РЕТРАНСЛЯТОР СВЯЗИ Российский патент 1997 года по МПК H04B7/185 

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в системах спутниковой связи, функционирующих в условиях помехах.

Известны ретрансляторы связи (РС) как без обработки (с прямой ретрансляцией ПР), так и с обработкой сигналов на борту (ОСБ), размещаемые на одном искусственном спутнике Земли (ИСЗ) [1,2] которые обеспечивают обмен информацией между земными станциями (ЗС) в условиях отсутствия воздействия внешних источников помех (ИП) с достаточно высоким качеством. При этом РС без ОСБ содержат последовательно соединенные: приемное антенное устройство (АУ ПРМ), высокочастотный приемный тракт (ВЧТ ПРМ), смеситель частоты (СМ), тракт передачи (ПРД) и передающее антенное устройство (АУ ПРД), а также генератор сдвига (ГС), выход которого подключен ко второму входу СМ. В РС с ОСБ дополнительно входит тракт обработки (ТО) (содержащий набор демодуляторов сигналов отдельных ЗС, а также устройства преобразования структуры сигналов, объединения их в групповой сигнал и модуляции), включающий между СМ и ПРД. В спутниковых системах, использующих РС с ОСБ, как правило, применяется многостанционный доступ ЗС к РС: с частотным разделением на линии вниз РС-ЗС. Известны также РС на N ≥ 2 ИСЗ [3-5] не различаемые с точки зрения земных станций, имеющих слабонаправленные антенны, т.е. воспринимаемые с Земли как единый ретранслятор, размещенный на несколько ИСЗ. Подобные РС, как правило, используются для работы с подвижными объектами, т.к. позволяют обходиться без систем наведения антенн ЗС на РС. Кроме того они обеспечивают более высокую пропускную способность, покрывают большие районы, обеспечивают непрерывную связь при смене РС и используются для решения задач навигации.

Однако как РС на одном ИСЗ, так и РС на N ≥ 2 ИСЗ не позволяют обеспечить требуемое качество информационного обмена в условиях воздействия ИП.

Известны также РС [6, 7] которые в отличие от описанных ранее, содержат специальные устройства для борьбы с помехами, принцип действия которых базируется на использовании ширикополосных сигналов (ШПС) и методов пространственно-временной обработки сигналов (ПВОС). Данные устройства за счет сигнальной избыточности (при использовании ШПС) и пространственной селекции сигналов и помех (при использовании ПВОС) позволяют существенно снизить степень воздействия ИП на РС.

Наиболее близким по своей технической сущности аналогом к заявляемому устройству (прототипом) является известный РС с ОСБ на ИСЗ системы спутниковой связи MILSTAR [7] который соде6ржит последовательно соединенные: АУ ПРМ, ВЧТ ПРМ, СМ, ТО, прд, АУ ПРД, но, в отличие от описанного выше РС с ОСБ в прототипе, вместо ГС, настроенного на одну частоту, используется генератор со скачкообразно изменяемой частотой (ГСИЧ), обеспечивающий преобразование ШПС на входе СМ с псевдослучайно переключаемой частотой (ППРЧ) в сигналы с постоянной частотой на выходе СМ (при этом сохраняется разделение сигналов от ЗС по частоте за счет синхронных скачков группы частот, выделенных для данных ЗС). Согласование моментов времени скачков по частоте РС и ЗС выполняется с помощью специального блока синхронизации в тракте обработки, тактирующего генератор скачкообразно изменяемой частоты и формирователь сигнала "маяка", добавляемого к групповому сигналу, излучаемому вниз на ЗС. С целью обеспечения повышенной помехоустойчивости на линиях вниз в тракте обработки групповой сигнал дополнительно преобразуется в ШПС. Кроме того, в АУ ПРМ и АУ ПРД могут использоваться методы ПВОС. В условиях воздействия ИП описанный РС позволяет обеспечить требуемое качество информационного обмена между ЗС с узконаправленными антеннами.

Однако известное устройство-прототип имеет недостаток. Данный РС не позволяет обеспечить требуемое качество информационного обмена между ЗС со слабонаправленными антеннами в условиях воздействия ИП с узконаправленными антеннами. Это объясняется тем, что используемые в РС методы помехозащиты не учитывают различия характеристик направленности антенн ЗП и ИП. В то же время предельная величины помехоустойчивости, обеспечиваемая в прототипе используемыми методами ШПС и ПВОС, ограничена частотным ресурсов и реализуемостью достаточно сложных алгоритмов ПВОС на РС. Кроме того, методы ПВОС не позволяют без существенных потерь мощности принимаемых сигналов (а в результате этого и потерь пропускной способности РС0 бороться с воздействием ИП, находящегося в пределах главного лепестка АУ ПРМ, направленного на группу обслуживаемых ЗС. В частности, при работе ЗС со слабонаправленными антеннами (например, на подвижных объектах) уровень помех может превысить обеспечиваемый на РС пирог помехоустойчивсти уже только за счет более высокой направленности антенны ИП.

Таким образом задачей является разработка РС, обеспечивающего достижение технического результата, заключающегося в повышении помехоустойчивости информационного обмена между земными станциями со слабонаправленными антеннами в условиях воздействия источников помех с узконаправленными антеннами.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном РС, содержащем основной узел на борту основного искусственного спутника Земли, включающем ВЧТ ПРМ с подключенным на его вход АУ ПРМ и последовательно соединенные СМ, ТО, ПРД и АУ ПРД, а также ГСИЧ, выход которого связан с дополнительным входом СМ, а его вход с дополнительным выходом ТО, дополнительно введены N вспомогательных узлов, каждый из которых размещен на отдельном вспомогательном ИСЗ и содержит последовательно соединенные АУ ПРМ, ВЧТ ПРМ, преобразователь частоты (ПЧ), усилитель мощности (УМ) и впомогательное6 передающее антенное устройство (ВАУ ПРД). В основной узел введены делитель частоты (ДЧ), датчик случайных чисел (ДСЧ) и высокочастотный коммутатор (ВЧК), а также N последовательно соединенных вспомогательных приемных антенных устройств (ВАУ ПРМ), вспомогательных высокочастотных приемных трактов (ВВЧТ ПРМ) и вспомогательных преобразователей частоты (ВПЧ). Причем выходы N ВПЧ подключены к соответствующим N сигнальным входам ВЧК, выход которого подключен к основному входу СМ. Дополнительный (управляющий) вход ВЧК соединен с выходом ДСЧ, вход которого соединен с выходом ДЧ, а вход ДЧ соединен с дополнительным выходом ТО.

Соединенные последовательно в ОУ блоки ВАУ ПРМ, ВВЧТ ПРМ и ВПЧ, а в ВУ блоки АУ ПРМ, ВЧТ ПРМ и ПЧ образуют входные цепи приемного тракта РС.

Благодаря новой указанной совокупности признаков повышение помехоустойчивости обеспечивается за счет случайного переключения входных цепей приемного тракта РС, пространственно согласованных с шириной главного диаграммы направленности антенн ЗС, что не позволяет ИП с узконаправленной антенной осуществлять непрерывное прицельное подавление РС.

Заявляемое устройство поясняется чертежами, на которых показаны:
на фиг. 1 структурная схема заявляемого ретранслятора связи;
на фиг. 2 пример реализации блоков вспомогательного узла РС;
на фиг. 3 пример реализации новых блоков основного узла РС;
на фиг. 4 пример реализации тракта обработки РС;
на фиг. 5 рисунок, поясняющий принцип работы устройства.

Ретранслятор связи, показанный на фиг. 1, состоит из основного узла (ОУ), расположенного на основном ИСЗ, а также из N вспомогательных узлов (ВУ₁,ВУ_N), расположенных на N вспомогательных ИСЗ. В свою очередь ОУ состоит из N последовательно соединенных ВАУ ПРМ 1, ВВЧТ ПРМ 2, ВПЧ 3 и, кроме того, из последовательно соединенных ВЧК 4, СМ 5, ТО 6, ПРД 7, АУ ПРД 8, а также ГСИЧ 9, ДЧ 10 и ДСЧ 11, причем выходы ВПЧ 3 подключены к N входам ВЧК 4, дополнительный вход которого соединен с выходом ДСЧ 11, вход которого соединен с выходом ДЧ 10, а вход ДЧ 10 соединен с дополнительным выходом ТО 6, с которым также соединен вход ГСИЧ 9, выход которого подключен к дополнительному входу СМ 5. Каждый из N вспомогательных узлов состоит из последовательно соединенных АУ ПРМ 12, ВЧТ ПРМ 13, ПЧ 14, УМ 15 и ВАУ ПРД 16.

Вспомогательный узел может быть реализован в виде обычного РС без ОСБ. На фиг. 2 показан пример реализации ВУ с более подробным раскрытием блоков ВЧТ ПРМ 13 и ПЧ 14. В частности, ВЧП ПРМ 13 состоит из последовательно соединенных преселектора 13.1 и малошумящего усилителя (МШУ) 13.2, а ПЧ из смесителя СМ 14.1 и генератора сдвига ГС 14.2, причем на первый вход смесителя СМ 14.1 поступает сигнал от МШУ 13.2 ВЧП ПРМ 13, а на его второй вход сигнал от ГС 14.2. Сигнал с выхода СМ 14.1 ПЧ 14 поступает на усилитель мощности УМ 15. Схемы таких РС, а также входящих в них блоков и субблоков, в том числе антенных устройств и УМ (см. фиг. 2), известны и описаны в [1] на стр. 167 - 180. Входящие в ОУ (см. фиг. 3) N последовательно соединенных ВАУ ПРМ 1, ВВЧТ ПРМ 2 и ВПЧ 3 аналогичны входным цепям указанных выше РС без ОСБ и могут быть выполнены по аналогии с описанными выше блоками АУ ПРМ 12, ВЧТ ПРМ 13 и ПЧ 14. Блок ВЧК 4 может быть реализован на базе диодных коммутаторов СВЧ (см. фиг. 3), описанных в [8] на стр. 91 99. В качестве ДСЧ 11 (см. фиг. 3) может выступать как формирователь действительно случайных сигналов [9] так и датчик псевдослучайных чисел (ДПСЧ), реализация которого на базе полиномиального счетчика 11.2 (именуемого также рекуррентным регистром сдвига) описана в [10] на стр. 290 294. Подобные ДПСЧ используются, например, при формировании и обработке ШПС [11] Учитывая, что в ГСИЧ 9 прототипа входит такой датчик, он может быть использован и в качестве основы ДСЧ 11 заявляемого РС. В состав ДСЧ, в частном случае, может входить (см. фиг. 3) дешифратор 11.1, преобразующий двоичный код случайного числа в унарный код. Реализация подобных дешифраторов описана в [10] на стр. 88 95. ДЧ 10 может быть реализован в виде счетчика-делителя по произвольному основанию, описанного в [10] на стр. 252 276. Обобщенный вариант реализации части ОУ, включающей новые блоки, проиллюстрирован на фиг. 3. Пример реализации ТО 6 приведен на фиг. 4. Он включает последовательно соединенные блок согласованных фильтров 6.1, групповой цифровой демодулятор (процессор) 6.2, аппаратуру временного уплотнения 6.3, модулятор 6.4 и смеситель 6.7, а также блок синхронизации 6.5, генератор СИЧ (ПРД) 6.6 и формирователь сигнала "Маяка" 6.8, причем сигналы синхронизации от блока синхронизации 6.5 поступают на субблоки 6.2, 6.8 блока 6 и на блоки ГСИЧ 9 и ДЧ 10 ОУ ретранслятора связи. Выход генератора СИЧ (ПРД) 6.6 соединен со вторым входом смесителя 6.7. Сигналы с выходом смесителя 6.7 и формирователя 6.8 объединяются и подаются на блок ПРД 7 ОУ.

Блоки СМ 5, ТО 6, ПРД 7, АУ ПРД 8, ГСИЧ 9 ОУ (см. фиг. 1), а также субблоки ТО 6 (см. фиг. 4) аналогичны одноименным блокам и субблокам прототипа, описание реализации которых содержится в [7]
Заявленное устройство работает следующим образом. Сигналы, передаваемые от ЗС к РС, и сигналы, принимаемые ЗС и РС, являются широкополосными за счет скачкообразного изменения частоты и имеют параметры, соответствующие параметрам сигналов в прототипе. Вспомогательные узлы ВУ₁,В_N расположенные на N вспомогательных ИСЗ, распределенных (по возможности равномерно) в пределах площади, освещаемой главными лепестками диаграмм направленности антенн земных станций (см. фиг. 5). Причем характеристики АУ ПРМ 12 и ВЧТ ПРМ 13 всех вспомогательных узлов одинаковы и соответствует характеристикам аналогичных блоков прототипа. Отличаются друг от друга данные узлы пространственным положением и величиной смещения частоты в ПЧ 14 (последнее с целью исключения влияния друг на друга сигналов, принимаемых основным узлом от разных вспомогательных узлов). Соответственно входящие в ОУ N последовательно соединенных ВАУ ПРМ 1, ВВЧТ ПРМ 2 и ВПЧ 3 также различаются диапазонами частот и ориентациями антенн.

Сигналы, излучаемые всеми ЗС, работающими через данный РС, за счет широких диаграмм направленности поступают на входы АУ ПРМ 12 всех ВУ, фильтруются и усиливаются в соответствующих ВЧТ ПРМ 13, переносятся в ПЧ 14 разных ВУ на разные частоты (более высокого диапазона частот), усиливаются в УМ 15 и излучаются с помощью ВАУ ПРД 16 каждого ВУ в сторону ОУ. Сигналы, принимаемые от разных ВУ разными ВАУ ПРМ 1, фильтруются и усиливаются в соответствующих ВВЧТ ПРМ 2, переносятся с помощью ВПЧ 3 на прежнюю частоту (частоту излучения ЗС) и поступают на соответствующие сигнальные входы ВЧК 4. Через ВЧК 4 на вход СМ 5 проходят сигналы, принимаемые только одним ВУ, номер которого совпадает с текущим значением номера на выходе ДСЧ 11. После этого с сигналами происходят те же преобразования, что в прототипе, а именно сигналы от каждой ЗС смещаются в СМ 5 за счет синхронного переключения ГСИЧ 9 на свою постоянную частоту в группе частот, на каждую из которых настроены соответствующие согласованные фильтры в субблоке 6.1 ТО 6 (см. фиг. 4). После демодуляции и необходимых преобразований структуры отдельных сигналов в субблоке 6.2, синхронизируемом субблоком 6.5, они объединяются в субблоке 6.3, переносятся в высокочастотную область в субблоке 6.4, преобразуются в субблоке 6.7 в ШПС (совместно с сигналами "маяка", формируемыми в субблоке 6.8, синхронизируемом субблоком 6.5) с выхода ТО 6 поступают на вход ПРД 7, где они усиливаются, а затем поступают на АУ ПРД 8 и излучаются вниз в направлении ЗП.

Распределение вероятностей различных номеров на выходе ДСЧ 11 является равномерным. ДЧ 10 уменьшает тактовую частоту сигналов синхронизации, поступающих с дополнительного выхода ТО 6 (используемую также для синхронизации ГСИЧ 9), с целью обеспечения более длительной периодичности переключения ВУ ( по сравнению с периодичностью переключения частот в ГСИЧ 9), превышающей время подстройки ЗС под изменяющееся при этом время задержки распространения радиоволн (как правило, индивидуальное для каждой ЗС), что позволяет уменьшить позволяет уменьшить относительную долю времени переходных процессов при переключении ВУ. Следует отметить, что как в прототипе, так и в заявляемом изобретении подобные потери существуют также из-за переходных процессов при ППРЧ. Вследствие этого при некоторых вариантах размещения вспомогатльных ИСЗ (например, при их равноудаленном от основного ИСЗ размещении) длительность переходных процессов при переключении вспомогательных узлов может оказаться соизмеримой с допустимой длительностью переходных процессов при ППРЧ. В этом случае коэффициент деления в ДЧ 10 может быть уменьшен в пределе до 1.

На фиг. 5 показан пример использования предлагаемого РС, иллюстрирующий достижение требуемого технического результата. Мешающий сигнал от ИП с узконаправленной антенной, главный лепесток диаграммы направленности которой охватывает только часть АУ ПРМ 12 из их общего количества N (например n, причем 1≅ n < N), может попасть на вход того же АУ ПРМ 12, с выхода которого через последующие блоки ВУ и ОУ РС в соответствии с текущим номером на выходе ДСЧ 11 сигналы проходят на вход СМ 5 с вероятностью не большей, чем n/N. Следовательно, для обеспечения того же результата воздействия ИП, который был бы при воздействии ИП на прототип, в данном случае потребуется не менее N/n| прежних ИП или один ИП с широконаправленной (или сканирующей узконаправленной) антенной, охватывающей все N АУ ПРМ 12, но с увеличенной не менее чем в N/n раз мощностью передатчика. Таким образом, помехоустойчивость за счет использования заявляемого ретранслятора увеличивается как минимум в N/n раз. Очевидно, при достаточно большом значении N потенциально реализуемое увеличение помехоустойчивости будет зависеть не столько от конкретного значения N, сколько от отношения площадей, условно вырезаемых на поверхности околоземной сферы на высоте ИСЗ с РС главными лепестками антенн ЗС и ИП, с точностью до целочисленного значения количества укладок меньшей площади в большей (при идеализации формы главных лепестков диаграмм направленности в виде конуса). Кроме того, использование различных частот передачи от различных ВУ к ОУ (причем в более высоком диапазоне частот по сравнению с диапазоном частот сигналов ЗС) не позволяет ИП эффективно воздействовать на входы ВАУ ПРМ, а использование ДСЧ 11, формирующего случайные числа, неизвестные и не учитываемые ЗС ( в отличие от псевдослучайных чисел, известных ЗС и используемых для согласования работы РС и ЗС в режиме ППРЧ), не позволяет ИП знать, когда и какой из ВУ является активным, что не позволяет сформировать ИП помеху "вслед" по аналогии с подобными помехами, возможными при ППРЧ. Следует отметить, что достигаемый технический результат не является следствием простого увеличения количества ИСЗ, на которых размещаются узлы РС. При другом использовании и принципе действия РС, размещенного на N ≥ 2 ИСЗ (как, например, в аналогах [3-5] помехоустойчивость РС может оказаться гораздо ниже даже по сравнению с использованием РС на одном ИСЗ.

Источники информации
1. Спилкер ДЖ. Цифровая спутниковая связь. М. Связь, 1979, с. 592.

Хуан Р. Хутен Ф, Ренранслятор системы спутниковой связи с обработкой сигналов на борту.// ТИИЭР, 1971. Т.59, N 2, с. 139-155.

3. Система спутниковой связи с подвижными средствами. Заявка N 8802632 (Франция)// Изобретение стран мира. 1990. Вып.134. N 3.

4. Система связи с использованием спутников-ретрансляторов. Заявка N 0177966 (Япония)// Изобретения стран мира. 1986. Вып. 127. N 23/
5. Система связи через несколько спутниковых ретрансляторов, работающих на общей частоте канала спутник-земля. Заявка N 901101 25 // Изобретения стран мира. 1991. Вып. 109. N 8.

6. Клименко Н.Н. Система FLITSATCOM спутниковой связи ВМС США // Зарубежная радиоэлектроника. 1990. N 2. С. 3-18.

7. Клименко Н. Н. Костенко Б.А. Системы спутниковой связи SURVSATCOM и MILSTAR // Зарубежная радиоэлектроника. 1991. N 4. С. 101 110.

8. Вайсблат М. П. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых дионах. М. Радио и связь, 1987, 120 с.

9. Бобнев М.П. Генерирование случайных процессов и изменение их параметров. М. Энергия, 1966, 140с.

10. Потемкин И.С. Функциональные узлы цифровой автоматики. Л. Энергоатомиздат, 1988, 320с.

11. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации /Под ред. В.Б. Пестрякова. М. Советское радио, 1973, 424с.

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в системах спутниковой связи, функционирующих в условиях помех. Задачей является разработка ретранслятора связи (РС), обеспечивающего повышенную помехоустойчивость информационного обмена земными станциями (ЗС) со слабонаправленными антеннами в условиях воздействия источников помех (ИП) с узконаправленными антеннами. РС состоит из N ≥ 2 вспомогательных узлов ВУ (ВУ₁,...ВУ_N), размещенных на N вспомогательных искусственных спутниках Земли (ИСЗ), распределенных вокруг основного узла (ОУ) РС на основном ИСЗ в пределах пространства, ограниченного главными лепестками диаграмм направленности антенн ЗС. ОУ состоит из N вспомогательных последовательно соединенных приемных антеннах устройств 1, высокочастотных приемных трактов 2 и преобразователей частоты 3, а также из последовательно соединенных высокочастотного коммутатора 4, смесителя 5, тракта обработки 6, тракта передачи 7, передающего антенного устройства 8, а также генератора скачкообразно изменяемой частоты 9, делителя частоты 10 и датчика случайных чисел 11. Увеличение помехоустойчивости РС достигается за счет случайного переключения входных цепей приемного тракта РС, пространственно согласованных с шириной главного лепестка диаграммы направленности антенн ЗС, что не позволяет ИП с узконаправленными антеннами осуществлять непрерывное прицельное подавление всего РС. 5 ил.

Ретранслятор связи, содержащий на борту искусственного спутника Земли высокочастотный приемный тракт с подключенным на его вход приемным антенным устройством и последовательно соединенные смеситель, тракт обработки, тракт передачи и передающее антенное устройство, а также генератор скачкообразно изменяемой частоты, выход которого связан с дополнительным входом смесителя, а его вход с дополнительным выходом тракта обработки, отличающийся тем, что ретранслятор связи включает основной узел, размещенный на борту основного искусственного спутника Земли, и N > 2 вспомогательных узлов, каждый из которых размещен на отдельном вспомогательном искусственном спутнике Земли и содержит последовательно соединенные высокочастотный приемный тракт с подключенным на его вход приемным антенным устройством, преобразователь частоты, усилитель мощности и вспомогательное передающее антенное устройство, а основной узел содержит N вспомогательных приемных антенных устройств, N вспомогательных высокочастотных приемных трактов, N вспомогательных преобразователей частоты, делитель частоты, датчик случайных чисел, высокочастотный коммутатор, генератор скачкообразно изменяемой частоты, смеситель, тракт обработки, тракт передачи и передающее антенное устройство, причем выходы каждого вспомогательного приемного антенного устройства соединены с входами соответствующих вспомогательных высокочастотных приемных трактов, выходы которых связаны с входами соответствующих вспомогательных преобразователей частоты, выходы которых подключены к соответствующим N входам высокочастотного коммутатора, выход которого связан с основным входом смесителя, к входу которого подключен последовательно соединенные тракт обработки, тракт передачи и передающее антенное устройство, а также генератор скачкообразно изменяемой частоты, выход которого связан с дополнительным входом смесителя, а его вход с дополнительным выходом тракта обработки, причем дополнительный вход высокочастотного коммутатора подключен к выходу датчика случайных чисел, вход которого связан с выходом делителя частоты, вход которого подключен к дополнительному выходу тракта обработки.