Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор состояния проблемы обеспечения эффективности функционирования мобильных комплексов спутниковых систем связи 11
1.1 Анализ состояния и тенденций развития наземных мобильных комплексов спутниковых систем связи 11
1.2 Основные характеристики комплекса СпСС 15
1.3 Методы оценки электромагнитной совместимости комплекса СпСС 28
1.4 Методы энергетического расчета 46
1.5 Методы расчета распределения ресурсов спутниковых ретрансляторов 54
1.6 Выводы по главе 57
Глава 2. Разработка наземного мобильного комплекса спутниковой системы связи 58
2.1 Выбор объекта исследования и принципа построения комплекса СпСС 58
2.2 Структурная схема организации комплекса СпСС 60
2.3 Антенный модуль 63
2.4 Подсистема контроля антенны 65
2.5 Резервированный усилитель мощности - конвертер 69
2.6 Малошумящий усилитель-конвертер 71
2.7 Подсистема передачи сигналов 73
2.8 Подсистема приема сигналов 77
2.9 Сравнительная характеристика и преимущества системы 80
2.10 Выводы по главе 81
Глава 3. Разработка методов оценки ЭМС комплекса СпСС 82
3.1 Метод определения условий ЭМС комплекса СпСС с радиоэлектронными средства ми в местах его размещения 82
3.1.1 Задачи метода определения условий ЭМС комплекса СпСС с другими радиоэлектронными средствами 82
3.1.2 Факторы, влияющие на условия ЭМС комплекса СпСС с радиоэлектронными средствами в местах его размещения 84
3.1.3 Критерий оценки условий электромагнитной совместимости комплекса СпСС с радиоэлектронными средствами в местах его размещения 87
3.1.4 Методика определения условий ЭМС комплекса СпСС с радиоэлектронными средствами в местах его размещения
3.2 Модель оценки электромагнитной обстановки в местах предполагаемого размеще-96
ния комплекса СпСС
3.3 Метод оценки влияния излучений существующей в заданном регионе группировки РЭС на качество функционирования комплекса СпСС 99
3.4 Метод оценки влияния излучений комплекса СпСС на качество функционирования РЭС 101
3.5 Выводы по главе 103
Глава 4 Реализация методов обеспечения эффективности функционирования комплекса СпСС 106
4.1 Алгоритм реализации систематизированных мероприятий по обеспечению ЭМС при разработке комплекса СпСС 106
4.2 Рекомендации по обеспечению частотного планирования для РЭС комплекса СпСС в целях обеспечения межсистемной ЭМС 111
4.3 Рекомендации по выбору мест размещения комплекса СпСС, удовлетворяющих требованиям межсистемной ЭМС 134
4.4 Модель энергетического расчета комплекса СпСС-Ц 141
4.5 Анализ эффективности комплекса СпСС 148
4.6 Выводы по главе 157
Заключение 158
Список используемой литературы 160
- Методы оценки электромагнитной совместимости комплекса СпСС
- Малошумящий усилитель-конвертер
- Факторы, влияющие на условия ЭМС комплекса СпСС с радиоэлектронными средствами в местах его размещения
- Рекомендации по обеспечению частотного планирования для РЭС комплекса СпСС в целях обеспечения межсистемной ЭМС
Введение к работе
Актуальность работы
Связь является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей инфраструктуры современного общества с учетом его эволюции от индустриального к информационному,
и современное общество невозможно представить без развитой сети телекоммуникаций. Различные системы радиосвязи охватывают сегодня весь мир, соединяя между собой континенты и самые удаленные уголки планеты. Ведущую роль при построении территориально-распределенных радиосетей играют спутниковые системы связи (СпСС), с помощью которых удается решать задачи обеспечения глобальной связи.
В мире существует большое количество различных международных, региональных и национальных СпСС, построенных по разным принципам и использующих разные варианты размещения спутников на орбите. Существует также множество различных национальных систем, обеспечивающих страны возможностью осуществлять обмен информацией со всем миром. Несколько иная ситуация наблюдается в России. Огромные размеры территории, наличие большого количества труднодоступных и малоосвоенных регионов, недостаточная инфраструктура и недостаточные экономические возможности страны пока не позволили создать такую СпСС, которая давала бы возможность из любой точки России вести обмен информацией со всем миром. Поэтому сегодня стоит актуальная задача разработки и создания такой отечественной системы спутниковой связи, которая существенно бы ослабила проблему обеспечения связи различных ведомств, как гражданских, так и специального назначения. При этом необходимо учитывать, что требования, которые предъявляется к СпСС различного назначения, могут существенно отличаться друг от друга и нужно стараться обеспечить выполнение этих требований без излишнего усложнения построения системы.
Кроме того, такому положению дел способствует постоянный рост количества абонентов и спрос на ассортимент услуг связи. В последние годы наиболее бурное развитие в РФ и в мире получили сети мобильной радиосвязи (СМР), включая спутниковую связь, поскольку они больше других сетей связи соответствуют принципам глобализации и персонализации связи и обеспечивают повышение оперативности обмена информацией между абонентами самых различных категорий на любых расстояниях.
Основным преимуществом комплексов спутниковой радиосвязи является ее мобильность, способность передавать информацию различного характера в движении, не ограничивая свободу действий платформ, на которых установлена радиостанция. Возможность оперативно организовывать сети связи и точки доступа без затрат времени на проведение строительно-монтажных работ и «свертывать» эти сети при отсутствии необходимости в них.
Поэтому потребность в таких комплексах для оперативно-тактических звеньев управления всех развитых стран в последние годы постоянно возрастает. Но развитие и увеличение количества функционирующих сетей радиосвязи ведут к постоянному усложнению сигнально- помеховой обстановки на входах приемных устройств и к обострению проблемы помехоустойчивости. С проблемами помехоустойчивости тесно связаны задачи обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС), указанных систем и их составляющих.
Это обусловлено тем, что нарастающая тенденция к укорочению длины волны приводит к возможности резкого увеличения числа устройств, работающих на одинаковых или близких частотах, что приводит к резкому снижению помехоустойчивости, энергетической эффективности и пропускной способности системы связи. Это соответственно приводит к необходимости решения задач по исключению снижения соответствующих характеристик.
Кроме того, эффективность работы мобильных систем связи в значительной мере определяется внутрисистемными помехами, создаваемыми средствами и устройствами конкретного объекта, а также межсистемными помехами, когда в качестве источников помех могут быть различные типы радиоэлектронных средств (РЭС) уже существующей группировки. В то же время, обеспечение эффективного функционирования отдельных подсистем в одной системе также является задачей обеспечения межсистемной ЭМС.
Воздействие внутрисистемных помех приводит к существенному уменьшению рабочей полосы частот и снижению эффективности функционирования систем связи.. При работе нескольких линий связи в общих полосах частот прием полезного сигнала каждой радиостанцией возможен при распределении диапазона частот между передатчиками по определенному плану, ограничении мощности передатчиков; координации взаимной ориентации антенн и размещения станций на местности. Поэтому, повышение эффективности функционирования мобильной спутниковой связи в условиях действия внутрисистемных и межсистемных помех является важной и актуальной научно-технической задачей.
Это особенно актуально для наземных мобильных комплексов спутниковой связи Кu- диапазона, представляющих собой сложную иерархическую систему. Поэтому и назрела необходимость решения этой задачи методами системного анализа, базирующегося на едином подходе ко всем его составным частям с учетом взаимного влияния друг на друга, в части обеспечения ЭМС, и на систему в целом.
Таким образом, отмеченные моменты тесно и органично связаны между собой и представляют собой комплексную научную задачу, решение которой позволит устранить имеющиеся недостатки системы за счет использования комплекса факторов (ЭМС, помехоустойчивость, энергетическая эффективность и пропускная способность), влияющих на обеспечение эффективного функционирования современных и перспективных радиолиний мобильной СС.
Определенные успехи в этой области были достигнуты при решении задач обеспечения ЭМС различных ТКС, создании методов оценки электромагнитной обстановки (ЭМО) и ЭМС, методов разработки и гармонизации национальных и международных стандартов и технического регулирования. Большой вклад в области разработки методов, алгоритмов и программ, обеспечивающих выполнение требований ЭМС при проектировании ТКС, внесли отечественные ученые: Кечиев Л.Н., Князев А.Д., Князь А.И., Гурвич И.С. и др.; в области разработки НТД: Кармашев В.С., Балюк Н.В. и др. В тоже время, сегодня в России отсутствует основной документ в области ЭМС – регламент по ЭМС. Это принципиально изменяет действующий в РФ порядок технического регулирования в области ЭМС, в соответствии с которым изготовители не несут ответственности за соответствие разрабатываемых РЭС требованиям ЭМС, если эти требования не приведены в государственных стандартах или иных нормативных документах, имеющих обязательный характер. Кроме того, эти вопросы должны решаться с учетом экономических возможностей, т.е. при возможно минимальных затратах при одновременном выполнении требуемых тактико-технических характеристик.
Именно все это и определило актуальность, важность и практическую значимость, решаемой в диссертации научно-технической задачи, имеющую большое народнохозяйственное значение, а именно - обеспечение эффективности функционирования наземных мобильных комплексов спутниковой связи.
Целью работы и задачами исследования являются повышение эффективности функционирования наземных мобильных комплексов спутниковой системы связи Кu- диапазона на основе учета комплекса факторов, влияющих на обеспечение необходимого уровня энергетических характеристик мобильной спутниковой системы связи.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
исследование состояния и тенденции развития наземных мобильных комплексов спутниковой связи;
исследование методов оценки электромагнитной совместимости наземных мобильных комплексов спутниковой системы связи;
исследование методов энергетического расчета наземных мобильных комплексов спутниковой связи и методов расчета распределения ресурсов спутниковых ретрансляторов;
обоснование методов обеспечения эффективности функционирования наземных мобильных комплексов спутниковой системы связи;
разработка принципов построения СпСС Кu – диапазона и его составных частей;
разработка метода оценки ЭМС комплекса СпСС с радиоэлектронными средствами, размещенными в заданном районе;
разработка модели оценки электромагнитной обстановки в местах предполагаемого размещения комплекса СпСС;
разработка алгоритма и критерия оценки условий ЭМС комплекса СпСС с радиоэлектронными средствами в местах его размещения;
разработка модели энергетического расчета комплекса СпСС;
разработка критерий эффективности функционирования комплекса СпСС:
реализация рекомендаций для обеспечения эффективности функционирования наземных мобильных комплексов спутниковой связи.
Методы исследования базируются на применении теории радиосвязи и передачи информации, помехоустойчивости и электромагнитной совместимости, метода системного анализа и принципа математического моделирования.
Положения, выносимые на защиту:
-
Основные принципы построения комплекса СпСС Кu – диапазона и его составных частей.
-
Модель оценки электромагнитной обстановки в местах предполагаемого размещения комплекса СпСС.
3. Методика оценки ЭМС комплекса СпСС с радиоэлектронными средствами, размещенными в заданном районе.
4. Модель энергетического расчета радиолинии комплекса СпСС.
5. Методы и рекомендации по обеспечению эффективности функционирования наземных мобильных комплексов спутниковой системы связи Кu-диапазона.
Основные научные результаты:
-
Проведен анализ состояния и тенденции развития наземных мобильных комплексов спутниковой системы связи.
-
Проведен анализ методов оценки ЭМС наземного мобильного комплекса СпСС;
-
Разработаны принципы построения наземного мобильного комплекса СпСС .Кu – диапазона и его составных частей.
-
Разработана методика оценки ЭМС комплекса СпСС с радиоэлектронными средствами, размещенными в заданном районе размещения.
5. Разработаны алгоритм и критерии оценки условий ЭМС комплекса СпСС с радиоэлектронными средствами в местах его размещения.
6. Разработана модель оценки электромагнитной обстановки в местах предполагаемого размещения комплекса СпСС.
7. Разработана модель энергетического расчета комплекса СпСС.
8. Реализация предложенных методов и рекомендаций по обеспечению эффективности функционирования наземных мобильных комплексов спутниковой системы связи Кu-диапазона.
Практическая значимость
Использование полученных в работе результатов позволяет:
1. Повысить пропускную способность канала связи за счет использования: новых сигнально-кодовых конструкций; BCH - взамен кодирования Reed Solomon; LDPC- взамен кодирования Viterbi; использования кадров больших размеров (16200 и 64800 бит); увеличения числа коэффициентов кодирования (FEC): 1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 8/9, 9/10; «высоких» видов модуляции 16APSK и 32APSK.
2. Исключить возможность обледенения поверхности зеркала антенны за счет применения специального термопокрытия и контроля параметров окружающей среды.
3. Увеличить преимущества стандарта DVB-S2 за счет использования расширенной двунаправленной ACM технологии, управлять предоставлением услуг СпСС с самой высокой доступностью и минимальными требованиями к спутниковым ресурсам.
4. Обеспечить частотное планирование для РЭС комплекса СпСС в целях обеспечения межсистемной ЭМС, за счет учета интермодуляционных искажений, имеющие место при работе двух и более источников электромагнитного излучения в зоне взаимного влияния.
5. Автоматизировать расчет и согласование основных параметров лини с использованием модели энергетического расчета комплекса СпСС , что обеспечивает выбор технических решений, при котором себестоимость канала связи будет минимальной.
Достоверность теоретических положений, выводов и практических результатов подтверждена расчетами и экспериментальными данными, совпадением результатов работы с данными полученными другими авторами, а также актами о внедрении и использовании научных и практических результатов диссертации.
Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке комплекса СпСС и ОКР «Адаптация», выполненные при непосредственном участии автора, а также реализованы при разработке мероприятий по обеспечению ЭМС ОКР «Агитпункт». Результаты внедрены в учебный процесс МИЭМ на кафедре «РТУиС». Имеются 2 Акта внедрения.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в рецензируемых научно-технических журналах. Докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных и всероссийских научно-технических конференциях в период с 2008 по 2012 гг.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 7 статей в ведущих научных изданиях, рекомендуемых ВАК для публикации материалов диссертаций.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 107 наименований и приложения. Основной текст диссертации изложен на 166 страницах и содержит 47 рисунков и 12 таблиц.
Методы оценки электромагнитной совместимости комплекса СпСС
Наряду с достоинствами у СпСС ГО имеется ряд существенных недостатков.
Первым неудобством ГО является задержка при распространении сигнала вследствие большого удаления спутника от земли и конечной скорости света. Высота ГО над поверхностью земли составляет 35786 км. Таким образом, задержка сигнала с учетом особенностей зоны обслуживания в одном направлении, включая линии вверх и вниз, составляет от 240 до 270 мс. В типичных линиях задержка составляет порядка 0,6 с. Влияние такой задержки при разговоре может в лучшем случае проявляться в затягивании пауз, а в худшем - сделать его практически невозможным из-за наличия эхо-сигналов на обоих концах линии.
Для уменьшения уровня эхо-сигналов приходиться использовать специальные устройства, так называемые эхо-подавители. При передаче цифровых данных в СпСС возникающая задержка сигналов не позволяет использовать протоколы с коррекцией ошибок, в которых требуется производить обнаружение ошибки и выборочную повторную передачу блоков с обнаруженными ошибками. Задержка при распространении сигнала при связи ИСЗ на низких и средних орбитах намного меньше, что позволяет устранить ее последствия.
Вторым недостатком ГО является невозможность охватить удаленные северные и южные районы. Геостационарные спутники уже невидимы в районах, расположенных на широтах более 81 град, северной и южной широты. Вследствие возникновения аномалии при распространении сигнала под углами вблизи горизонта даже станции фиксированных служб с большими антеннами часто не могут работать при угле места менее 5 град. Зону устойчивой связи мобильных СпСС приходится ограничивать областью обслуживания по широте не выше 75 град.
Третьим недостатком СпСС ГО является затенение, создаваемое высокими строениями в местах плотной застройки. Для обеспечения соответствующего качества обслуживания желательно иметь угол места антенны ЗС не менее 40 град. Такие углы места невозможно обеспечить с ГО даже для широт, удаленных от экватора более чем на 45 град.
Наметившаяся в последнее время тенденция к индивидуализации связи при сохранении глобального доступа к информации требует перехода от мобильных к «ручным» ЗС. Однако, существующие энергетические ограничения в космическом сегменте и допустимые нормы на уровень излучения ЗС, ограничения на СпСС и габаритов в «ручных» ЗС, не позволяют обеспечивать типовой набор услуг связи на основе СпСС ГО с глобальным лучом и требуют перехода к СпСС НО.
Организация СпСС на эллиптической орбите имеет свои достоинства и недостатки [10]. При движении по ЭО спутник зависает над выбранной зоной обслуживания в течение длительного времени. Однако высота орбиты спутника в СпСС ЭО не может быть выбрана свободно вследствие существования поясов радиации Ван Аллена, которые имеют вид двух торроидов с центром в геомагнитной оси Земли на высотах примерно от 1500 до 5000 км и от 13000 до 20000 км.
В качестве примеров использования ИСЗ с ЭО можно отметить ИСЗ «Молния» с периодом обращения 12 ч, находясь в зоне апогея, на протяжении 8 ч имеет угол склонения над Европой более 50 град., и ИСЗ «Тундра» с периодом обращения 24 ч и более вытянутой орбитой на протяжении 12 ч. В таких условиях снижаются замирания от затенений антенны ЗС, присущие геостационарным системам при малых углах склонения, и не требуются сложные и дорогие самонаводящиеся антенные системы для высококачественной передачи речи. Достаточно иметь фиксированную, направленную в зенит антенну, которая к тому же менее восприимчива к помехам от наземных систем. Достоинством 24 часовой орбиты можно считать и то, что спутник, перемещаясь по ней, никогда не входит в тень. В этом случае не нужны аккумуляторные батареи большой емкости.
Связь через ИСЗ на высокоэллиптических орбитах лишена всего набора достоинств, которым обладает СпСС ГО, но является подходящим способом организации радиосвязи государств, территория или некоторые объекты которых находятся в высоких широтах.
Корпорация «Эллипсат» завершает разработку мобильной СпСС, известную под названием «Эллипсо» для обеспечения передачи речевых сообщений, данных, факса и определения местонахождения. В этой СпСС планируется использовать комбинацию из 15 ИСЗ на эллиптических наклонных орбитах и до 9 спутников на экваториальной круговой орбите с максимальной высотой 7800 км для обеспечения покрытия всего северного полушария и южного полушария до 50 град, южной широты. ИСЗ, находящиеся на эллиптической орбите большую часть времени периода обращения будут находиться над северным полушарием. Такая стратегия позволит создать лучшие сервисные возможности для земных областей с большим населением и потенциально большим рынком предоставления услуг.
Однако реализация технических преимуществ использования спутников с эллиптическими орбитами связана с большими затратами, так как для обеспечения круглосуточного функционирования системы недостаточно одного спутника, и, кроме того, периодически возникает необходимость переключения трафика с одного спутника на другой. Как недостаток нужно отметить и обязательность выполнения особых требований, предъявляемых к бортовым антеннам, поскольку для перекрытия определенной территории в течение активного периода ретрансляций в целях улучшения условий приема угол облучения поверхности земли должен быть переменным. В СпСС ЭО в отличие от СпСС ГО необходимо учитывать до плеровское смещение частоты сигнала. В фидерных линиях оно достигает 10 кГц, в линиях связи с ЗС доходит до 14 кГц, что требует использования в ЗС устройств слежения за спутником и частотной автоподстройки.
Высокоорбитальные СпСС (ИСЗ на геостационарных и высокоэллиптических орбитах) требуют использования громоздкого и дорогостоящего оборудования ЗС, которые часто недоступны массовому пользователю. Поэтому в последнее время во многих странах проводятся интенсивные работы по созданию СпСС с использованием низкоорбитальных спутников-ретрансляторов .
К преимуществам СпСС НО по сравнению с ИСЗ на геостационарных орбитах можно отнести следующие [3,4]: - значительное уменьшение стоимости запуска ИСЗ, поскольку созвездие спутников формируется с помощью вывода на низкую орбиту контейнера, и спутники через определенные интервалы времени выбрасываются из него. При этом в качестве ракеты-носителя могут быть использованы межконтинентальные баллистические ракеты военного применения; - увеличение пропускной способности космического сегмента за счет улучшения энергетического баланса в радиолиниях; - повышение надежности системы за счет возможности размещения в космосе, значительно большего количества СР, чем в СпСС ГО; - снижение требований к техническим и эксплуатационным характеристикам антенн ЗС; - малые расстояния между ИСЗ и ЗС обеспечивают возможность использования приемопередающих устройств с низкой энергетикой и позволяет создать миниатюрные ЗС, что существенно расширяет круг потенциальных абонентов; - лучшее покрытие полярных областей; СпСС НО строятся с использованием ИСЗ на орбитах высотой 700...2000 км и временем обращения вокруг Земли 1...3 часа. СпСС 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.
Такие системы содержат от нескольких десятков до нескольких сотен спутников и характеризуются относительно высокой степенью резервирования для требуемых областей покрытия. Так, космическая часть СпСС, в состав которой входит до 60...70 СР, эквидистантно разнесенных по восходящим узлам орбит, способна покрыть всю площадь Земли. Время пролета спутника над абонентом может составлять 10...20 мин. Так, при высоте орбит около 900 км, наклонение орбит 74 град., зоны радиовидимости абонентами над местным горизонтом 7 град. — радиус зоны обслуживания спутником составляет более 2500 км.
Малошумящий усилитель-конвертер
С помощью показателей технической эффективности оценивается эффективность РЭС как сложной аппаратно-программно-информационной кибернетической системы при работе ее в различных режимах.
Для оценки технической эффективности РЭС целесообразно использовать следующие показатели: важнейшие показатели РПДУ, влияющие на обеспечение ЭМС: мощность излучения РПДУ, частота, занимаемая ширина полосы частот радиоизлучения, вид модуляции, стабильность частоты и др.; важнейшие показатели РПУ, влияющие на обеспечение ЭМС: ширина полосы пропускания, избирательность, степень ослабления помех в приемном тракте, распределение усиления по приемному тракту, восприимчивость и чувствительность и т.д. Выделение полезной информации из группового сигнала осложняется различными факторами, связанными с нелинейными свойствами приемного тракта в пределах динамического диапазона. При больших уровнях ЭДС, наводимой в антенном устройстве РПУ, проявляется нелинейность вольтамперных характеристик усилителей, а преобразователь частоты в супергетеродинном приемнике должен обладать нелинейными свойствами. Нелинейность характеристик отдельных узлов, образующих приемный тракт, приводит к образованию побочных каналов приема, к появлению перекрестных искажений, интермодуляции и к уменьшению коэффициента усиления приемного тракта; важнейшие показатели антенных устройств, влияющие на обеспечение ЭМС: рабочий диапазон частот, диаграмма направленности, параметры антенн за пределами рабочих диапазонов, ДН в интересующем диапазоне частот, поляризационные и частотные свойства антенн и др. Антенные устройства оказывают существенное влияние на формирование ЭМО. Это объясняется тем, что передающие антенные устройства, предназначенные для излучения электромагнитных волн и обеспечения необходимого распределения электромагнитного поля в пространстве, вследствие особенностей системы питания и ее конструкции сами являются источниками радиоволн, излучающихся в непредусмотренных частотных диапазонах и распространяющихся в нежелательных направлениях. Антенна, работающая в режиме приема, преобразует свободно распространяющиеся электромагнитные волны, приходящие с определенных направлений пространства, в электромагнитные волны, связанные с линиями передач. Способность приемной антенны вьщелять радиоволны, приходящие из определенных заданных направлений пространства, широко используется для обеспечения ЭМС в сложившейся ЭМО. Помимо направленных свойств для уменьшения взаимных влияний между антеннами используют поляризационные и частотные свойства антенн; - для оценки ЭМС РЭС, установленных на подвижном объекте, вследствие перемещения приемной антенны необходимо учитывать напряженность мешающих и полезных полей вдоль трассы следования; - на формирование ЭМО кроме характера, количества и размещения источников излучения и переотражателей влияют также условия распространения радиоволн. Влияние распространения радиоволн на амплитуду и фазу электромагнитных колебаний учитывается множителем ослабления, значение которого зависит от длины волны, структуры и электродинамических параметров среды. Реальная среда, в которой распространяются радиоволны, — это толща земли, водная среда, пространство у поверхности земли, тропосфера, ионосфера и т.п. Реальная среда неоднородна по строению, а электродинамические параметры ее нестабильны во времени. Поэтому аналитическое описание распространения радиоволн в реальной среде затруднено. Для описания среды используют статистические методы, а для оценки множителя ослабления вероятностные.
Основные характеристики, определяющие работу соответствующих устройств. Радиопередающие устройства (РПДУ) предназначены для генерирования высокочастотных колебаний и излучения их в виде электромагнитных волн через антенну, т.е. РПДУ использует радиочастотный спектр. Выявление конкретных причин появления того или иного вида нежелательных излучений, способов их уменьшения и количественной оценки является одной из важнейших задач, определяющих условия обеспечения ЭМС РЭС.
К важнейшим характеристикам, влияющим на обеспечение ЭМС, относят: мощность излучения РПДУ, частоту, занимаемую ширину полосы частот радиоизлучения, вид модуляции и др. Для обеспечения ЭМС РЭС мощность, излучаемая антенной РПДУ, не должна превышать значений, необходимых для обеспечения надежной радиосвязи. Для улучшения условий ЭМС РЭС необходимо принимать меры, направленные на уменьшение необходимой ширины полосы радиочастот. Еще одним фактором, имеющим существенное значение при решении вопросов, связанных с обеспечением ЭМС, является стабильность частоты. Стабильность частоты - параметр, характеризующий отклонение несущей частоты излучаемого сигнала от относительной частоты, вызываемое действием различных дестабилизирующих факторов. Излучение РПДУ по частотному диапазону неравномерны. Усредненная мощность излучения на n-ой гармонике, дБ мВт описывается эмпириче ским соотношением
Факторы, влияющие на условия ЭМС комплекса СпСС с радиоэлектронными средствами в местах его размещения
В связи с большой стоимостью космического сегмента при построении мобильных СпСС применяют такие принципы построения сети связи, которые обеспечивали бы возможность использования одного СР для большого количества наземных абонентов.
Распределение ресурсов СР (мощности и полосы) в зависимости от особенностей СпСС может осуществляться несколькими способами: 1) формированием на ИСЗ нескольких стволов за счет использования нескольких СР, работающих в различных частотных диапазонах: 2) разделением каналов для обеспечения многостанционного доступа в стволе; 3) динамическим распределением и предоставлением каналов или групп каналов для их коллективного использования на основе методов распределения запросов. В ИСЗ, как правило, устанавливается несколько независимых СР. Каждый СР имеет входной фильтр, который ограничивает прием сигналов желаемой полосой частот.
Распределение ресурсов каждого СР, то есть формирование его независимых каналов, можно осуществить путем использования ортогональных структур сигналов, а для обеспечения многостанционного доступа (МД) используются: частотное уплотнение (МДЧУ), временное уплотнение (МДВУ) и кодовое уплотнение (МДКУ).
При МДЧУ формирование каналов достигается путем разделения полной полосы СР между различными группами несущих и ограничения частотной полосы передачи для каждой несущей выделенным поддиапазоном. СР работает в режиме близком к линейному, поэтому мощность, выделенная для каждой несущей приблизительно обратно пропорциональна количеству каналов в СР. МДЧУ может использоваться для передачи как аналоговых, так и цифровых сигналов. Экономически целесообразно использовать МДЧУ для группооб-разования на линиях дальней телефонной связи, которые обслуживают запросы, поступающие с большой скважностью, не требующие высоких скоростей передачи данных, что требу ется при уплотнении трафика большого числа пользователей одной ЦЗС, а также в тех случаях, когда полный трафик, исходящий от ЗС, невелик и имеет небольшую интенсивность.
В случае МДВУ формирование каналов осуществляется путем временного разделения всей выделенной полосы рабочих частот и мощности между различными запросами. Для успешной передачи сообщений передачу через ИСЗ в любое заданное время должна вести только одна ЗС, поэтому требования к управлению мощностью здесь минимальны. При временном разделении каналов используется кадровая структура, что в отличие от методов непрерывной передачи подразумевает необходимость общесетевой синхронизации всех ЗС и использование пакетов с цифровыми сигналами. Время, предоставляемое ЗС для синхронной передачи, зависит от общей синхронизации, устанавливаемой или непосредственно лидером — ведущей станцией, или косвенным путем, с учетом задержки распространения сигнала на трассе 3-К, которая обычно измеряется ЗС, принимающей свою собственную передачу.
С помощью методов кодирования с различной избыточностью, или простых изменений вида и параметров модуляции системы МДЧУ и МДВУ можно приспособить к различным условиям распространения и к ЗС, приемные характеристики которых могут различаться на 10-И 5 дБ. В случае МДВУ один пакет может содержать сообщения, предназначенные для станций с различными скоростями приема.
Для СпСС разработаны различные методы распределения пропускной способности СР по запросам. Эти методы разделяют на две группы 191: методы коммутации каналов, предназначенные для обработки телефонных сообщений, и методы коммутации пакетов, предназначенные для обработки данных. Во второй группе выделяют три способа: случайный доступ, неявное резервирование и явное резервирование.
В СпСС с коммутацией каналов и временным уплотнением пропускная способность СР распределяется по каналам путем организации многостанционного доступа с частотным уплотнением (МДЧУ). Все каналы системы, кроме одного служебного, динамически перераспределяются по запросам станций.
Служебный канал используется по способу МДВУ. Таким образом, каждой станции в кадре служебного канала постоянно выделяется один временной сегмент. Когда на интерфейс ЗС по линии наземной связи поступает новый запрос на соединение (вызов), эта станция посылает на собственном сегменте служебного канала требование на выделение двухстороннего канала, т.е. пары каналов из совокупности перераспределяемых каналов МДЧУ. При наличии хотя бы одного свободного канала между вызывающей и вызываемой станциями устанавливается полная дуплексная связь. По окончании соединения любая из пары станций освобождает канал путем посылки сигналов в собственном сегменте служебного канала. В системе с МДВУ каждому каналу в пределах кадра, выделяется временной сегмент. В каждом кадре каналы распределены на группы, причем каждой абонентской станции выделена своя группа. Количество каналов в каждой группе периодически перераспределяется, так что ЗС с большой пропускной способностью могут использовать большое количество каналов.
При создании СпСС с коммутацией пакетов потребовались разработки новых методов распределения пропускной способности СР с коммутацией пакетов и множественным или многостанционным доступом абонентских станций к спутниковой системе. Метод организации связи, получивший название метода «коммутации пакетов» (КП), предполагает разделение входного информационного потока на небольшие сегменты или пакеты данных, которые перемещаются по сети связи или сети передачи данных аналогично письмам в почтовой системе, но с гораздо большей скоростью. Использование этого метода обеспечивает значительное повышение эффективности системы, по сравнению с системами коммутации каналов, но имеют более сложную систему управления. Последнее обстоятельство стало и технически и экономически преодолимо за последнее десятилетие благодаря бурному развитию микросхем и микропроцессорной техники.
Особенностью спутниковой связи, обусловленной самим принципом этого вида связи, является возможность одновременного доступа к СР сигналов нескольких ЗС. Пропускная способность СР оказывается при этом несколько ниже, чем в односигнальном режиме работы. В зависимости от метода разделения сигналов на приеме различают три основных способа многостанционного доступа (МСД): с частотным разделением каналов (МДЧР), с временным разделением (МДВР) и с кодовым разделением (МДКР) /2, 9/.
МДЧР является наиболее простым и распространенным методом, используемым как в аналоговых, так и цифровых СпСС. При МДЧР каждая ЗС передает свои сигналы в отведенном на участке полосы пропускания СР. Основной недостаток МДЧР — уменьшение пропускной способности по сравнению с односигнальным режимом, вызванное необходимостью уменьшения на 4...6 дБ мощности выходного усилителя ретранслятора из-за появления интермодуляционных помех. Кроме того, необходимо обеспечить высокую стабильность частоты и мощности сигнала, излучаемого каждой ЗС. В системах с МДЧР передача может осуществляться как многоканальными сигналами, так и одноканальными с использованием принципа передачи «один канал на несущей» (ОКН). Метод ОКН применяют в основном в сети станций с небольшим числом каналов. Основное преимущество метода состоит в возможности реализации принципа предоставления каналов по требованию (ПКТ). Метод МДЧР широко используется в СпСС «Интерспутник», «Инмарсат», «Интелсат» и национальных СпСС многих стран.
МДВР нашел применение в связи с реализацией цифровых методов передачи. При этом каждой ЗС для излучения сигналов выделяется определенный, периодически повторяемый временной интервал. Интервалы излучения всех станций взаимно синхронизованы, в силу чего перекрытие их не происходит. В каждый момент времени через СР проходит сигнал только одной станции и отсутствует нелинейное взаимодействие сигналов разных ЗС в усилителе СР. Метод МДВР получает развитие для передачи данных большого числа абонентских станций, подключенных к сети цифровой телефонной связи, когда с помощью ап паратуры уплотнения каналов осуществляется организация передачи через ЦЗС.
МДКР основан на одновременной передаче в полосе частот СР сигналов нескольких станций, модулированных информационным сигналом и кодовым сигналом в виде длинной псевдошумовой последовательности. При приеме информации используют методы когерентной обработки и согласованной фильтрации, что обеспечивает высокую помехоустойчивость, и помехозащищенность. Использование при МДКР сигналов с большой базой позволяет существенно снизить уровень мощности излучаемой СС и СР и улучшить показатели ЭМС.
Кроме того, использование СпСС МДКР обеспечивает устойчивость связи к замираниям и конфиденциатьность передаваемой информации. МДКР является наиболее перспективным способом МСД, широкое внедрение которого временно сдерживается сложностью его реализации.
Рекомендации по обеспечению частотного планирования для РЭС комплекса СпСС в целях обеспечения межсистемной ЭМС
Далее производится суммирование сигналов от всех РЭС, в результате чего определяется общая мощность Р непреднамеренной помехи на входе приемного устройства/-го комплекса СпСС в данной точке пространства.
Полученная оценка сравнивается с порогом, определяющим допустимый уровень помех n„j на входе каждого приёмника комплекса СпСС. Если Р превышает порог, то соответствующему признаку присваивается значение 1 (Р/с := 1). Это означает, что в данной точке пространства, при используемых режимах работы, комплекс СпСС размещать не целесообразно по критерию ЭМС.
Работа алгоритма завершается выдачей на средства отображения географической карты анализируемого района с отмеченными на ней зонами с неприемлемым уровнем непреднамеренных радиопомех.
3.4 Метод оценки влияния излучений комплекса СпСС на качество функционирования РЭС
Данная оценка необходима в случае, когда комплекс СпСС предполагается использовать на вторичной основе и необходимо проверить, оказывают ли его средства связи недопустимое помеховое воздействие на функционирующие в рассматриваемом районе РЭС. Проведенная оценка позволяет выявить районы, размещение в границах которых комплекса СпСС приведёт к созданию неприемлемого уровня помех хотя бы для одного из средств существующей группировки.
Рассмотрены методы обеспечения электромагнитной совместимости на примере мобильного комплекса спутниковой связи. Предложена методика оценки ЭМС комплекса СпСС с радиоэлектронными средствами в местах его размещения, которая предусматривает обеспечение беспомеховой работы информационных средств в районах их размещения в условиях сложной электромагнитной обстановки. Она может быть использована как при проектировании, так и в ходе эксплуатации, что должно привести к существенному снижению затрат на устранение возникающих в процессе функционирования средств непреднамеренных радиопомех.
Обобщены основные факторы, влияющие на условия ЭМС комплекса СпСС, которые должны быть на практике учтены при расчетах ЭМС, а именно: рельеф окружающей местности; количество и места установки близких по частотному диапазону РЭС, функционирующих в анализируемом районе; условия распространения радиоволн; характеристики приёмных и передающих антенн, их взаимная ориентация в пространстве, используемые режимы и сектора обзора (сканирования); поляризационные потери; потери в фидерных трактах; спектральные характеристики излучаемых сигналов и избирательность приёмных устройств, их частотный разнос; энергетические характеристики излучаемых сигналов и чувствительность приёмных устройств; наличие нежелательных каналов передачи и существенного воздействия на качество и эффективность их функционирования приёма сигналов; электрические параметры подстилающей поверхности. Обоснован критерий оценки условий ЭМС СпСС который основывается на требовании обеспечения величины суммарной мощности непреднамеренных радиопомех на входе приёмников комплекса СпСС, которая не оказывает.
Предложен алгоритм оценки условий электромагнитной совместимости комплекса СпСС с радиоэлектронными средствами, который позволяет с высокой степенью достоверности оценить условия ЭМС комплекса СпСС с другими РЭС уже существующей группировки в регионах его использования. Предложен алгоритм оценки электромагнитной обстановки в районах применения СпСС, позволяющий проводить оценку ЭМО в рамках предполагаемого района размещения СпСС для всех средств дислоцируемых в нем, а также проводить оценку ЭМО для комплекса СпСС при размещении его в конкретной территориальной позиции.
Обоснованы рекомендации по оценке электромагнитной обстановки в местах предполагаемой размещения СпСС, включая необходимость моделирования электромагнитной обстановки, которое является основой в обеспечении процедуры оценки ЭМС конкретных радиоэлектронных средств. Предложенные рекомендации предусматривают обеспечение внесения в базу данных необходимой информации о средствах группировки и оценка степени взаимного влияния их друг на друга, а также обеспечение включения в состав группировки новых РЭС с корректировкой оценок степени взаимного влияния средств. Разработанный обобщенный алгоритм оценки ЭМО в районах применения комплекса СпСС является основополагающим при реализации других алгоритмов.
Сформулированы предложения по оценке влияния излучений существующей в заданном регионе группировки РЭС на качество функционирования комплекса СпСС. При проведении данной оценки проверяется, каким образом средства существующей группировки РЭС влияют на средства связи СпСС при размещении его в различных точках заданного географического района, т.е. осуществляется поиск наиболее благоприятных, с точки зрения поме-хового фона, районов возможного размещения СпСС с сохранением требуемого качества возложенных на него функциональных задач. Сложность этой оценки определяется использованием в ней различных средств связи и сложной схемой ее организации.
Сформулированы предложения по оценке влияния излучений комплекса СпСС на качество функционирования РЭС, размещенных в заданном регионе. Данная оценка необходима в случае, когда СпСС предполагается использовать на вторичной основе и необходимо проверить, оказывают ли его средства связи недопустимое помеховое воздействие на функционирующие в рассматриваемом районе РЭС. Проведенная оценка позволяет выявить районы размещения, в границах которых СпСС приведёт к созданию неприемлемого уровня помех хотя бы для одного из средств существующей группировки. Работа может завершиться выдачей на средства отображения географической карты анализируемого района с отмеченными на ней зонами, размещение в которых СпСС приведёт к созданию неприемлемого уровня непреднамеренных радиопомех для РЭС существующей группировки. С учетом полученных результатов сформулированы предложения по определению условий ЭМС комплекса СпСС с другими РЭС, функционирующими в заданном регионе. Предлагаемый подход основан на комплексном учете взаимного влияния всех РЭС (включая и средства связи СПСС, дислоцируемых на заданной территории, друг на друга. Последовательность действий, проводимых при определении условий ЭМС комплекса СпСС с другими РЭС, функционирующими в заданном регионе, реализована в предложенном алгоритме.
