В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Целевыми задачами телекоммуникационных спутников, согласно определениям Международного союза электросвязи (МСЭ), являются:
В настоящее время существенные различия между ФСС и РСС в значительной степени стираются. Спутниковое непосредственное вещание успешно осуществляется через спутники ФСС, а в полосах частот РСС зачастую обеспечивается услуга доступа в сеть Интернет, которая в классическом определении относится к ФСС.
Для спутниковых сетей обоих типов ключевыми параметрами являются:
Перечисленные системные параметры в значительной степени зависят от космического сегмента и в конечном итоге определяются характеристиками полезной нагрузки (ПН) и условиями работы ПН, обеспечиваемыми платформой спутника. Среди основополагающих характеристик ПН – энергетические параметры: эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ) и добротность G/T. Энергетические параметры ПН определяют потенциально достижимую спектральную эффективность спутниковых каналов (бит/с/Гц), которая, в свою очередь, определяет достижимую пропускную способность каналов (бит/c) и, как следствие, экономическую эффективность использования спутниковых технологий.
Современные геостационарные телекоммуникационные спутники фактически состоят из двух частей: модуль служебных систем, или платформа, и модуль ПН. Модуль ПН осуществляет выполнение целевой задачи КА, платформа обеспечивает функционирование ПН спутников на орбите. Традиционно платформа спутника включает в себя систему электропитания, систему терморегулирования, бортовой комплекс управления, систему ориентации и стабилизации и систему коррекции.
Примечание. Подавляющее большинство современных телекоммуникационных спутников функционируют на геостационарной орбите (ГСО) из-за удобства и простоты организации сетей связи на базе космического сегмента на этой орбите. Однако перегруженность ГСО заставляет находить решения и осваивать другие типы орбит для этих целей (высокоэллиптические, средние и низкие круговые и др.).
ПН спутника состоит из бортового ретрансляционного комплекса и подсистемы конструкции с элементами системы терморегулирования. Бортовой ретрансляционный комплекс, в свою очередь, включает в себя ретранслятор и антенную подсистему. Обычно ПН имеет четко определенные механические, тепловые и электрические интерфейсы с платформой. Это позволяет упростить интеграцию платформы и ПН, а также оптимизировать сборку и испытания обеих частей спутника. Телекоммуникационные спутники принято разделять по пропускной способности на традиционные спутники и спутники с высокой пропускной способностью HTS (High Throughput Satellite).
Схемотехнические решения построения ПН традиционных коммерческих телекоммуникационных спутников, в отличие от наземного сегмента спутниковых сетей, являются крайне консервативными с точки зрения внедрения новых технических решений. Базовая архитектура ПН телекоммуникационных спутников за последние два десятилетия остается фактически неизменной. Полезная нагрузка реализуется с “прозрачными стволами" (транслируемый сигнал не подвергается обработке) и чаще всего с однократным преобразованием частоты (частота приемного сигнала преобразуется непосредственно в частоту передающего сигнала, без перехода к промежуточным частотам). Кроме того, традиционные спутники характеризуются наличием антенн с контурными ДН [1], формирующими относительно широкие зоны обслуживания обычно в С-, Ku-, иногда в Ka-диапазонах. На рис. 1 в качестве примера представлена типовая структурная схема БРТК C-диапазона телекоммуникационного спутника. Ретранслятор связной ПН, построенной по классической схеме, состоит из входной и выходной секций.
Во входной секции обеспечиваются:
В выходной секции обеспечиваются:
Прием сигналов от ЗС осуществляется во входной секции ПН через региональную и глобальную антенны. Принятые сигналы поступают на входные фильтры, где обеспечивается формирование группового сигнала, определенного частотным планом ПН. Сформированные групповые сигналы поступают на матрицу приемников (в приведенном примере организована схема резервирования 5:3). Приемники обеспечивают усиление с малым коэффициентом шума и преобразование групповых сигналов на частоты передачи. После усиления и переноса по частоте, сформированные групповые сигналы поступают на входные мультиплексоры (IMUX, рис. 2), где обеспечивается разделение на канальные сигналы, определенные частотным планом (основные элементы IMUX: делители мощности, циркуляторы и фильтры). Далее сформированные канальные сигналы поступают через кольцо резервирования на входы передающих устройств (в приведенном примере организована схема резервирования 8:6 и 8:6).
С выходов передатчиков усиленные сигналы поступают на выходные мультиплексоры (OMUX, рис. 2), обеспечивающие частотное объединение канальных сигналов в групповые, режекцию гармоник и внеполосных паразитных сигналов (основные элементы OMUX: волноводы, полосовые фильтры и фильтры нижних частот). Далее групповые сигналы через антенны излучаются в пространство. Следует отметить, что кольца резервирования, которые обеспечивают резервирование активных приборов, являются “скользящими" и позволяют использовать любой прибор из группы взамен вышедшего из строя.
В приведенном примере также реализована коммутация двух транспондеров между региональной и глобальной зонами обслуживания. В зависимости от диапазона частот и передаваемой мощности, в качестве высокочастотных трактов используются либо коаксиальные кабели, либо волноводы.
Геостационарные связные спутники, с учетом массогабаритных и энергетических характеристик их ПН, условно можно разделить на легкие, средние и тяжелые (табл. 1).
В качестве формальной оценки емкости полезной нагрузки традиционного спутника связи и вещания принято говорить о числе реализованных эквивалентных стволов (транспондеров) с полосой 36 МГц (принято исторически из техники радиорелейных стволов). Число физических стволов, как правило, меньше числа эквивалентных стволов (соотношение иногда нарушается для спутников РСС). Следует отметить, что в последнее десятилетие идет активный поиск способов создания ПН с гибкой структурой и “прозрачными" стволами, то есть с возможностью реконфигурации структуры ПН в процессе эксплуатации спутника [2].
Спутники HTS представляют собой подкласс спутников ФСС и РСС. Основным отличием ПН HTS от ПН традиционных спутников является формирование зон обслуживания набором большого числа узких лучей (в пределах 0,3–1 град.). В спутниках HTS, целевым образом предусмотренных для реализации связных задач, лучи работают в приемопередающем режиме. ПН спутника HTS состоит из двух частей – прямые каналы (направление “Центральная станция (ЦС) – Абонент") и обратные каналы (направление “Абонент – ЦС"). Сигналы приемных абонентских лучей после преобразования в диапазон частот передачи образуют групповой широкополосный сигнал с полосой 1–2 ГГц. Групповой сигнал поступает на передатчик (работает в линейном режиме), который связан с фидерным передающим лучом, в рабочей зоне последнего располагается центральная станция сети. В свою очередь, эта центральная станция подает высокоскоростные потоки по фидерной линии на спутник в групповой полосе 1–2 ГГц. Приемный групповой сигнал преобразуется в ПН в типовом случае в диапазон передачи, затем распределяется по передатчикам абонентских лучей, которые обычно работают в режиме насыщения или в квазилинейном режиме, близком к насыщению. Причем передатчики абонентских лучей могут работать сразу на два и более абонентских луча, могут использоваться системы коммутации передатчиков между абонентскими лучами. Именно по этой причине нельзя уже характеризовать пропускную способность ПН спутника HTS в числе эквивалентных стволов, поскольку такое понятие, как ствол, здесь некорректно. Более того, типовой спутник HTS уже невозможно рассматривать отдельно от земного сегмента, поскольку идеология построения ПН полностью взаимоувязана с распределением ЦС по географическим условиям и условиями распределения абонентских лучей между ними.
На настоящий момент успешно функционируют уже несколько типичных спутников HTS. Наиболее известны спутники KA-SAT, Viasat 1, Echostar 17/Jupiter 1. Планируются к запуску Viasat 2, Echostar 19 и ряд других.
В качестве примера на рис. 3 представлен один из вариантов распределения узких лучей HTS на европейской части территории России. Наиболее эффективно достоинства спутников HTS реализуются в Ka-диапазоне, поскольку бортовая антенная система ПН значительно меньше по массе, чем, например, при реализации в Ku-диапазоне при условии идентичности лучей. Хотя это положение и является дискуссионным [3], в том числе в связи со значительно меньшим затуханием сигналов Ku-диапазона в условиях наличия гидрометеоров.
Иногда ПН спутника содержит и ретрансляционную аппаратуру типа HTS, и ретрансляционную аппаратуру, свойственную традиционным спутникам. Такие спутники можно назвать гибридными. Примером таких гибридных спутников являются российские спутники “Экспресс-АМ5", “Экспресс-АМ6" и ряд зарубежных.
В последние годы все больше внимания уделяется реализации полезной нагрузки спутников ФСС и РСС с обработкой и коммутацией сигналов. Один из видов обработки – обработка с восстановлением сигналов на борту (сигналы демодулируются, осуществляется их коммутация на уровне каналов или даже на уровне пакетов с целью перераспределения сигналов между лучами (направлениями связи), затем формируются потоки, которые модулируются и направляются на передающее устройство). Такое решение известно достаточно давно, например еще на спутниках серии “Радуга" имелась ретрансляционная аппаратура с обработкой и коммутацией, которая обеспечивала работу специальных некоммерческих средств связи. Обработка и коммутация сигналов на борту имеет свои достоинства и недостатки. Основные достоинства: гибкость организации взаимных связей между лучами и возможность увеличить энергетику радиолиний за счет исключения шумов и помех на линии “вверх", возможность работы передатчика в режиме насыщения (или близком к нему) даже при многосигнальном режиме в полосе приема. Однако практическая реализация такого построения ПН пока не связана с применением в коммерческих спутниках, поскольку производительность такого преобразования относительно невысока при очень высокой цене и относительно низкой надежности. Кроме того, возникает проблема преемственности средств связи разнородных наземных коммерческих сетей, особенно с учетом естественного развития и изменения технологий связи за период активного существования спутника.
Более приемлемая схема организации гибких связей между лучами и коммутации сигналов между ними подразумевает операции аналого-цифрового преобразования принятого сигнала, цифровой фильтрации, коммутации и последующего цифро-аналогового преобразования [4]. Поскольку не производится демодуляция и декодирование принятого сигнала, этот вид обработки оказывается более подходящим для применения в составе связных коммерческих ПН.
Известны и многие иные схемы организации обработки и коммутации сигналов и пакетов на борту [5], но все же пока нет четкого тренда применения этих решений в коммерческих спутниках ФСС и РСС [6].
Техническая реализация ПН определяется множеством противоречивых требований к радиотехническим параметрам:
Реализация этих требований осложняется рядом объективных факторов:
Поскольку космическая платформа и ПН спутников выполняются негерметичными (ПН с технологией применения гермоконтейнеров использовались до начала 1990-х гг.), внешние условия функционирования бортового оборудования влекут за собой повышенные требования к парированию воздействия факторов космического пространства на элементную базу бортовой аппаратуры и конструкционные материалы. А именно – воздействие радиации, тяжелых заряженных частиц, плазмы, вакуума, эффекта мультипактора и так далее. Современные технологии и комплектующие позволяют получить срок активного существования ПН 15 лет и более. Вероятность безотказной работы обычно ставится в зависимость от общего количества активных стволов и примененных схем резервирования. В каждом конкретном случае формулируется критерий отказа.
Кроме того, современные спутники и, соответственно, их ПН и космическая платформа должны отвечать не ремонтопригодности в условиях орбитального функционирования (необходимость резервирования, жесткого соблюдения требований гарантии качества, возможности перезагрузки программного обеспечения).
Антенно-фидерная система
Одной из ключевых систем ПН любого спутника является антенно-фидерная система (АФС). Уже традиционно при изготовлении всех элементов АФС, в том числе облучающих систем, рефлекторов и элементов конструкции, в основном используются композитные материалы. Достигается снижение массы в сравнении с металлическими аналогами примерно в 2 раза, обеспечивается минимизация температурных деформаций. Особенно заметен выигрыш в АФС С-диапазона и ниже. Изготовление сложных облучающих систем выполняется с применением так называемого монолитного метода. Сборка производится из отдельных металлических пластин с проточками, которые в сборе образуют заданную деталь. Вся сборка затем подвергается диффузионной вакуумной сварке. Достигается снижение уровня пассивных интермодуляционных помех и появляется возможность увеличить максимальные уровни передаваемых сигналов.
Основные типы антенн, применяемые в составе “прозрачных" ПН [1]:
Основные целевые антенны имеют практически всегда контурные диаграммы направленности и выполняются на основе использования профилированных рефлекторов или обычных параболических рефлекторов, облучаемых кластером рупорных облучателей. Причем чем больше размер рефлектора, тем более точно можно создать соответствие между контурной ДН и заданным контуром зоны обслуживания и достичь более высокого уровня подавления сигналов вне этого контура.
При этом усиление в рабочей зоне определяется угловым сектором рабочей зоны (град. х град.), а не размером рефлектора. Сегодня контурные антенны создаются с возможностью формирования нескольких относительно широких контурных лучей, рассматривается возможность трансформации контурного луча. Эти возможности достигаются благодаря формированию диаграммы направленности с использованием профилированных зеркал, облучаемых многорупорными облучателями, иногда сочетающими в себе принципы фазированных антенных решеток. В 1980-х гг. в России имелся большой научный задел в этой области, в те годы подобные антенны назывались гибридными. Совсем иная ситуация в случае ПН спутника HTS, где антенная система может состоять из нескольких многолучевых антенн [7]. Рабочая зона формируется множеством лучей (десятки и в проектах даже известны сотни), каждый из которых имеет свою локальную рабочую зону. Поскольку антенная система ПН любого спутника уникальна, эта задача решается каждый раз при проектировании ПН, исходя из конкретных исходных данных и условий.
Приемные устройства
Приемные устройства бортовых ретрансляторов обеспечивают усиление принятых сигналов с низким коэффициентом шума и преобразование сигнала по частоте, как правило, в диапазон частот передачи. Выполнение данных операций производится либо последовательно установленными МШУ и конвертором, либо в общем приемнике, совмещающем их функции. На рис. 6 показаны приемники С- (слева) и Ku- (справа) диапазонов.
В малошумящих усилителях используются специальные малошумящие транзисторы; типовые функциональные характеристики современных бортовых устройств представлены в табл. 2.
Типовые параметры современных бортовых приемных устройств, совмещающих функции малошумящего усиления и преобразования частоты, представлены в табл. 3.
Тенденции развития устройств приемной секции ПН любого спутника определяются двумя основными параметрами: коэффициентом шума и массой устройства. На примере МШУ Ka-диапазона, прогресс, имевший место с конца 1990-х гг., показан в табл. 4.
Передающие устройства
В бортовых ретрансляторах связных спутников в качестве мощных усилителей широкое применение нашли усилители на лампах бегущей волны (УЛБВ) и твердотельные транзисторные усилители (ТТУ). Под УЛБВ понимаются лампа бегущей волны (ЛБВ) и вторичный источник питания (ВИП), настраиваемый индивидуально под конкретную ЛБВ. Основным достоинством УЛБВ является возможность получить высокие выходные мощности в широкой полосе частот при высоком КПД. Обычно удается обеспечить работу УЛБВ с оптимальными характеристиками в полосе частот, составляющей 7– 10% от центральной частоты.
Сигнал, поступающий с выхода малошумящего приемника, усиливается перед УЛБВ предусилителем (канальным усилителем). Основная задача канального усилителя – обеспечить требуемый уровень сигнала на входе ЛБВ. Канальный усилитель может работать как в режиме фиксированного усиления, так и в режиме автоматической регулировки усиления. Типовые характеристики современных ЛБВ приведены в табл. 5.
Недостатком УЛБВ являются относительно высокие массогабаритные показатели. С целью улучшения массогабаритных характеристик широкое применение нашли УЛБВ с двойными ВИП (один ВИП обеспечивает работу двух ЛБВ). На рис. 7 показан УЛБВ Ku-диапазона с двойным ВИП и радиационным охлаждением ЛБВ.
Еще одним недостатком УЛБВ является ярко выраженная нелинейность амплитудной и фазовой характеристик, которая влияет на работу в многосигнальном режиме. Для достижения относительно линейных характеристик (продукты нелинейности на уровне 18–23 дБ) приходится снижать усиление ЛБВ на 4–6 дБ относительно ее максимальной выходной мощности в режиме насыщения. Заметное улучшение характеристик достигается введением в канальный усилитель амплитудной и фазовой нелинейности, обратной нелинейности ЛБВ (так называемый “линеаризатор"). В этом случае для достижения приемлемой линейности достаточно снижения относительно мощности насыщения на 2–3 дБ.
Для спутниковых сетей ФСС/РСС ключевыми параметрами являются:
Современной тенденцией в развитии УЛБВ является увеличение мощности насыщения бортовых ЛБВ в высоких диапазонах частот (до 220 Вт в K-диапазоне). Также перспективным направлением является включение в ВИП функций командно-управляемых настроек выходной мощности и рабочей частоты ЛБВ. Возможность изменять выходную мощность ЛБВ без существенного снижения ее КПД (относительно КПД в режиме насыщения) дает оператору спутника возможность более эффективно использовать энергетические ресурсы платформы.
ТТУ обеспечивают существенный выигрыш по массе и габаритам по сравнению с УЛБВ. Тем не менее, до настоящего времени ТТУ, построенные на базе GaAs-транзисторов, не нашли широкого применения в качестве передатчиков телекоммуникационных ПН из-за сравнительно небольших выходных мощностей и низкого КПД. Так, в диапазоне 4 ГГц типовое значение мощности составляет 40 Вт при КПД в режиме насыщения 30–40%. В последнее время активно развивается новое поколение ТТУ на основе нитридгаллиевых (GaN) транзисторов [8]. Применение GaN позволяет существенно улучшить характеристики ТТУ. Пока достигнуты значительные успехи в создании таких усилителей в S- и C-диапазонах. Мощность ТТУ в С-диапазоне увеличилась до 100 Вт с КПД до 50%. В настоящее время идет внедрение таких ТТУ в летные изделия. В планы производителей ТТУ входит проектирование и квалификация ТТУ в Ku-диапазоне (c мощностями 50 Вт к 2017 г. и 100 Вт к 2018 г.) и K-диапазоне (20 Вт к 2019 г.). Результаты совершенствования бортовых ТТУ на основе GaN делают применение ТТУ в составе транспондеров связных ПН более оправданным.
Блоки цифровой обработки сигналов
Как уже отмечалось, обработка сигналов на борту может иметь различные схемотехнические решения. Однако до настоящего времени нет уверенности, что такие решения могут быть применены при создании ПН коммерческих спутников ФСС и РСС в ближайшем будущем. Известные примеры применения ПН с обработкой (спутник ФСС Space 3, спутник РСС HotBird и ряд других) показывают, что коммерческий успех систем, реализованных на основе таких спутников, либо был неудовлетворительным, либо его не удалось достигнуть. Но это не означает, что исследовательские работы в этом направлении не должны проводиться.
Основная надежда на прорывные технологии, которые могут быть созданы в рамках разработки бортовых систем специального некоммерческого назначения. Например, одно из известных устройств цифровой коммутации, которое рассматривается как возможное для применения в коммерческих ПН спутников ФСС (обычно подобные решения применялись в ПН спутников ПСС), имеет 20 входных и 20 выходных портов с полосой пропускания каждого порта до 250 МГц, обеспечивается коммутация сигналов от любого входа на любой выход. Минимальная ширина коммутируемых каналов составляет 312,5 кГц. Обеспечиваются два режима регулировки усиления (фиксированный и автоматический).
В настоящее время активно развиваются следующие поколения технологий, повышающих плотность элементов в цифровых приборах (технология 3D MMIC; технология “Система в пакете"), что дает основание не забывать о возможностях ПН с обработкой на борту для коммерческих применений.
В качестве одной из основных тенденций в спутниковой индустрии в коммерческом сегменте ФСС и РСС следует выделить активное наращивание числа спутников типа HTS (как целевых, так и гибридных). При этом активно ведутся поисковые работы, связанные с оптимальным формированием лучей многолучевых антенн, с обеспечением гибкого и эффективного перераспределения частотно-энергетических ресурсов между лучами в зависимости от изменений на потребительском рынке в процессе функционирования спутника.
Наращивание емкости (числа лучей) спутников типа HTS и ресурса традиционных спутников связано с увеличением количества передатчиков в составе ПН. В результате активно ведутся работы в области совершенствования усилителей на ЛБВ, в том числе с целью гибкого изменения их выходной мощности без снижения КПД. Параллельно ведутся работы по совершенствованию твердотельных усилителей на основе GаN с целью повышения выходной мощности и КПД для применения в бортовых системах. Большое внимание уделяется поиску приемлемых решений для совершенствования ПН традиционных спутников связи и вещания с целью расширения возможностей управления их конфигурацией в процессе эксплуатации спутника (гибкие ПН).
Но основными задачами при создании ПН любого типа спутника остаются снижение массы приборов и конструктивных деталей и увеличение срока активного существования.
Литература
Опубликовано: Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание"-2015
Посещений: 11970
Автор
| |||
Автор
| |||
Автор
| |||
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
