Спутниковые системы связи

Ku-диапазон позволяет производить прием сравнительно небольшими антеннами, и поэтому используется в спутниковом телевидении (DVB), несмотря на то, что в этом диапазоне погодные условия оказывают существенное влияние на качество передачи. Для передачи данных крупными пользователями (организациями) часто применяется C-диапазон. Это обеспечивает более высокое качество приема, но требует довольно больших размеров антенны.

Модуляция и помехоустойчивое кодирование

Особенностью спутниковых систем связи является необходимость работать в условиях сравнительно низкого отношения сигнал/шум, вызванного несколькими факторами:

        значительной удаленностью приемника от передатчика,

        ограниченной мощностью спутника

Спутниковая связь плохо подходит для передачи аналоговых сигналов. Поэтому для передачи речи её предварительно оцифровывают, используя импульсно-кодовую модуляцию.
Для передачи цифровых данных по спутниковому каналу связи они должны быть сначала преобразованы в радиосигнал, занимающий определенный частотный диапазон. Для этого применяется модуляция (цифровая модуляция называется также манипуляцией).

Из-за низкой мощности сигнала возникает необходимость в системах исправления ошибок. Для этого применяются различные схемы помехоустойчивого кодирования, чаще всего различные варианты сверточных кодов, а также турбо-коды.

 

6. История создания спутниковых систем связи

Идея создания на Земле глобальных систем спутниковой связи была выдвинута в 1945 г. Артуром Кларком, ставшим впоследствии знаменитым писателем-фантастом. Реализация этой идеи стала возможной только через 12 лет после того, как появились баллистические ракеты, с помощью которых 4 октября 1957 г. на орбиту был запущен первый искусственный спутник Земли (ИСЗ). Для контроля за полетом ИСЗ на нем был помещен маленький радиопередатчик - маяк, работающий в диапазоне 27 МГц. Через несколько лет 12 апреля 1961 г. впервые в мире на советском космическом корабле "Восток" Ю.А. Гагарин совершил исторический облет Земли. При этом космонавт имел регулярную связь с Землей по радио. Так началась систематическая работа по изучению и использованию космического пространства для решения различных мирных задач.

Создание космической техники сделало возможным развитие очень эффективных систем дальней радиосвязи и вещания. В США начались интенсивные работы по созданию связных спутников. Такие работы начали разворачиваться и в нашей стране. Ее огромная территория и слабое развитие связи, особенно в малонаселенных восточных районах, где создание сетей связи с помощью других технических средств (РРЛ, кабельные линии и др.) сопряжено с большими затратами, делало этот новый вид связи весьма перспективным.

У истоков создания отечественных спутниковых радиосистем стояли выдающиеся отечественные ученые и инженеры, возглавлявшие крупные научные центры: М.Ф. Решетнев, М.Р. Капланов, Н.И. Калашников, Л.Я. Кантор

Основные задачи, ставящиеся перед учеными, состояли в следующем:

•  разработка спутниковых ретрансляторов телевизионного вещания и связи ("Экран", "Радуга", "Галс"), с 1969 г. спутниковые ретрансляторы разрабатывались в отдельной лаборатории, возглавляемой М.В. Бродским;

•  создание системных проектов построения спутниковой связи и вещания;

•  разработка аппаратуры земных станций (ЗС) спутниковой связи: модуляторов, порогопонижающих демодуляторов ЧМ (частотной модуляции) сигналов, приемных и передающих устройств и др.;

•  проведение комплексных работ по оснащению оборудованием станций спутниковой связи и вещания;

•  разработка теории следящих ЧМ демодуляторов со сниженным шумовым порогом, методов многостанционного доступа, методов модуляции и помехоустойчивого кодирования;

•  разработка нормативно-технической документации на каналы, тракты телевизионного и связного оборудования спутниковых систем;

•  разработка систем управления и контроля ЗС и сетями спутниковой связи и вещания.

Специалистами НИИР были созданы многие национальные спутниковые системы связи и вещания, находящиеся в эксплуатации и поныне. Приемо-передающее наземное и бортовое оборудование этих систем также было разработано в НИИР. Помимо оборудования специалисты института предложили методики проектирования как самих спутниковых систем, так и отдельных, входящих в их состав устройств. Опыт проектирования спутниковых систем связи специалистов НИИР отражен в многочисленных научных публикациях и монографиях.

6.1. Первые спутниковые линии связи и вещания через ИСЗ "Молния-1"

Первые эксперименты по спутниковой связи путем отражения радиоволн от американского отражающего спутника "Эхо" и Луны, используемых в качестве пассивных ретрансляторов, проводились специалистами НИИР в 1964 г. Радиотелескопом в обсерватории в поселке Зименки Горьковской области были приняты телеграфные сообщения и простой рисунок из английской обсерватории "Джодрелл Бэнк".

Этот эксперимент доказал возможность успешного использования космических объектов для организации связи на Земле.

В лаборатории спутниковой связи были подготовлены несколько системных проектов, а затем она приняла участие в разработке первой отечественной системы спутниковой связи "Молния-1" в диапазоне частот ниже 1 ГГц. Головной организацией по созданию этой системы был Московский научно-исследовательский институт радиосвязи (МНИИРС). Главным конструктором системы "Молния-1" является М.Р. Капланов - заместитель руководителя МНИИРС.

В 60-е годы в НИИР велась разработка приемо-передающего комплекса тропосферной радиорелейной системы "Горизонт", также работающей в диапазоне частот ниже 1 ГГц. Этот комплекс был модифицирован и созданная аппаратура, названная "Горизонт-К", использовалась для оснащения первой спутниковой линии связи "Молния-1", связавшей Москву и Владивосток. Эта линия предназначалась для передачи ТВ-программы или группового спектра 60 телефонных каналов. При участии специалистов НИИР в этих городах были оборудованы две земные станции (ЗС). В МНИИРС был разработан бортовой ретранслятор первого искусственного спутника связи "Молния-1", успешный запуск которого состоялся 23 апреля 1965 г. Он был выведен на высокоэллиптическую орбиту с периодом обращения вокруг Земли 12 ч. Такая орбита была удобна для обслуживания территории СССР, рас положенной в северных широтах, так как в течение восьми часов на каждом витке ИСЗ был виден с любой точки страны. Кроме того, запуск на такую орбиту с нашей территории осуществляется с меньшими затратами энергии, чем на геостационарную. Орбита ИСЗ "Молния-1" сохранила свое значение до сих пор и используется, несмотря на преобладающее развитие геостационарных ИСЗ.

6.2. Первая в мире спутниковая система "Орбита" для распределения ТВ-программ

После завершения исследований технических возможностей ИСЗ "Молния-1" специалистами НИИР Н.В. Талызиным и Л.Я. Кантором было предложено решить проблему подачи ТВ-программ центрального телевидения в восточные районы страны путем создания первой в мире системы спутникового вещания "Орбита" в диапазоне 1 ГГц на базе аппаратуры "Горизонт-К".

В 1965-1967 гг. в рекордно короткие сроки в восточных районах нашей страны было одновременно сооружено и введено в действие 20 земных станций "Орбита" и новая центральная передающая станция "Резерв". Система "Орбита" стала первой в мире циркулярной, телевизионной, распределительной спутниковой системой, в которой наиболее эффективно использованы возможности спутниковой связи.

Следует отметить, что диапазон, в котором работала новая система "Орбита" 800-1000 МГц, не соответствовал тому, который был распределен в соответствии с Регламентом радиосвязи для фиксированной спутниковой службы. Работа по переводу системы "Орбита" в С-диапазон 6/4 ГГц была выполнена специалистами НИИР в период 1970-1972 гг. Станция, функционирующая в новом диапазоне частот, получила название "Орбита-2". Для нее был создан полный комплекс аппаратуры для работы в международном диапазоне частот - на участке Земля-Космос - в диапазоне 6 ГГц, на участке Космос-Земля - в диапазоне 4 ГГц. Под руководством В.М. Цирлина была разработана система наведения и автосопровождения антенн с программным устройством. В этой системе использовались экстремальный автомат и метод конического сканирования.

Станции "Орбита-2" начали внедряться с 1972 г., а к концу 1986 г. их было построено около 100. Многие из них и в настоящее время являются действующими приемо-передающими станциями.

В дальнейшем для работы сети "Орбита-2" был создан и выведен на орбиту первый советский геостационарный ИСЗ "Радуга", многоствольный бортовой ретранслятор которого создавался в НИИР (руководитель работы А.Д. Фортушенко и ее участники М.В. Бродский, А.И. Островский, Ю.М. Фомин и др.) При этом были созданы и освоены технология изготовления и методы наземной обработки космических изделий.

Для системы "Орбита-2" были разработаны новые передающие устройства "Градиент" (И.Э. Мач, М.З. Цейтлин и др.), а также параметрические усилители (А.В. Соколов, Э.Л. Ратбиль, B.C. Санин, В.М. Крылов) и устройства приема сигналов (В.И. Дьячков, В.М. Доро феев, Ю.А. Афанасьев, В.А. Полухин и др.).

6.3. Первая в мире система непосредственного ТВ-вещания "Экран"

Широкое развитие системы "Орбита", как средства подачи ТВ-программ, в конце 70-х годов стало экономически неоправданным из-за большой стоимости ЗС, делающей нецелесообразной ее установку в пункте с населением менее 100-200 тыс. человек. Более эффективной оказалась система "Экран", работающая в диапазоне частот ниже 1 ГГц и имеющая большую мощность передатчика бортового ретранслятора(до 300 Вт). Целью создания этой системы было охват ТВ-вещанием малонаселенных пунктов в районах Сибири, Крайнего Севера и части Дальнего Востока. Для ее реализации были выделены частоты 714 и 754 МГц, на которых было возможно создать достаточно простые и дешевые приемные устройства. Система "Экран" стала фактически первой в мире системой непосредственного спутникового вещания.

Приемные установки этой системы должны были быть рентабельными как для обслуживания небольших населенных пунктов, так и для индивидуального приема ТВ-программ.

Первый спутник системы "Экран" был запущен 26 октября 1976 г. на геостационарную орбиту в точку 99° в.д. Несколько позднее в Красноярске были выпущены станции коллективного приема "Экран-КР-1" и "Экран-КР-10" с мощностью выходного телевизионного передатчика 1 и 10 Вт. Земная станция, передающая сигналы на ИСЗ "Экран", имела антенну с диаметром зеркала 12 м, она была оборудована передатчиком "Градиент" мощностью 5 кВт, работающим в диапазоне 6 ГГц. Приемные установки этой системы, разработанные специалистами НИИР, были наиболее простыми и дешевыми приемными станциями из всех, реализованных в те годы. К концу 1987 г. число установленных станций "Экран" достигло 4500 шт.

6.4.Системы распределения ТВ-программ "Москва" и "Москва-Глобальная"