬
ства задержки можно заменить фазовращателями. При этом фазовый
сдвиг, обеспечиваемый на выходе каждого элемента решетки, должен
быть равен фазе принимаемого каждым элементом сигнала, но при этом
взят с обратным знаком. Данное требование называется условием фазо¬
вого сопряжения [12.1]. Такое сопряжение можно получить с помощью
диаграмма направленности,
формируемая при приеме
Рис. 12. 21
539
обычного смесителя, причем, если на выходе смесителя выделяется сиг¬
нал разностной частоты, то частота синусоидального сигнала, создавае¬
мого гетеродином, должна быть выше частоты принимаемого сигнала
или равна ей.
Рассмотрим теперь, как можно получить весовые коэффициенты в
адаптивных антенных решетках для формирования дополнительной
диаграммы направленности с максимумом в направлении на источник
излучения. Для этого используется, например, корреляционный интер¬
ферометр [12.2].
Если одиночный точечный источник сигнала, расположенный под уг¬
лом 0 относительно нормали к раскрыву антенной системы (рис. 12.22),
излучает волновой фронт, который поступает на антенны А и В с разно¬
стью фаз V, то эту разность фаз можно записать в виде:
С/ = (2л</А)5те, (12.23)
где <1 — расстояние между фазовыми центрами антенн, а X — длина
волны.
540
Через усилители промежуточной частоты (УГ1Ч) с помощью смеси¬
телей и гетеродина сигналы преобразуются на более низкую частоту, ко¬
торая удобна для дальнейшей обработки, с условием сохранения тех же
амплитудно-фазовые характеристики, что и у сигналов на входе. Затем
в одном из каналов с помощью смесителя и генератора опорной частоты
образуется сигнал с несколько большей частотой. Если комплексный
сигнал с антенны В на выходе УПЧ представить в видех,, то его веще¬
ственную часть можно записать как
где Ь — амплитуда принятого сигнала; со — промежуточная частота; V —
опережение по фазе сигнала антенны В относительно сигнала с выхода
антенны А.
Теперь, если представить комплексный сигнал с антенны А как х,,
то вещественная часть этого сигнала может быть записана:
х, =асо5[(и> + да0)г + ф0], (12.25)
где а — амплитуда сигнала с выхода антенны А, со + оо0 - вторая проме¬
жуточная частота и ср0 — постоянный сдвиг опорной частоты в тракте
сигнала А.
Сигналы х, и х2, подаются на смеситель, который выделяет колеба¬
ние разностной частоты со0, которая значительно ниже частот сигналов
в трактах УПЧ. На выходе этого смесителя получается сигнал, который
имеет вид:
где х2* — комплексно сопряженное значение х2. Этот сигнал поступает на
полосовой фильтр с центральной частотой со0 и достаточно большим коэф¬
фициентом усиления, после чего для увеличения отношения сигнал/шум
интегрируется узкополосным фильтром с высокой добротностью. Огибаю¬
щую выходного сигнала этого фильтра можно записать как:
Таким образом, на выходе интегрирующего фильтра формируется
комплексный сигнал, амплитуда которого пропорциональна произве¬
дению амплитуд сигналов, принятых на антенны Л и В, а фаза равна
разности фаз этих сигналов и является сопряженной с фазой сигнала,
принятого антенной В относительно антенны А. То есть, на выходе ин¬
х2 = 6соз((о^ — {/),
(12.24)
Ке(х,х2) = — соз((о(/ + Ф0 - V),
(12.26)
(12.27)
541
тегрирующего фильтра формируется взаимно корреляционная функция
сигналов, принятых антеннами А и В, которая содержит необходимую
информацию для формирования адаптивных весовых коэффициентов
дополнительной диаграммы направленности с максимумом на источник
сигнала. В частности, подобные операции происходят в адаптивной ан¬
тенной решетке с процессором Хауэлса-Аппельбаума [12.3,12.4].
12.7. МНОГОЭЛЕМЕНТНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА
Прежде чем перейти к многоэлементной АР, рассмотрим двухэле¬
ментную решетку с одним контуром адаптации Хоуэлса-Аппельбаума.
Такая решетка приведена на рис. 12.23.
В этой решетке на входы антенн поступают сигналы лг,и х2, а на
выходе формируется сигнал у = + щх2. Сигналы управления ДН
Ь1,Ьл2 , предназначенные для установления ее максимума при приеме в
некотором азимутальном направлении, поступают на соответствующие
542
Рис. 12.23
смесители. Весовые коэффициенты а1,,гг,через смесители подаются на
сумматор, с выхода которого и образуется сигнал у. Для упрощения в
этой схеме не изображены входящие в систему гетеродин, буферные уси¬
лители УПЧ и полосовые фильтры.
Сигналы Ь\,Ь2 вводятся на некоторой опорной частоте <о0. Весовой
коэффициент гг, первого элемента решетки не адаптируется, а устанав¬
ливается равным значению сигнала управления диаграммой Ь[. Весо¬
вой коэффициент гс2 второго элемента решетки является адаптивным и
равен разности между сигналом управления Ы, и выходным сигналом
г, интегрирующего К.С-фильтра. В случае, когда полезный сигнал от¬
сутствует и имеется только собственный шум приемника, весовой ко¬
эффициент гг2 имеет некоторое стационарное значение, которое обозна¬
чим л)я. При этом весовые коэффициенты гг, и гг должны быть таки¬
ми, чтобы обеспечивалась ориентация максимума ДН в направлении
0О. Определим значения этих весовых коэффициентов с единичными
амплитудами в виде:
Щ = ехрОЧ), = < = ехр(-Д/0),
где и0 = (яг/ / ^)5Ш0О.
С использованием этих весовых коэффициентов можно записать ис¬
ходную стационарную диаграмму направленности:
СД0) = 0.5{ехр[Дм - и0)] + ехр[-;'(и - и0)]} = со з(и - и0),
где г/ = (яг/ /А)$т0, а 0 — азимутальная координата в дальней зоне.
В этом случае величина Ь[ не меняется и остается равной гг,, а значение
Ь2 должно иметь вид:
Ь'2=с2&(/=с2 ехр(-;гг0),
где с2 — некоторый коэффициент пропорциональности, определенный
ниже.
Будем полагать, что входные сигналы двух элементов решетки со¬
стоят из шумов канала щ,п2 и статистически независимых сигналов у,
источника узкополосной помехи, расположенной под углом 0..
Далее можно показать, что оптимальное значение весового коэффи¬
циента, обеспечивающее минимизацию выходного шумового напряже¬
ния, имеет вид:
_(»’!*! )*2 _Щ(Х1Х'2)
2 ’
543
№В) (сШ)
Рис. 12.24
Заметим, что черта сверху в этих выражениях, указывает на то, что
они усреднены в соответствии с полосой пропускания при замкнутой
цепи обратной связи. Важно отметить, что оптимальное значение щт —
это нормированное значение весового коэффициента, при котором фор¬
мируется диаграмма направленности с нулем в направлении на внеш¬
ний источник помехи.
544
Рассмотрим пример адаптации такой решетки при отношении мощ¬
ности помехи к мощности собственного шума приемника РЯ1 = 100 для
полосы пропускания канала шириной 5МГц, минимального значения
коэффициента передачи, равного 1 в контуре управления и постоянной
времени интегрирующего фильтра т0 = 6,37• 10 сек. Будем полагать,
что оба элемента решетки являются ненаправленными и имеют расстоя¬
ние (1 = X / 2, а начальное значение гюг соответствует направлению на ис¬
точник полезного сигнала с 0О = 0.
Изменения нормированной диаграммы направленности двух¬
элементной антенной решетки в процессе адаптации приведены на
рис. 12.24 я, Ь, с, й, е.
Здесь пунктирными кривыми показаны ДН в стационарном режиме.
Последовательность графиков иллюстрирует постепенное формирова¬
ние адаптивной диаграммы с нулем в направлении на источник поме¬
хи с 0, = 15° . Рис. 12.24 а соответствует времени от начала адаптации
г = 20 мкс, рис. 12.24 Ь — I — 50 мкс, рис. 12.24 с — 100 мкс, рис. 12.24 У —
200 мкс и рис. 12.24 е соответствует установившемуся режиму. Как вид¬
но, даже в такой простой решетке удается подавить помеху не менее чем
на 30 дБ в течение 200 мкс.
Л^-элементная адаптивная решетка
с контурами адаптивного управления
Рассмотрим многоэлементную АР на примере 6-элементной решет¬
ки с соответствующими контурами адаптации. Эта решетка [12.2] при¬
ведена на рис. 12.25.
Вектор сигнала от элемента решетки обозначим, как и раньше, через
х, в котором некоторая к-я составляющая состоит из собственного шума
канала приемника пк, с которым суммируются помехи от I внешних уз¬
кополосных источников. Тогда:
хг =(х},х2,...,хы),
(12.28)
гдехк -■= щ + СХР1 М2к - ^ -1),щ = (пс1 / Х)ып0..
I I
При этом полагается, что источники помех являются статистиче¬
ски независимыми, а у характеризует уровень помехи в отдельных ка¬
налах решетки при воздействии г-го источника помех. Азимутальная
координата 0, этого источника отсчитывается от направления норма¬
ли к раскрыву решетки, а фазы сигнала — от геометрического центра
антенной решетки. В исходном состоянии, когда воздействуют только
545
собственные шумы приемника, результирующая диаграмма направлен¬
ности имеет вид:
Сйф) = ехР\Ки ~ Щ)№ -N-1)}, (12.29)
А- 1
где адаптивные весовые коэффициенты стремятся к стационарным ус¬
тановившимся значениям = (а^. ) , а величины и\и опреде¬
ляются как те = акехр[-;и0(2к-И -1)\. При этом и0 = (2я<^/1)ып0о.
Значение коэффициентов ^необходимо подбирать таким образом,
чтобы результирующая диаграмма направленности имела и заданную
форму. Выходной сигнал для данной 6-элементной АР можно записать
в виде
7 — 1
Составляющие вектора управления диаграммой направленности ан¬
тенной решетки Ь*т =(Ь{,связаны с весовыми коэффициентами
соотношением Ьк = скш% .
Выходное напряжение корреляционного смесителя можно записать
как произведение сигнала к-то элемента хк и суммарного выходного сиг¬
нала:
546
.V
г-1
Математическое ожидание х*хг по определению равно корреляци
онной матрице входных сигналов: Ки ^ |?(.г\7г).
При отсутствии полезного сигнала корреляционную матрицу К
можно записать в виде суммы матрицы собственных шумов приемника
Кш,„ и матрицы внешних помех К,ш : Н1Ш - Кп% I.
I I
Затем формируется матричное дифференциальное уравнение для
адаптивных весовых коэффициентов:
— //7/?}
ь'=ч-^ + (1 +уЮ*. 02.:и>
где / — единичная матрица; у --- кгС параметр, характеризующий ко¬
эффициент передачи смесителя и кош ура управления (полагается иден¬
тичным для всех контуров); т„ постоянная времени интегрирующего
фильтра.
Для решения (12.31) необходимо привести к диагональному виду
К, 112.2].
Некоторая матрица С), обеспечивающая необходимую диагоиализа-
цию, является ортогональной. Диагональные элементы преобразован¬
ной матрицы равны собственным значениям матрицы НШ), нормирован¬
ные собственные вектора которых взаимно ортогональны. Составляю*
Рис. 12. 26
547
щие собственных векторов можно рассматривать как весовые коэффи¬
циенты элементов решетки, формирующих «собственные» диаграммы
направленности, ортонормированные собственным векторам.
Далее из решения уравнения, корни которого г],г2,...гх , соответст¬
вуют нулям каждой собственной диаграммы направленности, следует,
что адаптивные антенные решетки формируют диаграммы с нулями в
направлении на источники помех. Причем они способны формировать
Ы-1 нулей, независимых друг от друга, положение которых можно из¬
менять с помощью весовых коэффициентов.
Приведем пример адаптации 8-элементной АФАР 112.1], показанный
на рис. 12.26.
Этот рисунок характеризует подавление помех, расположенных под
углами 01 =18° и 02 =22°. Помехи имеют примерно одинаковые соот¬
ношения с шумом, равные, соответственно, 1250 и 1200. При этом соб¬
ственные значения А,, и Х2ковариационной матрицы существенно раз¬
личаются вследствие того, что помехи имеют малое угловое расстояние
между собой, по сравнению с шириной ДН в стационарном состоянии.
На этом же чертеже видно, чем отличаются диаграммы направленности
в стационарном состоянии и в установившемся состоянии после адапта¬
ции. Основные лучи после адаптации практически остались без изме¬
нения (особенно главный луч). Произошел сдвиг лишь боковых лучей
и то только в местах, где подавлялись помехи, а также произошел сдвиг
боковых лучей в левой части.
548
На рис. 12.27 показана установившаяся диаграмма при адаптации
I! случае подавления четырех помех. Там же пунктиром приведена ис¬
ходная диаграмма направленности. Заметим, что на четыре источника
помех приходится четыре нуля ДН из семи возможных. Такое большое
число принудительно расположенных нулей приводит к заметному ис¬
кажению. как главного лепестка, так и боковых лепестков ДН.
Можно показать, что результирующая диаграмма адаптивной ре¬
шетки может быть представлена в виде двух составляющих -- стацио¬
нарной ДН и диаграммы в виде взвешенной суммы ортогональных соб¬
ственных диаграмм.
Одной из основных задач в адаптивных фазированных антенных ре¬
шетках является достижение максимальной скорости сходимости при
настройке весовых коэффициентов. Такие алгоритмы, как метод мини¬
мальной среднеквадратичной ошибки (МСКО) или минимума отноше¬
ния сигнал/шум, могут иметь медленную сходимость весового вектора
к установившемуся значению. Одним из наиболее эффективных путей
ускорения сходимости является использование прямого метода вычис¬
ления адаптивных весовых коэффициентов, основанного на обращении
выборочной ковариационной матрицы выходных сигналов. Этот алго¬
ритм основывается на методе максимального правдоподобия [12.2].
Информация о полезном сигнале и приближенно соответствующий
ему опорный сигнал могут быть получены в результате определенной
обработки выходного сигнала антенной решетки. Так, например, если
это фазоманипулированный сигнал, то достаточной информацией яв¬
ляются колебания несущей частоты. При передаче некоторых маркеров,
например в начале сообщения, для групповой синхронизации декодера
информации, содержащейся в маркере, также вполне достаточно для хо¬
рошей работы адаптивного процессора.
Данный алгоритм дает достаточно высокую скорость сходимости
по сравнению, например, с методами минимизации сигнал/шум или
МСКО. Однако для его реализации требуется более сложная схема,
требующая для формирования выборочной ковариационной матрицы
КМ(ДМ)/2 комплексных умножений, где К — число независимых вы¬
борок. Кроме того, для обращения матрицы требуется Л^3 / 2 + И2 ком¬
плексных умножений, а для вычисления весовых коэффициентов — N2
умножений [12.2]. В ряде случаев конечное быстродействие такой систе¬
мы не может быть реализовано при АФАР, имеющих большое число эле¬
ментов и в быстро меняющихся условиях, требующих большой скорости
сходимости. Но прогресс в развитии техники, в частности, с применени¬
ем нанотехнологий, позволяет решать эти подобные задачи, тем более,
549
что метол непосредственного обращения выборочной ковариационной
матрицы окупает сложность оборудования с быстрой сходимостью.
Возможность упрощения вычислений обращения комплексных мат¬
риц может достигаться также с помощью операций над действительны¬
ми числами.
Применение пилот-сигналов
В заключение рассмотрим использование пилот-сигналов в много¬
канальной системе компенсации помех, принимаемых но боковым ле¬
песткам диаграммы направленности АФАР. Пилот-сигналы служат для
формирования ДН и сохранения неизменного КНД. Эти сигналы вво¬
дятся в каждый канал устройства и выделяются из полосы частот полез¬
ного сигнала или из специальных маркеров, передаваемых последова¬
тельно с информацией. Вводимые пилот-сигналы имеют определенные
амплитудные и фазовые соотношения, соответствующие требуемому
направлению максимума диаграммы направленности и подавляющие
550
помехи, поступающие по боковым лепесткам. Кроме того, они помогают
формировать нули ДН в направлении помех. Амплитуды и фазы вводи¬
мых пилот сигналов — з# могут быть представлены вектором р?, где
I — вектор единичной длины и р — скалярный множитель. Опорный
сигнал представляется пилот-сигналом з0. Пример структурной схемы
многоканального компенсатора боковых лепестков для случая, когда
N=4 (четыре канала), приведена на рис. 12.28.
Отметим, что представленные в этой схеме интеграторы с цепями
обратной связи в каждом канале аналогичны интегрирующим фильт¬
рам, используемым в контурах адаптивного управления в схеме Хауэл-
са-Аппельбаума.
Здесь используется одна совокупность пилот-сигналов для реали¬
зации единственного ограничения. Можно реализовать и многие огра¬
ничения, вводя необходимое множество нилот-сигналов па разных час¬
тотах. Пилот-сигналы могут также вводиться на входе каждого канала,
что позволяет осуществить компенсацию любых амплитудных и фазо¬
вых погрешностей.
551
ЧАСТЬ 3
ЭНЕРГЕТИКА, РАЗНЕСЕНИЕ ВЕТВЕЙ
ПРИЕМА-ПЕРЕДАЧИ, ОБРАБОТКА
СИГНАЛОВ В ЛИНИЯХ СВЯЗИ
Несмотря на постоянное увеличение энергооснащения разрабаты¬
ваемых бортовых радиотехнических комплексов (БРТ1\) за счет мощ¬
ности источников питания (размеров солнечных и химических батарей)
КА, а также размеров приемных и передающих антенн, необходимость
повышения энергопотенциала ЛСС не теряет своей актуальности до на¬
стоящего времени. Это проявляется, прежде всего, при использовании
малых абонентских станций (ЗС-тсрмпиалов) для решения таких теле¬
коммуникационных задач, как организация разветвленных се тей связи
типа У5АТ, приема и передачи широкополосной информации (интерак¬
тивные ТВ и ЗВ, мультимедиа, доступ в Интернет, видеоконференцс¬
вязь, 1Р-телефония и пр.), обеспечение связи с подвижными объектами,
автоматизированный сбор данных (мониторинг), персональная спутни¬
ковая связь.
При ограниченной энергетике малых АЗС возможные пути дости¬
жения требуемого ЭП на участках ЛСС, помимо прямого увеличения
энергопараметров БРТК (ЭИИМ и добротности) состоят, во-первых, в
применении энергетически эффективных методов модуляции-кодирова¬
ния; во-вторых, в уменьшении потерь в свободном пространстве за счет
снижения орбиты; в-третьих, в использовании различных мер борьбы
с падением уровня сигналов из-за различного рода препятствий (одной
из таких эффективных мер можно считать применение высокоэллип¬
тических орбит). Однако, как видно из материалов предыдущих глав,
благодаря современным технологиям реализации первый путь на сего¬
дня практически исчерпан (помехоустойчивость при аддитивном шуме
максимально приближается к предельной по Шеннону), а второй, как
показывает практика, наоборот, далеко не всегда приемлем, как по тех¬
ническим, так и, прежде всего, по экономическим соображениям.
Поэтому, если выбрана орбита, все большее внимание, в особенности
для участка вверх, уделяется увеличению эффективной площади антен¬
ных устройств вместе с различными методами разнесения, как практи¬
чески единственными оставшимися средствами повышения или сохра¬
нения энергопотенциала ЛСС. Причем, поскольку к большинству малых
абонентских терминалов обычно предъявляются требования простоты,
552
|1(*гк()('П1, пи:жой стоимости, речь должна идти, прежде всего, о борто-
нмх антеннах, что и имеет место на самом деле.
Применительно к ССС на ГСО наиболее ярко это выражается в соз¬
дании и применении многолучевых антенн (МЛА), раскрываемых в кос¬
мосе после выведения КА на орбиту, с диаметром параболических отра¬
жателей К) 12 м и более и облучателями в виде фазированных решеток
(ФАР), либо набора рупоров вблизи фокальной области. По причине
такого комбинированного построения подобные антенны иногда назы¬
вают гибридно-зеркальными (ГЗА).
Примерами реализации МЛА, развертываемых в космосе, стали сис¬
темы подвижной и персональной спутниковой связи (СПСС) со спутни¬
ками 1'аруда, Турайа, Ипмарсат-4. Также были предложены, по не реа¬
лизованы российские проекты Зеркало-КС, РС11СС, Садко. В последние
годы появился целый ряд новых разработок, главным образом, примени¬
тельно к задачам непосредственного мобильного теле- и радиовещания в
диапазонах Т, 8, а затем и в более высокочастотных диапазонах Ки, Ка.
Что касается фазированных антенных решеток, то они также нахо¬
дят все более широкое применение, причем не только в качестве облу¬
чающих систем ГЗА, но и в самостоятельных приложениях. Так, для
решения тех же задач обеспечения необходимой энергетики ЛСС в низ¬
коорбитальных (НО) системах ПерСС, таких как Иридиум, Глобалстар,
ЕШрхо, на борту СР были применены в чистом виде ФАР (в том числе,
активные, передающие) на базе плоского (печатного) многослойного
монтажа, микропроцессоров и также с многими лучами, но значительно
меньшими линейными размерами (порядка 2—3 м). Тем не менее, стои¬
мость таких АФАР оказалась очень высокой по сравнению с традици¬
онными бортовыми антеннами КА систем фиксированной службы на
ГСО.
Наряду с энергетически эффективными узконаправленными антен¬
ными устройствами, обеспечивающими пространственную селекцию,
для борьбы с различного рода замираниями и помехами в каналах со
сложными условиями распространения используются многие другие
всевозможные методы разнесения — пространственного, временного,
частотного и их комбинации.
Долгое время спутниковые радиолинии ФСС в большинстве случа¬
ев полагались имеющими постоянные параметры при основных учиты¬
ваемых видах аддитивных помех — собственном гауссовом шуме при¬
емников и взаимных, межканальных помехах, линейных и нелинейных
(интермодуляционных). Однако активное развитие мобильных спутни¬
ковых служб, морских, сухопутных, воздушных, а также широкополос-
553
ных видов абонентского доступа, заставило несколько по-иному взгля¬
нуть на модель канала.
При такой постановке вопроса пути защиты от замираний и воз¬
действия других видов (внешних) помех, основанные на разнесении и
соответствующей обработке принимаемых сигналов, приобретают пер¬
востепенное значение. Среди существующих методов разнесения может
быть отмечен целый ряд направлений, заслуживающих особого внима¬
ния при проектировании новой ССС с использованием 13ЭО. О некото¬
рых из них пойдет речь ниже.
Так, в ряде современных и перспективных стандартов, относящихся
к мультимедийным и мультисервисным ССС, наряду с кодированием, в
качестве основного средства борьбы с паке тами ошибок, обусловленных
как импульсными (внешними) помехами, гак и замираниями сигналов,
используется перемежение (т1ег1еа\чп}*). При зтом глубина перемеже-
ния, в зависимости от глубины и длительности замираний, может соот¬
ветствовать временному разнесению на единицы (до десятка) секунд, в
частности, когда речь идет о затенениях, вызванных препя тствиями на
пути распространения сигнала.
Еще одна возможность для защиты от затенений, а также многолу¬
чевых замираний, открывается в случае одновременного использования
разных линий (ветвей) передачи, разнесенных в пространстве. Этот путь
также привлекает все большее внимание разработчиков ССС с подвиж¬
ными объектами, в которых ретрансляция может обеспечиваться через
несколько СР орбитальной группировки, либо с применением дополни¬
тельных наземных ретрансляторов (НР).
Отметим, что в ССС, использующих различные методы разнесе¬
ния — временные, пространственные и их сочетания — особо важную
роль начинают играть также характеристики построения и функциони¬
рования систем синхронизации, в частности на направлениях передачи
от ЗС-терминалов при МДВР/ТБМА. Этому вопросу уделено присталь¬
ное внимание, например, в спецификациях стандарта ОУВ-5/52 и стан¬
дартов спутникового радиовещания.
В свете указанных положений одной из важных задач создаваемых
спутниковых систем с КА на ВЭО и различными видами разнесения
ветвей является рациональное сочетание, гармонизация новых прин¬
ципов построения СР и ЗС с уже освоенными, стандартизованными и
применяемыми на практике международными стандартами, рекомен¬
дованными в документах МСЭ, ЕТСИ, СЕРТ и др.
554
ГЛАВА 13. ЭНЕРГОНАСТОТНЫЕ
СООТНОШЕНИЯ В ЛИНИЯХ
СПУТНИКОВОЙ связи
Одним из показателей эффективности линий спутниковой связи
(ЛСС) является энергочастотный потенциал [13.1), определяемый по¬
лосой частот ретрансляции и энергопотенциалами (ЭП) участков Зем¬
ля — космический аппарат (вверх) и космический аппарат (КА) — Зем¬
ля (вниз) и определяющий пропускную способность и помехоустой¬
чивость ЛСС. В свою очередь энергопотенциалы участков, как отно¬
шения мощности сигнала в режиме одной несущей (С) к спектраль¬
ной плотности мощности (СПМ) собственных шумов (А0) на входе
приемников СР и ЗС, соответственно, определяются ЭИИМ земных
станций (ЗС), добротностью спутникового ретранслятора (СР), зату¬
ханием на линии вверх и ЭИИМ СР, добротностью ЗС, затуханием на
линии вниз:
где (РС)зсср — ЭИИМ ЗС и СР, соответственно; (С/Г)срзс — добротность
приемной системы СР и ЗС; /2 — общее затухание в линии связи на ка¬
ждом участке; к — постоянная Больцмана (1,38 • 10 23 Вт/Гц-К).
Таким образом, показатели энергопотенциалов, определяющие про¬
пускную способность (ПС) участков спутниковой линии, зависят от ре¬
сурсных энергопараметров ЗС и СР, т. е. выходных мощностей, шумовых
температур, усиления (размеров апертуры) антенн, и протяженности ли¬
ний связи, т. е. высоты орбиты. При этом указанные параметры и вели¬
чины в той или иной мере связаны также с рабочей частотой.
Далее в этой главе будем полагать, что ЛСС соответствует модели
канала с аддитивным белым гауссовым шумом (АБГШ). Тогда при фик¬
сированном значении энергопотенциала достижимая скорость передачи
информации Ви на каждом из участков определяется применяемым ви¬
дом модуляции, способом кодирования и типом демодулятора-декодера,
т. е. известным соотношением энергий сигнала и шума А2, соответствую¬
щим требуемой вероятности ошибочного приема Р0. В предположении,
что имеется в наличии необходимая для этого полоса частот, данная
скорость, или реальная ПС участка, оценивается как:
И', = = (РС)Х (С/Г)ср(М,)
IV, = (С/ЛЩ,, и = (РС),р (С/Т)х ШгУ
(13.1)
(13.2)
В„=ЩЩ)/Ь2.
(13.3)
555
13.1. ЭНЕРГЕТИКА УЧАСТКОВ В ЛИНИЯХ СВЯЗИ
Здесь рассмотрены некоторые типовые случаи, характеризующие
пределы возможного изменения ЭГ1 участков вверх и вниз. Затем оце¬
ниваются, в целом, энергочастотный потенциал и пропускная способ¬
ность сквозной ЛСС при применении 12-часовой ВЭО с апогеем поряд¬
ка 40 тыс. км и рабочим участком орбиты в интервале ±3 часа от апогея.
При этом предполагается решение задач телевизионного и звукового
вещания, мультимедиа с интерактивным доступом, инструментально¬
го мониторинга.
Поскольку ССС с симметричным двухсторонним (дуплексным) об¬
меном в обоих направлениях получили широкое распространение и их
характеристики более подробно изучены и рассмотрены в литературе,
основное внимание будет уделено асимметричным ЛСС, которые харак¬
теризуются различными объемами, скоростями и интенсивностью пе¬
редачи в том и другом направлениях прямом (от центра) и обратном
(от периферии). В частности, в широковещательных, распределительных
ССС, применяемых для теле- и радиовещания с интерактивностью, ос¬
новные объемы информации передаются в прямом направлении, тогда
как в системах сбора, сосредоточения информации (в частности, инст¬
рументального мониторинга) — в обратном.
При этом будем полагать, что, в зависимости от назначения СССЭО,
рабочие частоты для участков вверх и вниз могут выделяться в пределах
от 0,8 до 14 ГГц. Тогда соответствующие величины затухания в линиях
1и /2, определяемые потерями в свободном пространстве, во всех случаях
составят, приближенно, от 175 до 210 дБ, с учетом тех или иных дополни¬
тельных потерь (в том числе потерь из-за влияния осадков, достигающих
10—11 дБ в Ки диапазоне).
Прямое направление
На прямом направлении ЛСС, т. е. участках передачи от ЦЗС, РЗС
мониторинга, телевизионного и звукового вещания, мультимедиа на ма¬
лые, в частности, мобильные оконечные ЗС-терминалы, особенности
энергетики и, соответственно, величины энергопотенциалов зависят от
целевого назначения ССС. Так, при широковещательной архитектуре в
прямом направлении должны ретранслироваться и приниматься ши¬
рокополосные, зачастую многопрограммные потоки телевизионного и
радиовещания. В связи с этим, при использовании для передачи контен¬
та мощных ЦЗС, РЗС с большими антеннами основная энергетическая
нагрузка будет приходиться на участок вниз, где необходимые значения
556
ЭП могут быть достигнуты, главным образом, за счет ЭИИМ СР, т. е
(РС),р в (13.2).
Так, на участке вниз в вещательных, мультимедийных ЛСС, при сум¬
марных скоростях передачи информации несколько десятков Мбит/с и
энергетической добротности мобильных ЗС-терминалов от ( 5) дБ/ К
в I, 5-диапазонах до (10—15) дБ/К для ЗС типа У8АТ в С, /(«-диапазо¬
нах, требуемая ЭИИМ СР должна быть не менее 45—46 дБВт, т. е. при
антенне СР с усилением 23дБ выходная мощность бортового передаю¬
щего устройства составит порядка 150—200 Вт.
Таким образом, согласно (13.2), ЭГ1 на участке вниз, называемом або¬
нентским, с учетом дополнительных потерь (от 3 до 10 дБ) и в зависимо¬
сти от диапазона частот, будет иметь нижний предел 1Т2 * 75 85 дБГц.
В ССС мониторинга условия передачи сравнительно менее инфор¬
мативных управляющих сообщений (команд, служебных сигналов) тре¬
бования, предъявляемые к энергетике БРК, могли бы быть ослаблены,
однако при (С/Т)ж = (-16—0) дБ/К энергопотенциал на участке вниз
также составит ]У2 « 75—90 дБГц.
На участке вверх, где обычно используется диапазон частот ФСС
(С или Ки) для вещательных и мониторинговых приложений, варьируя
ЭИИМ центральных (региональных) ЗС в пределах 60—70 дБВт и уси¬
ление антенн СР — от 23 до 35 дБ (добротность (С/ Г)ср = 5—15 дБ/ К),
согласно (13.1) получаем 14^ * 110 дБГц.
Обратное направление
Для обратного направления основной интерес представляет участок
линии вверх — от малых ЗС-терминалов к центральным или региональ¬
ным ЗС мониторинга, интерактивного обмена с провайдерами контента
и сопряжения с наземными сетями.
Здесь ЭИИМ ЗС (РС)Ж, в зависимости от решаемых задач и диапа¬
зона частот, может принимать значения от долей или единиц дБВт для
пользовательских (персональных) мультимедийных терминалов с нена¬
правленными антеннами до (20—30) дБВт для мониторинговых микро-
и минитерминалов (в частности, излучающих в диапазонах ПСС - Ь, 8)
и (35—45) дБВт для АЗС с антеннами диаметром до 1,2 м, работающих
в сетях типа У8АТ диапазонов частот С и Ки. При этом важно иметь в
виду, что ЭИИМ ЗС-терминалов может быть повышена на порядок и
более при переходе к импульсному режиму излучения.
Важно отметить, что при указанных энергопараметрах мобильных
и мониторинговых (даже стационарных) ЗС и широкоугольных прием¬
ных антеннах СР с глобальной или региональной зонами покрытия ДН
557
(как для ГСО, так и для ВЭО) далеко не всегда может быть обеспечен
энергопотенциал ЛСС на участке вверх, достаточный для уверенной пе¬
редачи информации, скорость которой определяется назначением ССС.
Так, для речевой персональной связи (ПерСС) эта скорость составляет
4,8—9,6 (16) кбит/с, а при мониторинге и интерактивном обмене в систе¬
мах вещания/мультимедиа она повышается до 128—2000 кбит/с. Тогда
как, согласно (3.1), при широкоугольной ДН бортовой антенны и доброт¬
ности СР (С/Г)ср к -5 дБ/К ЭП не превысит (70—80 дБГц).
Таким образом, возможности дальнейшего повышения энергопотен¬
циала данного участка и, следовательно, пропускной способности обрат¬
ной ЛСС в целом, по сравнению с существующими системами на ЭО и
ГСО, зависят, главным образом, от параметров приемного тракта СР и
прежде всего его антенны. Добротность этого элемента участка — прием¬
ного устройства бортового ретрансляционного комплекса (БРТК), при
предельно реализуемых значениях температуры шума входного МШУ
порядка 500К, однозначно определяется усилением (КНД), т. е. эффек¬
тивной площадью приемной антенны.
В энергетически наиболее напряженном случае глобальной борто¬
вой антенны с круговым сечением ДН это усиление составляет обычно
18—20 дБ (по уровню —3 дБ). Использование антенн с эллиптической
ДН, т. е. региональной («усеченной») зоной обслуживания, позволяет
улучшить усиление на -3 дБ. При применении многолучевых антенн
(МЛА), например, гибридных зеркальных (ГЗА) или фазированных ан¬
тенных решеток, а также рассматриваемого ниже набора N синфазных
решеток в сочетании с когерентным сложением разнесенных сигналов,
усиление возрастает пропорционально эффективной площади антенны
и, в зависимости от апертуры, может достигать 30—40 дБ. В результате
добротность приемного устройства СР, в зависимости от используемого
типа и параметров антенны, будет изменяться в пределах от -(7—9) до
+(10-12) дБ/К.
Таким образом, значение энергопотенциала линии вверх =
= (С/М0)их.ср' рассчитываемое для ЭО с высотой апогея порядка 40 000 км
в соответствии с (13.1), может изменяться в широких пределах: от (45—
50) дБГц в наихудшем случае (глобальная бортовая антенна СР, диа¬
пазон частот около 1ГГц) до (90—100) дБГц, при применении МЛА или
многих антенн с когерентным сложением сигналов и импульсного ре¬
жима работы ЗС. Приведенные оценки предполагают выполнение сле¬
дующих условий:
— ширина ДН и усиление бортовых антенн остаются постоянными
в расчетах для любого диапазона частот, при этом изменяются
558
(пропорционально квадрату длины волны) размеры, т. е. эффек¬
тивные площади антенн;
— предполагается, что для начала и конца рабочего участка КА на
орбите затухание в линии ослабляется на -(1,5 -2) дБ, но в то
же время снижается усиление бортовой антенны на краях 30, в
связи с чем изменение ЭП незначительно.
Как видим, разброс возможных значений ЭП, определяющих пропу¬
скную способность участка вверх, достаточно велик и зависит от решае¬
мых задач и применяемых технических решений. Например, для персо¬
нального носимого терминала (ЭИИМ «(0 -3) дБВт) в 5-диапазоне при
глобальной бортовой антенне ЭП не превышает (40—45) дБГц, тогда как
применение МЛА позволяет повысить его на один-два порядка.
Согласно (13.1), (13.3) использование для мониторинга АЗС с ЭИИМ,
равной 20—30 дБВт (в импульсном режиме) н бортовой антенны с эквива¬
лентным усилением 30 дБ позволяет получить IV, -- (80 - 90) дБГц (в диа¬
пазоне частот -1 ГГц), т. е. обеспечить передачу информации со скоростью
(1—2) Мбит/с с некоторым (почти 10-кратным) энергетическим запасом.
Для участка вниз (СР-ЗС) на обратном направлении энергопотенци-
ал Щ определяется выходной мощностью, усилением антенны ретранс¬
лятора (РС)ср и, в значительной степени, добротностью приемной ЗС
(С/Г)зс, т. е. практически размерами антенн центральных или зоновых
(региональных) ЗС (ЦЗС, РЗС). В связи с этим можно считать, что дан¬
ный участок не является энергетически напряженным. Принимая уси¬
ление региональной («полуглобальной») бортовой антенны (ШДН =
= 8° х 16°) равным 23 дБ, значения выходной мощности ствола СР рав¬
ными 100 Вт, и добротности ЦЗС, РЗС порядка 20—25 дБ/К, получаем,
в качестве примера, приблизительную оценку ЭП в С-диапазоне на уча¬
стке вниз обратного направления порядка (105—110) дБц, характеризую¬
щую усредненный энергопотенциал данного участка.
В целом, для всех участков линий связи в СССЭО может быть сде¬
лан вывод о существовании реальных возможностей обеспечения необ¬
ходимых энергопотенциалов при передаче разнообразной, в том числе
высокоскоростной, мультимедийной информации. Как отмечалось выше
и будет показано в следующих разделах, это относится не только к фик¬
сированной, но и к мобильной спутниковой связи, и достигается, преж¬
де всего, благодаря применению на борту КА антенных устройств типа
ФАР, или многих антенн с разнесением ветвей приема и эффективной
(в частности, когерентной) обработкой сигналов. Подобные же техниче¬
ские решения по антенным устройствам вместе с импульсным режимом
передачи также полезны и для применения в земных станциях.
559
13.2. ЭНЕРГОЧАСТОТНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ
ПРЯМОЙ И ОБРАТНОЙ ЛИНИЙ
Для определения общего (сквозного) потенциала обоих участков, т. е.
всей спутниковой линии (ЛСС), помимо энергопараметров СР и ЗС не¬
обходимо учитывать полосу частот ретрансляции А/ а также зависящую
от нее спектральную плотность мощности (СИМ) внутри- и внесистемных
(линейных и нелинейных) помех 70и на входе приемного устройства ЗС.
Как известно, при наличии в ЛСС энергетической избыточности (запасов
по уровню ретранслируемых сигналов) но отношению к имеющейся полосе,
т. е. IV,, IV, > Д/, влияние последней становится превалирующим и зачастую
лимитирующим пропускную способность ССС. В связи с этим вводятся по¬
нятия «ограничение по полосе», в отличие от «ограничения по мощности»
при дефиците энергопотенциала.
С целью совместного учета влияния как энергетических, так и частот¬
ных параметров на пропускную способность ССС, с возможностью опти¬
мизации соотношений между ними, в [13.11 введем комплексный показа¬
тель — энергочастотный потенциал (ЭЧП).
При близких по величине ЭИИМ и добротности («равноэнергетиче¬
ских») М земных станциях ЭЧП многостанционной ЛСС (ствола СР) может
быть выражен следующим образом [13.1]:
IV = Р/(М0 + /0) = [(ЛГ0„ + Л10(р + + 10,)/МРжУ> =
= хсЩ\ + Д//МИГ + хшПгг/МЩ + х,Щ/Д/ +
+ х„(\ + Д//М1У,)^2/Д/]-', (13.4)
где коэффициенты х < 1 с соответствующими индексами выражают из¬
менение уровней сигнала и СПМ собственных шумов приемников, ли¬
нейных и нелинейных помех, связанное с выбором режима усиления СР
и взаимным влиянием сигналов в общем тракте ретрансляции.
При отсутствии влияния нелинейных комбинационных помех (хн = 0),
но с учетом внутренних и внешних линейных (межсистемных, межканаль¬
ных, межсимвольных) взаимных помех, собственного шума СР, а также
снижения полезной мощности сигналов и шума СР из-за нелинейности,
получаем более простую и наглядную форму:
ИУ М, = хс (1 + А//МЩ + хшЖ2/МЩ + Х^/А/УК (13.5)
Такая модель расчета ЭЧП чаще применима при МДВР и МДКР, когда
помехи, вызванные нелинейностью, отсутствуют, или ими можно пренеб¬
речь. Коэффициент хс близок к 1 при МДВР и МДКР.
560
Если в (13.4) исключить и линейные помехи (слагаемое л\]У.,/А/), со¬
хранив только собственные шумы СР и ЗС, приходим к форме уравнения
для ЭЧП, которая, учитывая оба участка линии и полосу частот ретранс¬
ляции, наиболее удобна для расчетов на начальных этапах проектирова¬
ния ССС:
1У=хсЩ(1 + Д//МЩ+хН[№2/МЩУ'. (13.6)
Выражения (13.4)—(13.6) устанавливают в общем виде зависимости для
ЭЧП, имеющего, как и ЭП, размерность частоты, и потому называемого в
[13.1] также энергочастотной полосой, от всего ряда ресурсных параметров
ЛСС — энергетических, частотных, пространственно-орбитальных, количе¬
ства сигналов ЗС (М) и, что немаловажно, от соотношений между ними.
На рис. 13.1 приведены зависимости ЭЧП, нормированного к ЭП участ¬
ка вниз, для различных соотношений между ЭП обоих участков, с учетом
количества ретранслируемых сигналов М, в зависимости от нормирован¬
ной полосы частот ретрансляции (соотношения между полосой и ЭП уча¬
стка вниз).
Уравнения (13.4)—(13.6) совместно с рис. 13.1 позволяют оценивать эф¬
фективность использования имеющегося энергетического и частотного ре¬
сурсов, связанных с выбором значений Щ, М, А/, для различных спосо¬
бов разделения сигналов ЗС при многостанционном доступе к СР (МДВР,
МДКР, МДЧР и их комбинаций). При этом имеется в виду, что во всех слу¬
чаях коэффициент усиления тракта ретрансляции учитывается исходя из
условия обеспечения выполнения данных уравнений.
Так, если предположить отсутствие других помех в системе, кроме соб¬
ственных шумов СР и ЗС, можно заметить, что при МЩ » 1Т2, Д/ шумы
на выходе СР становятся пренебрежимо малыми, вся выходная мощность
ретранслятора расходуется только на полезные сигналы, а ЭЧП-» \У2, т. е.
эффективность использования ЭП участка вниз приближается к предель¬
ной, полной. Если же Щ» М1Т,, Д/, то ЭЧП^М^Т,, т. е. приходим к друго¬
му крайнему случаю линейной ретрансляции (или гипотетическому СР «с
неограниченной мощностью»). Наоборот, при увеличении Д/ все сильнее
сказываются собственные шумы СР и при Д/» МЩ, 1У2 ЭЧП—>0, что объ¬
ясняется отбором шумами полезной выходной мощности ретранслятора по
мере их возрастания.
Из (13.4), (13.5) следует, что в линии связи и СР с ограниченной мощно¬
стью в общем случае ширина полосы оказывает противоположное воздей¬
ствие на ЭЧП: с одной стороны ее увеличение ведет к возрастанию влияния
собственных шумов СР, с другой — позволяет увеличивать базу системы
(в широком смысле), т. е. ослаблять помехи, как внутрисистемные (в том
561
числе комбинационные, обусловленные нелинейностью тракта ретрансля¬
ции), так и внешние.
Кроме того, при расширении полосы может одновременно обеспечи¬
ваться ослабление мешающего воздействия на другие космические и на¬
земные системы за счет возможности распределения по полосе (дисперсии)
собственной спектральной плотности мощности (СИМ) сигналов на обоих
участках линии.
Наиболее простая зависимость (13.6), как функция соотношения поло¬
сы частот ретрансляции и энергопотенциала ЯСС (Д// 1К2), нормированная
к ЭП, показана на рис. 13.1 штриховыми линиями для широкого диапазона
значений МЩ/Щ и А// Щ. Выражение (13.6) и 1-рафик удобны для оценки
использования энергонотенциала при МДВР и синхронном МДКР, когда воз¬
действие линейных и нелинейных помех исключается или, во всяком случае,
может быть сделано сколь угодно малым. Это обстоятельство позволяет СР
работать в режиме полного насыщения (предельного ограничения). В гаком
случае, как видно из графиков, снижение ЭЧГ1 из-за отбора мощности СР
комбинационными составляющими при МДКР, либо служебными сигнала¬
ми синхронизации при МДВР, для МЩ/Щ > 10 будет порядка 1 дБ.
Если перейти к (13.5), т. е. учитывать линейные межканальные помехи
при асинхронной передаче МДКР (называемые иногда «шумами неорто-
гональности») и рассеивание их спектральной плотности по оси частот, то,
как следует из рис.13.1 (сплошные кривые при А//Щ> 0,4—0,5), наблюда¬
ется отмеченный выше противоположный характер влияния собственных
шумов СР (второе слагаемое) и внутрисистемных помех (последнее слагае¬
мое) при изменении полосы частот СР (ствола, луча).
Наиболее явно эта особенность МДКР проявляется в пределах изме¬
нения МЩ/У/2от 10 до 1000, когда имеют место выраженные максимумы
ЭЧП, соответствующие определенным значениям полосы частот ретранс¬
ляции А//Щ< 10, которые в этом смысле могут считаться оптимальными.
При этих значениях эффективность использования энергонотенциала ЛСС
при МДКР приближается к эффективности МДВР для этих же полос.
Что касается МДЧР, то здесь необходимо учитывать влияние нелиней¬
ности СР, а именно слагаемых с множеством коэффициентов {д;} в (13.4).
В этом случае появляются определенные изменения по сравнению с кривы¬
ми для МДВР и МДКР, т. к. к шумам СР, ЗС и линейным помехам добавля¬
ются комбинационные помехи и, кроме того, будет иметь место зависимость
уровней сигналов и помех от режима усиления-ограничения. Это приводит
к снижению энергетической эффективности приблизительно в 2—2,5 раза.
В целом, как видно из графиков, уровень эффективности колеблется в пре¬
делах от минус 1 дБ до минус 6—10 дБ.
562
И'/И'а
В целом разграничение способов разделения сигналов при МД имеет
в известной степени условный характер в силу отмеченного выше мно¬
гообразия факторов и параметров, воздействующих на результирующий
уровень помех но входу ЗС, а также все чаще используемого в ССС ком¬
бинирования этих способов.
Отметим также, что ЭЧП не зависит, по определению, от способа
модуляции и кодирования, вида сигнала и т. п. Указанные характери¬
стики, наряду с ЭЧП (и независимо от него) определяют пропускную
способность, как конечный показатель качества ЛСС.
При проектировании СССЭО рассмотренные факторы и соотноше¬
ния могут быть использованы для первоначальной оценки потенциаль¬
ных возможностей, облика системы и подходов к определению ее про¬
ектных параметров, в частности, энергетики, вида сигналов и, в целом,
пропускной способности ЛСС.
563
Как показано выше, значения ЭП на фидерных у чистках ЛСС вверх
для прямого направления и вниз для обратного, определяемые энергопа¬
раметрами больших (ЦЗС, РЗС) станций, таковы, что намного (два-три
порядка и более) превышают частотные полосы, которые могут быть ре¬
ально выделены в любом из диапазонов частот до 14 ГГц включительно,
для современных ССС. Таким образом, имеет место сильное ограниче¬
ние по полосе: А// 1Т,« 1 и А// \У2« 1, соответственно.
Для двух других участков — абонентских (вниз на прямом и вверх
на обратном направлении) величины энергетических полос (ЭИ) по по¬
нятным причинам обычно более умеренны, г. е. в большинстве случаев
ближе к физическим, частотным полосам: А/ \Г, < 1 и А// Н', < 1, соо т¬
ветственно.
Отметим, что без принятия специальных мер. упомянутых выше, та¬
ких как бортовые и земные ФАР, МЛ А, когерентное сложение ветвей, им¬
пульсный режим ЗС, ЭП на этих энергетически напряженных участках
составляют единицы-десятки МГц, т. е. могу т бы ть даже меньше частот¬
ной полосы ретрансляции, когда имеет место ограничение по мощности.
Таким образом, для прямого и обратного направлений в целом по¬
лучаются несколько отличающиеся картины. Отсюда и некоторое раз¬
личие в подходах к методам передачи информации и выбору сигналов в
ССС на том и другом направлениях. Рассмотрим каждое из них.
Прямое направление
Для этого направления в ряде рассмотренных выше случаев справед¬
ливо соотношение А/< Щ « Щ, т. е. баланс или ограничение по полосе
и дисбаланс, асимметрия по энергетике участков. То и другое отражает
зависимость ЭЧП и энергетической (помеховой) устойчивости данного
направления (имеется в виду обеспечение запаса по энергетике) только
от ЭП участка вниз, что следует из (13.6), т. е. 1Т-»(0,5—1)1Т2, в зависимо¬
сти от коэффициентов потерь х на линейные и нелинейные помехи, слу¬
жебную информацию и пр. Это видно и из рис. 3.1 (верхняя точка).
Как следует из предыдущих оценок, в вещательных ЛСС с использо¬
ванием ВЭО основным средством достижения на абонентском участке
(вниз) прямого направления требуемого ЭП для приема малыми и мо¬
бильными ЗС-терминалами высокоскоростной (широкополосной) ин¬
формации, в частности, содержащей программы цифрового ТВ и данные
Интернета, является увеличение выходной мощности СР по сравнению
с традиционными системами ФСС и ВСС (НТВ), работающими через
КА на ГСО. Что, в свою очередь, влечет за собой необходимость увели¬
чения мощности источников питания КА.
564
Другой путь повышение усиления передающей антенны, т. е. пе¬
реход к бортовой ЛФЛР либо ГИЛ с многими лучами и/или контурной
Д| I, значительно сложнее п реализации, чем на ГСО, ввиду непрерывно¬
го пространственно-временного изменения положения и размеров зон
покрытия («пятен») парциальных лучен в процессе движения КА на ра¬
бочем участке ВОО.
Гели не увеличивать ЭИИМ СР, превосходство эпергонотенциала
участка вниз над полосой частот ретрансляции, составляющей десятки
мегагерц при передаче вещательных программ, мультимедиа и доступе
в Ин тернет (Л// УК,* 0,1), может быть недостаточным для приема высо¬
коскоростных потоков зтой информации, что эквивалентно ограниче¬
нию по мощности.
Для управления обьектами мониторинга эпергобюджет прямой ЯСС
не столь критичен, т.к. объемы и скорости передаваемой информации
значительно ниже, чем при теле- и радиовещании. Однако, применение
более мощного СР позволяет не только проще и с меньшими затратами
обеспечить необходимую пропускную способность, по и создать тот или
иной энергетический запас, необходимый в ЛСС с мобильными или под¬
верженными затенению от местных предметов объектами для защиты
от многолучевых замираний и сопутствующих им межсимвольных ис¬
кажений, а также от внешних помех.
Что касается менее напряженного участка вверх, то здесь может
идти речь о повышении эффективности, т. е. усиления приемных бор¬
товых антенн, в обмен на снижение ЭИИМ ЦЗС, РЗС, т. е., главным об¬
разом, уменьшение размеров следящих антенных устройств с целью их
упрощения и удешевления.
Обратное направление
В тех случаях, когда имеет место соотношение ЭП участков
МЩ « Щ, учитывающее число ретранслируемых сигналов, ЭЧП, как
следует из (13.4)—(13.6) и рис.13.1, при ограничении по мощности прак¬
тически не зависит от Щ и определяется только ЭП участка вверх, т. е.
М№х« Щ. При принятых выше значениях = (105—110) дБГц та¬
кая ситуация соответствует применению значительного количествам
(порядка нескольких сотен) легких (переносных, мониторинговых) ЗС-
терминалов с ЭИИМ до 10 дБВт и ограничению, либо примерному балан¬
су полосы ретрансляции относительно ЭП участка вверх: МЩ> А/ Дан¬
ный случай для МЩ/\У2« 1 соответствует нижней части рис. 13.1.
При возрастании выходной мощности ЗС энергетика участков ЛСС
сначала приближается к балансу (А/« ММ^» Й/,). Как видно из гра-
565
фика, в этом случае И''’-» (0,4-0,5)1^, т. е. ЭЧП зависит от соотношения
ЭП обоих участков, (нижняя точка). Затем, по мере роста ЭИИМ ЗС,
определяющим становится ЭП участка вниз (13.1). Образующийся при
этом избыток ЭЧП по сравнению с полосой частот может использовать¬
ся для повышения ПС за счет применения более эффективной по расхо¬
ду полосы (но менее помехоустойчивой) многопозиционной модуляции
типа МФМ, КАМ и для компенсации потерь на многолучевые замира¬
ния (см. ниже).
Таким образом, выполнение определенных условий, таких как при¬
менение эффективных методов построения антенных устройств на уча¬
стке вверх, импульсного режима излучения ЗС, позволяет обеспечить
необходимое повышение ЭЧП и затем пропускной способности, либо
создать энергетический запас на обратном направлении, при соответ¬
ствующем обосновании и выборе ЭП участка вниз.
В условиях частотного дефицита, т. е. при достижимой энергетике
и отсутствии возможности увеличения полосы частот СР, как и в про¬
тивоположной ситуации, при ограничении по мощности, обеспечение
требуемой скорости передачи информации (или числа абонентов в сис¬
теме, при выбранной скорости) должно происходить посредством опти¬
мизации выбора способа модуляции и кодирования (метода передачи
информации), также связанного с полосой частот ретрансляции Д/, но
уже через парциальные полосы сигналов каждой ЗС.
13.3. ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ ЛИНИЙ
СПУТНИКОВОЙ связи
Конечным показателем эффективности ЛСС является степень ис¬
пользования ее физических ресурсов (энергопотенциалов и полосы
частот ретрансляции) для обеспечения той или иной пропускной спо¬
собности. Зависимость ПС от энергетики и частотной полосы линии
связи достаточно сложна и многогранна. Помимо прямого воздейст¬
вия, эти два главных ресурсных фактора оказывают влияние на ПС
через характеристики и параметры сигналов, помех, оборудования, в
частности:
— вид модуляции, способы кодирования, декодирования и обра¬
ботки сигналов, тип и качество демодуляторов, т. е. все то, от чего
зависит соотношение энергий информационных символов (сиг¬
налов) и помех (И2) в приемнике ЗС (при сквозной ретрансля¬
ции), либо в приемниках СР и ЗС (при ретрансляции с регене¬
рацией сигналов на борту);
566
— 111 ирину полосы частот, требуемую для формирования той или
иной сигнально-кодовой конструкции (СКК);
— тип и характер помех как внутри ствола (луча) СР и между ство¬
лами, так и от других космических и наземных систем, завися¬
щие от способов разнесения каналов (сигналов) внутри ствола
и между стволами, лучами СР.
Применительно к разным видам модуляции и кодирования параметр
к2 может быть выражен через нормированную к ЭИ участка вниз полосу
частот системы Д// Щ, вероятность ошибки при приеме, основание и из¬
быточность кода [13.1]. Это позволяет получить соотношения, согласно
которым для фиксированных энергочастотных ресурсов ЛСС, в частно¬
сти, значений ЭЧП, описываемых (13.4) -(13.6), т. е. заданных отноше¬
ний М1У,/ \У2 и Д// Щ определяется и может быть максимизирована, за
счет выбора характеристик сигналов, скорость передачи информации в
каждом канале и суммарная скорость (пропускная способность) в мно¬
гостанционной ЛСС.
Таким образом, важным условием оптимизации является соответ¬
ствующий выбор той или иной СКК, согласованный с полосой частот
ретрансляции. При этом часто выбор величины к2 и метода модуляции
диктуется рядом противоречивых соображений, например, помимо
энергетической эффективности, дефицитом или экономией частотного
ресурса.
На рис. 13.2 приведена зависимость пропускной способности мно¬
гостанционной ЛСС (ствола ретрансляции) при МДВР от соотношения
А// Щ [13.1]. Как видно из графиков, величина ПС и оптимальные зна¬
чения этого соотношения связаны с теми же факторами, что и ЭЧП, ко¬
торый оказывает прямое влияние на пропускную способность. Такими
факторами являются: число ЗС (М), энергопотенциалы участков ЛСС,
способ разделения сигналов ЗС. Кроме того, на оптимизацию соотноше¬
ния Д// Щ определенным образом влияют параметры выбранной СКК,
т. е. ансамбля сигналов, которые, в свою очередь, требуют соответствую¬
щей полосы частот для обеспечения той или иной помехоустойчивости
приема, т. е. параметра к2.
Для иллюстрации этой взаимозависимости введен обобщенный, ком¬
плексный показатель СКК (8), непосредственно связанный с к2 и для того
или иного варианта сигнала (основания и скорости кода, расстояния ме¬
жду сигналами и символами, способа модуляции-демодуляции и коди¬
рования-декодирования) изменяющийся от 8 = 1,5—2 до 8 = 5—6. Как
показывает анализ, значения этого показателя, близкие к 1,5; 2 и 3, со¬
ответствуют двоичному кодированию при противоположных сигналах
567
(ФМ-2), т-ичному кодированию ортогональными сигналами и двоично¬
му кодированию с ортогональными кодами, соответственно [13.1. 13.2].
Таким образом, в целом оптимизация ПС при построении систем
спутниковой связи на ВЭО не в меньшей степени, чем ЭЧП. зависит
от соотношения энергетического и частотного ресурсов, полосы частот
ретрансляции и энергопотенциала участков ЛСС. Критериями и усло¬
виями такой оптимизации, помимо прямого увеличения ЭЧП, является
фактор выбора множества параметров сигналов и методов их приема.
Пусть, например, в прямом направлении на сеть малых мобильных
(приемных, либо приемо-передающих, интерактивных) ЗС-терминалов
передаются программы цифрового ТВ, РВ в составе либо единого транс¬
портного потока МРЕС-2,4, формируемого методом МДВУ в соответ¬
ствии с одним из стандартов ОУВ-5.52, ОУВ-КС5, либо на отдельных
несущих, разделенных по частоте, по одной-две программы, каждая в
стандарте МРЕС-4 (ТВ), или же по несколько десятков программ ЗВ в
стандартах БАВ, ААС+ на каждую несущую.
Будем полагать, что в том и другом случае требуемая суммарная
скорость передачи в ЛСС составляет десятки Мбит/с, например, =
= (30—40) Мбит/с. При этом, в случае передачи нескольких несущих
(МДЧР) через общий тракт ретрансляции, должен быть обеспечен за¬
пас на нелинейность (3—6) дБ (в зависимости от применяемого вида
модуляции). В другом варианте каждая из несущих может передаваться
через отдельный передатчик тракта СР.
Как показывают расчеты, стандарты и практика применения подоб¬
ных систем, указанные цифровые потоки чаще всего передаются методом
модуляции ФМ-4/С)Р$К с применением внешнего кодирования по Риду-
Соломону совместно с внутренним сверточным кодом и декодированием
по Витерби, либо линейного турбо-кодирования. Если выбрать скорость
сверточного кода равной (1 /2), а турбо-кода — (3/4), то в обоих случаях
соответствующие величины /Сбудут близки и не превысят 4,5 дБ. При
этом занимаемая сигналами частотная полоса будет того же порядка, что
и суммарная скорость передачи информации, т. е. (30 -40) МГц.
Тогда требуемая величина ЭЧП прямого направления согласно (3.3)
должна составить не менее V/ — ВиН2 = » (85—115) МГц (79—80,5 дБГц),
т. е. ЭП участка вниз будет находиться в пределах Щ = (110—145)МГц
(80,4—81,6 дБГц), что согласуется с расчетом в разделе 13.1. Это означает,
что выходная мощность бортового ретранслятора в ЛСС составит:
Рср(ЭБ) = Щ - Сср - (С/Т)ж + к + 12 =
= (80,4-81,6) - 23 + 10 - 228,6 + 182,6 = (21,4-22,6) дБВт.
568
0,01 0,1 1 10 100
Рис. 13.2
Таким образом, необходимая суммарная выходная мощность СР на
прямом направлении ЛСС для передачи транспортного (группового)
потока (или нескольких парциальных потоков на отдельных несущих)
цифровых ТВ и РВ программ с общей скоростью (30—40) Мбит/с на
мобильные приемники с добротностью —10 дБ/К должна быть не менее
140—180 Вт. На рис. 13.1 и 13.2 соответствующие нормированные значе¬
ния ЭЧП и ПС для МДВР и некоторого среднего 8 показаны в верхней
части графиков для А// Щ = 0,3 и М1Т,/Щ» 100.
На кривых рис. 13.2 нормированная ПС в этом случае (показана точ¬
кой вверху) приближается к значению 0,31Т2 (точнее, 27,5% от ЭП уча¬
стка вниз), и находится ниже максимума (8 = 1,5) примерно вдвое. Это
означает, что существуют энергетически более эффективные способы
кодирования, в частности, с основанием кода т> 4 и ортогональными
или симплексными сигналами, которые имеют значительно меньшие
569
значения И2, приближающиеся к предельным по Шеннону. Однако, как
видно из графика, они требуют на порядок большую полосу.
Промежуточное положение между ФМ-4 (т = 4) с турбо-кода¬
ми и т-ичным кодированием ортогональными сигналами занимают
двоичные противоположные сигналы (ФМ-2) с турбо-кодированием,
имеющие величину № порядка 3 дБ, но требующие расширения поло¬
сы частот ретрансляции в 3—4 раза относительно численного значе¬
ния скорости передачи информации. В связи с этим предпочтение в
большинстве ЛСС данного класса, в условиях час гот нот дефицита, в
частности, в системах цифрового ТВ с использованием МРНО-2. отда¬
ется, как правило, ФМ-4. При переходе к МРЕС-4, а также новым стан¬
дартам сжатия аудиосигналов, полоса, требуемая для передачи того
же количества программ, заметно сокращается, в связи с чем с целью
повышения ПС могут быть применены СКК на основе ФМ-2 с двоич¬
ным кодированием.
На обратном направлении, как отмечено выше, при относитель¬
но малых ЭИИМ терминалов ЭЧП определяется энергетикой участка
вверх (М1Т1« 1Т2), т. е. мощность ретранслятора далека от насыщения
(квазилинейный режим) и используется незначительно, соответственно
нормированная ПС на рис. 13.2 изменяется пропорционально ЭП это¬
го участка и составляет единицы и доли % от ЭЧП (нижняя точка). По
мере роста ЭИИМ ЗС на пропускную способность начинает оказывать
влияние и ЭП участка вниз.
Оценим ПС и полосу частот ретрансляции, реализуемые на обрат¬
ном направлении с величинами ЭП участков, рассмотренными в 13.1,
при энергопараметрах малых ЗС-терминалов двух типов — со слабона¬
правленной антенной и усилением (3—6) дБ и антенной типа АФАР с
усилением (20—30) дБ. Подобные ЗС могут применяться в системах мо¬
ниторинга, а также, в качестве интерактивных, для организации обрат¬
ного (запросного) канала в сетях НТВ и доступа в Интернет.
Принимаем, что на данном направлении применяется модуляция
ФМ-4 с внешним кодом Рида-Соломона, внутренним сверточным коди¬
рованием (1 /2) и декодированием по Витерби, т. е. И2 = 4,5 дБ и Д/»Ви.
Тогда при М = 100—1000 сверхмалых ЗС-терминалах, т. е. ММ^ «
= (105-110) дБГц:
В„ (дБ) * х,МЩ/к2 = хс + М + (РС)Ж + (С/Г)ср -к-1,-к2 =
= -1 + МдБ + (3-6) + (5-12) + 228,6 - 182,6 - 4,5 =
= М + (48,5—58,5) дБГц.
570
А в случае применения ЗС с направленными АФЛР, т. е. при
М\\\ * Н',:
5ц(дБ) = 0,5л-,^/ЛА, 4 1(105 110) 4,5 (96,5 101,5) дБГц*
* 0,5л; + М + (РС) >{ I (С/Т\ и к /, к2
= -4 + МлЬ +(20 30) г (5 12) + 228,0 182,0 4,5
= М +(62.5-79,5) дБГц.
Таким образом, при простейших ЗС с выходной мощностью (1 2) Вт,
ДН антенны, охватывающей всю верхнюю полусферу, и глобальной ан¬
тенне СР скорость передачи информации в каждом канале па обратном
направлении составляет 70 кбит/с, при суммарной скорости в ЛСС, в
зависимости от числа станций (М = 100 -1000) от 7 до 70 Мбит/с. Улуч¬
шение направленных свойств и усиления антенн ЗС, СР позволяет по¬
высить указанные значения на порядок, однако ограничение но полосе
позволит работать при этом меньшему числу станций (не более 100).
Использование ЗС с выходной мощностью порядка 30 Вт и усилени¬
ем антенны не менее 6 дБ позволяет повысить скорость передачи в ин¬
дивидуальном канале от каждой станции до 2 Мбит/с. При этом обес¬
печение работы порядка 100 ЗС мри полосе ретрансляции (30 -40) МГц
проблематично.
Еще более избыточная энергетика получается при увеличении
ЭИИМ ЗС на порядок за счет увеличения размеров антенны. В этом
случае энергобюджет в каждом канале ЗС позволяет передавать до
100 Мбит/с, но в полосе частот ЛСС сможет при этом работать лишь
одна ЗС, с применением многопозиционной модуляции, например,
КАМ-16(32). При снижении скорости до 2 Мбит/с и ФМ-4 в стволе ЛСС
с указанной полосой сможет работать порядка 15—20 таких станций.
В приведенных оценках учитывались относительно небольшие энер¬
гетические запасы (до 3—10 дБ, в зависимости от диапазона частот). Уве¬
личение запасов с целью повышения надежности связи позволит умень¬
шать, сглаживать расхождение между энергопотенциалами участков и
полосой частот ретрансляции, тем самым приближаясь к балансу. Та¬
ким образом, преобладание ЭП над полосой может быть использовано в
СССЭО для создания энергетической избыточности с целью компенса¬
ции таких вредных воздействий, как внешние помехи, замирания, меж¬
символьные искажения из-за многолучевости в среде распространения
и пр., отличающих реальные каналы ССС от канала с АБГШ. Перейдем
далее к рассмотрению влияния указанных факторов.
571
ГЛАВА 14. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ
И ВРЕМЕННЫЕ ЗАДЕРЖКИ В ЯСС,
ВЫЗВАННЫЕ ЗАМИРАНИЯМИ
При связи с ЗС, размещенными на подвижных объектах, а также ус¬
тановленными вблизи разного рода возвышающихся препятствий для
радиоволн, ЛСС приобретает свойства канала с переменными парамет¬
рами, в частности, становится подверженной замираниям (глава И). Их
причиной, в зависимости от направления на КА, рабочих углов места,
ДН антенны, могут быть затенения, а также рассеивание и многократ¬
ные отражения, обусловленные рельефом местности, подстилающей по¬
верхностью, местными предметами (деревьями, строениями, линиями
электропередач и т. д.).
Как показали многие исследования, испытания и измерения на ме¬
стности, существующие модели радиолиний, в частности, сухопутной
мобильной спутниковой связи, по крайней мере, при углах места от 15°
до (50°—60°) и слабо направленных антеннах абонентских ЗС-термина-
лов, предусматривают, главным образом, многолучевый характер зами¬
раний. В зависимости от того, преобладает ли основной (прямой) луч по
уровню, или нет, многолучевые замирания (МЛЗ) обычно описываются
обобщенным релеевским (райсовским) или релеевским законами распре¬
деления амплитуд [14.1, 14.2].
Вместе с гем, как показано выше, применительно к СССЭО рабо¬
чими являются углы связи не менее (40—45)°, поэтому далее будут рас¬
сматриваться условия распространения в ЛСС при таких углах места.
Кроме того, значительное внимание будет уделено формированию уз¬
ких ДН антенн подвижных терминалов, позволяющих существенно ос¬
лабить влияние многократных отражений на местности. В то же время,
следует иметь в виду, что все же возможны и должны учитываться за¬
мирания при указанных значениях углов, особенно, когда на пути сиг¬
нала возникают значительные препятствия, например, в виде деревьев,
каньонов, высоких зданий, мостов и т. д.
Вначале будут рассмотрены модели и статистические свойства зами¬
раний вида затенения, которые могут быть отнесены к классу общих за¬
мираний и в наиболее тяжелых случаях приводят к блокированию ЛСС,
т. е. перерывам связи. Наиболее частой причиной затенения является
та или иная степень закрытия трассы ЛСС деревьями вдоль автодорог,
строениями, линиями электропередачи, различного рода конструкция¬
ми (арками, мостами, переходами) на железных и автомобильных до¬
572
рогах. Такого рода явления принято описывать дополнительным зату¬
ханием уровня сигнала в децибеллах и длительностью в течение того
или иного процента времени, либо дистанции, пробегаемой подвижным
средством во время воздействия замирания.
14.1. ЗАМИРАНИЯ ТИПА ЗАТЕНЕНИЯ И БЛОКИРОВАНИЯ
Применительно к СМСС степень влияния затенения зависит от рабо¬
чей частоты ЗС, формы ДН, угла места в направлении на спутник, про¬
странственного положения (азимута) относительно препятствия, направ¬
ления и скорости движения. В расчетах линий связи обычно используют¬
ся как эмпирические, так и аналитические (теоретические) модели.
В [14.3, 14.4] в качестве доминирующих для СМСС указываются за¬
тенения, вызванные полосами растительности (деревьев) вдоль скорост¬
ных и сельских автодорог. Там же приводятся методики расчета уровней
замираний для широкого диапазона частот - от 0,8 и 1,6 ГГц до 20 ГГц.
В качестве примера на рис. 14.1 приведен один из вариантов иредставле-
573
ния характеристик замираний в зависимости от углов места (у. м.) от 10°
до 60°, для частоты порядка 1,5 ГГц, полученных в натурных условиях
и описываемых эмпирическими формулами [14.3). Параметром кривых
здесь является процент превышения уровней замирания, выраженных
в дБ относительно порога Ач = 5 дБ и указанных на оси ординат (обычно
эквивалентных необходимому энергетическому запасу).
Данная модель может быть расширена методом интерполяции на
у. м. более 60°. Ниже, в (табл. 14.1) приводятся обобщенные значения
таких же характеристик, полученные в других испытаниях для углов
80° и частот 1,6 и 2,6 ГГц. Те и другие результат ы относятся к случаю,
близкому к изотропной антенне мобильной ЗС. Применительно к на¬
правленным антеннам ее усиление должно вычитаться из значения за¬
паса для каждого угла места.
Второй важной характеристикой является статистически определяе¬
мая длительность замирания (ДЗ, ТО /ск!е йигаТюп), представляемая
в единицах пройденной дистанции (метрах или секундах). Вероятность
значений длительности затенения при приеме согласно [14.3] описыва¬
ется следующим соотношением:
Р{Ю><Ш\А>АЧ) = ^
1 -ег/
1п(<^/)-1п(а)
у[2а
(14.1)
где сШ — дистанции замирания более 0,02 м; А — затухание, превышаю¬
щее Ач = 5дБ; а — стандартная девиация 1п(<1<1)\ 1па — среднее значение
\п(М).
Здесь левая часть соответствует проценту событий превышения дли¬
ны дистанции (1(1, относительно общего числа событий (измерений), ко¬
гда Л >Аяъ процессе испытаний, проведенных на типовых трассах. При
Таблица 14.1
Р(%)
Затенение
деревьями
1,6 Ггц
2,6 Ггц
1
4,1
9,0
5
2,0
5,2
10
1,5
3.8
15
1.4
3.2
20
1,3
2,8
30
1,2
2,5
574
этом наиболее часто повторяющимися значениями, полученными при
измерениях, являются а = 0,22 и а = 1,215.
На рис. 14.2 показаны значения вероятности превышения длитель¬
ности замираний для края автодороги с посадками деревьев, угла места
51° и порога замираний в 5 дБ, соответствующие (14.1) и применимые
при умеренном и сильном затенении (процент оптических затенений ме¬
жду 55% и 90%). При испытаниях для у. м. 30° и 60° зависимость ДЗ от
углов близка к линейной (и вдвое больше для 30°).
Соответственно, модель распределения длительности отсутствия
замираний (ДОЗ, ИРО — поп-1ас!е ЗигаПоп) определяемая как дистан¬
ция, при превышении которой уровень замирания ниже порога, дается
соотношением:
р(ЫЮ) > М\Л < Ая) = р(М) \
где р(ИРО > с1с1\А < Ая) есть вероятность в %, что непрерывная ДОЗ пре¬
вышает сШ, при которой замирания ниже порога Ад = 5 дБ.
575
Таблица 14.2
Уровень затенения
1
Умеренный
Экстремальный
20,54
11.71
У
0,58
0,8371
Таблица 14.2 содержит значения р и у для дорог, подверженных уме¬
ренному и экстремальному затенению, т. е. (55—75)% и (75 90)%, соот¬
ветственно.
При учете влияния строений, зданий, располагаемых вдоль или, во¬
обще, в районах движения транспортных средств с установленными на
них ЗС, используют модель расчета вероятности блокирования, пред¬
полагающую, в частности, релеевское распределение значений высоты
крыш. Пример зависимости вероятности затенения зданиями от углов
места при максимальной высоте крыши 15 м, расстоянии массива строе¬
ний до мобильного объекта 17,5 м и высоты ан тенны над землей 1,5 м для
рабочей частоты 1,6 ГГц приведен па рис. 14.3. При этом следует иметь в
виду, что для высоких у. м. результаты могут ухудшаться из-за неучтен¬
ных крышевых надстроек, навесов и т. н.
Применительно к замираниям на улицах городов существуют раз¬
личные методы расчета затухания и блокирования. Один из них осно¬
ван на т.н. «уличных масках», получаемых путем фотографирования
рядов домов или использования карт городов, населенных пунктов, и
сопоставления с направлением на спутник. В [14.3| вводится четыре
Угол моста, град.
Рис. 14.3
576
модели масок: ^каньон», 4-сторонппй перекресток, 7-образный пере¬
кресток. метена». Подобная же приближенная модель, очевидно, может
быть применена и в случаях естественных препятствий — сор, сопок,
скал и т. и.
В данной методике используется понятие среднего маскирующего
угла, т. е. граничного угла места, препятствующего приему без затенения
пли рассеивания, который определяется при направлении движения,
перпендикулярном препятствию, как агс1ап(Ь/0,5?г), где/? — средняя вы¬
сота препятствия, гг - средняя ширина дороги (улицы). При этом стати¬
стика суммарного воздействия среды и ее количественные показатели
определяются путем суммирования, с соответствующими весами, веро¬
ятностных характеристик появления каждого из типичных состояний
(например, вышеуказанных четырех моделей масок). В результате могут
быть построены двумерные (по углам места на оси ординат и азимута на
оси абсцисс) картины участков затенения для той или иной местности с
учетом взаимного пересечения географического направления движения
ЗС и линии ориентации ЛСС на КА относительно него. В особенности
такой подход уместен также для многоспутниковых систем (МССС), т. е.
при пространственном разнесении путей распространения радиоволн и
одновременной работе через несколько СР (глава 17).
Рассмотренные случаи соответствуют замираниям (затенениям)
обусловленным, главным образом, затуханием прямой составляющей
полезного сигнала на входе приемника. При этом приведенные натурные
статистические данные относятся к случаю применения слабонаправ¬
ленной передающей (на участке вверх) или приемной (на участке вниз)
антенны ЗС с усилением порядка 3—4 дБ.
Как показывают многие измерения, например, выполненные с ис¬
пользованием японского спутника ЕТ5-У [14.2], применение антенн со
средними значениями усиления — около 12 дБ (4-элементной решетки
из спиралей) позволяет существенно (до 5—6 дБ) уменьшить глубину
замираний на трассе с прямой видимостью, т. е. ослабить рассеянную
(диффузную) отраженную составляющую. В то же время, при наличии
препятствий, таких как деревья, строения, ЛЭП и пр., эффект от повы¬
шения усиления антенны значительно менее ярко выражен, и в резуль¬
тате, без принятия других мер, возникают перерывы в связи.
При дальнейшем сужении ДН антенны подвижного терминала (ко¬
торая при этом становится управляемой и следящей за К А) и определен¬
ных соотношениях между скоростью движения, расположением и разме¬
рами препятствий влияние последнего вида замираний, очевидно, будет
ослаблено, однако статистика для такого случая нам пока неизвестна.
577
СР
у.м. - 32е
СР
I
Рис. 14.4
Наконец, если используется ручной терминал, то, помимо местных
препятствий, на его диаграмму направленности в ближнем поле оказы¬
вают влияние голова и туловище пешехода. В таких случаях, ввиду от¬
сутствия больших энергетических запасов, таких как в сотовой связи,
не остается ничего другого, как рекомендовать пользователю выбирать
соответствующее положение.
Рис. 14.4, а показывает геометрию головы человека и антенны дли¬
ной 10 см с усилением около 1 дБ во время проводившегося экспери¬
578
мента. Угол возвышения СР составил 32° при частоте сигнала 1,5 ГГц.
Рис. 14.4, б показывает изменение относительного уровня сигнала в за¬
висимости от угла азимута и максимальное ослабление порядка ОдЬ,
вызванное блокированием головой пользователя. Отметим, что данный
чертеж имеет иллюстративный характер и не учитывает возможных от¬
ражений от окружающих предметов, которые могут оказывать и поло¬
жительное воздействие на прием. Подробнее вопросы, относящиеся к
применению ручного терминала освещаются в [14.5).
14.2. МОДЕЛИ МНОГОЛУЧЕВОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ
Когда существенные затухания сигнала, вызванные общими замира¬
ниями вида затенения, отсутствуют, либо их можно считать пренебрежи¬
мо малыми, серьезную роль начинают играть прямые и диффузные от¬
ражения. Складываясь с основным (прямым) сигналом, они приводят к
другому распространенному виду замираний многолучевым (МЛЗ).
В частности, для горной местности распределение глубины МЛЗ по
уровню, выраженное в % по отношению к некоторому пороговому зна¬
чению Л(дБ), моделируется нижеследующими числовыми и графиче¬
скими зависимостями:
р = аА~ь для 1 %< р< 10%.
Соответствующие эмпирические параметры а и Ь приводятся в
табл. 14.3.
В равнинных условиях, в частности, при движении вдоль лесополо¬
сы по трехполосной скоростной автодороге, МЛЗ проявляются при у. м.
до (30—60) град, и их вероятность составляет:
Р = иехр (- V А) для 1 %<р< 50%,
а параметры и и V указаны в табл. 14.4.
Таблица 14.3
Частота, Ггц
о
О
СО
II
2*
>>
у. м. = 45°
а
Ь
А, дб
а
Ь
А, дб
0,87
34,52
1,855
2-7
31,64
2,464
2-4
1,5
33,19
1,710
2-8
39,95
2,321
2-5
Таблица 14.4
Ргеяиепсу (СНг)
и
V
Глубина замираний, дб
0,870
125,6
1,116
1-4,5
1,5
127,7
0,8573
1-6
579
Рис. 14.5
Глубина замираний, дб
Для той и другой модели на рис. 14.5 приведены кривые интеграль¬
ного распределения, из которых следует более слабая подверженность
МЛЗ во втором случае, причем при меньших углах места — от 5° до
30°, когда отражающие поверхности находятся на более далеких рас¬
стояниях.
Модели временных задержек при многолучевости
Характеристики разброса задержек при МЛЗ рассмотрены в [14.6]
применительно к диапазонам частот от 2,5 до 15,75 ГГц. Среднеквадра¬
тичное значение разброса задержки (гтз — гоо1-теап-здиаге) для реаль-
580
Таблица14.5
Условия измерений
а,
а(
Среда
/•'(ГГц)
АДм)
Мм)
с„
г.
Сп
Уп
Город
2,5
6,0
3.0
55
0,27
12
0,32
3,35-15,75
4,0
2,7
23
0,26
5.5
0,35
1,6
10
0,51
6,1
0,39
3,35-8,45
0.5
Дача, село
3,35
4,0
2,7
2,1
0,53
0,54
0,77
3,35-15,75
1,6
5,9
0,32
2,0
0,48
ных каналов может изменяться в значительных пределах — более чем
на порядок, в зависимости от расстояния, в одной и той же среде распро¬
странения. Например, в городе, на открытом воздухе, при расстоянии до
1 км в диапазоне частот порядка 2,5 ГГц — от 45—50 до сотен нс, а в боль¬
ших городах — до нескольких мкс. Этот показатель, имеющий нормаль¬
ное распределение, характеризуется средним значением и стандартной
девиацией, которые зависят от расстояния с1 и могут быть выражены,
соответственно, следующим образом:
а, = С,^ (нс), а, = Сс г/уа(нс),
где эмпирические коэффициенты Са,уа, Са,уа зависят от высоты антенны
и условий распространения (среды). В табл. 14.5 приводятся характе¬
ристики разброса задержки для коротких дистанций (до 0,5 км) и двух
видов среды. При указанных данных величина задержки эмпирически
определена как Т = 45 + 266 (нс).
В целом, согласно разным источникам, если типичные значения раз¬
броса задержек Д^пахв условиях города достигают (10—12) мкс в диапа¬
зоне частот 2—2,5 ГГц, а среднеквадратичные составляют порядка 5 =
= (1—3) мкс, то в пригороде разброс уменьшается примерно вдвое по
максимальным значениям, а по минимальным — до 0,5—0,6 мкс, при 5
порядка 0,3 мкс. В сельской местности эти цифры, при тех же расстоя¬
ниях и в зависимости от высоты антенн, диапазона частот составляют
от десятков до нескольких сотен наносекунд, при среднеквадратичном
значении в десятки нс [14.7,14.8]. Данная тенденция прослеживается и в
приведенной таблице. Приблизительно те же порядки разброса задержек
имеют место и при распространении внутри зданий [14.9].
Некоторые типовые модели-гистограммы распределения интенсив¬
ности лучей и соответствующих им задержек приводятся на рис. 14.6
[14.10] для трех видов среды распространения: города, сельской местно¬
сти и холмистого рельефа. Эти модели, называемые профилями задер-
581
Относительная средняя мощное!ь лучен (дЬ)
О Л
-10
-20 Ч
-35
сельская местность
0,0
0,5
1,0
1,5 2,0
Задержка (мкс)
0
-10
-20 -В
-35
I &
I: $
0,5
15 17 19
Задержка (мкс)
Рис. 14.6
жек, использовались, в частности, при проектировании ряда действую¬
щих систем беспроводного доступа и мобильной связи.
Обычно при малых задержках, присущих каналам с однородным
распределением рассеивания от местных предметов, импульсная реак¬
ция имеет относительно равномерную, гладкую форму. Такая ситуация
наблюдается и в городских условиях, однако при наличии значительных
неоднородностей типа высоких зданий и непрямой видимости рассеива¬
ние удлиняется и появляются «пики» ИРК, вызывающие явление эха,
приводящее к сильным межсимвольным искажениям. В таких случаях
текущим или мгновенным значениям профиля задержек, приходящим
в первые 40—50 нс, свойственно райсовское распределение с /С-фактором
от 6 до 9 дБ, тогда как более поздние значения распределены по Релею
или Райсу с /С-фактором до 3 дБ [14.11].
Для широкополосных систем с высокой скоростью передачи инфор¬
мации и разными способами защиты от многолучевости важно знать ко-
582
к
Рис. 14.7
личество составляющих (копий) сигнала при МЛЗ на входе приемника.
Эти компоненты получаются из профиля задержки как число пиков,
амплитуды которых лежат в промежутке Л дБ от максимального пика
до уровня выше фонового шума, как показано на рис. 14.7.
В качестве примеров в [14.6] содержатся значения максимального
количества компонентов принимаемого сигнала (пиков), наблюдаемых
в 80% и 95% мест для четырех сценариев:
— низкая антенна ЗС в городе:
— высокая антенна ЗС в городе;
— низкая антенна ЗС в уединенном жилище (дача, резиденция);
— высокая антенна ЗС в пригороде.
Другой подход к оценке влияния задержек — спектральный — пред¬
полагает дискретную модель канала со стационарным некоррелиро¬
ванным рассеянием, для которого принимаемый сигнал представляет¬
ся суммой N задержанных копий переданного сигнала г(г), взвешенных
с временными реализациями независимых комплексных гауссовских
процессов с нулевыми средними значениями [14.12,14.3]:
где р„ есть величина я-го веса и §„(() — комплексный гауссов процесс,
взвешенный с п-й копией.
Энергетический спектр процесса §„(()> называемый допплеровским
спектром п-й копии (луча, тракта, отвода), определяет скорость зами¬
раний в этом луче. Полное описание такой модели канала требует пе¬
речисления весов спектров {Р„ (о); п = 1,..., М}, задержек в каждом из
лучей {т„} и значений весовых коэффициентов {р„}.
Здесь процесс ^,(0 интерпретируется как моделирование суперпо¬
зиции нежелательных компонентов многолучевого распространения,
.V
(14.2)
583
приходящих па вход приемника под разными углами и в интервале за¬
держек:
т
п
1
'М
< X < т„ +
1
21Г’
(14.3)
где \У — ширина полосы переданного сигнала.
Отметим еще, что по мере повышения рабочей частоты на величину
потерь, особенно в городских условиях, будет оказывать влияние до¬
рожный трафик движения, что выражается, наряду с образованием доп¬
плеровского спектра, в появлении т.н. аффективной высоты дорожного
полотна Нх и ее зависимости от интенсивности трафика 114.13, 14.6].
14.3. СТАТИСТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
ДЛЯ СМЕШАННЫХ УСЛОВИЙ
Одновременно все рассмотренные выше наиболее частые виды зами¬
раний, встречающиеся в СМСС, могут быть оценены совместно с помо¬
щью трехступепчатой гибридной модели, предполагающей сочетание
следующих натурных условий: а) прямая видимость; б) относительно
слабые затенения (деревья, ЛЭГ1), в) полное блокирование в некоторые
промежутки времени (горы, здания). Данный метод может быть исполь¬
зован для оценки характеристик помехоустойчивости, и в частности, ко¬
дирования с коррекцией ошибок и перемежением.
Медленные изменения принимаемого сигнала описываются цепью
отдельных состояний, как показано на рис. 14.8, а. Положение комму¬
татора определяет, какой из стохастических процессов х{[п], соответст¬
вующий каждому из состояний, наблюдается на выходе. Тогда как бы¬
стрые изменения внутри каждого состояния могут быть моделированы
аналоговыми моделями канала. Случайный процесс $[я] представляет
положение коммутатора, состояния которого характеризуются полу-
марковской цепью с диаграммой перехода, отраженной на рис. 14.8, б.
Данная процедура применима для описания статистики замираний
при распространении в линиях СМСС на частотах до 30 ГГц с углами
места от 10 до 90 град. Описываемые ниже результаты [14.3] относятся
к полосе частот от 1,5 до 2,5 ГГц в городской и пригородной среде, при
условии, что усиление антенны менее 10 дБ.
Введены следующие обозначения:
~ ?а> Рв и ?с ~ вероятности состояний А, В и С\
— МгА, МгВ и МгС — средние мощности многих лучей в состояниях
А,В,С{
584
а)
Рис. 14.8
— т ист — среднее значение (ма тематическое ожидание) и стандарт¬
ная девиация замирания (дБ) для компонента прямой волны в
состоянии В\
— 0 — угол места в град.
Пошаговая процедура расчета указанным методом дает следующие
результаты:
Интегральное распределение уровня сигналах в состоянии А (х — 1
для компонента прямой волны):
г , ч Гх" 2х
г,Л
1 + х2
М
г.Л
2х
М
г.Л
сЬс,
(14.4)
где /0 — модифицированная функция Бесселя первого типа и нулевого
порядка.
Это есть распределение Накагами-Райса са=1и2а2 = Мг, А [14.3].
2) Интегральное распределение уровня сигнала х в состоянии В:
. 6,930 гх» гх 1
1г,В
—ехр
г
[201о§(г)-т]2 х2+г2
2а2
М
г.В
х/„
2x2
М
г,В)
АгсЬс,
(14.5)
где е очень малая, но не равная нулю величина (предполагается 0,001).
Данное распределение известно как распределение Ьоо [14.2, 14.3].
3) Интегральное распределение уровня сигналах в состоянии С:
/с О<х0) = 1-ехр
хк
Мг,с
(14.6)
585
Это есть распределение Релея с 2ф = Мг, С [14.11].
4) Распределение уровня сигнала х меньше порогового уровня .г0 с ве¬
роятностью Рпри смешанных условиях распространения:
Р(,х<х0) = Рл/л + Р0/в + Рс/(. (14.7)
На рис. 14.9 показаны графические примеры распределения глубины
замираний в виде вероятностей, преобразованных в проценты времени, для
следующих рекомендованных в [14.3] значений Рл, Рв, Рс как функций углов
места 0 и соответствующих эмпирических параметров:
РА = 1 - 0(90 - 0)2 для 10° < 0 < 90°, (14.8, а)
где: а = 1,43 х 10~4 — для города; а = 6,0 х 10 5 — для пригорода.
РВ = ЬРС, (14.8, б)
где: 6=1/4 — для города; 6 = 4 для пригорода.
и Рс = (1 - РА)/(1 + 6), (14.8. в)
т = -10 с1В, а = 3 8В
М,в = 0,03162(-15дБ), М,с = 0,01(-20 дБ)
Предлагаемые значения МгА также зависят от среды распространения,
при этом значения для углов места между 10° и 45° получаются как линей¬
ная интерполяция или экстраполяция значений в дБ при 0 = 30° и 0 = 45°.
Для города
для пригорода
МкА = 0,158( = -8 8В) при 0 = 30°;
МгА = 0,100 ( = -10 8В) при 0 > 45°,
М’>А = 0,031 ( = -12 8В) при 0 = 30°;
МгА = 0,0398 ( = -14 8В) при 0 > 45°.
Статистика длительности замираний, выражаемая через эквива¬
лентную дистанцию затраченного за это время пути, для каждого из
Таблица 14.6
Среда
А
В
С
Вероятности перехода
Р
У
а
а
а
а
р
ГЛ ->в
Рл-.с
Рц"»\
Р»,с
Р( >л
Р(:-*и
Пригород (I)
0,88
0,61
1,73
1,11
2,62
0,98
1
0
0,65
0,35
0
1
Пригород (И)
0,83
0,66
1,89
0,93
3,28
1,04
1
0
0,65
0,35
0
1
Лесистая
0,60
0,84
2,05
1,05
1,55
1,02
1
0
0,42
0,58
0
1
586
Рис. 14.9
состояний А, В, С была получена при двух вариантах среды: пригорода
(со смешанными условиями открытой трассы с ГСО, легких лесных до¬
рог и двухэтажных домов) и сильно лесистой местности. Углы места со¬
ставили 29° для одного из пригородных и лесного испытаний и 13° для
другого пригородного испытания. Антенна с усилением не более 10 дБ
устанавливалась на крыше автомобиля.
Выбирались пороговые значения для среднего уровня мощности в
5 дБ и 10 дБ при разделении измерений на три группы (см. табл. 14.6).
С учетом сравнения с (14.8) распределение длительности замираний
(ДЗ) по мощности для состояния А имеет вид:
РАф<Л) = (14-9)
где параметры Р и у зависят от оптического затенения и <1 > Р1 *.
Модель распределения ДЗ для состояний В и С подчиняется лого¬
нормальному закону, действующему с^>1м:
Рм.ф <</)=( + «г/[(1п(</) - 1п(о)) / 72^])/ 2, (14.10)
где а есть стандартная девиация 1п(*/), 1п(а) — среднее значение 1п(б0 и
ег/определено в [14.11].
Полученные значения параметров распределения в трех положениях
и соответствующие вероятности перехода состояний приведены в таб¬
лице 14.6.
587
ГЛАВА 15. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ
РАЗНЕСЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИЕМНЫХ
БОРТОВЫХ АНТЕНН И АДАПТИВНАЯ
ОБРАБОТКА В РЕТРАНСЛЯТОРЕ
Многолучевые антенны с параболическими отражателями, фазиро¬
ванные антенные решетки и их комбинации, благодаря направленным
свойствам, одновременно с «непосредственным вкладом» в повышение
энергопотенциала ЛСС за счет коэффициента усиления обеспечивают
пространственную избирательность и разнесение парциальных линий
связи (ветвей) к ЗС. Это позволяет ослабить вредное влияние различно¬
го рода внешних помех и препятствий на пути распространения сигна¬
лов, а также повысить ЭМС и эффективность использования спектраль¬
ного ресурса за счет повторного использования частот.
По сути дела, реализацию гибридных зеркальных антенн и ФАР раз¬
ных типов в качестве бортовых МЛА спутников связи, применяющихся,
в первую очередь, с целью обеспечения необходимой энергетики и эко¬
номного расходования частотного спектра, можно считать переходом к
более широкому освоению новых возможностей методов пространст¬
венной селекции. Имеется в виду, что вообще пространственные комби¬
нации излучателей, в совокупности с обработкой сигналов, приводят к
образованию т.н. интеллектуальных антенных систем, а также техноло¬
гий разнесения ветвей приема и передачи, называемых за рубежом 51МО
(5т§1е 1приС Ми1<лр1е ОиСрЩ), М1МО (Микф1е 1прис Ми1ир1е ОиГрис). По¬
добные методы, направленные на повышение эффективности использо¬
вания пространственного ресурса в условиях сложной электромагнит¬
ной обстановки, получают все большее распространение в спутниковых
мобильных системах [15.1] и в наземных средствах беспроводного дос¬
тупа [15.23].
При проектировании ССС с ВЭО для решения поставленных задач
разнообразные возможности современных антенных систем играют зна¬
чительную, если не решающую, роль, в связи с чем данная глава посвя¬
щена рассмотрению как существующего опыта создания, в частности,
бортовых МЛА, так и некоторых предлагаемых авторами новых реше¬
ний в данной области.
588
15.1. МНОГОЛУЧЕВЫЕ АНТЕННЫ
С ЗЕРКАЛЬНЫМИ ОТРАЖАТЕЛЯМИ
Формирование на борту СР нескольких, тем более многих, лучей с
помощью общего отражателя обладает целым рядом особенностей, обу¬
словленных необходимостью развязки лучей, покрытия ими требуемых
зон обслуживания и прицеливания в соответствующие области земной
поверхности, снижения уровня боковых лепестков ДН, обеспечения и
поддержания точного профиля поверхности зеркала, защиты его от тем¬
пературных, механических воздействий и пр. Роль указанных факторов
все более возрастает по мере определяемого общесистемными задачами
(прежде всего, необходимостью снижения массы и габаритов ЗС) уве¬
личения энергопотенциала линий связи, т. е. требуемой апертуры МЛ А
и, соответственно, числа лучей N. Это, в свою очередь, сопровождается
возрастанием количества стволов (лучевых трактов), сложности и объ¬
ема межлучевых перекрестных связей.
МЛА с параболическими отражателями (ГЗА) выполняются в виде
однозеркальных или двухзеркальных (по схеме Кассегрена или Грегори)
антенн с многорупорным облучателем, либо однозеркальных с облуча¬
телем в виде ФАР. При этом каждому лучу может соответствовать свой
облучатель (кластер), либо парциальные лучи формируются с помощью
диаграммообразующей схемы (ДОС) несколькими (всеми) облучателя¬
ми. Решетки облучателей обычно сдвигаются относительно фокуса зер¬
кала с целью отклонения лучей от центральной оси антенны, что приво¬
дит к известному ограничению их количества.
Узконаправленные лучи антенны и образуемые ими парциальные
зоны («пятна») на поверхности Земли могут быть фиксированными, т. е.
существующими достаточно длительное время, покрывающими всю или
отдельные области ЗРВ, перенацеливаемыми по команде или программе
через тот или иной промежуток времени, либо сканирующими (непре¬
рывно или чаще дискретно) по заданному алгоритму. В зависимости от
того, какой из этих способов формирования лучей применяется, конст¬
рукция и характеристики МЛА могут сильно различаться.
Первоначально одно- и двухзеркальные бортовые антенны с неболь¬
шим числом лучей управляемых ДН появились в ССС предыдущих
поколений на спутниках ФСС Интелсат-5, 6, 7, Евтелсат, Италсат,
а также на КА Инмарсат-2,3, экспериментальном спутнике АСТ5 и др.
В качестве ДОС в них использованы, в основном, отдельные рупорные
излучатели, либо коммутируемые решетки. Указанные антенны форми¬
589
руют число лучей до 5—7, часть из которых фиксированы, другие — пе¬
ренацеливаемые.
Например, в современных, наиболее распространенных многостволь¬
ных СР диапазона Ки обычно применяются рупорные решетки облуча¬
телей для формирования тех и других типов лучей, часто использующие
разные поляризации (линейную — вертикальную и горизонтальную или
круговую — правую и левую). При этом фиксированные зональные лучи
образуются обычно по принципу «один луч — одна антенна», а узкие,
локальные, в том числе, сканирующие лучи, могут формироваться с по¬
мощью ДОС и нескольких элементов решетки. Причем относительно ма¬
лое количество лучей здесь обычно равно пли меньше числа элементов
решетки. Между приемной МЛА и передающей антенной включаются
коммутационные матрицы (видео- или радиочастотные), необходимые
для межлучевой маршрутизации на участке вниз.
В настоящее время, в связи с требованиями по повышению энерго¬
потенциала СР и возрастанию количества лучей, более перспективны
ГЗА с пассивными или активными ФАР (АФАР), в частности, плоскими,
реализуемыми в микрополосковом исполнении. При этом МЛА может
иметь основной рефлектор и дополнительные контррефлекторы, а раз¬
деление сигналов в соседних, перекрывающихся лучах обеспечивается
с помощью одного из способов МД (частотного, временного, кодового и
их комбинаций). Кроме того, лучи при формировании в антенне часто
разносятся по поляризации.
Контурные антенны
Распространенным применением МЛА с отражателями являются
бортовые антенны, в которых образуемая с помощью решетки облучате¬
лей контурная диаграмма направленности (КДН) в поперечном сечении
имеет произвольную форму заданной конфигурации, с той или иной
точностью повторяющей, например, географические границы зоны об¬
служивания ССС. Расчет КДН часто рассматривают как суперпозицию
ДН парциальных лучей, выполняемую методом комплексных ампли¬
туд с использованием преобразования Фурье. Возможен также другой
способ синтеза диаграммы — путем расчета соответствующего профиля
зеркала и выбора конструкции облучателя.
При формировании КДН на основе парциальных лучей МЛА на ее
характеристики оказывают влияние форма, ширина, количество лучей,
боковое излучение, а также амплитуды и фазы возбуждения элементов
решетки. В сантиметровых и более высокочастотных диапазонах частот
облучатели МЛА имеют, как правило, небольшое число элементов и пред-
590
ставляют собой многорунорные решетки, обеспечивающие необходимое
амплитудно-фазовое распределение в фокальной области рефлектора.
Снижение уровня боковых лепестков КДН достигается с помощью кла¬
стерного принципа размещения излучателей. ДМ которых выбираются с
определенными весами и располагаются в соседних узлах прямоугольной
или гексагональной сетки парциальных лучей. Соответственно, в первом
случае кластер будет состоять из четырех лучей, во втором из семи.
Эффективность антенны с КДН принято оценивать по отношению к
обычной (однолучевой) идеализированной антенне, например по улуч¬
шению КНД за счет сосредоточения излучаемой анергии в рабочей об¬
ласти. С ростом размеров эффективность расчет вместе с числом парци¬
альных лучей, но она ограничена пределом не более 4 б дБ 115.11.
Поэтому одним из важных вопросов является целесообразность при¬
менения антенн с КДН и достижимые значения ее параметров. Приве¬
дем оценку повышения коэффициента усиления на границах заданно¬
го контура. Коэффициент усиления всякой идеальной ан тенны можно
записать в виде:
= 1018
Апс12
~П~'
где Я — площадь, ограниченная контуром диаграммы направленности
по заданному уровню; с! — радиус сферической волны.
Пусть задан контур площадью Як который вписан в эллипс Я0. От¬
носительный максимальный выигрыш по усилению А6'тах на границе
рабочей зоны для идеальной антенны с КДН составляет по сравнению
с обычной идеальной антенной:
дс. = 10|3,
11 к
Реальная антенна формирует расходящийся в пространстве пучок
энергии и в пределах телесного угла, определяемого рабочей зоной Я,
сосредоточена только часть этой энергии. Положим, что рабочая зона
определяется диаграммой направленности по уровню -ЗдБ. Тогда, по¬
лагая Я» сР и принимая для упрощения гауссов закон распределения
в поперечном сечении пучка обычной антенны и парциального луча ан¬
тенны с КДН, можно получить [15.2):
Я0 1,58
Пк 1 + 1,58/ я]’
где N число парциальных лучей.
ДСто = 1018
591
В этом выражении предполагается, что все парциальные лучи оди¬
наковы. Тогда, в предельном случае (Д0 = Г1к и А» 1) антенны с кон¬
турной диаграммой обеспечивают на границах рабочей зоны усиление
на 4—6 дБ больше, чем обычная параболическая антенна. Данный вывод
справедлив при идеальных параметрах антенн с КДН и достижим толь¬
ко в теории. Причем, чтобы КДН была эффективнее обычной антенны с
оптимизированными размерами (т. е. наименьшим излучением за преде¬
лами заданного уровня ДН, например, -3 дБ), ее электрические разме¬
ры должны быть значительно больше. Или иначе, чем точнее требуется
приближение рабочей зоны к заданным границам зоны обслуживания,
тем больше должен быть раскрыв контурной антенны и уже лучи.
Например, согласно [15.3] и др. источникам, превышение КНД на
2—3 дБ (в лучшем случае) за счет уплощения ДН и более резкого спа¬
да на краях КДН достигается при соотношении диаметров рефлектора
антенн с КДН и однолучевой, равном 3 (7,5 м, на базе развертываемого
в космосе сетчатого отражателя против 2,5 м для обычной «твердой»
антенны, умещаемой под обтекателем). Такова цена, которую надо пла¬
тить за точное соблюдение пограничных (между государствами) усло¬
вий с позиций ЭМС, а также интересов информационной и финансовой
политики, доступа к контенту, языкового барьера и пр.
В связи с этим важно подчеркнуть, что в целом использование КДН
предпочтительнее, во-первых, для передающих бортовых антенн, во-вто¬
рых, главным образом, в системах теле- и радиовещания. Кроме того,
необходимо помнить, что антенны с КДН в спутниковой связи применя¬
ются только на ГСО. Вопрос об их применении в ССС с использованием
ВЭО усложняется и на сегодня остается открытым. Таким образом, для
НГСО, в частности ВЭО, целесообразно искать другие решения.
Крупноапертурные МЛА
Как описано в обзорной части, МЛА с большими параболически¬
ми рефлекторами (диаметром до 10 м и более), развертываемыми в кос¬
мосе после выведения на ГСО, и различными методами формирования
большого числа лучей нашли основное применение в системах подвиж¬
ной и персональной спутниковой связи, работающих в диапазонах ДЦВ
(Б, 5). Позднее появились подобные проекты и для более высокочастот¬
ных диапазонов — Ки, Ка, используемых, в основном, для ФСС [15.4].
Ниже рассматриваются наиболее известные из реализованных вариан¬
ты гибридных МЛА, а в таблице приведены некоторые параметры, ха¬
рактеризующие усиление, ДН и требования к геометрической точности
отражающей поверхности зеркала (см. табл.) [15.5]:
592
Таблица
Диапазон частот
I., 5
1
С
Ки
Ка
Допустимая погрешность 5 * 0,05/., мм
3 К)
2-4
1- 1.5
ОС
О
1
щ
о
Диаметр отражателя, м
10 — 100
3-35
1-14
0,7-7
Реализуемая погрешность
5 « (0,5—1)10-3 Д мм
7-100
2-35
0.7-15
0,5-10
Коэффициент усиления, дБ
■11 61
43-64
39-61
42-62
Ширина ДН (по уровню 0,5). град
1,1-0,11
1,2-0,15
1,75-0,13
1.5-0.15
Такие антенны часто называют крупноапертурными, по сравнению
с МЛА диаметром несколько метров, применяемыми на большинстве
спутниках систем ФСС. Однако, чем больше размер таких антенн, тем
сложнее выдерживать требуемую погрешность отклонения профиля зер¬
кала от идеального, в частности, параболического, т.к. при определенных
соотношениях этой погрешности и рабочей длины волны происходит
расфазирование, причем резко уменьшаются усиление и коэффициент
использования поверхности МЛА. В зависимости от диапазона частот
существуют оптимальные размеры отражателя при коэффициенте уси¬
ления более 60 дБ. Так, из таблицы видно, что для диапазона 2 ГГц диа¬
метр не должен превышать 80—100 м, а для 14 ГГц — 11—14 м.
Исходной предпосылкой и, соответственно, результатом применения
крупноапертурных бортовых МЛА явилось обеспечение необходимого
энергопотенциала для передачи низкоскоростной информации (речь,
факс, данные) с использованием ЗС-терминалов в виде ручной телефон-
593
поп трубки. При :-)том повышение КПД, с увеличением числа лучей до
сотни и более, приводит к появлению дополнительных возможностей
пространственного разнесения, т. е. путей защиты от помех на участ¬
ке вверх, и эффективного (повторного) использования полосы частот.
Затем стали появляться проекты и для других видов спутниковых ус¬
луг с использованием малых станций. Пример покрытия зон обслужи¬
вания СР на ГСО множеством фиксированных узких лучей приведен
на рис. 15.1. Слева показано покрытие, предполагающее регулирование
(адаптивное управление) ДН каждого луча для обеспечения фиксиро¬
ванных размеров парциальной зоны (соты), справа - вариант с одной
и той же шириной ДН всех лучей, при котором из-за кривизны земной
поверхности форма зон лучей меняется по мере удаления от центра об¬
щей зоны обслуживания.
На первом из коммерческих и выведенных на ГСО в феврале 2000 г.
(российским носителем Протон) спутников с крупноапертурными ан¬
теннами Гаруда-1 были установлены две раскрываемые в космосе МЛА
зонтичной конструкции с радиальными ребрами — передающая и при¬
емная (рис. 15.2, а). Похожий облик имеют и спутник АСТ5, а также
японская космическая платформа СРР, разработанная для ГСО, обще¬
габаритный чертеж которой приведен на рис. 15.5, б.
Антенны КА Гаруда-1 имеют диаметр 12 м, работают в диапазонах
частот 1525—1559/1626,5—1660,5 МГц, соответственно, и покрывают
зону Юго-Восточной Азии с прилегающей акваторией Тихого океана. КА
и антенны созданы компанией ЬоскЬеес! МагПп на базе тяжелой плат¬
формы А2100 и представляют собой уникальные изделия, производст¬
во которых, как нетрудно представить, является достаточно сложным,
высокотехнологичным и трудоемким. Решетка в каждой из МЛА имеет
88 облучателей, соединяемых по РЧ с аналоговой ДОС, которая форми¬
рует 140—150 фиксированных лучей шириной 1,3°. Использование двух
раздельных антенн с аналоговым преобразованием смеси сигналов от
элементарных облучателей в парциальные лучевые тракты по приему
(и обратной операцией по передаче) выбрано, как отмечается разработ¬
чиками, с целью минимизации технического и финансового рисков при
решении качественно новой задачи многолучевого покрытия для пре¬
доставления спутниковых услуг сотовой связи, аналогичных наземным.
Вместе с тем, для бортовой обработки индивидуальных канальных сиг¬
налов от каждого ЗС-терминала (последние могут работать в одних и
тех же или в разных лучах) в СР Гаруда применены цифровые методы
приема и коммутации [15.6 ].
594
«>
Рис. 15.2
Иные решения по конструкции отражателей, структуре и функцио¬
нированию лучеобразующих устройств (ДОС) предложены в рамках
программы Оеп*5^аг компанией ТК.\\^ АзСго Аегозрасе и реализуются па
спутниках Турайа (ПерСС) (рис. 15.2, б), Ипмарсат-4 (ПСС), МНХЛТ
(РСС). В качестве рефлекторов (диаметром 9—12,5 м) они используют
мелкоячеистую проволочную сетку с высокой отражательной способ¬
ностью, натянутую на мембрану жесткого обод-тросового каркаса [15.3|.
При этом требуемое среднеквадратичное отклонение от заданного про¬
филя зеркала составляет не более 2,5 мм. Такой отражатель, названный
АзИоМезЬ, укрепленный до старта на боковой стенке приборного кон¬
тейнера КА в сложенном (смотанном) состоянии, выдвигается на штанге
и разворачивается после выведения на орбиту в течение 40 мин. с помо¬
щью двух легких двигателей (рис. 15.3).
В системе МВ5ЛТ (разработки Зрасе 5уз1ет Ьога!) лучи создаются
волноводными облучателями в составе двух решеток из 15 и 10 рупор¬
ных элементов для покрытия территории Японии и 4-элементной — для
территории Кореи, в сочетании с разделителем по поляризации, состоя¬
щим из двух рупоров. Тем самым, по разным источникам [15.3, 15.7),
формируются либо КДН, либо раздельные (фиксированные) ДН лучей,
покрывающие две разнесенные зоны обслуживания.
По двум другим ССС — с КА Ткигауа (Ни^Ьез Зрасе) и 1птагна1-4
(ЕАПЗ Аз1пиш) принципы лучеобразования нам не известны. Однако
имеются основания предполагать, что для обеспечения регионального
покрытия (которое близко к показанному на рис. 15.1) с числом лучей
порядка 200—250, по-видимому, значительно превышающим число облу¬
чающих элементов в АФАР, использованы сложные, полностью цифровые
Рис. 15.3
596
ДОС с адаптацией формы и количества лучей на базе высокоскоростных
процессоров, рассматриваемые ниже. Отметим также, что в упомянутых
системах широко применяются пакетные методы передачи сообщений.
На рис. 15.4 приведена структурная схема БРТК спутника Инмарсат-
4, на которой ДОС не показана, но приводятся отдельные компоненты об¬
работки массива сигналов, принимаемых и передаваемых многолучевой
параболической антенной с решеткой из 120 облучателей [15.8}. Одним
из центральных элементов здесь является цифровой процессор обратной
линии (КеШгп Ргосеззог), который выполняет функции выделения, преоб¬
разования, перераспределения и группирования, коммутации сигналов
абонентских ЗС, принимаемых в -250 лучах на разных канальных часто¬
тах Ь-диапазона и передаваемых затем по фидерной линии С-диапазона
на ЦЗС через глобальную антенну с двойной поляризацией. Процессор
прямой линии (Рогу/агс1 Ргосеззог) выполняет обратные операции.
Рис. 15.4
1 — приемник С-диапазона; 2 — конвертор вниз (С/Ь); 3 — процессор прямо¬
го направления; 4 — постпроцессор и передатчик Ь-диапазона; 5 — опорный
генератор; 6 — препроцессор и приемник Ь-диапазона; 7 — процессор обрат¬
ного направления; 8 — конвертор вверх (Ь/С); 9 — передатчик С-диапазо¬
на; 10 — навигационная нагрузка (передача в Ь-диапазоне); 11 — генератор
пилот-сигнала; 12 — АРУ
597
Из публикуемых источников компании ШМАК.8АТ также известно,
что бортовой преобразователь сигналов/формирователь лучей (Оф11а1
СЬаппеПзег/ВеашГогшег) обрабатывает в 256 лучах шириной 1,1° (200-
228 лучей), 4,05° (19 лучей) и 18° (глобальный луч) всего 630 каналов,
передаваемых пакетами со скоростью до 432 кбит/с, полосой по 200 кГц
и размещаемых в выделенной полосе частот Ь-диапазона (подвижной
службы). Таким образом, в зоне покрытия более чем 200 пространствен¬
но разнесенных лучей с регулируемыми числом, формой, мощностью
излучения и пропускной способностью на участке вниз могут одновре¬
менно работать 630 абонентских ЗС-герминалов, с возможностью пере¬
распределения сигналов внутри и между лучами, а также сосредоточе¬
ния в одном луче до 20% информационной нагрузки [15.9, 15.10).
Что касается российских разработок, то в не реализованном проекте
Садко (НПО «Кросна», НПО ПМ, ОКБ МЭИ и др.) отмечались конструк¬
тивные недостатки зонтичного и тросового принципов построения отра¬
жателей с позиций надежности, а также стабильности параметров гибких,
стягивающихся сетчатых мембран в процессе полета КА. При этом пред¬
лагалось применение тоже достаточно сложных МЛА различных разме¬
ров (от 5 м до 6 х 19 м) на базе самораскрывающихся ферменных струк¬
тур с вынесенным облучением (офсет). Для облучающих устройств было
предложено 2 подхода: 1) число облучателей равно числу лучей, 2) число
облучателей в АФАР (по приему и передаче) в несколько раз превосходит
число лучей [15.11]. Причем второй вариант рассматривался прежде всего
с позиций обеспечения динамики и гибкости использования выходной
мощности и пропускной способности ретранслятора в ЛСС на участке
вниз. Системно-технические решения по применению МЛА описывались
и в других российских проектах, в частности, Зеркало-КС, где в качестве
рефлектора и одновременно несущей платформы КА предлагалась уни¬
кальная тросово-ферменная конструкция диаметром 15 и более метров,
работающая с АФАР, формирующей 133 луча (рис. В.4).
15.2. ФАЗИРОВАННЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ
Основной областью применения ФАР в спутниковой связи до опреде¬
ленного времени были земные станции, работающие в движении и/или
через низкоорбитальные КА, что объясняется возможностями обеспечения
высокой направленности и, одновременно, электронного слежения узким
лучом за геостационарным или пролетающим спутником при изменении
взаимного положения земных и космических объектов. Предпринимались
отдельные попытки установки ФАР на борту КА с целью защиты от помех и
598
радиоэлектронной разведки, а также перераспределения излучаемой мощ¬
ности между лучами [15.12].
Применение плоских антенных решеток в космосе привлекательно бла¬
годаря возможностям избавиться от электромеханических способов наве¬
дения, слежения и сканирования, использовать общую апертуру вместо
нескольких малых параболических или рупорных антенн, обеспечить тре¬
буемую широкополосность, быстрое изменение формы ДН, адаптацию к
электромагнитной обстановке. Однако, в отличие от зеркальных отража¬
телей, ФАР, тем более с большой апертурой, не приспособлены для выноса
на штангах за пределы габаритов космической платформы из-за трудностей
обеспечения необходимой надежности и жесткости конструкции. Кроме
того, они имеют ограничения по рабочему сектору отклонения ДН от цен¬
тральной оси.
На практике бортовые МЛА без рефлектора, т. е. в виде классических
приемной и передающей (активной) ФАР, созданные па базе плоского (пе¬
чатного) многослойного монтажа и микропроцессоров, были применены, в
частности, в низкоорбитальных ССС Иридиум, Глобалсгпар, Эллипса в целях
решения задач подвижной и персональной связи с малыми ЗС-терминалами.
При этом для обеспечения примерно такой же энергетики и размеров парци¬
альных зон обслуживания не требовались столь узкие ДН и такое количе¬
ство лучей, как на ГСО. Следовательно, была возможна реализация МЛА с
существенно меньшими линейными размерами (порядка 2—3 м), что позво¬
лило разместить их непосредственно на корпусе аппаратного контейнера КА.
Тем не менее, стоимость таких ФАР оказалась очень высокой по сравнению
с традиционными бортовыми антеннами. Это объясняется стремлением ми¬
нимизировать электрические потери и снижение характеристик за счет при¬
менения дорогостоящих комплектующих, материалов для монтажа.
На рис. 15.2, в приведен снимок общего вида, а на рис. 15.5, б — габарит¬
ный чертеж приемной (работающей в Ь-диапазоне) и передающей (диапазо¬
на 5) АФАР, установленных на корпусе КА Глобалстар [15.13] в сравнении с
описанными выше параболическими МЛА на ГСО (рис. 15.2, а, б, 15.5, а).
Формирование многолучевых ДН, необходимых для полного (или час¬
тичного) покрытия зоны обслуживания ССС, в приемной ФАР на борту СР
выполняется с помощью ДОС, включаемой в тракты элементарных облуча¬
телей. При этом в общем случае производится предварительная полосовая
фильтрация (ПФ) в полосе частот ретрансляции, а операции лучеобразова-
ния могут происходить на рабочей радиочастоте (СВЧ), до или после МШУ,
после преобразования на некоторую промежуточную частоту, либо по низ¬
кой частоте (в основной полосе сигналов). К последнему часто прибегают
в современных многоэлементных ФАР, предварительно выполняя анало-
599
0)
+ У
ФАР ирм(Ь)
б)
Земля
к
Рис. 15.5
600
го-цифровое преобразование сигналов, перевод их в комплексную форму
и более полную фильтрацию по НЧ, а затем используя для обработки циф¬
ровые процессоры.
Структурная схема ФАР, поясняющая принцип лучеобразования,
приведена на рис. 15.6. Как известно, задачей ДОС является формиро¬
вание расчетных или подбираемых в натурных условиях, комплексных
весовых коэффициентов обеспечивающих необходимые амплитудно-
фазовые соотношения в ветвях элементарных излучателей. Кроме того,
существуют методы, при которых комбинируемые и подлежащие сложе¬
нию в каждом из лучей комплексные амплитуды сигналов от каждого
излучателя на выходе сумматоров могут иметь уровни, регулируемые в
зависимости от интенсивности загрузки ЛСС в той или иной парциаль¬
ной зоне обслуживания [15.14]. Тем самым решается задача эффективного
использования ЭП линии вниз и максимизации пропускной способности
ССС. Таким образом, формирование ДН приемной МЛ А предусматривает
такую установку фазовых сдвигов и коэффициентов передачи в трактах
(ветвях) элементов ФАР под управлением бортового процессора, кото¬
рая должна обеспечивать фазирование и когерентное, с учетом уровней,
Индивидуальные сигналы земных станций
Рис. 15.6
601
сложение сигналов, приходящих с определенного направления, соответ¬
ствующего парциальному лучу.
В общем случае схема формирования фиксированных приемных лучей,
одновременно покрывающих заданную территорию (по аналогии с МЛА
на базе отражателей) должна иметь п входов, по числу излучателей ФАР, и
N выходов по числу лучей. Обработка и перераспределение для передачи
на участке вниз индивидуальных сигналов ЗС, приходящих в каждом из
лучей, в зависимости от принятого построения ССС также может произ¬
водиться по РЧ или ПЧ, либо после демодуляции (выполняемой с целью
декодирования, регенерации, коммутации на борту) в физическом или ло¬
гическом (условном, процессорном) тракте данного луча и канала.
Большинство современных методов цифровой обработки в частотной
области основано на операции прямого быстрого преобразования Фурье
(БПФ) в трактах каждого из элементов ФАР и частотных канала сигна¬
лов, существенно облегчающей т.н. простпрапствепно-частотное взвеши¬
вание. При этом после всех необходимых операций выполняется обратное
преобразование и сигналы восстанавливаются для дальнейшей обработки
и/или передачи на участке вниз. (Во временной области решение тех же
задач достигается путем синтеза АЧХ и ФЧХ фильтров на выходе каждого
элемента ФАР, построенных на линях задержки с отводами и настройкой
весовых коэффициентов в каждом отводе).
В заключение этого раздела следует подчеркнуть, что общим для всех
вариантов построения МЛА, в частности, при фиксированных лучах ФАР,
как и при поочередном сканировании обслуживаемой зоны узким лучом,
как и при использовании ГЗА, после обработки в приемной части СР прихо¬
дящие на его вход сигналы ЗС, очищенные в той или иной степени от помех
посредством пространственной и/или частотной, временной селекции и их
комбинаций, должны поступать в тракт передачи для последующего муль¬
типлексирования или перераспределения, коммутации по стволам (лучам)
ретрансляции на участке вниз. Пути и методы построения передающей час¬
ти БРТК с ФАР представляют собой отдельную проблему, рассмотрение
которой выходит за рамки книги.
15.3. АДАПТИВНЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ
И МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ
Развитием методов приема и МЛА со статическим (фиксированным)
или динамическим (сканирующим) покрытием зоны обслуживания яв¬
ляются адаптивные антенные решетки (ААР), основывающиеся на под¬
стройке частотно-зависимых весовых коэффициентов и, соответственно,
602
11,11 мод принимаемые сигналы п/пли помехи, с последующим подавлени¬
ем последних (простраистаепно-частотная фильтрация). В большинстве
применении формирование Д11 происходит, как и в обычных ФАР, посред¬
ством расчета комплексных весовых коэффициентов (КВК) в ветвях излу¬
чателей, которые, кроме того, регулируются в процессе приема с помощью
тех пли иных управляющих воздействий (глава 12).
Регулирование происходит в соответствии с одним из возможных
критерием (максимальное отношение сигнал/шум, минимум помехи, ми¬
нимальная среднеквадратичная ошибка и др.), а формирование управ¬
ляющих воздействий путем сравнения принимаемой смеси сигналов и
помех с эталоном сигнала, использования отличительных признаков сиг¬
нала но отношению к помехам и/или отличительных признаков помех.
Поскольку па практике во время передачи-приема может происходить
изменение параметров сигналов и помех, в том числе направлений их
прихода, условием адаптации чаще всего является обеспечение обратной
связи между выходными процессами и алгоритмами управления КВК.
При указанных условиях для подавления внешней помехи сущест¬
вуют два основных метода [15.15—15.17]. Первый из них — это настройка
КВК с весовым пространственным (при необходимости также частот¬
ным, временным) взвешиванием и сложением полезных сигналов всех
ветвей ААР и минимизацией уровня помех по направлению их прихода,
т. е. непосредственная пространственная селекция ВП (т.н. «обнуление»
ДМ в направлении помех). Второй известный метод — компенсационный,
при котором, наряду с общим трактом, создаются отдельные тракты для
выделения только помех (одной или нескольких) с последующим их вы¬
читанием (параллельным или последовательным) из общей смеси.
В адаптивных антеннах векторное множество Щп][Ы][М] комплекс¬
ных весовых коэффициентов для каждого из п излучателей, N лучей и М
рабочих частот, выделяемых ЗС в полосе ретрансляции, вычисляются и
периодически корректируются бортовым процессором. Последний фор¬
мирует взаимо-корреляционные матрицы набора входных сигналов по
пространственному и частотному признакам, как между собой (в каналах
ААР), так и по отношению к внешним помехам — например, по признаку
эталона сигнала или наличия маркера (глава 12). При этом в ветвях вы¬
полняются операции комплексного сопряжения и сигналы, в зависимости
от места в тракте обработки, могут представляться в комплексной или
действительной форме. Как отмечалось выше, большинство цифровых
процессоров работаю!' на гармониках, получаемых в результате БПФ.
В качестве примера на рис. 15.7 приведена блок-схема, содержащая ос¬
новные функциональные компоненты обработки принимаемых сигналов
603
в тракте каждого излучателя (до суммирования), а также измерительные
и управляющие устройства, необходимые для определения КВК.
В РЧ блоке каждого элемента ААР выполняются усиление и два эта¬
па (предварительной) фильтрации сигналов — сначала по рабочей или
промежуточной частоте, затем, после оцифровки и преобразования в
комплексную форму, — по НЧ (видеочастоте). Далее массив сигналов
(например, взятый на временном отрезке, соответствующем длитель¬
ности передаваемых пакетов) записывается в буферную память для по¬
следующего мультиплексирования (коммутации из блоков памяти) в
главный процессор.
В главном сигнальном процессоре производятся основные опера¬
ции — пространственно-частотная фильтрация опорной (заголовков,
маркеров), информационной частей сообщений (пакетов) и взвешенное
суммирование помех путем умножения на КВК — с последующим раз¬
делением на N парциальных лучей, когерентным или квазикогерентным
сложением п сигналов каждого луча, некогерентным суммированием
У , Ж
у 1 атеппы у
N
РЧ прием, преобразование к 114 (НЧ), АЦП
АРУ
Калибровка АР
I
I
Л
Л-
Расчет весов АР (КВК)
Измерение частотно-
пространственного
распределения помех
Измерение частотно-
пространственного
распределения сигналов
Точная временная
привязка сообщений
Регулироваиие комIисксных амплитуд
*
I
Частотно-мростра! 1стве1 шая филь грация
" (формирование лучей)
' ал
I Демодуляция, декордирование сообщений *
Индивидуальные сигналы ЗС
|
* Измерение начальной фазы |
I несущей частоты |
I
I
Рис. 15.7
604
помех и их пространственным подавлением (формированием «нулей» в
ДН) помех. В случае необходимости демодуляция и декодирование ин¬
дивидуальных сигналов могут происходить в этом же, либо в отдельном
процессоре.
Согласно одному из методов обработки, подробно описанному в части
4, настройка КВК в блоке расчета весов для пространственно-частотной
фильтрации производится с помощью обратной связи от трех блоков —
калибровочного и измерителей: а) пространственно-частотного распре¬
деления сигналов сообщений и б) пространственно-частотного распреде¬
ления внешних помех. Калибровочный блок устанавливает первоначаль¬
ные, усредненные значения КВК, например, с использованием наземных
источников, излучающих опорные колебания в рабочей полосе частот. От
измерительных блоков эти значения корректируются в соответствии с
текущей электромагнитной обстановкой в зоне обслуживания ССС, т. е.
пространственно-частотным распределением излучений, и поступают в
регулятор комплексных амплитуд. Одновременно, по результатам обра¬
ботки известного образца сообщения (маркера), обеспечивается точная
временная синхронизация сигналов по тактовой частоте и фазовая син¬
хронизация по радиочастоте. По маркеру также определяется наличие
или отсутствие сообщения в любом частотном канале и в зависимости
от этого происходит обработка или пропуск канала.
Что касается обнаружения помех, то оно осуществляется в измери¬
тельном блоке распределения помех с помощью специально создаваемых
«пустых» временных интервалов сообщения, либо взаимо-корреляци-
онным методом по отличительным от сигнала признакам. По результа¬
там расфильтровки по каналам и лучам, измерения наличия, уровня и
координат помех диаграммообразующие КВК модифицируются таким
образом, чтобы подавить помехи в выявленном направлении до задан¬
ного уровня.
Переходя к индивидуальной обработке каждого из М полезных сигна¬
лов в присутствии внутреннего шума бортового приемника, отметим, что,
по результатам настройки массива весовых коэффициентов ХУ[п] [ЛГ][М]
для каждого излучателя ААР, пространственного луча и частотного кана¬
ла, она может производиться разными путями: либо отдельно в каждом из
п трактов излучателей, с последующим мультиплексированием, либо по¬
сле сложения трактов, либо вообще не выполняться на борту СР. В любом
случае обработка, близкая к оптимальной (при выбранных методах моду¬
ляции и кодирования), возможна как на борту, так и в земных станциях.
В качестве одного из примеров применения СР с многолучевой
ААР и соответствующей обработкой можно привести известный про¬
605
ект ССС под названием 1СО (см. обзорную часть книги). В 115.18] приво¬
дится краткое описание построения системы с МЛА в виде совмещенной
приемо-передающей решетки, установленной на борту СР, и структур¬
ной схемы ретранслятора с цифровым процессором (рис. 15.8). В этой
системе ПерСС с подвижными земными терминалами формируется сет¬
ка из 163 «точечных» лучей, перекрывающих всю зону радиовидимости
и неподвижных относительно земной поверхности (рис. 15.9). Прини¬
маемые и передаваемые сигналы в 5 и С-диапазонах, соответственно,
на борту преобразуются примерно в диапазон 400 МГц перед подачей
на цифровой процессор, который переводит их во временную область
для последующей обработки. При этом все 163 луча формируются пу¬
тем генерации «амплитудно-фазовых коэффициентов» (т. е. КВК) для
каждого из 127 элементов решетки. Для их периодической проверки и
поддержания на борту имеется устройство калибровки, вынесенное на
внешнюю ферму КА. В системе обеспечивается гексагональное покры¬
тие лучами зоны обслуживания и повторное использование частот в ка¬
ждой семерке лучей. С помощью процессора компенсируется изменение
парциальных зон и направления лучей, а также доплеровские сдвиги
относительно вектора скорости спутника.
Рис. 15.8
2 — поляризационный селектор; 3 — МШУ диапазона 5,2 ГГц; 4 — поляризаторы;
5 — конвертор вниз; 6 - АЦП ; 7— демультиплексор; 8 — формирователь лучей;
9 - мультиплексор; 11 — ЦАП; 14 — конвертор ПЧ-5-диапазон; 15 — твердотельные
УМ; АР — антенная решетка из 127 эл.; 17 — к антенне С-диапазона; 18 — контрол¬
лер ЦП; 19 — к цифровому процессору; 20 — УМ диапазона 7,1 ГГц; 21 — конвертор
вверх; 22 — конвертор 8-диапазон-ПЧ; 23 — МШУ 5-диапазона
606
Как указывается в [15.18], процессор является «прозрачным», т. е.
производит распределение по лучам и назначение канальных частот, ко¬
торые могут изменяться в зависимости от трафика и помеховой обста¬
новки, без демодуляции и регенерации сигналов. В нем создаются 490
отфильтрованных каналов с полосой частот 170 кГц, каждый из кото¬
рых может быть подключен к любому из 163 лучей на любой частоте в
пределах рабочей полосы 8-диапазона 30 МГц (1985—2015 МГц), с сет¬
кой частот через150 кГц. Каждый из 490 таких каналов можно считать
условным трактом ретрансляции (транспондером). После обработки в
процессоре все принятые и перераспределенные по РЧ сигналы преоб¬
разуются в С-диапазон и поступают на групповые линеаризированные
усилители передающего устройства БРТК (на базе ЛБВ), после которых
через полосовые фильтры и антенны с контурным глобальным лучом
излучаются в двух поляризациях на участке вниз.
15.4. КОГЕРЕНТНОЕ ВЕСОВОЕ СЛОЖЕНИЕ
В СПУТНИКОВОМ РЕТРАНСЛЯТОРЕ
ПРИ ПРОСТРАНСТВЕННОМ РАЗНЕСЕНИИ
ВЕТВЕЙ ПРИЕМА
Гибридно-зеркальные МЛА и плоские ФАР в большинстве своем
относятся к классу антенных устройств с электромагнитным полем в
раскрыве, образованным постоянными лучами ДН (как на передачу, так
и на прием), которое электрически формируется с помощью излучате¬
лей и диаграммообразующих схем, физически существует и может быть
607
измерено в течение некоторого промежутка времени. При отом управле¬
ние положением лучей в пространстве осуществляется посредством из¬
менения параметров возбуждения излучателей, часто непосредственно
на рабочей частоте, через фазирующие элементы ДОС - но командам с
Земли, либо от бортового программного устройства.
Как показала практика, МЛА с отражателями и фиксированным,
меняющимся во времени (сканирующим), либо комбинированным по¬
крытием лучами зоны обслуживания ССС работоспособны и достаточ¬
но эффективны при выведении их на ГСО. Соответственно, различные
типы классических (плоских) ФАР используются, главным образом, в
НО системах ПерСС, работающих но принципу т.н. «скользящих» (от¬
носительно земной поверхности) лучей ДН, не закрепляемых за той или
иной частью 30. При этом принципиально важно, что последняя в сис¬
темах с НО группировками КА обычно является глобальной (по край¬
ней мере, по долготе).
Вместе с тем, применение МЛА указанных типов может быть про¬
блематичным в случаях, когда используется НГСО для пространствен¬
но ограниченного (регионального) обслуживания, примером которого
являются ССС с КА, выводимыми на эллиптические орбиты. Нетрудно
представить, что, даже при нахождении КА вблизи апогея в течение не¬
которого времени, для поддержания фиксированных парциальных зон
покрытия лучей потребуется ориентация бортовой антенны, не совме¬
щаемая в общем случае с системой ориентации (на центр Земли) и ста¬
билизации самого КА. Что касается движения в пределах всего рабочего
участка ЭО, то при этом, в условиях осевого смещения лучей и изменения
дальности до ЗС, при неизменной ДН, будут происходить более сущест¬
венные изменения положения, формы и размеров парциальных зон.
В таких ситуациях принцип незакрепленных, скользящих лучей,
подобный применяемому в НО системах, если и будет возможен, то при
непрерывном по пространству и во времени покрытии 30, что принци¬
пиально не исключается, но может приводить к возрастанию числа КА
для обеспечения перекрытия рабочих участков и, в итоге, к усложнению
и удорожанию системы.
Отметим также, что при ЭО имеют место особые условия наблюде¬
ния и поддержания связи для земных станций при перемещении КА в
пространстве. С одной стороны, как указывалось выше, ВЭО отличают¬
ся положительными свойствами с точки зрения углов места для средних
и северных широт по сравнению с ГСО. В то же время, обеспечение ква¬
зистационарности СР на ВЭО, в той или иной степени близкой к возмож¬
ностям наблюдения ЗС за КА на ГСО, требует решения ряда специфиче¬
608
ских задач по построению космического и земного сегментов. Имеются
в виду выбор параметров ВЭО, слежение антеннами ЗС, доплеровские
изменения частоты и времени распространения, вопросы ЭМС и пр.
Кроме того, по сравнению с ГСО системы на ЭО являются мпогоспут-
никовыми, что определяет как весьма важную роль оптимизации орби¬
тального построения, так и архитектуру формирования линий спутнико¬
вой связи, в особенности, в общем случае множественного дос тупа земных
станций к нескольким СР, находящимся в зоне их радиовидимости.
Таким образом, для эллиптических орбит, обладающих, в рамках ре¬
шаемых задач, целым рядом преимуществ (часть 1), уместна постановка
вопроса об изыскании новых подходов по формированию зон покрытия
бортовыми антеннами, а также методов слежения земных станций за
КА, в сравнении с круговыми орбитами, и, прежде всего, с ГСО. Это вы¬
текает из существующих и рассмотренных особенностей обеспечения
радиовидимости по времени и территории при движении КА по ВЭО
относительно земных станций. Наконец, помимо всего прочего, необ¬
ходимо учитывать и такой немаловажный фактор как технологическая
готовность промышленности к производству крупноапертурных МЛ А
в том или ином исполнении.
Учитывая изложенное, продолжим дальнейшее рассмотрение сис¬
темно-технологических особенностей, обусловленных применением
ВЭО, с альтернативным подходом к построению антенно-фидерного и
приемного трактов СР, а именно на основе многих независимых, широ¬
коугольных (глобальных), антенн и адаптивной обработки разнесенных
в пространстве сигналов.
В целях исключения технологических и вычислительных трудно¬
стей формирования ДН с помощью классической ФАР, при одновремен¬
ном повышении энергопотенциала и помехоустойчивости ЛСС на уча¬
стке вверх, в частности, при ретрансляции сигналов малых АЗС, может
быть предложен альтернативный принцип построения антенных и при¬
емных устройств БРТК [15.19,15.20].
Суть его заключается в увеличении эффективной площади борто¬
вой приемной антенной системы за счет дополнительной установки на
КА вместо одной антенны, используемой для формирования глобаль¬
ной или близкой к ней 30, А подобных же простейших, произвольно
расположенных в пространстве широкоугольных антенн и адаптивной
весовой аналоговой обработки сигналов в трактах каждой из них, с вза¬
имным фазированием и последующим когерентным сложением.
Пример функциональной схемы такого «приемника-когератора» в
аналоговой и цифровой форме приведен на рис. 15.10. Здесь в каждый
609
б)
па ЦАП, ПФ
* сопряжение. Двоимые линии обозначают комплексный сигнал
Входной поток: 512 МБайт/с/320 МБайт/с (при разрядности АЦП 8 бит
и частоте измерений, соответственно, 32 МГц/20 МГц)*
Выходной поток: 32 МБайт/е/20 МБайт/с (при разрядности ЦАП 8 бит).
Рис. 15.10
610
из Антрактов включены коррелятор (смеситель СМ1 и узкополосный
фильтр Ф2) и управляемый «взвешивающий» фазовращатель (его роль
выполняет смеситель СМ2), образующие отдельные тракты обработки
сигналов. Выходные напряжения цепей обработки линейно суммиру¬
ются, усиливаются и поступают на выход приемного устройства для
дальнейшей ретрансляции. Одновременно суммарный сигнал, подвер¬
гаемый предварительно АРУ (ограничению и усилению) в У2, подается
по петле обратной связи на вторые входы коррелятора-смесителя СМ1.
В результате комплексные напряжения на выходе корреляторов будут
содержать информацию о разности фаз и корреляции между входным
и суммарным выходным сигналами. После взвешивания в фазовраща¬
телях СМ2 фазы входных сигналов ветвей приводятся к единой фазе
полезной составляющей суммарного сигнала, а амплитуды остаются
пропорциональными весовым коэффициентам, т. е. сохраняется их со¬
отношение на входе ветвей разнесения [15.22].
В данном примере «когератор» фильтрует (настраивается на) опре¬
деленную частотную полосу, в которой излучает та или иная ЗС. Для
ретрансляции сигналов в другой полосе должен использоваться отдель¬
ный частотно-селективный когератор, являющийся, таким образом, про¬
странственно-частотным фильтром (ПЧФ). В общем случае многостан¬
ционного доступа условия разделения частот (полос) ЗС остаются та¬
кими же, как при ретрансляции с МДЧР и одной широкоугольной ан¬
тенной СР.
Принцип использования некоторого количества разнесенных в про¬
странстве антенн с комбинированием по тому или иному алгоритму раз¬
дельных трактов (ветвей) поступающих в них сигналов (при этом опти¬
мальным является когерентное, т. е. по напряжению, сложение сигналов
при сложении помех по мощности) широко известен [15.15] и применя¬
ется во многих областях радиотехники, начиная от КВ, УКВ, радиоре¬
лейной связи и кончая радиолокацией и радиоастрономией. Можно по¬
лагать, что, с одной стороны, он является альтернативой увеличению
размеров единственной антенны с целью повышения усиления и КНД,
с другой стороны — позволяет повышать эффективность приема в усло¬
виях замираний приходящего сигнала.
Можно показать, что эффект возрастания ЭП на участке вверх (отно¬
шения сигнал/шум после когерентного суммирования на выходе А ли¬
нейных приемных трактов БРТК) будет эквивалентен использованию
зеркальной МЛА или плоской ФАР с приблизительно одинаковыми апер¬
турами. В то же время, предлагаемое применение конструктивно незави¬
симых и произвольно располагаемых антенн в сочетании с когератором
611
для спутниковых систем с ВЭО снимает ряд серьезных проблем, прису¬
щих МЛ Л и ФАР, прежде всего с позиций их реализации, а именно:
1. Не требуется создания сложных, крупногабаритных электро-ме-
хаиичееких конструкций с большой апертурой, не умещающихся иод
обтекателем ракетоносителя и потому раскрываемых в космосе. Элемен¬
тарные приемные ан тенны с глобальной ДН могут представлять собой
плоские синфазные решетки и размещаться произвольно вокруг аппа¬
ратурного контейнера БРТК или па нем.
2. Исчезает необходимость юстировки электромагнитного ноля для
формирования лучей ДН с помощью сложных ДОС в диапазонах метро¬
вых и сан тиметровых волн. Создание в известном смысле «виртуальных
лучей по запросу ЗС», направленных в требуемую область 30, посред¬
ством адаптивной обработки с обратной связью может обеспечиваться
как аналоговыми, так и цифровыми методами на рабочей частоте или
ПЧ в линейном тракте приемника.
3. Таким образом, происходит самонастройка (самофазирование) ан¬
тенны, т. е. к ней не предъявляется требование принудительной ориен¬
тации и прицеливания лучей в ту или иную точку земной поверхности.
Все и каждая из Аантенн могут иметь независимые глобальные (в пре¬
делах всей зоны радиовидимости КА) или усеченные (зональные) ДН.
Пример возможной конс трукции расположения плоских элементарных
антенн на борту КА в сравнении с другими рассмотренными выше спосо¬
бами размещения бортовых ан тенных устройств приведен на рис. 15.5, в.
Для систем с мпогостапционным доступом, коими являются прак¬
тически все ССС, предлагается построение многоканальных приемных
устройств с М (по числу сигналов ЗС, передаваемых на разных частотах)
когераторами, нагруженными на общие антенн [15.21]. При этом сооб¬
щения в каналах могут передаваться непрерывно, либо пакетными ме¬
тодами, т. е. с МДВР-МДЧР. Структурные схемы такого ретранслятора
с ветвями параллельной обработки и когератора каждого изМсигналов
приведены па рис. 15.11 а, б, соответственно.
Описанный способ формирования направленных свойств приема и,
следовательно, повышения энергопотенциала на участке вверх с исполь¬
зованием пространственного (а также частотного) разнесения, в извест¬
ном смысле близок к принципам синтеза адаптивных антенных решеток.
Вместе с тем, у него имеются, по-видимому, и свои особенности, которые
подлежат дальнейшему анализу.
В частности, без принятия специальных мер, воздействие внешних
помех и/или сигналов других ЗС, перекрывающихся по полосе частот
и времени с полезным, здесь происходит как в обычном СР, без разнесе-
612
а)
1
2
п
N
б)
Рис. 15.11
1 — приемные антенны; 2 — широкополосные тракты приема; 3 — разветвители;
4 — когераторы; 5 — широкополосный тракт передачи; 6 — передающая антенна;
7 — первые узкополосные фильтры; 8 — первые смесители; 9 — вторые узкополос¬
ные фильтры; 10 — вторые смесители; 11 — сумматор; 12, 13 — усилители
613
ния ветвей приема, т. е. с одной общей широкоугольной антенной и без
принудительного аппаратного управления ДН через ДОС, как это де¬
лается в ААР при «обнулении» помех. Однако, согласно [15.22] в схеме
когератора на рис. 15.10,15.11 будет иметь место явление захвата, когда
выделяется и, при определенных условиях, удерживается более сильный
сигнал, а подавляется слабый.
Действительно, при отсутствии помех, кроме внутреннего, некорре¬
лированного шума, выигрыш за счет когерентной обработки равен числу
излучателей антенны:
ЛГ= (1 /а)(Рс/Р„) = (Рсс„!)/(ЛаД
где Рс и мощности сигнала и шума на выходе; стс2 и стс2 — входные
мощности сигнала и шума в каждой отдельной ветви когератора (каж¬
дом антенном тракте); а = стс2/ам2.
Из общих соображений (подтверждаемых математикой) также по¬
нятно, что при поступлении на Л^антенн сигнала и когерентной (узкопо¬
лосной относительно сигнала) помехи формируются два луча, направ¬
ленных (фазируемых) на источники сигнала и помехи. Причем ампли¬
туды той и другой составляющей должны определяться взвешенными
коэффициентами, соответствующими каждой из них и возникающими
при прохождении через все устройство, включая сумматор и цепи об¬
ратной связи. Согласно [15.22] амплитуды лучей для помехи и сигнала
находятся в соотношении:
И = [№/(а\ - АО]0'5,
где X = 4/ С0 стс2 = N + 1 /а — сигнальный параметр; С0 — положитель¬
ный коэффициент усиления АРУ в цепи обратной связи; А1- взвешен¬
ная сумма разностей фаз сигнала и помехи по всем антеннам, имеющая
смысл условного КНД совокупности излучателей.
Весовой коэффициент характеризует выигрыш или проигрыш в
отношении помеха/сигнал на выходе когератора относительно вход¬
ного соотношения а и его симметричная зависимость от а приведена
на рис. 15.12. Таким образом, имеет место явление захвата более силь¬
ным, который по выигрышу приближается к величине, обратно про¬
порциональной условному КНД (Р) при больших входных отношениях
сигнал/шум. То есть при более сильном сигнале, помимо адаптивной
самонастройки (виртуальной) ДН на источник, будет происходить до¬
полнительное подавление мешающих воздействий. И наоборот, сильная
помеха будет подавлять сигнал нелинейно, подобно известному «поро¬
говому эффекту при аналоговой частотной модуляции» [15.22].
614
-н>. (Ь
Рис. 15.12
Физически явление захвата в когераторе может быть сравнимо также
с работой автогенератора с самовозбуждением, которое происходит с неко¬
торым запаздыванием, но лавинообразно, и тем интенсивнее, чем сильнее
действует фактор возбуждения. Средством предотвращения такого рода
воздействия сильных помех является их ослабление перед попаданием
в первый смеситель когератора, что может быть достигнуто, например, с
помощью взаимо-корреляционных методов обработки, либо посредством
искусственно создаваемой расстройки по частоте относительно помехи.
При предлагаемом способе ретрансляции задачи обеспечения мно¬
жественного доступа, защиты от несанкционированного доступа (НСД),
а при наличии достаточной полосы частот и помехозащищенности, мо¬
гут решаться по-разному. Как последовательно, путем выделения спе¬
циальных временных интервалов для анализа и ослабления помех, так
и параллельно, посредством придания самим сигналам ЗС соответст¬
вующих отличительных признаков частотного, временного, кодового, а
также поляризационного, разнесения и их комбинаций.
В первом случае вначале должен происходить захват «стартового»
отрезка полезного сигнала (преамбулы), формируемого но определен¬
ному закону, вероятность повторения которого у случайной помехи ни¬
чтожно мала, а постановщику умышленной помехи этот закон не извес¬
тен. Тогда формируется узкая ДН в направлении ЗС, как описано выше,
615
м сч' захват (перехват) даже намного более сильной помехой значительно
менее вероятен, чем при отсутствии такой специально вводимой преам¬
булы.
Таким образом, в комплексе с пространственным разнесением трак¬
тов N бортовых антенн, для подавления внутри- и внесистемных помех
устройства корреляционной обработки (непосредственно в когерато-
ре или включаемые до него) должны выполнять функции сигнальных,
г. е. частотно-временных (кодовых) фильтров, как согласованных (авто¬
корреляционных), так и заградительных (взанмокорреляцнонных). При
атом, для более аффективной защиты от помех, как и в случае отсутст¬
вия пространственной селекции, могут применяться известные способы
формирования широкополосных сигналов на основе псевдослучайных
последовательностей (ПСП), например, с прямым расширением спектра
и фазовой манипуляцией (ФМ-ПСП), либо с многочастотной манипуля¬
цией (МЧМ-ПСП) или скачкообразной перестройкой частоты (ППРЧ)
и др. (часть 2).
При отсутствии возможности формирования ШПС с большой ба¬
зой из-за дефицита частотного ресурса для защиты от случайных, уз¬
кополосных помех эффективным будет применение многочастотного
временного доступа без дополнительного расширения спектра, в част¬
ности, МДВР-МЧМ (МР-ТОМА). Имеется в виду смена несущих частот
передаваемых пакетов ЗС, т. е. ретрансляция их в разных частотных ка-
налах-когераторах многоканального приемника на рис. 15.11.
В заключение отметим, что при использовании цифровых методов
обработки реализация приемииков-когераторов приобретает качествен¬
но новые возможности. В частности, смесь приходящих сигналов и по¬
мех на участке вверх может быть подвергнута аналого-цифровому пре¬
образованию, быстрому преобразованию Фурье (групповому, либо в от¬
дельных трактах) и т. д., в том числе на радиочастоте, с использованием
единой программно-аппаратной платформы на базе сигнальных процес¬
соров и программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Та¬
ким образом, в целом приемный тракт, при наличии некоторых аналого¬
вых элементов, будет приближаться к рассмотренным выше ААР, или к
т.и. смарт-антениам, называемым иногда также цифровыми антенными
решетками и применяемым, в частности, в системах беспроводного ши¬
рокополосного доступа (БШД) [15.23].
616
ГЛАВА 16. ВРЕМЕННОЕ РАЗНЕСЕНИЕ
В МУЛЬТИСЕРВИСНЫХ ССС С ПАКЕТНОЙ
ПЕРЕДАЧЕЙ СИГНАЛОВ
Характерным свойством многих современных ССС различного на¬
значения является использование пакетных методов передачи информа¬
ции. Это относится как к специализированным системам, в частности,
мониторингу параметров промышленно-хозяйственного, транспортного,
добывающего, экологического, военного, аварийно-спасательного и др.
профилей, так и к ССС общего пользования, прежде всего вещательным
и мультимедийным. Причем, если у первых это вызвано в первую оче¬
редь структурно-временными особенностями и трафиком передаваемых
сообщений, то на характеристики вторых заметное влияние в указанном
плане оказало массовое развитие компьютеризации, цифровых служб и
протоколов Интернета. При этом для многих применений мониторинга
короткие сообщения полностью умещаются в один пакет, тогда как ши¬
рокополосная мультисервисиая информация разбивается на множест¬
во пакетов, чередующихся в соответствии с принятыми стандартными
протоколами, обеспечивающими также необходимое временное разне¬
сение пакетов с целью защиты от группирования ошибок, вызываемых
замираниями и внешними помехами.
Разнесение элементов передаваемых сигналов во времени и по час¬
тоте, вместе с кодированием, является эффективным средством защиты
от воздействия замираний и разного рода помех в канале связи. Приме¬
нение разнесения путем повторения, в той или иной форме, посылаемых
в ЛСС символов сигнала в общем случае приводит к определенной из¬
быточности, которая выражается в необходимости увеличения каналь¬
ной скорости, занимаемой полосы частот и/или появлении соответст¬
вующей задержки приема сообщений. И наоборот, сознательный ввод
задержки в каналах с замираниями, в особенности при блокировании
приема, является одной из причин применения временного разнесения.
Поэтому важным вопросом становится обеспечение приемлемых соот¬
ношений между задержкой и избыточностью.
В случае однонаправленной передачи, т. е. доставки вещательного
контента или файлов данных, а также сбора информации отдатчиков
мониторинга, ведения репортажей, данный фактор не столь критичен,
как, например, при двустороннем телефонном обмене. Тем не менее, в
каждом из приложений задача минимизации допустимой задержки по-
своему актуальна, как с позиций качества, стоимости предоставляемых
617
СР
Источники
данных:
• потоки
- файлы
- глф
ЦЗС (ЗС-Т)
а)
0*0
Колер 1
Кодер 2
МУХ
^^
Кодер 3
Модулятор 1
Модулятор 2
Модулятор 3
б)
Рис. 16.1
услуг, так и с точки зрения усложнения оборудования, в частности, воз¬
растания объемов памяти в приемнике. Например, для потоковой пере¬
дачи видео или аудио контента существуют приемлемые значения вре¬
менной задержки, т.к. допускается определенное снижение избыточно¬
сти при цифровых преобразованиях. В то же время обмен файлами, со¬
держащими объективную, количественную информацию (экстренные
сообщения, обновление маршрута, таблицы, карты, телеметрия и т. д.)
менее чувствителен к задержкам, но требует более высокой достоверно¬
сти и надежности доставки.
618
Общая схема разнесения ветвей в ЛСС при мультисервисной пере¬
даче от разных (к примеру, трех) источников информации показана на
рис. 16.1, а. Она относится, прежде всего, к доставке вещательного кон¬
тента в прямом направлении, но может быть приемлема и для обратного
направления, в случае обслуживания нескольких (многих) пользовате¬
лей одной общей ЗС-терминалом.
Как следует из схемы и рис. 16.1, б, задачи защиты от воздействия
помех (внутренних и внешних) и разного вида замираний могут решать¬
ся несколькими путями: во-первых, с помощью прямого кодирования
информации каждого из источников, определяемого разными требова¬
ниями к качеству доставки того или иного контента. Во-вторых, посред¬
ством мультиплексирования с использованием одного или нескольких
методов разнесения в линии передачи, в данном случае в спутниковом
канале. Кроме того, само по себе разнесение по времени, частоте или их
комбинациям (по форме, коду) может осуществляться и в процессе ко¬
дирования, т. е. внутри кодера.
Мультиплексирование (М11Х) совместно с кодерами при этом ре¬
шает три главные функциональные задачи: 1) разнесение, как правило,
во времени, каждого (в данном случае, из трех) канала источников на
виртуальные (на рис. 16.1 их тоже три) субканалы; 2) объединение коди¬
рованных потоков символов сообщений в единый транспортный поток
(ТП) для передачи по ЛСС в каждой ветви разнесения (каждого моду¬
лятора на рис. 16.1); 3) групповое кодирование ТП.
В частности, для наиболее распространенных систем ФСС и РСС,
распространяющих потоки контента от источников аудио, видео и дру¬
гих данных в стандарте МРЕС, разработана концепция мультисервис¬
ной системы с интеграцией услуг, рассматриваемая ниже, в которой эти
задачи решаются в тех или иных сочетаниях функциональных компо¬
нентов.
Ветви различных видов разнесения на рис. 16.1 могут быть образо¬
ваны с использованием разных спутников или стволов (антенн) одного
СР, при одном, либо нескольких передатчиках и антеннах ЗС — как это
происходит в случаях пространственного и/или временного (частотно¬
временного) разнесения, а также при разнесении по поляризации, час¬
тоте (многочастотные сигналы) или по форме (коду).
При ретрансляции высокоскоростного сигнала, в частности, с
ДФМ/ВРК, возможно использование одной из двух схем временного
разнесения с целью декорреляции замираний и защиты от помех: а) соз¬
дание двух идентичных, сформированных в основной полосе (по видео)
и сдвинутых во времени на А? > ткор сигналов транспортных потоков на
619
выходе кодера (например, с понижением скорости путем «выкалывания»
символов), мультиплексирование их в передающем устройстве ЦЗС, пе¬
редача через спутник и прием стандартным модемом, дооборудованным
схемой принятия решения с комбинированием двух ветвей; б) «расще¬
пление» с помощью линии задержки по ПЧ высокоскоростного сигнала
на два сдвинутых во времени потока с передачей каждого на своей не¬
сущей, через разнесенные (в пространстве) антенны ЦЗС (или с разне¬
сением по поляризации в одной антенне), либо разнесенные СР, и прие¬
мом в ЗС-терминале с комбинированием по 114, например, способом
автовыбора.
При этом появляется энергетический проигрыш, равный 3 дБ, од¬
нако может быть показано, что ом более полезен, чем введение простого
энергетического запаса 3 дБ в ЛСС. 116.11.
Отметим также, что при передаче на разных частотах сложение двух
разнесенных сигналов в передатчике ЦЗС может производиться до уси¬
ления в выходных каскадах (в этом случае необходимо обеспечить доста¬
точную линейность усиления), либо в антенне, при раздельном усилении
каждого из двух сигналов. При поляризационном разнесении сигналы
могут передаваться и приниматься через одну антенну с облучателями
в ортогональных плоскостях, а при распространении в среде, кроме того,
приобретать дополнительную развязку с малой взаимной корреляцией.
Более надежной является передача через две антенны с ортогональны¬
ми — горизонтальной и вертикальной поляризациями. Во всех случаях
параметры ветвей разнесения должны учитывать требования к качеству
и времени доставки сообщений.
16.1. ВРЕМЕННОЕ РАЗНЕСЕНИЕ ПРИ СИМВОЛЬНОМ
И ПАКЕТНОМ КОДИРОВАНИИ
Спутниковый канал мобильной связи характеризуется довольно
длительным временем корреляции замираний, которое при затенении
может достигать нескольких секунд, что приводит к группированию
ошибок, вплоть до полного обрыва канала. Поэтому, помимо простого
временного разнесения с общим или разнесенными передатчиками или
СР, путем задержки и повторения передаваемого сигнала, здесь могут
применяться методы и схемы сегментации передаваемых данных на эле¬
ментарные блоки (информационные единицы) с целью их защиты путем
кодирования с коррекцией ошибок и восстановления с заданной точно¬
стью. Существуют два основных вида такого кодирования -- символьное
и пакетное, при повышении скорости передачи за счет временного сжа-
620
Iия (если позволяет энергочастот¬
ный ресурс), либо понижении, но
сравнению с каналом без замира¬
ний (прямой видимостью), за счет
растягивании но времени.
Упрощенно введение избыточ¬
ное! и для защиты от замираний и
внешних случайных помех может
быть иллюстрировано как превы¬
шение времени передачи некоторо¬
го блока данных с длиной, равной
временной задержке Г„ = ДГ3, дли¬
тельности блокирования (переры¬
вов) в канале, т. е. Д^3 > Д^б, либо как
повторение нескольких сжатых па¬
кетов этих данных в течение того
же времени задержки: Тп « М6 <
< М, (рис. 16.2).
Таким образом, при символь¬
ном кодировании и временном раз¬
несении скорость передачи инфор¬
мации ^снижается по сравнению с
каналом с АБГШ, а данные от одно¬
го источника сообщений делятся на
к сегментов, по с символов в каждом. При этом сегменты сдвигаются во
времени на Л^., перемежаются и при многоканальной передаче мульти¬
плексируются в общем потоке с данными других источников. При этом
разнесенные потоки, имеющие общую задержку АХЛ, могут передаваться
либо через один, либо через разные спутники, как показано на рис. 16.3.
Отметим, что в частном случае могут разноситься одиночные символы
(с - 1), а наиболее общим случаем является неравномерное распределе¬
ние сегментов во времени. Кроме того, для защиты от длительных зами¬
раний (а также и внешних, например, импульсных помех), после мульти¬
плексора может включаться еще один перемежитель (тСегИеуег).
При пакетных методах в ЛСС могут вводиться два уровня кодирова¬
ния: внешнее, позволяющее обеспечивать вероятность символьных оши¬
бок, близкую к нулевой (циа511хее еггог), и внутреннее кодирование (со
ст иранием), необходимое для восстановления пораженных пакетов в ка¬
налах с блокированием приема [16.2,16.3]. Для этого формируются к - I
пакетов, включающих пор символов, причем / пакетов подвергаются ко-
Хо|К)шо - -1
Плохо ^
, ^ • -I’
! !
• »
• •
1 1 ^
Упплшм _ *
(
1
О)
< ч,.
/хорошо - • 1
Плохо...
Т—►
•
1
•
1
Д1
-<
•! -►
(
1
О
Рис. 16.2
а)| “ I
и
Рис. 16.3
621
дированию со стиранием со скоро
стью гр = (к 1)/к, при символьной
информационной скорости г. вре¬
менное разнесение должно обеспе¬
чивать задержку А/, между первым
символом первого макета и послед¬
ним символом последнего пакета.
При передаче через несколько спут¬
ников пакеты вводятся в поток ка¬
ждого из них и задержка относи гея
к ЛСС через один СР (рис. 1 (>.4).
Преимуществом принципа сим¬
вольного кодирования является то,
что может использоваться один общий код, как для защиты от шумов,
так и для работы в условиях замираний. В то же время пакетные мето¬
ды имеют достоинства в практической реализации, требуют меньших
объемов памяти, позволяя более гибко варьировать форматы сигнала.
Возможно использование пакетного кодирования со стиранием в каче¬
стве внутреннего уровня для символьных кодов, а также защита отдель¬
ных пакетов и файлов в целом внешним кодом, при потере некоторых
пакетов на внутреннем уровне. Также пакетные методы совмещаю гея со
сверхдлинным перемежением при перерывах связи.
Состояние спутникового канала мобильной связи при общих зами¬
раниях (прямая видимость, затенение, блокирование), как отражено в
главе 14, описывается вероятностями этих событий, а также вероятно¬
стями перехода между ними. При более кратковременных, многолуче¬
вых замираниях вводятся переменные коэффициенты, определяемые
законами распределения состояний канала. Существуют различные мо¬
дели описания поведения каналов с замираниями [16.4], среди которых
могут, в частности, использоваться марковские и полу-марковскис цепи,
описывающие эти состояния. Например, с помощью дискретных марков¬
ских моделей переходные вероятности (между состояниями) отобража¬
ются как выборки состояний канала.
Так, при символьном кодировании, если относительно более мед¬
ленные изменения в канале описываются указанными вероятностями,
то быстрым событиям, происходящим внутри каждого из состояний,
соответствуют собственно плотности вероятности, определяющие эти
состояния [16.5—16.7]. Если же время передачи одного сегмента превы¬
шает время выборки между состояниями канала в марковской цепи, то
использование соответствующих адаптивных методов позволяет отсле¬
6)Г Р I Г~Р I
(:)| V I
г~?п
к - /
Ш ГТР?1
1
Р/Г |
. 1 Д Г
V
[
ср, ГрА
РА
е)
Рис. 16.4
к
ГНГ-1
к
'Р/г |
к/ 8
Г~РА
I , ДГ, _к_
СР. | р/г Н—И р/г I |~рА
I . А1,
622
живать эти события посредством изменения временных параметров за¬
держки и буферной памяти.
В случае применения пакетного кодирования картина изменяется: в
описании процессов появляется подгруппа состояний, в которой соот¬
ветствующий ей канальный код позволяет принимать пакеты без потерь,
тогда как для остальных состояний пакеты теряются. Тогда, если время
передачи пакета соизмеримо со средним временем отсутствия блоки¬
рования. требуется точная оценка вероятности ошибок, определяющая
переходные вероятности на уровне пакетов. При этом возможны сцена¬
рии, когда имеются некоторые вероятности приема пакетов в «плохом»
состоянии и потери пакетов в «хорошем» состоянии. Кроме того, для
коррелированного федингового канала характеристики приема могут
быть улучшены при уменьшении размеров кодируемого блока данных и,
в целом, оптимизации сегментов и процедур иеремежения [16.8—16.10].
Как уже отмечалось, статистические свойства спутникового канала
зависят от физической среды, в которой находится ЗС-терминал, скоро¬
сти его движения, рабочей частоты, угла возвышения. В [16.10] содержат¬
ся методики, позволяющие производить оценку различных способов ко¬
дирования, системных параметров и структур, основанные на статисти¬
ческих моделях вещательных каналов и схемах разнесенной передачи.
Ряд аспектов временного разнесения рассмотрен в [16.11—16.13],
где основное внимание уделено мобильному спутниковому вещанию с
МДВР и МДКР при разной длительности блокирования приема. Также
предлагается многоуровневое кодирование источников аудиоинформа¬
ции для уменьшения временных задержек при «длинном» перемеже-
нии.
Используемый в [16.10] математический аппарат позволяет получить
оценочные соотношения между избыточностью кода и максимально до¬
пустимой задержкой для пакетных методов при заданной надежности
приема. При этом могут быть рассмотрены сценарии: без и с разнесени¬
ем спутников, для разных сред распространения и выбора необходимо¬
го временного запаса по задержке, при условиях превышения длитель¬
ностью блокирования определенного процента общего времени приема
блока данных (например, 25%) и оптимизации размеров пакета (мини¬
мизации пакета для худшей среды). В таком случае вероятность прие¬
ма является возрастающей функцией инверсной скорости передачи ин¬
формации.
Примеры таких зависимостей приведены на рис. 16.5. Из них, в ча¬
стности, следует, что для пользователей, находящихся в любой среде,
кроме городской {пригород, село, скоростное шоссе) и имеющих доступ
623
‘К
л/,, с
только к одному спутнику, при СКОЛЬ
угодно большой задержке должна ис¬
пользоваться инверсная скорость сти¬
рающего пакетного кода 1 /гр не ме¬
нее 2. Тогда как в случае разнесения
СР эта же скорость достигается при
ограничении задержек до 7—9 сек. В то
же время, согласно аналогичным оцен¬
кам, в городской среде задержки долж¬
ны быть, в лучшем случае, не менее не¬
скольких десятков секунд при инверс-
Рис. 16.5 ной скорости кода не менее 2,5 и двух
разнесенных спутниках. 11о этой при¬
чине, в частности, для мобильного приема сигналов радиовещания до¬
полнительно используют наземные ретрансляторы.
16.2. МОДЕЛЬ МНОГОПРОГРАММНЫХ
ВЕЩАТЕЛЬНЫХ ССС С ПАКЕТНЫМИ
МЕТОДАМИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
Пакетная передача цифровой информации получила широкое рас¬
пространение в связи с целым рядом преимуществ, обусловленных удоб¬
ством обработки, коммутации, хранения, кодирования сигналов. В со¬
временных ССС, в частности с временным уплотнением и разделением
при многостанционном доступе (МДВР), применяются разнообразные
пакетные методы формирования, которые основаны на сжатии и после¬
дующем разнесении сигналов во времени, в соответствии с принятыми
форматами передачи. К числу таковых относятся и мультисервисные
вещательные ССС с многопрограммной передачей видео, аудио, данных,
включая Интернет, графики, текста, т. е., в целом, мультимедийного кон¬
тента, на сеть ЗС-терминалов, а также интерактивными возможностями
связи по относительно малоинформативному обратному каналу.
Концептуально подобная система с интеграцией цифровых веща¬
тельных услуг (15БВ — 1пЬе§га1е(1 Зепчсез 01§И;а1 ВгоасказПщ*), относя¬
щаяся к прямому направлению передачи, описана в ряде Рекомендаций
МСЭ [16.14,16.15] и документов ЕТСИ. В соответствии с ними разра¬
ботаны, в частности, стандарты ОУВ-8/52 (для прямого направления)
и БУВ-КС5 (для обратного направления), содержащие подробные спе¬
цификации характеристик такого рода систем, в которых значительное
внимание уделено описанию форматов сигнала.
624
Важно отметить, что указанные стандарты в целом могут быть ис¬
пользованы не только в системах на ГСО (ФСС и РСС), хотя содержа¬
щиеся в них технические решения подразумевает, в основном, приме¬
нение в спутниковых каналах с АБГШ и постоянными во времени па¬
раметрами (допуская, например, наличие фединга, вызванного дождем,
но не уточняя модель канала). Это обстоятельство следует учитывать
при оценке возможности использования стандартов и рекомендаций для
СССЭО с мобильными терминалами (как приемными, так и приемо-пе¬
редающими). Рассмотрим кратко основные положения по построению
форматов сигналов прямого направления.
Главная, содержательная часть передаваемой информации форми¬
руется в соответствующих центрах поставщиков контента или оконеч¬
ном оборудовании пользователей, а затем агрегируется в узлах сете¬
вых провайдеров в виде стандартизированных т.н. пакетизированных
элементарных потоков (РЕ5 — РасксТкес! ЕкчпеШагу ЗСгеат), наиболее
распространенным примером которых является МРЕС-ТЗ [16.14]. Кро¬
ме того, вместе с информационными потоками в прямом направлении
передаются управляющие и служебные сигналы (ТМСС — Тгапзпнззюп
апб Мик1р1ехт§ СопП§игаиоп Соп1го1), а также опорные (Ъигз1), «пилот¬
ные» сигналы для восстановления несущих и тактовых частот на при¬
емном конце.
Как видно из рис. 16.6, отдельные (элементарные) потоки пакетов,
поступающие от независимых источников контента, объединяются спо¬
собом синхронного временного уплотнения (ВУ/ТЭМ) в высокоскоро¬
стные последовательности символов, вложенных в пакеты, затем слоты
и кадры (фреймы), подвергаемые операциям обработки на передающем
МРЕС-Т5 №1
МРЕС-Т5 №2
< Ш I
Кодер
ТМСС
& ё- I
Внешний
ТМСС
сигнал
Рандом-
Переме¬
1
1
-т
1
1
ВУ/ТОМ
Внутр.
колер
изатор
житель
кодер
Рис. 16.6
625
МРКСТ5 л
( им I
С ми 2
(.им I
Л + 1Ч‘
МР1:С ть и
Л ♦ РС
МРРСТ.Ч X
Л «■ РС
1ЙН Гий I
„ ДМ (МИ
Г '
—
^ + ’ 1
1 1 Л 3
1
71М байт
■О-
'< Т
►
1 1 Г 1
—
1
р
1
1
1
1
| 1
►-
Г 1 Г 1
—
1
тг-г
1 Г* ■'<' Р-*1
К.ир .ынных
1—г-
1_
1 1_1 I. ■
Рис. 16.7
конце ЛСС (помехоустойчивому кодированию, распределению (диспер¬
сии) энергии в рабочей полосе час то т, перемежен и ю).
Структуры кадра и суперкадра трафика 130В-5, рекомендуемые
в [16.14] для вещательной информации в ССС, приведены на рис. 16.7,
16.8. Пакеты двоичных символов длиной 188 байт, примятые как ос¬
новной блок данных (информационная единица) каждого из входных
МРЕС-Т5 парциальных потоков, преобразуются во внешнем кодере
Рида-Соломона (РС) при скорости кода 188/204 в т.н. свободные от
ошибок (циаз11гее еггог) пакеты длиной 204 байт, соответствующие од¬
ному из К временных интервалов кадра. При этом по РС кодируется
также синхропоследовательность МРЕС (первый байт исходного па¬
кета).
Внутреннее кодирование, необходимое для обеспечения требуемой
достоверности принимаемых сигналов в спутниковом канале с заданны¬
ми энергетикой и полосой частот ретрансляции, осуществляется свер¬
точным кодом в сочетании с мягким декодированием по Витерби. Ско¬
рости кода 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 выбираются путем выкалывания
избыточных проверочных символов.
Для перемешивания пакетов кадров (исключая синхросигнал) с це¬
лью защиты от пакетов ошибок создается суперкадр (рис. 16.8), состоя¬
щий из Кх кадров, где Кх - глубина перемежения (сЗерЕЬ т1ег1еаут§). При
работе в условиях замираний эта величина должна выбираться, как
отмечалось выше, исходя из статистики канала, в частности, длитель¬
ности затенений.
Основными методами модуляции, наряду с ФМ4/(|)Р5К являют¬
ся также ФМ2/ВР5К и 8Р5К. Все указанные операции обычно произ¬
водятся во внутреннем блоке ЗС (Ш11), после чего модулированный и
626
сформированный по полосе сигнал поступает через ПЧ-интерфейс во
внешний, радиочастотный блок (ОБИ).
Управляющие данные, в частности, содержащие сведения о выбран¬
ных для конкретного состояния канала связи рабочей частоте, методах
разнесения, модуляции и кодирования пакетов каждого элементарного
потока, формируются отдельно и с опережением относительно сигна¬
лов контента. Затем они объединяются, вместе с информационными
потоками и нилот-сигналами, в общий транспортный поток (ТП/Т5-
мультиплекс) со скоростями передачи до десятков (50—60) Мбит/с,
либо в несколько ТП, передаваемых с более низкими скоростями — от
(1,5—2) Мбит/с.
В составе служебных и опорных кадров передается информация
ТМСС в виде таблиц, пакетов данных для установки параметров обрат¬
ных каналов, необходимых для их соединения и разъединения, синхро¬
низации, управления потоками данных, мощностью ЗС-терминалов и
т. д. С учетом этой, а также других видов мультисервисной информации,
в частности данных из Интернета, сетей АТМ, внутренняя структура
кадра может изменяться.
Количество передаваемых в пакетах символов на бит сообщения яв¬
ляется переменной величиной, зависящей от применяемого вида моду¬
ляции и скорости внутреннего кода (ансамбля сигналов). Оно может,
например, удовлетворять соотношению 1к —
8 Ьрк
ек
где рк — число паке-
627
Исходный кадр Перемеженный кадр
Рис. 16.9
тов, передаваемых с к-й комбинацией вида модуляции (например, ВР5К,
С)Р5К, 8-РЗК) и скоростью внутреннего кода; ек — спектральная эффек¬
тивность (бит/Гц) этой комбинации; Ь — число бит в пакете (204). При
этом количество слотов в кадре N
1пв,
О тах
■ где = X]/», а ет„ есть мак-
86 ,
симальная из всех ансамблей спектральная эффективность.
Принцип перемежения кадров глубиной Кх = 8 для слотов одного и
того же ансамбля показан на рис. 16.9. Здесь данные ансамбля Аи . а21,
А31 (Ау соответствует биту^-го слота в 1-м кадре) перемещаются в меж¬
кадровом направлении, а после перемежения размещаются в горизон¬
тальном направлении Аи, А21, А31,... Также в кадре показана передача
пакетов еще одного ансамбля — Ви, В21, В3])...
Сигнал ТМСС содержит информацию о методе модуляции-коди¬
рования (ансамбля сигналов) для каждого слота, вместе с признаком
идентификации для этого слота, а также другие служебные сообщения:
порядок обмена с терминалами, флаг для предупреждения о передаче
сигналов о чрезвычайных ситуациях и др. Все это передается до основ¬
ной информации, т.к. сигналы трафика не могут быть демодулированы
без ТМСС. Минимальный интервал для восстановления информации
ТМСС должен иметь длительность одного суперкадра, в течение кото-
628
ТМСС сигнал
1 кадр
Маркер
ТМСС данные
Маркер
Основной сигнал
Слот 1
Слот 2
Слот 3
Слот р
уМ/УУУу СлотД' :
ШМ////////Л
ТМСС
Добавление
пилот-сигнала
Рис. 16.10
рого эта информация декодируется. При этом сигнал ТМСС сам по себе
должен содержать метки тактовой частоты.
Главный сигнал (трафика) и сигнал ТМСС объединяются во време¬
ни в каждом кадре. В зависимости от комбинации модуляции-кодиро¬
вания они сжимаются / растягиваются во времени в каждом слоте перед
сверточным кодированием. При этом пустые слоты, имеющиеся в основ¬
ном сигнале, должны быть исключены из процесса передачи. Рис. 16.10
иллюстрирует процесс объединения в общий формат основного сигнала,
ТМСС и пилотных сигналов, упомянутых выше.
16.3. СИСТЕМЫ И ФОРМАТЫ СИГНАЛОВ ЦИФРОВОГО
РАДИОВЕЩАНИЯ С РАЗНЕСЕНИЕМ ВЕТВЕЙ
□
Д Пустой слот
| Пилот-си гнал
Исторически цифровая передача звуковых (радио) программ на¬
чиналась в наземных вещательных сетях, работающих в диапазонах
УКВ/ОВЧ (УНР/1ШР) с использованием тех же принципов интегри¬
рования служб цифрового вещания (130В), что и при передаче видео¬
информации, модификаций универсального стандарта кодирования
МРЕС2 (Гаиег II аисНо, ААС и др.) и традиционной частотной модуля¬
ции (УКВ/ЧМ). Но уже в начале 90-х г.г. прошлого столетия в практи¬
ческих разработках и Рекомендациях МСЭ-Р [16.16—16.18] появились
предложения по облику и параметрам спутниковых цифровых систем
629
звукового вещания (В35 -- ВгоабсазСт^ За1еПН;е Зетсе (зоипс!)), совме¬
щаемых в ряде приложений с вещанием по наземным каналам.
Основополагающий для данной тематики документ МСЭ-Р [16.1]
развивает указанные рекомендации в направлении радиоприема на под¬
вижных объектах и содержит достаточно подробные спецификации для
реализованных типов (стандартов) спутниковых цифровых систем зву¬
кового, в том числе мобильного, вещания (часть из них являются гиб¬
ридными с наземными), названных Системами Л, В, /)5, Г)я, Е. Важно от¬
метить, что данный документ и последующие многолетние разработки
в этой области в значительной степени соответствуют рассмотренным
выше более общим рекомендациям по 15БВ [16.14].
Одновременно в [16.1] уделено первостепенное внимание приему ау¬
диопрограмм в условиях различного вида замираний и содержатся пред¬
ложения по снижению их негативного влияния, реализованные в ряде
конкретных проектов. Очевидно, что данная проблема менее сложна,
чем при передаче существенно более широкополосного видеоконтента,
но, тем не менее, примеры ее решения могут быть использованы и в дру¬
гих сферах. Поэтому нами вначале рассматривается каждая из рекомен¬
дуемых систем цифрового звукового вещания, а затем основное внима¬
ние уделяется мультисервисным ССС с мобильными терминалами, ас¬
социируемым с передачей, главным образом, видеоинформации.
Система А
Известна как Еигека 147 БАВ (Э^Ы АшИо ВгоасказНпё) и получила
распространение для наземного использования, хотя предназначалась
как для наземного, так и спутникового и гибридного вариантов. При
этом ставилась задача использования совмещенных недорогих подвиж¬
ных, портативных и стационарных радиоприемников со слабонаправ¬
ленными антеннами, размещаемых на уровне порядка 1,5 м над поверх¬
ностью земли и работающих в диапазонах 1500 или 3000 МГц.
В системе А предусмотрена защита от МЛЗ и затенений, характерных
для городской среды, в частности, использование наземных ретрансля¬
торов (т.н. «§ар-Пкегз»), метода параллельной многочастотной переда¬
чи ОРОМ (совместно с ДОФМ/4-БР5К), а также трансляция в составе
ТП каналов аудио со скоростями от 8 до 384 кбит /с и всего 64-х субка¬
налов различных видов относительно узкополосного мультимедийного
контента (звук, снимки, графика, игры и т. п.). Как и в рассмотренных
выше видеосистемах с ТП-мультиплексом здесь применяются методы
пакетной передачи (максимальная длина пакета данных 7 символов),
скремблирование, сверточное кодирование (от 1 /3 до $), а также два
630
Таблица 16.1
Параметр
Режим I
Режим II
Режим III
Номинальная частота (мобильный прием), до
Защитный интервал
Приемлемая задержка, до
Общая длительность кадра, ТР
Длительность нулевого символа, ТЫШЬ
Общая длительность символа, Т
Полезная длительность символа, ^
Кол-во излучаемых несущих, М
375 МНг
246 рз
300 рз
96 тз
1,297 та
1,246 тз
1 1115
1536
1,5 СНг
62 рЗ
75 рз
24 1П8
324 |дз
312 рз
250 рз
384
3 СНг
31 рз
37,5 |дз
24 паз
168 рз
156 |дз
125 рз
192
вида перемежения (разнесения) — временное (глубиной 16 кадров) и
частотное (параллельное).
Согласно [16.1] в системе предусмотрено три рабочих режима, два из
которых соответствуют наземному вещанию, третий — спутниковому и
гибридному (табл. 16.1).
Система В
Будучи предложена в Северной Америке, система ориентирована на
максимально эффективное использование бортовых характеристик СР в
диапазоне 2300 МГц совместно с наземной ретрансляцией (НР), прежде
всего, для обеспечения приема на мобильные терминалы, работающие
в движении. Была разработана программная модель системы со скоро¬
стями передачи от 16 до 320 кбит/с на канал и мультиплексированием
с групповой скоростью ТП от 32 кбит/с до 1—10 Мбит/с.
Отличительным свойством системы является применение целого
ряда возможных средств защиты от глубоких замираний типа затене¬
ния, блокирования и эхо-сигналов (МЛЗ):
— временного разнесения путем задержки потока данных с после¬
дующим сложением копии с оригиналом, передачей на общей
несущей, независимой обработкой, селекцией во времени двух
версий сигнала в демультиплексоре и автовыбором в приемном
устройстве, в частности, с использованием обнаруженных оши¬
бок в декодере РС;
— пространственного разнесения приемных ветвей (ангенн/при-
емников), соответствующей обработки сигналов и автовыбора с
использованием декодера РС;
— пространственного разнесения по передаче (спутников/пере¬
датчиков ЗС) на разных частотах с независимой обработкой и
последующим принятием решения;
631
— излучения одного и того же потока данных физически разнесен¬
ными передатчиками (СР, НР) на общей частоте (одночастотная
сеть) с последующей обработкой с применением корректоров (эк¬
валайзеров), в том числе возможностью ввода символов эталон¬
ных (обучающих) последовательностей через каждые 2—4 сим¬
вола информационных данных на передаче.
Помимо этого в системе В используется полный набор средств ква-
зиоптимальной передачи в условиях АБГШ: модуляция ДФМ/()Р5К с
когерентным приемом и согласованной фильтрацией символов, кодиро¬
вание по РС (140, 160) и сверточное с декодированием по Витерби (К =
= 1/2, к = 7). Время перемежения кадров составляет порядка 200 мс.
В присутствии многократных отражений и разброса задержки при¬
хода сигналов на выходе обнаружителя синхрокадра (маркера) образу¬
ются автокорреляционные пики, которые используются для автомати¬
ческой настройки по тактам и коммутации применяемых корректоров
с решающей обратной связью (КРОС) и матричной схемой предсказа¬
ния (1аШсе РОЕЕ). В данной системе длина (число отводов) корректора
функционально связана с задержками сигналов (см. главу И) и в фильт¬
рах КРОС выбрано 22 прямых и 4 обратных отвода, причем эти числа
могут изменяться в зависимости от значений разброса задержки. Что ка¬
сается обучающих последовательностей, то их положение относительно
синхрокадра известно на приемном конце, поэтому они стираются перед
декодированием.
Для оценки системы с использованием схемной коррекции сигналов
при МЛЗ испытывались две модели каналов с дополнительным разне¬
сением ветвей приема:
— райсовская, с половинной мощностью прямой составляющей сиг¬
нала и четвертью мощности в каждой из двух релеевских состав¬
ляющих;
— релеевская, с тремя релеевскими компонентами равной мощно¬
сти.
Допплеровский сдвиг релеевских компонентов составлял ±213 Гц,
что соответствует относительному движению СР и ЗС со скоро¬
стью 100 км/ч, на частоте 2,3 ГГц. Скорость передачи составляла
300 ксимв/с.
На рис. 16.11 приведены результаты моделирования вероятностей
ошибочного приема не кодированного сигнала (до Витерби и РС декоде¬
ров) в условиях АБГШ, т. е. в канале с прямой видимостью (рис. 16.11, а)
и при наличии замираний разного типа для идеально синхронного кор¬
ректора и с учетом работы петли синхронизации по несущей и тактовой
632
«)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Е„/Ыа,пБ
А. Релей, без коррекции
В Релей, 6/разисееция, обучают, символы 1:3
С. Без МЛЗ и фединга, коррекция б/обучеиия
О: Без МЛЗ, фединга и коррекции
«)
А: Без коррекции, оба канала
В: Релей, б/разнесемия, обучают, символы 1:5
С: Релей, б/разиессния, обучают. символы 1:3
О: Релей, 2-крат. разнесение, обучают, симы. 1:3
Е: Райс, б/разпесепия, обучают, символы 1:3
Е: Без МЛЗ и фединга, коррекция б/обучеиия
С: Без МЛЗ, фединга и коррекции
Рис. 16.11
633
частотам (рис. 16.11, б, в, соответственно). Здесь везде при Р = Ю 2 по¬
сле декодирования получается Р{т = 10 6.
Системы И5 и Он
Данный проект известен и реализован как система ШгШЗрасе для
обеспечения цифрового радиовещания (ЗВ) и распространения данных
через СР на ГСО на страны Америки, Азии и Африки в диапазоне частот
1452—1492 МГц в двух вариантах — чисто спутниковом (Г>5) и гибрид¬
ном (Г>я). Первый вариант рассчитан на использование только фиксиро¬
ванных и портативных ЗС-терминалов, второй — для приема радиопро¬
грамм также и в подвижных объектах. В обоих вариантах используют¬
ся мультиплексирование и передача ТП методом ВУ /ТЭМ, модуляция
ДФМ/()РЗК, каскадное блоковое и сверточное кодирование.
Кроме того, в системе Ин предусмотрено временное разнесение с по¬
следовательной передачей смещенных ТП через один СР и принятием
решения методом максимального правдоподобия, а также применение
на наземном участке способа формирования сигналов с частотным раз¬
делением ортогональных поднесущих.
Согласно [16.1] типовые транспортные потоки в системе на участ¬
ке вниз, передаваемые в трех лучах на несущих с ВУ /ТБМ, имеют груп¬
повую скорость 3,68 Мбит/с и состоят из 96 первичных каналов (РК.С)
со скоростью передачи от 16 кбит/с (шаг кратных скоростей кодирова¬
ния аудио в формате МРЕС Ьаиег III). СР может ретранслировать 6 та¬
ких ТП на отдельных несущих (в сумме 576 РКС) через отдельные уси¬
лители, работающие в режиме насыщения, либо через общий усилитель
на ЛБВ. При прямой ретрансляции потоки формируются на передающей
стороне, при обработке в СР на участке вверх для групп первичных ка¬
налов применяется МДЧР, а затем уплотнение их в ТП на борту, после
коммутации и маршрутизации.
Первичные каналы каждого ТП уплотняются в кадры т.н. вещатель¬
ного (ВС — Ьгоабсаз!) канала, по 8 РК.С в каждом кадре. При этом для
удобства сервис-провайдера каждый из первичных каналов может ис¬
пользоваться индивидуально, либо объединяться в группы со скоро¬
стью передачи п х 16 кбит/с (п = 1—8). Для каждого из шагов 16 кбит/с
в кадре длиной 0,432 с выделяется 6912 бит. Кроме того, кадр включа¬
ет отдельные заголовки из 224 бит (5СН — Зепчсе Соп1го1 Неабег) для
каждого из п компонентов ВС. Скорость компонентов контента может
динамически изменяться, например, музыка, передаваемая со скоро¬
стью 64 кбит/с, преобразовываться в 4 речевых канала по 16 кбит/с.
Последующие операции кодирования, перемежения, модуляции так-
634
СР
Рис. 16.12
же показаны схематически на рис. 16.12 для случая передачи на участ¬
ке вверх и обработки в СР (МЕР-таз1ег 1гате ргеатЫе, ТЗСС-Ите з1о1
соп1го1 сЬаппе1).
Таким образом, на участке вниз при той и другой конфигурации сис¬
темы (прямой ретрансляции и обработке на борту) на каждой несущей
передается информация с общей скоростью 1,536 Мбит/с, т.к. трафик
включает 96 каналов, каждый из которых (по 16 кбит/с) соответствует
основной полосе сообщения. Остальная часть символьной скорости ка¬
ждого ТП (3,68 Мбит/с) расходуется на служебные компоненты — заго¬
ловки, преамбулы кадров и избыточность кодов. Символьная скорость
сигнала с ДФМ/ЦРЗК составляет 1,84 Мсимв./с (2 бита на символ), а
частотный разнос между несущими — от 2,3 до 3 МГц.
Преамбула
Канал управления
Слоты 96 первичных каналов (РКС)
192 бита
слотами 4224 бит
503 424 бит
Рис. 16.13
635
Временной формат кадра длительностью 0,138 с, формируемый на
участке вниз при обработке в СР и на обоих участках ЛСС при прямой
ретрансляции, приведен на рис. 16.13. Каждый слот первичного канала
здесь содержит 5244 бит кодированной информации, т. е. кадр включает
96 х 5244 = 503 424 бит трафика.
Приемные устройства носимых терминалов Ь-диапазона в стацио¬
нарном состоянии имеют ненаправленные (полуволновые) плоские ан¬
тенны размером 6 х 6 см с усилением порядка 6 дБ, правой и левой кру¬
говой поляризацией и, соответственно, раздельными МШУ. В качестве
более надежного варианта рекомендуются антенны с усилением 12 дБ,
например, спиральные или рупорные, и ручным наведением на спутник
с помощью индикатора уровня сигнала.
Что касается гибридной системы Он, то в ней основное внимание
уделено защите от разного вида замираний на наземном участке, глав¬
ным образом, с помощью особых многочастотных сигналов (МСМ —
МиШ Сагпег МиЙлр1ехт§), подобных ОРЭМ, и методу временного раз¬
несения при работе через один-два спутника и наземные ретрансля¬
торы. Структура функционирования такой гибридной системы может
иметь вид:
Временное разнесение вещательных потоков, передаваемых от ЦЗС,
РЗС, предназначенное для работающих в движении приемников, произ¬
водится после сверточного кодирования (К = 1 /4) путем выкалывания
636
-2,7
-10
-100
дБ
Рис. 16.14
и образования двух каналов, один
из которых, опережающий, под¬
вергается перемежению с длиной
кадра 432 мс для защиты от крат¬
ковременных замираний. Второй
канал, используемый при затене¬
ниях и блокировании (деревьями
вдоль дорог, под мостами, в тун¬
нелях), задерживается на -4,32 с,
но не перемежается, т.к. при этом
не сможет быть обработан в обыч¬
ном стационарном или переносном
приемнике. Оба сдвигаемых кана¬
ла уплотняются в общем времен¬
ном потоке вместе с другими, воз¬
можно, не разносимыми вещатель¬
ными каналами.
Некоторые результаты натур¬
ных испытаний временного раз¬
несения, проводившихся в Европе
через СР Магесз-А, расположенный
на ГСО в точке 15° в.д., показаны на
рис. 16.14 для приема в движении
со скоростью 60 км/час по скоро¬
стной трассе в сельской местности.
Одна из кривых относится к прие¬
му без разнесения, вторая — с раз¬
несением. По горизонтальной оси
отложены пороговые значения от¬
носительно средней принимаемой
мощности (дБ), по вертикальной — значения длительности фединга,
превышаемые для 1% времени. Из графиков следует, что при отсутст¬
вии временного разнесения и замираниях длительностью 4 с и менее в
99% времени имеет место пороговый уровень приема —10 дБ, тогда как
при разнесении сигналов на 4,28 с при тех же условиях порог составля¬
ет —2,7 дБ.
По результатам расчетов и натурных испытаний в [16.1] рекомендо¬
вано несколько сценариев (уровней) обеспечения цифровых вещатель¬
ных услуг в зависимости от среды распространения, определяемой ус¬
ловиями радиовидимости СР, т. е. типом местности (город, пригород,
МСМ и
1-2 СР
Рис. 16.15
637
село). Для сельской местности в большом проценте территорий и вре¬
мени будет возможен качественный прием радиопрограмм в движущих¬
ся средствах, однако весьма вероятна и работа в условиях затенений и
блокирования. В этих случаях рекомендуется и находит применение на
практике ретрансляция через 2 КА и/или временное разнесение сигна¬
лов. При таком сценарии используются приемники и методы разнесения,
принятые в системе Г)5.
Для пригородных и городских (в особенности, в крупных городах)
территорий в [16.1] рекомендуется и используется на практике (в ССС
Зтиз, 3-БМВ и др.), дополнительно к спутниковым каналам, примене¬
ние наземной ретрансляции и многочастотных сигналов, считающихся
оптимальными для этих условий (рис. 16.15). При этом более сложные
приемные устройства представляют собой комбинацию методов приема
с пространственным (через несколько СР и НР) и временным разнесе¬
нием с сигнальными методами обработки многочастотных конструкций
типа ОЕЭМ, МСМ и т. п.
Система Е
Этот проект, известный как разработка АЯ1В (АззоааСюп о! Ка-
бю 1пбиз<:пе5 апб Визтеззез), реализован в японо-корейской гибридной
системе 3-БМВ, работающей в 8-диапазоне (2630—2655 МГц). Эта ССС
представляет собой сочетание основных параметров, рекомендуемых
при обеспечении интегральных услуг спутникового цифрового веща¬
ния (18ЭВ-8) [16.3], а именно применение ДФМ/()Р8К, каскадного ко¬
дирования-декодирования (укороченного РС (204, 188) и сверточного
по Витерби (1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8)), перемежения пакетов, с рядом
оригинальных системных решений.
В частности, к таким новым системным признакам относятся:
1) кодовое уплотнение-мультиплексирование (КУ /СЭМ — Собе ЭЕ
У1зюп МиШр1ехт§) вещательных потоков (вместо временного в других
описанных выше системах) на основе кодов Уолша и усеченных (корот¬
ких) М-последовательностей;
2) побитовое (поразрядное) перемежение глубиной несколько се¬
кунд;
3) наземная ретрансляция сигналов в двух режимах: малого усиле¬
ния на частотах приема со спутника (до 500 м, в пределах прямой види¬
мости) и излучения на более обширную зону (радиусом до 3 км) в диа¬
пазоне частот, отличающемся от спутникового на участке вниз;
4) многолучевая (Ы = 16) передающая антенна 8-диапазона на бор¬
ту КА.
638
Перемежи шс
6)
Денсремежение
Рис. 16.16
Применение широкополосных сигналов с КУ /СОМ с чиповой ско¬
ростью 16,384 МГц и базой 64, из которых СР и НР одновременно излу¬
чают около 30 каналов в общей полосе полос частот 25 МГц, позволя¬
ет подавлять межсимвольные искажения, вызванные МЛЗ, путем ис¬
пользования известного способа ко¬
герентного сложения в приемниках
типа КАКЕ [16.8].
Две ступени перемежения ор¬
ганизованы в системе: первая —
пакетное (побайтное) перемеже-
ние между внешним и внутрен¬
ним кодированием, вторая — по¬
битное перемежение (ПБП) после
внутреннего, сверточного кодера.
Структура и параметры первого,
аналогичного другим вещатель-
Таблица 16.2
Позиция
Значение параметра т
0
0
1
53
2
109
3
218
4
436
5
654
6
981
7
1308
639
1 сунеркадр = 6 кадров - 76,5 мс
250 мкс
^
я.
Р5
Р5
я»
Р5
0.,
Кадр № 0 Кадр № 1 Кадр № 2 Кадр № з Кадр № 4 Кадр № 5
Р5: пилот-символ (32 бит)
0,: кодовое слово (32 бит)
02: граница кадра (32 бит)
0.,—051: управляющие данные
Рис. 16.17
--ж 100 км/ч
—-л—- 150 км/ч
Рис.16.18
иым системам [16.3], приведены на
рис. 16.21.
Механизм Г11311 показан на
рис. 16.16. Время задержки может
быть выбрано из 8 возможных по¬
зиций глубины перемежения (таб¬
лица 16.2) для каждого вещатель¬
ного канала, при использовании
управляющих данных, содержа¬
щихся в пилот-канале, структура и
работа которого описаны ниже. По
результатам испытаний была вы¬
брана позиция 5. Это означает, что
ПБП должно иметь задержку около
3,257 с для восстановления сигнала
при времени блокирования приема
до 1,2 с.
Помимо основного (вещательно¬
го) канала трафика (ВС), в системе
организуется служебный, т.н. пилот-
канал для синхронизации приемни¬
ка по тактам, кадрам и также пере¬
дачи сигналов управления. Первой
функцией пилот-канала является
передача особых кодовых слов (мар¬
керов) для синхронизации кадров
и суперкадров. Второй — передача
пилот-символа (ПС). Третья функ-
640
ция - передача управляющих данных для обеспечения ряда операций
приема.
На рис. 16.17 приведен формат кадра и суперкадра системы. Пилот-
символ, содержащий 32 единицы данных, вводится каждые 250 мкс.
Передаваемый кадр превышает в 51 раз длину ПС, составляя 12,75 мс.
Первый маркер ^1 размером 4 байта или 32 бита отличается от ПС. Су¬
перкадр состоит из 6 кадров и приемник входит в синхронизм по супер¬
кадрам с помощью второго маркера Б2, так что любой канал ВС с произ¬
вольной скоростью кода (выкалывания) может быть синхронизирован
за один период.
С использованием пилот-символа приемник анализирует профи¬
ли принимаемого сигнала (выбор путей прихода) и использует это для
выполнения функции когерентного сложения К.АКЕ. Для повышения
точности и надежности такого анализа мощность сигнала пилог-канала
может быть, например, вдвое больше, чем в ВС.
В заключение на рис. 16.18 приведены экспериментальные кривые
помехоустойчивости, характеризующие слабую зависимость вероятно¬
сти ошибочного приема от скорости движения, что указывает на эф¬
фективность мер, заложенных в системе Е для защиты от разного рода
замираний при мобильном вещании.
16.4. ПАРАМЕТРЫ И ФОРМАТЫ ПАКЕТНОЙ ПЕРЕДАЧИ
ВИДЕО В ИНТЕРАКТИВНОЙ МУЛЬТИСЕРВИСНОЙ
СИСТЕМЕ ОУВ-8/32-КС8
Спецификации вещательного цифрового стандарта передачи видео¬
сигналов Е)УВ-3/52, опубликованные в материалах ЕТ31 Сшс1е (ЕС),
51ап(1агс1 (ЕЗ), ТесЬшса1 ЗресШсаНоп (Т5), так же, как рассмотренные
типы систем звукового вещания, во многом соответствуют рекоменда¬
циям по 15ЭВ. Они полностью совместимы со стандартами аудио-ви-
зуальной обработки, пакетирования и мультиплексирования данных
семейства МРЕС, а также Интернет-протоколов и стандартами архи¬
тектуры открытых систем, разработанных международными органи¬
зациями по стандартизации 150, 1ЕС. Однако стандарты семейства
ЭУВ-5 не охватывают целенаправленно мобильный компонент ССС,
хотя и затрагивают некоторые аспекты, которые рассматриваются в
следующем разделе.
ОУВ-5 / 82 представляет собой систему адаптации цифровых сиг¬
налов программ телевещания и другого контента на выходе транспорт¬
ного мультиплексора МРЕС к спутниковому каналу (рис. 16.19). Цифро-
641
Рис. 16.19
вой кадр БУВ-5 синхронно сопрягается с 188-байтными пакетами-сло¬
тами МРЕС2, которые передаются в составе ТП-мультиплекса МРЕС-Т5
в качестве цифровых «контейнеров» видео- и аудиоданных ОУВ.
Данные Интернета с верхних уровней модели 150 (в частности,
ТСР/1ШР) через 1Р пакеты также «инкапсулируются» в эти контей¬
неры, как и другая мультимедийная и служебная информация. Функ¬
ционирование прямых и обратных каналов интерактивных служб тоже
предусмотрено алгоритмами связи ОУВ-5/32.
На рис. 16.19 показан также принцип упаковки пакетов трафика с
различными протоколами передачи (полезной нагрузки) в МРЕС/ОУВ-
контейнер, а на рис. 16.20 — структура сигнала и форматы кадров ОУВ-5
116.19,16.20]).
642
СИНХ
1 байт
187 байт
МРЕС2-ТС МУХ пакет
РКВ5 период = 1503 байта
синх 1
К 187 байт
синх 2
77-
К. 187 байт
7^-
синх 8
К 187 байт
синх 1
К 187 баЙ1
77~
Скремблированный ТП: синхробайты и ПСП (К)
204 байт
синх 1
или
синх п
К 187 байт
к
(204. 188.8)
Кодированный но Риду-Соломону (204. 188, У'1 8) пакт (п 2. 3,.. 8)
лг ■
синх 1
или
203 байт
синх 1
или
203 бай 1
синх 1
или
—
синх п
синх п
синх п
Перемеженный кадр с глубиной / 12 бай I
т?-
Рис. 16.20
Рис. 16.21
Перемежитель, включаемый после внешнего кодера, необходим для
перемешивания сегментов (байтов) передаваемой информации с целью
декорреляции ошибок на приемной стороне и приближения для внут¬
реннего декодера условий работы к каналу без памяти. Перемежитель
может содержать, например, 7=12 ветвей, в которые поочередно посту¬
643
пает входной поток байтов. В каждой ветви имеется регистр сдвига дли¬
ной М, ячеек на 1 байт, где М = 17 = N/1, N = 204 — длина кодированного
по РС пакета,; — номер ветви. При этом синхробайты слотов и инверс¬
ные им всегда должны поступать в нулевую ветвь, т. е. передаваться без
задержки (рис. 16.21). Деперемежитель выполняет обратные функции,
при обратной нумерации ветвей, т. е.; = 0 соответствует наибольшей за¬
держке. При этом для обеспечения синхронной работы перед ним вклю¬
чается декодер синхробайтов, направляющий первый опознанный син¬
хробайт в нулевую ветвь.
После деперемежителя включается декодер РС, позволяющий счи¬
тать прием «почти безошибочным» (()ЕР) при Р0|И = 7 • 10 4 на его входе
для бесконечной глубины перемежения и при Рош -- 4 • 10 4 - для вы¬
бранного / = 12.
Стандарт БУВ-52
Недавно появилась более эффективная новая генерация стандарта
НУВ-52, имеющая ряд отличий от БУВ-З в его изначальном варианте
[16.21]. Функционально-структурная схема передающей части систе¬
мы ОУВ-52 приведена на рис. 16.22. К ее новым характеристикам могут
быть отнесены:
— применение в прямом направлении блочного кодирования
(ВСН) в качестве внешнего и кодирования с проверкой на чет¬
ность низкой плотности (Ы)РС — Ьо\у Оепзйу РапСу СЬеск) в ка¬
честве внутреннего, с расширенным рядом скоростей: 1 /4, 1 /3,
2/5,1/2, 3/5, 2/3, 3/4,4/5, 5/6,8/9,9/10;
— более точная и эффективная для интерактивного режима (об¬
ратного направления) система синхронизации на основе переда¬
чи от центра управления (ЦЗС) эталонного системного времени
(N011 — №{луогк С1оск Ке1егепсе);
— возможность гибкого, адаптивного управления изменением ви¬
дов и режимов модуляции в зависимости от объемов трафика и
помеховой обстановки.
Коды с проверкой низкой плотности позволяют приблизиться к пре¬
делу Шеннона при ДФМ/ЦР5К и, соответственно, с меньшими энерге¬
тическими потерями и большей надежностью применять методы мно¬
гократной (многопозиционной) модуляции — 8ФМ, 16АФМ, 32АФМ
(8Р5К, 16/32АРЗК), обеспечивающие эффективное использование час¬
тотного ресурса (2—4 бит/Гц), близкое к пределу Найквиста. В услови¬
ях ограниченной полосы ретранслятора (в сравнении с энергопотенциа¬
лом) это открывает возможности повышения пропускной способности,
644
а также гибкого маневрирования параметрами модуляции-кодирования
ансамбля сигналов в зависимости от состояния ЛСС (потерь из-за осад¬
ков, помех или замираний, трафика).
Режимы варьирования параметров модуляции-кодирования в стан¬
дарте ОУВ/82 имеют несколько модификаций:
— ССМ (Сопз1ап1 Сос1т§ апё МосЫаиоп) — постоянные парамет¬
ры кодирования и модуляции для всех станций сети (ЦЗС, РЗС,
ЗС-терминалов);
— УСМ (УапаЫе СосНп§апс1 Мос1и1а(:юп) — изменяемые параметры
кодирования-модуляции в зависимости от вида услуг, потоков в
составе мультиплекса, с возможностью установки индивидуаль¬
ных режимов для ЗС;
— АСМ (АбарЦуе СосНп§ апс! МосМаСюп) адаптивные коди¬
рование (по скорости) и модуляция (АКМ), при которых па¬
раметры и режимы передачи отдельных сегментов (пото¬
ков в составе мультиплекса) могу ч динамически изменять¬
ся, в зависимости от качества приема, с помощью обратно¬
го канала, посредством автоматического обращения любого
ЗС-терминала к ЦЗС.
При этом в обратных каналах, работающих по стандарту ОУВ-РС5,
существует возможность динамического регулирования как скоростей
кодирования, так и символьных, а также излучаемой мощности, под
управлением ЦЗС, постоянно контролирующей качество и уровни сиг¬
налов всех ЗС.
Роль высокоточной синхронизации, имеющей исключительное зна¬
чение в системах с МДВР вообще, в данном стандарте возрастает в связи
с указанными режимами адаптации к условиям приема и необходимо¬
стью повышения надежности управления доступом к обратному каналу.
Еще более высокие требования, очевидно, должны быть предъявлены
при мобильной связи и использовании СР на эллиптических орбитах.
Обратное направление
В вещательных и мультимедийных ССС для интерактивного мно¬
гостанционного доступа к источникам контента, а в системах видеокон¬
ференцсвязи и ведения репортажей — для передачи основной, целевой
информации, организуются обратные каналы от ЗС-терминалов на ЦЗС,
РЗС. С этими целями могут использоваться различные способы МД и
разделения каналов на обратном участке ЛСС.
На современном этапе развития ССС наибольшее распространение
получило предоставление каналов по запросу ЗС пакетными метода-
645
Рис. 16.22
1 — одиночный входной поток; 2 — много входных потоков; 3 — вход¬
ной интерфейс; 4 — синхронизатор потока; 5 — стирание нулевого па¬
кета; 6 — кодер с контролем ошибок; 7 — буфер; 8 — ВВ сигнализация;
9 — мультиплексер; 10 — накопитель; 11 — скремблер; 12 — БЧХ-ко-
дер; 13 — ЬБРС-кодер; 14 — перемежитель бит; 15 — формирователь
СКК; 16 — ввод пилот-сигнала; 17 — скрембелер; 18 — ввод пустых
кадров; 19 — сглаживающий фильтр и квадратурный модулятор
ми с комбинированным частотно-временным разделением сигналов
(МЕ-ТЭМА), а также с кодовым разделением (СИМА). В первом из них
ЗС-терминалам одновременно предоставляются временные слоты на
разных несущих частотах, во втором — каждому слоту должен соответ¬
ствовать свой код или форма сигнала.
Управление процедурами предоставления, синхронизацией времен¬
ных слотов и параметрами обратных каналов осуществляется центра¬
лизованно — координирующими (ЦЗС, РЗС) станциями сети или т.н.
сетевыми центрами управления (N00 — Ке1\уогк Соп1го1 Сеп1ег). Фор¬
маты сигналов (пакетов) на обратном направлении в системах с интег¬
рированием вещательных услуг, как правило, стандартизуются.
Применительно к ССС с передачей в прямом направлении по стан¬
дарту ОУВ-3/32 на рубеже столетий разработан стандарт интерактив¬
ного обмена с использованием обратного канала ОУВ-К.С5 (КеШгп СЬап-
пе1 Зуз^еш) [16.22]. Согласно стандарту в обратном канале может при¬
меняться сверточное кодирование по Витерби (внутренний код) вме¬
сте с внешним кодом РС со скоростями 1 /2, 2/3, 3/4, либо турбокод
со скоростями 1 /3, 2/5, 1/2, 2/3, 3/4, 4/5, 6/7. При этом символьная
(битовая) скорость передачи не стандартизуется. Частотное разнесение
между каналами ЗС при МР-ТОМА должно составлять 1,35 от битовой
646
скорости, а длина пакета ТП определяется как 1, 2 х ЛЦА = 1—12 ячеек
МРЕС2 по 188 байт).
Стандартом ОУВ-К.С5 предусмотрены следующие типы формата
сигналов:
1. Формат пакета трафика (ТКР). Используется для передачи со¬
общения от ЗС-Т (АЗС) на ЦЗС, РЗС (шлюз). Может иметь две опции:
МРЕС и АТМ. Кадр каждой из опций содержит преамбулу и некоторое
число пакетов, соответственно, по 188 байт (С заголовок, 182 по¬
лезная нагрузка) или 53 байт (ячейки АТМ +префикс), преобразуемых
в канальные кодовые блоки. В составе универсального МРЕС-кои-
тейнера может передаваться разнообразная информация (рис. 16.19,
16.23).
2. Формат общего канала сигнализации (С8С) для идентификации
ЗСТ. Содержит преамбулу переменной длины и рабочие поля, включаю¬
щие информацию о состоянии (24 бита), адресе (48 бит) по уровню мно¬
жественного доступа (МАС) обратного канала и резервный (40 бит).
3. Формат пакета регистрации (А80), необходимый для сообщения
о синхронизации в процессе идентификации, до начала собственно свя¬
зи, включает преамбулу и интервал, содержащий последовательность,
получаемую заранее из таблицы слотов от ЦЗС.
4. Формат пакета синхронизации (8У1ЧС) для окончательной син¬
хронизации и посылки подтверждения в виде преамбулы и сигнала
управления доступом к СР, которые получаются из таблиц от ЦЗС.
Синхронизация обратного канала по тактовой частоте и по слотам,
в том числе компенсация частотной нестабильности и допплеровского
сдвига, обеспечивается с использованием общесистемного эталонного
времени и временных меток, передаваемых от ЦЗС в составе МРЕС-Т5
в закрытом режиме. При этом требуемая точность установки системного
времени составляет не более 1/20 символа при точности синхрониза¬
ции пакетов около 50% от длины символа. Синхронизация по несущей
частоте осуществляется путем сравнения местной и принимаемой от
647
ЦЗС по каналу точного времени опорных частот и подстройки опорного
генератора ЗС с точностью не хуже 10~8.
Для выполнения указанных условий и в административных целях
координаты нахождения всех ЗС (долгота, широта, высота над уровнем
моря) должны быть известны оператору ССС с точностью до 5 км. При
этом рекомендуется установка на ЗС точных средств навигации (типа
СР5, СаШео и т. д.).
Для предотвращения взаимного перекрытия пакетов, излучаемых
удаленными друг от друга ЗС, на них предусматривается автономный
расчет и компенсация аппаратурных временных задержек и задержек
распространения, в том числе на участках ЦЗС-СР, ЗС-СР, с использо¬
ванием как собственных средств, так и информации из таблиц от ЦЗС,
передаваемой в служебных слотах ТП.
При обеспечении синхронизации для работы обратных каналов пер¬
востепенное внимание должно уделяться следующим аспектам:
— записи и сохранению в памяти каждого приемника БУВ-52 ин¬
формации о времени поступления в него первого символа стар¬
тового кадра (ЗОР — 51аН-ОРРгаше);
— ограничению времени компенсации задержки, создаваемой ко¬
дером ЬОРС, (п + 2)-м кадром, что может быть достигнуто при
условиях: а) высокой символьной скорости; б) короткой длине
блока и высоком порядке модуляции (32АР5К) для п, п + 1 кад¬
ров; в) длинном блоке и высокой скорости кода (9/10);
— обеспечению равномерного поступления в приемники ЗС сигна¬
лов эталонного системного времени;
— устранению неопределенности приема ЗОР с использованием за¬
фиксированного в ЗС-терминале эталонного времени (N011), при
этом задержка в декодере считается менее критичной.
В формате БУВ-КСЗ предусмотрены защитные интервалы (ЗИ) ме¬
жду пакетами, состоящие из трех частей: ЗИ для кратковременных пе¬
рекрытий, обусловленный изменением скорости передачи символов, ос-
Таблица 16.3
Тип
Переменный ЗИ
Тактовый ЗИ
Задержка распростран.
ТКР
1,5—3,5 симв.
0,5 симв.
~1 мкс
С5С
1,5—3,5 симв.
0,5 симв.
~15 мкс
АСС^
1,5—3,5 симв.
0,5 симв.
~15 мкс
5УЫС
1,5—3,5 симв.
0,5 симв.
~1 мкс
Для всех типов слота, кроме ТКР время ограничивается минимальными значениями
648
Защитный интервал
* ' ; \ * ‘ *
Преамбула
Полезная нагрузка
V-';' -'.-Д А
Длительность слота
►
Рис. 16.24
новной, учитывающий неопределенность абсолютного времени переда¬
чи и интервал из-за неопределенности времени распространения. Сум¬
марный ЗИ выделяется в конце и начале слота (рис. 16.24). Типичные
значения этих компонентов ЗИ приведены в таблице 16.3.
ЗС принимают по каналу ТМСС от ЦЗС табличный параметр, ука¬
зывающий допустимую временную расстройку начала пакета, благода¬
ря которой ЗИ, равный разности между длительностями слота и суммы
полезных символов с преамбулой, может быть не менее этой расстройки
(рис. 16.24). Также благодаря этому табличному параметру разным ти¬
пам пакетов могут предоставляться различные значения ЗИ, например,
пакету С5С с потенциально большой ошибкой по тактам выделяется
слот с большей начальной расстройкой, чем для пакета трафика. Целе¬
сообразно совмещать центры передаваемого пакета и временного слота,
тогда ЗИ будет равен удвоенному значению начальной расстройки
Управление множественным доступом ЗС к слотам синхронизации
и трафика в обратном канале (сетевой уровень — МАС), в зависимости
от передаваемой информации может быть основано на нескольких ме¬
тодах: с конфликтными ситуациями (типа АЬОНА, чистая или сегмен¬
тированная), с резервированием, с фиксированным (МДВР) или дина¬
мическим выделением временных интервалов. При этом механизм пре¬
доставления интервалов (слотов) осуществляется по групповому, инди¬
видуальному (1о§оп) и программному идентификационным признакам
(Ш) ЗС-терминалов.
Как отмечалось выше, существуют два типа сегментации формата
ПУВ-КТ5 при передаче слотов трафика — АТМ и МРЕС Т5, применение
каждого из которых зависит от многих факторов, определяемых опера¬
тором системы.
Предпочтительно использование формата МРЕС по следующим по¬
казателям:
— лучшая защита от ошибок благодаря более длинным блокам
символов;
649
— большая эффективность инкапсуляции широкополосного 1Р
трафика, в особенности потокового и многовещательного (ти1-
Исаз!) в обратном направлении;
— при близко расположенных шлюзе и фидере некоторый трафик
от отдельных ЗС-терминалов может предназначаться для пе¬
редачи в прямом канале и содержать «чистые» потоки МРЕС,
1Р/ БУВ потоки, или те и другие;
— использование радиоинтерфейса БУВ-К.С5 в спутниковом кана¬
ле с регенеративным ретранслятором лучше согласуется с БУВ-
5/52 на линии вниз.
В качестве примера применения этого более простого формата может
быть приведена передача на обратном направлении со скоростью символов
270 кбит/с [16.22]. Основными показателями в этом случае являются:
— слот трафика, соответствующий 1 пакету МРЕС, т. е. 752 моду¬
ляционным символам + преамбула + ЗИ + избыточность в зави¬
симости от скорости кода;
— эквивалент одного слота трафика на кадр используется как слу¬
жебный, для простоты, в начале кадра и делится на мини-слоты;
— длительность кадра составляет 45 мс при общем времени для
мини-слотов не более 15%;
— мини-слоты используются, для простоты, в любом из форматов:
С5С, А5Ц, 5УЫС;
— короткие пакеты всегда имеют длину 16 бит, включая 2 бита С5С,
и кодируются турбо-кодом со скоростью 5;
— преамбула ТБМА равна 48 символов для всех типов пакетов, но
это не мешает использовать более короткие преамбулы, в зави¬
симости от характеристик демодулятора и возможностей по под¬
держанию синхронизации;
— защитный интервал ТБМА должен соответствовать неопреде¬
ленности расстояния от ЗС до СР, равной 4 км для слотов тра¬
фика и более 50 км для остальных слотов.
Указанным параметрам соответствуют приводимые таблицы 16.4,
16.5.
Размещение мини-слотов для С5С, 5УЫС, С5УЫС пакетов зависит
от стратегии оператора, например, в случаях 4-х мини-слотов на кадр
(скорость кода в слоте трафика 4/5 и 6/7) оператор может применить
следующие правила:
— 1-й мини-слот выделяется для периодического 5УМС-пакета ЗС
с «малой активностью» и такая ЗС получает один мини-слот ка¬
ждые 256 кадров (период приблизительно 12 с);
650
Таблица 16.4
Ско¬
рость
кода
Длина
слота
ТКР в
симво¬
лах 52 +
752 + Л
Номер
мини¬
слота
в слоте
ТКР
Длина
мини¬
слота
(в симво¬
лах) ЗИ +
+ 48 + 64
Длина
пере¬
менного
ЗИ для
мини¬
слота
(в симв.)
Рас¬
стояние
неопре¬
делен¬
ности
ЗС-КА
для ЗИ
Номер
экв. сло¬
та ТКР в
кадре
Результ.
длина
кадра
Сигн.
избы¬
точность
1/2
1556
7
222
46
51 км
8
47.6 мс
14 “о
2/3
1180
5
236
60
66 км
10
43,7 мс
10%
3/4
1055
5
211
35
39 км
12
46,9 мс
9%
4/5
992
4
248
72
80 км
12
44,1 мс
9%
6/7
932
4
233
57
63 км
13
44,9 мс
8%
К — кол-во символов модуляции на избыточные биты турбо-кода; для слотов ТКР ЗИ
равен 4 символам
Таблица 16.5
Скорость
кода
Кол-во
слотов
трафика
Длина слотов
трафика (сим¬
волы ТКР)
Инф. скорость на 188-
байтном уровне на
слот трафика (кбит/с)
Макс. инф. скорость при
занятии всех слотов трафика
одним терминалом (кбит/с)
1/2
7
1556
32,62
228,34
2/3
9
1180
34,41
309,72
3/4
11
1055
32,08
352,83
4/5
И
992
34,11
375,24
6/7
12
932
33,52
402,19
— 2-й мини-слот выделяется для С5С и 5УНС терминалам, посы¬
лающим 1о§оп, с периодичностью 16 кадров (~ 720 мс);
— 3-й мини-слот выделяется для СЗУИС (соп1:еп1:юп-Ъа5ес1
ЗУИС);
— 4-й мини-слот выделяется для периодического ЗУЫС-пакета ЗС
с «высокой активностью» и такая ЗС получает один мини-слот
каждые 32 кадра (приблизительно 1,4 с).
Статус активности ЗС определяется центром управления ЦЗС по
количеству запросов, причем пользователи не знают своего статуса,
в соответствии с которым распределяется ресурс СР при МДКР. Ин¬
формационная скорость ЗС в каждом 188-байтном слоге трафика (из
них 4 байта образуют заголовок) может быть рассчитана как 270 х 2 х
х 752 /31г х 1 /ЛГС, где 81г есть число символов в слоте и есть число эк¬
вивалентных слотов трафика в кадре.
651
Тогда максимальная скорость, которую все слоты трафика, за ис¬
ключением служебного, замыкают на одну ЗС, будет (Л^. - 1) х скорость
в каждом слоте.
Отсюда следует, что, если каждая ЗС-терминал получает один слот
на кадр, то могут одновременно работать от 7 до 12 ЗС, каждая со ско¬
ростью около 32 кбит/с. Если же 32 активные станции динамически
делят между собой общую полосу частот, то каждая может передавать
информацию в среднем со скоростью от 7 (К = 1 /2) до 12,5 (К = 6/7)
кбит/с при максимальной («пиковой») скорости от 228 до 402 кбит/с,
соответственно.
16.5. УПРАВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРАМИ
МНОГОСТАНЦИОННОГО ДОСТУПА, РАЗНЕСЕНИЯ
СИГНАЛОВ И СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
В зависимости от решаемых задач и состояния информационного
трафика в СССЭО с пакетными форматами передачи могут применяться
различные методы МД и предоставления каналов доступа к СР. В част¬
ности, в интерактивных мультисервисных системах объемы и скорости,
а также время и интенсивность передачи информации от ЗСТ в обратном
канале, во-первых, существенно меньше, чем в прямом, во-вторых, все же
зависят от времени суток. Это относится как к теле- и радиовещанию,
так и к доступу в Интернет, тогда как для многих других приложений
эта разница не столь велика.
Трафик телефонного обмена также подвержен зависимости от вре¬
мени суток, однако он не столь явно влияет на общую информативность
мультисервисных ССС и соотношение скоростей передачи в том и дру¬
гом направлениях. Особую категорию, как уже отмечалось, представля¬
ют собой системы мониторинга, в которых обратный трафик, в зависи¬
мости от вида сообщений, может превышать прямой.
Указанные факторы приводят к тому, что в современных стандар¬
тах формирования сигналов предусматриваются или рекомендуются
несколько вариантов кодирования (скоростей кода), модуляции (пози¬
ционности), многостанционного доступа, выбираемых в зависимости от
генерируемого трафика, времени и условий связи, в частности, электро¬
магнитной (помеховой)обстановки.
Так, например, в запросных и информационных каналах на предос¬
тавление МД согласно [16.22] могут использоваться модификации А1оЬа
(синхронная, тактированная, с фиксированным, динамическим или ре¬
зервированным занятием канала и т. д.). В зависимости от состояния
652
канала могут также изменяться сами методы МД — разделения сигна¬
лов, видов модуляции, алгоритмов смены рабочих частот, а также их
количества. Кроме того, во многих ССС предусмотрено регулирование
выходной мощности ЗС, а также размеров и др. параметров антенных
устройств. Соответственно, в форматах пакетов отводятся поля для со¬
общений о тех или иных, применяемых в данный момент в конкретном
канале методах доступа к СР, передачи информации, характеристиках
оборудования. Рассмотрим несколько типов систем, отличающихся на¬
значением и, следовательно, объемами информации, трафиками, харак¬
терными для обоих направлений ретрансляции.
Мультисервисные вещательные ССС
Во многих стандартах, относящихся к мультисервисным системам,
значительное внимание уделяется сценариям интерактивного обмена в
условиях меняющегося трафика. В частности, в [16.23] вводятся два ха¬
рактерных варианта трафика — деловой (служебный) и лавинный. Пер¬
вый характеризуется передачей, в среднем, двух сообщений в минуту
для активного пользователя в часы обычной нагрузки (это могут быть
разного рода запросы, деловые и финансовые справки, телешопинг и
т. д.). При этом средняя длина сообщения 280 байт соответствует ско¬
рости передачи на одного пользователя 75 бит/с. Для большинства по¬
добных применений трафик, генерируемый в прямом интерактивном ка¬
нале, примерно симметричен. При таком раскладе и активности пользо¬
вателя порядка 10% для группы из 20 пользователей (например, в доме
или в поезде, самолете, на корабле) требуется информационная скорость
около 150 бит/с.
В отличие от рассмотренного, второй вариант для лавинного трафи¬
ка предполагает активность пользователей ЗСТ, близкую к одновремен¬
ной, при средней длине сообщения 53 байта (веб-серфинг), т. е. среднюю
групповую нагрузку для 20 пользователей порядка 8500 бит. Это соот¬
ветствует, например, интерактивным откликам на ту или иную телепро¬
грамму, опросам общественного мнения, голосованию и т. д.
Если теперь перейти к отдельно взятому (парциальному) спутни¬
ковому каналу, например, с линейной скоростью передачи 16 кбит/с,
и фиксированным (упорядоченным) доступом, т. е. назначением для
каждой ЗС определенных временных слотов и несущих частот при
МР-ТЭМА, то в кадре из 40 слотов (по 53 байта) информационная ско¬
рость на одну ЗСТ составит порядка 400 бит/с. Полагая, что в кана¬
ле используется ДФМ/ЦРЗК со скоростью сверточного кода, равной 5,
можно считать полосу, занимаемую сигналом, близкой к 40 КГц. Это оз¬
653
начает, что при выбранных параметрах канала в выделенной для обрат¬
ного направления ЛСС полосе частот, например, 2 МГц, одновременно
может использоваться 50 несущих, т. е. общее количество работающих
АЗС с максимальным трафиком составит 2000. Тогда как при сокраще¬
нии объема пакетов пользователей, т. е. менее напряженном трафике, за
счет адаптации параметров кадра могут быть увеличена емкость сети по
числу АЗС, либо созданы более благоприятные условия с точки зрения
помехоустойчивости и надежности приема.
Одной из мер адаптации каналов СССЭО к параметрам среды и
внешним помехам при МД с частотно-временным разделением (МР-
ТБМА) является изменение по случайному (псевдослучайному) закону
несущих частот (ППРЧ), номиналы которых могут сообщаться на ЗСТ
по служебному каналу (ТМСС с таблицами, планами передачи пакетов)
вместе с номером назначаемого слота в кадре.
Дальнейшим развитием сигнальных средств защиты от помех мо¬
жет быть фазовая манипуляция меняющихся («прыгающих») несущих
двоичными псевдослучайными последовательностями (ФМ-ПСП), т. е.
формирование сложных многочастотных (ФМ-МЧМ-ПСП) сигналов
(«наложение» ФМ на ППРЧ). При этом, если для той же линейной ско¬
рости 16 кбит/с в канале с МДВР/ТОМА использовать ДФМ с СК-3/4
и частоту (чипа) ПСП, равную 1,45 Мбит/с, то общая полоса частот при
тех же 50 несущих, разнесенных через 40 КГц, увеличится не более чем
вдвое, т. е. не превысит 4 МГц. Однако избежать взаимных помех из-за
перекрытия полос ФМ-ПСП сигналов будет возможно лишь при обес¬
печении взаимной синхронизации (ортогонализации) несущих с точ¬
ностью до фазы.
В то же время, как известно, в полосе 2 МГц при указанной скорости
чипов может быть передано без взаимных помех до 127 синхронизиро¬
ванных ортогональных (в коде Уолша) сигналов с МДКР /СЭМА. Если
предположить, что пакеты ЗСТ с каждым из 127 кодов будут передавать¬
ся через СР либо в отведенные интервалы времени (слоты), как и в слу¬
чае МДВР, либо методом случайного доступа (например, «тактирован¬
ная» А1оЬа), и принять среднюю нагрузку одной ЗСТ около 150 бит/с, то
даже при нижней границе пропускной способности (для А1оЬа) порядка
20% в каждом из 127 каналов с МДКР смогут работать не менее 20 поль¬
зователей, т. е. общее число ЗСТ составит не менее 2540. Данный метод,
хотя и приводит к известной вероятности «столкновений» (коллизий),
т. е. отказов при МД, все же обеспечивает большую гибкость и оператив¬
ность в случае быстрых изменений длины передаваемых сообщений, по
сравнению, в частности, с фиксированным предоставлением спутнико¬
654
вого ресурса. Что касается его помехозащищенности, то данный вопрос
подлежит специальному рассмотрению с учетом многих других аспектов
построения СССЭО.
Обмен файлами, мультимедиа и широкополосный доступ
В ряде применений мультисервисных ССС асимметрия направлений
и трафика может быть выражена не столь ярко, как при интерактивном
вещании. К их числу относятся видеоконференцсвязь, межмашинный
обмен большими массивами данных, широкополосный доступ в Ин¬
тернет, электронная почта и т. д. Такие случаи могут встречаться и при
мало информативных пользователях с объемом пакета 53 байта, но за¬
прашивающих обратный канал значительно чаще. Тогда групповая ско¬
рость от нескольких, например 4- 8 ЗСТ повышается до 64—128 кбит/с,
а пиковая нагрузка может достигать 256 512 кбит/с и даже, в пределе,
1—2 Мбит/с. В этих случаях число станций в сети с тем же частотным
ресурсом сокращается на порядок и более, либо, при наличии запасов
по энергетике, для повышения емкости сети могут применяться более
эффективные по использованию спектра (многоиозиционные) методы
модуляции.
Таким образом, изменение формата сигналов, как и методов разнесе¬
ния, кодирования и модуляции, является эффективным средством адап¬
тации канала к меняющимся условиям электромагнитной обстановки в
ССС. При этом в рассмотренных случаях энергетический бюджет ЛСС
должен рассчитываться на число одновременно ретранслируемых кана¬
лов (несущих) со скоростью по 16 кбит/с при большой асимметрии, либо
от 64 до 512 кбит/с и более при симметричном обмене. Приведенные
примеры иллюстрируют возможную методику определения скоростей
передачи двоичных символов информации ЗС-терминалами в пакетных
мультимедийных ССС. По-видимому, подобный же подход может быть
применен и в отношении СССЭО, предназначенной для решения задач
мониторинга.
Сбор информации мониторинга
До сих пор речь шла, главным образом, о передаче широкополос¬
ной информации вещательного, мультимедийного характера. Что каса¬
ется систем инструментального мониторинга (СИМ), то в них, как от
ЦЗС, РЗС на сеть оконечных терминалов, так и в обратном направле¬
нии должны передаваться относительно малые объемы информации.
Для формирования и приема сигналов обоих направлений здесь могут
использоваться как стандартные процедуры и протоколы, в том числе
655
Уровни:
Пользовательский
Представи¬
тельский
Сетевой
сервис
Уел.доступа
Транспортный
Канальный
Физический
Рис. 16.25
видео
аудио
данные
выходные цепи
Пользовательский
интерфейс
служебная информация, др. сетевые службы
видео
декодирование
аудио
декодирование
декодирование
данных
Управление огранич. доступом
Рассекречивание
видео пакеты
аудио пакеты
пакеты данных
декодирование по Риду-Соломону
транспортное демультиплексирование
дисперсия энергии (скремблирование)
сверточное декодирование / дсперсмсжепис
демодуляция (ЦР^К/МР^К/ТС 8 Р.ЧК)
коаксиал (Ьдиапазои)
РЧ - преобразование/атсипа
Пользователь
ТВ. РС и т.д
Управление
ч
Умраь.мсмшц,
изменение
конфигурации
:
и применяемые в интегральных вещательных системах, например, для
управления (ТМСС) и интерактивного обмена в прямом и обратном ка¬
налах, так и собственные методы каналообразования, обусловленные
спецификой решаемых задач и, кроме того, зависящие от архитектуры
и параметров линий обратного направления.
В целом, рассматривая пути построения ЛСС, создаваемых на базе
СССЭО, будем иметь в виду, что для сетей с интеграцией вещательных
услуг и инструментального мониторинга в той или иной степени может
использоваться цифровая многопрограммная система передачи [16.15],
разработанная в соответствии с эталонной моделью архитектуры откры¬
тых систем и содержащая перечень общих функций (протоколов) для
каждого из уровней (рис. 16.25).
Далее, в части 4, применительно к структуре ЛСС «от модема до мо¬
дема» и СССЭО в целом, рассматриваются, в основном, вопросы, относя¬
щиеся к функционированию и характеристикам нижних уровней — фи¬
зического и канального. При этом одна из задач состоит в совмещении
(приспособлении, гармонизации) стандартизованных моделей систем с
интеграцией услуге особенностями предлагаемых в этой книге альтер¬
нативных принципов, методов и устройств построения ЛСС с разнесе¬
нием приема-передачи, пакетными методами и адаптивной обработкой
сигналов в СР и ЗС.
656
ГЛАВА 17. РАЗНЕСЕНИЕ ЛИНИЙ
ПЕРЕДАЧИ-ПРИЕМА ПРИ РЕТРАНСЛЯЦИИ
ЧЕРЕЗ НЕСКОЛЬКО СР
Многие современные ССС, получающие все большее распростране¬
ние на практике, содержат более одного СР (КА), т.е. являются много-
спутниковыми (МССС). Такие системы, в частности, с использованием
ВЭО, позволяют увеличивать зоны обслуживания, а также передавать
одну и ту же информацию по нескольким независимым каналам через
разнесенные в пространстве СР.
В общем случае под многоспутниковыми понимаются ССС, не тре¬
бующие одновременного использования одного и того же СР всеми ЗС,
находящимися в зоне обслуживания. При этом имеется в виду возмож¬
ность образования каналов связи между ЗС как через один общий СР,
так и через разные СР, в том числе с применением межспутниковой
ретрансляции или наземных станций-ретрансляторов (НР). Это позво¬
ляет считать необходимым условием нахождение в зоне связи каждой
ЗС по крайней мере одного СР в ССС с однократным обзором и несколь¬
ких СР при многократном обзоре.
Актуальной следует считать оптимизацию или, по крайней мере, ра¬
циональный выбор параметров ЭО и группировок КА, соответствую¬
щих информационным и технико-экономическим критериям назначе¬
ния и качества МССС. К таковым относятся, прежде всего, пропускная
способность, помехоустойчивость, электромагнитная совместимость, в
большой степени связанные с высотой, типом орбиты, количеством КА,
составом и структурой ОГ, пространственно-временными характеристи¬
ками зон обслуживания и их изменениями в процессе передачи инфор¬
мации, а также рядом других орбитальных показателей.
Общие требования к параметрам орбит спутников связи изложены,
например, в [17.1—17.3], где рассмотрены особенности орбитального по¬
строения и характеристики систем с КА на ГСО и ВЭО. Однако подобно¬
го рода работы не охватывают многих проблем, относящихся к исследо¬
ванию орбит ССС в более широком понимании, например, оптимизации
свойств и параметров НГСО вообще и ЭО, в частности, применительно
к МССС. В то же время отметим, что эти вопросы были поставлены еще
в ряде ранних публикаций, посвященных ССС [17.4,17.5].
Часто в качестве одного из важнейших критериев соответствия ор¬
битальных параметров требованиям экономической эффективности
ССС принимается минимизация количества спутников в ОГ (Ы), при
657
условии обеспечения заданной зоны обслуживания МССС с граничны¬
ми углами места |3 не менее требуемого в течение всего времени связи
Д/Чи. Такой подход свойственен МССС с круговыми орбитами разной вы¬
соты (НО, СО), а также с низкими ЭО.
Указанное условие в общем виде может быть записано следующим
образом:
X* = аг§ тш ЛГ(Х|фи, срв, Хй, Хп, |3 > Р0, Д*св < (0),
где фи, фв — верхняя и нижняя геоцентрические широты; А,л, А,и — левая
и правая геоцентрические долготы района обслуживания; X — вектор
оптимизируемых орбитальных параметров.
Но вместе с тем следует иметь в виду, что, в зависимости от стоящих
перед разработчиком задач, те или иные параметры орбиты и/или ОГ
могут варьироваться и в соответствии с другими, возможно, не менее
важными, целевыми критериями связи. К таковым относятся, прежде
всего, максимальные ПС, ПЗ, ЭМС, высокая надежность и готовность
канала связи, минимальное время доставки (задержки) информации, а
также характер пространственно-временных изменений целеуказаний
(у.м. и азимута) для наведения антенны ЗС.
В частности, как показано в части 1, применительно к ВЭО важна
как можно большая стабильность (квазистационарность) положений СР
относительно земных станций, в сочетании с возможностью непрерыв¬
ной круглосуточной связи на значительной территории. Имеется в виду
обслуживание большой части северного полушария, и, прежде всего,
высокоширотных районов, приполярных и полярных акваторий.
Отметим также, что выбор орбитального построения предполага¬
ет выполнение еще целого ряда специфических условий реализации и
устойчивости орбит, в частности, учитывающие особенности запуска,
развертывание, поддержание и восполнение ОГ, прецессию плоскости,
эволюцию и коррекцию параметров орбит при воздействием различных
дестабилизирующих факторов.
Существующие системы связи с использованием ВЭО типа «Мол¬
ния» могут быть названы многоспутниковыми с известной долей услов¬
ности, ибо в любой момент времени, за исключением коротких интер¬
валов при переходе станций с одного КА на другой, в них функциони¬
рует в качестве СР лишь один КА. То есть, в ОГ с использованием ВЭО,
подробно исследованных, например, в [17.4] и нашедших применение
для создания локализованных региональных ССС, все ЗС одновременно
попадают в одну и ту же территориальную зону радиовидимости (ЗРВ),
которая охватывает заданную зону обслуживания (30).
658
В таких ССС количество спутников, необходимое для непрерывного
круглосуточного покрытия региона, определяется временными ЗРВ,т.е.
выбранными периодами от начала до окончания взаимной радиовиди¬
мости между всеми ЗС и одним из СР (рабочим), точнее их соотноше¬
нием со звездными сутками Г3« Гс = 24 часа. Подобные системы могут
квалифицироваться как частный случай МССС, в котором сменяющие
друг друга СР используются всеми ЗС последовательно.
Согласно более широкому понятию, многоспутниковые системы, в
том числе с использованием ЭО, предполагают одновременную парал¬
лельную работу многих КА в общей зоне обслуживания, т.е. много¬
кратный обзор.
Широкое распространение многократное покрытие получило в кос¬
мической навигации (системы СР5, Глонасс) и геодезии, где требуется
пространственное разнесение источников сигнала с целью увеличения
т.н. базы для повышения точности измерений путем учета разницы во
времени распространения. Вместе с тем, в низко- и среднеорбитальных
МССС передача одной и той же информации через несколько СР также
явилась эффективным средством улучшения энергетики линий связи
за счет пространственного разнесения при соответствующей обработке
сигналов в приемнике. Методы разнесенной передачи и приема для ка¬
налов с замираниями путем установки многих антенн (М1МО, 51МО)
развиваются и используются сегодня в наземных радиосистемах.
В то же время в литературе недостаточно освещен вопрос о построе¬
нии многоспутниковых ОГ на эллиптических орбитах, как для расшире¬
ния зон обслуживания, так и с целью повышения надежности, устойчи¬
вости, помехозащищенности связи. Подобного рода МССС становятся
близкими к глобальным, или, во всяком случае, если речь идет о при¬
менении только в северном полушарии, они могут считаться полугло-
бальными.
Как известно и уже отмечалось выше, физическая природа ЭО, на¬
клонение (выбираемое обычно из условия стабилизации плоскости ор¬
биты вблизи 63°—65°), траектории и трассы КА таковы, что рабочая
пространственная ЗРВ (при нахождении СР на рабочем участке вбли¬
зи апогея) не перемещается по всем широтам, как при круговых орбитах.
Можно сказать, что она «привязана» в определенном смысле к высоко¬
широтным областям.
Таким образом, во-первых, для МССС с ОГ на эллиптических ор¬
битах наиболее естественна околополярная модель 30 с ограничением
по нижней широте ф)(. Во-вторых, необходимо иметь в виду, что условие
непрерывного (полуглобального или регионального) покрытия зависит
659
не только от высоты, наклонения и разнесения плоскостей, как у круго¬
вых орбит, но и от параметров, связанных с основным показателем ЭО
- эксцентриситетом, определяющим, прежде всего, временную ЗРВ. Как
показано выше, это, а также долгота Ьа и время (э прохождения восходя¬
щего узла, высота и угловое положение (аргумент) перигея, являются
важными элементами орбиты.
17.1. ЗОНЫ РАДИОВИДИМОСТИ И ОБСЛУЖИВАНИЯ
ПРИ МНОГОКРАТНОМ ПОКРЫТИИ
Рассмотрение совместных ЗРВ при многократном покрытии (МП)
проведем для нескольких сценариев одновременного использования
земными станциями двух или более СР, выводимых в составе ОГ на вы¬
сокоэллиптические орбиты [17.6]:
— создание ограниченных по долготе и широте региональных зон
покрытия территорий Евразийского и/или Северо-Американ¬
ского континентов севернее 30—40 град. с.ш. (на основном и со¬
пряженном витках), с возможностью приоритетного обслужи¬
вания той или иной территории (например, РФ и Северно-Ле¬
довитого океана);
— образование поясной, непрерывной по долготе, приполярной
трансконтинентальной зоны обслуживания с однократным или
многократным покрытием территорий Полярного бассейна, Ев¬
разийского и Северо-Американского континентов севернее 30—
40 град. с.ш. при одновременном использовании КА на основном
и сопряженном витках;
— формирование многократных зон покрытия, исходя из условий,
благоприятных для обеспечения разнесенной передачи-приема
сигналов через два и более КА.
Региональное покрытие
Как показывает многолетний опыт работы через КА типа Молния,
круглосуточное непрерывное однократное покрытие территории Рос¬
сии, при тех или иных пространственно-энергетических соотношениях
(величинах ЭП, ЭЧП), может обеспечиваться путем выведения на ВЭО
3—4-х последовательно сфазированных во времени КА, находящихся в
рабочем (включенном) состоянии не менее 8 или 6 часов в сутки.
В частности, КА могут выводиться в четыре плоскости, разнесен¬
ные на 90°, со сдвигом во времени один относительно другого АТ = Т^/2.
Особенностью данного варианта с одним спутником в каждой плоско¬
660
сти является расположение апогеев в абсолютном пространстве относи¬
тельно вращающейся Земли, обеспечивающее совмещение всех четырех
пар ЗРВ с подапогейными точками на двух противоположных долготах
{основной и сопряженный витки). При соответствующем поддержании
синхронности движения (взаимном фазировании) КА это приводит к
изомаршрутному покрытию одной и той же территории в каждом из
полушарий за период повторения Ги, границы которой, при глобальной
ДН бортовой антенны, близки к 6-часовым ЗРВ.
Данный сценарий рассмотрен в части 1 (глава 5). Мгновенные и га¬
рантированные по углу места зоны радиовидимости и зоны покрытия
для равных КНД на краях (и 6-часовых сеансов связи), при ШДН борто¬
вых антенн, равной 8°Х16° и их прицеливании в подспутниковую точку,
приведены в разделах 5.1, 5.2. На этих графиках, относящиеся к основ¬
ному и сопряженному виткам двух из 4-х сфазированных во времени
КА в составе ОГ, зоны покрытия не перекрываются, что предполагает
независимое и однократное использование ЛСС разными сетями ЗС в
Восточном и Западном полушариях.
Однако, при определенных углах места второго КА на сопряженном
витке и прицеливании его антенны в подапогейную область основно¬
го витка, на территории России возможно наблюдение одновременно
обоих КА, т. е. двукратный обзор, причем оба КА могут «попадать» в
ДН земных станций, имеющих достаточную для этого ширину (разде¬
лы 5.3, 5.4). В тех же случаях, когда по энергетическим показателям в
СССЭО могут быть использованы зоны равных КНД (на основном и
сопряженном витках) по уровню менее -3 дБ, например, -6 или -8 дБ,
будет иметь место двойное покрытие и в определенных областях Запад¬
ного полушария.
Таким образом, при наличии благоприятных условий радиовидимо¬
сти двух КА (для отдельных ЗС, либо сетей ЗС, в особенности, находя¬
щихся в высокоширотных районах, например, на плавучих платформах,
судах, самолетах), в данном сценарии может быть использован эффект
разнесения СР с целью повышения надежности и устойчивости связи.
Трансконтинентальное (поясное) покрытие
Обратимся к сценариям с общей поясной 30, формируемой с помо¬
щью ЛГспутников на ВЭО при различных вариантах пространственного
расположения (углового разнесения) орбитальных плоскостей и времен¬
ного разнесения КА, выводимых в эти плоскости [17.1,17.6}. При условии
достаточной энергетики ЛСС в данном случае бортовые антенны СР, в
частности, элементы приемных антенных устройств при когерентной
661
обработке, целесообразно создавать с глобальной ДН, т. е., например,
шириной раскрыва 16° х 16°. Кроме того, как и в предыдущем, регио¬
нальном сценарии, будем предполагать обеспечение требований поддер¬
жания синхронности движения каждого КА относительно других, при
номинальных периодах обращения Т.л и повторения Гина одноименных
витках.
В качестве одного из принципиальных моментов следует также еще
раз указать на свойства относительной пространственно-временной ста¬
бильности мгновенных ЗРВ спутника на ВЭО, подробно рассмотренные
в части 1 (главы 4, 5). В известном смысле это облегчает анализ покры¬
тия при том или ином сценарии и количестве КА. Интегральная ЗРВ
определяется как общая часть мгновенных зон, соответствующих всем
моментам времени рабочего участка, т. е. по сути дела как минимальная
область пересечения мгновенных ЗРВ. Если длительность связи через
данный СР близка к половине периода обращения, то для начала и конца
этой временной зоны могут быть рассчитаны угловой диаметр а^^Н, I) и
широты центра ЗРВ в эти моменты, которые отличаются от апогейных
значений на определенную величину.
Воспользуемся упрощенной графической моделью покрытия |17.6]
с условным отображением сферической поверхности обоих полушарий
(восточного и западного, вплоть до экватора Э), на плоскость в поляр¬
ной проекции и абсолютной системе координат. При представлении зем¬
ного шара в виде правильной сферы гарантированная ЗРВ одного КА
описывается сферическим кругом с минимальным по всем высотам и
моментам времени угловым диаметром тт{аср(Я, 0} и с координатами
центра, определяемыми широтой апогея сра = г и временем прохождения
КА, близким к апогею (г — наклонение орбиты).
Таким образом, при дальнейшем анализе многоспутниковых ОГ
подапогейные точки, соответствующие разным долготам восходящего
узла того или иного КА, будут располагаться на окружности с угловым
радиусом (ра и центром на полюсе. Соответственно, точки пересечения
соседних ЗРВ разных КА в составе ОГ и проходящие через них парал¬
лели будем считать условно нижней и верхней границами по широте
для общей 30 МССС при сплошном поясном покрытии. Необходимые
для расчета соотношения между угловым радиусом ЗРВ аСР/2, широтой
апогея <ра нижней и верхней границами 30 <рн, срв и угловым расстоянием
между плоскостями КА 2Д могут быть определены с помощью приводи¬
мого ниже чертежа на рис. 17.1.
Рассмотрим некоторые характерные случаи построения ОГ при не¬
прерывном покрытии, отличающиеся количеством КА в орбитальных
662
плоскостях и угловым разносом ме¬
жду плоскостями.
Случай 1. ОГ создается путем
запуска двух КА в одну плоскость
с временным сдвигом через полпе¬
риода Т.л/2, при условии, что ЗРВ
каждого КА с центром на подапо-
гейной окружности (А) охватыва¬
ет полюс (Я), т. е. фа+ аср/2 > 90°.
Тогда, в общем случае геосинхрон¬
ных ЭО с разными высотами апогея
при кратных периодах повторения
и обращения образуется 2Тп/Тл = 2к
территориальных и временных ЗРВ
(по количеству витков к каждого КА за период повторения, например, за
сутки). ЗРВ смещены в пространстве относительно друг друга на п/к из-
за вращения Земли и покрывают поочередно (каждая в течение 7 ,/2 -•
= Тп/2к), однократно и непрерывно некоторую общую область, которой
соответствуют внутренние сферические 2^-угольники на рис. 17.1.
Здесь в виде 4-х смещенных на и/2 кругов показано расположение
последовательных во времени ЗРВ для 12-часовой ВЭО (Г, = 12 часов,
к = 2, Яа« 40 тыс. км). Отметим, что при увеличении высоты апогея и,
соответственно, периода обращения, до 24 часов число ЗРВ уменьшается
до 2, а при снижении апогея — возрастает пропорционально количеству
витков каждого КА, т. е. при 6-часовой ЭО будут перекрываться 8 зон
радиовидимости, при 4-часовой — 12 и т. д.
Области в виде 2^-угольников, являющиеся общей частью всех ЗРВ,
перекрывающихся по территории, есть не что иное, как зоны непрерыв¬
ного обслуживания для ОГ в целом, которые по размерам и конфигура¬
ции зависят от числа витков к (т. е. номинальной высоты апогея) и за¬
данного угла места на краю ЗРВ. Стороны многоугольников образуют
из отрезков границ ЗРВ каждого КА по широте, находящихся в проти¬
воположном от апогея полушарии (по другую сторону от полюса), гра¬
ницу непрерывной 30.
Гарантированные нижние широтные границы показаны на рис. 17.1
жирными внутренними пунктирными окружностями-параллелями,
вписанными в 2^-угольники. Эти окружности являются геометрическим
местом точек, соответствующих текущим нижним границам каждой из
2к ЗРВ, находящимся в противоположном от апогея полушарии. Мож¬
Рис. 17.1
663
но заметить, что при увеличении числа КА в группировке 2^-угольники
будут приближаться к кругам с угловым радиусом, равным 90° - фа.
Широта нижней границы 30 (при покрытии всех долгот) определя¬
ется соотношением:
Ч>ЛН) = Л - (Фа + аСр/2)> Фа+ аср/2 > 90‘
(17.1)
Эта зависимость приведена на рис. 17.2) для фа = г = 63,4 град,
(сплошные линии). С увеличением граничного угла места при фикси¬
рованной высоте апогея, а также со снижением орбиты, широта нижней
границы повышается. Для 12-часовой ВЭО при р = (30—40) град, общая
30 группировки будет охватывать широты выше (65—75) градусов.
Случай 2. ОГ формируется на базе двух плоскостей, равномерно раз¬
несенных в пространстве, по одному или два КА в каждой плоскости.
Образование общей 30 с непрерывным покрытием в первом варианте
обеспечивается при АТ = Гэ/2, во втором — при АТ = 0, при этом КА
внутри плоскости разнесены во времени на половину периода.
Путем пространственно-временных построений с учетом вращения
Земли можно показать, что в обоих рассматриваемых случаях, когда об¬
щее число КА равно или 2, или 4, количество ЗРВ и разнесение их цен¬
тров на подапогейной окружности зависит от соотношения количества
плоскостей и периодов обраще¬
ния КА.
Различие этих двух вариан¬
тов ОГ заключается в том, что в
первом из них ^ = 2) ЗРВ суще¬
ствуют поочередно,обеспечивая,
по аналогии со случаем 1, одно¬
кратный обзор и наименьшую 30
с гой же граничной широтой.
Во втором варианте (IV = 4)
имеет место попарное перекрытие
(число пар — к) одновременно су¬
ществующих ЗРВ, т. е. появляют¬
ся участки территории с двукрат¬
ным покрытием. При этом общая
непрерывная 30, обеспечивае¬
мая четырьмя КА, значитель¬
но расширяется и имеет форму
2^-угольной «розетки» с верши¬
нами в точках пересечения чере-
Н, км
1000
Рис. 17.2
10000
50000
664
дующихся мар ЗРВ. При этом широтная граница 30 удаляется от полю¬
са (внешняя окружность, нанесенная жирным пунктиром).
Зависимость этой границы от высоты орбиты может быть определе¬
на из сферического треугольника АВП согласно теореме косинусов:
Ф„(Я) = агс51п[соз(аср/2)/з1Пфа] =
=агсз1п{соз[агссоз(/?созр//? + Я) - р] /зшфа} (17.2)
Данная функция также показана на рис. 17.2 для фа = г = 63,4 град,
(штриховые линии).
Таким образом, при ОГ, состоящей из двух пар КА, выводимых ка¬
ждая в противоположные плоскости, количество пар ЗРВ возрастает с
уменьшением периода ЭО (высоты апогея) пропорционально числу вит¬
ков за период повторения, при соответствующем уменьшении углового
расстояния между центрами ЗРВ (подапогейными точками).
Образование зон обслуживания ОГ, как общей части чередующих¬
ся одиночных или парных (одновременно перекрывающихся) ЗРВ, по¬
казанных на рис. 17.1, очевидно, может быть распространено на = 3 и
более плоскостей, равномерно разнесенных в пространстве.
Случай 3. При переходе к ОГ с 4-мя плоскостями, в которых КА вы¬
водятся на ВЭО, вместе с увеличением числа ЗРВ сохраняются рассмот¬
ренные закономерности образования общей 30. Среди них особым про¬
явлением для всех геосинхронных ВЭО (17.6] является локализация по-
дапогейных точек на определенных долготах, зависящих от долготы в.у.
и аргумента перигея. В общем случае разных высот апогея ЭО данное
свойство появляется, когда число плоскостей, в каждую из которых за¬
пускается последовательно, с равномерным временным сдвигом, по од¬
ному спутнику, вдвое превышает число витков за период повторения,
т. е. N = ЛУ2 = 2к. Данный уникальный сценарий соответствует подробно
рассмотренному выше региональному изомаршрутному покрытию.
Случай 4. Если в каждую из 2к плоскостей последовательно, со
сдвигом АТ = Тэ/2, выводится по два К А, независимо от высоты апогея,
т. е. ,/У = 2N2 = 4к, то геометрия сохраняется такой же, как на рис. 17.1.
Но при этом показанные кругами ЗРВ существуют одновременно, т. е.
обеспечивается непрерывное во времени (частично двукратное) покры¬
тие максимально возможной (по всем долготам) для данной широты и
высоты орбиты зоны обслуживания. Соответственно и нижняя граница
по широте для заданного угла места в наибольшей степени приближа¬
ется к экватору (внешние штриховые окружности).
Таким образом, в целом добавление плоскостей приводит к более
плотному размещению ЗРВ на земной поверхности и расширению 30,
665
т. е. снижению широтной границы. Увеличение числа плоскостей и ко¬
личества КА в группировке позволяет повысить кратность покрытия,
что создает предпосылки для более надежной, разнесенной передачи
сигналов ЗС в условиях воздействия замираний и помех.
17.2. ОСОБЕННОСТИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ
УСЛОВИЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПРИ УГЛОВОМ
РАЗНЕСЕНИИ НЕСКОЛЬКИХ СР
В СССЭО влияние многолучевых замираний, как было рассмотре¬
но выше, описывается, в основном, райсовским и близкими ему закона¬
ми, т. е. характеризуется выраженной регулярной сигнальной состав¬
ляющей. Тем не менее, как показывает отечественный и мировой опыт,
сценарии построения мобильных МССС, прежде всего для сухопутных
транспортных средств (поездов, автомобилей, движущихся с большой
скоростью в непосредственной близости от лесополосы), а также реч¬
ных и морских судов, должны предусматривать соответствующие меры
защиты как от случайных помех, так и от замираний, прежде всего свя¬
занных с затенением и блокированием.
В одной из наиболее известных МССС Глобалстар с этой целью при¬
меняется передача и соответствующие методы приема через несколько
СР, то есть, фактически искусственно создается многолучевый канал
связи и используется полезный эффект комбинирования лучей в при¬
емнике. Подобный подход обычно основывается на таком пространст¬
венном разнесении многих КА по углам места и азимута, которое позво¬
ляло бы считать замирания некоррелированными. Причем, в отличие
от одиночного приема с запасом по энергетике, как это принято, напри¬
мер, в МССС Иридиум (когда увеличение уровня сигнала не приводит к
полному устранению флюктуаций отношения сигнал/шум), механизмы
разнесенной передачи обеспечивают выполнение требований по веро¬
ятности ошибок символов и пакетов при существенно меньших энерге¬
тических потерях.
Применительно к СССЭО надежность и эффективность ретрансля¬
ции одной и той же информации через два КА на основном и сопряжен¬
ном витках при ОГ из 4-х спутников, тем более использование большего
числа КА в случае увеличения группировки, будут зависеть в большой
степени от пространственного (углового) разнесения разных СР относи¬
тельно ЗС, т. е., в итоге, от типа и сценария развертывания ОГ, рассмот¬
ренных выше. При этом в приемных устройствах ЗС могут применяться
как комбинирование, так и выбор (коммутация) наиболее благоирият-
666
ных по уровню, а также сопутствующим помехам и искажениям, линий
связи (лучей).
При ретрансляции через разнесенные КА для статистической оцен¬
ки вероятностных характеристик среды распространения может быть
использована модель трех состояний, рассмотренная в главе 14 приме¬
нительно к однократной передаче. Причем следует учитывать, что усло¬
вия замираний при затенении в каждой ветви могут иметь ту или иную
степень корреляции, с коэффициентом, изменяющимся от -1 до +1 и оп¬
ределяемым разнесением КА относительно ЗС как по азимуту, гак и по
углу места. В случаях же МЛЗ изменения сигнала всегда предполага¬
ются некоррелированными [17.7].
Если вероятности каждого из состояний для одного из СР с углом
места обозначить как РА„, РВ)1, РСп (п = 1,2,..., п,), п1 - число наблюдае¬
мых (попадающих в ДН антенны ЗС) КА, то в статическом случае (для
мгновенных моментов времени или идеальной ГСО) и при отсутствии
корреляции между линиями разнесенных СР будут справедливы сле¬
дующие соотношения для вероятностей состояний:
«I
п—Л
(17.3, а)
Рв=1-Ра-Рс,
”1
(17.3, б)
рс=П1ро,(Р„)1
(17.3, в)
и=1
С учетом изменения углов места и азимута во времени за счет дви¬
жения КА или ЗС могут быть найдены средние значения этих вероят¬
ностей на интервале
(Р,) = —-— Г Р> (1)<& {г-Л, В, или С). (17.4)
'■
Путем замены РА, Рв и Рс в модели с одним СР (раздел 14.3) на эти
усредненные величины рассчитываются кумулятивные распределения
при щ — кратном разнесении для города и пригорода.
Для более точных и корректных расчетов может учитываться кор¬
реляция между затенением разнесенных ЛСС, которая в общем случае
изменяется от положительной, при незначительных углах разнесения,
до отрицательной, при больших углах. С этой целью вводится коэффи¬
циент корреляции р(р,, р,, АЬ), где Д1 — величина углового разнесения
по азимуту, а затем может быть использована методика маскирующих
углов места, рассмотренная для одного СР в главе14.
667
О 10 20 30 40 50 60 70 «0 90
Разнесение по азимуту, Д<р
Рис. 17.3
Обобщенная корреляционная модель для двух разнесенных ЛСС и
нахождения ЗС «в каньоне» приведена на рис. 17.3. Она предусматрива¬
ет три сегмента поведения коэффициента корреляции: А—В, В—С, С—О
и несколько характерных в этом смысле ситуаций, которые рассмотрены
ниже. Отметим сразу же очевидный случай (Сл. 1), когда при у.м. обоих
КА, превышающих среднее значение маскирующего угла (СМУ), кор¬
реляция максимальна, т. е. р = 1 при любых отклонениях по азимуту, и
это означает, что в разнесении КА нет необходимости.
Основная закономерность состоит в том, что при близких по величи¬
не углах места корреляция снижается от максимума при небольшом раз¬
несении по азимуту (Д1 < 30°), а затем имеет тенденцию к стабилизации
(сплошная линия). Естественно также, что, по мере увеличения разни¬
цы в возвышении КА, значения р существенно снижаются. В частности,
когда один КА всегда выше СМУ, а другой — всегда ниже, коэффициент
корреляции имеет минимальное значение (близкое к —1), практически
не зависящее от разницы углов азимута (Сл. 2). В том случае, когда у.м.
близки, но не превышают постоянно СМУ, азимутальное разнесение иг¬
рает свою роль, снижая р до уровня, близкого к нулевому (Сл. 3). Нако-
668
80
Рис. 17.4
нец, когда углы места сильно отличаются ф, » р^), корреляция также
близка к нулю, а при очень большой разнице по азимуту падает до от¬
рицательной (Сл. 4). Приведенные на рис. 17.3 зависимости могут быть
применены для всех квадрантов АЬ, причем с тем большей точностью,
чем длиннее закрытый участок и чем ближе ЗС к его середине.
С использованием этих зависимостей и вероятностей отказа рх р2 ка¬
ждой из ветвей, рассчитанных с помощью рис. 17.3, общая вероятность
обеспечения работоспособности ЛСС в целом, с разнесением при зате¬
нении для выбранной позиции ЗС относительно СР, может быть рас¬
считана как [17.7]:
1-
Рл/Р^-Р^л/Р^-Рг) + Р1Р2
(17.5)
Как и для одиночного приема, статистика суммарного воздействия
среды при разнесении СР должна учитывать суммирование с весами
вероятностных характеристик каждого из типичных состояний. В ре¬
зультате могут быть построены двумерные (по углам места на оси ор¬
динат и азимута на оси абсцисс) картины участков затенения с учетом
углов между направлением движения ЗС и направлениями на КА. Для
этого используется методика геометрического представления позиций
ЗС относительно СР с использованием СМУ и производится свипиро-
вание по азимуту для угла места каждого из КА, что является весьма
трудоемкой задачей и может быть реализовано лишь путем компьютер¬
ного моделирования.
669
Пример построения маски затененной поверхности для мгновенного
статического состояния ОГ (что близко к двум КА на ГСО), приведен на
рис. 17.4. Здесь линия АВ соответствует азимутальному свипированию
на 360° для первого КА, линия СО — для второго К А, Дф - разнесение
по азимуту между тем и другим КА.
Применительно к динамике движения КА на ВЭО массив таких
«мгновенных снимков» существенно увеличивается. Его суммирование
и усреднение должны производиться с выбранным шагом, например, в
1 мин., в течение определенного интервала, равного, например, периоду
обращения КА. Методы подобных расчетов основываются на компью¬
терном имитационном моделировании.
17.3. ВЛИЯНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАЗНЕСЕНИЯ СР
ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СЦЕНАРИЯХ РАЗВЕРТЫВАНИЯ ОГ
Применительно к связи на территории России и полярных районов
будем считать условиями эффективного разнесения ЛСС с целью защи¬
ты от замираний и случайных помех при параллельной передаче-приеме
информации через несколько СР:
— максимальное по площади и во времени, не менее чем двукрат¬
ное, пересечение зон покрытия разных СР в составе орбитальной
группировки;
— обеспечение наибольших значений рабочих углов места в тече¬
ние всего периода повторения витков при двух- или многократ¬
ном покрытии по всем долготам (и широте не менее 40°);
— максимальное разнесение СР относительно ЗС по углам азимута
(декорреляция параметров среды распространения).
Как следует из предыдущих разделов, выполнение указанных усло¬
вий во многом зависит от выбора основных характеристик (сценариев
развертывания) ОГ на ВЭО: количества и пространственного располо¬
жения орбитальных плоскостей, числа КА, их орбитальных параметров
и временного разнесения в каждой из плоскостей.
Степень перекрытия ЗРВ при 12-часовой ВЭО, количестве КА в ОГ
не менее 4-х и фиксированных граничных значениях минимально до¬
пустимого угла места может быть повышена двумя путями:
— соответствующим увеличением числа орбитальных плоскостей
М2 = 2к = 4, что имеет место при ОГ с изомаршрутными трасса¬
ми, т. е. с четырьмя смещенными на 90° плоскостями и двумя по¬
стоянными относительно Земли точками апогея, разнесенными
на 180° (М=Ы2 = 2к);
670
- увеличением числа КА, выводимых с одним и тем же временным
сдвигом ДГ = Т.л/2 в каждую из 2к = 4 плоскостей, например, до
4-х (Л^= 2Ы2 = Ак = 8), за счет чего расширяются и область дву¬
кратного покрытия, и общая зона обслуживания (нижняя гра¬
ничная широта приближается к экватору).
При этом возможность параллельной ретрансляции через два или
более СР, т. е. перекрытие зон обслуживания (зон равных КНД или
ППМ), должна обеспечиваться путем соответствующего прицелива¬
ния бортовых антенн в центр требуемой 30. Зоны покрытия для одной
из возможных пространственных конфигураций СССЭО показаны на
рис. 5.11—5.13 в главе 5. •"
Далее, с целью оценки и сравнения значений углов места для рас¬
смотренных выше сценариев при двух- и, частично, четырехкратном по¬
крытии (т. е. с учетом радиовидимости КА как на основных, так и па со¬
пряженных витках) на рис. 17.5 приведены их зависимости от долготы
для ВЭО типа «Молния» и грех широт 60°, 90° и 30°, при нахождении
спутников в апогее [17.6]. Здесь за нулевую долготу условно принята
долгота апогея одного из КА.
Очевидно, что сами но себе углы места для каждого отдельно взя¬
того КА (показаны пунктиром) при одной и той же ВЭО (в данном слу¬
чае, 12-часовой) не зависят от структуры ОГ. В то же время, количество
и расположение орбитальных плоскостей оказывает влияние на вели¬
чину наименьших, т. е. гарантированных в любой момент времени для
всех ЗС в зоне обслуживания МССС, углов места наблюдаемых разне-
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
Рис. 17.5
671
сенных КА. Эти углы соответствуют пересечению кривых для каждого
одного КА.
Действительно, как следует из чертежа, при ОГ с двумя противопо¬
ложными плоскостями (по 2 КА, запускаемых в одну плоскость) непре¬
рывно, т. е. в течение всего периода повторения витков, для определен¬
ных долгот обеспечивается меньший (из-за сдвига ЗРВ каждые 6 часов)
гарантированный угол места (но максимальный из углов одновременно
наблюдаемых КА данной ОГ), чем при ОГ из 4-х КА с изомаршрутной
трассой (запускаемых по одному в каждую плоскость), которая, в свою
очередь, уступает по этому показателю ОГ из 8КА (2КА х 4), т. е. по два
в каждой из 4-х плоскостей.
Таким образом, наиболее эффективным из рассмотренных сцена¬
риев, если учитывать все три критерия, является развертывание ОГ из
8 КА, выводимых попарно в 4 плоскости.
Отметим, что, помимо влияния структуры ОГ и высоты орбиты (апо¬
гея), на величину гарантированных углов места при наблюдении более
чем одного КА могут оказывать существенное влияние и другие пара¬
метры ВЭО, в частности, наклонение [17.8].
При работе через разные спутники для передачи одного и того же
контента может быть применен, кроме того, еще один из видов разнесе¬
ния (разделения) — временное, частотное, кодовое, или их комбинации.
Кроме того, как отмечалось в главе 16, и более ранние и современные
ССС, предназначенные для вещательных и мультимедийных целей (та¬
кие, как 8гпи$, Мае$1го, 8-ИМВ и др.), в целях повышения надежности
и качества услуг используют пространственное разнесение (МДПР) в
двух средах, т. е. два или более СР на орбите и сеть наземных ретранс¬
ляторов (НР). При этом передача на наземном участке может обеспе¬
чиваться на тех же, либо разных частотах относительно спутникового
участка вниз (рис. 17.6).
Возможно несколько вариантов (структур) построения таких комби¬
нированных линий связи, состоя¬
щих из нескольких ветвей. Один
из них использует т.н. многочас¬
тотную сеть, когда разнесенные в
пространстве передатчики каждого
СР и НР излучают на разных час¬
тотах, поделив, таким образом, об¬
щую отведенную полосу Д/ между
собой. При этом в разных ветвях
могут применяться разные мето-
Рис. 17.6
672
ды модуляции и кодирования, например,
ДФМ/О.РЗК в ЛСС и ОРИМ в наземной
сети. На рис. 17.7 схематически отражена
эта конфигурация для 2-х СР и сети НР в
виде спектральной плотности мощности
СР, распределенной в той или иной поло¬
се.
Другой, одночастотный подход, состо¬
ит в том, что все передатчики излучают
одни и те же сигналы в общей полосе час¬
тот и, поскольку приемные ЗС-терминалы
находятся на разных расстояниях, эти сиг¬
налы воспринимаются ими как приходящие в разных лучах, подобно
копиям, или межсимвольным помехам при МЛЗ. С помощью известных
методов модуляции, таких как ФМ-ПСП или ОРПМ, выбора соотноше¬
ний между символьной скоростью и разбросом времени задержек, а так¬
же соответствующих устройств обработки, такие радиосети могут быть
реализованы. При этом все передатчики могут использовать одну и ту
же полосу частот, либо она делится между СР (рис. 17.8). В обоих слу¬
чаях СПМ уменьшается по сравнению с многочастотиой схемой. Функ¬
ционирование линий связи упрощается, если в сети обеспечивается об¬
щая синхронизация между СР и НР. Данная конфигурация считается
эффективной и реализована в ряде систем (17.9—17.11].
Высокоэффективным средством, дополняющим разнесение ветвей
передачи на обоих участках ССС, является пространственное разнесе¬
ние по приему на ЗС, которое заключается в применении нескольких
малых антенн (многоэлементной антенны с несколькими лучами ДН)
и адаптивной цифровой обработки, подобно рассмотренным в главе 15
р
4/“(ЗВ) .
в
; ср, |
: 1
• частота
: ! нр
1 :
: |
| :
р
т
1
1 ^
1
1
в
д 1
Рис. 17.7
,
Д/= (3 В)
Д/=(ЗВ)
Р
1
1
1
1
1
р
I СР, !
3 в
СР,
| 1,5В
1
•
1
1
1
Частота
1
г
1
1
1
1
1
| Частота
1 1
1
НР 1
1
к.
1 нр |
р
Р
3 в
- *— — —
1
ЗЬ 1
1,5 В
1.
1 * СР
д 1 111
Рис. 17.8
673
Рис. 17.9
применительно к БРТК. Такие решения позволяют облегчить целый ряд
проблем сухопутной мобильной связи, как на спутниковых, так и назем¬
ных радиолиниях, в частности, обеспечение защиты от МЛЗ и посторон¬
них помех, повторное использование частотно-временного ресурса при
МДЧР-МДВР (МР-ТЭМА) и др. [17.9,17.12,17.13].
Отметим, что при использовании ААР и весовой обработки в ЗС
могут применяться оба типа радиосетей — многочастотные, подоб¬
ные приведенной выше на рис. 17.7 структуре с обычным антеннами
ЗС (СПМ = Р/А/), и одночастотные (рис. 17.8), с общим ресурсом и
МДПР (СПМ = Р/ЗД/), возможностью адаптивной когерентной обра¬
ботки и/или пространственно-временным кодированием [17.14—17.16].
При этом число элементов антенны п должно быть не менее числа вет¬
вей разнесения (лучей), в данных примерах равного 3. Общая струк¬
турная схема спутникового и наземного приема с адаптивной антенной
для одночастотной сети приведена на рис. 17.9.
674
ЧАСТЬ 4.
РЕАЛИЗАЦИЯ ССС
С ВЫСОКОЭЛЛИПТИЧЕСКОЙ ОРБИТОЙ
ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПЕРВООЧЕРЕДНЫХ
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ЗАДАЧ
Современные российские ССС, которые были построены по техни¬
ческим и технологическим решениям 80-х годов прошлого века, в на¬
стоящее время существенно уступают многим зарубежным системам,
как по пропускной способности, так и помехозащищенности. В эконо¬
мически развитых странах совершенствованию и широкому внедрению
этого рода связи уделяется большое внимание. В частности, Россия су¬
щественно отстает от передовых стран мира в использовании ССС для
нужд обороны страны. В США, странах НАТО, Китае созданы и успеш¬
но функционируют (постоянно развиваясь и совершенствуясь) как спе¬
циализированные военные системы с высокими тактико-техническими
характеристиками (ТТХ), так и ССС «двойного назначения», причем
роль последних весьма велика. При их создании и постоянном совер¬
шенствовании применяются самые современные технические решения,
основанные на использовании высоких технологий и широкого спектра
микроэлектроники (в том числе СБИС), такие как фазированные антен¬
ные решетки (ФАР), обработка сигналов на борту КА, высокоэффектив¬
ные средства защиты от помех, нанотехнологии, системы искусственно¬
го интеллекта, новые диапазоны частот, современные методы модуляции
и кодирования, что и обеспечивает получение высоких ТТХ.
ГЛАВА 18. НОВЫЕ ПОДХОДЫ К ПОСТРОЕНИЮ ССС
С ПОВЫШЕННЫМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ
ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТИ
Описываемые ниже подходы к построению ССС, в том числе воен¬
ного и двойного назначения, с КА на высоких эллиптических и геоста¬
ционарных орбитах, повышенными показателями помехозащищенно¬
сти, призваны, при их реализации, исправить сложившуюся неблаго¬
приятную ситуацию.
Новизна этих подходов заключается в следующем:
1) Для размещения активного оборудования бортового ретрансля¬
ционного комплекса (БРТК) на КА предлагается установить контей-
675
К Земле
Рис. 18.1
240 СМ
нер следующего типа. Габарит¬
ные размеры контейнера целесо¬
образно принять 240 х 240 х 70 см
(последний размер может ме¬
няться в зависимости от состава
БРТК), чтобы контейнер мог лег¬
ко размещаться под обтекателем
большинства российских ракето¬
носителей.
Внешний вид контейнера по¬
казам на рис. 18.1
Для КА на ВЭО в контейнере предусматривается установка дополни¬
тельных элементов защиты активной части радиооборудования БРТК,
а также системы управления КА.
2) На стороне контейнера, обращенной к Земле, располагаются пас¬
сивные плоские ФАР, используемые для построения всех передающих
антенн (усилители мощности, размещаемые внутри контейнера, соеди¬
няются с антеннами через герморазъемы).
3) Ко всем четырем сторонам контейнера подсоединяются боко¬
вые панели размером 240 х 240 х 5 (10) см, на которых располагают¬
ся пассивные плоские ФАР, используемые для построения всех при¬
емных антенн (выходы сумматоров этих ФАР через герморазъемы
подсоединяются ко входам активного приемного оборудования всех
каналов, размещаемого в контейнере и включающего в свой состав
также оборудование для построения адаптивных приемных ФАР. По¬
следние должны обеспечить цифровую обработку сигналов ветвей
пространственного разнесения с наведением «нулей» ДН на назем¬
ные источники помех и оборудование устройств когерентного с весом
сложения сигналов ветвей — «когераторов». В контейнере же разме¬
щается и аппаратура коммутации и маршрутизации передаваемых
сообщений.
4) В сложенном состоянии (при нахождении под обтекателем РН)
контейнер и присоединенные к нему четыре боковые панели размером
240 х 240 см выглядят так, как показано на рис. 18.2.
Использование на борту КА адаптивных ФАР и когераторов позво¬
лит в десятки раз увеличить эффективную площадь приемных антенн
на КА и, соответственно, уменьшить мощности передатчиков ЗС, что
позволит резко снизить их стоимость и энергопотребление. Тогда как
применение адаптивных ФАР на КА, что уже отмечалось выше, обеспе¬
чит уровень подавления помех, приходящих от наземных источников,
676
К Земле
Г о л о и и о и о 6 г е к а те л ь
2,4 м
Полезная нагрузка
2,4 м
Н а правление отстрела
головного обтекателя
Рис. 18.2
до 60 дБ и, таким образом сделает ССС практически неуязвимыми при
любой ралиоэлектронной обстановке.
5) В развернутом состоянии, после отделения обтекателя и поворо¬
та боковых панелей на 90°, контейнер (размером 240 х 240 х 70 см) и при¬
соединенные к нему четыре боковые панели размером 240 х 240 х 10 см
каждая выглядят так, как показано на рис. 18.3.
На основе приведенных новых подходов к конструированию КА в
ООО «Глобсатком» разработаны облики ССС различного назначения
(в том числе, двойного) с исключительно высокими проектными такти¬
ко-техническими характеристиками.
Создание новых ССС (включая их космический и земной сегмен¬
ты) в ближайшие 3—4 года вполне под силу российским предприяти¬
ям космической отрасли (таким как ОАО «ИСС им. М.Ф. Решетнева»,
ФГУП РКК «Энергия» им. С.П. Королева, ФГУП «НПО им. С.А. Ла¬
вочкина», ФГУП ГК «НПЦ им. М.В. Хруничева», ФГУП «НПО Маши¬
ностроения»), а также отечественным предприятиям-разработчикам и
производителям земных станций спутниковой связи различных типов
и в различных диапазонах частот (несколько десятков предприятий
различных форм собственности). Среди них есть и предприятия (в ос¬
новном Зеленоградского «куста»), имеющие большой опыт разработки
677
К Земле
Панели для размещения приемных антенн в
виде набора плоских пассивных ФАР (для всех диапазонов)
Рис. 18.3
и производства аппаратуры на базе микроэлектроники. Причем особо
хотелось бы выделить ГУП «Элвис», имеющее тесные контакты с передо¬
выми зарубежными фирмами, владеющими «фабриками» по производ¬
ству больших интегральных схем-ЧИПов, что открывает возможность
производить на этих «фабриках» СБИС для ССС на основе отечествен¬
ных программных продуктов (совместное производство). Это позволит
строить аппаратуру ССС (СР и ЗС) на самом современном уровне, не
уступающем техническому и технологическому уровню передовых за¬
рубежных стран.
Разработка, создание и ввод в эксплуатацию вышеуказанных ССС
в ближайшие 3—4 года, без сомнения, резко укрепит экономическую и
оборонную мощь России, поскольку все они в совокупности позволят
на качественно новом уровне решать задачи развития промышленности
и инфраструктуры, а также обеспечивать интересы национальной безо¬
пасности РФ [4.8].
1) ССС Глобсатком в диапазонах частот 5 (2 ГГц) и 4/6 ГГц
ССС Глобсатком строится на базе использования 4-х синхрони¬
зированных КА на ВЭО типа «Молния» и состоит из трех функцио¬
нально независимых подсистем, объединенных в составе единого кос¬
мического комплекса на ВЭО и наземных средств связи, управления
и контроля:
— подсистема мониторинга с малогабаритными абонентскими ЗС
(с диаметром антенны около 10 см), устанавливаемыми на ста¬
ционарные и подвижные объекты мониторинга;
678
— подсистема спутникового непосредственного цифрового телеви¬
зионного вещания (16 каналов стандарта МРЕС-4 со скоростью
передачи информации 1,5 Мбит/с каждый) с малогабаритными
приемными ЗС (с диаметром антенны около 40 см), устанавли¬
ваемыми на стационарных и подвижных объектах пользователей
(включая легковые автомобили);
— подсистема спутникового непосредственного цифрового радиове¬
щания (60 каналов со скоростью передачи информации 96 кбит/с
каждый) с такими же антеннами, что и подсистема ТВ.
Данную ССС предполагается строить как коммерческую, но двой¬
ного назначения (с обслуживанием пользователей для нужд ВС РФ на
коммерческой основе).
Данная ССС сможет обеспечить обслуживание нескольких миллио¬
нов абонентов, в том числе, подсис тема мониторинга свыше 1 млн объ¬
ектов мониторинга
Следует отметить, что в ССС Глобсагпком могут функционировать
и приемные малогабаритные ЗС, обеспечивающие одновременно при¬
ем 16 цифровых ТВ каналов и 60-ти цифровых каналов радиовеща¬
ния.
ССС Глобсатком через КА, находящийся вблизи апогея на основном
витке (над Восточной Сибирью) обеспечит радиоосвещенность всей тер¬
ритории РФ, территорий сопредельных государств, большей части Се¬
верного Полярного бассейна, а через КА, находящийся вблизи апогея
на сопряженном витке (над севером Канады) обеспечит радиоосвещен¬
ность всей территории Канады, северных штатов США, Гренландии и
большей части Северного Полярного бассейна. Таким образом, данная
ССС может обслуживать полеты самолетов по трансполярным и кросс-
полярным авиатрассам.
Рассматриваемая ССС может быть создана за 3—4 года с общим объ¬
емом затрат около 800 млн долл.
2) ССС НордМедиаСтар в диапазонах частот 4/6 ГГц, 11/14 ГГц
и 1,5/1,6 ГГц
ССС НордМедиаСтар строится на базе использования 4-х синхрони¬
зированных КА на ВЭО типа «Молния» и состоит из пяти функциональ¬
но независимых подсистем, объединенных в составе единого космиче¬
ского комплекса на ВЭО и наземных средств управления и контроля:
— подсистема спутникового непосредственного цифрового теле¬
визионного и радиовещания (200 цифровых каналов стандар¬
та МРЕС-4 со скоростью передачи информации 1,5 Мбит/с и
679
400 цифровых каналов со скоростью передачи информации
96 кбит/с) с абонентскими ЗС с эквивалентным диаметром ан¬
тенны около 1,2 м), устанавливаемыми на стационарных и под¬
вижных объектах пользователей работающих или только в ре¬
жиме приема или в режиме приема/передачи (с организацией
запросного канала);
— подсистема высокоскоростного доступа к сети Интернет для
пользователей на стационарных и подвижных объектах (общее
количество — до 5 млн) с абонентскими ЗС с эквивалентным диа¬
метром антенны около 1,2 м и скоростью передачи информации в
запросном канале до 8 Мбит/с, в ответном канале — 43 Мбит/с;
— подсистема для организации корпоративных мультисервисиых
сетей для пользователей на стационарных и подвижных объек¬
тах (общее количество пользователей - свыше 2 млн) с абонент¬
скими ЗС с эквивалентным диаметром антенны около 1,2 м и
скоростью передачи информации в канале «периферия Центр»
до 8 Мбит/с, в ответном канале — 43 Мбит/с;
— подсистема для организации корпоративных мультисервисиых
сетей для пользователей на стационарных и подвижных У1Р
объектах (общее количество — до 10 тыс.) с малогабаритными
абонентскими ЗС с эквивалентным диаметром антенны около
40 см и скоростью передачи информации в канале «периферия
—> Центр» до 1 Мбит/с, в ответном канале — 1 Мбит/с;
— подсистема для организации обмена теле- и радиовещательны¬
ми программами между студиями при работе через ЗС с диа¬
метром антенны около 3,7 м со скоростью передачи информа¬
ции 43 Мбит/с. Общее количество обслуживаемых студий — не¬
сколько десятков.
ССС НордМедиаСтар обеспечивает радиоосвещенность тех же уча¬
стков земной поверхности, что и ССС Глобсатком (при включении в ра¬
боту 2-х КА — на основном и сопряженном витках).
Данную ССС также предполагается строить как коммерческую, но
двойного назначения (с обслуживанием пользователей для нужд ВС РФ
на коммерческой основе).
3) Глобальная система спутниковой связи (ГССС) в диапазоне
7/8 ГГц в интересах национальной безопасности России
Эту ССС планируется строить на базе 4-х синхронизированных КА
на ВЭО типа «Молния» (с двумя включенными в работу КА — один КА в
окрестности апогея на основном витке, другой КА в окрестности апогея
680
на сопряженном витке). ССС предназначена для обслуживания пользо¬
вателей на стационарных и подвижных объектах в любой точке земного
шара.
Электропотребление полезной нагрузки КА — 8 кВт. Общее число
обслуживаемых пользователей (речь, данные, видео) — свыше 1 млн
(с радио АТС на КА). Скорость передачи информации в каналах рас¬
сматриваемой ССС — 512 кбит/с.
Помехозащищенность всех каналов ССС — абсолютная (при дейст¬
вии любых средств РЭП потенциального противника).
ССС может быть создана за 6 лет в две очереди с общим объемом затрат
около 2 млрд долл. Предполагается, что 1-я очередь будет включать в свой
состав 4 КА на ВЭО и 3 КА на ГСО (видимых с территории РФ). 2-я оче¬
редь будет включать в свой состав 5 КА на ГСО (не видимых с территории
РФ). Привязку этих КА к зоне обслуживания РФ планируется осуществ¬
лять с использованием межспутниковых широкополосных линий связи в
диапазоне 60 ГГц, а также арендованных широкополосных каналов в ме¬
ждународных волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) |4.9|.
В этой ССС предлагается иметь 6 типов ЗС от ЗС с диаметром
антенны 40 см (абонентские ЗС), до ЗС с диаметром антенны 3,7 м (цен¬
тральные и координирующие ЗС).
4) ССС в диапазонах дециметровых волн (ДМВ) (в районе 200 МГц)
и 7/8 ГГц в интересах воинских контингентов ВС РФ, предназначенных
для действия в зонах приграничных военных конфликтов, локализую¬
щихся в лесистой местности, где затруднено использование более вы¬
соких частот
Эту ССС планируется строить на базе 4-х синхронизированных КА
на ВЭО типа «Молния» и она предназначена для обслуживания как ин¬
дивидуальных пользователей, так и пользователей на подвижных объек¬
тах (при их движении по лесным дорогам). Зона обслуживания ССС —
вся территория РФ, территории сопредельных государств.
Электропотребление полезной нагрузки КА — 8 кВт.
Общее число обслуживаемых пользователей (речь, данные, видео¬
конференцсвязь) — около 200 тыс. (также с радиоАТС на КА).
Скорость передачи информации в каждом из тысячи каналах рас¬
сматриваемой ССС — 20 кбит/с, помехозащищенность всех ее каналов —
также абсолютная.
Все ЗС этой ССС — малогабаритные, индивидуального пользова¬
ния с общей массой 2—3 кг (их приемные и передающие антенны могут
располагаться на каске).
681
Эту ССС в какой-то мере следует считать как дополняющую ГССС —
при обслуживании пользователей на территории РФ и сопредельных
государств — в районах возможных приграничных конфликтов.
Рассматриваемая ССС может быть создана за 3—4 года с общим объ¬
емом затрат около 800 млн 1350.
5) ССС в диапазонах ДМВ (в районе 200 МГц) и 4/6 ГГц в интересах
лесопромышленного комплекса РФ
Облик этой ССС практически тот же, что и ССС по пункту 2, она так¬
же строится на базе использования 4-х синхронизированных КА на ВЭО
типа «Молния» и она предназначена для обслуживания как индивиду¬
альных пользователей, так и пользователей на подвижных объектах. Раз¬
ница между этими двумя ССС заключается лишь в наличии некоторого
различия в рабочих частотах ДМВ диапазона (примерно на 25—30 МГц)
и в том, что для связи с Центральными станциями используется диапа¬
зон 4/6 ГГц (также со сдвигом частоты), а не диапазон 7/8 ГГц.
Электропотребление полезной нагрузки КА — 8 кВт.
Общее число обслуживаемых пользователей (речь, данные, медлен¬
ное видео) — около 200 тыс. (также с радиоАТС на КА).
Скорость передачи информации в каждом из тысячи каналах рас¬
сматриваемой ССС — 20 кбит/с, помехозащищенность всех ее каналов —
также абсолютная.
Данную ССС предполагается строить как коммерческую, но двой¬
ного назначения (с обслуживанием пользователей из числа военнослу¬
жащих ВС РФ на коммерческой основе). Она может быть создана за 3—4
года с общим объемом затрат около 800 млн долл.
6) Предложения для многоцелевой космической системы Арктика
Одним из важнейших разделов работ по реализации Концепции дол¬
госрочного социально-экономического развития России является освое¬
ние и использование Арктики. В настоящее время Россия не в состоянии
в полной мере обеспечить безопасность судоходства (в том числе, меж¬
дународного) и контроль несанкционированных видов деятельности в
арктической зоне. Арктический регион наблюдается только иностран¬
ными специализированными космическими аппаратами и недоступен
для мониторинга спутниками международной базовой метеорологиче¬
ской группировки на геостационарных орбитах.
Получение необходимой комплексной информации по арктическому
региону может быть обеспечено только с использованием новой сети КА
радиолокационного и гидрометеорологического наблюдения, распола¬
682
гаемых на низких (550—600 км) полярных орбитах, и КА гидрометео¬
рологического наблюдения и связи, располагаемых на высокоэллипти¬
ческих орбитах.
Потребности развития арктического региона в целом (в мировом
масштабе) требуют:
а) качественного повышения уровня анализа и прогноза погоды, ге-
лпогеофизической обстановки в околоземном пространстве, условий по¬
летов авиации (облачность, ветер, струйные течения и др.);
б) развития мониторинга чрезвычайных ситуаций природного и тех¬
ногенного происхождения и мониторинга климатических изменений;
в) обеспечения сбора и ретрансляции информации с наблюдатель¬
ных платформ наземного, морского и воздушного базирования;
г) совершенствования обмена и распространения обработанных гид¬
рометеорологических и гелиогеофизических данных;
д) оперативной высококачественной связи, обеспечивающей все
виды информационного обмена.
Для решения указанных и ряда других задач необходимо создание
многоцелевой космической системы (МКС), обеспечивающей решение ши¬
рокого спектра наиболее актуальных для арктической зоны России межве¬
домственных задач социально-экономического и оборонного значения.
Основные цели, задачи и минимальный состав МКС Арктика одоб¬
рен на заседании Морской коллегии при Правительстве РФ (19 декабря
2007 года), на заседании научно-технического совета Военно-промыш¬
ленной комиссии при Правительстве РФ (22 января 2008 года), на со¬
вместном заседании коллегии Федерального космического агентства и
Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружаю¬
щей среды (19 февраля 2008 года).
На заседании Правительства Российской Федерации 24 апреля
2008 года (Протокол № 16) принято решение о разработке проекта МКС
Арктика, обеспечивающей получение информации о ледовой обстановке,
решение задач связи, вещания, навигации, мониторинга состояния окру¬
жающей среды, безопасности жизнедеятельности и природопользования.
Принято решение, что с учетом многофункциональности и повышен¬
ной технической сложности МКС Арктика, ее создание должно начи¬
наться со стадии системного проекта, который необходимо разработать
в период 2008—2009 гг.
В соответствие с проектом Технического задания на проведение
конкурса по определению головного исполнителя системного проекта
[4.7], проект МКС Арктика предлагается реализовывать на принципах
государственно-частного партнерства с привлечением до 60—70% фи¬
683
нансирования из внебюджетных источников. Требуется также, чтобы
обеспечивалась окупаемость МКС за срок ее активного существования
и возможность дальнейшего поддержания и развития системы за счет
получаемого дохода.
В МКС Арктика должны входить три специализированные косми¬
ческие подсистемы:
1) подсистема Арктика-М для непрерывного гидрометеорологиче¬
ского мониторинга арктического региона и северных территорий, ава¬
рийной и служебной связи;
2) подсистема Арктика-Р для всепогодного мониторинга ледовой об¬
становки и контроля движения судов по трассе Севморпути, морских
границ, крупномасштабных чрезвычайных ситуаций техногенного и
природного характера в районах добычи нефти и газа (в том числе, на
шельфе);
3) подсистема Арктика-МС для цифрового теле и радиовещания, на¬
вигационной и мультисервисной связи в арктическом регионе и на се¬
верных территориях.
В состав указанных подсистем МКС Арктика также должна входить
наземная инфраструктура, обеспечивающая эффективное использова¬
ние потенциальных информационных возможностей этих космических
подсистем, в том числе, в рамках их двойного подчинения.
В рамках системного проекта должны быть разработаны бизнес-план
и детальная финансовая модель функционирования МКС. Бизнес-план
должен содержать оценку всех потенциальных источников получения
доходов. Для повышения конкурентоспособности МКС Арктика в це¬
лом в обоснованных ситуациях допускается расширение перечня задач,
увеличение количественного состава, повышение уровня тактико-тех¬
нических характеристик и изменение технического облика отдельных
средств МКС (без существенного увеличения бюджетного финансиро¬
вания).
В проекте ТЗ подчеркивается особое значение космической подсис¬
темы связи Арктика-МС — в рамках системного проекта предлагается
провести оценку достаточности уровня рентабельности проекта подсис¬
темы для осуществления функции «донора» проекта МКС Арктика в
целом.
В ООО «Глобсатком» были разработаны и направлены в ведущие
министерства, ведомства и предприятия, которым решениями Прави¬
тельства РФ поручена организация системного проектирования МКС
Арктика, материалы с предложениями по построению подсистемы
Арктика-МС. В них обосновывается целесообразность создания в
684
рамках МКС Арктика подсистем ССС Глобсатком и НордМедиаСтар —
в качестве составных частей подсистемы Арктика-МС.
Предпочтительность такого решения объясняется преимуществами
группировки из 4-х КА на ВЭО типа «Молния» при большой долготной
протяженности России, а также наличием более чем 40-летнего опыта
запуска и управления спутниками этого типа. Помимо технических и
экономических достоинств это решение позволило бы скоординировать
и закрепить за РФ все применяемые в указанных ССС диапазоны час¬
тот до появления на высоких эллиптических орбитах КА других госу¬
дарств.
Преимуществом ССС Глобсатком и НордМедиаСтар, например, по
сравнению с космическим комплексом Экспресс-РВ и некоторыми дру¬
гими проектами, также является применение на КА многоканальных
адаптивных приемных ФАР и устройств когерентного, с весом, сложе¬
ния сигналов большого числа ветвей пространственного разнесения, за
счет чего появляется возможность противостоять вредному воздейст¬
вию помех от различных наземных источников, в том числе от ЗС дру¬
гих ССС (что облегчает процесс координации орбитально-частотного
ресурса с другими странами). При этом одновременно снижаются и тре¬
бования к величине энергопотенциала собственных ЗС (работающих в
Глобсатком и НордМедиаСтар), что приведет к резкому снижению их
стоимости и увеличению числа клиентов, обслуживаемых этими сис¬
темами.
При создании космического и земного сегментов обеих ССС спе¬
циалистами ООО «Глобсатком» предлагается ориентироваться, в основ¬
ном, на российские предприятия — и при создании полезной нагрузки,
и при создании космических аппаратов, и при создании земных стан¬
ций. Зарубежных партнеров предусматривается привлекать, в основном,
для поставки современных комплектующих изделий (на основе тенде¬
ров) — ЛБВ, твердотельных усилителей мощности, транзисторов, СБИС
и т. п.
В ООО «Глобсатком»- в настоящее время также разработан облик
нового БРТК для подсистемы Арктика-М (в диапазонах 400 МГц,
1,7 ГГц и 7/8 ГГц), использующей КА на ВЭО и входящей в состав мно¬
гофункциональной космической системы (МКС) Арктика
Реализация описанных выше конструктивных решений по построе¬
нию КА, адаптивных ФАР и когераторов позволит резко повысить про¬
пускную способность этой подсистемы (примерно на порядок, по сравне¬
нию с ее прототипом Электро-Л) и в результате сделать ее самоокупае¬
мой — за счет передачи значительного количества более разнообразной
685
и, главное, платной гидрометео информации спутникового мониторин¬
га. При разработке для подсистемы Арктика-М парка ЗС нового поко¬
ления на современной элементной базе ее можно будет использовать и в
интересах ВС РФ (на коммерческой основе), т. е. создать систему двой¬
ного назначения с высокой степенью помехозащищенности.
7) В ООО «Глобсатком» в настоящее время сформирован облик ССС,
аналогичной НордМедиаСтар, но с КА, размещаемыми в точках на ГСО,
предназначенных для нашей страны (с постепенной заменой КА типа Экс-
пресс-АМ после выработки ими своего гарантийного ресурса) и работаю¬
щими в тех же частотных диапазонах, что и ССС НордМедиаСтар.
Наличие на борту этих новых КА адаптивных ФАР с режекцией по¬
мех и устройств когерентного, с весом, сложения сигналов большого чис¬
ла ветвей пространственного разнесения позволит упростить процедуру
согласования орбитально-частотных позиций данной с существующими
ССС (работающими в диапазонах 1,5/1,6 ГГц, 4/6 ГГц и 11/14 ГГц) или с
планируемыми к разработке аналогичными системами.
В предлагаемых ССС можно обеспечить повышение в 2 раза пропуск¬
ной способности за счет использования и на КА и на ЗС антенн с двумя
ортогональными поляризациями. При этом соответственно, должен быть
увеличен примерно вдвое (до 15 кВт) ресурс источника энергоснабжения
КА. Стоимость создания такого КА составит около 150 млн долл., а срок
его разработки, изготовления и запуска на орбиту — около 3-х лет.
Можно сравнительно легким путем добиться также удвоения числа
ветвей пространственного разнесения на КА (за счет использования не
4-х, а 8-ми боковых приемных панелей размером 240 х 240 см), что позво¬
лит существенно уменьшить мощность передатчиков ЗС и тем самым
снизить стоимость этих ЗС при создании их следующего поколения. За¬
траты на создание такого КА возрастут до 200 млн долл., при сохранении
срока разработки.
Описанные ССС различного назначения более детально рассмотре¬
ны в ряде публикаций [4.1—4.3], а по техническим решениям с исполь¬
зованием когераторов получены патенты РФ [4.4,4.5].
Создание в течение ближайших 4—6 лет предлагаемых помехозащи¬
щенных систем спутниковой связи с высокой пропускной способностью
на базе применения новых системно-технических подходов и технологий
позволит обеспечить РФ надежной спутниковой связью и ликвидиро¬
вать имеющееся отставание в этой области, резко повысить живучесть
и надежность системы управления ВС РФ.
686
ГЛАВА 19. ГЛОБСАТКОМ- НОВЫЙ ПРОЕКТ ССС
НА БАЗЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЭО
Россия — страна с огромной протяженностью территории с запада
на восток. И ни один из геостационарных спутников не обеспечивает
полноту обслуживания от Чукотки до Калининграда. В связи с этим
преимущества СССЭО огромны:
— обслуживается вся территория России;
— обслуживается весь полярный бассейн, включая Северный по¬
люс, что приобретает особый интерес в связи с планами освое¬
ния полярного шельфа;
— угол места работы ЗС через К А на ВЭО составляет из любой точ¬
ки России не менее 40°, а в основной массе регионов 60 90°.
Последний фактор позволяет спроектировать ССС, ко торая обеспе¬
чивает связь в достаточно тяжелых условиях (в горах, городе, в лесу), в
которых работа через КА на ГСО не обеспечивается.
Глобальная зона охвата, высокие углы связи позволяют создавать
на базе КА на ВЭО самые разнообразные системы. При этом основные
проблемные вопросы, возникающие при их построении — затрудненное
сопровождение К А, отработка эффекта Доплера, удержание постоянства
зоны обслуживания — при грамотном проектировании решаются.
Как уже неоднократно отмечалось, чрезвычайно актуальными при¬
менениями СССЭО, являются построение сетей мониторинга и непо¬
средственного телевизионного и звукового вещания. В связи с гем, что
устанавливаемое на КА бортовое оборудование подсистемы монито¬
ринга не требует большой мощности электропитания, представляется
возможным совместить эту подсистему с подсистемами непосредст¬
венного многопрограммного цифрового телевизионного и звукового
Таблица 19.1
Зона обслуживания
Территория РФ, сопредельных государств
и Арктической зоны РФ
Тип орбиты
Количество КА
Срок активного существования КА
Ориентация КА
Масса КА, кг
Энергопотребление ПН, Вт
Диапазоны частот
Высокоэллиптическая типа «Молния»
4
10 лет
Трехосная
2000
8000
5 — абонентские линии сетей мониторинга, теле- и
радиовещания С — фидерные линии
687
вещания на подвижные объекты, работающими в тех же диапазонах
частот (5 и С).
Указанные задачи и возложены на разрабатываемую ССС Глобсат-
ком, предназначенную для обслуживающих подвижных и стационар¬
ных объектов на всей территории России, сопредельных государств и в
Северном Полярном бассейне.
Основные цели, которые преследуются при разработке ССС Глоб-
сатком — обеспечение высокой пропускной способности и помехоза¬
щищенности при обслуживании малогабаритных абонентских земных
станций (ЗСТ), устанавливаемых непосредственно у пользователей, по
цене соизмеримой с терминалами систем Инмарсат, Глобалстар, Турайя
(или даже меньшей).
Круг потенциальных пользователей ССС довольно широк - госу¬
дарственных структур до частных лиц и подробно рассмотрен в части 1.
Общие характеристики КА ССС Глобсатком приведены в таблице 19.1.
Орбитальная группировка включает в себя 4 синхронизированных
КА на орбитах типа «Молния». Из четырех КА во включенном состоя¬
нии находится один, располагающийся вблизи апогея на основном витке
над Севером Западной Сибири. При полетах самолетов через Северный
полюс может включаться и 2-й КА, находящийся на сопряженном витке
с апогеем над Севером Канады. Возможности обслуживания территорий
земного шара с орбиты типа «Молния» показаны в главах 3—6.
Земной сегмент ССС включает центр управления полетом космиче¬
ских аппаратов (ЦУП), контрольно-измерительный комплекс (КИК),
Таблица 19.2
Диапазоны частот
5, С
Количество стволов
14 — в 5-диапазоне по 150 Вт
2 — в С-диапазоне по 150 Вт
эиим
в 5-диапазоне 45 дБВт
в С-диапазоне 45 дБВт
Добротность
в 5-диапазоне +12 дБ/К
в С-диапазоне +12 дБ/К
Характеристики ан¬
тенных систем
в 5-диапазоне:
— 14 передающих антенн (синфазные антенные решетки,
8° х 16 , КНД » 23 дБ);
— 24 приемные антенны (синфазные антенные решетки,
8° х 16°, КНД « 23 дБ) с последующим адаптивным когерент¬
ным сложением сигналов
в С-диапазоне:
— 2 передающие антенны 4 ГГц (8° х 16°, КНД»23 дБ)
— 24 приемные антенны 6 ГГц (8° х 16°, КНД»23 дБ) с после¬
дующим адаптивным когерентным сложением сигналов
688
Рис. 19.1
наземный комплекс технического обеспечения КА, центр управления
связью (ЦУС) и ЗС различного назначения.
Для обеспечение массового доступа к услугам системы при исполь¬
зовании недорогих портативных мобильных абонентских ЗС, в т.ч. в
полярных районах, наряду с описанным выше обликом СР применя¬
ются следующие ключевые технологии, обеспечивающие уникальность
проекта:
— пакетный режим работы ЗС в подсистеме мониторинга;
— транзисторные импульсные СВЧ передатчики, имеющие низ¬
кую среднюю мощность потребления, но обеспечивающие в пике
(на протяжении до ста миллисекунд) мощность до 30 Вт;
— мощные турбокоды с избыточностью 3/4 и другие эффективные
коды;
— СБИС (чипы) в аппаратуре обработки сигналов как на Земле,
так и на борту КА.
Бортовой ретрансляционный комплекс обеспечивает работу ССС
в 3 (2,2—2,5/2,0 ГГц) и С (6/4 ГГц) диапазонах. В состав ретранслято¬
ра (РТР) входит аппаратура обработки принимаемых сигналов в этих
диапазонах, а также распределительная схема. Особенности РТР Глоб-
сатком:
689
— использование адаптивных многоканальных ФАР
— возможность перераспределения полосы частот между лучами с
использованием бортового процессора
Краткие характеристики РТР приведены в таблице 19.2, а упрощен¬
ная структурная схема показана на рис. 19.1.
Подсистема мониторинга
Включает следующие функциональные элементы:
— координирующие и узловые земные станции сетей мониторинга;
— центр планирования и управления связью;
— абонентские (стационарные и подвижные) ЗС
и решает следующие задачи:
— сбор информации со специализированных датчиков, располо¬
женных на контролируемых стационарных или подвижных объ¬
ектах;
КА1
(на рабочем
участке ВЭО)
КА2
(вне рабочего
участка ВЭО)
^§1
Рис. 19.2
690
Таблица 193
Линия «вверх» (от абонентских станций
мониторинга)
5-диапазон 1980-2010 МГц
Линия «вниз» (к абонентским станциям мо¬
ниторинга)
5-диапазон 2483 -2500 МГц
Фидерная линия:
С-диапазон
линия «вверх»
диапазон 6 ГГц полоса 6 МГц
линия «вниз»
диапазон 4 ГГц полоса 30 МГц
Способ многостанционного доступа
МРТЭМА
Способ передачи информации
пакетный
Скорость передачи информации в пакетах:
линия «вверх»
128 кбит/с и 2 Мбит/с
линия «вниз»
128 кбит/с и 2 Мбит/с
Вид кодирования
Витерби, Рида-Соломона, Турбо-кодек
Модуляция
13РЗК.ЦР5К
Пропускная способность системы (количест¬
во обслуживаемых объектов мониторинга):
с низкой информативностью
до 1800 гыс.
с высокой информативностью
до 200 тыс.
— передача ее по организованным ССС каналам в центры обработ¬
ки и анализа специализированной информации (местные, регио¬
нальные, национальные или глобальные);
— передача информации (данные) в обратном направлении (коман¬
ды управления, оповещения, квитанции и т. п.);
— в экстренных случаях (-3—5% общего объема информационного
обмена) возможно предоставление услуг вокодерной телефонии
(2,4 кбит/с), факсимильной связи и телеконференции (низкоско¬
ростное видео).
Имеются два целевых сегмента рынка подсистемы мониторинга:
— владельцы региональных, национальных и глобальных сетей мо¬
ниторинга — преимущественно для государственных и научных
структур
— владельцы корпоративных / ведомственных (в основном, ком¬
мерческих) сетей мониторинга (главы 1, 2).
Информационный обмен в подсистеме мониторинга осуществляется
через абонентские линии в 8-диапазоне и фидерную линию в С-диапа-
зоне (рис. 19.2).
Общие характеристики подсистемы мониторинга приведены в таб¬
лице 19.3.
691
Земной сегмент подсистемы мониторинга включает в себя абонент¬
ские ЗС, системные ЗС, ЦУС. Абонентские ЗС — малогабаритные, не¬
обслуживаемые, приемо-передающие. Предназначены для установки на
стационарных или подвижных объектах мониторинга - автомобили,
ж/д составы и вагоны, корабли, авиа, контейнеры. Рабочий диапазон
частот 2,0/2,5 ГГц (5-диапазон). Предусмотрено два типа исполнения
АЗС, различающихся скоростью обмена информацией.
Станция 1-го типа — АЗС-1 с использованием слабонаправленных
антенн (КНД ~ 4 дБ), не требующих слежения за КА на рабочем участ¬
ке ВЭО и имеющих размеры 10х 10 см (на передачу) и 8x8 см (на при¬
ем). Электрическая скорость передачи информации — 128 кбит/с. Для
работы АЗС-1 на передачу отведена полоса частот шириной 14 МГц, где
одновременно размещаются до 96 АЗС-1 (с частотным разносом около
150 кГц).
АЗС 2-го типа (АЗС-2) используют более направленные антенны
(КНД ~ 16 дБ) на базе плоских синфазных решеток с размерами 40x40 см
(на передачу) и 32 х 32 см (на прием) с электронным наведением и слеже¬
нием за КА на ВЭО (по программе или принимаемому сигналу) и имеют
электрическую скорость передачи сигнала порядка 1 Мбит/с. Для этого
отведена полоса частот шириной 16 МГц, где одновременно могут рабо¬
тать до 16 АЗС-2 (с частотным разносом около 1 МГц).
Поскольку и АЗС-1, и АЗС-2 предназначены для связи с разнообраз¬
ными объектами мониторинга, они работают в режиме передачи (и прие¬
ма) радиопакетов с изменяющимся числом бит в пакетах (а от этого из¬
меняется и длина пакета), что позволяет обслуживать весьма большое
число объектов. Как показывают экспертные оценки специалистов ООО
«Глобсатком», в предложенном для реализации варианте ССС может
обслужить около 2 млн небольших объектов мониторинга, оснащенных
АЗС-1, и свыше 200 тыс. более крупных объектов мониторинга (с боль¬
шим числом многокомпонентных датчиков), оснащенных АЗС-2.
Следует отметить, что за счет применения сверхмалых антенн [4.6]
пропускная способность подсистемы мониторинга может быть удвое¬
на — путем установки на КА вдвое большего числа и передающих, и
приемных антенн 5-диапазона с меньшими размерами (в 3—4 раза), что
позволяет задействовать уже не одну поляризацию (например, правую
круговую), а обе ортогональные поляризации (правую и левую). В этом
случае потребуется удвоить и мощность бортовых источников электро¬
энергии — если для функционирования КА ССС Глобсатком в предло¬
женном для реализации варианте достаточно иметь источник с мощно¬
стью около 8 кВт, то при удвоении пропускной способности ССС (и всех
692
трех ее подсистем) на борту КА необходимо иметь источник с мощно¬
стью около 15 кВт (что вполне реально уже сейчас).
Поскольку сверхмалые антенны можно использовать и для построе¬
ния АЗС-1, АЗС-2, то, помимо удвоения пропускной способности, это
позволит резко (в 3—4 раза) уменьшить размеры антенн и сделать эти
АЗС еще более миниатюрными.
Обеспечить передачу информации на линиях АЗС-КА в радио-
пакетном режиме со сравнительно высокими скоростями передачи
(128 кбит/с от АЗС-1 и 1 Мбит/с от АЗС-2) удается только за счет исполь¬
зования на КА Глобсатком многоканальных адаптивных ФАР с 24-мя
ветвями пространственного разнесения, построенных на базе 24-х пас¬
сивных приемных плоских ФАР в диапазоне 1980 2010 МГц. Каждая из
24-х пассивных приемных ФАР обеспечивает охват земной поверхности
в пределах 8° х 16° (КНД = 23 дБ).
Многоканальная АФАР позволяет подавлять все обнаруженные
в каждом частотном канале помехи от земных источников до уровня
собственных тепловых шумов приемника на КА (в диапазоне 1980 —
2010 МГц) — в пределах до 60 дБ (при регулярном проведении калиб¬
ровок адаптивной ФАР в каждом частотном канале).
На линиях ЦЗС (вблизи Центров мониторинга) — КА (работающих
в диапазоне 6 ГГц), где передача информации осуществляется с исполь¬
зованием ЗС с большим энергопотенциалом (антенна с диаметром зер¬
кала 3,7 м, мощность передатчика 100 Вт), прием этой информации на
борту КА в каждом частотном канале (2 частотных канала со скоростью
1 Мбит/с и 8 частотных каналов со скоростью 128 кбит/с — все эти кана¬
лы работают в режиме МР-ТБМА и доступны для всех ЦЗС на Центрах
мониторинга) осуществляется с использованием устройств когерентно¬
го, с весом, сложения (когераторов) сигналов 24-х ветвей пространст¬
венного разнесения — каждая с охватом земной поверхности в пределах
8° х 16° (КНД = 23 дБ).
Применение когераторов в каждом частотном канале позволяет по¬
давлять помехи от земных источников на 20—30 дБ, что при большом
энергетическом потенциале ЦЗС на Центрах мониторинга является
вполне достаточным для обеспечения надежной передачи ответной ин¬
формации от Центров мониторинга на АЗС во всех частотных каналах.
Информационный обмен в подсистеме теле- и радиовещания осуще¬
ствляется через абонентские линии в 3-диапазоне и фидерную линию в
С-диапазоне (рис. 19.3).
Общие характеристики подсистемы ТВ/РВ приведены в табли¬
це 19.4.
693
КА1
(на рабочем
участке ВЭО)
КА2
(вне рабочего
участка ВЭО)
Автомобиль
Станция контроля
и телеметрии
Станция подачи Контент
РВ программ провайдер
Радиовещательная
студия
Станция подачи Е9Р|^Н Контент
ТВ программ провайдер
Т еле вещательная
студия
Рис. 19.3
Таблица 19.4
Линия вверх
ТВ
РВ
С-диапазон (6 ГГц, полоса 24 МГц)
С-диапазон (6 ГГц, полоса 6 МГц)
Линия вниз
ТВ
5-диапазон 2170 — 2200 МГц (полоса 24 МГц)
РВ
5-диапазон 2170 — 2200 МГц (полоса 6 МГц)
Количество одновременно транслируе¬
мых ТВ программ
16
Количество одновременно транслируе¬
мых РВ программ
60
Стандарт ТВ вещания
БУВ-52
Кодирование источника ТВ
видео МРЕС-4 раг! 10 (Н.264 АУС)
Скорость передачи ТВ информации
1,5 Мбит/с
Кодирование источника РВ
аудио ААС+
Скорость передачи аудио информации
96 кбит/с
Кодирование и модуляция
турбокод 3/4, ЦР5К
Земной сегмент подсистемы непосредственного теле- и радиовеща¬
ния включает в себя абонентские и системные ЗС.
АЗС — малогабаритные, необслуживаемые, приемные. Предназна¬
чены для установки на стационарных или подвижных объектах — ав¬
694
томобили, ж/д вагоны, корабли, авиа. Рабочий диапазон частот 2,2 ГГц
(5-диаиазон). АЗС могут быть выполнены как только для приема ТВ или
РВ, так и смешанными.
Системные ЗС (ЦЗС, РЗС) — стационарные, приемо-передающие,
устанавливаемые вблизи центров подачи программ. Обеспечивают ра¬
боту в С-диапазоне (6 ГГц)
Также в подсистеме предусматривается Центр планирования и
управления связью, который распределяет связные ресурсы и с помо¬
щью АСУС контролирует работу ее элементов.
В подсистеме непосредственного цифрового телевизионного и ра¬
диовещания подача ТВ и РВ каналов на сети приемных станций ТВ и
РВ осуществляется по десяти частотным каналам от ЦЗС этих подсис¬
тем (с антеннами с диаметром зеркала 3.7 м и мощностью передатчика
100 Вт) в С-диапазоне (около 6 ГГц в полосе шириной 30 МГц). Далее
сигналы ЦЗС транслируются на приемные станции ТВ и РВ в 5-диа-
пазоне (на частотах около 2,2 ГГц в полосе шириной 30 МГц) с исполь¬
зованием в БРТК десяти передающих стволов (со скоростью передачи
сигналов в каждом 4 Мбит/с), работающих через передающие антенны с
раскрывом 8° х 16° (КНД = 23 дБ) и передатчики с мощностью 150 Вт.
Для борьбы с помехами (неумышленными или организованными)
от наземных источников на борту КА установлены 10 когерагоров, каж¬
дый из которых осуществляет когерентное, с весом, сложение сигналов,
принятых на 24 ветви пространственного разнесения. Каждая ветвь раз¬
несения строится на базе использования плоских приемных пассивных
ФАР с ДН, равной 8°х 16° (КНД = 23 дБ). Когераторы обеспечивают
подавление помех от наземных источников в каждом частотном канале
примерно на 25—30 дБ, что вполне достаточно с учетом использования
Центральных ЗС с большим уровнем ЭИИМ.
В подсистеме непосредственного цифрового телевизионного веща¬
ния (16 ТВ каналов) и непосредственного цифрового радиовещания
(60 РВ каналов) используются следующие четыре типа терминальных
устройств:
1) многоканальное приемное устройство ТВ (МПУ-1), рассчитанное
на прием 16-ти цифровых ТВ каналов, на базе приемной активной ФАР
с размерами 37 х 37 х 2см, модемов, кодеков ТВ, распределительной сети
на базе ВОЛС и видеотерминалов (ТВ экранов) — на требуемое число
пользователей (стоимость приемного устройства ТВ в серийном произ¬
водстве — около 2000 долл.)
2) многоканальное приемное устройство РВ (МПУ-2), рассчитанное на
прием 60-ти цифровых РВ каналов, на базе приемной активной ФАР с раз¬
695
мерами 37 х 37 х 2 см, модемов, кодеков РВ, распределительной сети на базе
ВОЛС и аудиотерминалов (наушников — на подвижных объектах или коло¬
нок — в квартирах домов) — на требуемое число пользователей (стоимость
приемного устройства РВ в серийном производстве — около 1500 долл.)
3) совмещенное многоканальное приемное устройство ТВ и РВ
(МПУ-3), рассчитано на прием 16-ти цифровых ТВ каналов и 60-ти
цифровых РВ каналов, на базе приемной активной ФАР с размерами
37 х 37 х 2 см, модемов, кодеков ТВ и РВ, распределительной сети на базе
ВОЛС, видео и аудиотерминалов — на требуемое число пользователей
(стоимость совмещенного приемного устройства ТВ и РВ в серийном
производстве — около 2500 долл.)
4) совмещенное многоканальное приемное устройство ТВ и РВ
(МПУ-4), рассчитано на прием 16-ти цифровых ТВ каналов и 60-ти
цифровых РВ каналов, на базе приемной активной ФАР с размерами
37 х 37 х 2 см, модемов, кодеков ТВ и РВ, распределительной сети на базе
ВОЛС, видео и аудиотермииалов — на требуемое число пользователей.
В составе МПУ-4 имеется также запросный радиоканал (ТВ и РВ про¬
граммы по запросу) на базе передающей части или АЗС-1, или АЗС-2.
В МПУ-4 имеется также возможность использования доли пропускной
способности подсистемы ТВ-вещания для предоставления пользовате¬
лям доступа к сети Интренет. Общая стоимость совмещенного много¬
канального приемного устройства ТВ и РВ (с запросным каналом) в се¬
рийном производстве составит около 3000 долл.)
Как уже отмечалось выше, Центральные ЗС для подачи ТВ и РВ
цифровых каналов на сети многоканальных приемных устройств (ТВ,
РВ, ТВ+РВ, ТВ+РВ с запросным каналом) работают в диапазоне частот
около 6 ГГц (С-диапазон), в СР сигналы ТВ и РВ каналов преобразуют¬
ся в диапазон частот около 2200 МГц (5-диапазон) и с использованием
10-ти передающих стволов (8 — для ТВ каналов, 2 — для РВ каналов)
излучаются на сети многоканальных приемных устройств, которые с
помощью местных распределительных сетей видео и аудио терминалов
доводят их до потребителей (по выбору пользователей).
Таким образом, создаваемая система Глобсатком обеспечивает прин¬
ципиально новые услуги для пользователей России:
— связь на всей территории России, включая самые западные и вос¬
точные регионы и Арктическую зону;
— услуги связи в движении на достаточно простые абонентские
терминалы (связь, ТВ/РВ, Интернет);
— построение глобальной системы мониторинга подвижных объек¬
тов, как одну из возможных решаемых задач данной ССС.
696
На основе детальных экспертных оценок показателей эффективно¬
сти отдельных подсистем и системы в целом специалистами ООО «Глоб-
сатком» установлено, что ССС является коммерчески самоокупаемой,
возвращающей вложенные в ее создание первоначальные инвестиции
из доходов от предоставления услуг пользователям в приемлемые для
инвесторов сроки. Затраты на создание орбитальной группировки, сис¬
темной части земного сегмента (ЦУС и др. системные ЗС), некоторого
числа периферийных ЗС оценивается в 830 млн долл, (в течение трех
лет после начала финансирования). Эти затраты окупаются на 4-й год
после начала коммерческой эксплуатации ССС Глобсатком (или на 7-й
год после начала финансирования проекта).
Источники доходов:
— единовременная плата за подключение к системе;
— ежемесячная абонентская плата;
— в ряде случаев — оплата за трафик.
Через три года после возврата инвестиций величина чистой прибы¬
ли от коммерческой эксплуатации ССС Глобсатком, с учетом затрат на
оплату передаваемых ТВ и РВ программ, эксплуатационных затрат, за¬
трат на проведение каждые 7—10 лет замены КА после выработки их ре¬
сурса, оценивается в объеме около 300 млн долл, в год, с последующим
ежегодным ростом в пределах от 2 до 5 процентов.
ГЛАВА 20. МУЛЬТИСЕРВИСНАЯ ШИРОКОПОЛОСНАЯ
ССС НОРДМЕДИАСТАР С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КА НА ВЭО
НордМедиаСтар — новая проектируемая система спутниковой связи
на базе использования КА на высокой эллиптической орбите с обработ¬
кой сигналов на борту. Она создается как коммерчески самоокупаемая
структура, возвращающая первоначальные инвестиции из доходов от
предоставления услуг пользователям со сроком окупаемости 3,5 года
после ввода в коммерческую эксплуатацию.
НордМедиаСтар является дальнейшим развитием ССС Глобсатком.
Но если последняя ориентирована в основном на решение задач спут¬
никового мониторинга (т.е. использование сети ПД для решения тех¬
нологических задач) и лишь в небольшой степени на предоставление
других телекоммуникационных услуг (ТВ, РВ, телефония), то НордМе¬
диаСтар — мощная полнофункциональная мультимедийная система,
предоставляющая весь спектр современных телекоммуникационных
услуг пользователям на стационарных и подвижных объектах.
Отметим основные свойства ССС НордМедиаСтар:
697
1. Географические особенности Российской Федерации, такие как
большая протяженность в долготном направлении, северное располо¬
жение территорий, включая Полярный бассейн и акваторию Север¬
ного Ледовитого океана, требуют использования ССС с КА на ВЭО
типа «Молния», обеспечивающих во всей обслуживаемой зоне высо¬
кие углы видимости КА с земных станций (в пределах 45°—90°), что
особенно важно при связи с подвижными объектами, а также со ста¬
ционарными объектами, расположенными в районах со сложным рель¬
ефом местности.
2. Президентом страны в октябре 2008 г. одобрена подготовленная
Правительством Концепция социально-экономического развития РФ
до 2020 и до 2030 гг., где особый акцент делается на освоение регионов,
расположенных в удаленных и труднодоступных районах со сложным
рельефом местности. И в процессе освоения и при работе новых пред¬
приятий, построенных в этих районах, ССС НордМедиаСтар будет иг¬
рать весьма важную роль.
3. Особенно большое значение ССС будет иметь при строительстве,
освоении и эксплуатации многочисленных объектов в Северном Поляр¬
ном бассейне, где спутники на ГСО не видны, а в упомянутой Концепции
этому региону уделяется особое внимание.
4. Минтрансом РФ подготовлена транспортная стратегия на период
до 2030 г., которая была рассмотрена на заседании Правительства РФ
в октябре 2008 г. и принята к исполнению. В рамках этой стратегии, в
частности, поставлена задача значительного увеличения транзитного
(через Россию) транспортного обмена между Азией и Европой, который
сейчас составляет всего около одного процента от общего обмена между
Азией и Европой.
Большую роль в решении этой задачи могут сыграть и ССС Глобсат-
ком и ССС НордМедиаСтар. Роль НордМедиаСтар будет заключаться
в предоставлении всего спектра мультимедиийных услуг пассажирам
и обслуживающему персоналу ж/д поездов на всем пути из Азии в Ев¬
ропу. Это обстоятельство может явиться весьма важным фактором для
привлечения людей из стран Азии и Европы к пользованию важнейшим
транспортным коридором (в комфортных условиях, с обеспечением все¬
го набора мультисервиса).
5. Аналога ССС НордМедиаСтар нет пока ни в России, ни в других
странах мира. Работающие с КА на ВЭО (типа «Молния») российские
военные ССС предназначены для решения специальных задач и име¬
ют существенно более низкую пропускную способность по сравнению
с НордМедиаСтар.
698
Таблица 20.1
Зона обслуживания
Территория РФ, сопредельных государств
и Арктической зоны РФ
Тип орбиты
Высокоэллиптическая типа «Молния»
Количество КА
4
Срок активного существования КА
10 лет
Ориентация КА
Трехосная
Масса КА, кг
2000
Энергопотребление полезной нар-
гузки, Вт
8000
Диапазоны частот
С — абонентские линии сетей геле- и радиовеща¬
ния, доступа в Интернет, корпоративных мульти-
сервисн ых сетей;
1- — абонентские линии корпоративных мульти-
сервисных сетей для У1Р пользователей:
Ки — фидерные линии и обмен ТВ и РВ програм¬
мами
Система спутниковой связи НордМедиаСтар предназначена для
построения сетей с предоставлением мультимедийных услуг на подвиж¬
ные и стационарные объекты на всей территории России, сопредельных
государств и в Северном Полярном бассейне , в том числе:
— телефонии;
— передачи данных;
— телематических услуг, включая высокоскоростной доступ в Ин¬
тернет;
— непосредственного многопрограммного цифрового телевизион¬
ного вещания, включая видео по запросу;
— непосредственного многопрограммного цифрового радиовеща¬
ния.
Рис. 20.1
699
Основная особенность ССС — обеспечение высокой пропускной спо¬
собности системы при обслуживании малогабаритных абонентских ЗС
по тарифам, соизмеримым (или меньшим) с тарифами систем Инмарсат,
Глобалстар, Турайя.
Потенциальные пользователи ССС описаны в главах 1, 2.
Общие характеристики КА ССС НордМедиаСтар приведены в таб¬
лице 20.1.
ССС включает в себя пять функционально независимых подсистем,
объединенных в составе единого космического комплекса на ВЭО, и на¬
земные средства управления и контроля (рис. 20.1).
Орбитальная группировка включает в себя 4 синхронизированных
КА на орбитах типа «Молния». Из четырех КА во включенном состоя¬
нии находится один, располагающийся вблизи апогея на основном витке
над севером Западной Сибири. При полетах самолетов через Северный
полюс может включаться и 2-й СР, находящийся на сопряженном витке
с апогеем над Севером Канады. Пространственно-географические воз¬
можности обслуживания территорий земного шара с орбиты типа «Мол¬
ния» рассмотрены в главах части 1.
I I
Рис. 20.2
700
Бортовой ретрансляционный комплекс обеспечивает работу в диа¬
пазонах Ь (1,5/1/6 ГГц), С (6/4 ГГц) и Ки (14/11 ГГц). В состав БРТК
входят приемный и передающие комплексы, антенно-фидерная система,
аппаратура обработки сигналов, во многом определяющая особенности
и преимущества РТР НордМедиаСтар.
Краткие характеристики БРТК приведены в таблице 20.2, а упро¬
щенная структурная схема показана на рис. 20.2.
Адаптивное когерентное сложение сигналов по приему на БРТК по¬
зволяет реализовать следующие приемные системы:
Таблица 20.2
Диапазоны
частот
Ь. С. Ки
Количество
стволов
Передающие:
4 — в Ь-диапазоне (но 150 Вт, с полосой 0,7 МГц и с разносом между
несущими 1 МГц)
16 — в С-диапазоне (по 100 Вт, с полосой 40 МГц и с разносом между
несущими 50 МГц)
12 — в Ки-диапазоне (по 50 Вт, с полосой 40 МГц и с разносом между
несущими 50 МГц) и 4 ствола по 100 Вт каждый с двумя полосами но
40 МГц с разносом между несущими 50 МГц
Приемные:
16 — в Ь-диапазоне (по 0.7 МГц с разносом между несущими 1 МГц)
16 — в С-диапазоне (по 40 МГц с разносом между несущими 50 МГц,
в каждой полосе 40 МГц имеется 4 подствола по 7 МГц с разносом
между несущими 10 МГц)
20 — в Ки-диапазоне (по 40 МГц с разносом между несущими
50 МГц) и еще 4 ствола (с полосой по 0,7 МГц и с разносом между
несущими 1 МГц)
эиим
Ь-диапазон 40дБВт
С-диапазон 43 дБВт
Ки-диапазон 40 дБВт
Добротность
Ь-диапазон +5 дБ/К
С-диапазон +10 дБ/К
Ки-диапазон +10 дБ/К
Антенные сис¬
темы
Ь-диапазон:
— 4 передающие (синфазные антенные решетки, 20° х20°,
КНД«18дБ каждая):
— 24 приемные (синфазные антенные решетки, 20° х 20°, КНД«18 дБ)
С-диапазон:
— 16 передающих (8° х 16°, КНД«23 дБ)
— 24 приемных (8° х 16°, КНД«23 дБ), (или 48 антенн с КНД«23 дБ
каждая)
Ки-диапазон:
— 16 передающих (8° х 16°, КНД«23 дБ)
— 24 приемных (8° х 16°, КНД*23 дБ), (или 96 антенн с КНД®23 дБ
каждая)
701
Приемные антенны
С-диапазоаи
6 ГГц
8°х16*
о.
Ж
Рис. 20.3
— Ь-диапазон — адаптивная приемная ФАР на 16 несущих с
24-мя ветвями пространственного разнесения на каждой несу¬
щей (КНД «32 дБ для каждого луча на своей несущей);
— С-диапазон — адаптивная приемная ФАР на 64 несущих с
24-мя (или 48-ю) ветвями пространственного разнесения на ка¬
ждой несущей (КНД«37 дБ, или 40 дБ для каждого луча на сво¬
ей несущей);
— Ки-диапазон — адаптивная приемная ФАР на 24 несущих с
24-мя (или 96-ю) ветвями пространственного разнесения на ка¬
ждой несущей (КНД «37 дБ, или 43 дБ для каждого луча на сво¬
ей несущей).
Приемные комплексы различных диапазонов построены по схожему
принципу и имеют в своем составе специальный процессор адаптивного
сложения и усиления разнесенных сигналов (на базе «когераторов»).
Всего в составе БРТК реализовано:
16 когераторов на 24 ветви разнесения в Ь-диапазоне
64 когератора на 24 (или на 48) ветви разнесения в С-диапазоне
24 когератора на 24 (или на 96) ветви разнесения в Ки-диапазоне
Структурная схема приемного комплекса показана на рис. 20.3 на
примере С-диапазона. Организовано 64 частотных ствола шириной по
8 МГц с шагом через 10 МГц, входящих в 16 групп по 4 ствола каждая,
занимающих полосы по 40 МГц с шагом через 50 МГц (всего 800 МГц).
Земной сегмент ССС включает центр управления полетом (ЦУП),
контрольно-измерительный комплекс (КИК), наземный комплекс тех¬
нического обеспечения КА, центр управления связью (ЦУС) и ЗС раз¬
личного назначения.
702
Таблица 203
Линия вверх
Ки-диапазон (14 ГГц, полоса400 МГц) -- подача про¬
грамм на КА из центров формирования программ
С-диапазон (6 ГГц, полоса 400 МГц) — запросы про¬
грамм от пользователей на объектах
Линия вниз
С-диапазон (4 ГГц, полоса 400 МГц) — передача про¬
грамм пользователям на объектах
Ки-диапазон (11 ГГц, полоса 400 МГц) — доведение
запросов программ от пользователей на центры пода¬
чи программ
Количество одновременно
транслируемых ТВ программ
200
Количество одновременно
транслируемых РВ программ
200
Способ многостанционного
доступа
МГ-ТОМА
Количество программ на одной
несущей
ТВ-25. РВ 25
Стандарт ТВ вещания
ЭУВ-82
Подсистема теле- и радиовещания предназначена для организации
непосредственного многопрограммного цифрового вещания (в том числе
интерактивного) преимущественно на большие стационарные и подвиж¬
ные объекты. Отметим два основных сегмента рынка:
— теле- и радиовещатели (СМИ) и распространители теле- и ра¬
диопрограмм (государственные и частные)
— телезрители и радиослушатели, расположенные на стационарных
объектах (городские жилые дома, отели, коттеджные поселки),
подвижных объектах (пассажирские авиалайнеры, пассажирские
морские и речные суда, железнодорожные поезда и т. п.).
Краткие характеристики подсистемы приведены в таблице 20.3.
В качестве абонентских ЗС используются малогабаритные, необслу¬
живаемые, приемные ЗС, установленные в стационарных (жилые дома в
районах РФ со сложным рельефом местности) или подвижных объектах
(туристические автобусы, ж/д поезда, корабли, авиалайнеры).
В подсистеме спутникового вещания подача ТВ и РВ каналов с ЦЗС
этой подсистемы (с диаметром антенны 3,7 м и передатчиком мощно¬
стью 100 Вт) на КА осуществляется в Ки-диапазоне (на частотах около
14 ГГц). При приеме сигналов от ЦЗС на КА для подавления помех (не¬
умышленных или организованных) с уровнем 25—30 дБ относительно
сигнала используются когераторы, осуществляющие когерентное, с ве¬
сом, сложение сигналов от 96 ветвей пространственного разнесения, по¬
строенных на базе 96 плоских пассивных приемных АР (с углом охвата
703
8°х 16° и КНД = 23 дБ). Сигналы с выходов когераторов переносятся в
С-диапазон (на частоты около 4 ГГц) и с использованием передатчиков
мощностью 100 Вт и передающих антенн в виде плоских пассивных ФАР
(с углом охвата 8° х 16° и КНД = 23 дБ) транслируются на участке вниз
на сеть многоканальных приемных устройств ТВ и РВ (МПУТ).
МПУ-1 могут иметь три типа антенных систем для различных объ¬
ектов установки:
— зеркальная приемная антенна с размером раскрыва 0,5x2 м без
системы слежения за К А (для стационарных объектов);
— зеркальная приемная антенна с диаметром 1,2 м с перенацели¬
ваемой (механически) по программе ДН (поезд, морское и реч¬
ное судно);
— плоская приемная ФАР с размером 60x480 см (для самолетов)
или с размерами 130 х 130 см (для автобусов, речных и морских
судов) с электронным наведением и слежением луча за КА на
ВЭО (по программе или по принимаемому от КА сигналу).
В случае приема ТВ и РВ программ по запросу, в целях организации
запросного канала, МПУ-1, устанавливаемые на стационарных объектах,
дополняются передающим устройством в С-диапазоне (на частотах око¬
ло 6 ГГц). Назовем это комбинированное устройство МПУ-2.
В случае установки МПУ-1 на подвижных объектах, для органи¬
зации запросного канала используется передающая часть абонент¬
ской ЗС подсистемы в интересах У1Р-пользователей — в Б-диапазоне
(на частотах около 1.6 ГГц). Назовем это комбинированное устройство
МПУ-3.
В первом случае (линия вверх в диапазоне 6 ГГц) для борьбы с по¬
мехами от наземных источников используются когераторы на 48 ветвей
пространственного разнесения, построенные на базе 48 плоских пас¬
сивных приемных ФАР (с углом охвата 8°х 16° и КНД = 23 дБ). Сигна¬
лы с выходов когераторов переносятся в Ки-диапазон (на частоты около
11 ГГц) и с использованием передатчиков с мощностью 100 Вт и пере¬
дающих антенн в виде плоских пассивных ФАР (с углом охвата 8°х 16°
и КНД = 23 дБ) транслируются с КА на ЦЗС рассматриваемой подсис¬
темы. В этом случае величина подавления помех составляет около 25—
30 дБ, что вполне достаточно при тех величинах ЭИИМ, которые имеет
запросный канал в диапазоне 6 ГГц.
Во втором случае (линия вверх в диапазоне 1,6 ГГц) для борьбы с
помехами от наземных источников используется приемная адаптивная
ФАР (с 24-мя ветвями пространственного разнесения), обеспечивающая
подавление помех от наземных источников на уровне 60 дБ, что вполне
704
Таблица 20.4
Линия вверх (от абонентских приемо-
передающих станций)
Линия вниз
Фидерная линия
Способ многостанционного доступа
Скорость передачи информации
Пропускная способность
(количество обслуживаемых объек¬
тов связи)
С-диапазон (6 ГГц, полоса 100 МГц)
Ь-диапазон (для самолетов) (1,6 ГГц,
полоса 16 МГц)
С-диапазон (4 ГГц, полоса 300 МГц)
Ки-диапазон
МР-ТЭМА
в линиях «запросов» — 0,5/1,0 Мбит/с
в линиях «ответов» — 41/54 Мбит/с
стационарных — до 5—10 тыс.
подвижных — до 5 —10 тыс.
достаточно при тех величинах ЭИИМ, которые имеет запросный канал
в диапазоне 1,6 ГГц.
Подсистема высокоскоростного доступа к Интернет предназначена
для обслуживания части пользователей, расположенных на стационар¬
ных и подвижных объектах связи, которым такие услуги по каким-либо
причинам не могут быть предоставлены традиционными методами. Два
основных сегмента рынка:
— глобальные и локальные Интернет-провайдеры;
— индивидуальные и коллективные пользователи сети Интернет,
расположенные в стационарных объектах (офисы, промышлен¬
ные предприятия, городские жилые дома, отели, коттеджные по¬
селки), подвижных объектах (пассажирские авиалайнеры, пас¬
сажирские морские и речные суда, пассажирские железнодорож¬
ные поезда и т. п.).
Краткие характеристики подсистемы приведены в таблице 20.4.
В подсистеме спутникового высокоскоростного доступа к сети Ин¬
тернет построение всех радиолиний (абонентские ЗС-КА-Центральные
ЗС и ЦЗС-КА-абонентские ЗС) полностью совпадает с построением всех
радиолиний для 1-й подсистемы в случае приема ТВ и РВ программ по
запросу (когда требуется организация запросного канала в направлении
абонентские ЗС-КА-Центральные ЗС). Полностью совпадают в этих под¬
системах и методы помехозащиты, используемые для борьбы с помехами
от наземных источников.
В составе абонентских ЗС подсистемы могут использоваться 3 типа
антенных систем (для различных объектов установки):
— зеркальная приемо-передающая антенна с раскрывом 0,5 х 2 м без
системы слежения за КА (для стационарных объектов);
705
— зеркальная приемо-передающая антенна с диаметром 1,2 м с пе-
ренацелеваемой (механически) по программе ДН (ж/д поезда,
речные и морские суда, междугородные автобусы);
— раздельные на прием и передачу ФАР (с размером 60x480 см или
130 х 130 см на прием в диапазоне 4 ГГц и с размером 40x40 см
на передачу в диапазоне 1,6 ГГц) с электронным наведением и
слежением луча за К А на ВЭО по программе — для подвижных
объектов (в основном, для самолетов).
Подсистема корпоративных мультисервисных сетей для стацио¬
нарных и подвижных пользователей предназначена для обслуживания
пользователей на той части объектов, на которых по каким-либо причи¬
нам не может быть предоставлена комплексная услуга (голос + данные +
+ телематика + видеоконференцсвязь) традиционными методами или
через спутники на ГСО. Два основных сегмента рынка:
— глобальные и локальные операторы связи, предоставляющие
мультимедийные услуги;
— глобальные и локальные корпоративные пользователи муль¬
тимедийных услуг, расположенные на стационарных объектах
(офисы, промышленные предприятия, туристические фирмы,
отели и т. п.), подвижных объектах (пассажирские авиалайнеры,
пассажирские морские и речные суда, пассажирские железнодо¬
рожные поезда и т. п.).
Краткие характеристики подсистемы приведены в таблице 20.5.
Абонентские ЗС аналогичны ЗС подсистемы доступа в Интернет.
Подсистема корпоративных мультисервисных сетей для У1Р поль¬
зователей на подвижных объектах предназначена для организации за¬
крытых корпоративных мультисервисных сетей в интересах У1Р-поль-
зователей на подвижных объектах с предоставлением всего набора те¬
лекоммуникационных услуг (закрытые телефония, данные, видео кон-
Таблица 20.5
Линия вверх (от абонентских прие¬
мо-передающих станций)
С-диапазон (6 ГГц, полоса 300 МГц)
Ь-диапазон (для самолетов) (1,6 ГГц, полоса 16
МГц)
Линия вниз
С-диапазон (4 ГГц, полоса 100 МГц)
Фидерная линия
Ки-диапазон
Способ многостаиционного доступа
МР-ТЭМА
Скорость передачи информации
«Центр -» периферия» — 41/54 Мбит/с
«периферия -» Центр» — 6/8 Мбит/с
Пропускная способность (количест¬
во обслуживаемых объектов связи)
стационарных — до 5—10 тыс.
подвижных — до 5 —10 тыс.
706
ференцсвязь, телематика) сравнительно небольшому числу этих поль¬
зователей, находящихся во всей зоне действия подсистемы.
В число обслуживаемых данной подсистемой У1Р-объектов могут
быть также включены малогабаритные перевозимые узлы связи, опе¬
ративно развертываемые в местах стихийных бедствий (МЧС), в мес¬
тах отдыха У1Р-пользователей, когда они расположены в отдаленных и
труднодоступных районах РФ.
Подсистема работает в Ь-диапазоне на частотах 1,5/1,6 ГГц - на ли¬
ниях абонентские ЗС-КА и в Ки-диапазоне (на частотах около 11/14 ГГц)
на линиях ЦЗС-КА. Ввиду небольшого значения ЭИИМ абонентских ЗС
этой подсистемы и большой важности решаемых ею задач, для борьбы
с помехами от наземных источников на линиях АЗС-КА используется
адаптивная ФАР (с 24-мя ветвями пространственного разнесения), обес¬
печивающая уровень подавления помех около 60 уф.
В составе абонентских ЗС используются разумельные на прием и на
передачу антенны (на передачу ФАР 40x40 см, скомпонованная из
16 элементов и управляемая но программе; на прием ауцштивная ФАР
40x40 см, скомпонованная из 16 элементов и управляемая по програм¬
ме) или дуплексная ФАР 40x40 см (16 элементов) с программным элек¬
тронным наведением луча на КА на ВЭО.
Подсистема обмена теле- и радиовещательными программами преу1-
назначена для обеспечения информационного взаимодействия между
центрами подачи программ в реальном масштабе времени или по за¬
просу территориально разнесенных региональных ТВ и/или РВ студий,
продюсерских центров, формирователей медийного контента.
Используемый диапазон Ки, количество одновременно транслируе¬
мых программ — 100 ТВ и 100 РВ. Используются стандартные приемо¬
передающие ЗС.
Обмен теле- и радиовещательными программами обеспечивается с
использованием ЗС с диаметром антенны 3,7 м и с мощностью передат¬
чика 100 Вт. Для борьбы с помехами от наземных источников использу¬
ются когераторы с 96 ветвями пространственного разнесения — в виде
плоских приемных ФАР (с углом охвата 8° х 16° и КНД = 23 дБ). Уровень
подавления помех (около 25—30 дБ) является вполне достаточным с уче¬
том большого значения ЭИИМ применяемых в этой подсистеме ЗС.
Уникальность проекта НордМедиаСтар состоит в следующем:
1. Связь на всей без исключения территории России, включая са¬
мые западные и восточные регионы и Арктическую зону и районы РФ
со сложным рельефом местности.
2. Предоставление услуг связи в движении.
707
3. Обеспечение массового доступа к услугам системы за счет исполь¬
зования недорогих портативных мобильных абонентских терминалов.
4. Предоставление простого доступа к мультимедийному контенту
(Интернет, данные, изображения, видео, звук).
5. Высокая пропускная способность системы за счет использования
перспективных технологий.
В случае необходимости, ССС НордМедиаСтар может быть исполь¬
зована силовыми ведомствами РФ (как в обычный, так и в особый пери¬
од). В особый период будут особо востребованы адаптивные ФАР на КА,
а также используемые в ССС сигналы и методы многостанционного дос¬
тупа для повышения помехозащищенности линий связи, в том числе:
-- формирование «нулей» диаграммы направленности бортовых
антенн КА на источники организованных помех;
— возможность организации режимов ПГ1РЧ и 1Ш1С.
На основе детальных экспертных оценок показателей эффективно¬
сти отдельных подсистем и всей системы в целом специалистами ООО
«Глобсатком» установлено, что ССС НордМедиаСтар является коммер¬
чески самоокупаемой и возвращающей вложенные в ее создание перво¬
начальные инвестиции из доходов от предоставления услуг пользова¬
телям в приемлемые для инвесторов сроки. Затраты на создание орби¬
тальной группировки, системной части земного сегмента (ЦУС и сис¬
темные ЗС), некоторого числа периферийных ЗС оценивается в 960 мли
долл, (в течение трех лет после начала финансирования). Эти затраты
окупаются на 4-й год после начала коммерческой эксплуатации ССС
НордМедиаСтар (или на 7-й год после начала финансирования проек¬
та).
Источники доходов:
— единовременная плата за подключение к системе;
— ежемесячная абонентская плата;
— в ряде случаев — оплата за трафик.
Через три года после возврата инвестиций величина чистой прибыли
от коммерческой эксплуатации ССС НордМедиаСтар, с учетом затрат
на оплату ТВ и РВ программ, эксплуатационных затрат, затрат на про¬
ведение каждые 7—10 лет замены КА после выработки их ресурса, оце¬
нивается в объеме около 400 млн долл, в год, с последующим ежегодным
ростом в пределах от 2 до 5 процентов.
708
ЛИТЕРАТУРА
К Вводной части
1. 1. Камнев Е.Ф. О возможности связи с помощью спутников на эллиптических
орбитах. Вопросы радиоэлектроники, сер.10. Техника радиосвязи, вып 3, 1961.
2. Петрович Н.Т., Камнев Е.Ф. Вопросы космической радиосвязи. - М.: Сов. Ра¬
дио, 1965.
3. Аболиц А.И., Веденеев М.И., Жданов В.П., Морозов Л.А., Сендерский В.А. Экспе¬
риментальная передача сигналов с ОФМ со скоростью 480 тыс.бод через ра¬
диолинию со спутником «Молния-1». Труды 16 ЦНИИИС МО, № 3—4, 1967.
4. Черток Б.Е. Ракеты и люди. Горячие дни холодной войны. - М.: Машино¬
строение, 1999.
5. КуккК.И. Из истории становления военной космической связи. Электросвязь:
История и современность, №3, 2008.
6. Калашников Н.И. Системы связи через ИСЗ. — М.: Связь, 1969.
7. Чернявский Г.М., Бартенев В.А. Орбиты спутников связи. — М.: Связь, 1978.
8. Аболиц А.И. Системы спутниковой связи. Основы структурно-параметриче¬
ской теории и эффективность. - М.: ИТИС, 2004.
9. Справочник по спутниковой связи и вещанию/Под ред. Л.Я. Кантора. - М.:
Радио и связь, 1997.
10. Справочник «Системы и земные станции УЗАТ». Ж.: МСЭ, 1994.
11. \г\у\улЩе1за1.сот
12. Дьячкова М.Н., Кантор Л.Я., Симонов М.М. Успехи и проблемы спутниковой
связи и вещания в России. 110 лет радио: Сб. статей/ Под ред. Ю.В. Гуляева,
М.А. Быховского. — М.: Радиотехника, 2005.
13. Карта покрытия УЗАТ. Стандарт, № 1, 2008.
14. Аболиц А.И., "Зубарев Ю.Б. Мобильные спутниковые телекоммуникации — от
телефона к телевизору (взгляд из «вчера в завтра»). Инфокоммуникации Ин¬
формационного общества. Книга 1/Под ред. Л.Е. Варакина. — М.: МАС, 2006.
15. Камнев В.Е., Черкасов В.В., Чечин Г.В. Спутниковые сети связи. — М.: Альпина
Паблишер, 2004.
16. Камнев В.Е. Место негеостационарных спутниковых сетей в глобальной
информационной инфраструктуре. Электросвязь. - 2001, №4.
17. Савин А.И., Заксон М.Б. Региональная система спутниковой связи «Зеркало-
КС». Труды 3-й Международной конференции «Спутниковая связь —1998». —
М. 1998.
18. \у\у\у.Ьи§Ьез5расе.со
19. \у\у\у.1оскЬеес!таг1лп.сот
20. Технологии и средства связи, № 3, 2008.
21. Шварцман В.О. Интеграция в электросвязи. — М.: Вестник связи, 2001.
22. Кривошеев М.И., Федунин В.Г. Интерактивное телевидение. — М.: Радио и
связь, 2000.
23. Лишин Л.Г. Анализ и проблемы записи, мониторинга и архивирования циф¬
ровой информации. — Воронеж: МОДЭК, 2008.
24. \у\у\удца5а(:.сот
709
25. Братство спутника. Стандарт, №3, март 2008.
26. Беретта Д. Еи1е1за1 - лучший партнер для России. Стандарт, №1, январь
2008.
27. \у\у\у.еи1е1за1.сот
28. \у\у\улрз1аг.сот.аи
29. М. НатйН, Е. ШзъиеН, А. СкеггеИе, О. Заипйегз, Н. Но. ТК\У’5 Вгоас1Ьапс1 ЗаСеПде
СоттишсаНоп Рау1оаб$ а1 С ап<3 Ки Егеаиепсу Вапс! // ТК\У 1пс. - Кес1. ВеасЬ,
СА 90278. А1АА-1073. 02500729.154
30. 5. Уегта, Е .ШзтеН. ЫехС СепегаПоп Вгоа<1Ьапс1 5а1е11ке Соттишса(лоп 5уз-
сетз //ТК\У 1пс. - Кеб. ВеасЬ, СА 90278. А1АА-1111.02500729.154
31. \у\у\у.1е1есот.езалп1
32. КЕС. 1Т11-К М.1225. СиЫеНпез 1ог еуа1иа(лоп о! габю Сгапзпиззюп 1есЬпо1о§1ез
1ог 1МТ-2000
33. КЕС. 1ТИ-К М.1457—5. ЭеСаИес! зресШсаБопз о(ЧЬе гасЬо т1ег1асез о! 1п1егпа(:юпа1
МоЬПе Те1есоттипюаиопз-2000 (1МТ-2000)
34. Зубарев Ю.Б., Кривошеев М.И., Красносельский И.Н. Цифровое телевизионное
вещание. Основы, методы, системы. — М.: НИИР, 2001.
35. Кероп оп ТесЬпо1о§у (ЬгесПоп апс! К&О геашгетеШз 1ог АНуапсеН5аСе11Ье МоЫ1е
ЗузСешз Тазк Еогсе (А5М5), Уегзюп 2003 кир://азт$.ш$.Ьсеп1га1.сот
36. А. ЕгапсЫД. 5ещир1а. ТесЬпо1о§у Тгепс1з апс1 МагкеГ Опуегз 1ог Вгоас1Ьапс1 МоЬПе
У1а ЗаСеШсе: ШМАК5АТ ВСАЙ. \у\у\у.ттагза1.сот.
37. 5-ОМВ/МАЕ5ТКО Ргс^есС: ТЬе ппззтё Ьпк ЬеБуееп ЗС апб ОУВ-Н. ММС \Уогк
5Ьор. — ВегЬп, 141Ь бапиагу 2005.
38. \у\у\улз(:-гпос113.ог§
39. \у\у\у.ега.сот
40. \у\у\у.а11апБсгС.сот/куЬ
41. \у\у\улз1-зиЬ:ес1.сош, \у\у\у.зиЬес1л(:
К главе 1
1.1. Концепция долгосрочного социально-экономического развития Рос¬
сийской Федерации на период до 2020 года. Утверждена распоряжением
Правительства Российской Федерации от 17 ноября 2008 г. № 1662-р
1.2. Транспортная стратегия Российской Федерации на период до 2030 года.
Утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 22
ноября 2008 г. № 1734-р.
1.3. Проект развития Востока России. Институт региональной политики. 2006.
1.4. Данилов-Данильян В.И., Залиханов М.Ч., Лосев К.С. Экологическая безопас¬
ность. — М. 2007.
1.5. Формирование эффективных оценок природоохранной деятельности биз¬
неса. Инициатива российского бизнеса. — М.: Международная торговая
палата, 2007.
1.6. Москвитин В.Д. Оценка потребностей в спутниковом ресурсе для инфо-
коммуникационных наземных сетей Российской Федерации. Электро¬
связь. — 2007, № 1.
1.7. Мардер Н.С. К вопросу об оценке потребностей в спутниковом ресурсе.
Электросвязь. — 2007, № 4.
710
1.8. Камнев Е.Ф., Матвеенко И.II., Томский В.С. Орбиты успеха. Литературная
газета от 5.12.2007, № 49.
1.9. Рыжиков С. Спутниковая связь: в России есть рынок для собственной сис¬
темы // \у^\у.спе’Л'5.ги/геу1е^5Дгее/2002Де1есот/за1е1Псе.5Ьст1
1.10. АболицА.И. Мобильная спутниковая связь: спрос, качество, технологии,
системы. Век качества. — 2005, № 1.
1.11. Черток Б.Е. Ракеты и люди. Горячие дни холодной войны. -- М.: Машино¬
строение, 1999.
1.12. Концепция развития отрасли «Связь и информатизация» РФ/Под ред.
Л.Д. Реймана и Л.Е. Варакина. — М.: МАС, 2001.
1.13. Концепция развития национальной системы спутниковой связи и веща¬
ния на период до 2015 г. Постановление НТС МС № 7.
1.14. Камнев Е.Ф., Белов А.С., Аболиц А.И. Альтернативный подход к облику
спутников связи с большими многолучевыми антеннами. Электросвязь. —
2008, № 5.
1.15. Камнев Е.Ф., Белов А.С., Бобков В.Ю. «Глобсатком» — новая система спутни¬
ковой связи на базе КА на высоких эллиптических орбитах. «СОЫЫЕСТ!
Мир Связи». — 2007, № 12.
1.16. Россия в цифрах. — Госкомстат, 2000 2006.
1.17. Транспорт и связь. — Госкомстат, 2001.
1.18. Зубарев Ю.Б. Надо создавать свои РВ-спутники. ИКС-опПпе, № 1,2005.
1.19. Беретта Д. Еи1е1за1 — лучший партнер для России. Стандарт, № 1, 2008.
1.20. Аболиц А.И., Сиваков И.Р. К оценке роли и места персональной спутни¬
ковой связи в ВСС России. Доклады 4-й Международной конференции
«Спутниковая связь-2000», т. 1. — М.: 2000.
1.21. Зубарев Ю.Б. Перспектива развития персональной спутниковой связи Рос¬
сии. Доклады международной конференции «Развитие мобильной связи в
России» на 7-м бизнес-форуме «Мобильные системы». — М: 2002.
К главе 2
2.1. Кантор Л.Я. Расцвет и кризис спутниковой связи. Электросвязь. — 2007, № 7.
2.2. Кантор Л.Я. Новый эволюционный подход к международному распределе¬
нию орбитально-частотного ресурса. Электросвязь. — 2008, № 12.
2.3. Быховский М.А. Метод повышения эффективности использования частот¬
но-орбитального ресурса в спутниковой связи. Электросвязь. — 2007, № 11.
2.4. \у\у\у.те1еогГги (сайт Федеральной службы по гидрометеорологии и мони¬
торингу окружающей среды).
2.5. \у\у\у. баСа.осеашпЬ.ги (сайт ЕСИМО: Общее состояние информационных
ресурсов).
2.6. \у\у\УЛ-1есо.ги/рго)ес<:-г§т.ЬШ11 (сайт:Модернизация и техническое перевоо¬
ружение организаций и учреждений Росгидромета).
2.7. Стратегия развития железнодорожного транспорта в РФ до 2030 г. Утвер¬
ждена Распоряжением правительства РФ от 17.06.2008 г. № 877-р.
2.8. Камнев Е., Белов А., Бобков В. Использование спутниковых систем свя¬
зи «Глобсатком» и «Нордмедиастар» для решения задач ОАО «РЖД».
СОЫКЕСТ! Мир Связи. — 2009, № 3.
711
2.9. Современное состояние и перспективы развития туризма в Российской
федерации. Материалы сайта «Национальная служба информации».
Ьир://у^\у\у.тес11а1ех1/ги/с1ос5/1748.
2.10. Концепция развития туризма в Российской Федерации на период до 2005
года. Одобрена Распоряжением Правительства РФ от И июля 2002 г.
№ 954-р.
2.11. Фоминых В. Космические технологии помогут лесничим. Телерадиоком¬
пания «АС Байкал ТВ». — 21.12.2004. Ьир://а8.Ьа1ка1.Су/с§1-Ып/а8/пе\У8.
2.12. «Черный ящик» для лесовоза. — 2005, март. Ьир://\у\у\у.г\у1.ги/пе\У8.
2.13. Рыбные ресурсы. Роль и значение рыбной отрасли в обеспечении продо¬
вольственной безопасности России. Информационный центр «Рыбные
ресурсы». 11.09.2001. Материалы сайта «Мурманские рыбные ресурсы».
^\у\у.тигБзЬ.ги
2.14. Пассажирский флот. Рыболовный и рефрижераторный флот. Материалы
сайта: Ьир://\у\у\у.8а1:ауа-зоШ;Ь.пагос1.ги
К главе 3
3.1. Чернявский Г.М., Бартенев В.А. Орбиты спутников связи. — М.: Связь, 1978.
3.2. Иванов Н.М., Лысенко Л.Н. Баллистика и навигация космических аппара¬
тов. — М.: Дрофа, 2004.
3.3. Машбиц Л.М. Компьютерная картография и зоны спутниковой связи. —
М.: Радио и связь, 2000.
3.4. Петрович Н.Т., Камнев Е.Ф. Вопросы космической радиосвязи. — М.: Сов.
Радио, 1965.
3.5. Калашников Н.И. Системы связи через ИСЗ. — М.: Связь, 1969.
3.6. Можаев Г.В. Синтез орбитальных структур спутниковых систем. — М.:
Машиностроение, 1989.
3.7. Баринов К.Н., Бурдаев М.Н., Мамон П. А. Динамика и принципы построения
орбитальных систем космических аппаратов. — М.: Машиностроение, 1975.
3.8. Лебедев А.А., Нестеренко О.П. Космические системы наблюдения. — М.:
Машиностроение, 1992.
3.9. Соколов В.В., Пылъцов В.А. Проблемы связности в системах спутниковой
связи на базе низкоорбитальных космических аппаратов //Электро¬
связь. — 1993, № 1.
3.10. Труды 2-й Международной конференции «Спутниковая связь-1996», т. 1.
1С5С-96. - М.: 1996.
3.11. Справочник по спутниковой связи и вещанию. — М.: Радио и связь, 1997.
3.12. Справочник «Спутниковая связь (фиксированная спутниковая служба)».
МСЭ, 1990.
3.13. Инженерный справочник по космической технике/ Под ред. А.В. Солодо¬
ва. — М.: Воениздат, 1977.
К главе 4
4.1. Петрович Н.Т., Камнев Е.Ф. Вопросы космической радиосвязи. — М.: Сов.
Радио, 1965.
4.2. Основы технического проектирования систем связи через ИСЗ/Под ред.
А.Д. Фортушенко. — М.: Связь, 1970.
712
4.3. Чернявский Г.М., Бартенев В.А. Орбиты спутников связи. - М.: Связь, 1978.
4.4. 05 РаСепС 6 263 188 В1. ЕШрНса1 заСеПйе зузСет \уЫсЬ ети1асез нЬе
сЬагасСепзПсз о! ^еозупсЬгопоиз заСеНйез. ^1.17, 2001.
4.5. Витер В.В., Гриценко АЛ. и др. Система спутников на эллиптических орби¬
тах, эмулирующая характеристики системы спутников на геостационар¬
ной орбите. Российский патент 1Ш 2 223 205 С2. Окт. 2, 2004.
4.6. 115 Ра1еп1; 2002/151273 А1. Ме(;Ьос1 апб аррагаСиз 1ог зе1есЫуе1у орегаип^
заСеПйез т Типбга огЬйз. ОсС17, 2002.
4.7. Савин А.И., Заксон М.Б. Региональная система спутниковой связи «Зерка¬
ло-КС». Труды 3-й Международной конференции «Спутниковая связь -
1998». - М. 1998.
4.8. 115 РаСепС 4 943 808 А1. СошпшпюаС^опз зузсегп \уйЬ пкпчп^ ЬосНез \уйЬ сЬе
ак1 о! заЫНсез. .|и1.24, 1990.
4.9. Аболиц А.И. Системы спутниковой связи. Основы структурно-параметри¬
ческой теории и эффективность. - М.: ИТИС, 2004.
4.10. 115 Ра1епС 5 845 206. ЕШрПса1 за1е1Н1е зузСет \у1нсЬ ети1а1ез 1йе сЬагас1епз!лсз
о! ^еозупсЬгопоиз заСеПйез. Эес.1, 1998.
4.11. Патент РФ 2 273 591 С2. Система негеостационарных спутников, обеспе¬
чивающая упрощенное сопровождение спутников, спутниковая система
связи и способ спутниковой связи. Фев. 10, 2005.
4.12. 115 Ра1еп15 957 409. Е1НрПса1 заСеИйе зузСет \уЫсЬ ети1а1ез 1Ье сЬагасСепзПсз
о!§еозупсЬгопоиз заСеПйез. 5ер.28,1999.
4.13. 115 Ра1еп<: 6 701 126 В1. 5узСет апб те^Ьос! 1ог 1тр1етепип§ а сопзСеИаСюп о!
поп-ёеозСаПопагу заСеИйез 1Ьа1 боез поС т^еИеге \уйЬ сЬе ^еозСаСюпагу заСеПйе
пп§. Маг.2, 2004.
4.14. 115 Расеп! 2002/0132577 А1. 5узСеш апб шесЬос! 1ог 1тр1етеп1т§ а
сопзСеПаПоп о! поп-^еозСаПопагу за^еНйез сЬаС рггшбез з1тр1ШеЗ заСеПйе
Сгаст{*. 5ер.19, 2002.
4.15. Патент РФ 2 278 472 С2.
К главе 7
7.1. ЬепдегА. Разбег сИ^рЫ сопнтшшсаПоп \уйЬ диоЫпагу СесЬшциез. Е1есСгошсз,
№ 12,1963.
7.2. Пелехатый ММ. Некоторые новые возможности повышения скорости
передачи дискретной информации. Электросвязь, 1966, N 3.
7.3. Заездный А.М. и др. Фазо-разностная модуляция. — М.: Связь. 1967.
7.4. Аболиц А.И. О соотношениях между пропускной способностью, помехо¬
устойчивостью и полосой частот. Электросвязь, № 2, 2002.
7.5. Питерсон У., Уэлдон Э. Коды, исправляющие ошибки. «Мир», 1976.
7.6. Пелехатый М.И., Голубев Е.А. Комбинаторные методы построения псевдо¬
случайных последовательностей. В сб. «Вопросы кибернетики» (Труды
семинара по комбинаторной математике), АН СССР, 1973.
7.7. Пелехатый М.И. О последовательностях квадратичных вычетов с наилуч¬
шими автокорреляционными свойствами. Радиотехника и электроника.
К? 5,1971.
713
7.8. Пелехатый М.И., Голубев Е.А. Автокорреляционные свойства некоторых
типов двоичных последовательностей. «Проблемы передачи информа¬
ции», вып. 1,1972, АН СССР.
К главе 8
8.1. Котельников В. А. Теория потенциальной помехоустойчивости. Госэнерго-
издат, 1956.
8.2. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. — М.: Сов. радио, 1970.
8.3. Пистолькорс А.А. Способ синхронизации. Авт.свид. № 34039 с приорите¬
том от 24.4.32 г.
8.4. Петрович Н.Т. Передача дискретной информации в каналах с фазовой ма¬
нипуляцией. — М.: Сов. радио, 1965
8.5. Пелехатый М.И. Устранение «неопределенности фазы» в приемнике ДФТ.
Электросвязь, 1963, № 8.
К главе 9
9.1. Хэмминг Р.В. Коды с обнаружением и направлением ошибок. В сб. «Коды
с обнаружением и исправлением ошибок» под ред. А.М.Петровского.
ИИЛ. -М„ 1956.
9.2. Питерсон У, Уэлдон Э. Коды, исправляющие ошибки. Мир. — М., 1976.
9.3. Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов. Мир,1989
9.4. А^. УИегЬу. Еггог Ъоипбз 1ог Сопуо1иПопа1 Собез апб АзутрГоПсаПу ОрПтит
ОесосБп§ А1§огкт/ ШЕЕ Тгапз. 1пЕ ТЬеогу, Арг. 1967.
К главе 10
10.1. 5.Е Тощ. РеНогтапсе о1ЬигзГ-1:гаррт§ собез/ Ве11 Зузсет ТесЬпф — 1970.
10.2. А. КоЫепЬещ, С.Б. Готеу. Сопуо1шлопа1 сосИп^ Ьг сЬаппе1з \уйЬ шешогу/
ШЕЕ Тгапз., 1Т-14, 1968, № 9.
10.3. 5.У. Тощ. ОрПшит га1е 1/2 сШ1изе собез. 1п1. СопЕ оп соттишсаиопз. —
МопСгеа1, ^пе 1971.
10.4. К. Вгауег. Еггог соггесНоп соёе реНогтапсе оп НЕ, Ггорозсакег апб заСеИпе
сЬаппеЬ/ ШЕЕ Тгапз., СОМ-19,1971 № 5.
10.5. Р. ЬаШ. Оез1§п спГепа апб ехрептепЫ гезикзоп зоте сопуо1иПопа1 собез 1ог
Ыпагу сЬаппе1з. Кеу.СЕТНЕОЕС, 1970, № 7.
10.6. Р. Уо1коь. РгакПспа ргофпруафа сЫигшЬ кос1оуа. Е1ес1;го1;еЬшка, 1970, № 5.
10.7. А.Н. Ьеоездие. КесепГ <1еуе1оршепГз т еггог сопГго1 СесЬп1яиез. 1969 \Уезсоп
ТесЬшса1 Рарегз, 1969, № 7.
10.8. Б.Б. ЗиШоап. А ^епегаНгаПоп о? Са11а§ег‘з асЬрПуе еггог соп1го1 зсЬеше/ ШЕЕ
Тгапз., 1Т-17,1971.
10.9. Форни Д. Каскадные коды. — М.: Мир, 1970.
10.10. Волков Л.Н., Немировский М.С., Шинаков Ю.С. Системы цифровой радио¬
связи. — М.: Эко-Трендз, 2005.
10.11. у. На^епаиег. кегаПуе ОесосЬп^ оГ Вшагу В1оск ап8 СопуоФПопа! Собез/ 1ЕЕЕ
Тгапз. оп ШЬгшаПоп ТЬеогу, у.42,1996, №2.
714
10.12. Материалы компании АНА. \у\у\у.аЬа.сот/
10.13. С. Веггои, А. С1аогеих, Р. ТкШтаркта. Ыеаг ЗЬаппоп Утк Еггог-Соггесип^
Со<Пп§ апс1 ЦесосПп^: ТигЬо Соаез. — Сепеуа: РгосеесНп§ оГ 1СС 93, Мау 1993.
10.14. Материалы сайта \у\у\у.СигЬосос1ез.ги.
К главе 11
11.1. / СоЫЫгзк, IV. Уо§е 1. Напс1Ьоок о!' Ргора§аСюп ЕГГесСз Гог УеЫси1аг ап<1
Регзопа1 МоЫ1е ЗаСеПке ЗузСетз. Магу1апс1-Техаз. 1998.
11.2. КЕС. 1Т1Л-К М.1225. СшбеНпез Гог еуа1иасюп оГ гасИо Сгапзппззюп сесЬпо1о$1ез
Ьг 1МТ-2000
11.3. 5. Октоп, Н. \№акапа, 5. Каъиазе. МоЬПе ЗасеПке Соттитсаиопз. АпесЬ
Ноизе, ВозСоп-ЕопПоп. 1998.
11.4. Кес. 1Т11-К Р.1407. МеППрасЬ ргора^аСюп апс! рагатеСеп/аСюп оГ кз
сЬагасСепзПсз
11.5. Кес. 1Т1Л-К Р.1411-3. Ргора^аСюп с1а1а апс! ргесПсСюп тесЬоИз Гог 1Ье р1аппт&
оГзЬогС-гап§е оиСсЬог гасло соттипкаСюп зузимпз апс! гасИо 1оса1 агеа пеС\уогкз
т сЬе Г^иепсу гап^е 300 МНг 1о 100 СП/.
11.6. Кес. 1Т11-К Р.530. Ргора§аСюп ка1а апс1 ргесПсиоп те1Нос1з гт^шгеИ Гог сЬе
<1ез1§п оГ СеггезСпа1 Ппе-оГ-51§Ьс зуз1етз
11.7. Кес. 1ТЕ1-К Р.1093. ЕГГесСз оГ пиПирасЬ ргора^аСюп оп сЬе Пез^п апс! орегаСюп
оГ Нпе-оГ-з^Ьс сН§Ка1 гасПо-ге1ау зузеетз
11.8. Кес. 1ТШК Р.1238. Ргора§аСюп НаСа апк ргесНсСюп тесЬобз Гог сЬе р1аппт§
оГ тсЬог гасПосоттишсаСюп зузСетз апс! гасИо 1оса1 агеа пеС\УОгкз т сЬе
И^иепсу гап§е 900 МНг Со 100 СНг
11.9. К. ОАоеИа, Ь. Могепо, М. 5ап(’ А§оз1гпо. Ап АНариуе МИ5Е Кесе1уег
Гог ТБМА Б1§ка1 МоЬПе КасИо. 1ЕЕЕ ^игпа1 ог Зе1есСес1 Агеаз т
СоттишсаСюпз, уо1.7, N1,1989.
11.10. Кес. 1ТЕ1-К Р.1057. РгоЬаЬПку сНзСпЬиСюпз ге1еуапС Со гасПо\уауе ргора^аСюп
тос1еНп§
11.11. ФинкЛ.М. Теория передачи дискретных сообщений. — М.: Сов. радио, 1970.
11.12. Кес. 1ТЕ1-К Р.341. ТЬе сопсерС оГ Сгапзпйззюп 1озз Гог гасИо Ппкз
11.13. Стейн С., Джонс Дж. Принципы современной теории связи и их примене¬
ние к передаче дискретных сообщений. Пер. с англ. — М. 1971.
11.14. Кловский Д.Д. Передача дискретных сообщений по радиоканалам. — М.:
Радио и связь, 1982.
11.15. Прокис Дж. Цифровая связь. Пер. с англ, под ред. Д.Д. Кловского. — М. 2000.
11.16. О. ЗНгтЬо, К. Рап§, М. Се1еЬИег. РегГогшапсе оГ М-агу РЗК зузСетз т Саизз1ап
по1зе апс! тСегзутЬо1 тСегГегепсе. ШЕЕ Тгапз. оГ 1пГ. ТЬеогу, уо1.19, р. 44—58,
1973.
11.17. А. Ьеьу. Разе Еггог КаСе Еуа1иаСюп т сЬе Ргезепсе оГ 1пСегзутЬо11пСегГегепсе.
ШЕЕ Тгапз. оп СоттишсаСюпз, уо1. 33, № 5,1985.
11.18. 5.1/.Н. ОигезЫ. АНарПуе Е^иа1^2аС^оп. РгосеесНп^з оГсЬе ШЕЕ, уо1. 73, № 9,1985.
11.19. О.О. Ракопег. ^тс!у АНарПуе Е^иа1^гаС^оп апс! Сагпег Кесоуегу т Т\уо-
01шепзюпа1 01§ка1 СоттишсаСюп ЗузСетз. ТЬе Ве11 ЗузСет ТесЬтса1 Тоигпа1,
уо1.55, № 3,1976.
11.20. ШЕЕ^игпа! оГЗеГесСеП Агеаз т СоттишсаСюпз, уо1. 10, № 3,1992.
715
11.21. N. ВепоепШо, 8. Тотазгп. кегаПуе Оез^п апс1 ёеСесиоп оГа ПРЕ т сЬе
Ргеяиепсу Поташ. 1ЕЕЕ Тгапз. оп СоттишсаСюпз, уо1. 53, № 11, 2005.
11.22. П. НаЫпакоз, С.Р. Мкгаз. ЕзПтаПоп о! МиНпрасЬ СЬаппе! Кезропзе
т Р^иепсу 5е1ес1дуе СЬаппеЬ. ШЕЕ^ита! о! Зе1еаес1 Агеаз т
Соттишсайопз, уо1. 7, № 1,1989.
11.23.1. Тощ, С. Хи, Т. КаИа(к. ВНпё ЫепСШсаиоп апН Е^иа1^2аиоп Вазес! оп Зесопс!-
Огс1ег ЗСаПзПсз: А Тте Оота1п АрргоасЬ. ШЕЕ Тгапз. оп 1п1. ТЬеогу, уо1. 40,
№ 2,1994.
11.24. А. Вепоепгз1е, М.Т. Соигза, С. Кще1. КоЬизС ИепсШсаиоп о!а попппштит
рЬазе зузСет: ВИпс! афизСтепС оГа Нпеаг ециаИгег т НаСа соттишсаЬюпз.
ШЕЕ Тгапз. АиСотаС. СопСго1, уо1. 25, № 6,1980.
11.25. 8.Ь. Апуаогзкаки1, У. ЫДогпС. СосИп§ апН Пеазюп Реес1Ьаск ЕциаНгаСюп
1ог ВгоаИЪапс! \У1ге1езз СЬаппеЬ. 1ЕЕЕ ^игпа! о! 5е1есСе<1 Агеаз т
СоттитсаСюпз, уо1. 16, № 9,1998.
11.26. Т.А. 8ех(оп, К. РаМаьап. СЬаппе1 Мос1е1т& апс1 АНарЫуе ЕциаПгаЫоп о! 1пс1оог
КаИю СЬапе1з. ШЕЕ ^игпа1 о! 5е1есСес1 Агеаз т СоттишсаЫопз, уо1. 7, № 1,
1989.
11.27. Р. Ва1аЪап8а1г. Оиа1 Шуегзку СотЫшп# апс1 ЕциаНхаНоп т Н^Ы
Се11и1аг МоЬИе КасЬо. ШЕЕ Тгапз. оп Уе1иси1аг ТесЬпо1оёу, уо1. 40, № 2, 1991.
11.28. С.Ь.В. Оезргпз, П.П. Ракопег, 5.Л Мактоик. Сотроипс! ЗСгаСе^ез оС Со(1т&
Е^иа1^га(;^оп апс1 Зрасе Шуегзку 1ог \Ук1е-Вапс1 ТОМА \Уйе1езз СЬаппе1з.
ШЕЕ Тгапз. оп УетоПаг ТесЬпоЬ^у, уо1. 41, № 4,1992.
К главе 12
12.1. V/. Р. СаЬпек АНарйуе Аггауз—Ап 1пСгос1исСюп/ Ргос. ШЕЕ, уо1. 64, № 2, РеЬ. 1976.
12.2. К.А. Мопггщо, ТЖ. МШег. 1п1гос1исиоп Со АНарПуе Аггауз. ЗаТесЬ РиЬНзЫп§,
1пс. 2004.
12.3. 8.Р. Арр1еЬаитп, О.]. Скартап. Ас1ар(пуе Аггауз \уйЬ Ма1п Веаш СопзСгашСз/
ШЕЕ Тгапз. АпСеппаз Ргора§., АР-24, № 5.
12 4. 8.Р. Арр1еЬаит. АНарЕуе Аггауз. Зугасизе Пшуегзку РезеагсЬ Согр., КерогС
ЗРЬ ТЕ, Аи§. 1966.
К главе 13
13.1. Аболиц А.И. Системы спутниковой связи. Основы структурно-параметри¬
ческой теории и эффективность. — М.: ИТИС, 2004.
13.2. Кларк Дж., КейнДж. Кодирование с исправлением ошибок в системах
цифровой связи. Пер. с англ. — М.: Радио и связь, 1987.
К главе 14
14.1. ВЕС. 1ТЫ-К. М.1225. СшНеНпез 1ог еуа1иаПоп о!гаНю Сгапзпиззюп СесЬпоЬтез
1ог 1МТ-2000.
14.2. 5. Октогг, Н. Макапа, 8. Кашазе. МоЬИе ЗаСеИке Соттишсаиопз. АгСесЬ
Ноизе, ВозСоп-Ьопскт. 1998.
14.3. КЕС. 1ТЕ1-Е Р.681-6. Ргора^аСюп Паса геяшгеН 1ог сЬе Нез1§п о! ЕагсЬ-зрасе
1апс1 тоЬПе ЫесоттитсаСюп зузСешз.
716
14.4. КЕС. 1ТЕ1-К Р.833-5. АССепиаСюп ш уе§еСаСюп.
14.5. КЕС. 1Т11-К Р.679-3. Ргора§аиоп 8аСа гецшгеа Гог сЬе (1е51§п о!' Ьгоаасазст§-
заСеШСе зузСетз.
14.6. Кее. 1Т11-К Р.1407. МиЫраСЬ ргора§аСюп апс! рагатеСепгаСюп оГ Ьз
сЬагасСепзСк:з.
14.7. Кес. 1Т11-К Р.530. Ргора§аСюп баСа апс! ргебюСшп тесЬобз гецшгеб Гог сЬе
ёез1§п оГ СеггезСпа1 1те-оГ-з1§Ьс зузСетз.
14.8. Кес. 1Т11-К Е.1093. ЕГГесСз оГтиЫрасЬ ргора§аиоп оп сЬе без^п апс! орегаиоп
о? 1те-оГ-з1§Ьс ё1§1Са1 габю-геЬу зузСетз.
14.9. Кес. 1ТТ5-К Р.1238. Ргора§аСюп баса апс1 ргесИсиоп тесЬобз Гог сЬе р1аппт§
оГ т8оог гас!ю соттишсаСюп зузСетз апа гасНо 1оса1 агеа пеС\уогкз т сЬе
Г^иепсу гап§е 900 МНг Со 100 СНг.
14.10. К. й’АьеИа, Ь. Могепо, М. Зап(’ А§оз(гпо. Ап Абариуе МЬ5Е Кесе1Уег
Гог ТЭМА 01§1Са1 МоЫ1е КасИо. 1ЕЕЕ 5оигпа1 от 5е1есСес1 Агеаз т
СоттишсаСюпз, уо1. 7, № 1, 1989.
14.11. Кес. 1Т11-К Р.1057. РгоЬаЫПСу сПзи |ЬиС1опз ге1е\'апс Со гас1ю\уаус ргора^аСюп
тос1еНп§.
14.12. Стейн С., ДжонсДж. Принципы сонремеииой теории связи и их примене¬
ние к передаче дискретных сообщений. Пор. с англ. М. 1971.
14.13. Кес. 1Т11-К Р.341. ТЬе сопсерС оГсгапзппззюп 1озз Гог гж1ю Ппкз.
К главе 15
15.1. С. Магйп. МоЫ1е ЗаСеШСе Вгоа<1сазС апс1 Ми1скЬаппе1 СоттишсаСюпз —
Апа1уз1з апс! Оез1§п. — 5СоскЬо1т: КТН Е1есСпса1 Еп§теег1п§, 2005.
15.2. К.А. Мопггп§о, ТЖ. МШег. ГпСгоёисСюп Со Ас1арС1уе Аггауз. — ЗсГГесЬ
РиЬНзЫп§ 1пс. 2004.
15.3. М. НатШ, Е. Шзи>еИ, А. СНеггеИе, О. Заипйегз, Н. Но. ТК\У’5 Вгоас1Ьап<1
ЗаСеШСе СоттишсаСюп Рау1оас1з аС С апс! Ки Р^иепсу Вап <1. — Кеб. ВеасЬ,
СА 90278: ТК\У 1пс. А1АА-1073.02300729.154
15.4. 3. Уегта, Е. ШзшеИ. ЫехС СепегаСюп ВгоабЪапб ЗаСеШСе СоттишсаСюп
ЗузСешз. - Кеб. ВеасЬ, СА 90278: ТК\У 1пс. А1АА-1111.02500729.154
15.5. Камнев В.Е., Черкасов В.В., Чечин Г.В. Спутниковые сети связи. — М.: Аль¬
пина Паблишер, 2004.
15.6. Шз У.Дезрегзеп. ЗаСеШсе-Вазеа Се11и1аг СоттишсаСюп / М1СКО\УАУЕ, |ипе,
2000.
15.7. Т. М. Зтйк, В. Ьее, О. Зет1ег, П. Скае. А 1аг§е 5-Ьапб апСеппа Гог а шоЫ1е
заСеШСе. Зрасе 5узСетз/Ьога1, риЫ. А1АА. 2004.
15.8. М. УИа&а. сЬе №\у Ъ Вапб М55 А11осаС1опз. — Сепеуа: Зсибу Сгоир-8
Зеттаг оп Тотогго\у’з ТесЬпо1оёюа11ппоуаСюпз, 9 Зерс. 2004.
15.9. А. РгапсЫД. Зещир1а. ТесЬпо1о§у Тгепаз апб Макее Бпуегз Гог ВгоабЬапб
МоЬИе уса ЗаСеШСе: ШМАК5АТ ВСАМ.\у\у\улптагзаС.сот.
15.10. 51. Е&ат1. АррНсаСюпз оГ Ми1Н РогС АтрНПег Со Регзопа1 ЗаСеШСе
СоттишсаСюпз. — ОССаууа. 1М5С’95.
15.11. СПСС Садко. Системный проект. — М.: НПО «Кросна». 2001.
15.12. А1АА СоттишсаСюпз ЗаСеШСе ЗузСешз СопГегепсе. 1972—1994.
15.13. СПСС Глобалстар. Материалы презентации. — М.: 1997.
717
15.14. Немировский М.С., Волков Л.Н. Перспективные системы и методы много¬
станционного доступа: характеристики и проблемы реализации//Элек¬
тросвязь. — 1993, .1^91.
15.15. Камнев Е.Ф. и др. Методы обработки сигналов при наличии помех в лини¬
ях связи. — М.: Радио и связь. 1985.
15.16. Лосев Ю.И. Адаптивная компенсация помех в каналах связи. - М.: Радио и
связь. 1988.
15.17. Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов/ Пер.с англ. М.:
Радио и связь. 1989.
15.18. Система 1СО. Техническое описание. Версия 5. 1998.
15.19. Камнев Е.Ф., Белов А.С., Аболиц А.И. Альтернативный подход к облику
спутников связи с большими многолучевыми антеннами. Электросвязь. —
2008, № 5.
15.20. Камнев Е.Ф. и др. Система спутниковой связи. Российский патент. КБ
72804 Ш с приоритетом от 27.12.2007.
15.21. Камнев Е.Ф. и др. Система спутниковой связи. Российский патент. КС
75812 Ш с приоритетом от 18.03.2008.
15.22. С.К.Н. Т$ао, К.С. Сеазе, ]У^. Вкк/огН, //,/. Кои>1апе1. Апа1уз1з оГа 81&па1 ргосеззог
1ог ап апСеппа аггау. ШЕЕ ТгапзасСюпз, 1970,Зап., АЕЗ-6, № 1.
15.23. Вишневский А.М. и др. Сети беспроводного доступа. — М.: Техносфера. 2005.
К главе 16
16.1. КЕС. 1Т11-К ВО.1130-4. ЗузСетз Ьг сП§11:а1 заСеШСе ЬгоабсазСш^ Со уеЫси!аг,
рогСаЫе апс! йхес1 гесе1уегз т сЬе Ьап8з аПосаСеб Со ВЗЗ (зоипс!) т сЬе
1геяиепсу гап^е 1400—2700 МНг
16.2. Н. Егп5{, Ь. 5аг(оге11о, 5. ЗсаИзе. / ТгапзрогС 1ауег сосИп^ 1ог сЬе 1апс1 тоЬИе
заСеШСе сЬаппе1/ УеЫси1аг ТесЬпо1о§у Соп1егепсе, Мау 2004
16.3. КЕС. 1Т11-К ВО.1408. Тгапзгшззюп зузСет 1ог а<1уапсес1 шиктесИа зетсез
ргоу1(1ес1 Ьу тСе^гаСес! зетсез сИ§Ка1 ЬгоадсазСт^ т а ЪгоаёсазСтё заСеШСе
сЬаппе1
16.4. ]. СоЫЫгзк, \У. Уо§е1. Нап8Ьоок о! Ргора§аСюп ЕкесСз 1ог УеЫси1аг апс1
Регзопа1 МоЫ1е ЗаСеШсе ЗузСетз. — Магу1апс1-Техаз,1998.
16.5. С. Боо,].8. ВиШпюоПк. Ьапс! тоЬИе заСеШСе сЬаппе1, теазигетепСз апс!
тос1е1т§/ Ргос. ШЕЕ, 86, р. 1442,1998.
16.6. ЕР. Еоп1гап, М. Угагуие2-Саз1го, С.Е. СаЪайо^.Р. Сагсг'га, Е. КиЬЫа.
ЗСаС1з11са1 то(1еШп^ о1ЧЬе ЬМЗ сЬаппе1/ ШЕЕ Тгапз. УТ-50, ЫоуешЬег 2001.
16.7. 5.К. Заипйегз, С. Тгагаз, В.С. Еоапз. РЬузюа18СаС15<лса1 тесЬоск Ьг бесегтттё
зСаСе Сгапзкюп ргоЬаЬШйез т тоЬПе-заСеШСе сЬаппе1 тоёе1з/ 1п1. у. ЗаСеШсе
Соштип., 19, МоуетЬег 2001.
16.8. ФинкЛ.М. Теория передачи дискретных сообщений. — М.: Сов. радио, 1970.
16.9. Ь. Ш1ке1тззоп, Ь.В МИзШп. Оп сЬе еЯесС о! 1шрег1есС тСег1еаут§ 1ог сЬе
СИЬегС-ЕШоС сЬаппе1/ ШЕЕ Тгапз. Сошш., 47, Мау 1999.
16.10. С. Магйп. МоЬПе ЗаСеШСе Вгоас1сазС ап8 МиИлсЬаппе1 Соттишсасюпз —
Апа1уз1з апс! Без^п. — ЗСоскЬо1т: КТН Е1есСпса1 Еп§шеепп@, 2005.
16.11. К. Бе Саийепгг, Е. СгапеШ. Апа1уз1з о! ап аскапсеб заСеШСе сИ§1Са1 аисИо
Ьгоас1сазСт§ зузСеш апс! сотр1етепСагу сеггезСпа1 §ар-Ш1ег зт§1е 1гециепсу пеС-
’УУогк/ ШЕЕ Тгапз. УТ-43, Мау 1994.
718
16.12. V. ШегаскоДу, Н.-Ь. Ьои, 2. ЗауееД. А сос1е с1шзюп ти1ир1ехш§ зсЬете 1ог
заСеПке (1ц*ка1 аисНо Ьгоаёсаз1лп§/ ШЕЕ ё. 5е1ес1. Агеаз Сотт., 17, ЫоуетЬег
1999.
16.13. Н.-Ь. Той, М./. Гегп'апДег-Сейпо СагсГ'га, V. МеегаскоДу. РЕС зсЬете 1ог а
ТЭМ-ОРОМ Ьазеё заСеПке гасНо Ьгоаёсазип^ зузСет/ 1ЕЕЕ Тгапз. Вгоасказк,
46, МагсЬ 2000.
16.14. КЕС. 1Т13-К. ВО1408. Тгапзппззюп зузгеш 1ог аёуапсеё ти1ите<Ъа зетсез
ргстёеё Ьу 1п(:е§га);её зетсез сИ§ка1 ЬгоасказСт^ т а Ьгоасказип^ засеНке
сЬаппе1
16.15. КЕС. 1Т11-К. В01516. 01§ка1 ти1Ы-рго§гатте 1е1еУ1зюп зуз^етз 1’ог изе Ьу
за^еПКез орегаС1п§ т Ше 11/12 СНг кеяиепсу гап^е
16.16. КЕС. 1Т11-К. В8.774. Зетсе Кеяшгетеп! 1ог сН^ка! зоипё Ьгоаёсазип^ 1о
уеЫси1аг, роПаЫе апё Ьхеё гесе1Уегз изт§ 1еггез<:па1 Сгапзткиегз т сЬе УНР/
ЫНР Ьапаз
16.17. КЕС. 1ТЫ-К. В0.789. Зетсе 1ог сЬека1 зоипё Ьгоаёсаз1т§ 1о уеЫси1аг
рогСаЫе апё йхеё гесе^уегз 1ог ЬгоаосазЫп^ заСеПке зетсе (зоипё) т Ше
ггеяиепсу гап^е 1 400—2700 МНг
16.18. КЕС. 1ТЕ1-К. В8.1114-4. 8уз1ешз 1ог 1еггех1па1 сЬ$ка) зоипё ЬгоасказСт^ 1о
уеЫси1аг, рогСаЫе апё Пхеё гесе1уегз т 1Ье (гециепсу гап&е 30—3000 МНг
16.19. ЕТ81 ЕЙ 300 421: 01§ка1 Ук1ео Втаёсазип# (НУВ); Ргатт$ з1гис1иге,
сЬаппе1 соёт^ апё шоёи1аСюп 1ог 11/12 СНг ха1е11ке зетсез.
16.20. КЕС. 1ТЫ-К. ВО.1211. Оф;ка1 тиккрт^гатте епйззюп зуз1хчпз 1ог 1е1еу1зюп,
зоипё апё ёа1а зетсез 1ог ха1е11кез орега1лп§ т сЬе 11/12 СНг кециепсу гап^е
16.21. ЕТ81 ЕЫ302 307 VI.1.1: 01§ка1 Ук1ео ВгоаёсазСт^ (НУ В); Зесопс! ^епегаиоп
1гатт§ з1гис1иге, сЬаппе1 сосЬщ* апё тосМайоп 8уз1етз юг Вгоаёсазипй,
1п1егас11уе Зетсез, Ие\уз СаШепп^ апё оШег ЬгоаёЬапё засеНке аррНсаНопз.
16.22. ЕТ81 ЕЫ 301 790 (у1.4.1): УИео ВгоаёсазЬт^ (НУВ); 1пСегасйоп
сЬаппе11ог ЗаСеПке Н1з1пЬи1:юп Зуз^етз.
16.23. ЕТ31ТК 101 201 (у1.1.1): Н1§ка1 УШео Вгоаёсазищ* (БУВ); 1п1егасиоп
сЬаппе1 (ог ЗаСеПке Маз1ег АпСеппа ТУ (ЗМАТУ) ЕМзЬпЬиСюп ЗузСешз;
СиШеНпез 1ог уегзюпз Ьазеё оп заСеИке апё соах1а1 зес!;юпз.
К главе 17
17.1. Чернявский Г.М., Бартенев В.А. Орбиты спутников связи. — М.: Связь, 1978.
17.2. Кантор Л.Я., Тимофеев В.В. Спутниковая связь и проблема геостационар¬
ной орбиты. — М.: Радио и связь, 1998.
17.3. Магибиц Л.М. Компьютерная картография и зоны спутниковой связи. —
М.: Радио и связь, 2000.
17.4. Петрович Н.Т., Камнев Е.Ф. Вопросы космической радиосвязи. — М.: Сов.
Радио, 1965.
17.5. Калашников Н.И. Системы связи через ИСЗ. — М.: Связь, 1969.
17.6. Аболиц А.И. Системы спутниковой связи. Основы структурно-параметри¬
ческой теории и эффективность. — М.: ИТИС, 2004.
17.7. Рек. 1Т1ТК. Р.681-6. Ргора§а1юп ёаСа геяшгеё 1ог сЬе ёез1§п о! ЕапЬ-зрасе
1апё шоЫ1е 1е1есоттипка1:юп зуз^етз
17.8. Европейский патент. Орит1геё 1апё тоЬПе за1;еШ(;е зуз1ет 1ог понЬ ашег^сап
соуега^е. ЕР 1 669 291, 2006.
719
17.9. Мк$щг, М. Зепгаша, N. 5а1о. 3-Ьапс1 сЦшЫ шоЬПе заСеШсе Ьгоасказг зузгет/
УеЫси1аг ТесЬпо1о§у СопГегепсе, р.р. 2755—2759, 1999.
17.10. К. Бе Саидепгг, Р. СгапеШ. Апа1уз15 оГ ап аскапсес! засеШсе сИ^й:а1 аисНо
Ьгоасказ1:т§ зуз1ет апс! сотр1ешеп!агу 1еггез1:па1 §ар-Ш1ег зт§1е Ггециепсу пе{-
\уогк. 1ЕЕЕ Тгапз. УеЬ. ТесЬ., 43, Мау 1994.
17.11. С. МагСт. МоЬПе ЗаСеПке Вгоаёсазь апс1 Ми1йсЬаппе1 Соттишса1юпз
Апа1уз15 апс1 Оез1§п. — 31оскЬо1т: КТН Е1естса1 Еп§теепп§, 2005.
17.12. МЛ. Веаск, А.С. 8тюа1е$, А. Ва1етап, О.]. Ейтюагйз^.Р. МсСеекап. А сПуегзку
сотЫп1п§ апСеппа аггау Гог 1ап<3 тоЫ1е заСеИке соттишсаиопз/ УеЬ1си1аг
ТесЬпо1о§у СопГегепсе, у. 2, р.р. 749—756,^пе 1989.
17.13. К. Мшга, Т. Тапака, А. Нопе, У. Кагазаюа. А ЭВР зе1Г-Ьеат з1еепп§ аггау
апСеппа Гог тоЫ1е заСеПйе аррЬсаПопз изт§ Ьеаш-зрасе тах1та1-гаио сот-
Втт§/ ШЕЕ Тгапз. УеЬ. ТесЬ., 48, Мау 1999.
17.14. А.^. РаиЬга/, С.В. Рарасказ. Зрасе-ише ргосеззт^ Гог шге1езз соттишсайопз/
ШЕЕ 31§па1 Ргосеззт§ Ма§., Ыоу. 1997.
17.15. С. Магйп, А. Сеиг(г, В. 011егз1еп. Раске1 со(1ес1 тоЬПе за1е1Н(.е ЬгоаксазС
зузСетз: Еггог га!е сошриСаСюпз ап<1 циаН1у оГзетсе Ьазес! с1ез^п/ Еигореап
ХУогкзЬор оп МоЫ1е/Регзопа1 ЗаСсотз апс! Ас1уапсес1 ЗаСеИке Мош1е ЗузГетз
СопГегепсе, р.р. 37—44, ЗерСетЬег 2004.
17.16. С. Магйп, А. СеигСг, В. ОНегзЬеп. 31аиз1лса! апа1уз1з апс1 ор(лта1 кезщп оГ
тоЫ1е заЫЬСе ЬгоабсазС \укЬ сИуегзку/ ШЕЕ Тгапз. УеЬ. ТесЬ., 2005.
К части 4
4.1. Камнев Е.Ф., Белов А.С., Аболиц А.И. Альтернативный подход к облику
спутников связи с большими многолучевыми антеннами. Электросвязь. —
2008, № 5.
4.2. Камнев Е.Ф., Белов А.С., Бобков В.Ю. «Глобсатком» — новая система спут¬
никовой связи на базе КА на высоких эллиптических орбитах. ССЖЫЕСТ!
Мир Связи. — 2007, № 12.
4.3. Камнев Е.Ф., Белов А.С., Бобков В.Ю. Широкополосная система спутнико¬
вой мультимедийной связи «НордМедиаСтар» с использованием космиче¬
ских аппаратов на ВЭО. СОЫКЕСТ! Мир Связи. — 2008, № 12.
4.4. Камнев Е.Ф. и др. Система спутниковой связи. Российский патент.
1Ш 72804 Ш с приоритетом от 27.12.2007.
4.5. Камнев Е.Ф. и др. Система спутниковой связи. Российский патент.
1Ш 75812 Ш с приоритетом от 18.03.2008.
4.6. Слюсар В.И. 60 лет теории электрически малых антенн. Некоторые ито¬
ги //Электроника: НТВ, 2006, № 7.
4.7. Многоцелевая космическая система «Арктика». Техническое задание на
разработку системного проекта создания и эксплуатации многоцелевой
космической системы (МКС) «Арктика». Проект ТЗ на проведение кон¬
курса по определению головного исполнителя системного проекта.
4.8. Камнев Е.Ф., Белов А.С., Бобков В.Ю. Новые подходы к построению пер¬
спективных систем спутниковой связи //В кн. «Оборонная мощь России.
Войска связи. Радиоэлектронный комплекс». 2009.
4.9. Камнев Е.Ф., Белов А.С., Бобков В.Ю. Глобальная система спутниковой свя¬
зи в интересах национальной безопасности России (ГССС) //В сб. «Связь
в Вооруженных Силах Российской Федерации». 2009.
720
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
ААР
АБГШ
АКМ
АОС
АРУ
АСУС
АТ
АП
АФАР
АФК
АФУ
АЦП
АЧХ
БПФ
БРТК
ВКО
ВВХ
воле
ВРВ
ВЭО
ГСО
ГЗА
ДЗЗ
ДЦВ
дн
ДОС
ЕКА
ЗВ
30
ЗРВ
ЗР
ЗС
зет
иез
иээ
КА
кдн
кнд
КОА
ЛБВ
лее
МАЗС
МД
МДВР
МДКР
адаптивная антенная решетка
аддитивный белый гауссов шум
адаптация кодирования и модуляции
архитектура открытых систем
автоматическая регулировка усиления
автоматизированная система управления связью
абонентский терминал
адаптивный процессор
активная фазированная антенная решетка
амплитудно-фазовая конверсия
антенно-фидерное устройство
аналого-цифровое преобразование
амплитудно-частотная характеристика
быстрое преобразование Фурье
бортовой радиотехнический комплекс
взаимокорреляционная обработка
вероятностно-времен н ые хара ктеристи ки
волоконно-оптическая линия связи
время радиовидимости
высокоэллиптическая орбита
геостационарная орбита
гибридно-зеркальная антенна
дистанционное зондирование Земли
дециметровые волны
диаграмма направленности
диаграммо-образующая схема
Европейское космическое агентство
звуковое вещание
зона обслуживания
зона радиовидимости
земной ретранслятор
земная станция
земная станция-терминал
искусственный спутник Земли
информационно-энергетическая эффективность
космический аппарат
контурная диаграмма направленности
коэффициент направленного действия
каналообразующая аппаратура
лампа бегущей волны
линия спутниковой связи
мобильные абонентские земные станции
множественный доступ
множественный доступ с временным разделением
множественный доступ с кодовым разделением
721
мдпкт
МДПР
МДЧР
МКС
мл
МЛА
млз
ммв
ммссс
ммт
МПУ
мси
мсс
мссс
мсэ
мчм
МШУ
нгсо
но
НГ1
НР
ог
озс
окн
ОНР
ООП
ОЧР
ПАВ
ПерСС
пз
пич
пл
пн
ппм
ПС
псп
псс
пт
пч
РВ
РЗС
рр
РСС
РТР
РУ
РЧ
множественный доступ с предоставлением каналов по требова¬
нию
множественный доступ с пространственным разделением
множественный доступ с частотным разделением
многоцелевая космическая система
межспутниковая линия
многолучевая антенна
многолучевые замирания
миллиметровые волны
мультимедийная система спутниковой связи
многомодовый мобильный терминал
многоканальное приемное устройство
межсимвольные искажения
мобильная спутниковая связь
многоспутниковая система связи
Международный союз электросвязи
многочастотная манипуляция
малошумящий усилитель
негеостационарная орбита
низкоорбитальная (система)
населенный пункт
наземный ретранслятор
орбитальная группировка
оконечная земная станция
один канал на несущую
общий нелинейный ретранслятор
оконечное оборудование пользователя
орбитально-частотный ресурс
поверхностные акустические волны
персональная спутниковая связь
помехозащищенность
повторное использование частот
перенацеливаемый луч
полезная нагрузка
плотность потока мощности
пропускная способность
псевдослучайная последовательность
подвижная спутниковая служба
пользовательский терминал
промежуточная частота
радиовещание
региональная земная станция
Регламент радиосвязи
вещательная (радио) спутниковая служба
ретранслятор
рабочий участок, решающее устройство
радиочастота
722
САЗС
СИМ
скк
смв
снзв
снтв
со
спд
спсс
СР
ССС
сссэо
сэо
ТВ
ти
тмт
ттх
УЗС
УМ
УС
УСКП
УСО
ФАПЧ
ФАР
ФЛ
ФМ
ФСС
ФЧХ
ЦАП
ЦСИС
ЦЗСДС
ЦУС
ЦУП
чвм
чин
ШБА
шдн
эиим
эмвос
эмс
эо
эп
ЕСЭ
эчп
стационарные абонентские земные станции
система инструментального мониторинга
сигнально-кодовая конструкция
сантиметровые волны
система непосредственного звукового (радио) вещания
система непосредственного телевещания
среднеорбитальная (система)
система передачи данных
система подвижной спутниковой связи
спутниковый ретранслятор
система спутниковой связи
система спутниковой связи с эллиптической орбитой
средняя эллиптическая орбита
телевизионное вещание
телекоммуникационная инфраструктура
труднодоступные и малонаселенные территории
тактико-технические характеристики
узловая земная станция
усилитель мощности
удельная стоимость
узловая станция коллективного пользования
удельная стоимость обслуживания
фазовая автоподстройка частоты
фазированная антенная решетка
фиксированный луч
фазовая манипуляция
фиксированная спутниковая служба
фазо-частотная характеристика
цифроаналоговое преобразование
цифровая система с интеграцией служб
центральная земная станция
центр управления связью
центр управления полетом
частотно-временная матрица
час наибольшей нагрузки
широкоугольная бортовая антенна
ширина диаграммы направленности
эффективная изотропная излучаемая мощность
эталонная модель взаимодействия открытых систем
электромагнитная совместимость
эллиптическая орбита
энергетический потенциал
единая система электросвязи
энерго-частотный потенциал
723
Научно-техническое издание
Камнев Евгений Федорович
Аболиц Аркадий Израилович
Акимов Александр Анатольевич
Белов Александр Сергеевич
Бобков Владимир Юрьевич
Пелехатый Михаил Иванович
СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОЙ связи
С ЭЛЛИПТИЧЕСКИМИ ОРБИТАМИ,
РАЗНЕСЕНИЕМ ВЕТВЕЙ И АДАПТИВНОЙ ОБРАБОТКОЙ
15ВЫ 978-5-903185-37-5
Компьютерная верстка и дизайн обложки М. Кадилина, Ю. Яковлев
Подписано в печать 20.04.2009г.
Формат 70x100/16. Объём 45,25п.л.
Тираж 1000 экз. Заказ №138
Отпечатано ООО «Миттель Пресс»
127254, г. Москва, ул. Руставели, д. 14, стр.6.
Тел./факс 619-08-30
е-шаП: 1тие1ргез5@таП.ги
\у\у\у.пние1рге55. ги