KazSat-2 - KazNTU SANDYK

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ
КАЗАХСТАН
Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева
Институт информационных и телекоммуникационных технологий
УДК 621.396.946 (043)
На правах рукописи
Катренова Жанерке Какенкызы
МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ
На соискание академической степени магистра
Название
диссертации
Исследования
проблем
электромагнитной
совместимости
систем
спутниковой связи
Направление подготовки 6M071900 - «Радиотехника, электроника и
телекоммуникация»
Научный руководитель, канд.
физ.-мат. наук, доцент
________В.С. Хачикян
«__» _______2014 г.
Оппонент,
канд. техн. наук, доцент ________Е.А.
Бахтиярова
«__» __________2014 г.
ДОПУЩЕН К ЗАЩИТЕ
Заведующий кафедрой РЭТ,
канд. техн .наук, доцент
_________ А.О. Касимов
Нормоконтроль,
старший преподаватель
________Г.М. Байкенова
1
«__» _______ 2014 г.
«__» _______ 2014 г.
Алматы 2014
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ
КАЗАХСТАН
Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева
Институт информационных и телекоммуникационных технологий
Кафедра радиотехники, электроники и телекоммуникации
6М071900 - Радиотехника, электроника и телекоммуникация
УТВЕРЖДАЮ
Заведующий
кафедрой РЭТ,
канд. техн. наук, доцент
А.О. Касимов
«__» _______ 2014 г.
ЗАДАНИЕ на выполнение магистерской диссертации
Магистранту Катренова Жанерке Какенкызы
Тема: Исследования проблем электромагнитной совместимости систем
спутниковой связи.
Утверждена приказом ректора университета № от " "
2014г.
Срок сдачи законченной диссертации
«__»________________________________
Исходные данные к магистерской диссертации: Исходные данные для
расчета: долгота земной станциий в г. Атырау равна 51°55' в.д.; а широта
47°6' с.ш.,широта и долгота ЗС в г. Алматы – 43°14' с.ш. и 76°58' в.д.; точка
стояния КА «KazSat-2» на ГСО 86,5° в. д., точка стояния ИСЗ «KazSat-3»
58,5° в.д.. Для примера опреления координации были даны одинаковые
спутниковые системы, работающих в диапазонах частот 6/4
2
ГГц, топоцентрические углы равны и составляют . Антенны ЗС имеют
диаметр, определяющий значение параметра . Максимальная плотность
мощности сигнала ЗС ; максимальная плотность мощности сигнала КС ,
коэффициент передачи (дБ) спутниковой линии от входа приемника КС до
входа приемника ЗС
; эквивалентная шумовая температура спутниковой
линии
потери передачи на участке вверх (ЗС – КС) потери передачи в
свободном пространстве на участке вниз
(ЗС – КС) )
.
Перечень подлежащих разработке в магистерской диссертации вопросов:
а) Обзор системы радиосвязи и их развития;
б) Принципы построения ССС и их функции;
в) Анализ
проблемы
электромагнитной
совместимости
систем
радиосвязи
г) Исследование показателей ЭМС устройств и их элементов;
д) Исследование электромагнитной обстановки;
е) Технические меры обеспечения ЭМС спутниковых систем связи на ГСО;
ж) Расчет определения необходимости проведения координации между двумя
одинаковыми системами;
з) Расчет угла места и азимута земных станций, расположенных на
территорий РК;
и) Приложение А - Карта разделения мира по районом с целью
распределения частот;
к) Приложение Б - Условия определения требований по координации;
л) Приложение В - Зона покрытия ИСЗ «KazSat-2»;
м) Приложение Г - Характеристика восприимчивости к помехам
супергетеродинного приемника.
Перечень графического материала (с точным указанием обязательных
чертежей):
а) принципиальная схема спутниковой системы связи;
б) помеховое взаимодействие двух геостационарных спутниковых систем;
в) схема установки приемо-передающего тракта с помощью
приемопередатчиков фирмы Agilent;
г) электромагнитная обстановка в ТОО «Отан-Секьюрити» на диапазоне
частот 30 – 500 МГц.
Рекомендуемая основная литература:
1
Хачикян В. С., Катренова Ж.К., Сагындык А. Б. Анализ
электромагнитной совместимости средств связи // «Высокие технологии –
3
залог устойчивого развития» Труды II-международной научной конференции
- Алматы: КазНТУ имени К.И. Сатпаева, 2013.
2
Хачикян В.С., Катренова Ж. К., Сагындык А. Б. Определения
необходимости координации систем спутниковой связи на геостационарной
орбите // Труды Международных Сатпаевских чтений «Роль и место молодых
ученых в реализации стратегии «Казахстан-2050», посвященных 80летию
КазНТУ имени К.И. Сатпаева III том, 2014. - ISBN 978-601-228-657-1. – С. 133136.
3
Бузов А.Л., Быховский В.В. Основы управления использованием
радиочастотного спектра. Т-2: Обеспечение электромагнитной совместимости
радиосистем/под ред. М.А. Быховского. – М.: КРАСАНД, 2012.
4
Электромагнитная совместимость систем спутниковой связи. Под
ред. Л. Я. Кантора и В. В. Ноздрина. – НИИР, 2009.
ГРАФИК
подготовки магистерской диссертации
Наименования
разделов, перечень
разрабатываемых
вопросов
Теоретическая часть
Расчетная часть
Экспериментальная
часть
Сроки представления
научному руководителю
и консультантам
Примечание
Подписи
консультантов и нормоконтролера на законченную магистерскую
диссертацию с указанием относящихся к ним разделов диссертации
Наименования
разделов
Научный
руководитель,
консультанты, И.О.Ф.
(уч. степень, звание)
Технологический
раздел
В.С.Хачикян канд.
физ.-мат. наук,
доцент
4
Дата
подписания
Подпись
Специальный
раздел
Нормоконтролер
В.С.Хачикян канд.
физ.-мат. наук,
доцент
Г.М. Байкенова
старший преподаватель
Научный руководитель _______________________________ Хачикян В.С.
Задание принял к исполнению обучающийся _______________ Катренова
Ж.К.
Дата
АННОТАЦИЯ
«__»________ 2014 г
Магистерская диссертация на тему «Исследования проблем
электромагнитной совместимости систем спутниковой связи». Работа состоит
из пояснительной записки и презентации. Пояснительная записка содержит 88
листов, 11 таблиц и 24 рисунков. Содержание магистерской диссертации
представлена в виде презентаций.
Цель работы: исследования проблем электромагнитной совместимости
спутниковых систем связи, а также определения необходимости координации
спутниковых систем.
В данной работе приводится:
1)
обзор литературы по ЭМС радиоэлектронных средств
спутниковых систем связи, а также обзор уже имеющихся методик проведения
ЭМС, организационные и технические меры обеспечения ЭМС;
2)
рассчитано расстояние между двумя спутниками «KazSat-3» и
«KazSat-2»;
3)
рассчитаны углы места и наклонная дальность ЗС, расположенных
в городах Алматы и Атырау Республики Казахстан;
4)
рассчитано затухание сигнала в свободном пространстве на линий
вверх и вниз, касательно до КА «KazSat-3»;
5
5)
проведен расчет определения необходимости проведения
координации между двумя одинаковыми системами;
6)
проведен эксперимент с помощью приемопередатчиков, с целью
определение некоторых характеристик приемников.
АҢДАТПА
«Жерсеріктік байланыс жүйесінінің электромагнитті үйлесімділік
мәселелерін зерттеу» тақырыбындағы магистерлік диссертация. Жұмыс
түсіндірме жазбадан және презентациядан тұрады. Түсіндірме жазба 88
беттен, 11 кестеден және 24 суреттен тұрады. Магистерлік диссертация
мазмұны презентация түрінде келтірілген.
Жұмыс мақсаты: жерсеріктік байланыс жүйесінінің электромагнитті
үйлесімділік мәселелерін зерттеу және жерсеріктік байланыс жүйелерін
координациялау жүргізу қажеттілігін анықтау.
Жұмыста келесі мәселелер қарастырылған:
1)
жерсеріктік байланыс жүйесіндегі радиоэлектронды құралдардың
электромагнитті үйлесімдігі бойынша, сонымен қоса электромагнитті
үйлесімділік шараларын жүргізудің тәжірибеде бар әдістестемелеріне және
электромагнитті үйлесімділікті қамтамасыз етудің ұйымдастырушылық және
техникалық щараларына шолу;
2)
«KazSat-3» және «KazSat-2» жерсеріктерінің геостационарлы
рбитадағы арақашықтарын есептелген;
3)
Қазақстан Республикасының территориясындағы Алматы және
Атырау қалаларындағы жерлік станцияларының орналасу бұрышы мен
жерсерікке дейінгі көлбеу қашықтығы есептелген;
4)
жер бетіндегі станциядан «KazSat-3» жерсерігіне дейінгі және
керісінше жолдағы еркін кеңістікте сөну шамасы есептелінген;
5)
біртектес жерсеріктері
арасында координациялау
жүргізу
қажеттілігі анықталған;
6)
қабылдағыштардың кейбір қасиеттер түсіну мақсатымен тәжірибе
жүргізілген.
ANNOTATION
Master's degree dissertation on «Researches on electromagnetic compatibility
problems of satellite communication systems». The work consists of explanatory
6
note and presentation. Explanatory note contains 88 sheets, 11 tables and 24 figures.
Contents of the master's master's degree dissertation is presented in the form of
presentation.
Objective: To study the electromagnetic compatibility of satellite
communication systems, as well as determining the need for coordination of satellite
systems.
In this paper we present:
1)
review the literature on EMC electronic means of satellite
communication systems, as well as an overview of existing techniques for EMC,
organizational and technical measures of EMC;
2)
the distance between two satellites «KazSat-3" and «KazSat-2" was
calculated;
3)
elevation angles and slope distance SSC located in Almaty and Atyrau
in the Republic of Kazakhstan were calculated;
4)
signal attenuation in the headspace for uplink and down on to SC
«KazSat-3» was calculated;
5)
calculation determining the need for coordination between the two
identical systems;
6)
an experiment using transceivers was conducted to determine some
characteristics of receivers.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
10
1
Обзор научно-технического материала по проблеме 12
электромагнитная совместимость
1.1
Системы радиосвязи и их развитие
12
1.1.1
История развития спутниковых систем
14
1.1.2
Службы радиосвязи,
использующие спутники
на
15
геостационарной орбите
1.2
Принципы построения ССС и их функции 17
1.2.1
Радиотехнические показатели систем спутниковой связи
18 1.2.2
Системы
спутниковой
связи
при
использовании ИСЗ с
20 различной высотой орбиты.
1.3
Анализ проблемы электромагнитной совместимости систем
24 радиосвязи
7
Исследование показателей ЭМС устройств и их
элементов
24
1.3.1.1 Характеристики радиопередающих устройств,
влияющих на 25 ЭМС
1.3.1.2 Характеристики антенн, влияющих на ЭМС 28 1.3.2
Исследование электромагнитной обстановки 29
1.3.3
Исследование выполнения ЭМС в конкретной группе 31 средств.
1.4
Организационные и
технические
меры обеспечения
32 ЭМС ССС
1.4.1
Международно-правовая защита частотных присвоений
34
1.4.2
Технические меры обеспечения ЭМС спутниковых
систем 35 связи на ГСО
1.4.2.1 Пространственная избирательность антенн ЗС
36 1.4.2.2 Пространственная избирательность
бортовых антенн КС
37
1.4.2.3 Точность удержания КС в расчетной позиции ГСО
40
1.4.2.4 Применение поляризационного уплотнения сигналов в 40
СССВ
1.4.2.5 Применение малочувствительных к помехам сигналы 41 1.4.2.6
Освоение новых высокочастотных диапазонов в СССВ 42
1.4.2.7 Обеспечение однородности СССВ и гармонизация норм на
43
допустимые взаимные помехи между СССВ
2
Расчет энергетических характеристик линии спутниковой
45
системы связи
2.1
Создание Казахстанской группировки спутников связи 46
2.2
Расчет расстояния между двумя спутниками «KazSat-2» и
47
«KazSat-3»
2.3
Расчет угла места и азимута земных станций, расположенных
49 на территорий РК
2.4
Расчет затухания уровня сигнала в свободном пространстве
52
3
Определения необходимости координации геостационарных 54
спутниковых систем связи
3.1
Расчет определения необходимости проведения координации
60 между двумя одинаковыми системами
4
Анализ характеристик радиоприемных устройств, влияющих 63
ЭМС РЭС
1.3.1
8
Каналы приема радиоприемных устройств 63 4.2 Основные
характеристики радиоприемных устройств, 65 влияющих ЭМС
РЭС
4.3
Измерение параметров радиоприемного устройства
69
4.1.1
Описание радиоприемников, радиопередатчиков и
антенн, 70 используемые в эксперименте
4.1.2
Проведение эксперимента с целью определения свойств
74
радиоприемников
Заключение
80
Список использованной литературы
81
Приложение А
84
Приложение Б
85
Приложение В
87
Приложение Г 88 ВВЕДЕНИЕ
4.1
Актуальность. В настоящее время невозможно осуществить ни одну
электронную услугу без использования спутниковых технологий, будь это
электронная медицина, электронное дистанционное образование, или
электронное правительство.
Спутниковая связь – один из видов радиосвязи, основанный на
использовании искусственных спутников земли в качестве ретрансляторов.
Спутниковая связь осуществляется между земными станциями, которые могут
быть как стационарными, так и подвижными.
Постановлением Правительства РК от 29 сентября 2010 года № 983
утверждена Программа по развитию информационных и коммуникационных
технологий в Республике Казахстан на 2010-2014 годы. Целью программы
является переход Республики Казахстан к информационному обществу и
инновационной экономике. В решении ряда важных задач было б просто
невозможно без развитой национальной сети спутниковой связи, как «KazSat3» и «KazSat-2», выведенных на геостационарную орбиту и
обеспечивающихся покрытие примерно всей территории Казахстана.
Использование в спутниковых системах связи геостационарных орбит
(ГО) обеспечивает следующие достоинства:
–
связь осуществляется непрерывно, круглосуточно, без переходов
с одного искусственного спутника Земли на другой и без необходимости
отслеживания антеннами положения спутника;
9
–
обеспечивается постоянное значение ослабления сигнала на
трассе между земной станцией и спутниковым ретранслятором, поскольку
расстояние от ИСЗ до ЗС имеет стабильное значение;
–
практически отсутствует доплеровский сдвиг частоты сигнала,
излучаемого ИСЗ;
–
зона видимости геостационарного спутника — около трети земной
поверхности, что обуславливает возможность создания глобальной системы
связи при использовании трех ИСЗ.
Необходимо отметить, вопреки вышеперечисленным особенностям,
геостационарная орбита является в настоящее время наиболее востребованной
и загруженной. Естественно высокая загрузка орбиты приводит к
возникновению помех между спутниковыми сетями. Спутник может создавать
помехи приемникам земных станций других спутниковых систем и наоборот.
Объектом исследований в диссертационной работе является РЭС
спутниковой системы, функционирующие в условиях помех от других систем.
Предмет исследований - методы обеспечения электромагнитной
совместимости спутниковых систем связи в условиях непреднамеренных
помех.
Целью работы является исследование проблемы электромагнитной
совместимости систем спутниковой связи.
Достижение поставленной цели осуществляется решением следующих
задач:
1)
расчет расстояние
между двумя спутниками
«KazSat-2» и «KazSat-3»;
2)
расчет угла места и азимута земных станций, расположенных на территорий РК;
3)
расчет затухание уровня сигнала в свободном пространстве;
расчет определения необходимости проведения координации
между двумя одинаковыми системами;
5)
проведение эксперимента с помощью определения
характеристик приемников.
Научная новизна диссертационной работы:
1)
рассчитан разнос между двумя спутниками, представляющие
впервые спутниковая группировка Республики Казахстан;
2)
рассчитаны углы места и наклонные дальности для ЗС,
расположенных в городах, Атырау и Алматы, для спутников «KazSat-3» и
«KazSat-2»;
Достоверность результатов работы подтверждается использованием
известных методик и рекомендаций МСЭ, а также результатами исследований
других авторов.
4)
10
Научная и практическая ценность. Предложенная методика
определения
необходимости
определения
координаций
позволяет
минимизировать перечень источников непреднамеренных радиопомех с
целью обеспечения электромагнитной совместимости. Расчет угла места и
наклонной дальности, и затухания уровня сигнала позволит выбрать более
оптимальный спутник на геостационарной орбите для определенного
спутника. Проведенный эксперимент на основе более простой модели приема–
передающего тракта дает возможность понять проблему ЭМС спутниковых
систем связи.
1 Обзор научно-технического материала по проблеме
электромагнитная совместимость
1.1 Системы радиосвязи и их развитие
С развитием телекоммуникации и систем радиосвязи, которые
оказывают огромное влияние на все слои общества, и на социальное,
культурное и экономическое развитие человечества, приобретают огромное
значение. И количества радиосистем, применяемых в разных областях
человеческой деятельности, все больше увеличивается.
Радиосвязь – разновидность беспроводной связи, при которой в качестве
носителя сигнала используются радиоволны, свободно распространяемые в
пространстве [1].
Различают два основных вида радиосвязи – космическую и наземную.
Космическая радиосвязь – это радиосвязь, в которой используется одна или
несколько космических радиостанций или один или несколько пассивных
спутников, или другие космические объекты. Наземная радиосвязь –
радиосвязь, в которой применяют радиостанции, находящиеся на поверхности
Земли и в основной части земной атмосферы, исключая космическую
радиосвязь и радиоастрономию. Спутниковая радиосвязь – это космическая
радиосвязь между земными радиостанциями, осуществляемая путем
ретрансляции радиосигналов через один или несколько спутников земли. Как
для наземных, так и для спутниковых радиосистем передачи информации
устанавливают принадлежность к той или иной службе связи [2].
Помимо принадлежности к той или иной службе и назначения,
классификация радиосистем может быть проведена и по другим признакам,
11
которые заложены в ее основу, например, по диапазону используемых частот,
виду линейного сигнала, виду модуляции несущей, способу разделения
каналов и т.д. В [3] более подробно расписан каждый вид. Кроме того, одним
из таких признаков является характер используемого физического процесса в
тракте распространения радиоволн. По этому признаку различают
радиорелейные системы (рисунок 1.1) передачи прямой видимости (РРСП)
(распространение радиоволн в тропосфере в пределах прямой видимости);
тропосферные радиорелейные системы передачи (ТРСП) (дальнее
тропосферное распространение радиоволн вследствие их рассеяния и
отражения в нижней области тропосферы при взаимном расположении
радиорелейных станций за пределами прямой видимости); ионосферные
системы передачи на декаметровых волнах (дальнее распространение
декаметровых волн за счет отражения от слоев ионосферы); космические
системы передачи (прямолинейное распространение радиоволн в
космическом пространстве и атмосфере Земли); ионосферные системы
передачи на метровых волнах (дальнее распространение метровых волн
благодаря рассеянию их на неоднородностях ионосферы), наземные системы
ВЧ, ОВЧ и УВЧ, работающие в приземных слоях атмосферы в диапазонах
частот от 30 до 3000 МГц и др. [3].
а - РРЛ прямой видимости; б - РРЛ тропосферная; в - Спутниковая
система передачи
Рисунок 1.1 – Принцип действия систем радиосвязи
Радиорелейные системы передачи прямой видимости и спутниковые
системы связи (ССС) по способу построения имеют много общего, поскольку
12
и в том, и в другом случаях используется прямолинейное распространение
радиоволн с ретрансляцией сигналов бортовым ретранслятором ИСЗ,
находящегося в пределах радиовидимости земных станций, между которыми
осуществляется радиосвязь, либо сигналов наземных радиостанций. Кроме
того и в РРСП, и в ССС применяют многоствольный принцип построения
ретрансляторов, обеспечивающий повышение пропускной способности,
надежности и значительное снижение экономических затрат. Близки также и
диапазоны частот, в которых работают эти системы. В частности,
большинство земных станций ССС работает в диапазонах 4/11 ГГц на прием и
6/14 ГГц на
передачу, а такие РРСП, как, например, "КУРС-8" и "Электроника-Связь11-Ц"
работают соответственно в диапазонах 7,9…8,4 и
10,7…11,7 ГГц [4].
Принцип действия систем спутниковой связи (ССС) основан на
использовании промежуточного спутникового ретранслятора (СР), через
который обеспечивается связь между земными станциями (ЗС).
1.1.1 История развития спутниковых систем
Если рассмотреть историю развития спутниковых систем, то середина
XX века ознаменована успехами ракетно-космической техники. Выдающуюся
роль в создании научных основ для этих успехов сыграл русский ученый К. Э.
Циолковский.
4 октября 1957 г. в СССР был осуществлен запуск первого в мире
искусственного спутника Земли, первого космического объекта, сигналы
которого принимались на Земле. Этот спутник положил начало космической
эры. Излучаемые спутником сигналы использовались не только для
пеленгации, но и для передачи информации о процессах на спутнике
(температура, давление и пр.). Эта информация передавалась путем изменения
длительности посылок, излучаемых передатчиками (широтно-импульсная
модуляция). 12 апреля 1961 г. в Советском Союзе впервые в истории
человечества осуществлен полет человека в космическое пространство.
Космический корабль «Восток» с летчикомкосмонавтом Ю. А. Гагариным на
борту был выведен на орбиту спутника Земли.
С момента запуска в СССР в 1957 г. первого Искусственного спутника
Земли (ИСЗ) возникла практическая возможность создания систем связи с
ретранслятором (пассивным или активным), расположенным на спутнике.
13
Эффективность такого размещения ретранслятора была уже к тому времени
очевидна, поскольку получили широкое распространение радиорелейные
линии связи прямой видимости с ретрансляционными станциями на высоких
башнях, а для увеличения дальности связи неоднократно осуществлялся
подъем ретранслятора на большую высоту с помощью самолетов и других
летательных аппаратов. В качестве космической ретрансляционной станции
ИСЗ оказался более удобным, чем другие средства подъема активного
ретранслятора, из-за большой (практически неограниченной) высоты,
длительного срока существования без заметных затрат энергии (спутник
движется по орбите как небесное тело), эффективной работы солнечных
батарей, не затеняемых атмосферными образованиями — облаками. Эти
преимущества оказались важнее, чем очевидный недостаток— высокая
стоимость вывода ИСЗ на орбиту. Большая высота космической станции
позволяет не только создать широкополосные линии связи прямой видимости
большой длины и большой емкости, но и осуществить непосредственную
связь через ИСЗ большого числа земных станций, расположенных в зоне
обслуживания этого ИСЗ [5].
Уже в начале шестидесятых годов были запущены первые спутники
связи — «Молния-1» (СССР, 1965 г.), «Тельстар» (США, 1962 г). Высокая
эллиптическая орбита ИСЗ «Молния-1» с высотой апогея около 40 000 км в
северном полушарии и наклонением к экватору около 65° оказалась удобной
для обслуживания зон, включающих в себя приполярные районы, и с успехом
используется до сих пор. Однако еще в 1945 г. английский инженер А. Кларк,
более известный сейчас как автор фантастических романов, предложил (повидимому, впервые) использовать для спутников связи геостационарную
орбиту, определил необходимую высоту этой орбиты (около 36 000 км над
поверхностью Земли) и показал, что трех геостационарных ИСЗ достаточно
для создания системы связи, охватывающей почти всю территорию земного
шара. Замечательная особенность спутника на геостационарной орбите
заключается в том, что он оказывается «неподвижно висящим» [5].
1.1.2 Службы радиосвязи,
геостационарной орбите
использующие спутники на
В соответствии с Регламентом радиосвязи [6] в зависимости от типа
размещения земных станций и назначения системы связи различают несколько
14
видов служб спутниковой радиосвязи, для каждой из которых используют
геостационарные ИСЗ.
Фиксированная спутниковая служба (ФСС) — служба радиосвязи через
космическую станцию (КС) на ИСЗ между земными станциями (ЗС),
расположенными в определенных (фиксированных) пунктах. Подвижная
спутниковая служба (ПСС) — служба радиосвязи между подвижными ЗС
через одну или несколько КС. В зависимости от того, где расположены ЗС
подвижной службы, различают морскую подвижную, воздушную подвижную,
сухопутную подвижную спутниковые службы. Разумеется, в системы связи
подвижной службы обычно входят одна или несколько стационарных ЗС,
выполняющих роль узла коммутации для взаимодействия с сетями
фиксированной службы, а также роль центра управления [7].
Радиовещательная спутниковая служба (ВСС) — служба радиосвязи, в
которой сигналы космических станций предназначены для непосредственного
приема населением. Непосредственным считается как индивидуальный, так и
коллективный прием сигналов от ИСЗ. При коллективном приеме программа
вещания доставляется абонентам с помощью той или иной наземной системы
распределения, кабельной или эфирной, с передатчиком малой мощности.
Межспутниковая служба, назначение которой очевидно из названия, в
основном будет использоваться для соединения сетей спутниковой связи,
работающих через различные ИСЗ, без дополнительного скачка через
транзитную ЗС.
Метеорологическая спутниковая служба использует ИСЗ (в том числе
геостационарные) для получения изображений земной поверхности, сбора и
распределения метеорологических, гидрологических и других данных.
Служба космических исследований использует ГО для размещения
исследовательских космических аппаратов: с нею связано использование
линий связи через геостационарные ИСЗ для передачи результатов научных
исследований, что, собственно говоря, относится к ФСС.
Для каждой из перечисленных служб Регламентом радиосвязи [8]
выделены полосы частот (как правило, совмещенные с другими службами
радиосвязи). Полосы частот, выделенные той или иной службе, различны для
направлений Космос – Земля и Земля – Космос; они также различны для
различных районов земного шара. Регламент различает три района – Район 1
(Европа, Африка, а также вся азиатская часть бывшего СССР и МНР), Район 2
(Америка), Район 3 – (Азия – без бывшего СССР, Австралия, Океания). В
приложении В показана карта разделения мира по районом с целью
распределения частот.
15
Распределение (полосы частот) – запись в таблице распределения частот
для некоторой полосы частот радиослужб, которым предоставлено право
использования данной полосы.
Выделение (полосы частот):
а) в международных документах – запись определенной полосы
частот и позиции на орбите в плане, принятом конференцией, для
использования конкретной администрацией или группой администраций;
б) в терминологии российской системы управления спектром –
выдача пользователю разрешения на использование полосы частот для
эксплуатации, а также разработки, производства или импорта
радиоэлектронных средств.
Присвоение (полосы частот или радиочастотного канала) это:
а) разрешение, выданное радиочастотным органом на использование
конкретного канала или полосы частот конкретным радиоэлектронным
средством при определенных условиях;
б) в международных документах запись определенной полосы частот и
позиции на орбите в списке систем или сетей, осуществивших на основании
плана необходимые процедуры и реализуемых конкретной администрацией
или группой администраций.
Регистрация заявленной системы (сети) радиосвязи или радиовещания –
запись системы (сети), успешно завершившей все необходимые процессы
заявления, координации и нотификации, в Международный справочный
регистр частот (МСРЧ).
Широко используемой на практике терминологией являются названия
диапазонов частот, используемых СССВ. Они представлены в таблице 1.1.
Таблица 1.1 – Названия диапазонов частот для СССВ
Наименование диапазона Полоса частот в ГГц L -диапазон
1,452-1,550 и 1,610-1,710
S - диапазон
1,93 - 2,70
C - диапазон
3,40 -5,25 и 5,725 - 7,075
X - диапазон
7,25 - 8,40
Ku - диапазон
10,70 - 12,75 и 12,75 - 14,80
Ka - диапазон
15,40 - 26,50 и 27,00 -30,20
16
1.2 Принципы построения ССС и их функции
Потребности человечества передавать по каналам связи большие потоки
информации привели к тому, что для радиосвязи пришлось использовать
высокочастотные сигналы. Такие сигналы, к сожалению, распространяются
только по прямой, в пределах прямой видимости. Поэтому при сооружении
линий радиосвязи пришлось размещать приемопередающие станции на
высоких опорах, а затем, если видимость не достигалась, – устанавливать
промежуточные приемопередающие ретрансляторы.
ИСЗ
Междугородная
телефонная
станция
Междугородная
телефонная
станция
ЗС
ЗС
Телецентр
Телецентр
Рисунок 1.2 – Спутниковая линия
Принцип спутниковых систем связи и вещания заключается в
размещении промежуточного ретранслятора системы связи на искусственном
спутнике Земли (ИСЗ) (рисунок 1.2). Такое решение создает ряд существенных
преимуществ. Выведенный на достаточно высокую орбиту спутник, в отличие
от самолета, движется в безвоздушном пространстве по инерции без затрат
энергии на это движение.
Энергоснабжение бортового ретранслятора и других систем спутника
осуществляется от солнечных батарей, находящихся почти все время под
лучами Солнца.
На высокой орбите спутник «видит» огромную территорию – около
одной трети поверхности Земли, поэтому через него на этой территории могут
непосредственно связаться любые земные станции (ЗС). Трех ИСЗ
практически достаточно для создания глобальной системы связи. При этом
современные технические средства позволяют сформировать на спутнике
узкий луч, чтобы при необходимости сконцентрировать энергию передатчика
17
спутника на ограниченной площади. Это позволяет эффективно использовать
спутниковую связь для обслуживания небольших зон и/или применять
небольшие земные станции с антеннами малого размера.
Чрезвычайно напряженная ситуация с занятостью радиочастотного
спектра (РЧС) привела к тому, что все полосы частот, распределенные
Регламентом радиосвязи для систем СССВ, предоставлены также другим
службам радиосвязи, и существует необходимость совместной работы с этими
службами без неприемлемых взаимных помех – обеспечения
электромагнитной совместимости (ЭМС) [9].
1.2.1 Радиотехнические показатели систем спутниковой связи
Радиотехнические показатели земные и космические станций систем
спутниковой связи, имеющих непосредственное отношение к проблемам
электромагнитной совместимости [9]:
а) спутниковая система – система космической радиосвязи,
использующая один или несколько искусственных спутников Земли;
б) спутниковая сеть – спутниковая система или ее часть, состоящая
только из одного спутника и действующих совместно с ним земных станций;
в) полоса
частот системы – совокупность полос частот,
используемых системой на линии вверх и линии вниз. Распределенные для
спутниковых радиосистем полосы частот подробно даны в Регламенте
радиосвязи;
г) зона видимости – часть поверхности земного шара, с которой
спутник виден под углом места (углом возвышения) больше некоторого
минимально допустимого значения (например, 5°);
д) заявочная характеристика антенны космической станции –
изображенный на географической карте набор контуров, соответствующих
некоторому ослаблению усиления бортовой антенны спутника и
характеризующих диаграмму направленности антенны;
е) зона покрытия:
1)
на линии вниз – часть зоны видимости, на которой
спутниковым ретранслятором создается поток мощности, необходимый для
приема сигналов с заданным качеством земными станциями с определенными
параметрами;
2)
на линии вверх – часть зоны видимости, в пределах которой
спутниковый ретранслятор с определенными параметрами и позицией на
18
орбите способен принять с заданным качеством сигналы от ЗС с определенной
ЭИИМ. Таким образом, зона покрытия - это зона, в пределах которой может
быть установлена радиосвязь с земными станциями для приема и/или
передачи сигналов. При определении зоны покрытия расчет плотности потока
мощности следует производить с учетом наклонной дальности от спутника до
данной точки земной поверхности, ослабления сигнала в атмосфере (в том
числе в дожде) с определенной вероятностью, нестабильности положения
спутника и ориентации его антенны;
ж) зона обслуживания – часть зоны покрытия, в которой, кроме
выполнения условий, определяющих зону покрытия, должна обеспечиваться
также защита от помех со стороны других радиослужб. Понятие зоны
обслуживания имеет не только технический, но и административный смысл,
поскольку при распределении диапазона частот нескольким службам на
равной основе часто только административные решения могут обеспечить
отсутствие помех. В случае, если зона обслуживания охватывает полностью
или частично территорию другой администрации связи, защита от помех на
этой территории должна быть обусловлена согласием этой администрации.
Кроме того, часто зона обслуживания определяется как территория, на
которой данной системе разрешено (выдана лицензия на) оказание услуг;
з) добротность станции (на прием) G/T – отношение максимального
усиления антенны на прием G к суммарной шумовой температуре станции Т
(определяется в дБ относительно 1 К). Современные земные станции ФСС
имеют добротность до 42-46 дБ/К для самых больших применяемых на
практике антенн, обычно добротность ЗС составляет 20-30 дБ/К, у
самых маленьких станций VSAT или станций индивидуального приема
телевидения
добротность
может
быть
порядка
13 дБ/К, у абонентских переносимых терминалов с ненаправленной антенной
для подвижной спутниковой связи или непосредственного радиовещания
добротность снижается до -20 дБ/К. Добротность приемного тракта
космической станции снижается из-за увеличения мощности шума вследствие
приема теплового излучения Земли и ограниченного усиления антенны
спутника из-за необходимости приема
сигналов с заданной зоны обслуживания. Обычно добротность КС составляет
от -10 до +4...6 дБ;
и) коэффициент усиления антенны – отношение мощности,
необходимой на входе изотропного (ненаправленного) излучателя без потерь,
к мощности, подводимой ко входу данной антенны для создания в заданном
направлении той же плотности потока на том же расстоянии. Если не указано
иное, усиление относится к направлению максимального излучения;
19
к) эквивалентная изотропно-излучаемая мощность (ЭИИМ) –
произведение мощности, подводимой к антенне, на коэффициент усиления
этой антенны в заданном направлении. Если не указано иное, ЭИИМ
относится к направлению максимального излучения. ЭИИМ земных станций
имеет значения от 30 дБВт (для ЗС класса VSAT) до 95 дБВт для самых
больших центральных станций. ЭИИМ КС в расчете на такой же ствол обычно
составляет от 20 до 45 дБВт и достигает 63 дБВт у спутников систем
непосредственного звукового вещания или подвижной спутниковой службы.
Часто используется спектральная плотность
ЭИИМ (дБВТ/Гц);
л) спектральная плотность потока мощности (ППМ) – мощность
радиосигнала в некоторой точке плоскости, перпендикулярной направлению
излучения, на единицу площади в единице полосы частот ППМ у поверхности
Земли, создаваемая спутником, ограничена для защиты от помех наземным
радиослужбам.
1.2.2 Системы спутниковой связи при использовании ИСЗ с
различной высотой орбиты
В [4] существующие и разрабатываемые ССС ПО в зависимости от
высоты орбиты используемых в них ИСЗ подразделены на геостационарные
ССС (ССС ГО), ССС на эллиптических орбитах (ССС ЭО) и
низкоорбитальные ССС (ССС НО). В ССС находят применение СР с прямой
ретрансляцией и с обработкой сигналов на борту.
Геостационарная орбита или орбита геостационарного спутника – это
круговая (эксцентриситет эллипса е равен нуль), экваториальная (наклонение
– это угол между плоскостью орбиты и плоскостью экватора, i равен нулю),
синхронная орбита с периодом обращения 23 ч 56 мин, с движением ИСЗ в
восточном направлении.
Геостационарный спутник оказывается «зависшим», неподвижным
относительно земной поверхности; он располагается над экватором с
некоторой неизменной долготой подспутниковой точки. Использование в ССС
геостационарных орбит (ГО) обеспечивает следующие достоинства:
–
связь осуществляется непрерывно, круглосуточно, без переходов
с одного искусственного спутника Земли на другой и без необходимости
отслеживания антеннами положения спутника;
20
–
обеспечивается постоянное значение ослабления сигнала на
трассе между ЗС и СР, поскольку расстояние от ИСЗ до ЗС имеет стабильное
значение;
–
практически отсутствует доплеровский сдвиг частоты сигнала,
излучаемого ИСЗ;
–
зона видимости геостационарного спутника — около трети земной
поверхности, что обуславливает возможность создания глобальной системы
связи при использовании трех ИСЗ.
21
каждые сутки ИСЗ виден в одно и тоже время в одних и тех же районах Земли.
Сеанс связи продолжается 8 часов, когда ИСЗ хорошо виден со всей
территории России. Три ИСЗ на такой эллиптической орбите поддерживают
связь круглосуточно.
22
ГО;
снижение требований к техническим и эксплуатационным
характеристикам антенн ЗС;
малые расстояния между ИСЗ и ЗС обеспечивают возможность
использованиям приемопередающих устройств с низкой энергетикой и
позволяет создать миниатюрные ЗС, что существенно расширяет круг
потенциальных абонентов;
лучшее покрытие полярных областей.
ССС НО строятся с использованием ИСЗ на орбитах высотой 700…2000
км и временем обращения вокруг Земли 1…3 часа. ССС НО может
представлять собой одиночную космическую станцию или состоять из
множества ИСЗ, функционирующих как единая коммутационная среда с
обеспечением связи по коммутируемым каналам на основе пакетной передачи
данных и речи. Для обеспечения передачи пакетных данных между
подвижными абонентами, распределенными по всему миру, формируется
несколько колец СР с углами наклонения от 50 до 60 град. Эти орбиты будут
прецессировать вблизи экватора в пределах от 15 до 30 град. Используя от 6
до 12 спутников на одно орбитальное кольцо, можно осуществить полное
покрытие поверхности Земли. Таким способом обеспечивается глобальный
доступ к сети.
К числу ССС НО третьего класса относятся международные ССС
«Иридиум» и «Глобалстар». Из перечисленных выше ССС ПО наибольший
интерес представляют ССС ГО «Инмарсат» и ССС НО «Инмарсат-Р»,
«Иридиум», «Одиссей», «Глобалстар» и ССС ЭО
«Полярная звезда» [4]. Подробнее будет рассмотрено низкоорбитальная
система ГЛОБАЛСТАР [10].
НССС ГЛОБАЛСТАР введена в эксплуатацию в 2001 г. и обеспечивает
пользователей услугами телефонной связи, доступом в сеть
Internet и передачей данных со скоростью 9,6 кбит/с практически на всей
территории земного шара от 70° ю.ш. до 70° с.ш., за исключением областей, в
которых отсутствуют наземные станции спутниковой связи. Схема передачи
сигналов в НССС ГЛОБАЛСТАР приведена на рис. 6.
Предусмотрено определение координат потребителей системы
допплеровским методом.
Орбитальная группировка спутников НССС ГЛОБАЛСТАР с февраля
2000 г. состоит из 48 рабочих и 4 резервных спутников, высота орбит
спутников 1414 км, число орбит — 8, наклонение орбит — 52°, число рабочих
спутников на одной орбите — 6, масса спутника — 450 кг.
23
Высота орбит спутников НССС ГЛОБАЛСТАР по сравнению с НССС
ИРИДИУМ увеличена в 1,8 раза, что позволило уменьшить общее число
спутников в орбитальной группировке, но привело к необходимости
увеличения мощности передатчиков терминалов до 2...3,2 Вт [11].
1.3 Анализ проблемы электромагнитной совместимости систем
радиосвязи
Электромагнитная совместимость (ЭМС) радиоэлектронных средств
(РЭС) – их свойство без ухудшения качественных показателей в заданной
электромагнитной обстановке. Устройства не должно неблагоприятно
воздействовать на работу другого устройства и должно противостоять его
воздействию [11].
Анализ ЭМС проводится с целью определения возможностей
совместной работы радиотехнических, электронных и электротехнических
средств. Результаты анализа позволяют прогнозировать выполнение условий
ЭМС в конкретной ситуации и служат основой для принятия практических мер
по обеспечению ЭМС РЭС. Анализ ЭМС включает в себя качественное и
количественное изучение различных аспектов общей проблемы ЭМС. Ввиду
ее сложности и большого числа практических ситуаций общий анализ ЭМС
распадается на ряд частных задач, представляющих самостоятельное значение
для практики. При анализе ЭМС можно выделить следующие группы задач
[12]:
– исследование показателей ЭМС устройств и их элементов;
– исследование электромагнитной обстановки;
– исследование выполнения ЭМС в конкретной группе средств.
1.3.1 Исследование показателей ЭМС устройств и их элементов
Эти исследования объединяют широкий круг вопросов, связанных с
определением характеристик РЭС и их элементов, влияющих на условия их
совместной работы. Изучению подлежат как характеристики РЭС,
являющиеся причиной возникновения непреднамеренных помех, так и
характеристики, которые определяют подверженность рецептора действию
24
непреднамеренных электромагнитных помех (НЭМП). В число конкретных
задач входит определение:
количественных
радиопередающих устройств;
характеристик
неосновных
излучений
уровней и спектрального состава индустриальных помех,
создаваемых различными устройствами;
параметров, характеризующих восприимчивость радиоприемных
устройств вне основного канала приема сигналов как антеннами, так и по
цепям электропитания, управления и коммутации;
восприимчивости электронных устройств при воздействии помех
через корпуса, по цепям электропитания и т. д.)
1.3.1.1 Характеристики радиопередающих устройств, влияющих на
ЭМС
По своему функциональному назначению радиопередающие устройства
формируют радиочастотные сигналы, модулированные в соответствии с
передаваемой информацией, в определенной полосе частот. Требования к
ширине этой полосы определяются видом передаваемой информации,
скоростью и качеством передачи. Минимальную полосу Вн для данного класса
сообщений, обеспечивающая передачу сигналов с требуемыми скоростью и
качеством, обозначим как необходимую полосой радиочастот. Излучения в
пределах необходимой полосы частот это основные, а вне необходимой
полосы – нежелательные. Как показывает анализ последние присущи любым
реальным радиопередающим устройствам и могут быть ослаблены без ущерба
для качества передаваемой информации. Их можно подразделить на
побочные, внеполосные и шумовые. К таким относят нежелательные
радиоизлучения, возникающие в результате любых нелинейных процессов в
радиопередающем устройстве, за исключением процесса модуляции сигнала
(излучения на гармониках, субгармониках, паразитные, комбинационные и
интермодуляционные). Перечисленные виды излучений вызываются
нелинейными процессами, существующими в самом передатчике, а также
фидере и антенне. В образовании интермодуляционных излучений, кроме
того, принимают участие внешние электромагнитные поля, воздействующие
на данное радиопередающее устройство. Независимо от конкретной природы
побочные радиоизлучения характеризуются значениями частот, спектральной
25
плотностью потока мощности, а также с учетом свойств антенн –
направленностью и поляризацией [13].
Радиоизлучение на гармонике – побочное радиоизлучение на частотах,
в целое число раз больших частоты основного радиоизлучения: fгарм= mf0, m=2,
3, …, n (рисунок 1.5). Строго говоря, это определение справедливо для случая
немодулированного излучения. При наличии модуляции вместо термина
«частота» имеется в виду «значение несущей частоты».
Излучения на гармониках принципиально присущи любым
радиопередающим устройствам и обусловлены нелинейностью амплитудных
и фазовых характеристик активных элементов. Конечным результатом этих
нелинейных свойств является то, что выходное немодулированное колебание
u(t) имеет форму, отличающуюся от гармонической, и, следовательно,
представляет собой сумму колебаний основной частоты f0 и ее гармоник
(1.2)
где um – коэффициенты разложения u(t) в ряд Фурье; m=0,1,…
26
а – основное излучение и излучение на гармониках; б – излучение
задающего генератора, основное излучение и излучение на гармониках; в –
основное излучение и побочные излучения на гармониках и на частотах,
не являющихся гармониками основной частоты; г – основное и шумовое
излучения
Рисунок 1.5 – Зависимости мощности излучения от частоты для
различных вариантов образования побочного излучения
Уровень
гармонических
составляющих
генерируемого
или
усиливаемого колебания зависет от схемы радиопередающего устройства,
типа и рабочих параметров активных приборов, режима работы, наличия
дополнительных устройств частотной фильтрации и т.д. Конкретное
проявление нелинейных свойств различно в зависимости от диапазона частот.
27
Независимо от конкретных причин возникновения гармоник их
амплитуды связаны со степенью нелинейности и, как правило, убывают с
ростом номера гармоники: чем сильнее выражены нелинейные свойства, тем
больше амплитуды гармоник и больше число гармоник имеющих заметную
амплитуду. Кроме того, уровень гармоник на выходе передатчика зависит от
качества фильтрации выходных цепей, особенностей схемы передатчика и
степени согласования его с нагрузкой на частоте данной гармоники.
Последнее обстоятельство становится весьма важным, если в выходном
тракте, включая фидерные линии и антенну, образуются резонансные контуры
на частоте, близкой к частоте одной из гармоник. В этом случае уровень
излучения на данной гармонике может значительно возрасти. Как показывает
опыт, уровень излучения на m-й гармонике необязательно монотонно убывает
с ростом номера гармоники [14].
Характеристики радиопередающих устройств земных спутниковых
станций, влияющих на ЭМС описаны в [15]. Там же приведены их численные
характеристики и подробно рассмотрены механизмы возникновения
нежелательных излучений. Существующие нормы уровни внеполосных
излучений и на ширину полосы частот передатчиков спутниковых систем
связи,
а
также
методы
их
измерения
приведены
в
[16, 17, 18, 19, 20]. В [21] приведены нормы на отклонение частоты
радиопередатчиков и методы измерения нестабильности частоты. Нормы на
уровни побочных излучений и методы их определения приведены в [22].
Анализ показывает, что независимо от конкретного механизма
возникновения внеполосные излучения характеризуются шириной
занимаемой полосы частот и относительным уровнем. Последний
представляет собой отношение спектральной плотности мощности
внеполосного излучения к максимальному значению спектральной плотности
мощности основного радиоизлучения, выраженное в децибелах. Ширину
занимаемой полосы частот Взан определим как ширина полосы частот, за
пределами которой излучается не более чем заданная (β) часть средней
мощности излучения (рисунок 1.6); при определении занимаемой ширины
полосы Взан отсчет производим при β=1% от общей средней излучаемой
мощности. Для оценки убывания внеполосных составляющих возьмем
значение полосы частот на уровне Х дБ (Вх), понимаемое как значение полосы,
за пределами которой интенсивность любых спектральных составляющих
ослаблена относительно заданного уровня основного излучения не менее чем
на Х дБ (рисунок 1.6) (нижним уровнем измеряемой мощности излучения
часто считают – 60дБ от максимального значения, принятого за 0 дБ).
Занимаемую полоса частот Взан и ряд полос Вх на уровне Х дБ удобно
28
использовать для количественного описания внеполосных излучений при
анализе ЭМС, а также для контроля и нормирования.
Рисунок 1.6 – Характеристика внеполосного излучения
радиопередающего устройства
Удобно используют понятие контрольной полосы частот В к,
отсчитываемой на уровне – 30 дБ относительно исходного уровня 0 дБ; вне
этих границ мощность внеполосных излучений ослаблена в 1000 раз
относительно максимального значения мощности излучения. Значение
ширины полосы излучения на уровне – 30дБ используется при расчетах
частотного разноса между соседними радиопередающими устройствами [14].
1.3.1.2 Характеристики антенн, влияющих на ЭМС
Антенны РЭС имеют значительное разнообразие как по типам, так и по
характеристикам [23]. Вместе с тем все антенны можно подразделить на две
группы: антенны осевого излучения и апертурные антенны. К антеннам
осевого излучения относятся директорные («волновой канал»), лучевые,
спиральные антенны. К апертурным антеннам относятся рупорные антенны
(на основе конического или пирамидального рупора), одно- и двухзеркальные
антенны с параболическим рефлектором или параболические антенны (ПА), а
29
также комбинированные: рупорнопараболические (РПА), рупорно-линзовые
(РЛА) и перископические антенны (ПРА).
Характеристики излучаемого антенной поля зависят от расстояния
между антенной и точкой наблюдения. Результирующая напряженность поля,
создаваемого антенной в свободном пространстве, зависит от разности хода
волн
, образованных отдельными излучающими элементами антенны,
являющихся элементарными излучателями. Когда выполняется условие
(λ – длина волны), антенна может
рассматриваться как точечная. Расстояние от антенны, где это условие
выполняется, называется дальней зоной, или зоной Фраунгофера. Здесь
напряженность поля изменяется обратно пропорционально расстоянию.
Характер изменения напряженности поля существенно зависит от расстояния
d до передатчика. Различают ближнюю и дальнюю зоны приема сигналов.
На практике граница дальней зоны
принимается равной [24, 25]
,
(1.3)
где L – максимальный размер апертуры антенны.
Граница ближней зоны, или зоны Релея, определяется соотношением
(1.4)
При d
напряженность поля слабо зависит от расстояния. При
расстояниях от антенны d, соответствующих условию
d
,
(1.5)
напряженность поля быстро уменьшается с увеличением расстояния.
Эта зона называется зоной Френеля [25].
Обычно характеристики антенн указывают для дальней зоны, вместе с
тем при решении ряда задач, например, расчета условий внутри объектовой
ЭМС или расчета биологической задачи определения характеристик ЭМС
могут решаться на основе детерминированного или вероятностного подхода.
При детерминированном подходе искомые параметры ЭМС описываются
детерминированными величинами и функциями, при вероятностном –
случайными величинами и функциями. Более адекватным является
вероятностное описание характеристик ЭМС, так как на указанные
30
характеристики влияет большое число факторов, имеющих случайный
характер. Важно также отметить, что
характеристики электромагнитного поля в дальней зоне антенны, где оно
имеет сформировавшийся характер, не зависит от конструкции и типа
антенны, а определяется только ее диаграммой направленности [26].
1.3.2 Исследование электромагнитной обстановки
Электромагнитная обстановка (ЭМО) – это совокупность всех
естественных (природных) и искусственных электромагнитных полей,
существующих с заданной области пространства, определенная для заданных
полосы частот и промежутка времени. Электромагнитная обстановка
создается всеми видами электромагнитных помех, существующих в
рассматриваемой ситуации, и зависит от характеристик ЭМС устройств и их
элементов, так и от условий распространения помех. Любое РЭС не только
функционирует в определенной электромагнитной обстановке, но и участвует
в создании электромагнитной обстановки другим средствам. Анализ
электромагнитной обстановки (ЭМО) – это нахождение условий, в которых
должны функционировать конкретное РЭС или группа средств, и выработка
количественный оценок по степени влияния помех на конкретное средство
[27].
ЭМО формируется за счет источников, которые можно разделить на две
условные группы:
а) различные системы, технологический процесс, которых содержит
преднамеренное излучение ЭМ энергии. В первую очередь, это относится к
инфотелекоммуникационным технологиям, часть которых характеризуется
невозможностью изъятия из них процесса создания ЭМП. К ним относятся
как традиционные, так и самые современные телекоммуникационные
системы – эфирное телевидение, радиовещание, системы сотовой и
транкинговой связи, радиорелейные и спутниковые системы передачи. Все
они присутствуют в определенной населенной местности в различных
конфигурациях;
б)
системы,
функционирование
которых
сопровождается
непреднамеренным созданием или излучением ЭМП:
1) системы производства, передачи, распределения и
потребления электроэнергии – электростанции (ГЭС, АЭС, ТЭЦ),
линии электропередач (ЛЭП),
трансформаторные
подстанции
31
(ТП), системы распределения электроэиергии, оконечное
электрооборудование;
2) системы энергоснабжения электротранспорта – контактные
линии передачи, тяговые подстанции [28].
К ЭМО спутниковых систем относится и условия на геостационарной
орбите. Одна из проблем ГСО и ЭМС спутниковых систем на ней
загруженность орбиты и недостача частотно-орбитального ресурса.
Перспективы развития спутниковой системы дает понять, многие
страны осознают того, что выгодно развивать космическую структуру страны.
К примеру, Российская федерация имеет свою спутниковую группировку
ГПКС, который состоит примерно из 11 КА. На рисунке 1.7 приведена
спутниковая группировка ГПКС на 2010 год.
И рассмотрим положения космических аппаратов, расположенных на
ГСО, поскольку для Казахстана, расположенного на тех же долготах,
необходимо учитывать помехи соседних КА.
Рисунок 1.7 – Спутниковая группировка ГПКС РФ
В 2013 году в декабре был выведен на орбиту космический аппарат
«Экспресс АМ-5», а в марте этого года были запущены «Экспресс АТ-1» (в
позицию 56 град. в.д., на замену Bonum-1) и «Экспресс АТ-2» (56 град.
в.д.). Запуски других четырех КА («Экспресс-АМ6», «Экспресс-АМ8»,
«Экспресс-АМ4R», «Экспресс-АМ7») помогут удовлетворить и зарубежный
спрос на спутниковую емкость в Африке, Латинской Америке и Индии. Их
запуск планируется к началу 2015 г. В середине текущего года запланирован
запуск в позицию 90 град. в.д. КА «Ямал–401». А в начале 2016 г.
Действующий спутник «Ямал–202» будет заменен более мощным «Ямалом–
601». Международная организация космической связи «ИНТЕРСПУТНИК» в
32
начале 2016 г. планирует запустить еще один аппарат ABS-2A c 40
транспондерами Ku-диапазона. Он будет работать совместно с ABS-2 в той же
точке 75 град. в.д., охватывая Россию, Ближний Восток и Индию для
поддержки ее [30].
1.3.3 Исследование выполнения ЭМС в конкретной группе средств
Они проводятся с целью установления факта электромагнитной
совместимости при ее нарушении — нахождения конкретных причин
несовместимости, включая выявление источников непреднамеренных помех,
причин распространения помех и путей их воздействия на рецепторы. Анализ
ЭМС в группе средств базируется на результатах исследования ЭМО и
параметров, влияющих на ЭМС. Для решения вопроса о наличии или
отсутствии совместимости необходимо установить характер влияния этих
помех и оценить результаты этого влияния на качество функционирования
РЭС в данной группе [12].
Электромагнитная совместимость характеризуется не только
взаимодействием устройств автоматики с окружающей средой, но и
взаимодействием их элементов и между собой. Следовательно,
электромагнитную совместимость, независимо от рассматриваемых объектов,
можно определить как способность электрической установки, или элемента,
группы элементов, прибора или иного устройства, функционировать в
заданной электромагнитной обстановке так, чтобы не вызывать
недопустимого электромагнитного воздействия на окружающую среду [31].
1.4 Организационные и технические меры обеспечения
ЭМС ССС
Обеспечение ЭМС средств представляет собой сложную техническую
задачу, для решения которой не существует универсальных приемов. Более
того ввиду комплексного характера проблемы в целом эту задачу можно
эффективно решить только с помощью мероприятий – от стадии
проектирования средств до их эксплуатации включительно [32].
Используемые на практике меры обеспечения ЭМС средств можно
условно разделить на организационные и технические.
33
К техническим мерам отнесем совокупность системотехнических,
схемотехнических,
конструкторских
и
технологических
приемов,
направленных на совершенствование характеристик радиоэлектронных,
электронных и электротехнических средств. Применение этих мер имеет
целью снижение уровней создаваемых помех, увеличение их ослабления на
пути распространения, ослабление восприимчивости рецепторов к НЭМП,
ослабление действия их за счет совершенствования способов передачи и
обработки информации и т. д.
Организационные меры состоят в разделении полос частот между
различными
видами
радиоэлектронного
оборудования,
выборе
пространственного положения РЭС, значений мощностей радиопередатчиков
и т. д. Они включают в себя также разработку и применение некоторых правил
ограничительного характера и ряд других приемов, направленных на
упорядочивание работы различных РЭС с целью
устранения
непреднамеренных помех. Организационные меры определяют направление и
пути разработки и производства радиоэлектронных, электронных и
электротехнических средств с учетом требований ЭМС.
Грань, разделяющая перечисленные меры, условна, а их конкретное
содержание взаимосвязано и взаимообусловлено. Так, применение
эффективных схемотехнических мер, направленных на уменьшение
нежелательных излучений передатчиков и повышение избирательности
приемников, позволяет реализовать организационное мероприятие –
уменьшить минимально допустимый частотный разнос между отдельными
средствами, например в подвижной связи. С другой стороны, реализация
организационных мер, например перевод устройства некоторой службы в
другой диапазон частот, изменяет требования к техническим характеристикам,
а также структуре и составу приемников и передатчиков, т. е. приводит к
применению технических мер [12].
Указанные меры должны осуществляться на всех этапах жизненного
цикла технических средств – от стадии проектирования до этапа эксплуатации.
Для задачи обеспечения ЭМС некоторого вновь создаваемого технического
средства (системы, устройства и т.д.) характерна важная особенность. По мере
завершения разработки и перехода к стадиям производства и эксплуатации
набор доступных средств для борьбы с НЭМП, а также их эффективность
снижаются, стоимость же, наоборот, возрастает (рисунок 1.8).
Проектирование
Производства
34
Эксплуатация
Число мер и
их стоимость
Этапы
Рисунок 1.8 – Число доступных мер обеспечения ЭМС (–––––) и их
стоимость (– – – –) на различных этапах жизненного цикла
Таким образом, вопросы обеспечения ЭМС должны учитываться в
максимально целесообразном объеме по возможности на ранних этапах
жизненного цикла. Исключение влияний возможных источников помех на
различные рецепторы на ранних стадиях дает лучшие результаты и более
оправдано с экономической точки зрения. По данным американских
специалистов меры, предпринятые своевременно на стадии проектирования
позволяют избежать до 80…90% потенциально возможных трудностей,
связанных с влиянием помех. Решения, принимаемые на более поздних этапах,
оказываются более сложными для реализации, требуют значительных
дополнительных затрат, увеличивают время ввода в эксплуатацию, а иногда
оказывается неэффективными, не позволяющими обеспечить требуемые
эксплуатационные показатели новых технических средств [32].
1.4.1 Международно-правовая защита частотных присвоений
Международно-правовая защита частотных присвоений РЭС и
орбитальных позиций космических аппаратов осуществляется с целью
создания благоприятных условий развития и использования систем
радиосвязи на основе соблюдения общепризнанных принципов и норм
международного права, и для дальнейший работы радиосистем, без ЭМП.
Заявление, координация и регистрация входят в комплекс работ по
предварительной публикации в Бюро радиосвязи МСЭ сведений о заявляемых
космических системах (комплексах) и о частотных присвоениях РЭС,
35
согласованию условий обеспечения ЭМС РЭС РФ и РЭС иностранных
государств, занесению частотных присвоений РЭС в Международный
справочный регистр частот и являются составной частью мероприятий по
международно-правовой защите [33].
Работы, проводимые по заявлению, координации и регистрации в Бюро
радиосвязи МСЭ частотных присвоений РЭС РФ осуществляются в
соответствии с Положением «О порядке проведения в Российской Федерации
работ по заявлению, координации и регистрации в Международном союзе
электросвязи частотных присвоений радиоэлектронным средствам»,
Регламентом радиосвязи, другими документами МСЭ, двусторонними и
многосторонними международными соглашениями и соответствующими
решениями ГКРЧ.
Заявление, координация и регистрация в Бюро радиосвязи МСЭ
частотных присвоений РЭС РФ осуществляются в случаях, если:
–
использование данной частоты может причинить вредные помехи
РЭС какой-либо службе других государств;
–
частота
должна
быть использована
для
международной
радиосвязи;
–
желательно получить международное признание использования
частоты, а также в иных случаях, предусмотренных Регламентом радиосвязи
[34].
Важным
элементом
управления
использованием
РЧС
на
международном уровне является координация частот. Координацией
называется процедура достижения соглашения между несколькими странами
(Администрациями связи) о совместном использовании радиочастот. Цель
координации состоит в том, чтобы при введении в действие нового
радиосредства обеспечить отсутствие вредных помех между всеми
существующими и планируемыми системами радиосвязи. Процедуры
координации частот можно рассматривать как средство динамического
планирования спектрального и/или орбитального ресурса, позволяющего
обеспечить его более эффективное использование. В приложении Б дана
таблица условия определения требований по координаций.
В процесс координации частот могут быть вовлечены две или более
стран (Администраций связи). Координация включает в себя следующие
действия:
–
определение сопредельных стран, частотные назначения РЭС
которых могут быть затронуты, т.е. с какими Администрациями потребуется
36
провести предварительную координацию или заключить координационное
соглашение;
–
выполнение расчетов параметров возможных помех с
применением рекомендаций и решений международных организаций связи;
–
выполнение процедуры координации, определенной Регламентом
радиосвязи, в ходе которой, кроме прочего, производится обмен данными в
определенном формате и объемах, комментариями в течение заранее
определенного срока, результаты координации при необходимости
публикуются в соответствующем циркуляре Бюро радиосвязи МСЭ [34].
1.4.2 Технические меры обеспечения ЭМС спутниковых систем
связи на ГСО
Наиболее простым и очевидным показателем эффективности
использования ГСО на некотором участке ее дуги
в полосе частот F
(Гц) является отношение
(1.6)
где
суммарная пропускная способность всех СССВ, работающих
в полосе частот
и КС, которые расположены на участке дуги
[35].
Техническими
факторами,
влияющими
на
эффективность
использования ГСО и обеспечение условий электромагнитной совместимости
спутниковых систем связи и вещания, являются [9]:
пространственная избирательность антенн ЗС;
пространственная избирательность бортовых антенн КС;
повторное использование частот в узких парциальных лучах
многолучевой антенны (МЛЛ) КС;
точность удержания КС в расчетной позиции ГСО;
применение поляризационного уплотнения сигналов –
одновременная работа КС на двух ортогональных (футовой или линейной)
поляризациях;
применение эффективных методов передачи и приема сигналов,
малочувствительных к помехам;
освоение новых, более высокочастотных диапазонов в СССВ;
37
обеспечение однородности СССВ и гармонизация норм на
допустимые взаимные помехи между СССВ.
1.4.2.1
Пространственная избирательность антенн ЗС
Пространственной избирательностью антенн ЗС спутниковых систем
связи понимают способность антенной системы концентрировать
электромагнитную энергию в ограниченном угловом пространстве, которое
зависит от геометрических размеров апертуры антенны и параметров ее
диаграммы направленности (ДН). Диаметр антенны земных станций –
наиболее важный технический параметр, влияющий на характеристики
пространственной избирательности антенны ЗС и связанную с ними величину
минимально допустимого углового разноса между соседними КС на ГСО.
Выбор диаметра антенны влияет как на величину максимального усиления
антенны Gmах для полезного сигнала в главном лепестке ДН антенны, так и в
некоторой степени на уровень внеосевого излучения ЗС, огибающую боковых
лепестков ДН антенны
, используемых для оценки взаимных помех при
анализе ЭМС СССВ и при координации частотных присвоений спутниковых
сетей.
Применение ЗС с антеннами большого диаметра с высокими
показателями усиления Gmax и пространственной избирательности позволяет
плотнее размещать КС на ГСО и облегчает решение проблемы ЭМС
спутниковых сетей, но приводит к росту затрат на создание и эксплуатацию
земного сегмента СССВ. С другой стороны, применение ЗС с минимально
возможными (в каждом конкретном случае) размерами антенн позволяет
минимизировать затраты и увеличить экономическую эффективность
создаваемых СССВ.
Угловой разнос на ГСО между соседними КС, работающими в общих
диапазонах частот, в современных сетях обычно не превышает 2-3°, в
некоторых случаях его удается снизить до 1° и даже до 0° (при несовмещенных
зонах покрытия). Эталонная ДН для внеосевого излучения антенн
спутниковых ЗС в ФСС по основной поляризации в диапазоне частот
2-31 ГГц определена в (5) в виде
,
38
(1.7)
(1.8)
где
= Мах(1 или 100λ/D)° при D/λ
50 и
= Мах[2 или 118
D/λ)-1,06]° при 15 D/λ< 50;
ДН внеосевого излучения современных антенн ЗС с улучшенной
пространственной избирательностью в области углов, близких к главному
лепестку ДН антенны ЗС, определена (при отношениях D/λ
следующим уравнением:
,
45-50)
(1.9)
где φ – внеосевой угол между осью главного лепестка ДН антенны и
рассматриваемым направлением, град.;
– минимальный внеосевой угол, начиная с
применяется огибающая ДН внеосевого излучения антенны, град.;
которого
– усиление антенны относительно изотропного излучателя,
Дби; D – диаметр (размер) апертуры антенны, м; λ
– длина волны, м.
1.4.2.2 Пространственная избирательность бортовых антенн КС
Повышение пространственной избирательности бортовых антенн КС на
ГСО способствует снижению взаимных помех между геостационарными
СССВ, если их зоны не перекрываются. Для этого форма ДН передающей и
приемной бортовых антенн КС должна как можно точнее повторять
необходимую зону обслуживания, обеспечивая в ней равномерное усиление
для достижения требуемых значений ЭИИМ и G/T в любой точке зоны, и
быстро спадать за ее пределами для снижения уровня взаимных помех.
На современных спутниках могут устанавливаться как обычные
однолучевые приемные и передающие антенны, так и многолучевые антенные
системы (МЛА) с узкими парциальными лучами и лучами специальной формы
(контурными), в различной степени отвечающие поставленным требованиям.
При реализации КС с однолучевыми антенными системами МСЭ-R
рекомендует применение в ФСС бортовых антенн с улучшенной ДН [36].
39
Однако лучше всего задача повышения пространственной
избирательности бортовых антенн КС решается применением контурных
антенн с лучом специальной формы, сформированным из нескольких (многих)
узких парциальных лучей путем их объединения в многолучевой антенне.
Пример зоны покрытия однолучевой антенны и трехлучевой МЛА КС
приведен на рисунке 1.9.
40
Зона
покрытия
антенны КС
БЗ
А
Л1
Л2
Л3
Вариант зоны покрытия 3-лучевой МЛА (лучи – Л1, Л2, Л3)
Рисунок 1.9 – Пример зоны покрытия антенны КС с
использованием однолучевой антенны (А) и МЛА (БЗ – 3лучевая)
Контурное покрытие зоны обслуживания путем синфазного сложения
парциальных лучей МЛА (рисунок 1.9, вариант БЗ – лучи Л1, Л2, ЛЗ)
позволяет обеспечить меньшую неравномерность усиления приемной и
передающей антенн КС в пределах самих зон и более быстрый спад ДН антенн
вне этих зон, чем в традиционных широких лучах КС эллиптического или
кругового сечения (рисунок 1.9, вариант А).
Примеры возможной реализации контурных лучей бортовой МЛА в
диапазонах частот ФСС (11-12/14, 20/30 и 40/50 ГГц) показаны на рис. 1.10.
При этом необходимо отмстить, что создание узких парциальных лучей
приводит к необходимости соответствующего увеличения размера апертуры
МЛА и достигается за счет роста массогабаритных характеристик бортовой
МЛА по сравнению с традиционной однолучевой антенной КС.
Одним из важных преимуществ установки МЛА на борту КС является
возможность увеличения эффективности использования выделенного
частотного ресурса, когда совокупный частотно-орбитальный ресурс спутника
с МЛА может быть реализован путем многократного повторения частот
стволов РТР в парциальных лучах приемных/передающих бортовых МЛА,
образующих непрерывную гексагональную сетку перекрывающихся лучей
МЛА в зоне обслуживания КС, пример зон покрытия показан на рисунке 1.10.
41
Повторное использование частот при пространственном разделении
лучей МЛА КС в пределах ее зоны покрытия повышает эффективность
использования ОЧР системы, но с применением в каждом луче МЛА двух
поляризаций сопровождается помехами от внеосевого излучения ближайших
лучей MЛA, работающих в общей полосе частот.
а)
б)
в)
а – 11–12/14 ГГц – 12 лучей (ШДН = 1,4о по уровню – 3 дБ); б –20/30
ГГц – 32 луча (ШДН = 0,6о по уровню – 3 дБ); в – 40/50 ГГц – 64 луча
(ШДН = 0,3о по уровню – 3 дБ).
Рисунок 1.10 – Примеры зон покрытия и контурных лучей МЛА КС
Для ДН антенн, соответствующих Рекомендации МСЭ-R S.672 [7], когда
уровень первого бокового лепестка ДН на 25 дБ ниже максимального усиления
антенны Gmax, суммарное отношение С/I в конкретном луче будет не хуже 16,5
дБ с учетом всех внеосевых помех. Это худший случай, при котором в данный
конкретный луч МЛА попадают максимумы первых боковых лепестков ДН
всех шести мешающих парциальных лучей МЛА, работающих на той же
частоте. На практике ситуация всегда будет лучше. Технические параметры
бортовых многолучевых антенн КС, формирующих контурные зоны
покрытия, показанные на рисунке 1.10, представлены в таблице 1.2.
Таблица 1.2 – Технические параметры бортовых многолучевых
антенн КС
Диапазон частот ФСС, ГГц
Усиление в центре луча бортовой МЛА, дБи
42
11/14
42
20/30
50
40/50
55
Ширина парциального луча МЛА по уровню
–3 дБ, град
Число Пм/Пд лучей бортовой МЛА на спутнике
1,4
0,6
0,3
12
32
64
Также известны примеры практического применения на КС РСС
бортовых МЛА с адаптивным изменением ЭИИМ КС в пределах отдельных
участков общей зоны покрытия КС, сформированной контурным лучом МЛА.
1.4.2.3 Точность удержания КС в расчетной позиции ГСО
Высокая точность удержания КС в расчетной точке ГСО способствует
увеличению возможного числа одновременно работающих КС на ГСО,
поскольку необходимый по условиям ЭМС систем угловой разнос между
соседними КС увеличивается на величину суммарной погрешности их
удержания на ГСО. Предельное значение точности удержания КС на позиции
ГСО (±δ°) используется при расчете допустимого уровня взаимных помех
между СССВ и определении затронутых АС при международной координации
спутниковых систем.
В существующих СССЗ точность удержания КС на позиции ГСО в
период всего срока активного существования КС (на сегодня 12-15 лет)
определена условием
(по долготе) относительно своего
номинального положения. Такая величина нестабильности КС не приводит к
заметной деградации пропускной способности ГСО при использовании
типовых угловых разносов 2°– 3° между соседними КС на ГСО.
В ряде случаев производители современных спутников гарантируют
более высокую точность их удержания на ГСО (
±0,05°), которая
определяется дополнительными ресурсными возможностями системы
коррекции положения спутника на ГСО, входящей в состав технологической
платформы КС.
1.4.2.4
СССВ
Применение поляризационного уплотнения сигналов в
43
Поляризационное уплотнение сигналов или одновременная работа КС
на двух ортогональных (круговой или линейной) поляризациях используется
в большинстве современных спутников ФСС для повышения эффективности
использования орбитально-частотного ресурса ГСО и увеличения пропускной
способности СССВ в условиях дефицита полосы рабочих частот в диапазонах
ФСС 6/4 и 14/11-12 ГГц.
В зависимости от поставленной задачи, применение поляризационного
уплотнения сигналов позволяет либо удвоить число стволов РТР КС при
полном использовании выделенной полосы частот в данной позиции ГСО,
либо вдвое сократить необходимый частотный ресурс для достижения
необходимой пропускной способности (числа стволов) РТР КС.
Однако при использовании в СССВ поляризационного уплотнения
сигналов к характеристикам ДН антенн ЗС и КС предъявляются более жесткие
требования по кроссполяризационной развязке, от которой зависит уровень
внутрисистемных помех между сигналами, передаваемыми в общей полосе
частот на ортогональных поляризациях.
Согласно отечественным нормативным требованиям, при работе с
поляризационным уплотнением сигналов на КС кроссполяризационная
развязка антенной системы ЗС (в том числе ЗС типа VSAT) в тракте передачи
должна быть не менее 30 дБ в контуре ДН с ослаблением 0,5 дБ, в тракте
приема – не менее 25 дБ в том же контуре. При работе с КС без
поляризационного уплотнения развязка в обоих трактах должна быть не менее
19 дБ в контуре ДН с ослаблением 0,5 дБ [37, 38].
В МСЭ-R сформулированы требования к эталонной ДН антенн ЗС типа
VSAT по кроссполяризационной составляющей при использовании линейной
поляризации сигналов в диапазонах частот ФСС 2-31 ГГц. В соответствии с
этими требованиями кроссполяризационная развязка ЗС VSAT - отношение
копедярного осевого усиления антенны к кроссовой составщей усиления – не
должна быть хуже:
25 дБ в -0,3 дБ контуре усиления главного луча ДН антенны ЗС;
20 дБ в пределах контура от -0,3 дБ до -20 дБ усиления главного
луча ДН антенны ЗС;
за пределами контура ДН -20 дБ кроссовая составляющая должна
соответствовать Рекомендации МСЭ-R S.731 [36].
Эффект снижения взаимных помех между соседними по ГСО сетями
может также достигаться при использовании поляризационного разделения
сигналов при работе ЗС и КС этих систем на различных поляризациях. Однако
44
следует принимать во внимание существенное уменьшение поляризационного
разделения сигналов вне главного лепестка ДН антенн.
При координации спутниковых сетей, использующих общие полосы
частот и разные типы поляризации (круговую и линейную), МСЭ-R
рекомендует применять в расчетах увеличения эквивалентной шумовой
температуры спутниковой линии от воздействия помех мешающей сети
значения развязки по поляризации.
1.4.2.5 Применение малочувствительных к помехам сигналы
Малочувствительные к помехам сигналы применяются с целью
достижения максимальной пропускной способности СССВ и/или снижения
влияния помех.
Выбор оптимального ансамбля сигналов в СССВ позволяет наиболее
эффективно использовать частотно-энергетический ресурс (полосу и
мощность) ЗС и РТР КС, достигая требуемой достоверности и скорости
передачи информации в канале путем согласования методов кодирования и
модуляции сигналов с характеристиками канала передачи.
С увеличением кратности ФМ растет скорость передачи информации в
каждой отдельной системе, но возрастает и чувствительность линии связи к
помехам от соседних систем. Исходя из результатов анализа воздействия
помех ограниченного уровня на прием ФМ сигналов с различной кратностью
модуляции, при дефиците энергетики в канале передачи СССВ обычно
применяют методы модуляции ФМ-2/ФМ-4. Они обладают максимальной
потенциальной
помехоустойчивостью
приема
и
энергетической
эффективностью (минимальными требованиями к величине
, что в
сочетании с мощным помехоустойчивым кодированием (с высоким ЭВК)
позволяет обеспечить необходимый энергетический выигрыш в обмен на
расширение полосы частот спектра сигнала.
Наилучшая помехоустойчивость для большинства спутниковых
применений ожидается от СКК на основе ФМ-4 и новых каскадных кодов
(внутренний код LDPC+ внешний код БЧХ) с применением итеративных
алгоритмов декодирования, предусмотренных в декодерах СКК стандарта
DVB-S2. Сочетание каскадного LDPC/БЧХ кода с большой длиной кодового
блока и высокой избыточностью r= 1/4, 1/3 и 2/5 и модуляции ФМ-4
обеспечивает наибольшую помехоустойчивость на спутниковых линиях
передачи с напряженным энергетическим бюджетом при низких значениях
45
, (0,59-0,75 дБ) при показателях спектральной эффективности сигналов
(0,49-0,79 бит/с/Гц).
1.4.2.6
Освоение новых высокочастотных диапазонов в СССВ
Создаются экспериментальные и даже эксплуатационные системы
спутниковой связи в диапазонах частот 20/30 и 40/50 ГГц, где выделенные для
ФСС и РСС полосы частот весьма велики. Имеются примеры использования
этих полос частот для организации в сетях ФСС широкополосного доступа к
Интернету, в том числе с использованием ультрамалых абонентских
спутниковых станций USAT (с антенной диаметром 30 см).
Оценка общей пропускной способности системы доступа к Интернету на
основе применения группы спутников ФСС, работающих на определенном
участке дуги ГСО в общем диапазоне частот на общую зону обслуживания (в
примере площадью около 10 млн. кв. км) представлена в [14]. Расчет
потенциальной пропускной способности такой системы в диапазонах частот
ФСС 11/14, 20/30 и 40/50 ГГц выполнен при условии, что рабочая полоса
частот каждого спутника в соответствующем диапазоне равна 500 МГц:
для 14 спутников (11/14 ГГц) – 71 {38} Гбит/с;
для 23 спутников (20/30 ГГц) – 706 {380} Гбит/с;
для 40 спутников (40/50 ГГц) – 4400 {2400} Гбит/с.
Результаты расчета пропускной способности соответствуют двум
вариантам помехоустойчивого кодирования со скоростями r1 = 3/4 и {r2 = 1/2}.
Максимально возможное число спутников в выбранных диапазонах ФСС
определено по условиям ЭМС соседних КС, работающих в общей полосе
частот на общую зону обслуживания – по критерию отношения сигнал/помеха
от соседней КС (С/I)ADJ
23 дБ. Из сравнения расчетных показателей
потенциальной емкости системы видно, что использование более
высокочастотных диапазонов 20/30 ГГц и 40/50 ГГц в сочетании с
многолучевой структурой КС и повторным использованием частот в
отдельных лучах МЛА КС обещает многократный выигрыш в пропускной
способности и повышает емкость и эффективность использования ГСО.
Спутниковые многолучевые системы ШПД работают исключительно в
Ка-диапазоне. Именно Ка-диапазон позволяет реализовать спутники с
мощным покрытием и высокой пропускной способностью. Например, спутник
Kа-Sat имеет более 80 мощных лучей и общую пропускную способность около
46
90 Гбит/с, что позволяет предоставлять услуги ШПД с выделенными
скоростями на абонента до 10 Мбит/с для массового пользователя и до 40
Мбит/с для профессионального использования. Kа-Sat – это первая в Европе
система спутникового ШПД Ка-диапазоне. Kа-Sat покрывает 55 стран.
Легализация Ка-диапазона в них заняла больше времени, чем мы
предполагали. Во-вторых, до Kа-Sat Eutelsat не занимался предоставлением
массовых услуг ШПД. Нам нужно было время для формирования дилерской
сети и тарифов, адаптированных для массового и профессионального
использования, с учетом специфики разных стран. Сегодня мы можем с
уверенностью заявить, что услуга востребована [37].
1.4.2.7 Обеспечение однородности СССВ и гармонизация норм на
допустимые взаимные помехи между СССВ
Достижение максимально возможной однородности спутниковых
систем представляется одним из реальных средств повышения эффективности
использования ГСО. Исходя из условий однородности, принятых в [35, 38],
однородные системы обеспечивают равенство требуемого углового разноса по
отношению друг к другу, что позволяет избежать создания бесполезного
запаса по защитному отношению в направлении одной из этих систем, менее
чувствительной к помехам, и реализовать минимальный угол разноса между
КС этих систем на ГСО. Полученные соотношения между энергетическими
параметрами двух однородных СССВ показывают, что условия однородности
могут выполняться для систем с разными параметрами, например с разными
размерами зон обслуживания, диаметрами антенн ЗС и др. [35].
Следует учитывать, что приближение к однородности не всегда
увеличивает емкость ГСО. Если однородность достигается при таком
изменении параметров систем, которое позволяет сблизить КС этих систем
на ГСО, но не меняет пропускную способность каждой из этих систем, то
суммарная емкость ГСО растет. Однако при неправильном применении
достижение однородности ведет к снижению емкости ГСО.
В качестве эффективного приема максимизации емкости ГСО часто
используется метод пересечения лучей – размещение поблизости на ГСО КС
систем, обслуживающих удаленные зоны, и обслуживание соседних зон с
помощью КС, достаточно разнесенных по ГСО.
Существенное влияние на эффективность использования ГСО оказывает
норма допуска на взаимные помехи между СССВ. С увеличением этой нормы
47
пропускная способность каждой отдельной системы падает, поскольку
требуемого качества приема сигналов приходится достигать при пониженном
отношении С/(I+N), но при этом соседние КС могут располагаться на ГСО
ближе друг к другу, в результате чего общая пропускная способность ГСО
возрастает. Максимум пропускной способности может быть реализован при
оптимальной доле помех I в общей мощности шума N∑ = (1 + N), допустимой
для системы с конкретными параметрами канала передачи [5].
Нормы на допустимые отношения сигнал-помеха С/I и сигнал-шум C/N
в СССВ периодически пересматриваются с учетом ухудшения реальной
помеховой обстановки и появления новых конкурирующих служб в полосах
частот совместно используемых ФСС, РСС и ФС. Так, при пересмотре Плана
ФСС на ВКР-07 значения C/N и С/I снижены на 2 дБ по сравнению с ранее
принятыми.
2 Расчет энергетических характеристик линии спутниковой
системы связи
2.1 Создание Казахстанской группировки спутников связи
Постановлением Правительства РК от 29 сентября 2010 года № 983
утверждена Программа по развитию информационных и коммуникационных
технологий в Республике Казахстан на 2010-2014 годы. Целью программы
является переход Республики Казахстан к информационному обществу и
инновационной экономике. Для достижения необходимо развитие
спутниковой системы страны. В задачах программы предусмотрен охват
спутниковым цифровым телевещанием территории Казахстана.
Приказ Министра транспорта и коммуникаций РК от 28 января 2013
года № 69 «О создании рабочей группы по развитию спутниковой связи и
вещания» позволяет оценить развитие спутниковой связи в нашей стране
положительно [40].
«KazSat-3», изготовленный ОАО «Информационные спутниковые
системы» имени академика М.Ф. Решетнева» по контракту с АО
«Республиканский центр космической связи» был успешно запущен 28 апреля
этого года с космодрома Байконур. На земной орбите отныне находятся сразу
два космических аппарата под казахстанским флагом.
Второй КА «KazSat-2» – был запущен 16 июля 2011 года с космодрома
Байконур. Точка стояния на ГСО 86,5° в. д. В таблице 2.1 приведены основные
48
технические характеристики спутника. По заявлению Республиканского
центра космической связи зона обслуживания КА «КазСат-2» включает всю
территорию Республики Казахстан, территорию стран Центральной Азии и
центральной части России с неравномерностью не более 3 дБ. В приложении
B приведены зоны покрытия ИСЗ «KazSat-2» и частотный план.
Космический аппарат «KazSat-3» является телекоммуникационным
спутником-ретранслятором и предназначен для предоставления услуг связи,
телевещания и высокоскоростного доступа в Интернет на территории
Казахстана и сопредельных государств.
На спутнике KazSat-3 установлено 28 транспондеров Ku-диапазона,
которые обеспечат услугами связи территорию Казахстана. Срок активного
существования космического аппарата – 15 лет.
Космический аппарат «KazSat-3» является очередным этапом в
реализации проекта по созданию национальной космической системы связи и
вещания Республики Казахстан.
На данный момент Космический аппарат «KazSat-3» выведен на
геостационарную орбиту, начаты работы по проверке систем и агрегатов
космического аппарата, управление космическим аппаратом «KazSat-3»
осуществляется из ЦУП Акколь [41].
Таблица 2.1 – Основные технические характеристики «KazSat-2»
Точка стояния на ГСО
Масса КА, кг
Точность ориентации, град
Точность позицион., град
Мощность СБ, Вт
Срок активного существования, лет
Диапазон частот
Количество стволов
Полоса пропускания, МГц
Добротность, дБ/К
ЭИИМ (ТВ / связь), дБВт
Масса ПН,кг
86,5 град. в.д.
1330
0,1
±0,05
4600
12,25
Ku
16
54
5,3
53,5 / 49
200
Для расчета энергетики радиолиний зададимся исходными данными.
Выберем в качестве используемого ИСЗ спутник «KazSat-3», (58,5° в.д.).
Техническая спецификация спутника приведена в таблице 2.2.
49
Таблица 2.2 – Основные технические характеристики «KazSat-3»
Тип орбиты / точка стояния
Срок активного существования (лет)
Точность позиционирования на ГСО (град.)
Диапазон частот
Количество транспондеров (шт.)
Полоса пропускания транспондеров (МГц)
Изготовитель КА
Изготовитель ПН/БА КИС
Пусковые услуги
ГСО / 58,5 град. в.д.
15
±0,05
Ku
28
54 / 36
ОАО
«Информационные
спутниковые системы имени
академика М.Ф. Решетнева»
Thales Alenia Space Italia S.p.A.
(Италия)
ФГУП «ГКНПЦ имени
М.В. Хруничева»
2.2 Расчет расстояния между двумя спутниками «KazSat-2» и «KazSat-3»
Рассчитаем
расстояние между двумя спутниками
«KazSat-2»,
«KazSat-3» и между подспутниковыми точками. Ниже представлен рисунок
2.1 к этим расчетам. чтобы рассчитать расстояние между спутниками,
расположенных на ГСО, следует вычислить длину геостационарной орбиты
СГСО и длину на один градус lГСО:
С
lГСО
2 (R
ГСО
З
h)
,
(2.1)
360СГСО,
(2.2)
где RЗ – радиус земли, 6370000 м; h – высота спутника, 35875000
м;
В формулу (2.1) и (2.2) подставляя нужные значения, получим:
СГСО
2 3,14 (6370000 35875000)
265298600
50
265298600 м,
lГСО

736940 м.
360
Нам известны долготы двух спутников, использую следующую
формулу, можно рассчитать расстояние между спутниками:
l
l
1
ГСО
2
,
1
(2.3)
где 1 – восточная долгота КА «KazSat-3», 58,5 ;
2
– восточная долгота КА «KazSat-2», 86,5 .
Подставляя нужные значения в формулу (2.2), получим:
l1
7369405
20634000 м.
86,5 58,5
А теперь чтобы посчитать расстояние между подспутниковыми точками,
расположенные на экваторе, используем тот же принцип:
С
2 R
ЭКВ
,
(2.4)
З
lЭКВ
С
360 ЭКВ,
(2.5)
l
l
2
ЭКВ
2
1
,
(2.6)
где СЭКВ – длина экватора, м; lЭКВ – длина экватора на один
градус, м; l2 – расстояние между подспутниковыми
точками, м.
Подставляя исходные данные в формулы (2.4) и (2.5), (2.6) получим:
СГСО
2 3,14 6370000
51
40003600 м,
40003600
360 11121 м
lГСО
l2 11121
KazSat-3
86,5 58,5
l1
311388 м.
KazSat-2
86,5E
58,5E
Rз +h
Геостационарная
орбита
,
l2
Земля
Рисунок 2.1 – Пояснение к определению расстояния между
спутниками и подспутниковыми точками
Можно сделать вывод, что два спутника, разнесенные на расстояние
20634 км, удобны для обеспечения связи на территории РК. Спутниковая
группировка имеет преимущество, так как при выходе из строя одного из
спутников, его функцию может взять на себя второй спутник, тем самым
обеспечить связью имеющихся потребителей.
2.3 Расчет угла места и азимута земных станций, расположенных
на территорий РК
52
Для расчета угла места антенны выберем в качестве местополжения
земной станции в западной части страны Атырау, географические координаты
которого 47°6' с.ш. и 51°55' в.д., а в восточной части – Алматы, географические
координаты которого 43°14' с.ш. и 76°58' в.д.
Геостационарная
орбита
уникальна,
благодаря
своим
преимуществам геостационарная орбита широко используется спутниками
связи. Однако вблизи полюсов геостационарной ИСЗ виден под малыми
углами места, а у самого полюса не виден. Малые углы приводят к затенению
спутника местными предметами, увеличивают шумы антенной системы
станции, создаваемыми радиошумовым излучением Земли. Углы места
геостационарной ИСЗ, также уменьшаются с удалением по долготе точки
приема долготы ИСЗ. Таким образом, для обслуживания территорий высоких
широтах геостационарной ИСЗ должен размещаться по возможности близко к
центральной долготе обслуживаемой зоны [5].
Рассчитаем расстояния от земных станций до бортового ретранслятора
по формуле, приведенной в [35]:
d 42644 103 1 0,2954 cos ,
(2.7)
где
cos cos cos , ξ –
широта земной станции;
β – разность долгот спутника и земной станции; d –
расстояние от земной станции до спутника, м.
Подставляя исходные данные в формулу (2.7) для спутника «KazSat-3»,
получим:
– для Алматы:
d
42644 103 1 0,2954
42644 103 1 0,2954
cos43 14' cos18 08'
0,7297
0,9506
38025 103 м;
– для Атырау:
d
42644 103 1 0,2954
42644 103 1 0,2954
53
cos47 6' cos7
0,6743 0,9925
38197 103м.
Далее рассчитаем угол места и азимут на спутник «KazSat-3» с земных
станций по формулам, приведенным в [35]:
Азимут 180
tg
arctg
,
sin
Угол места
arctg
cos
cos
sin2
где
(2.8),
0,15126
cos
,
(2.9)
sin
,
– долгота подспутниковой точки, грд;
– долгота земной станции, грд;
– широта земной станции, грд.
Подставляя исходные данные в формулы (2.8), (2.9) получим:
–
для Алматы:
Азимут
25,52
180
tg( 18,08)
arctg
180
206 ,
sin43,14
Уголместа
arctg
cos( 18,08 ) cos43,14
0,15126
36,8 ;
sin2( 18,08 )
cos( 18,08 ) sin43,14
–
для Атырау:
Азимут 180
arctg
54
tg7
180
9
173,8 ,
sin47,6
cos7
Угол места
arctg
cos47,6
0,15126
35,5 .
sin2 7
cos7
sin 47,6
Теперь точно такие же расчеты будем производить для спутника
«KazSat-2» с земными станциями, расположенных в Атырау и Алматы.
Подставляя исходные данные в формулу (2.7) для спутника «KazSat-2»,
получим:
–
для Алматы:
d
42644 103 1 0,2954
42644 103 1 0,2954
–
cos43 14' cos9 92'
0,7297
0,985
37847 103м;
для Атырау:
d
42644 103 1 0,2954
42644 103 1 0,2954
cos47 6' cos34,95
0,6743 0,8196
39008 103м.
Подставляя исходные данные для спутника «KazSat-2» в формулы (2.8),
(2.9) получим:
–
для Алматы:
Азимут
25,52
180
tg( 18,08)
arctg
180
166 ,
sin43,14
Уголместа
arctg
cos( 18,08 ) cos43,14
sin2( 18,08 )
55
0,15126
cos( 18,08 ) sin43,14
39,2 .
–
Азимут 180
для Атырау:
tg7
arctg
180
9
136,7 ,
sin47,6
cos7
Угол места
arctg
cos47,6
0,15126
26,3 .
sin2 7
cos7
sin 47,6
Таблица 2.3- Результаты расчёта по «KazSat-2» и «KazSat-3»
Координаты (с.ш.,
в.д.)
Угол места, °
KazSat-2 KazSat-3
VSAT терминал в г.
Атырау (47°6'
с.ш. и 51°55' в.д)
VSAT терминал в г.
Алматы (43°14'
с.ш. и 76°58' в.д.)
Азимут,°
Наклонная
дальность, м
KazSat-2
KazSat-3
KazSat-2
KazSat-3
26,3
35,5
136,7
173,8
39008000
38197000
39,2
36,8
166
206
37847000
38025000
Из результатов расчета, можно увидеть, что земной станции,
расположенной в г. Атырау лучше работать с КА KazSat-3, а в г. Алматы с КА
«KazSat-2». Поскольку чем больше угол места ЗС, тем лучше принимать и
передавать сигнал.
2.2 Расчет затухания уровня сигнала в свободном пространстве
Рассчитаем затухание энергии сигнала, в свободном пространстве: для
этого необходимо выбрать конкретный транспондер, через который будет
работать сеть, чтобы знать частоты приема и передачи, необходимые для
расчетов.
Выберем для расчетов транспондер «KazSat-3», центральные частоты
которого – 14458 МГц на прием и 11658 МГц на передачу.
56
Таблица 2.4 –
Характеристики
спутника «KazSat-3»
Диапазон
транспондеров
“Ku”
Добротность в зоне обслуживания(пороговое от 3,30 до +5,30 дБ/К
и пиковое значение)
ЭИИМ в зоне обслуживания(пороговое и
пиковое значение)
49,05-53,5 дБВт
Полоса частот
54 МГц
Центральная частота приема (передачи), МГц 14458 (11658)
Уровень комбинационных составляющих
-20 дБ
относительно уровня измерительного сигнала
В начале следует подготовить данные по ослаблению ("потерям")
энергии сигналов на участках "вверх" и "вниз". Общее ослабление энергии
радиоволн на каждом участке [35]:
L L L
p
0
доп
,
(2.10)
где L0 – ослабление сигнала в свободном пространстве.
Затухание энергии сигнала в свободном пространстве рассчитывается по
формуле:
4 d
L 20lg
где
,
(2.11)
L – затухание энергии, дБ; d –
расстояние между ИСЗ и ЗС, м;
c
f – длина волны, м;
с =3·108 м/с – скорость света; f –
частота сигнала, Гц.
57
Для Алматы затухание энергии сигналов в свободном пространстве за
счет расхождения фронта волны на пути распространения Земля – спутник (f
= 14458,33 106 Гц, λ= 0,02075 м) будет равно:
4·3,14·38025·103
L
207,24 дБ,
20lg
0,02075
–
а на пути распространения спутник – Земля (f = 11658 106 Гц,
λ = 0,0257 м) равно:
L
20lg
4·3,14·38025·103
205,38 дБ.
0,0257
Аналогично рассчитываем затухание для ЗССС в Атырау, Подставляя в
формулу (2.11) исходные данные, рассчитанные по формуле (2.7) получаем
затухание на линии Земля – спутник:
L
20lg
4·3,14·38197·103
207,28 дБ,
0,02075
–
а на линии спутник – Земля:
4·3,14·38197·103
L
205,42 дБ.
20lg
0,0257
Можно сделать вывод, что затухание сигнала в свободном простанстве
зависит от частоты и наклонной дальности. Чем больше частота, тем больше
затухание, поскольку длина волны теряет свойтсва изгибать препятствия. А
чем больше расстояния, то сигнал будет испытывать больше препятствии при
прохождении атмосферных слоев.
58
3 Определения необходимости координации геостационарных
спутниковых систем связи
При создании новой спутниковой системы необходимо не ранее чем за
шесть лет и предпочтительно не позднее чем за два года до планируемой даты
ввода в действие спутниковой сети послать в БР МСЭ для опубликования в
еженедельном циркуляре информацию, перечисленную в Приложении 4 к
Регламенту радиосвязи [6]. Эта информация должна содержать данные об
орбите ИСЗ, сведения о зонах обслуживания, диапазон частот, максимальную
спектральную плотность мощности (Вт/Гц), подводимую к антеннам ЗС и КС,
ДНА, а также шумовые температуры приемников ЗС и КС, эквивалентную
шумовую температуру линии и т.д. При этом для случая применения простых
ретрансляторов с переносом частоты на КС указывается минимальная
эквивалентная шумовая температура линии Тл и связанное с ней значение
коэффициента передачи (γ) между входом приемника КС и входом приемника
ЗС. Для этого случая:
Тл= Тзс+γТкс,
(3.1)
где Тл – эквивалентная шумовая температра линии, К;
Тзс – эквивалентная шумовая температура приемника ЗС, К; Ткс
– эквивалентная шумовая температура приемника КС, К.
Если после изучения этой информации, опубликованной в
еженедельном циркуляре БР МСЭ, какая либо администрация сочтет что ее
существующим или запланированным службам могут быть созданы
недопустимые помехи, она должна в течение четырех месяцев после даты
опубликования в еженедельном циркуляре указанной информации послать
свои потребности.
В то же время Резолюция 2 [6] относительно использования всеми
странами на равных правах полос частот для служб космической радиосвязи
определяет, что регистрация МСЭ частотных присвоений для данных служб и
их использование не должна давать никакого постоянного приоритета никакой
отдельной стране или группе стран и не должна препятствовать созданию и
развитию космических систем связи другими странами. Поэтому обе стороны
обязаны найти взаимоприемлемое решение в процессе координации, если она
необходима. При этом координация должна проводиться с теми частотными
присвоениями, которые находятся в той же полосе частот, что и планируемое
присвоение, соответствуют таблице распределения частот, записаны в
справочный регистр или уже являются предметом координации.
59
Для определения необходимости координации с какой-либо системой
проводится упрощенная оценка возможных взаимных помех между
системами, заключающаяся в расчете кажущегося увеличении эквивалентной
шумовой температуры спутниковой линии, вызванного помехами, и
последующем сравнении полученного значения, выраженного в процентах, с
пороговым значением, определенным Регламентом раиосвязи. Важно
отметить, что анализируются помехи в обоих направлениях, т.е. помехи как
создаваемые заявляемой системой, так и испытываемые ею. Превышения
порогового значения приращения эквивалентной шумовой температуры
линии в любой из анализируемых систем достаточно для заключения о
необходимости координации.
При расчетах приращения эквивалентной шумовой температуры линии
необходимо рассмотреть два возможных случая: 1) обе системы совместно
используют одну или несколько полос частот, причем направленниях
передачи в совпадающих полосах в обеих ситемах совпадают; 2) обе системы
совместно используют одну или несколько полос частот, причем передача в
совпадающих полосах ведется в системах в противоположных направлениях
(реверсное использование частот) [42].
В наиболее общем первом случае (рисунок 3.1), когда в системе
используются ретрансляторы с прямым преобразованием частоты,
приращение эквивалентной шумовой температуры спутниковой линии ∆ Т л
может быть определено по выражению:
∆Тл= ∆Тзс+γ∆Ткс,
(3.2)
где ∆Тзс – кажущееся увеличение шумовой температуры приемной
системы ЗС на выходе приемной антенны, К;
∆Ткс – кажущееся увеличение шумовой температуры приемной
системы КС на выходе приемной антенны, К; γ – коэффициент передачи
спутниковой линии между входом приемника КС и входом приемника ЗС, его
значение обычно меньше единицы и характеризует степень влияния помех,
создаваемых на линии ЗС– КС. Величины ∆Тзс и ∆Ткс можно записать в виде
[43]:
∆Тзс = P ксmax Gпд кс(η) Gпр зс(θt) / (kld),
(3.3)
∆Ткс = P зсmax Gпд зс(θt) Gпр кс(δ) / (klu),
(3.4)
60
где P ксmax и P зсmax – максимальные плотности мощности в полосе 1 Гц,
усредненная в наихудшей полосе 4 кГц для несущих ниже 15 ГГц, и в полосе
1 МГц для несущих выше 15 ГГц, подводимые к антеннам мешающей ЗС
соответственно, Вт/Гц;
Gпд кс(η) – коэффициент усиления передающей антенны мешающей
КС в направлении ЗС, подверженной помехам, раз;
Gпр
коэффициент усиления приемной антенны ЗС,
зс(θ) –
подверженной помехам, в направлении на мешающую КС, раз;
Gпд зс(θt) – коэффициент усиления передающей антенны мешающей
ЗС в направлении на КС, подверженную помехам, раз;
Gпр
кс(δ) – коэффициент усиления приемной антенны КС,
подверженной помехам, в направлении на мешающую ЗС, раз;
k – постоянная Больцмана (1,38∙10-23 Вт/(Гц∙К));
ld, lu – потери передачи в свободном пространстве на участках
вверх (ЗС – КС) и вниз (КС– ЗС) соответственно, раз; θt – топоцентрический
угловой разнос между спутниками с учетом допусков на удержание спутников
по долготе; η – угол, определяющий направление прихода МС от мешающей
КС на ЗС, подверженную помехам; δ – угол, определяющий направление
прихода МС от мешающей ЗС на КС, подверженную помехам. Потери
передачи (раз) в свободном пространстве:
l = 100,1[20(lgƒ+lgd)+32,45],
(3.5)
где ƒ – частота, МГц; d
– расстояние, км.
61
Геостационарная орбита
Рисунок 3.1 – Помеховое взаимодействие двух геостационарных
спутниковых систем
Расстояние между ЗС и КС:
d = 42644
где
,
(3.6)
=
- широта ЗС;
∆λ - разность по долготе между КС и ЗС.
Топоцентрический угловой разнос между двумя геостационарными КС
для данной ЗС:
θt = arccos(
2
] /[2d1d2]),
(3.7)
где d1 и d2 – расстояния (в км) от ЗС до обоих КС соответственно,
вычисляемые по (3.6);
– геоцентрический угловой разнос между КС.
Коэффициенты усиления бортовых антенн КС определяют из
соответствующих
заявочных
характеристик,
предоставляемых
62
администрациями. Коэффициенты усиления антенн ЗС могут определяться
либо по реальным измеренным характеристикам, либо на базе
соответствующих рекомендаций МСЭ. В тех случаях, когда такая информация
отсутствует, в Регламенте радиосвязи рекомендуется пользоваться
следующими справочными ДНА.
Для значений (D/λ)≥100 коэффициент усиления антенны (дБ) под углом
φ относительно оси ДНА определяется по соотношениям:
(3.8)
где D – диаметр антенн, м; λ
– длина волны, м;
φ – угол (в градусах), отсчитываемый от оси антенны, равный или
в зависимости от случая;
g1 = 2+15∙lg(D/λ) – коэффициент усиления антенны в направлении
максимума первого бокового лепестка ДНА, дБ;
(3.9)
(3.10)
Если D/λ не задано, его можно определить по формуле:
D/λ = 10 0,05(gmax – 7,7),
(3.11)
для значений (D/λ)<100:
(3.12)
63
При изменении модуляции на КС, если для рассматриваемой
спутниковой сети усиление передачи γ не дано или если передача исходит с
КС, то увеличение шумовой температуры сопоставляется с общей шумовой
температурой конкретно рассматриваемой линии (КС или ЗС соответственно).
В этом случае эквивалентная шумовая температура всей спутниковой линии и
усиление передачи γ не используют, а значения
и
рассматривают
отдельно.
Во втором случае, когда системы используют одну и ту же полосу частот
при передаче в противоположных направлениях (реверсное использование
частот), анализируются только помехи между КС, а помехи между ЗС должны
рассматриваться в процессе координации, аналогичном координации земных
и наземных станций. В этом случае:
,
(3.13)
или
(3.14)
где
– коэффициент усиления передающей антенны мешающей
КС, подверженную помехе, раз;
– коэффициент усиления приемной антенны
подверженной помехе, в направлении на мешающую КС, раз;
КС,
– потери передачи в свободном пространстве на межспутниковой
линии, определяемые по (3.5) в результате подстановки расстояния между
спутниками
, рассчитываемого по формуле
.
(3.15)
Если известны сведения об используемой в системах поляризации, то
может быть учтена дополнительная поляризационная развязка на участке вниз
Y. Тогда в первом случае:
,
а во втором случае:
64
(3.16)
,
(3.17)
где – поляризационная развязка между ПС и МС на участке
спутниковой линии вниз, раз;
– поляризационная развязка между ПС и МС на участке
спутниковой линии вверх, раз;
– поляризационная развязка между ПС и МС на
межспутниковой линии, раз.
В отсутствие точных данных поляризационная развязка в (3.16) и (3.17)
определяется согласно таблице 3.1. В таблице указанные сокращения ЛКП –
левая круговая поляризация, ПКП – правая круговая поляризация, ЛП –
линейная поляризация.
Таблица 3.1 – Значения коэффициента поляризационной развязки
при разных видах поляризации ПС и МС
Поляризация сигнала
ПС
МС
ЛКП
ПКП
ЛКП
ЛП
ПКП
ЛП
ЛКП
ЛКП
ПКП
ПКП
ЛП
ЛП
Коэффициент поляризационной
развязки Y
4
1,4
1,4
1
1
1
При расчетах
для каждой спутниковой приемной антенны той сети,
которая испытывает помехи, следует определить наиболее неблагоприятно
расположенную передающую ЗС мешающей спутниковой сети наложением
зон обслуживания в направлении ЗС – КС мешающей сети на контуры
усиления приемной антенны КС, нанесенные на карту поверхности Земли.
Наиболее неблагоприятно расположенной передающей ЗС является такая
станция, в направлении которой усиление приемной антенны КС сети,
испытывающей помехи, оказывается наибольшим. Аналогично необходимо
определить наиболее неблагоприятно расположенную ЗС для каждой зоны
обслуживания в направлении КС – ЗС.
Выраженное в процентах вычисленное значение необходимо сравнить с
допустимым значением 6%. Если вычисленное значение не превышает
65
допустимого, то координация рассматриваемых спутниковых сетей не
требуется.
В случае помех только в одной линии, т. е. на участке вверх или вниз,
выраженное в процентах значение
или
необходимо
сравнить с допустимым значением 6%. В случае помех и в линии вверх, и в
линии вниз, между которыми на КС изменяется модуляция, необходимо
сравнивать выраженное в процентах каждое из значений
и
с пороговым значением 6%. Если хотя б одно из рассчитанных значений для
одной из взаимодействующих систем превышает допустимое, то координация
между рассматриваемыми системами необходима.
3.1 Расчет определения необходимости проведения координации
между двумя одинаковыми системами
Определить необходимость проведения координации между двумя
одинаковыми спутниковыми системами, работающих в диапазонах частот 6/4
ГГц, каждая из которых имеет ретранслятор с прямым преобразованием
частоты и антенны глобального покрытия
[43].
Предполагается, что все топоцентрические
углы равны
и составляют . Антенны ЗС имеют диаметр,
определяющий
значение
параметра . Примем
для
расчета
КС
такие
типовые
значения
параметров: максимальная плотность мощности сигнала ЗС ; максимальная
плотность мощности сигнала , коэффициент
передачи (дБ) спутниковой линии от входа приемника КС до входа приемника
ЗС ; эквивалентная шумовая температура спутниковой линии потери передачи
на участке вверх (ЗС – КС)
пространстве на участке вниз (ЗС – КС) )
потери передачи в свободном
.
Рассчитывается коэффициент усиления антенн ЗС (дБ) под углом с
использованием соотношений (3.8) – (3.10). Для этого сначала по (3.10)
рассчитывается значение угла
:
66
Поскольку превышает , то коэффициент усиления антенны ЗС в
направлении КС другой спутниковой сети рассчитывается по формуле
и составит:
Рассчитывается коэффициент усиления глобальной антенны КС в
направлении ЗС по формуле:
,
(3.18)
где
– коэффициент усиления антенны КС (дБ), имеющий для
глобальной антенны КС значение 20 дБ;
– ширина ДНА КС (град.), имеющая для глобальной антенны
значение 17о. подставляя в (3.18) значение угла δ
, получаем:
.
Выразим для дальнейшего расчета соотношение (3.3) в дБ, которое после
логарифмирования принимает вид:
,
(3.19)
где все показатели выражены в дБ.
Подставляя в (3.19) полученные данные, получаем:
.
Приращение шумовой температуры ЗС:
По аналогии с (3.19) соотношение (3.4) записывается в виде:
(3.20)
67
Где все показатели выражены в дБ. Подставляя
в (3.20) данные, получаем:
Приращение шумовой температуры КС:
Приращение шумовой температуры в спутниковой линии определяется
и
с учетом полученных выше значений
по соотношению (3.2),
которое после подстановки значений принимает вид:
Отсюда
относительное
приращение
превышает допустимое значение
шумовой
температуры в спутниковой линии составит Полученное
значение
что указывает на необходимость проведения координации
между рассматриваемыми спутниковыми сетями. Так как в примере
рассмотрены системы с одинаковыми параметрами, то полученный результат
характеризует уровень возможных помех в обеих системах. В реальных
условиях расчет повторяют в направлении другой системы [34].
В процессе координации администрациями при необходимости могут
быть рассмотрены изменения позиций ИСЗ, согласование параметров
передаваемых сигналов, параметров антенн, мощностей передатчиков и т.д.
оценке возможных помех и выработке необходимых условий, в настоящее
время Регламентом радиосвязи не оговорена. На практике координация систем
основывается на материалах МСЭ по нормам на уровень помех и методике
расчета. Расчет при этом ведется по шуму в канале на выходе приемного
устройства с учетом конкретных видов модуляции.
4 Анализ характеристик радиоприемных устройств, влияющих
ЭМС РЭС
68
4.1 Каналы приема радиоприемника
Оценка ЭМС радиолиний требует построения конструктивной модели
ПРМ как рецептора системного характера. Такая модель строится с
использованием внешних параметров, получаемых путем измерений, без
анализа структуры ПРМ И учета его внутренних параметров. Поскольку при
этом многие параметры ЭМС не могут быть определены точно, то их оценки
носят приближенный и вероятностный характер. К этому следует добавить,
что отдельные характеристики должны описываться в широкой полосе частот
относительно присвоенной частоты (декада и более). Совокупность таких
частных моделей характеристик ЭМС образует модель ПРМ в целом,
используемую при машинном моделировании [44].
Радиоприемные устройства (РПУ) предназначены для выделения
сигналов из радиоизлучений. Идеальный с точки зрения ЭМС радиоприемник
должен иметь только один основной канал приема – полосу частот,
находящуюся в полосе пропускания приемника и предназначенную для
приема основного излучения нужной радиостанции. В реальных приемниках,
кроме основного, имеются также нежелательные неосновные каналы приема,
расположенные за пределами полосы основного канала в широком диапазоне
частот (2...5 на рисунке в приложении Г и др.). Через основной и неосновные
каналы на выход приемника могут поступать помехи, ухудшающие ЭМС РЭС.
Восприимчивость приемника к радиопомехам оценивается по отношению к
излучаемым помехам, воздействующим через антенну РПУ, а также помимо
нее, например, через корпус по цепям питания, управления и др.
Восприимчивость является мерой способности радиоприемника реагировать
на непреднамеренные помехи и зависит от его чувствительности и
избирательности по основному и неосновным каналам приема [34].
Для супергетеродинных приемников характерно наличие соседних и
побочных
каналов
приема:
зеркального,
комбинационного,
интермодуляционного и прямого [45].
( ), примыкающий
Соседний канал приема – это канал на частотах
к основному каналу (
) (рисунок 4.1), вследствие недостаточной
избирательности приемника не отфильтровываемый преселектором и
создающий в ПЧ сигналы на частотах
близких к
промежуточной частоте
и входящих в полосу пропускания УПЧ.
Зеркальный канал приема образуется внешней помехой на частоте:
69
(4.1)
Если эта частота входит
преселектора,
имеющего
показанную на рисунке 4.1, то
=
е. такая же, как частота
в
полосу
пропускания
частотную характеристику
в ПЧ образуется частота т.
от полезного сигнала. Следовательно,
происходит наложение
спектра полезного сигнала и спектра помехи, т. е. частотная фильтрация
помехи от сигнала становится невозможной. Ослабить помеху по зеркальному
каналу можно двумя путями: увеличением частотной избирательности
или промежуточной частоты В последнем случае, согласно (4.1),
увеличится и частота помехи , что позволяет лучше отфильтровывать ее в
преселекторе. Однако чем выше промежуточная частота, тем труднее
обеспечить высокую избирательность УПЧ с полосой пропускания,
сопряженной с шириной спектра полезного сигнала. Для устранения помех
одновременно по зеркальному и соседнему каналам применяют многократное
преобразование (снижение) частоты:
=
….
=;
Кпрес
fп
fп
fп
fск
fс fск
fг
fзк
f
Рисунок 4.1 – Частотная характеристика преселектора
Комбинационный
канал
приема
образуется в
результате взаимодействия комбинационных
частот
гетеродина и
=
сигнала
(где n, m >1), образующих частоты, близкие
, т.
е.
входящие в полосу пропускания УПЧ. Усиливаясь так же; как и полезный
=
сигнал на частоте
, на демодуляторе Д образуются биения между
70
частотами сигнала и комбинационными частотами
Если они
входят в полосу пропускания усилителя низкой частоты УНЧ, то являются
помехой, воспроизводимой далее оконечным устройством ОУ. Основной
мерой устранения комбинационного канала приема является снижение уровня
гармоник гетеродина и сигнала выбором соответствующего режима работы
смесителя.
Интермодуляционный канал приема возникает при прохождении через
преселектор двух и более помех на частотах которые в смесителе образуют
сигналы с комбинационными частотами
(
целые числа). Если какая-либо одна или несколько из
комбинационных частот попадает в полосу пропускания УПЧ, то создается
интермодуляционный побочный канал приема. Для уменьшения влияния
последнего следует повышать частотную избирательность преселектора и
уменьшать усиление в УРЧ.
Прямой канал приема образуется, когда помеха имеет частоту, равную
промежуточной частоте
и воздействуя на ПЧ, проходит без
преобразования частоты в канал УПЧ.
При проектировании супергетеродинного приемника побочные каналы
приема могут быть практически устранены правильным выбором
промежуточной частоты, режима работы преобразователя частоты и
необходимой частотной избирательности преселектора и усилителя
промежуточной частоты. Поэтому супергетеродинная структура приемника
является в настоящее время главной.
4.2 Основные характеристики радиоприемных устройств,
влияющих ЭМС РЭС
При оценке ЭМС радиоприемников в случае односигнального
воздействия через антенну рассматривается прохождение сигнала по ОКП.
При этом в качестве параметров выступают частота настройки, полоса
пропускания канала, реальная чувствительность, односигнальная частотная
избирательность, нестабильность частоты гетеродина, допустимое отношение
сигнал-шум на входе радиоприемника.
Чувствительность характеризует способность ПРМ воспринимать
слабые сигналы на фоне внутренних шумов и воспроизводить их с заданным
качеством. Различают чувствительность, ограниченную шумами, реальную и
71
пороговую. Количественно чувствительность определяется минимальным
уровнем нормально-модулированного радиосигнала в антенне, необходимым
для получения заданной верности воспроизведения сообщений при точной
настройке [44].
Под чувствительностью понимают способность приемника принимать
слабые сигналы. Чувствительность определяется минимально необходимой
мощностью или ЭДС сигнала в антенне (либо ее эквиваленте), при которых
обеспечивается
нормальное
функционирование
исполнительного
(оконечного) устройства при заданном отношении мощности сигнала к
мощности собственных шумов на выходе приемника. Такое определение
справедливо в тех случаях, когда внешними помехами радиоприему можно
пренебречь. Однако в реальных условиях эксплуатации пренебрежение
внешними помехами радиоприему часто недопустимо, особенно для
приемников специальных радиосистем. Поэтому вводят понятие эффективной
чувствительности по отношению к уровню помех, как внутренних, так и
внешних.
Частотной избирательностью называется способность радиоприемника
выделить заданную полосу частот из спектра электромагнитных колебаний,
поступающих на его вход.
Она представляет собой отношение уровня, сигнала на заданной частоте
к его уровню на частоте настройки гари неизменном уровне ж сигнала на
выходе приемника и измеряется посредством одного Я сигнала с уровнем, не
вызывающим нелинейных эффектов в тракте приема. Данная избирательность
описывает также прием помехи, не вызывающей нелинейных эффектов в
приемнике, по основному или побочным каналам в отсутствие сигнала.
С позиции ЭМС важно определить свойство приемника выделять
полезный сигнал из произвольной совокупности сигналов и помех, совместно
и одновременно действующих на его входе. При т этом для учета явлений
блокирования, перекрестных искажений, а также приема интенсивной .помехи
по побочным каналам приема следует рассматривать совместное действие на
приемник двух колебаний, соответствующих сигналу и помехе, а для оценки
интермодуляции – трех-сигналов: полезного и двух мешающих [12].
Частотная избирательность, реализуемая с помощью резонансных цепей
и фильтров, характеризуется нормированной амплитудно-частотной
характеристикой
трактов радио fп и промежуточных (fп) частот
приемника:
(4.2)
72
где К(f) – модуль коэффициента передачи указанных трактов на
произвольной частоте f;
— то же, но на частотах или
Из (4.2) следует, что определяется произведением нормированных
амплитудно-частотных характеристик преселектора и УПЧ Если ввести
абсолютные расстройки по трактам преселектора и УПЧ
, а далее совместить их (
=
=
), то вид нормированных
амплитудно-частотных характеристик преселектора и УПЧ (рисунок 4.2)
будет показывать, что избирательность супергетеродинного приемника
определяется в основном трактом УПЧ. Количественно избирательность
приемника оценивается величиной, обратной (4.2):
(4.3)
которая и называется избирательностью приемника. Допустимой
неравномерности коэффициента передачи соответствует полоса пропускания
П на уровнях
или на любых других.
1,0
Кпрес
0,7
0,5
КI =Кпрес Купч
Купч
П0,5
f
Рисунок 4.2 – Нормированная амплитудно-частотная
характеристика преселектора и УПЧ
Понимая под К(f) коэффициенты передачи по любым побочным каналам
приема можно определить избирательность приемника по отношению к
соответствующим помеховым каналам.
Приведенные характеристики избирательности определяются только
частотной фильтрацией полезного сигнала от мешающих сигналов в
73
высокочастотном тракте. Однако реальная избирательность приемника в
целом зависит также от нелинейных явлений в его каскадах. Поэтому вводят
понятие эффективной частотной избирательности, под которой понимают
способность приемника различать полезный сигнал (на частоты которого
настроен приемник) и помехи (с частотами за пределами полосы
пропускания), уровни которых таковы, что они создают нелинейные эффекты
при одновременном действии полезного и мешающих сигналов. Нелинейные
эффекты в усилительных и преобразовательных каскадах приемника,
обусловленные в основном нелинейной вольт-амперной характеристикой
активных приборов при больших уровнях сигнала или помех, вызывают
явления, перечисленные в [45, 46]:
Пространственная избирательность осуществляется с помощью
остронаправленных приемных антенн, а в настоящее время и путем
управления фазированными антенными решетками (ФАР). Если источники
сигнала и помехи разнесены по угловым направлениям, то можно
существенно ослабить уровень внешней помехи на входе приемника,
формируя в направлении на источник сигнала максимум диаграммы
направленности приемной антенны, а в направлении источника помехи –
нули (провалы) в диаграмме направленности.
Поляризационная избирательность может быть осуществлена, если
имеются различия в поляризациях электромагнитных волн полезного сигнала
и помехи. Она производится приемной антенной, которая настраивается на
вид поляризации сигнала.
Помехоустойчивостью называют способность приемника обеспечивать
прием переданной или извлеченной информации с заданной достоверностью
при заданных (или выбранных) видах сигналов (в том числе видов модуляции
или кодирования) и наличии помех в радиоканале. Повышение
помехоустойчивости обеспечивается всеми видами избирательности, а также
созданием оптимальных (квазиоптимальных) структур приемников и
специальными мерами борьбы с помехами при обработке принимаемых
сигналов. Анализом влияния помех на прием сигналов занимается теория
помехоустойчивости. Однако при этом обычно делаются два существенных
допущения: помехи действуют только через антенну по ОКП, а сам тракт
радиочастоты (ТРЧ) – линейный. Поэтому под помехоустойчивостью
понимают способность ПРМ работать без ухудшения своих показателей при
действии помех через антенный вход [47].
Допустимые искажения воспроизводимого сигнала в отсутствие помех,
Искажения
могут
быть
линейными
(амплитудно-частотными
и
фазочастотными) и нелинейными. Амплитудно-частотные искажения
74
изменяют соотношения между амплитудами составляющих сообщения на
выходе приемника (включая оконечное устройство) по сравнению с его
входом. Они оцениваются допустимой нелинейностью АЧХ сквозного тракта
приемника в заданном диапазоне модулирующих частот. Фазочастотные
искажения заключаются в том, что различные составляющие спектра
сообщений при прохождении через приемник сдвигаются во времени не на
одинаковую величину и оцениваются допустимой нелинейностью ФЧХ
приемного тракта. Нелинейные искажения проявляются на выходе приемника
в появлении дополнительных частот (гармоник и комбинационных), не
содержащихся в передаваемом сообщении, и оцениваются допустимым
коэффициентом нелинейных искажений при заданном коэффициенте
модуляции. Искажения импульсных сигналов оцениваются допустимыми
длительностями фронта и среза, неравномерностью вершины, выбросами на
вершине и в паузе.
Под электромагнитной совместимостью понимают обеспечение
совместной работы данной радиоэлектронной аппаратуры с другой
аппаратурой, которая создает мешающее радиоизлучение. Существующие
нормы и основные параметры радиоэлектронных средств, именно
радиоприемников приведены в [48, 49, 50]. Задачи рационального
использования радиочастотных диапазонов и нормирования радиоизлучений
введены в общесоюзные стандарты. Имеются рекомендации («Регламент
радиосвязи») международных организаций по вопросам распределения
радиочастот между отдельными службами (радионавигация, радиолокация,
радиовещание и т. д.). Применительно к приемникам для ЭМС принимают
меры по уменьшению собственных его излучений и предусматривают защиту
приемников от влияния помех: других устройств по соседним и побочным
каналам приема, а также от индустриальных помех. ЭМС задается
допустимыми уровнями напряжений гетеродина, «просачивающихся» в
антенну, на выход приемника, в цепи питания, управления, коммутации [45].
4.3 Измерение параметров радиоприемного устройства
4.3.1 Описание радиоприемников, радиопередатчиков и антенн,
используемые в эксперименте
Для проведения эксперимента был взят анализатор спектра фирмы
75
Agilent. Анализатор спектр и сигналов Agilent E7402А – анализатор
ЭМП/ЭМС серии E7400A, портативный прибор, который обеспечивает всеми
базовыми и расширенными измерительными функциями профессионального
анализатора спектра, а также самыми необходимыми функциями анализатора
сигналов.
Оценка уровня электромагнитных помех (ЭМП) изделия на ранних
стадиях разработки очень важна для успешного создания продукции.
Анализаторы ЭМС E7402A (до 3 ГГц) дают все возможности для выполнения
лабораторных предквалификационных испытаний реального устройства
(рисунок 4.3).
Рисунок 4.3 – Анализатор спектра и сигналов Agilent E7402А
В комбинации с широкополосной антенной и схемой стабилизации
импеданса линии (LISN) анализаторы E7402A позволяют контролировать
помехи излучения (напряженность электромагнитного поля) в диапазоне до
26,5 ГГц и помехи проводимости (напряжение радиопомех) в диапазоне до 30
МГц. Анализаторы ЭМС имеют детекторы и полосы частот, соответствующие
нормативным требованиям CISPR. В комплект анализатора входит дискета с
ограничительными линиями (линиями допуска) и корректирующими
коэффициентами. На таблице 4.1 даны технические характеристики данного
приемника.
76
Таблица 4.1 – Технические характеристики анализатор спектра и
сигналов Agilent E7402А
Параметры
Диапазон частот
Макс. чувствительность
(средний
уровень
собственного шума
Максимальный динамический
диапазон
Погрешность
измерения
уровня (±)
Полоса пропускания
Значения
+12,5 дБм TOI
1,0 дБ
от 1 Гц до 5 МГц (включая полосы для
ЭМП: 200 Гц, 9, 120 кГц и 1 МГц)
В эксперименте был использован генератор сигналов ВЧ Agilent 8648C
(рисунок 4.4). Генератор синтезированных радиочастотных сигналов Agilent
8648C идеально подходит для решения измерительных задач при
производстве больших объемов продукции, таких как: беспроводные
телефоны, пейджеры, системы двухсторонней связи. Разработанный
специально для полуавтоматических приемников и ряда других
общеизмерительных приложений, Agilent 8684C имеет улучшенные
характеристики по остаточной ЧМ, точности установки уровня и параметру
фазового шума. Простой и понятный даже неподготовленному оператору
дизайн передней панели прибора облегчает работу и увеличивает
производительность. Генератор сигналов Agilent 8648С имеет 300 регистров
памяти и возможность создания до 10 пользовательских последовательностей,
что позволяет быстро адаптировать прибор к любым условиям тестирования.
Генератор сигналов компании Agilent 8648C обладает широким диапазоном
возможностей по аналоговой модуляции (AM, ЧМ, ФМ, импульсная) для
тестирования приемников и компонентов. Генератор Agilent 8648В способен
удовлетворить различные потребности, где требуются повторяющиеся
и
надежные рабочие характеристики.
77
Рисунок 4.4 – Генератор ВЧ фирмы Agilent 8648С
Аналоговый генератор сигналов компании Agilent 8648С обладает
широким диапазоном возможностей по аналоговой модуляции (AM, ЧМ, ФМ,
импульсная) для тестирования приемников и компонентов. Генератор Agilent
8648С способен удовлетворить различные потребности, где требуются
повторяющиеся и надежные рабочие характеристики. Технические
характеристики генератора ВЧ фирмы Agilent Technologies 8648С даны на
таблице 4.2.
Особенности генератора ВЧ фирмы Agilent 8648С:
высокие характеристики по точности частоты, чистоте спектра и
параметрам модуляции;
прибор обладает низким уровнем побочных составляющих при
широком диапазоне отстроек частоты и вблизи несущей для решения задач
измерения параметров РЛС и уровня фазового шума;
низкая погрешность амплитуды сигналов и высокий уровень
выходной мощности в сочетании с цифровым или аналоговым свипированием
обеспечивают совместимость с анализаторами цепей
при использовании модулей источника сигналов миллиметрового
диапазона диапазон частот аналоговых генераторов может быть расширен;
возможность проведения недорогих испытаний общего
назначения приемников (включая испытания пейджеров) и компонентов;
78
проведение частично или полностью автоматизированных
производственных испытаний с использованием дистанционного интерфейса.
Таблица 4.2 – Технические характеристики генератора ВЧ фирмы
Agilent Technologies 8648С
Параметры
Значения
Частота
Диапазон
От 9 кГц до 3 ГГц
Разрешающая способность
1(10 по индикатору) Гц
Погрешность
Определяется опорным генератором
Скорость переключения
< 75 мс
Уровень выходного сигнала
Пределы
От +20 до –136 дБм
Погрешность
±1,0 до 2,0 дБ
Уровень побочных составляющих
Гармоники
< –30 дБс
Негармонические
< –48 до < –60 дБс
В эксперименте для приема сигнала был использован антенна АИ 5-0.
Антенна измерительная дипольная активная «АИ5-0» предназначена для
измерения напряженности синусоидальных, шумовых и импульсных
электрических полей радиопомех в лабораторных помещениях,
экранированных камерах и на открытых площадках в сочетании с
измерительными приемниками, анализаторами спектра, селективными
микровольтметрами любого типа, имеющими входное сопротивление 50 Ом.
Используется при решении задач обеспечения электромагнитной
совместимости радиоэлектронных средств, защиты информации, а также
предельно допустимых уровней электромагнитных полей при проведении
эколого-защитных мероприятий. На рисунке 4.5 показан общий вид антенны.
Антенна обеспечивает измерение напряженности электрического поля
на расстояниях между антенной и источником сигнала, между антенной и
отражающими поверхностями не менее 0,5 м.
Малые размеры этих антенн, высокая стабильность их характеристик, их
совместимость с любыми типами измерительных радиоприемников,
микровольтметров и анализаторов спектра обеспечивают высокую точность
измерений параметров электромагнитных полей в задачах: обеспечения
79
электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоэлектронного оборудования
любого типа и класса гражданского и военного применения, защиты
информации
от
непреднамеренной
утечки
за
счет
побочных
электромагнитных излучений оборудования информационных технологий.
Рисунок 4.5 – Общий вид антенны АИ 5-0
Таблица 4.3 – Технические характеристики антенны АИ 5-0
Рабочий диапазон частот, МГц
Коэффициент калибровки:
- номинальное значение, дБ
- отклонение от номинального значения
( на частоте 10 МГц ), дБ,
- неравномерность частотной характеристики, дБ,
- погрешность коэффициента калибровки, дБ,
80
0.009 ... 2000
1/м 28.0 не
более + 2 не
более 15 не
более + 2
Наибольшая измеряемая напряженность поля ( при
коэффициенте блокирования в антенне минус 20 дБ ),
дБ мкВ/м
Номинальное значение выходного сопротивления, Ом
Ток, потребляемый от источника постоянного
тока напряжением 12.6 В , мА,
Размеры ( длина вибраторов ), мм
Вес, кг
145
50
не более 200
170
0.8
А для передачи сигнала была использована приемо-передающая
измерительная биконическая антенна
Рисунок 4.6 – Измерительная биконическая антенна Schwarzbeck VUBA
9117
Таблица 4.4 – Технические характеристики Schwarzbeck VUBA 9117
Тип антенны
Номинальный диапазон частот
Используемый диапазон частот
Номинальный импеданс
Антенный фактор
Максимальная входная мощность
Биконическая антенна
От 150 до 1000 ГГц
От 30 до 1000 ГГц
50 Ом
От 15 до 35 дБ/м
5 Вт
81
Диаметр крепежной трубки
Вес
22 мм
0,83 кг
4.3.1 Проведение эксперимента с целью определения свойств
радиоприемников
Соберем следующую схему из вышеперечисленного оборудования
Передающая
антенна
VUBA 9117
Приемная антенна
АИ 5-0
Генератор
Agilent
8648C
Анализатор
Agilent
Е7402А
Рисунок 4.7 – Схема установки приемо-передающего тракта с
помощью приемопередатчиков фирмы Agilent
Любой сигнал при передаче подвергается к помехам. Происходят
затухания в антенн-фидерном тракте. Спутниковых системах связи
ослабление сигнала также в осадках, в атмосферных газах, в облаках
неизбежно. Парой эти значения могут достигать 200 и больше Дб.
Генератору задаем сигнал с частотой 1 ГГц, и с уровнем 100 дБ В
(рисунок 4.7).
Изначально был задан сигнал на уровне 100 дБ В, и на экране
анализаторе был получен сигнал 93,94 дБ В. Из этого следует, что на приеме
сигнал ослабевает за счет затухания в свободном пространстве и в большую
степень в антенно-фидерном тракте.
82
Рисунок 4.8 – Дисплей генератора Agilent 8648C
При подключении к питанию получем в анализаторе Agilent Е7402А
следующие данные
Рисунок 4.9 – Сигнал, полученный через Agilent Е7402А, на частоте
83
1 ГГц
С
помощью
анализатора
спектра
осуществляется
анализ
электромагнитной обстановки места, в котором установлена приемная
антенна.
В разделе 1 дано подробное описание ЭМО РЭС. Любое РЭС не только
функционирует в определенной электромагнитной обстановке, но и участвует
в создании электромагнитной обстановки другим средствам. Анализ ЭМО –
это нахождение условий, в которых должны функционировать конкретное
РЭС или группа средств.
А также из фото видно, что на приемник могут поступать разные
сигналы от разных РЭС. И поэтому основная характеристика приемных
устройств это избирательность.
Установив приемную антенну в центр комнаты, получим следующий
график (рисунок 4.10).
Рисунок 4.10 – ЭМО в диапазоне частот от 30 МГц до 500
МГц
84
Из графика видно, что в этом диапазоне работает несколько служб, в
окрестности исследовательского центра есть станции других РЭС. На
частотах, где уже работают различные радиостанции не желательно
принимать или передавать сигнал, это может привести к помехе другим РЭС.
Все нормативы указаны в регламенте радиосвязи [6].
При приема сигнла можно заметить много сигналов которые поступаютв
преселектор приемника. И ввиду этого необходимо усиливать частотную
избирательность приемников.
Далее рассмотрим диапазон 36 МГц – 46 МГц, с шириной полосы 100
кГц. Из рисунка 4.11 видно два сигнала, работающих на разных частотах.
Здесь можно увидеть, при увеличении развертки сигнала еще боковые
спектральные составляющие, которые также могут мешать приему основного
сигнала.
85
Рисунок 4.11 – Развертка сигнала на диапазоне частот 36 –45 Мгц
Рисунок 4.12 – Развертка сигнала в диапазоне частот 44,05
– 44,43 МГц
Возьмем сигнал, на частоте 44 МГц, ширину полосы уменьшим до 10
кГц. Тогда можно заметить на рисунке 4.12 боковые составляющие с обеих
сторон.
Придем к выводу, что сигнал, состоящий из одного спектрального
составляющего, при его развертке может состоять из нескольких
спектральных составляющих. Это говорит о том, что при приеме сигнала
необходимо учесть частотную избирательность радиоприемника. Чтоб
принимать сигналы, на необходимой полосе.
Спутниковые системы – представляют собой очень сложный комплекс
радиоэлектронных средств. Очень важно иметь хорошие приемники, для
приема качественных сигналов. При координации двух спутниковых систем,
одним из решений является увеличение чувствительности приемников.
86
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе был произведен обзор книг, статей по теме ЭМС
спутниковых систем связи. Систематически было рассмотрено развитие
радиосвязи, а именно тщательно был описан принцип работы спутниковых
систем связи. Также был сделан обзор книг и статей по проблеме перегрузки
ГСО, в силу его естественных особенностей, приведены организационные и
технические меры решения этой проблемы.
Проведены расчеты по казахстанским спутникам «KazSat-3» и «KazSat2». Был рассчитан разнос между двумя спутниками, которые в свою очередь
представляют спутниковую группировку нашей страны.
Были проведены расчеты углы места и наклонной дальности земных
станции, расположенных в восточной и западной частях нашего государство,
работающих с двумя спутниками, с целью выявления более выгодные
варианты использования одного из спутников для передачи и приема. По
результатом расчета с КА Казсат 3 двум ЗС будет работать оптимально. А
земной станций, в г. Алмате лучше передавать и принимать сигнал от КА
Казсат 2. Создание своей спутниковой группировки – очень большой прогресс
для будущей телекоммуникационной и экономической отрасли нашей страны.
Был сделан расчет затухания сигнала в свободном пространстве на
линии вверх и вниз для земных станций, работающих с КА Казсат 3, с целью
выявления зависимости значения затухания от частоты и от расстояния между
спутником и земной станцией.
Была рассмотрена методика определения необходимости координации
между спутниковыми системами. Определен главный критерий ЭМС, который
заключается в том, что процентное соотношения приращения эквивалентношумовой температуры на шумовую температуру спутниковой линии не
должна превышать 6%, в противном случае, будет сделаны нужные меры по
устранению проблем: увеличение чувствительности радиоприемника,
уменьшение
мощности
радиопередатчика,
изменение
диаграммы
направленности антенн и т. д.
Проведен эксперимент с целью определения характеристик приемных
устройств. Был проведен анализ ЭМО, и проводились изменения с шириной
полосой спектра, были выявлены боковые спектральные составляющие,
которые могут создавать помехи на приеме.
87
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Волков, Л.Н. Системы цифровой радиосвязи / Л.Н. Волков – М.:
Эко-Трендз. - 2005.
[2] Радиотехнические системы передачи информации: Учеб. пособие
для вузов / Под ред.В.В. Калмыкова. – М.: Радио и связь, 1990.
[3] Радиорелейные и спутниковые системы передачи: Учебник для
вузов / Под ред. А.С. Немировского. – М.: Радио и связь, 1986.
[4] Дятлов А.П.
Системы спутниковой связи с подвижными
объектами: Учебное по собие. Ч.1. Таганрог. ТРТУ. 1997.
[5] Кантор Л. Я., Тимофеев В. В. Спутниковая связь и проблемы
геостационарной орбиты. – М.: Радио и связь, 1988.
[6] Регламент радиосвязи, 2012, издание МСЭ.
[7] Регламент РР, статья 21–29.
[8] Регламент РР, статья 4–6.
[9] Электромагнитная совместимость систем спутниковой связи. Под
ред. Л. Я. Кантора и В. В. Ноздрина. – НИИР, 2009.
[10]
http://megabook.ru/article/GlobalStar.
[11] Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и
непреднамеренные помехи. Составитель Д. Р. Ж. Уайт Джермантаун,
Мериленд, 1971–1973. Вып. 1. Общие вопросы ЭМС. Межсистемные помехи.
Сокращ. пер. с англ. Под ред. А. И. Сапгира. Послелословие и комментарии
А. Д. Князева. М., «Сов. радио», 1977.
[12] Петровский В.И., Седельников Ю.Е. Электромагнитная
совместимость радиоэлектронных средств. – М.: Радио и связь, 1986.
[13] Хачикян
В.
С.
Электромагнитная
совместимость
радиоэлектронных средств. Учеб. пособие. – Алматы, 2013.
[14] Хачикян В. С., Катренова Ж.К., Сагындык А. Б. Анализ
электромагнитной совместимости средств связи // «Высокие технологии –
залог устойчивого развития» Труды II-международной научной конференции
– Алматы: КазНТУ имени К.И. Сатпаева, 2013.
[15] Князев А. Д., Пчелкин В. Ф. Проблемы обеспечения совместной
работы радиоэлектронной аппаратуры.
М.: «Советское радио», 1971.
[16] ГОСТ 30318-95 Требования к ширине полосы радиочастот и
внеполосным излучениям радиопередатчиков.
88
[17] EN 300197 Transmission and Multiplexing (ТМ); Digital Radio Relay
Systems (DRRS); Parameters for DRRS for the transmission of digital signals and
analogue video signals operating at 38 GHz.
[18] EN 300198 Transmission and Multiplexing (TM); Digital Radio Relay
Systems (DRRS); Parameters for DRRS for the transmission of digital signals and
analogue video signals operating at 23 GHz.
[19] ETS 300234 Transmission and Multiplexing (TM); Digital Radio Relay
Systems (DRRS); High capacity DRRS carrying 1 x STM-1 signals and operating
in frequency bands with about 30 MHz channel spacing and alternated
arrangements.
[20] ETS 300430 Transmission and Multiplexing (TM); Digital Radio Relay
Systems (DRRS); High capacity DRRS carrying 1 x STM-1 signals operating in the
18 GHz frequency bands with channel spacing of 55 MHz.
[21] ГОСТ 30338-95 Устройства радиопередающие всех категорий и
назначений народнохозяйственного применения. Требования к допустимым
отклонениям частоты.
[22] ГОСТ
Р
50842-95
Устройства
радиопередающие
народнохозяйственного
применения.
Требования
к
побочным
радиоизлучениям.
[23] Ротхамель К. Антенны. СПб.: Изд-во «Бояныч», 1998.
[24] Фролов О. П. Антенны для земных станций спутниковой связи.
М.: Радио и связь, 2000.
[25] Винтер И. А. и др. Геоинформационная система проектирования и
анализа радиосетей. Ярославль: ЯГУ, 1999.
[26] Основы управления использованием радиочастотного спектра. Т.
2: Обеспечение электромагнитной совместимости радиосистем/ под ред. М. А.
Быховского. – М.: КРАСАНД, 2012. – 552 с.
[27] Седельников
Ю.Е. Электромагнитная
совместимость
радиоэлектронных средств. Учебное пособие. – Казань, ЗАО. «Новое знание»,
2006.
[28] Григорьев О. А. Маслов М. Ю. Специфика и современное
состояние электромагнитного мониторинга Мосвы и Московской области //
Электросвязь, 2014 . – №2. – С. 30-36.
[29] Желтоногов И.В. Тенденции использования и особенности
правового регулирования частот Ка-диапазона в системах спутниковой связи
и вещания // Семинар МСЭ «Перспективы использования Кадиапазона
спутниковыми системами связи» (Алма-Ата, Казахстан, 5–7 сентября 2012 г.)
[30] Богородицкая И. А. CSTB’2014: традиционное вещание и/или
инновационные сервисы // Электросвязь, 2014 . – №2. – С. 2-5.
89
[31] Хабигер Э. Электромагнитная совместимость. основы ее
обеспечения в технике. Пер. с нем./ И. П. Кужекин; Под ред. Б. К. Максисмова.
– М.: Энергоатомиздат, 1995.
[32] Седельников
Ю.
Е.
Электромагнитная
совместимость
радиоэлектронных средств. Учебное пособие. – Казань. ЗАО «Новое здание»,
2006.
[33] Регламент Радиосвязи. Статья 7-14.
[34] Бузов А. Л., Быховский М. А., Васехо Н.В., Волкова Ю.В.,
Жильцов А.У., Иванова Т.В., Носов В.И., Севостьянов С.В., Сорокин А.С.,
Сорокин Г.И. Управление радиочастотным спектром и электромагнитная
совместимость радиосистем. Учеб. пособие / Под ред. д.т.н., проф М. А.
Быховского. – М.: Эко-Трендз, 2006.
[35] Спутниковая связь и вещание. Справочник. Кантор Л. Я., М.:
Радио и связь, 1997.
[36] Рекомендация
МСЭ-R
S.731-1.
Reference
earth-station
crosspolarized radiation pattern for use in frequency coordination and interference
assessment in the frequency range from 2 to about 30 GHz, 2005.
[37] Орлов Н. Первая в Европе система спутникого ШПД в
Кадиапазоне. // Спутниковая связь и вещание, 2014 – №1 – 41-42 с.
[38] Бородич С. В. ЭМС наземных и космических радиослужб.
Критерии, условия и расчет. – М.: Радио и связь, 1990.
[39] Рекомендация МСЭ-R S.1782. Возможности глобального
широкополосного доступа к Интернету на основе систем ФСС, 2007. [40]
http://online.zakon.kz/Document/?doc_id=30828023.
[41] http://www.zakon.kz/kazakhstan/224302-proton-m-skazakhstanskimsputnikom.html.
[42] Хачикян В.С., Катренова Ж.К. Координация геостационарных
систем спутниковой связи // Поиск, 2014. – № 1(1). – С. 252-256.
[43] Хачикян В.С., Катренова Ж. К., Сагындык А. Б. Определения
необходимости координации систем спутниковой связи на геостационарной
орбите // Труды Международных Сатпаевских чтений «Роль и место молодых
ученых в реализации стратегии «Казахстан-2050», посвященных 80летию
КазНТУ имени К.И. Сатпаева III том, 2014. - ISBN 978-601-228-657-1. – С. 133136.
[44] Буга Н.Н., Конторович В.Я., Носов В.И. Электромагнитная
совместимость радиоэлектронных средств. - М.: Радио и связь, 1993
[45] Жуковский А. П. Радиоприемные устройства. – М.: Высшая
школа, 1989.
90
[46] Голубев В, А. Эффективная избирательность радиоприемников. —
М: Связь,: 1979.
[47] Буга Н. Н. Фалько А. И., Чистяков Н. И. Радиоприемные
устройства / Под. ред. Н. И. Чистякова. – М.: Радио и связь, 1986.
[48] ГОСТ 236И-79. Совместимость радиоэлектронных средств
электромагнитная. Термины и определения.
[49] ГОСТ 23872-79. Совместимость радиоэлектронных средств
электромагнитная. Номенклатура параметров и классификация технических
характеристик.
[50] ГОСТ 5651-76. Приемники радиовещательные. Основные
параметры. Технические требования.
91
92
Приложение А Карта разделения мира по районом с целью распределения частот
Район 3
Район 3
12
Район 1
Район 2
13
Положение
Регламента
радиосвязи
п. 9.7
Приложение Б
Условия определения требований по координации
Полосы частот (и Район), для которых проводится
Условия определения требований по координации
координация
1) 3400–4200 МГц; 5725–5850 МГц (Район 1) и 5850–
6725 МГц; 7025–7075 МГц
– перекрытие полос частот; и
– координационная дуга
от номинальной
орбитальной позиции предлагаемой сети ФСС
перекрытие полос частот; и
2) 10,95–11,2 ГГц; 11,45–11,7 ГГц; 11,7–12,2 ГГц (Район –
2); 12,2–12,5 ГГЦ (Район 3);12,5– 12,75 ГГц
–
координационная дуга
от номинальной
(Район 1 и 3); 12,7–12,75 (Район 2)и 13,75–14,5 ГГц
орбитальной позиции предлагаемой сети ФСС или
неплановой РСС
3) 17,7–20,2 ГГц (Район 2и 3),
–
перекрытие полос частот; и
17,3–20,2 ГГц (Район 1) и 27,5–30 ГГц
–
координационная дуга
от номинальной
орбитальной позиции предлагаемой сети ФСС
4) 17,3–17,7 ГГц (Район 1 и 2)
–
перекрытие полос частот; и
–
координационная дуга
от номинальной
орбитальной позиции предлагаемой сети ФСС или
РСС
14
5) 17,7–17,8 ГГц
–
–
координационная дуга
от номинальной
орбитальной позиции предлагаемой сети ФСС или
РСС
–
перекрытие полос частот; и
6) 18,0–18,3 ГГц (Район 2)
18,1–18,4 ГГц (Район 1 и 3)
Положение
Регламента
радиосвязи
п. 9.7
перекрытие полос частот; и
–
координационная дуга
от номинальной
орбитальной позиции предлагаемой сети ФСС СС
Продолжение приложения Б
Полосы частот (и Район), для которых проводится Условия определения требований по координации
координация
7) Полосы частот выше 17,3 ГГц, кроме полос,
указанных в 3) и 6)
8) Полосы частот выше 17,3 ГГц
–
перекрытие полос частот; и
–
координационная дуга
от номинальной
орбитальной позиции предлагаемой сети ФСС и
–
перекрытие полос частот; и
–
координационная дуга
от
номинальной орбитальной позиции предлагаемой
сети ФСС или РСС, не подчиненный плану за
исключением случая сети ФСС относительно сети
ФСС
15
9) Все полосы частот за исключением перечисленных –
в 1)–8), в случае анализа совмещения систем, –
использующих частоты в разных направлениях
п. 9.11
п. 9.12
п. 9.12А
перекрытие полос частот; и
изменение шумовой температуры
превышает 6%
–
перекрытие полос частот; и
–
для ГСО спутников зона видимости или для
частот 17,7–17,8 и 2630–2655 ГГц – превышение
координационных пределов ППМ
620–790 МГц
1452–1492 МГц
2310–2360 МГц
2535–2655 МГц
12,5–12,75 ГГц (Район 3)
17,3–17,8 ГГц (Район 2)
21,4–22 ГГц (Районы 1и 3) 74–76 ГГц
Полосы частот, для которых в примечании имеется – перекрытие полос частот
ссылка на п. 9.11А или п. 9.12
Полосы частот, для которых в примечании имеется – перекрытие полос частот
ссылка на п. 9.11А или п. 9.12А
Приложение В Зона покрытия ИСЗ «KazSat-2»
16
17
Приложение Г Характеристика восприимчивости к помехам супергетеродинного приемника
1 — основной канал приема на частоте настройки
2 — побочный канал приема на промежуточной частоте
3 — побочный канал приема на зеркальной частоте
4 — побочные каналы приема на комбинационных частотах 0,5 (
18
)и
5— побочные каналы приема на субгармониках частоты настройки приемника 0,5
частоты 0,5(
).
19
= 0,5(
) и зеркальной