Спутниковая связь и проблема геостационарной орбиты (стр. 7 )

т. е. z = 2,5, 10 lgH=32, а для вновь создаваемых систем рекомен­дуется реализовать (и использовать при расчетах взаимных по­мех) лучшее (меньшее) значение

при . (5.13)

На основе этих зависимостей в [14] для учета влияния диаметра антенны получено несложное соотношение

(5.14),

которое иллюстрируется рис. 5.3. построенным в [14] для некото­рого конкретного случая (соответствующего Р = 5° при z = 2,5 и D/=100). Из этого рисунка наглядно видно, как существенно влияет увеличение размера антенны на возможность сближения соседних ИСЗ.

Второй важнейший технический фактор, уже упомянутый выше, влияющий на необходимый угол разноса между соседними ИC3 — это уровень боковых лепестков антенны ЗС, определяю­щий уровень мешающего сигнала на входе приемника ЗС (или приемника КС, для линии вверх). Этот уровень в области (например, >1°) определяется приближенными соотношениями вида (5.10) — (5.13). Очевидно, что чем больше z или чем меньше H при = 1°, тем больше пространственная избирательность антен­ны. Это влияние наглядно иллюстрируется рис. 5.4. Видно, что снижение усиления антенны в направлении боковых лепестков на 7... 8 дБ, т. е. до 25—25 lg, либо увеличение скорости спада в 1,5 раза приводит к сокращению угла разноса ИСЗ примерна вдвое и соответственно к удвоению емкости ГО.

Разумеется, изложенное справедливо при размещении со­седнего ИСЗ в области . Если же параметры систем связи таковы, что допустимо более близкое размещение соседних ИСЗ, то соседний ИСЗ может попасть в область первого бокового лепестка диаграммы направленности ЗС (см. рис. 5.2), ближай­шего к главному лучу. В этом случае имеет значение уровень этого лепестка, а не соотношения (5.10) —(5.13). В современных антеннах ЗС максимальное относительное значение первого ле­пестка (точка 2 на рис. 5.2) нормируется на уровне —14 дБ, хотя имеются данные о возможности снижения уровня этого лепестка до —30 дБ (в случае неосесимметричных антенн с вынесенным облучателем [35]): последнее значение часто оказывается доста­точным для разделения сигналов равной величины. Для антенн ИСЗ /вещательной службы необходимость сокращения 1-го бо­кового лепестка на уровне —30 дБ определена «Планом», приня­тым на ВАКР-77 icm. гл. 9). Желательно разместить сигнал от соседнего ИСЗ в первом «нуле» (точнее, минимуме) ДН антенны ЗС (точка 1 на рис. 5.2), где пространственная избирательность

оказывается обычно высокой при очень близком размещении ИСЗ, Размещение соседнего ИСЗ ев перовом нуле соответствует самому эффективному использованию ГО. Однако первый нуль ДН неста­билен как по глубине провала, так и по угловому положению. Следует эту нестабильность учитывать либо прибегать к специ­альным методам управления ДН с целью сохранения минимума а необходимом. направлении, т. е. к системе компенсации помехе

Эффективному использованию ГО способствует пространственная избирательность бортовых антенн ИСЗ. Это влияние оценивается коэффициентом занятости Q (гл. 4) или числом повторов Nпоз. Высокой пространственной избирательности можно достичь с помощью сложных антенн, в которых формируется специальной формы диаграмма направленности, по возможности близкая к границам обслуживаемой территории. Обычно для этого используют большое число облучателей в одном и том же зеркален соединенных специальным образом с выходом передатчика. Изменение схемы соединения облучателей позволяет изменять форму ДН. Такая антенна разработана, например, для ИСЗ «Интелсам VI» [36], а еще ранее — для японской вещательной системы BS-E.

Для антенн со сложной ДН предложена удобная формула для оценки необходимого угла разноса Д0 от границ зоны покрытия до направления, где ослабление сигнала относительно границы заданы достигает 27 дБ [35]:

(5.15)

Здесь K1— константа, принимающая значения 60чем дальше зона обслуживания отстоит от оптической оси рефлектора антенны, тем большее значение К1 рекомендуется использовать).

Важным способом увеличения емкости ГО является разделение сигналов по поляризации. Разделение достигается при излучении двух сигналов с ортогональной поляризацией — либо линейной в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, либо вращающейся с различным направлением вращения. В обоих случаях при идеальном разделении сигналов может быть достигнуто удвоение емкости орбиты. На практике усиление антенны для ортогонально поляризации оказывается не равным нулю, а лишь существенна меньшим усиления на основной поляризации (см. рис. 5.5, где показаны принятые на ВАКР-77 характеристики приемных антенн спутникового вещания). Наилучшее разделение у специально раз­работанных для этой цели антенн составляет 30...35 дБ (в нап­равлении главного луча), что обычно оказывается достаточным для сохранения помехи на допустимо малом уровне (см. гл. 3), удвоение емкости орбиты может быть достигнуто. Однако, как видно из рис. 5.5, при увеличении угла разноса поляризацион­ное разделение ухудшается, и даже абсолютная чувствительность к сигналам другой поляризации возрастает (кривая В, участок 0,3<<1,5). Поэтому на линии Космос — Земля лучше осу­ществлять поляризационное разделение сигналов, излучаемых од­ним и тем же ИСЗ, либо ИСЗ, расположенными близко на орби­те — в пределах главного луча ДН антенны ЗС.

Следует иметь в виду, что излучаемые сигналы также имеют не бесконечно высокое разделение по поляризации — ДН передаю­щих антенн имеют вид, подобный показанному на рис. 5.5. Поэтому уже в излучаемом сигнале содержится примесь сигнала другой поляризации, и результирующая помеха определяется суммой помех на передающем и приемном концах линии связи, а затем — суммой помех на линиях вверх и вниз.

Дополнительным фактором, влияющим на разделение ортого­нально поляризованных сигналов, является поворот плоскости по­ляризации на трассе распространения — явление, имеющее место в атмосфере [2].

Некоторое улучшение разделения по поляризации можно по­лучить с помощью автоматической регулировки поляризационных элементов системы. Тем не менее часто приходится прибегать к со­четанию поляризационного и пространственного разделения сиг­налов, например путем разноса зон обслуживания (так сделано в плане спутникового вещания для стран Районов 1 и 3, принятом в 1977 г.), либо путем разноса на небольшой угол ИСЗ, работаю­щих с противоположной поляризацией (план вещания, принятый: РАКР-83 для Района 2). Используется также поляризационное - разделение совместно с некоторым частотным сдвигом между не­сущими, что, как следует из изложенного в гл. 3, также улучшает разделение сигналов.

Для достижения потенциально возможной пространственной, избирательности антенн необходимо поддержание стабильного по­ложения ИСЗ на орбите и точного наведения антенн КС и ЗС. Разумеется, более сложна технически задача удержания ИСЗ и точного наведения антенн КС. Нестабильность положения спутни­ков приводит к возможности их сближения, вследствие чего необ­ходимый номинальный разнос ИСЗ возрастает на величину уд­военной нестабильности. При установленной в последние годы [6] допустимой величине нестабильности геостационарного спутника по долготе ±0,1° и обычно применяемом разносе ИСЗ 2...4° влияние нестабильности невелико, и ее дальнейшее снижение не ласт большого эффекта. Однако при предельных оценках, когда рассматривается перспективная ситуация с разносом ИСЗ 0,5° и менее, нестабильность ±0,1° уже существенно влияет на емкость орбиты Сго.

На нестабильность ориентации антенны ИСЗ Регламент радио­
связи [6] устанавливает следующие пределы: 10% ширины главного луча по половинной мощности, либо 0,3° относительно номинального направления антенны (следует применять то из этих ог­раничений, которое дает большее

значение).

Ограничение неста­бильности наведения луча относится только к системам с неглобальной зоной обслуживания, и вступает в действие только при возникновении помех другим системам; нестабильность положения
ИСЗ и ориентации его антенн могут быть или не быть связаны
между собой — это зависит от применяемого способа ориентации
антенн.

Очевидно, нестабильность ориентации луча «размывает» гра­ницы зоны, увеличивая возможные помехи другим системам. Простейший способ учета этого явления — добавить величину не­стабильности ориентации к угловым размерам зоны (более точ­ный метод расчета дан в [5]). Влияние нестабильности ориента­ции антенн существенно при обслуживании зон небольшого раз­мера.

Наведение антенн ЗС систем спутниковой связи можно считать точным, поскольку такие антенны обычно снабжаются устройст­вами автоматического сопровождения ИСЗ. Сложнее дело обсто­ит в распределительных сетях, где автосопровождение обычно не делают ради удешевления ЗС, и поэтому неточность установки антенны ЗС или нестабильность положения ИСЗ ведет к сни­жению емкости системы и ГО в целом.

5.2. ТЕХНИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГО,

СВЯЗАННЫЕ С МЕТОДАМИ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ И НОРМИРОВАНИЕМ

Выбор оптимальных параметров модуляции сигналов оказыва­ет влияние на емкость ГО. Так, например, при передаче сигналов методом ЧМ может быть выбран различный индекс модуляции. С увеличением девиации частоты возрастает помехоустойчивость пе­редаваемых сигналов (см. гл. 3), и разнос между соседними ИСЗ может быть сокращен. Однако сигнал с увеличенной девиаци­ей занимает более широкую по­лосу частот, и поэтому переда­ваемый на единицу полосы объ­ем информации сокращается. Диализ показывает, что вслед­ствие действия этих факторов может существовать оптималь­ное значение индекса, при ко­тором емкость орбиты максимизируется. Так, в [37] (получено, что при тесле каналов в стволе 1920, при перспективных пара­метрах антенны ЗС и «пренебре­жимо малых тепловых шумах максимальная емкость ГО дости­гается при девиации на канал 700...800 кГц. Как правило, влия­ние первого фактора — увеличе­ния помехоустойчивости — преобладает, и максимальная емкость орбиты достигается при максимально возможной девиации часто­ты; увеличение девиации частоты приходится при этом ограничи­вать по другим соображениям — из-за трудности реализации ши­рокополосных трактов, наступления порога приема при ЧМ, нели­нейных искажений передаваемого сообщения.

В общем виде влияние выбора параметров на емкость ГО вид­но из кривых, полученных в [14] (рис. 5.6), где емкость ГО пока­зана в зависимости от емкости отдельной системы. Увеличение числа каналов в одной спутниковой системе на 1МГц полосы со­ответствует уменьшению девиации частоты на канал; при этом, как правило, наблюдается монотонное падение емкости ГО, кроме случаев большого отношения сигнала к тепловому шуму, когда по­является локальный максимум. Рисунок 5.6 получен для некоторо­го конкретного сочетания параметров систем (Z/A = 300, число ка­налов в каждой системе более 240, z = 2,5; многократное исполь­зование полосы с помощью пространственного разделения не при­меняется и пр.); по-прежнему предполагается, что все располо­женные на ГО спутниковые системы одинаковы.

Аналогичная задача — оптимизация числа фаз модуляции — возникает при передаче сигналов в дискретной форме с помощью фазовой манипуляции. Это исследование может быть выполнено на основе соотношений для вероятности ошибки, приведенных в гл. 3. С увеличением числа фаз модуляции растет скорость пере­дачи информации в отдельной системе, но возрастает и чувстви­тельность линии связи к помехам со стороны соседних систем. Ис­следование может быть выполнено численно, и результат его ока­зывается зависящим от ряда принятых исходных данных. Так, в [14] получено, что наилучшие результаты достигаются при числе фаз модуляции 2М = 4. Это иллюстрируется точками на рис. 5.6
рядом с которыми показано необходимое соотношение сигнал-шум.
При расчете принято, что каждый телефонный канал эквивалентен скорости передачи 56 кбит/с, что ДН антенны в области боковых лепестков соответствует величине (32—25lg) (т. е. z=2,5); что необходимая вероятность ошибки составляет 10-5 (это примерно соответствует эквивалентности аналоговых и дискретных теле­фонных каналов) и пр. Следует признать, что этот вывод — об оптимальности системы с числом фаз 2М = 4— обычно справедлив на практике. В то же время в [14] указаны случаи, когда 2М = 8 обеспечивает более высокую СГО. В работе [37], содержание ко­торой будет более подробно рассматриваться в следующей главе, показано, что при определьной оценке — перспективной характеристике антенны (22—251g6) — при условии, что взаимные поме­хи между системами составляют преобладающую долю всех шумов и по своему воздействию эквивалентны тепловому шуму, — опти­мальным оказывается значение 2М = 16. Таким образом, оптимальное число фаз в дискретной системе с ФМ меняется в зависимости от принятых предположений в пределах 2М = 4

Из рис. 5.6 можно сделать вывод, что передача сообщений с по­
мощью ФМ и с преобразованием в дискретную форму дает большую емкость орбиты (кроме области малой скорости передачи ин­
формации в отдельной системе, но такой режим невыгодно при­
менять на практике). Следует, однако, учитывать, что кривые рис.
5.6 получены для идеального приемника, а реальный дискретный
приемник фазоманипулированных сигналов уступает идеальному
гораздо существеннее (обычно не менее 2 дБ по входному соотно­шению сигнал-шум), чем реальный приемник аналоговых ЧМ сиг­налов, что заметно уравнивает достижимую емкость системы при передаче сигналов в аналоговой и дискретной форме.

Рассматривая влияние методов модуляции, следует указать, что рассмотренный выше на примере ЧМ и ФМ выбор рациональ­ного компромисса между скоростью передачи в отдельной системе и обшей емкостью орбиты является не единственным способом по­вышения емкости ГО. Так, известен метод манипуляции, при ко­тором одновременно осуществляется амплитудная и фазовая ма­нипуляция несущей с целью увеличения расстояния между векто­рами, соответствующими передаче различных кодовых комбина­ций. Этот метод позволяет не только повысить пропускную способ­ность системы связи при некоторой помехоустойчивости по отно­шению к тепловым шумам, но и повысить помехоустойчивость по отношению к радиопомехам, а следовательно, плотнее располо­жить спутники на орбите. Это относится и к методам помехоус­тойчивого приема, например к следящим демодуляторам ЧМ сиг­налов, применение которых позволяет повысить помехоустойчи­вость как по отношению к собственным тепловым шумам в данной системе связи, так и к радиопомехам от соседних систем [17].

При передаче дискретных сигналов в последние годы широко применяют методы помехоустойчивого кодирования, когда благодаря введению некоторой избыточности на передаче и соответствующего метода приема появляется возможность обнаружить и исправить ошибки, т. е. выиграть в помехоустойчивости, а также, несмотря на необходимость передачи дополнительных символов, повысить пропускную способность системы связи при некоторой спектральной плотности шумов и заданной достоверности передачи. При этом может быть увеличена помехоустойчивость по отно­шению к радиопомехам, и, следовательно, достигнуто некоторое увеличение общей емкости ГО. Конкретный анализ показывает что простейшие коды с невысокой эффективностью, повышая по­мехоустойчивость линии связи, почти не влияют на общую ем­кость орбиты, и для выигрыша в этом показателе необходимо соз­дание кодов, приближающих линию связи к теоретическому преде­лу пропускной способности [14].

Эффективным способом повышения пропускной способности аналоговых линий связи является применение компандирования речи, что позволяет существенно снизить заметность шумов и по­мех.

В системах связи с ОКН емкость системы может быть увели­чена с помощью подавления несущей в паузе, для чего в каждом канале устанавливается речевой детектор-обнаружитель и уст­ройство управления.

Как для аналоговых систем с ЧМ и частотным уплотнением ка­налов, так и для систем передачи группы уплотненных по часто­те каналов в дискретной форме эффективно применение цифровой интерполяции речи — системы обработки, использующей статисти­ческие свойства речи, путем предоставления каналов во время ес­тественных пауз для передачи других сообщений. Эти системы да­ют не менее чем двукратный выигрыш в емкости системы связи, не оказывая влияния на взаимные помехи между соседними спут­никовыми системами, и, следовательно, увеличивают общую ем­кость ГО. Следует иметь в виду, что такие методы обработки, как компандирование и цифровая интерполяция речи, приводят к тому, что канал тональной частоты становится не вполне стандартным; это проявляется в ограничениях при передаче по нему нере­чевых сообщений — тонального телеграфа, данных.

Способом увеличения емкости ГО является выбор частотных планов соседних спутников таким образом, чтобы взаимные поме­хи были ослаблены. Действительно, из изложенного в гл. 3 сле­дует, что уменьшение перекрытия спектров полезного и мешающе­го сигналов уменьшает взаимные помехи. Поэтому обычно лучше всего сдвинуть несущие частоты стволов одного ИСЗ относитель­но соседнего так, чтобы они оказались точно посредине между не­сущими другого ИСЗ (там обычно располагается незанятая за­щитная полоса и реальные спектры всегда имеют спад к грани­цам полосы). Согласование частотных планов соседних ИСЗ есть частичная реализация принципа использования орбиты на плано­вой основе — принципа, который позволяет распределить опти­мальным образом позиции, частотные полосы систем с учетом их зон обслуживания и поэтому, при условии реализации плана, обеспечивает достижение наибольшей емкости орбиты. Проблема планового использования орбиты будут посвящены отдельные главы книги (гл. 7, 9, 10).

Одним из эффективных элементов планирования является раз­мещение на некотором участке полосы и участке орбиты сбалан­сированных (однородных) систем, создающих друг другу помеха одинакового порядка, вследствие чего требуется меньший угол разноса между ИСЗ. Этот метод повышения эффективности использования ГО называют сегментацией орбиты (полосы). Прину­дил однородности систем спутниковой связи рассмотрен в следую­щем параграфе.

Интересным способом повышения емкости ГО является компенсация помех. Компенсатором помех называют устройство, ко­торое с помощью специальной антенны (или дополнительного лу­ча основной антенны, сформированного другим облучателем или совокупностью облучателей), имеющей диаграмму направленнос­ти, отличную от ДН основной антенны, принимает мешающий сиг­нал (при неизбежной «примеси» полезного сигнала и шума) и ис­пользует его для вычитания — компенсации помехи из принятой полезным сигналом суммы сигнала и помехи. Критерием для компенсации служит либо просто минимум суммарной мощности на выходе приемника [38], либо более эффективные признаки, учи­тывающие априорную информацию о структуре сигнала и помехи (для этой цели в сигналы могут вводиться специальные детерми­нированные компоненты) [39]. Компенсатор в целом можно рас­сматривать как способ адаптивного формирования минимума ос­новной ДН в направлении на источник помехи. Реального практи­ческого применения компенсаторы пока не нашли, но в перспек­тиве их широкое применение представляется неизбежным.

Применяют устройства другого типа, также обычно относимые к компенсаторам, в которых помеха выделяется из основного трак­та приемника благодаря априорно известным ее отличиям от по­лезного сигнала и затем компенсируется на входе или выходе де­модулятора.

Как можно видеть из гл. 3, наименьшие помехи соседним сис­темам обычно оказывает такая система связи, сигнал которой име­ет спектральную плотность, близкую к равномерной во всей заня­той полосе частот. В случае сигналов узкополосных, либо со зна­чительными дискретными компонентами спектра, либо с сущест­венно неравномерной спектральной плотностью следует прибегать к искусственной дисперсии (рассеянию энергии) таких сигналов [11], которая может существенно снизить помеху и тем самым увеличить реально достижимую емкость орбиты.

Существенное влияние на эффективность использования орби­ты и спектра оказывает норма допустимых взаимных помех меж­ду системами спутниковой связи. При увеличении этой нормы пропускная способность каждой системы падает, поскольку при­ходится уменьшать собственные (тепловые и нелинейные) шумы системы, но при этом спутники могут располагаться ближе друг к другу, из-за чего общая пропускная способность ГО возрастает. В результате воздействия этих противоречивых факторов макси­мум общей емкости достигается при определенной доле r помех в общих шумах, допустимых для телефонного канала. Оптимальное значение r зависит от конкретных параметров системы; для реальных параметров обычно оптимальное значение r близко к едини­це, т. е. на помехи следует выделить почти всю норму шумов, до­пустимую в телефонном канале [:14]. Это наглядно видно из того же рис. 5.6, где штриховые линии соответствуют r = 0,17; 0,5; 0,91. Однако в настоящее время для уменьшения потерь в каждой от­дельной системе, с целью повышения ее экономичности, рекомен­дованное МККР (Рекомендация 466-3) значение помехи от пере­датчиков других систем мало: для аналоговых систем с ЧМ и ЧРК суммарная мощность шума от помех не должна превышать 2000 пВт (среднеминутная, псофометрически взвешенная, для 20% любого месяца), 1500 пВт — в случае применения повторного ис­пользования полосы частот/и 600 пВт — от каждой отдельной системы (для более чем 20% любого месяца). Можно отметить, что эти значения установлены не так давно по предложению СССР, а для ранее (до 1974 г.) заявленных систем рекомендован­ные предельные значения еще ниже — они составляют 1000 пВт для суммарной и 400 пВт для единичной помехи. В интересах дальнейшего увеличения емкости ГО в Отчете 1-й сессии ВАКР по использованию ГО (Женева, 1985 г.) указано, что значение 2000 пВт должно быть увеличено до 2500 пВт. В Отчете рабочей группы 4/1 МККР [35] рекомендовано также увеличить норму на единичную помеху до 40% общей величины помех, т. е. до 1000 пВт.

Если рассматривать общую емкость ГО, а не емкость на еди­ницу полосы, то очевидным, теоретически неограниченным спосо­бом повышения пропускной способности геостационарной орбиты является освоение новых, более высокочастотных диапазонов час­тот. В предвидении этого Регламентом радиосвязи распределена между службами полоса частот до 275 ГГц, тогда как системами спутниковой связи освоены только полосы до 14 ГГц и начинает осваиваться полоса до 30 ГГц. Необходимо отметить, что с ростом частоты резко возрастает затухание сигналов в атмосфере, осо­бенно в облаках и осадках [2]. В связи с этим работа в более вы­сокочастотных диапазонах требует гораздо большего энергетичес­кого потенциала на Земле и на ИСЗ. Частично эти потери компен­сируются возможностью достижения более высокой направлен­ности антенн без увеличения их размеров.

Эффективность использования полосы частот геостационарны­ми ИСЗ может быть повышена с помощью реверсного (обратного) использования полос частот, при котором в полосах, обычно ис­пользуемых для направлений Земля — Космос или Космос — Зем­ля, создаются линии обратного направления. Однако в этом случае между системами с обычным и реверсным использованием полосы возникают помехи — непосредственно между спутниками и меж­ду ЗС (рис. 5.7). Расчеты показали, что для уменьшения таких помех между ИСЗ достаточно разнести их точки стояния на дол к градуса, что всегда возможно; что касается ЗС, то их надо уда­лить друг от друга на несколько сотен километров, т. е. размес­тить ЗС двух реверсных систем на общей площадке нельзя. Наи­более опасные помехи возникают между ИСЗ реверсных систем, если они расположены на противоположных участках геостационарной орбиты, с угловым сдвигом несколько менее 180° (рис 5.8). Очевидно, сигнал, излучаемый каждым ИСЗ, попадает в по­лосу приема другого ИСЗ, причем близко к направлению луча приемной антенны. Это ограничивает возможность увеличения ем­кости ГО с помощью реверсного использования полос частот.

Некоторой разгрузке ГО может послужить создание прямых межспутниковых линий связи. Если земные станции находятся в зонах обслуживания разных ИСЗ, то межспутниковая линия поз­воляет осуществить связь между ними без создания двойной за­грузки орбиты двухскачковой линией и без удвоения времени за­паздывания сигналов в линии связи.

Следует также упомянуть как фактор, способствующий увели­чению емкости орбиты, обработку сигналов на борту ИСЗ — ре­генерацию импульсов, преобразование вида модуляции, объединение цифровых потоков и т. д. Эти меры, направленные на повышение пропускной способности отдельных спутниковых систем, спо­собствуют увеличению емкости орбиты в целом.

В заключение параграфа следует указать, что очевидное сред­ство решить проблему геостационарной орбиты — это использо­вать для систем спутниковой связи и вещания другие типы орбит,- например круговые экваториальные орбиты с периодом обраще­ния менее 24 ч (см. гл. I, табл. l. l), синхронные наклонные эл­липтические орбиты (например, типа «Молния»), «околостационарные» орбиты с перемещением ИСЗ вблизи позиции на геостационарной орбите. Сведения об этих орбитах были даны в гл. 1; практическое применение пока находит только орбита типа «Молния».

Представляет некоторый интерес предложение [36] о создании «искусственна синхронных» спутников, которые, двигаясь по более низким круговым экваториальным орбитам, «тормозятся» с по­мощью двигателя так, чтобы период обращения составил 24 ч. Несмотря на оптимистические оценки этого варианта в [36], сле­дует отметить, что необходимость использовать ИСЗ с непрерыв­но работающим двигателем представляет немалые практические трудности.

Можно констатировать, что эквивалентной замены для геоста­ционарной орбиты не существует.

5.3. АНАЛИЗ ОДНОРОДНОСТИ СИСТЕМ

спутниковой связи

При рассмотрении способов эффективного использования гео­стационарной орбиты системами спутниковой связи в качестве од­ного из наибе лее очевидных и эффективных средств обычно назы­вают достижение максимально «возможной однородности систем [40]. В ряде работ предлагалось с целью увеличения пропускной способности ГО группировать однородные системы на определен­ных участках орбиты. При этом тон яти е однородности обычно счи­тается очевидным, хотя для ССС с разными размерами зон обслу­живания, с разными способами передачи сигналов это понятие далеко не так просто. Считается также очевидным эффективное положительное влияние однородности на достижимую общую ем­кость всех ССС, размещенных на ГО (СГ0).

При анализе однородности ССС будем исходить из определе­ния, предложенного в Отчете 453-3 МККР [4] и развитого в [41]. Однородными являются такие две ССС, которые отвечают условию

(5.16)

т. е. минимальный необходимый угол разноса между ИСЗ систем 1 и 2 v точки зрения воз­действия помех от системы 2 на систему 1 «равен углу разноса , необходимому для сохране­ния на заданном уровне помех от системы 1 системе 2. При нарушении условия одно­родности (5.16) придется разно­сить ИСЗ на наибольший необ­ходимый угол (рис. 5.9):

, (5.17)

в результате чего в одном из направлений создается бесполезный
запас по защитному отношению.

Из определения (5.16) легко получить количественное соотно­шение между параметрами однородных систем [41] (ради просто­ты вывод сделан только для линии ИСЗ — Земля 2.

Эквивалентная изотропно-излучаемая мощность (ЭИИМ), соз­даваемая ИС31 в пределах своей зоны обслуживания

(5.18)

где Рб1 — мощность бортового передатчика ИС31; G1 — усиление бортовой антенны в направлении границы зоны обслуживания ИС31 (для решаемых здесь задач можно считать, что в пределах зоны обслуживания G1=const); ЭИИМ, создаваемая ИС32 в «на­правлении зоны 1,

(5.19)

где Рб2 — мощность передатчика ИС32; — усиление ан­тенны ИС32 в направлении на границу зоны системы 1, ближай­шую к системе 2.

Антенна ЗС1 направлена на ИС31 и обладает пространствен­ной избирательностью

(5.20)

В соответствии с принятым определением однородности, отно­шение полезного сигнала к помехе на входе приемника 3G1 долж­но быть равно необходимому защитному отношению р1.

(5.21)

(принимается, что затухание сигнала и помехи на пути распрост­ранения от ИС31 и ИС32 до ЗС1 одинаково). Величина pi опре­деляется общим бюджетом шумов в системе 1, способом передачи информации в ней, характером помехи и т. п. (гл. 3). Аналогично для второй системы

(5.22)

Из (5.16) следует, что условия (5.21) и (5.22) выполняются одновременно, так что для параметров однородных систем, деля (5.21) на (5.22), легко получаем основное соотношение

(5.23)

Для плотности потока мощности у поверхности Земли

(5.24)

где d — расстояние от ИСЗ до поверхности Земли, соотношение
(5.22) принимает вид

Для придания соотношениям (5.23), (5.25) большей нагляднос­ти можно использовать обычно справедливое приближенное соот­ношение

(5.26)

где k1, k2 — коэффициенты пропорциональности, зависящие от формы диаграммы направленности бортовой антенны; S1, S2 — площади зон обслуживания рассматриваемых систем спутниковой связи (точное значение площади зоны зависит от угла прихода луча к земной поверхности и других факторов). Принимая получаем еще один вид соотношения одно­родности:

Формулы (5.23), (5.25), (5.27) определяют соотношение, кото­рое должно существовать между основными энергетическими па­раметрами двух систем спутниковой связи, чтобы они отвечали ус­ловию однородности. Как видим, условие однородности может вы­полняться для систем с разными параметрами, в частности с раз­ными размерами зоны обслуживания, разными размерами земных антенн и т. д.

Чтобы сделать соотношения (5.23), (5.25), (5.27) более нагляд­ными, рассмотрим некоторые частные случаи.

Случай а) характеризуется тем, что справедливо соотношение

(5.28)

Это равенство имеет место при большом территориальном разносе зон обслуживания, когда угол разноса между зонами много боль­ше угловых размеров зон. При условии (5.28) из (5Л1) следует, что приближенно справедливо также

(5.29)

независимо от значений G1 и G2 в пределах зоны обслуживания. Тогда соотношения (5.23), (5.25), (5.27) упрощаются. Интересен случай, когда в обеих системах применены одинаковые земные ан­тенны (s31=s32) и методы передачи сигналов, требующие одинако­вых защитных отношений (p1 = p2). Тогда из (5.23), (5.27) полу­чим

(5.30)

т. е. система с большой зоной должна иметь передатчик ИСЗ большей мощности, но не во столько же раз, во сколько больше площадь зоны, так что плотность потока мощности в системе связи с большей зоной должна быть меньше. Это соответствует обычной практике реализации систем спутниковой связи и вещания. В случае неодинаковых приемных антенн вместо (5.30) справедливо соотношение [73]

(5.30a)

Случай б) соответствует соприкосновению или взаимному перекрытию зон обслуживания. В этом случае можно считать:

(5.31)

Тогда из (5.24) получаем:

(5.32)

а при тех же упрощающих предположениях, что и в случае а)

W1 = W2 (5.33)

т. е. плотность потока в зонах обслуживания должна быть в слу­чае б) одинаковой.

Случай б) встречается на практике при взаимодействии систем с глобальными или региональными зонами обслуживания. При составлении планов использования ГО на основе национальных зон (как, например, План ВАКР-77 для систем спутникового ве­щания) более типичен случаи а), так как в соседних, соприкасаю­щихся зонах обычно используют разделение сигналов по полосе частот, по поляризации, и более существенные взаимные помехи возникают между зонами обслуживания, далеко разнесенными по пространству.

В документах 4-й Комиссии МККР предложены и неоднократ­но рассматривались параметры неоднородности Л, В, С, D [42], предназначенные, по мысли их авторов, для характеристики неод­нородности систем и стимулирования достижения их однородности. Предполагалось, что чем ближе значения этих четырех параметр ров, тем однороднее системы, и обсуждался возможный разброс параметров [43, 44] Определения этих параметров таковы [42]:

А — максимальная ЭИИМ на единицу полосы на участке Земля-ИСЗ в направлении ГО, излучаемая под углом 8 к оси глав­ного луча антенны ЗС: В — чувствительность (к помехе) на уча­стке Земля-ИСЗ, определенная как минимальная (по ансамблю принимаемых сигналов) плотность потока мощности помехи на единицу полосы на ГО. соответствующая максимально допустимой помехе в канале (для одного мешающего сигнала); С — макси­мальная плотность потока мощности на единицу полосы, создавае­мая у поверхности Земли излучением спутника; D — чувствитель­ность (к помехе) на участке ИСЗ-Земля, определенная как мини­мальная плотность потока мощности помехи на единицу полосы у поверхности Земли, поступающая под углом к направлению полезного сигнала, которая соответствует максимально допустимой помехе в канале (для одного мешающего сигнала) .