Принципы построения спутниковых систем

Большинство спутников-ретрансляторов движется по так назы­ваемой геостационарной орбите (рис.9.1). Эта орбита эллиптическая и ха­рактеризуется она тем, что если находящиеся на ней спутники движутся с угловыми скоростями, равными угловой скорости вращения Земли вокруг своей оси, то с поверхности Земли они кажутся неподвижны­ми, " висящими" на одном месте, в одной точке. С геостационарного спутника Земля «видна» под телесным углом ≈ 18º в виде окружности, ограниченной пределами ± 80º по широте и 160º по долготе с центром на экваторе, что представляет максимальную зону обслуживания одним ИСЗ. В зоне ± 80º по широте проживает практически всё население Земли. Так как расстояние от движущегося по геостационарной орбите спутника до Земли почти в три раза больше диаметра Земли, то спутник " видит" сразу около 40% земной поверхности.

Рис.9.1. Расположение геостационарной орбиты.

В состав спутниковой системы передачи ТВ-вещания (ССТВ) входят: наземная передающая телевизионная станция (ПТС), приёмо-передатчик (ретранслятор) на ИСЗ и приёмная станция.

Для ТВ-вещания предусмотрены два вида спутниковой связи: фиксированная спутниковая служба (ФСС) и радиовещательная спутниковая служба (РВСС).

Фиксированная спутниковая служба – служба радиосвязи между наземными станциями, расположенными в определённых фиксированных точках земной поверхности. Примером такой службы является сеть станций «Орбита». Наземные станции этой сети принимают через ИСЗ программы из Москвы и по ТВ-каналам передают их на ближайший телецентр, который в метровом или дециметровом диапазоне волн доводит эти программы до местных телезрителей. При такой системе мощность передатчиков на спутнике-ретрансляторе может быть минимально необходимой, а наземная приёмная аппаратура – довольно сложной. Такие системы применяют как для передачи национальных программ с большими территориями, так и для международного обмена программами.

При большом числе приёмных станций на сравнительно небольшой территории экономически оправданно усложнить ретранслятор ИСЗ и одновременно упростить наземные приёмные станции. Примерами таких систем являются распределительные системы «Экран» и «Москва». Такие системы экономически выгодно использовать для работы на кабельную сеть или радиорелейную линию (РРЛ).

ФСС регламентируется определёнными правовыми положениями.

Радиовещательная спутниковая служба – служба радиосвязи, в которой сигналы, передаваемые космическими станциями, предназначены для непосредственного приёма населением на упрощённые, достаточно дешёвые устройства, с выхода которых сигнал поступает на обычные телевизоры. При этом возможны два вида приёма в РВСС: индивидуальный и коллективный.

Индивидуальный приём в РВСС – приём излучений ИСЗ с помощью простой бытовой аппаратуры с небольшими антеннами.

Коллективный приём в РВСС – приём излучений ИСЗ с помощью приёмных устройств, предназначенных для использования группой населения в одном месте.

При использовании РВСС определено, что к ней относятся радиосигналы (передаваемые или ретранслируемые космическими станциями), предназначенные для непосредственного приёма населением – непосредственное телевизионное вещание (НТВ).

Для осуществления НТВ необходимо, чтобы излучаемый с ИСЗ сигнал соответствовал параметрам сигнала, на который рассчитаны телевизоры: диапазону волн, виду модуляции, уровню сигнала в месте приёма и т.д. В метровом и дециметровом диапазонах это технически неосуществимо. Так, например, на 3-м частотном канале (несущая частота изображения f_0из = 93, 25 МГц) для нормальной передачи сигнала на спутнике-ретрансляторе необходимо было бы развернуть параболическую антенну диаметром D = 500 метров и иметь источник питания мощностью не менее 1000 Вт. При трансляции сигнала

на 37 частотном канале (f_0из = 599, 25 МГц) диаметр антенны должен быть

D = 60 метров. Поэтому для целей спутникового телевещания используются сантиметровый (10 см …1 см) и миллиметровый (10 мм …1 мм) диапазоны волн. Эти диапазоны волн соответствуют частотам (3…30) ГГц

и (30…300) ГГц.

Вследствие значительной общности схемных и конструктивных решений,

а также элементной базы в отечественной и зарубежной литературе принято объединять эти два диапазона, а также дециметровый диапазон

(100 см …10 см), которому соответствуют частоты (300 … 3000) МГц, под термином СВЧ, или «микроволновый» диапазон.

Территория России разбита на пять вещательных зон, каждая из которых охватывает территорию двух часовых поясов. Международными службами предусмотрено пять позиций (точек стояния) ИСЗ на орбите ТВ-вещания. При этом вся Россия оказывается охваченной спутниковым вещанием.

Диапазоны частот для ТВ-вещания.

На участке ИСЗ – Земля для ФСС выделены следующие полосы частот (ГГц):

2, 5 – 2, 69; 3, 4 – 4, 2; 4, 5 – 4, 8; 10, 7 – 11, 7; 12, 5 – 12, 75.

Для РВСС отведены полосы частот (ГГц):

0, 62 – 0, 79; 11, 7 – 12, 5.

В перечисленных выше частотных диапазонах ТВ-вещание сосуществует с другими радиослужбами. Для целей только ТВ-вещания выделены диапазоны частот:

37, 5 – 42, 5 ГГц и 81 -86 ГГц.

Для передачи сигналов ТВ-вещания с Земли на ИСЗ выделены другие полосы частот (ГГц):

5, 7 – 6, 4; 14, 0 – 14, 5; 17, 3 – 81, 1.

Диапазон частот в спутниковой связи записывают дробью, где в числителе указывается частота сигнала, излучаемая с ИСЗ, а в знаменателе – наземной станции в радиолинии Земля – ИСЗ. При этом частота излучения со спутника выбирается ниже частоты, излучаемой с Земли на ИСЗ. Это объясняется тем, что при излучении с Земли в сторону ИСЗ сигнал имеет большее затухание, чем при передаче сигнала в обратном направлении (чем выше частота, тем больше затухание сигнала). Большее затухание на трассе Земля – ИСЗ легко компенсируется увеличением мощности радиопередающего устройства наземной станции.

Спутниковые системы РВСС работают в диапазоне 11, 7 – 12, 5 ГГц. В этом диапазоне 800 МГц расположено 40 каналов и оставлены защитные поля на нижнем и верхнем концах диапазона, обеспечивающие надёжную защиту для служб, использующих смежные диапазоны (рис.9.2).

Рис.9.2. Распределение каналов спутникового ТВ-вещания в диапазоне

11, 7 – 12, 5 ГГц

Ширина полосы частот, отводимая для каждого канала, составляет 27 МГц, разнос между центральными (средними) частотами равен 19, 18 МГц. Каналы нумеруются с 1-го по 40-й. Средняя частота первого канала f_СР.1 = 11727, 48 МГц, средняя частота сорокового канала f_СР.40 = 12475, 5 МГц. Значение любого из сорока каналов можно определить из выражения

F_N = 11727, 48 +19, 18·N (МГц), где N = 0 …. 40

Для повышения помехозащищённости каналов ТВ-вещания предусмотрено использование прямой и обратной круговой поляризации, обеспечивающей снижение взаимных помех на 10 – 20 дБ. Нечётные каналы имеют прямую (правостороннюю) поляризацию, чётные – обратную (левостороннюю) поляризацию. Прямая поляризация соответствует вращению вектора Е по часовой стрелке, если смотреть с ИСЗ на Землю. Обратная поляризация – против часовой стрелки. Однако в целях ослабления помех соседние каналы на одном спутнике обычно не задействуют.