Спутниковые системы связи Часть 2 Профессор кафедры радиотехнических

Спутниковые системы связи Часть 2 Профессор кафедры радиотехнических систем, д. т. н. Юрий Павлович Акулиничев

ТУСУР Спутниковые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 2 Антенны ССС Основные характеристики антенны Диаграмма направленности (ДН) и коэффициент направленного действия (КНД) . Ширина ДН по уровню половинной мощности в горизонтальной Δα 0, 5 и вертикальной Δβ 0, 5 плоскостях, при этом приближенно Δα 0, 5 Δβ 0, 5 GA=1. Эффективная площадь апертуры , коэффициент использования апертуры (для рупорных и параболических антенн) . Относительный уровень j-го бокового лепестка cj (по отношению к главному лепестку) и относительный суммарный уровень всех боковых лепестков c. ДН по кроссполяризации и коэффициент развязки по кроссполяризации.

ТУСУР Спутниковые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 3 Антенны ССС Типы однолучевых антенн Однозеркальная Двухзеркальная (Кассегрена) Однозеркальная с вынесенным облучателем Фазированая антенная решетка (ФАР) Примечание: в приемной антенне малошумящий усилитель (МШУ) монтируется непосредственно за облучателем

ТУСУР Спутниковые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев Антенны ССС Типы многолучевых антенн 1. Параболическая с несколькими облучателями, вынесенными из фокуса 2. Линзовая (с рупорными облучателями) 3. Антенная решетка. 4. Параболическая зонтичного типа. 4

ТУСУР Спутниковые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 5 Антенны земных станций Основные характеристики антенн станций ФСС КНД от 30 до 70 д. Б. Диаметр зеркала от 1 -2 до 25 -32 м. Коэффициент использования апертуры 0, 5 -0, 6 для параболических антенн, 0, 7 -0, 75 для антенны Кассегрена на одной частоте и 0, 6 -0, 7 в диапазоне частот. Относительный уровень боковых лепестков обычно -(17 -20)д. Б и до -(25 -30)д. Б, суммарный уровень боковых лепестков обычно -(8 -9)д. Б. коэффициент развязки по кроссполяризации обычно (20 -25)д. Б и до (30 -32)д. Б. СКО от расчетной формы зеркала примерно 1, 5 мм для антенн диаметром 25 м и 0, 3 мм для антенн диаметром 2, 5 м. Примеры: 1. ЗС ССС “Орбита” – короткофокусная, диаметр зеркала - 12 м, контррефлектора – 1, 2 м, рупорный облучатель, ширина ДН - 24 и 16 угловых минут, полноповоротная, слежение за ИСЗ путем конического сканирования. 2. ЗС ССС “Москва” – короткофокусная (фокусное расстояние – 0, 75 м), диаметр зеркала – 2, 5 м, облучатель – двухзаходная логарифмическая спираль, фидер – коаксиальный кабель. 3. Антенна фирмы NEC – диаметр зеркала - 32 м, лучеводный тракт, длина пути от облучателя до контррефлектора – 30.

ТУСУР Спутниковые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев Антенны земных станций 6

ТУСУР Спутниковые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 7 Антенны ССС Лучеводный тракт антенны ЗС 2 1 – зеркало параболической антенны 2 – контррефлектор 3 -6 – зеркала 7 - облучатель 1 3 6 7 4 5 1. Малые потери (около 0, 25 -0, 30 д. Б) При использовании зеркал размером (30 -40)λ. 2. Хорошая поляризационная развязка. 3. Недостаток – высокая стоимость.

ТУСУР Спутниковые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 8 Опорно-поворотное устройство антенны ЗС Два вида: 1. Полноповоротное (α = 0 -360 о, β = 0 -90 о или 0 -60 о). Наиболее простая, но возможно появление мертвой воронки при углах, близких к зенитному. 2. Неполноповоротное, наведение в пределах 3 -5 о для работы с геостационарными ИСЗ. Схема XZ - наиболее простая, но возможно появление мертвой воронки при углах, близких к зенитному. Схема XZ Схема XY Системы наведения антенны ЗС на ИСЗ 1. Поиск и наведение вручную. 2. Программное наведение и слежение по известным координатам ИСЗ. 3. Слежение при помощи экстремального автомата. 4. Слежение методом конического сканирования.

ТУСУР Спутниковые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев Бортовые антенны 1. С глобальным охватом видимой земной поверхности с геостационарного ИСЗ. Ширина ДН – 17 - 19 о, КНД – 18 - 20 д. Б. 2. Узконаправленные. Ширина ДН – 1 - 5 о, КНД – 33 - 45 д. Б. Типы антенн 1. Широкодиаграммные параболические (ИСЗ “Молния -1”) либо рупорные (ИСЗ “Молния -2”). 2. Остронаправленные параболические (ИСЗ “Горизонт”, ИСЗ “Экспресс”), ФАР (ИСЗ “Экран”) – около 100 спиральных облучателей, линзовые (ИСЗ “Интелсат - 6”) – около 150 рупорных облучателей, разделенных на 6 групп для 6 зон обслуживания, диаметр линзы – 3, 2 м. . 9

ТУСУР Спутниковые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 10 Бортовая аппаратура ИСЗ Условия на борту. 1. Глубокий вакуум. Давление воздуха составляет 10 -12 атм на высоте 1000 км и 10 -19 атм на высотах свыше 10000 км. 2. Невесомость. Следствие – отсутствие конвекции воздуха, поэтому отвод излишнего тепла только за счет теплопроводности элементов конструкции и излучения. 3. Сублимация твердых материалов (испарение без перехода в жидкую фазу), особенно при нагревании. 4. Интенсивное испарение смазки. 5. Изменение характеристик прочности материалов (сталь, молибден – улучшаются, алюминий, магний – ухудшаются). 6. Облучение: - Радиационное (протоны, нейтроны, гамма-лучи, рентгеновские лучи и др. ) повышается удельное сопротивление материалов, снижаются пластичность и вязкость. - Тепловое. 7. Широкий диапазон колебаний температуры ИСЗ (от -150 о. С до +60 о. С). 8. Наличие собственной загрязненной атмосферы ИСЗ толщиной порядка нескольких метров, что увеличивает возможность появления коронного разряда. 9. Наличие пленки загрязнений, что увеличивает возможность появления пробоя.

ТУСУР Спутниковые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 11 Бортовая аппаратура ИСЗ Способы размещения радиоэлектронной аппаратуры 1. В герметизированном контейнере, заполненном воздухом при давлении 1, 5 атм и содержащим электровентилятор, внутренний радиатор системы жидкостного охлаждения, трубопроводы с помпой. Вне контейнера размещается внешний радиатор, отдающий тепло путем его излучения. Входные МШУ приемника и усилитель мощности передатчика размещаются вне контейнера вблизи антенн. Способ, традиционный для СССР. 2. Бесконтейнерное размещение. Способ, традиционный для США и Европы. 3. Типы ретрансляторов 1. Гетеродинного типа с двойным преобразованием частоты (ИСЗ “Молния”, “Экран”, ”Радуга”, ”Горизонт”). 2. С однократным преобразованием частоты (ИСЗ “Интелсат-4”, “Интелсат-5” и др. ). 3. С демодуляцией (регенерацией) цифрового сигнала на борту. 4. С многолучевыми антеннами и коммутацией сигналов на борту (ИСЗ “Иридиум”).

ТУСУР Спутниковые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев Ретранслятор ИСЗ “Молния-1” 8 12

ТУСУР Спутниковые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 14 Элементы бортовых ретрансляторов Входные малошумящие усилители (МШУ) 1. 2. 3. 4. Транзисторные. На туннельном диоде. На лампе бегущей волны. Параметрический усилитель. Выходные усилители мощности передатчиков 1. Транзисторные. 2. На лампе бегущей волны. 3. На клистроне. В последнее время общепринято использование в каждом стволе собственного приемопередатчика (транспондера), за исключением общих в каждом диапазоне приемных и передающих антенн и, возможно, МШУ. Имеется несколько десятков рабочих транспондеров (до 50 -60) и несколько резервных (до 10).

ТУСУР Спутниковые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 15 Вспомогательные системы ИСЗ 1. Система электропитания (солнечная батарея и аккумуляторы) мощностью 2 -3 и до 8 к. Вт. 2. Командные и телеметрические радиолинии. 3. Система коррекции орбиты на геостационарных ИСЗ (реактивные двигатели и запас топлива на борту на 15 лет). 4. Система датчиков для определения углового положения ИСЗ (оптических, магнитометрических). 5. Система стабилизации и ориентации ИСЗ в пространстве (гравитационная штанга, стабилизация вращением, микроэлектродвигатели с маховиками по трем перпендикулярным осям).

ТУСУР Спутниковые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев Наземные технические средства Классификация земных станций 1. Наземный комплекс управления космическими аппаратами 2. Центр космической связи (ЦКС) 3. Центральная станция 4. Станция первого класса 5. Станция второго класса 6. Перевозимая ЗС 7. Земная станция ССС с подвижными объектами 8. Установка индивидуального приема ТВ и радиовещания 16

ТУСУР Спутниковые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 17 Наземные технические средства В состав ФГУП "Космическая связь" (ГПКС) входят Центры космической связи (ЦКС) "Медвежьи Озера", "Дубна" и "Владимир" и Технический Центр "Шаболовка", объединенные общей волоконно-оптической цифровой сетью, а также ЦКС "Сколково", "Железногорск" и "Хабаровск". Наземный комплекс управления космическими аппаратами Сегодня управление спутниками серии «Экспресс-А» и аппаратами серии «Экспресс-АМ» осуществляется средствами комплекса. Для повышения надежности управления новыми космическими аппаратами в ФГУП "Космическая связь" развернут собственный современный единый наземный комплекс управления спутниками гражданского назначения (НКУ). Управление спутниками осуществляется средствами НКУ, расположенными в Центрах космической связи "Дубна", "Владимир" и "Железногорск". Центр управления полетами расположен в Техническом центре "Шаболовка" в Москве. Для орбитальных измерений, мониторинга стволов ретрансляторов, а также допуска земных станций создана автоматизированная система мониторинга и измерения параметров спутниковых бортовых ретрансляционных комплексов (АСМИ). Спутник "Бонум-1" управляется из центра управления полетом ЦКС "Сколково".

ТУСУР Спутниковые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 18 Технический центр (ТЦ) "Шаболовка", расположенный в центральной части Москвы, является центром коммутации волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), соединяющих центры космической связи (ЦКС) ГПКС (ЦКС "Дубна", ЦКС "Владимир" и ЦКС "Медвежьи Озера") с международными центрами коммутации, расположенными в Москве (М-5, М-10, ГЦУ МС). ГПКС имеет свою разветвленную сеть ВОЛС: ТЦ "Шаболовка" - МТС-5 155 Мбит/с; ТЦ "Шаболовка" - МТС-10 622 Мбит/с; ТЦ "Шаболовка" - ГЦУ МС 622 Мбит/с; ТЦ "Шаболовка" - ЦКС "Дубна" 622 Мбит/с; ТЦ "Шаболовка" - ЦКС "Владимир" 622 Мбит/с; ТЦ "Шаболовка" - ЦКС "Медвежьи озера" 622 Мбит/с.

ТУСУР Спутниковые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 19 Центр космической связи (ЦКС) "Дубна" работает с 1980 года и является одним из крупнейших телепортов России. Традиционной для ЦКС "Дубна" является организация спутниковых каналов связи и телерадиовещания, а также обеспечение работы линий правительственной связи. ЦКС "Дубна" обеспечивает организацию каналов сети общего пользования взаимоувязанной сети связи России и выход на международные направления (в основном, на США и Западную Европу). На базе ЦКС "Дубна" работает сеть малых станций VSAT производства компании "NEC", построенная по звездообразному принципу. Сеть организована на спутнике связи "Экспресс-6 А" в точке стояния 80° в. д. Центральная станция сети выполняет роль управляющей станции, компьютеры которой определяют частоту и мощность излучаемых сигналов каждой периферийной станции. В конце 2000 года сеть насчитывала 30 станций, в основном, поставленных по госзаказу в те населенные пункты, где требовалось срочно установить телефонную связь между центром региона и Москвой. ЦКС "Дубна" выполняет мониторинг загрузки 24 -х стволов на геостационарных спутниках ГПКС с помощью разработанной в центре компьютерной программы расчета частотного плана загрузки транспондеров. В Центре эксплуатируются три станции, совмещающие функции приемопередающей и контрольной станций, и четыре станции, выполняющие исключительно функции контроля. На территории ЦКС "Дубна" установлены три станции, построенные для мониторинга загрузки иностранных спутников "Intelsat 60 Е", "Eutelsat W 4" и "LMI-1". В настоящее время идет процесс расширения услуг мониторинга на другие спутники систем "Intelsat" и "Eutelsat".

ТУСУР Спутниковые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 20 Центр космической связи (ЦКС) "Владимир" функционирует с 1971 года является одним из крупнейших телепортов России и обеспечивает все виды международной, междугородной и зоновой спутниковой связи. ЦКС "Владимир" объединяет 12 приемопередающих земных станций спутниковой связи с антеннами диаметром 25, 12, 7, 5 метров и менее, имеющих системы точного наведения и автосопровождения. На сегодняшний день ЦКС "Владимир" осуществляет: - передачу 12 -ти телевизионных программ и 16 -ти радиовещательных программ на пять часовых поясов России и стран СНГ через спутники "Горизонт" и "Экспресс" в точках стояния 11° з. д. и 40°, 53°, 80°, 96, 5°, 103° в. д. ; - обмен видеоинформацией между Москвой и другими городами России по 4 -м спутниковым телевизионным каналам; - передачу изображения газетных полос по 4 -м спутниковым каналам; - коммутацию телефонных линий связи с городами стран СНГ и дальнего зарубежья, городами Дальнего Востока, Сибири, Кавказа и Севера России общей емкостью более 30000 к. Бит/с; - прямую телефонную связь между Президентами России и США по каналам правительственной связи. ЦКС "Владимир" связан с Международным коммутационным центром в Москве наземными радиорелейными линиями, кабельными и волоконно-оптическими линиями связи.

ТУСУР Спутниковые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 21 Центр космической связи (ЦКС) "Медвежьи Озера" организован в 1967 году и, являясь одним из крупнейших телепортов в России, имеет в своем распоряжении широкие функциональные возможности по организации спутниковых каналов связи. ЦКС "Сколково" образован в октябре 2003 года. Сегодня Центр обладает современным комплексом оборудования для организации цифрового спутникового вещания. Основным направлением деятельности ЦКС "Сколково" является обеспечение трансляции отечественных и зарубежных телерадиопрограмм через спутники непосредственного телевизионного вещания "Eutelsat W 4" (36° в. д. ) и "Бонум-1" (56° в. д. ) на территорию Европейской части России, Урала и Сибири. Между ЦКС "Сколково" и ТТЦ "Останкино" организована волоконно-оптическая линия связи. В ЦКС "Сколково" создан центр управления полетами (ЦУП) спутника "Бонум-1", который позволяет обеспечивать управление и мониторинг несколькими космическим аппаратами, созданными на базе платформы HS 376. Также ведутся работы по созданию центра управления полетами малых спутников связи. Планируется, что первым таким космическим аппаратом станет создаваемый казахский спутник "Kazsat".

ТУСУР Спутниковые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 22 ЦКС “Железногорск” организован в апреле 2004 года как опорный пункт восточной части космической группировки ГПКС. Технический комплекс ЦКС "Железногорск" позволяет осуществлять управление и мониторинг спутников связи в орбитальных позициях от 32° до 154° в. д. , обеспечивать приемные испытания и мониторинг полезной нагрузки С- и Ku-диапазонов спутников ГПКС, обеспечивать правительственную связь в восточном регионе Российской Федерации, а также организовывать каналы спутниковой связи на территории Сибирского федерального округа. Автоматизированная система мониторинга и орбитальных измерений (АСМИ), созданная в рамках реализации программы обновления спутниковой группировки ГПКС, обеспечивает возможность одновременного слежения за 5 -ю спутниками серии "Экспресс. А" и "Экспресс-АМ". Резервный центр управления полетом обеспечивает контроль и управление спутниками на всех этапах жизненного цикла после запуска, а также поддерживает центр управления полетами "Eutelsat" в случае нештатных ситуаций на этапе эксплуатации спутника "Sesat". ЦКС “Хабаровск” образован в 2004 году. Земные станции, развернутые в ЦКС "Хабаровск", используется для организации спутниковых каналов связи через спутник "Экспресс-А" (80° в. д. ).

ТУСУР Спутниковые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 23 Контрольно-измерительный комплекс для управления спутниками “Молния” системы “Орбита” (ЦКС “Железногорск”)

ТУСУР Спутниковые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 24 Контрольно-измерительный комплекс для управления спутниками “Молния” системы “Орбита” (ЦКС “Железногорск”)

ТУСУР Спутниковые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев 25 Синхронизация в ССС Необходима общая синхронизация ретранслятора и всех земных станций в системах МДВР. Требуемая точность синхронизации от 1 мс до единиц мкс в течении суток и даже месяцев. Относительное СКО частоты от ее среднего значения за время Т для лучших стандартов (генераторов) частоты Т Водородный Цезиевый 1 с 1 мин 1 час 1 сут 5· 10 -13 6· 10 -14 1· 10 -14 6· 10 -15 3· 10 -12 8, 5· 10 -13 2· 10 -14 Методы синхронизации 1. По опорному времени спутника 2. По опорному сигналу центральной земной станции (ЦЗС) 1. 3. По сигналам навигационного ИСЗ