СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА СВЯЗИ Российский патент 1996 года по МПК H04B7/185 

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для обеспечения связи земных станций через ретранслятор, установленный на искусственном спутнике Земли (ИСЗ).

Известна спутниковая система связи "ИНТЕЛСАТ", которая состоит из приемопередающих центров спутниковой связи (ЦСС), содержащих синтезатор частот, к выходам которого параллельно подключены тракты основного канала, каждый из которых содержит последовательно включенный модулятор, к второму входу которого подключен источник сообщения, и ключ, сумматор, к выходу которого подключены последовательно соединенные преобразователь частоты вверх, ограничитель, усилитель мощности и антенна, к которой подключены приемники основного и контрольного сигналов и передатчик, и ретранслятора, установленного на искусственном спутнике Земли (ИСЗ), который содержит антенну, к выходу которой подключены соединенные последовательно приемник, аттенюатор, сумматор, преобразователь частоты вверх и усилитель мощности, выход которого подключен к антенне. Для передачи информации в системе используется многостанционный доступ на основе частотного и временного разделения сигналов с коммутацией на борту ретранслятора (Яковлев Л.И. и др. Техника электросвязи за рубежом. М. Радио и связь, 1990, с.90-97).

Однако известная спутниковая система связи предъявляет высокие требования к техническим характеристикам бортовой аппаратуры, обеспечивающей временную коммутацию и маршрутизацию сигналов на ретрансляторе и высокие требования к синхронизации всей сети спутниковой системы связи, включая как синхронизацию земных станций, так и синхронизацию бортовой аппаратуры ретранслятора.

Известна спутниковая система связи, которая по решаемой задаче и по совокупности существенных признаков наиболее близка к предлагаемой системе связи и выбрана в качестве прототипа. Спутниковая система связи состоит из земных станций, каждая из которых содержит блок ввода-вывода информации, управляемый синтезатор частот, первый выход которого соединен с первым входом фазового модулятора, последовательно соединенные преобразователь частоты вверх, ограничитель, усилитель мощности и антенну, к которой подключен приемник, а также фазовый демодулятор, электронный ключ и процессор, антенна соединена каналом связи с ретранслятором, установленным на ИСЗ, содержащим тракт, включающий антенну, к выходу которой подключен приемник, полосовой фильтр, аттенюатор, сумматор, выход которого соединен с первым входом преобразователя частоты вверх, выход которого через усилитель мощности подключен к антенне ретранслятора (авт.св. СССР N 1072274, кл. H 04 B 7/185, 07.02.84).

Известная система имеет недостаточную пропускную способность, так как сужение луча обеспечено только при передаче информации с ретранслятора на земные станции, а аппаратурная реализация ретранслятора и земных станций, требующая установки на борту ретранслятора и генераторов ортогональных двоичных сигналов и аппаратуры для обеспечения синхронизации, сложна, причем объем дополнительной аппаратуры пропорционален числу одновременно обслуживаемых станций.

Цель изобретения создание спутниковой системы связи с максимальной пропускной способностью при ограниченном энергопотреблении и ограниченной регламентом связи полосой частот за счет разбиения общей зоны обслуживания на N частей с концентрацией СВЧ-энергии в каждом приемном и передающем луче и многократном использовании в пространственно разнесенных несоприкасающихся лучах одних и тех же участков полосы частот.

Сущность изобретения заключается в том, что в известную спутниковую систему связи, состоящую из N земных станций, каждая из которых содержит блок ввода-вывода информации, управляемый синтезатор частот, первый выход которого соединен с первым входом фазового модулятора, последовательно соединенные преобразователь частоты вверх, ограничитель, усилитель мощности и антенну, к которой подключен линейный тракт приемника, выход которого соединен с входом фазового демодулятора, первый переключатель и блок переключения режимов работы земной станции при приемопередаче служебных сигналов и информации абонентов, антенна соединена каналом связи с ретранслятором, установленным на ИСЗ, содержащем тракт, включающий антенну, к выходу которой подключен блок предварительной фильтрации и усиления, полосовой фильтр, аттенюатор, сумматор, выход которого соединен с первым входом преобразователя частоты вверх, выход которого через усилитель мощности подключен к антенне ретранслятора, а в каждую из земных станций, одна из которых выполняет функцию центра связи, введены формирователь кадра заявки на установление связи и второй переключатель, линейный тракт приемника выполнен в виде последовательно соединенных блока предварительной фильтрации и усиления и преобразователя частоты вниз,
причем первые входы блока переключения режимов работы земной станции при приемопередаче служебных сигналов и информации абонентов являются входами запроса заявки на установление связи, первые выходы блока переключения режимов работы земной станции при приемопередаче служебных сигналов и информации абонентов соединены с входами формирователя кадра заявки на установление связи и с входами управляемого синтезатора частот, выход фазового модулятора соединен с первым входом преобразователя частоты вверх, гетеродинные входы преобразователя частоты вверх и преобразователя частоты вниз соединены соответственно с вторым и с третьим выходами управляемого синтезатора частот, выход фазового демодулятора через второй переключатель соединен с вторым входом блока переключателя режимов работы земной станции при приемопередаче служебных сигналов и информации абонентов,
выход блока ввода-вывода информации соединен с первым входом первого переключателя, второй вход которого соединен с выходом формирователя кадра заявки на установление связи, третий вход первого переключателя и второй вход второго переключателя объединены и подключены к второму выходу блока переключения режимов работы земной станции при приемопередаче служебных сигналов и информации абонентов, второй выход второго переключателя соединен с входом блока ввода-вывода информации, вторые вход и выход которого являются соответственно входом и выходом аппаратуры абонента, в ретранслятор введены синтезатор частот и N 1 дополнительных трактов, каждый из которых включает антенну, к выходу которой подключен блок предварительной фильтрации и усиления, выход которого соединен с входом преобразователя частоты вниз, выход которого соединен с входом каждого из N полосовых фильтров, выход каждого полосового фильтра соединен с входом соответствующего аттенюатора, выход первого аттенюатора соединен с первым входом сумматора, выход которого соединен с первым входом преобразователя частоты вверх, выход которого через усилитель мощности подключен к антенне этого тракта, в первый тракт ретранслятора введены преобразователь частоты вниз, N 1 полосовых фильтров и N 1 аттенюаторов, причем выход приемника первого тракта соединен с входом преобразователя частоты вниз,
выход которого соединен с входом каждого из N полосовых фильтров, выход каждого полосового фильтра соединен с входом соответствующего аттенюатора, выход первого аттенюатора соединен с первым входом сумматора, в каждом из N трактов каждый из N 1 входов сумматора соединен с выходом одного аттенюатора из каждого из оставшихся N 1 трактов, первые N выходов синтезатора частот соединены с вторыми входами соответствующего из N преобразователей частоты вниз каждого из трактов, а вторые N выходов синтезатора частот соединены с вторыми входами соответствующего из N преобразователей частоты вверх каждого из N трактов, где число N определяется отношением угловых размеров общей зоны обслуживания и ширины луча каждой антенны тракта ретранслятора.

На фиг.1 приведена структурная схема спутниковой системы связи; на фиг.2 пример размещения фиксированных зон обслуживания с указанием границы зоны, обслуживаемой лучами.

Спутниковая система связи (см. фиг.1) содержит земные станции, одна из которых выполняет функцию центра связи, и ретранслятор, установленный на ИСЗ.

Каждая земная станция, в том числе и центр связи, содержат блок 1 ввода-вывода информации и управляемый синтезатор 2 частот, фазовый модулятор 3, преобразователь 4 частоты вверх, ограничитель 5, усилитель 6 мощности, антенну 7, линейный тракт 8 приемника, фазовый демодулятор 9, два переключателя 10 и 21, блок 11 переключения режимов работы земной станции при приемо-передаче служебных сигналов и информации абонентов, реализованный на процессоре, формирователь 19 кадра заявки на установление связи и преобразователь 20 частоты вниз.

Ретранслятор содержит N трактов, каждый из которых включает антенну 12, блок 13 предварительной фильтрации и усиления, N полосовых фильтров 14.1.14. N, N аттенюаторов 15.1.15.N, сумматор 16, преобразователь 17 частоты вверх, усилитель 18 мощности и преобразователь 23 частоты вниз, и синтезатор 22 частоты.

В каждой земной станции, в том числе и в центре связи спутниковой системы связи (см. фиг.1) первые входы процессора 11 являются входами запроса заявки на установление связи, первые выходы процессора 11 соединены с входами формирователя 19 кадра заявки на установление связи и с входами управляемого синтезатора 2 частот. Выход фазового модулятора 3 соединен с первым входом преобразователя 4 частоты вверх, выход которого через последовательно соединенные ограничитель 5 и усилитель 6 мощности соединен с антенной 7, к которой подключен приемник 8, выход которого соединен с первым входом преобразователя 20 частоты вниз, выход которого соединен с входом фазового демодулятора 9, выход которого через второй переключатель 21 соединен с вторым входом процессора 11. Выход блока 1 ввода-вывода информации соединен с первым входом первого переключателя 10, второй вход которого соединен с выходом формирователя 19 кадра заявки на установление связи, а выход переключателя 10 соединен с вторым входом фазового модулятора 3. Третий вход первого переключателя 10 и второй вход второго переключателя 21 объединены и подключены к второму выходу процессора 11, а второй выход второго переключателя 21 соединен с входом блока 1 ввода-вывода информации, вторые вход и выход которого являются входом и выходом аппаратуры абонента.

Первый, второй и третий выходы управляемого синтезатора 2 частот соединены соответственно с первым входом фазового модулятора 3, с вторым входом преобразователя 4 частоты вверх и с вторым входом преобразователя 20 частоты вниз.

Антенны 7 земных станций, в том числе и центра связи, соединены каналами связи с антеннами 12.1.12.N N трактов ретранслятора спутниковой системы связи. В каждом тракте к антенне 12 подключен блок 13 предварительной фильтрации и усиления, выход которого соединен с первым входом преобразователя 23 частоты вниз, выход которого соединен с входами N полосовых фильтров 14.1.1. 14.1. N. Выход каждого из полосовых фильтров (например, первого тракта) соединен с входом соответствующего ему по номеру аттенюатора 15.1.1.15.1.N.

Выход первого из аттенюаторов 15.1.1 соединен с первым входом сумматора 16.1 своего тракта, выход которого соединен с первым входом преобразователя 17 частоты вверх, выход которого через усилитель 18 мощности подключен к антенне 12. В каждом из N трактов каждый из N 1 входов сумматора 16.1.16.N соединен с выходом одного аттенюатора из каждого из оставшихся N 1 трактов.

Первые N выходов синтезатора 22 частот соединены с вторыми входами соответствующего из N преобразователей 23 частоты вниз каждого из трактов ретранслятора, а вторые N выходов синтезатора 22 частот соединены с вторыми входами соответствующего из N преобразователей 17 частоты вверх каждого из N трактов ретранслятора.

Спутниковая система связи работает следующим образом.

Соединения между двумя земными станциями осуществляют путем предоставления им канала по требованию.

Для передачи запроса заявки на установление связи и информации о предоставлении связи в спутниковой системе связи выделен служебный канал.

Сигнал запроса заявки на установление связи ("сигнал заявки"), содержащий информацию, идентифицирующую запрашиваемую связь земную станцию и земную станцию, с которой должна быть установлена связь, и характеристики массива передаваемой информации (по объему и скорости) поступает на первый вход процессора 11. Обработанный процессором 11 "сигнал заявки", по шине данных поступает на вход формирователя 19 кадра заявки на установление связи и вход управляемого синтезатора 2 частот. Под воздействием управляющих сигналов на втором и третьем выходах управляемого синтезатора 2 частот устанавливаются синусоидальные гармонические сигналы, частоты которых соответствуют частотам приема и передачи служебной информации.

Формирователь 19 кадра заявки на установление связи после получения массива данных от процессора 11 формирует временную циклограмму сигнала, состоящую из приамбулы и информационной части. Приамбула включает в себя три временных участка, первый из которых соответствует синусоидальному гармоническому сигналу, второй соответствует фазоманипулированному сигналу с символьной частотой, а третий участок соответствует сигналам кадровой синхропосылки. Информационная часть кадра представляет собой данные, поступившие от процессора 11, преобразованные в последовательный код.

Сигнал с второго выхода процессора 11 управляет переключателем 10 так, что сигнал с выхода формирователя 19 кадра заявки на установление связи поступает на вход фазового модулятора 3, с выхода которого фазомодулированный сигнал после преобразования частоты в преобразователе 4 частоты вверх, амплитудного ограничения в ограничителе 5, усиления мощности в усилителе 6 мощности излучается через антенну 7 на ретранслятор, установленный на ИСЗ.

Пройдя через один из N трактов ретранслятора, сигналы запроса заявки на установление связи на частотах, соответствующих частотам приема и передачи служебной информации, принимаются другой земной станцией, выполняющей функцию центра связи. Сигналы, несущие эту информацию, через антенну 7 и линейный тракт 8 приемника поступают на первый вход преобразователя 20 частоты вниз, на второй вход которого в это время с третьего выхода управляемого синтезатора 2 частот поступает сигнал с частотой, соответствующей приему служебной информации. После преобразования и фазовой модуляции в фазовом демодуляторе 9 через переключатель 21 служебная информация поступает на второй вход процессора 11.

Центр связи обрабатывает заявку на установление связи в своем процессоре 11, определяя возможность вызова запрашиваемого абонента, наличие необходимых частотных и энергетических ресурсов в данный момент времени на ретрансляторе. По результату обработки процессор 11 центра связи формирует для пары земных станций, обслуживаемых в данный момент, массив служебной информации, определяющей частоты приема и передачи информации абонентов, временной интервал и начало связи.

Массив служебной информации, предназначенный для "настройки" первой из двух соединяемых земных станций, с первого выхода процессора 11 поступает на вход формирователя 19 кадра заявки на установление связи и вход управляемого синтезатора 2 частот. Преобразование сигналов массива служебной информации происходит так же, как и сигналов запроса заявки на установление связи, т.е. под воздействием этих управляемых сигналов на втором и третьем выходах управляемого синтезатора 2 частот устанавливаются синусоидальные гармонические сигналы, частоты которых соответствуют частоте передачи служебной информации. Сигнал с второго выхода процессора 11 управляет переключателем 10 так, что сформированный в формирователе 19 кадр, представляющий собой приамбулу и преобразованный пакет служебной информации, поступает на вход фазового модулятора 3, с выхода которого фазомодулированный сигнал после преобразования частоты в преобразователе 4 частоты вверх, амплитудного ограничения в ограничителе 5, усиления мощности в усилителе 6 мощности, излучается через антенну 7 на ретранслятор, установленный на ИСЗ, где,
пройдя через один из трактов ретранслятора, поступает на указанную земную станцию.

Массив служебной информации, предназначенный для "настройки" второй земной станции, обрабатывается аналогично в аппаратуре центра связи и через антенну 7 излучается на ретранслятор.

Сигналы, несущие служебную информацию и поступившие от ретранслятора на обслуживаемые земные станции, принимаются через антенну 7 и приемник 8 и поступают на первый вход преобразователя 20 частоты вниз, на второй вход которого в это время с третьего выхода управляемого синтезатора 2 частот поступает сигнал с частотой, соответствующей приему служебной информации. После преобразования и фазовой демодуляции в фазовом демодуляторе 9 через переключатель 21 служебная информация поступает на второй вход процессора 11 каждой из обслуживаемых земных станций.

После обработки "настроечной" информации, поступившей от центра связи, процессор 11 воздействует на управляемый синтезатор 2 частот так, что на его втором и третьем выходах появляются синусоидальные гармонические сигналы, частоты которых соответствуют частотам приема и передачи информации абонентов, назначенных центром связи. Сигнал с второго выхода процессора 11 коммутирует переключатель 10 и 21 таким образом, что первый выход блока 1 ввода-вывода информации подключается к второму входу фазового модулятора 3, а второй выход переключателя 21 подключается к первому входу блока 1 ввода-вывода информации. В таком состоянии земных станций обеспечивается прием и передача информации абонентов. При передаче информация абонента, поступившая на второй вход блока 1 ввода-вывода информации, передается через переключатель 10 на второй вход фазового модулятора 3, с выхода которого фазомодулированный сигнал после преобразования частоты в преобразователе 4 частоты вверх, амплитудного ограничения в ограничителе 5, усиления мощности в усилителе 6 мощности, излучается через антенну 7 на одну из антенн 12.1.12.N ретранслятора, установленного на ИСЗ.

Ретранслятор разделен на N трактов и оснащен N многолучевыми антеннами, формирующими фиксированные приемопередающие лучи, обеспечивающие связь земных станций как внутри зоны обслуживания каждого луча, так и по каналам межлучевой связи (см. фиг. 2). Конкретный номер антенны определяется номером луча, в зоне которого находится обслуживаемая земная станция, причем на входы антенн 12.1.12.N ретранслятора информация одновременно поступает от многих пар земных станций, обслуживаемых спутниковой системой связи.

Сигналы, принятые антенной 12 тракта ретранслятора, через блок 13 предварительной фильтрации и усиления поступают на первый вход соответствующего преобразователя 23 частоты вниз и после преобразования поступают на N параллельно включенных полосовых фильтров 14.1.14.1.N (число полосовых фильтров в тракте соответствует числу связей данного луча с остальными лучами ретранслятора). Сигналы после фильтрации и регулировки уровня в соответствующем аттенюаторе 15.1.1.15.1.N раскроссировываются на N сумматоров 16 N трактов ретранслятора. Сформированный в каждом сумматоре 16.1.16.N групповой сигнал после преобразования в соответствующем преобразователе 17.1.17.N частоты вверх и усиления в соответствующем усилителе 18.1.18.N мощности излучается через соответствующую антенну 12.1.12.N в направлении одной из обслуживаемых зон.

При назначении конкретной частоты для связи центра связи задает земной станции такое значение частоты, при котором сигнал, излучаемый этой земной станцией, пропускается тем из N полосовых фильтров 14.1.14.N, с выхода которого, пройдя через соответствующий аттенюатор 15.1.1.15.1.N, сигнал подается на вход того сумматора, который через соответствующие последовательно соединенные преобразователь 17.1.17.N частоты вверх и усилитель 18.1.18.N мощности подключен к той из антенн 12.1.12.N, в зоне обслуживания которой находится второй абонент.

Гетеродинные сигналы для преобразователей 23.1.23.N частоты вниз и преобразователей 16.1.16.N частоты вверх формируются в синтезаторе 22 частот.

Число N определяется отношением угловых размеров общей зоны обслуживания и ширины луча каждой антенны тракта ретранслятора.

Высокие технические характеристики спутниковой системы связи, имеющей большую пропускную способность при ограниченном энергопотреблении и ограниченном регламентом связи полосой частот, конструктивно-технологическая проработка системы и актуальность создания спутниковой системы связи обеспечивают практическую применимость данного изобретения.

Использование: в радиотехнике для связи земных станций через ретранслятор, установленный на искусственном спутнике Земли. Сущность изобретения: спутниковая система связи наземной станции содержит блок 1 ввода - вывода информации, управляемый синтезатор 2 частот, фазовый модулятор 3, предохранитель 4 частоты вверх, ограничитель 5, усилитель мощности, антенну 7, блок 8 предварительной фильтрации и усиления, фазовый демодулятор 9, переключатели 10 и 21, блок 11 переключения режимов работы земной станции при приемопередаче служебных сигналов и информации абонентов, формирователь 19 кадра заявки на установление связи, преобразователь 20 частоты связи, на ретрансляторе - N трактов, в каждом из которых антенна 12, блок 13 предварительной фильтрации и усиления, N полюсовых фильтров 14, N аттенюаторов 15, сумматор 16, преобразователь 17 частоты вверх, усилитель 18 мощности, преобразователь 23 частоты вниз, синтезатор 22 частоты. 2 ил.

СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА СВЯЗИ, состоящая из земных станций, каждая из которых содержит блок ввода-вывода информации, управляемый синтезатор частот, первый выход которого соединен с первым входом фазового модулятора, последовательно соединенные преобразователь частоты вверх, ограничитель, усилитель мощности и антенну, к которой подключен линейный тракт приемника, выход которого соединен с входом фазового демодулятора, первый переключатель и блок переключения режимов работы земной станции при приемопередаче служебных сигналов и информации абонентов, антенна соединена каналом связи с ретранслятором, установленным на ИСЗ, содержащем тракт, включающий антенну, к выходу которой подключен блок предварительной фильтрации и усиления, полосовой фильтр, аттенюатор, сумматор, выход которого соединен с первым входом преобразователя частоты вверх, выход которого через усилитель мощности подключен к антенне ретранслятора, отличающаяся тем, что в каждую из земных станций, одна из которых выполняет функцию центра связи, введены формирователь кадра заявки на установление связи и второй переключатель, линейный тракт приемника выполнен в виде последовательно соединенных блока предварительной фильтрации и усиления и преобразователя частоты вниз, причем первые входы блока переключения режимов работы земной станции при приемопередаче служебных сигналов и информации абонентов являются входами запроса заявки на установление связи, первые выходы блока переключения режимов работы земной станции при приемопередаче служебных сигналов и информации абонентов соединены с входами формирователя кадра заявки на установление связи и с входами управляемого синтезатора частот, выход фазового модулятора соединен с первым входом преобразователя частоты вверх, гетеродинные входы преобразователя частоты вверх и преобразователя частоты вниз соединены соответственно с вторым и третьим выходами управляемого синтезатора частот, выход фазового демодулятора через второй переключатель соединен с вторым входом блока переключения режимов работы земной станции при приемопередаче служебных сигналов и информации абонентов, выход блока ввода-вывода информации соединен с первым входом первого переключателя, второй вход которого соединен с выходом формирователя кадра заявки на установление связи, третий вход первого переключателя и второй вход второго переключателя объединены и подключены к второму выходу блока переключения режимов работы земной станции при приемопередаче служебных сигналов и информации абонентов, второй выход второго переключателя соединен с входом блока ввода-вывода информации, вторые вход и выход которого являются соответственно входом и выходом аппаратуры абонента, в ретранслятор введены синтезатор частот и N-1 дополнительных трактов, каждый из которых включает антенну, к выходу которой подключен блок предварительной фильтрации и усиления, выход которого соединен с входом преобразователя частоты вниз, выход которого соединен с входом каждого из N полосовых фильтров, выход каждого полосового фильтра соединен с входом соответствующего аттенюатора, выход первого аттенюатора соединен с первым входом сумматора, выход которого соединен с первым входом преобразователя частоты вверх, выход которого через усилитель мощности подключен к антенне этого тракта, в первый тракт ретранслятора введены преобразователь частоты вниз, N-1 полосовых фильтров и N-1 аттенюаторов, причем выход блока предварительной фильтрации и усиления первого тракта соединен с входом преобразователя частоты вниз, выход которого соединен с входом каждого из N полосовых фильтров, выход каждого полосового фильтра соединен с входом соответствующего аттенюатора, выход первого аттенюатора соединен с первым входом сумматора, в каждом из N трактов каждый из N-1 входов сумматора соединен с выходом одного аттенюатора из каждого из оставшихся N-1 трактов, первые N выходов синтезатора частот соединены с вторыми входами соответствующего из N преобразователей частоты вниз каждого из трактов, а вторые N выходов синтезатора частот соединены с вторыми входами соответствующего из N преобразователей частоты вверх каждого из N трактов, где число N определяется отношением угловых размеров общей зоны обслуживания и ширины луча каждой антенны тракта ретранслятора.